M.SC. J. ALFREDO VARGAS OROZAIngeniero Eléctrico

Oruro-Bolivia2013

PRÓLOGO

Ponemos en consideración de los amables lectores, esta modesta contribución académica que tiene como finalidad, constituir un instrumento que permita hacer un seguimiento de la asignatura ELT 3611 Centrales Eléctricas, este libro constituye una síntesis de lo referente a los conceptos básicos y permite conocer las diferentes partes de una planta a través de la descripción de cada una de ellas, asimismo busca que el lector comprenda como se efectúa el proceso de generación eléctrica, en base a la cual, el ser humano ha desarrollado sorprendentes avances tecnológicos.

La energía hidroeléctrica, tiene un proceso de generación que es importante conocer, constituye un tipo de energía no contaminante y, por utilizar un recurso renovable como el agua es, y será por siempre, altamente apreciada, en especial en Bolivia, que posee un interesante potencial hidroeléctrico del cual aprovecha solamente, algo más del 2%

La energía termoeléctrica es otro potencial que tiene Bolivia y que explota a través de las turbinas a gas que se encuentran instaladas en diferentes partes del territorio nacional.

Si la obra resulta útil a quien la tenga en sus manos, será la mayor recompensa que tenga el autor.

Si el amable lector encontrase algún error o estimase oportuno hacer alguna sugerencia

para mejorar la calidad del mismo, su aporte será gratamente reconocido.

J. Alfredo Vargas OrozaM.Sc. Ingeniero Electricista

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Propiedad Intelectual de: José Alfredo Vargas Oroza

Segunda edición corregida y aumentada Mayo 2013Imprenta Universitaria

CONTENIDOCAPÍTULO IHIDROLOGÍA

1.1 INTRODUCCIÓN................................................................11.2 CICLO HIDROLÓGICO....................................................11.3 PRECIPITACIÓN...............................................................31.4 FORMACIÓN DE LA PRECIPITACIÓN........................41.5 PRECIPITACIÓN INDUCIDA ARTIFICIALMENTE. .71.6 MEDICIÓN DE LA PRECIPITACIÓN............................81.7 PLUVIÓMETROS...............................................................81.8 MEDICIÓN DE LA PRECIPITACIÓN UTILIZANDO RADAR 121.9 ESTIMACIÓN DE LA PRECIPITACIÓN UTILIZANDO SATÉLITES.......................................................................................131.10 INTERPRETACIÓN DE LOS DATOS DE PRECIPITACIÓN.............................................................................131.11 ESTIMACIÓN DE DATOS FALTANTES DE PRECIPITACIÓN.............................................................................131.12 PRECIPITACIÓN PROMEDIO SOBRE UN ÁREA....151.13 MÉTODO DE THIESSEN................................................151.14 MÉTODO DE LAS ISOYETAS.......................................18

a) Método de Thiessen.....................................................................19b) Método de las isoyetas................................................................20

1.15 CAUDAL.............................................................................211.16 NIVEL DE AGUA, LIMNÍMETROS..............................211.17 LIMNÍGRAFOS.................................................................211.18 DETERMINACIÓN DEL CAUDAL...............................231.19 AFOROS.............................................................................231.20 VERTEDEROS .................................................................231.21 MÉTODO DE SOLUCIONES..........................................251.22 MOLINETES......................................................................271.23 DETERMINACIÓN DE LOS CAUDALES DE DISEÑO321.24 MANEJO DE AGUAS EN LAS PLANTAS HIDROELÉCTRICAS DE BOLIVIA.................................................40

CAPÍTULO II................................................................................................PLANTAS ELÉCTRICAS...........................................................................

2.1 INTRODUCCIÓN..............................................................41

2.2 GENERALIDADES...........................................................422.3 PLANTAS ELÉCTRICAS DE BOLIVIA.......................432.4 POTENCIAL HIDROELÉCTRICO DEL PAÍS............522.5 DIAGRAMAS DE CARGA...............................................552.6 PRESA.................................................................................582.7 CANAL................................................................................602.8 DESARENADOR...............................................................682.9 CÁMARA DE CARGA.....................................................682.10 TUBERÍA............................................................................692.11 GOLPE DE ARIETE .......................................................722.12 TEORÍA DE ALLIEVI .....................................................742.13 GOLPE DE ARIETE CON CIERRE BRUSCO.............742.14 GOLPE DE ARIETE CON CIERRE LENTO................752.15 TUBO DE ASPIRACIÓN....................................................85

CAPÍTULO III TURBINAS HIDRÁULICAS

3.1 DEFINICIÓN.....................................................................873.2 RUEDA HIDRÁULICA....................................................873.3 TURBINA FRANCIS.........................................................883.4 CARACOL DE LA TURBINA FRANCIS......................903.5 DISTRIBUIDOR DE UNA TURBINA FRANCIS..........903.6 RODETE.............................................................................913.7 TUBO DE DESFOGUE.....................................................923.8 GRADO DE REACCIÓN .................................................933.9 DIAGRAMAS DE VELOCIDADES A LA ENTRADA Y SALIDA DEL ROTOR......................................................................933.10 TUBO DE DESFOGUE.....................................................973.11 TURBINAS KAPLAN.......................................................983.12 ÓRGANOS PRINCIPALES DE UNA TURBINA KAPLAN

993.13 DIAGRAMA DE VELOCIDADES A LA ENTRADA Y SALIDA DEL ROTOR....................................................................1013.14 DIÁMETRO DE LA HÉLICE........................................1043.15 VELOCIDAD DE GIRO.................................................1043.16 TURBINAS BULBO, TUBULARES Y DE POZO PARA CARGAS MÍNIMAS Y GRANDES CAUDALES........................1043.17 TURBINA DE FLUJO CRUZADO (CROSS FLOW) 1073.18 TURBINA TIPO PELTON.............................................1103.19 CARACTERÍSTICAS DEL RODETE..........................1133.20 TURBINA TURGO..........................................................116

3.21 ELECCIÓN DEL TIPO DE TURBINA.........................1173.22 REGULADORES AUTOMÁTICOS DE TURBINAS. 1183.23 REGULADOR DE TURBINAS FRANCIS...................1243.24 REGULADORES DE LAS TURBINAS PELTON.......1253.25 REGULADORES PARA TURBINAS KAPLAN.........1283.26 REGULADORES ELÉCTRICOS PARA LAS TURBINAS

1303.27 CAVITACIÓN ..................................................................132

CAPÍTULO IV...........................................................................................CENTRALES TERMOELÉCTRICAS COMBUSTIBLES..................

4.1 INTRODUCCIÓN............................................................1354.2 IMPACTO AMBIENTAL...............................................1354.3 VENTAJAS.......................................................................1364.4 INCONVENIENTES.......................................................1364.5 COMBUSTIBLES............................................................1374.6 CLASIFICACIÓN DE LOS COMBUSTIBLES...........1394.7 COMBUSTIBLES SÓLIDOS.........................................1404.8 MADERAS........................................................................1414.9 CARBONES FÓSILES....................................................1414.10 RESIDUOS ORGÁNICOS..............................................1434.11 COMBUSTIBLES LÍQUIDOS.......................................1454.12 PETRÓLEO......................................................................1464.13 DESTILACIÓN DEL PETRÓLEO...............................1464.14 COMBUSTIBLES LÍQUIDOS ARTIFICIALES.........1504.15 COMBUSTIBLES GASEOSOS........................................152

CAPÍTULO VGENERADORES DIESEL5.1 INTRODUCCIÓN.....................................................................1575.2 PARTES COMPONENTES DE UN MOTOR DIÉSEL...........1595.3 SISTEMA DE INYECCIÓN DE COMBUSTIBLE..................1625.4 VOLANTE.................................................................................1635.5 BALANCE TÉRMICO..............................................................1635.6 EL TURBOCOMPRESOR........................................................1635.7 CICLOS DE FUNCIONAMIENTO DEL TURBO...................1645.8 REGULACIÓN DE LA PRESIÓN TURBO.............................1665.9 TEMPERATURA DE FUNCIONAMIENTO...........................1675.10 INTERCOOLER........................................................................1695.11 INYECTORES, VERIFICACIÓN Y CONTROL DE MOTORES DIESEL..................................................................................................171

5.12 VERIFICACIÓN Y LIMPIEZA DEL INYECTOR..................1715.13 GRUPO ELECTRÓGENO........................................................1735.14 DESCRIPCIÓN GENERAL......................................................1735.15 MANTENIMIENTO DEL MOTOR..........................................1765.16 MANTENIMIENTO DEL ALTERNADOR.............................1785.17 MANTENIMIENTO DE BATERÍAS.......................................180

CAPÍTULO VI...........................................................................................TURBINAS DE VAPOR

6.1 INTRODUCCIÓN............................................................1816.2 GENERADORES DE VAPOR.......................................1826.3 PARTES PRINCIPALES DE LAS CALDERAS..........1846.4 REPRESENTACIÓN ESQUEMÁTICA DE UNA CENTRAL TÉRMICA DE VAPOR SIN CONDENSADOR......1916.5 REPRESENTACIÓN ESQUEMÁTICA DE UNA CENTRAL TERMICA DE VAPOR..............................................1926.6 CICLO TERMODINÁMICO DE LAS TURBINAS DE VAPOR 1926.7 MODIFICACIÓN AL CICLO BASICO DE LAS TURBINAS DE VAPOR.................................................................1946.7.1 CICLO DE RECALENTAMIENTO....................................1946.8 TURBINA DE VAPOR....................................................2016.9 CLASIFICACIÓN...........................................................2036.10 PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO.........................2036.11 ABASTECIMIENTO DE VAPOR Y CONDICIONES DE ESCAPE 204

CAPÍTULO VII..........................................................................................TURBINA DE GAS....................................................................................

7.1 GENERALIDADES.........................................................2077.2 CENTRALES TERMOELÉCTRICAS DE CICLO CONVENCIONAL..........................................................................2087.3 CENTRALES TERMOELÉCTRICAS DE CICLO COMBINADO..................................................................................2087.4 CICLO TERMODINÁMICO.........................................2117.5 CLASIFICACIÓN...........................................................2127.6 VENTAJAS DE UNA TURBINA DE GAS...................2137.7 DESVENTAJAS...............................................................2147.8 PARTES TURBINAS DE GAS ......................................2157.9 COMPRESOR..................................................................2157.10 CÁMARA DE COMBUSTIÓN......................................216

7.11 TURBINA DE EXPANSIÓN..........................................2177.12 CARCASA........................................................................2177.13 OTROS COMPONENTES DE LA TURBINA DE GAS2187.14 FALLAS EN CASA DE FILTROS.................................2197.15 FALLAS EN ÁLABES (COMPRESOR Y TURBINA DE EXPANSIÓN)...................................................................................2197.16 FALLAS EN LA CÁMARA DE COMBUSTIÓN........2217.17 FALLAS DEL ROTOR...................................................2217.18 FALLAS DE LA CARCASA..........................................2237.19 FALLAS EN COJINETES..............................................2237.20 FALLAS DE CONTROL Y DE LA INSTRUMENTACIÓN...................................................................2247.21 ARRANQUE DE UNA TURBINA DE GAS 5...............2257.22 ARRANQUE MEDIANTE MOTORES ELÉCTRICOS2267.23 MOTORES NEUMÁTICOS...........................................2267.24 MOTORES HIDRÁULICOS..........................................2277.25 MOTORES DIESEL..........................................................227

CAPÍTULO VIII........................................................................................GENERADORES.......................................................................................

8.1 INTRODUCCIÓN............................................................2298.2 TENSIÓN Y POTENCIA DEL GENERADOR............2318.3 PARTES COMPONENTES DE UN ALTERNADOR. 2328.4 FACTOR DE POTENCIA..............................................2358.5 EXCITACIÓN DE LOS GENERADORES..................2378.6 TIPOS DE EXCITACIÓN..............................................2398.7 REGULACIÓN DE LA TENSIÓN................................2458.8 REGULADORES REOSTÁTICOS CON CONTACTOS RODANTES.....................................................................................2478.9 REGULACIÓN DE LA TENSIÓN POR MEDIO DE TRANSISTORES.............................................................................2518.10 REGULACIÓN DE TENSIÓN POR TRANSDUCTORES253

CAPÍTULO 9PROTECCIONES Y ACOPLAMIENTO DE ALTERNADORES

9.1 INTRODUCCIÓN............................................................2559.2 PROTECCIÓN CONTRA SOBRETENSIONES.........2559.3 DESEXCITACIÓN RÁPIDA..........................................2659.4 RELÉS DE ÚLTIMA GENERACIÓN..........................2669.5 ESQUEMAS DE CONEXIONES DE LOS APARATOS DE PROTECCIÓN, PARA LOS GENERADORES SÍNCRONOS

DE POTENCIA REDUCIDA, DE MEDIANA Y GRAN POTENCIA267

9.6 ACOPLAMIENTO ELÉCTRICO DE LOS ALTERNADORES..........................................................................2709.7 MANIOBRA PARA EL ACOPLAMIENTO DE LOS ALTERNADORES............................................................................273

CAPÍTULO X.............................................................................................INSTALACIONES COMPLEMENTARIAS DE UNA CENTRAL

10.1 INSTALACIONES DE MEDIDA Y CONTROL.........27910.2 PUENTE GRÚA Y ACCESORIOS................................28710.3 CANALIZACIONES EN EL INTERIOR DE LAS CENTRALES...................................................................................28810.4 ALUMBRADO DE AUXILIO........................................28810.5 BATERÍAS DE ACUMULADORES................................289

CAPÍTULO XI...........................................................................................MANTENIMIENTO DE PLANTAS HIDROELÉCTRICAS...............

11.1 INTRODUCCIÓN............................................................291SISTEMA HIDRÁULICO..............................................................29311.2 LAGOS..............................................................................29311.3 DIQUES.............................................................................29411.4 REGLETAS DE NIVEL..................................................29511.5 DESARENADORES........................................................29611.6 COMPUERTAS...............................................................29711.7 CANALES Y TÚNELES.................................................29711.8 CANALES DE DRENAJE..............................................29911.9 CÁMARAS DE CARGA.................................................30111.10 INDICADORES DEL NIVEL DE AGUA.....................30111.11 VÁLVULAS DE CABECERA........................................30211.12 TUBERÍA DE PRESIÓN (Fig. 11.10)............................302SISTEMA MECÁNICO..................................................................30411.13 VÁLVULAS PRINCIPALES (Figs. 11.12 y 11.13)......30411.14 TAPA DE TURBINA (CAJA).........................................30611.15 INYECTORES.................................................................30611.16 DEFLECTORES..............................................................30811.17 RUEDA..............................................................................30911.18 CÁMARA DE DESFOGUE............................................31211.19 DESCANSOS O COJINETES........................................31311.20 GOBERNADOR...............................................................315SISTEMA ELÉCTRICO

GENERADOR11.21 ROTOR.............................................................................31811.22 ESTATOR.........................................................................32011.23 EXCITATRICES.............................................................32311.24 INTERRUPTORES DE POTENCIA.............................32511.25 INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN Y OPERACIÓN. 32711.26 BATERÍAS.......................................................................32911.27 CARGADORES DE BATERÍAS...................................33111.28 BOMBAS DE AGUA DE EMERGENCIA....................33211.29 ESTANQUES DE AGUA................................................33211.30 SISTEMA DE ALARMAS..............................................33311.31 LUCES DE EMERGENCIA...........................................33311.32 SISTEMAS DE COMUNICACIÓN...............................33411.33 CASA DE MÁQUINAS...................................................33511.34 CAMINOS.........................................................................33611.35 DEPÓSITOS ALMACENES Y OFICINAS..................33711.36 CAMPAMENTOS.............................................................338

CAPÍTULO XII............................................................................................MANTENIMIENTO EN TURBINAS DE GAS ........................................

12.1 INTRODUCCIÓN................................................................33912.2 PLAN DE MANTENIMIENTO INICIAL........................34112.3 PLAN DE MANTENIMIENTO INICIAL BASADO EN INSTRUCCIONES GENÉRICAS.................................................34312.4 PLAN DE MANTENIMIENTO BASADO EN ANÁLISIS DE FALLAS (RCM)...............................................................................34412.5 DIFERENCIAS ENTRE EL PLAN DE MANTENIMIENTO INCIAL Y RCM...............................................................................34712.6 AGRUPACIÓN EN GAMAS DE MANTENIMIENTO.. 34812.7 REVISIÓN MAYOR EN TURBINAS DE GAS, OVERHAUL EN LA TURBINA LM2500 ............................................................34812.8 OVERHAUL EN LA LM2500............................................34912.9 RAZÓN DE REALIZAR LA REVISIÓN OVERHAUL. 35112.10 FASES  DE LA REVISIÓN.............................................35212.11 TAREAS INCLUIDAS EN EL OVERHAUL...............35312.12 REPUESTOS NECESARIOS.........................................35412.13 PROBLEMAS HABITUALES DURANTE LA REVISIÓN OVERHAUL....................................................................................35412.14 PRINCIPALES AVERÍAS EN TURBINAS DE GAS..35512.15 TIPOS DE ARRANQUE.................................................35512.16 FASES DE UN ARRANQUE..........................................356

12.17 PROBLEMAS HABITUALES DURANTE LOS ARRANQUES..................................................................................35912.18 CONSEJOS ÚTILES EN LOS ARRANQUES DE TURBINAS DE GAS.............................................................................

359 ANEXO 1 EXÁMENES Y PRÁCTICAS 361 ANEXO 2 ABRASIÓN EN LA MAQUINARIA DE CENTRALES HIDROELÉCTRICAS 370

ANEXO III RELACIÓN DE PRECIOS DEL GAS NATURAL PARA LA GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA Y PARA LA EXPORTACIÓN 361