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domingo, 21 de julio de 2013

CENTRAL HIDROELÉCTRICA YACYRETÁ




Se trata  de un emprendimiento binacional(Argentina-Paraguay) ubicado sobre el Río Paraná, en la frontera de los dos países, aguas abajo de Itaipú, en el tramo en que el río circula de este a oeste.El propietario de la obra es la “Entidad Binacional Yacyretá(EBY)” perteneciente a ambos países.(Fig.1). . La casa de máquinas de la central se encuentra próxima a las ciudades de Ayolas (Departamento de Misiones, Paraguay) e Ituzaingó (Provincia de Corrientes Argentina).  Dista 1470 km contados por vía navegable de la ciudad de Buenos Aires, y 310 km por carretera de Asunción.  La capital de provincia Argentina mas cercana es Posadas, a 90 Km hacia el Este N.E.
                                                                   
Fig. 1
Antecedentes

Antes de construir el complejo hidroeléctrico, en el Río Paraná emergían dos islas : Yacyretá, más al norte(hacia arriba en la imagen) y la Isla Talavera ubicada al sur(Ver Fig, 2). El río circulaba por dos brazos: el Brazo principal, entre las dos islas y el Brazo Aña Cua, entre la costa norte de la isla Yaciretá y la costa paraguaya de tierra firme. El sentido de la corriente del río es de este a oeste(derecha a izquierda en la imagen), de modo que cuando hablemos de aguas arriba de la Central, estaremos hablando de la parte derecha de la imagen y cuando hablemos de aguas abajo lo estaremos haciendo de la parte izquierda.Cuando hablemos de margenes derecha e iquierda del río, o del embalse, hay que considerar que uno viene navegando a favor de la corriente del Paraná, de este a oeste y tendrá a la derecha la margen derecha y a la izquierda la margen izquierda.

Cuando el agua del Río Paraná fue embalsada, la isla Talavera quedó completamente bajo el agua  y en un 80% la isla Yacyretá. Observese que el color azul ha sido utilizado en la figura para indicar el agua, como es tradicional, y la parte sumergida de las islas está de color azul.La parte de la isla Yacyretá que quedó sin sumergir está de color amarillo.


Fig. 2(Haga click sobre la imagen para ampliar)  



Como se embalsaron las aguas del Río Paraná
Tengase en cuenta que esta es una zona de llanura, entonces hubo que hacer muchas obras de cierre, para encajonar el río y conseguir que se formara una “pileta,” que permitiera almacenar las aguas, formando así  un lago artificial. Estas obras consistieron en presas, indicadas en la Fig.2., de material suelto(arena, arcilla y roca), de unos 65 km de longitud. Las presas se denominan : Lateral Izquierda, Principal Izquierda, Presa de Cierre del Brazo Principal, Presa Isla Yacyretá, Presa de Cierre del Brazo Aña-Cuá y Presa Lateral Derecha.(Todas indicadas en la Fig.2) (Ver también el detalle en vista parcial satelital de la Fig.3)
Fig. 3 – Detalle en vista parcial satelital

Las presas comienzan en la margen izquierda del río, con la Presa Lateral Izquierda, de relativa baja altura. Sigue la Presa Principal Izquierda, separada de la anterior por terreno natural elevado de 1 km. de longitud, que se prolonga hasta la Esclusa de navegación.Continúa la Presa de Cierre del Brazo Principal que se extiende desde la Esclusa en la margen izquierda, hasta el Vertedero del Brazo Principal, situado en la Isla Yacyretá. La Central, adyacente al Vertedero del brazo Principal, se une a la Presa Isla Yacyretá, la que se desarrolla a través de la isla y continua con el Vertedero Brazo Aña-Cua, próximo al brazo del mismo nombre.La Presa Cierre del Brazo Aña-Cua, conecta este Vertedero con la Presa Lateral Derecha, que en una trayectoria casi paralela al Brazo Aña-Cuá, termina en las proximidades de San Cosme, en una elevación suave del terreno natural.


La Central Hidroeléctrica
                                                                                   
Fig.4 – Vista del edificio de la Central, aguas abajo, desde la isla Yaciretá

En la Isla Yacyretá, antes de ser cubierta parcialmente por el agua del lago y al lado del Brazo Principal se construyó una Central equipada con 20 turbinas Kaplan de eje vertical y 20 generadores eléctricos trifásicos sincrónicos acoplados a las mismas, de una potencia instalada total* de 3.100 MW, y un Vertedero provisto de 18 compuertas radiales. Sobre la margen argentina del Brazo Principal se construyó una Esclusa de Navegación, que fué el primer equipo puesto en servicio al comenzar el llenado del embalse, para permitir la continuidad de la navegación fluvial. La longitud total de la estructura de la central es de 808 m, con un ancho de aguas arriba a aguas abajo de aproximadamente 80 m y una altura desde los cimientos de 70m..
* Potencia instalada total de una Central hidroeléctrica: es la sumatoria de las potencias nominales de los generadores instalados en la central. También se suele denominar “Capacidad Instalada”( Installed Capacity (IC) = the maximum power output P for which the generators are designed.)

En el segundo Brazo del río Paraná, conocido como Aña-Cuá se construyó otro Vertedero dotado de 16 compuertas radiales que, junto con el Vertedero Principal, tienen capacidad para verter hasta 95.000 m3/s.

En ambos extremos de la Central operan instalaciones de transferencia de peces.

En ambas márgenes se instalaron Tomas de Riego, con una capacidad máxima de 109 m3 /segundo cada una, que permiten el desarrollo por regadío de las tierras adyacentes.

Fig.5 – Vista en corte de una turbina Kaplan con el generador
sincrónico acoplado.Arriba el piso de la sala de máquinas.
Sección transversal de la Central hidroeléctrica

La casa de máquinas tiene 70 metros de altura, medidos desde los cimientos en el basalto del fondo del río hasta el techo. La caída de agua  se mide entre el nivel del embalse, actualmente a cota 83(83msnm), y el nivel del río aguas abajo, cercano a los 60 msnm, lo que da una caída actualmente(año 2013)de 23m. Ver Fig. 6.

Para ver Planilla de cotas y saltos desde el inicio hasta el presente, haga click aquí
El ingreso de agua a cada una de las 20 turbinas se hace por tres bocas, protegidas por rejas metálicas, para evitar el ingreso de troncos o ramas, que  pueden cerrarse para mantenimiento con compuertas y ataguías.El caudal turbinable por la central, a plena carga, es de 16.400 m3 por segundo.



Fig.6. Corte transversal de Casa de Máquinas
La salida del agua despues de pasar por la turbina se produce a unos 30 metros bajo la superficie del río, también por tres conductos en la estructura de hormigón.  
  
El empuje del agua del lago es soportado por el muro de aguas arriba, que se comporta como una presa de gravedad, sin necesidad de transferir esfuerzos a la casa de máquinas. Entre ese muro y la pared de aguas abajo soportan las cargas de los puente grúas usados en el montaje de las unidades. Las galerías aguas abajo contienen equipamiento electromecánico y dan acceso a los pasajes de agua por medio de escotillas metálicas.

Los generadores tienen una potencia nominal de 172,5 MVA, con 42 pares de polos y generan una tensión de 13,2 kV a una frecuencia de 50 Hz. El aporte de potencia media activa nominal de cada generador a la potencia instalada debería ser : 3100MW/20= 155MW. Para que esto sea posible, la carga de cada generador debería tener un factor de potencia : 155MW/ 172,5MVA= 0,9, que es un valor especificado.-

Las especificaciones de las turbinas son :

Potencia nominal : 154MW, para el salto de diseño= 21,3m ,el caudal de diseño= 794m3/seg (para cada turbina), a 71,4r.p.m. Además admiten caudales comprendidos entre 376 y 830m3/seg.
El diámetro del rodete es de 50m.

La potencia de una turbina se calcula en función de los parámetros hídricos(salto y caudal) mediante la siguiente fórmula:
--------------------------
P = 9,81 . H . Q. η
--------------------------

Donde :

P: es la potencia de la turbina en KW
H: es el salto en metros
Q: es el caudal turbinado por la turbina en m3/seg
η: es la eficiencia o rendimiento de la turbina(entre 0,75 y 0,94)

Apliquemos la fórmula para cada caudal mencionado :

1)Para el valor nominal: H=21,3m; Q=794m3/seg; Supongamos que la eficiencia de la turbina sea 0,93, ya que aunque no tenemos el valor, fue diseñada por Voith Hydro, que es uno de los mejores del mundo.

P=9,81.21,3.794.0,93= 154.295KW=154,29MW, que es muy aproximadamente el valor nominal mencionado, habiendo usado los parámetros de diseño.

2)Para el valor inferior de caudal que admite y el salto de diseño :

P=9,81.21,3 . 376 . 0,93= 73.066,68KW=73MW

3)Para el valor superior del rango de caudal y salto nominal:

P=9,81.21,3 . 830.0,93=173.431KW=173,43MW

O sea que la turbina tiene rango suficiente para alimentar a su generador para la potencia instalada, que era 155MW, ajustando el valor del caudal.

Fig. 7  - Referencias - en rojo: líneas de 500KV ; en naranja: líneas de 220KV


Cada generador de Yacyretá está conectado a su salida a un transformador con una relación de transformación de 13,2KV/500KV(20 en total) y de una potencia de 172,5MVA.La salida de los mismos se usa para alimentar tres líneas trifásicas de 500KV que llevan la energía que le corresponde a Argentina y para alimentar dos autotransformadores con una relación de transformación de 500KVA/220KVA que alimentan dos líneas de 220KV, que transportan la energía que le corresponde a Paraguay.En ambos casos la frecuencia de línea es de 50Hz. Existen tres grandes porticos en el extremo-este de la casa de máquinas, lindantes con el vertedero, desde donde salen las líneas que se conectan al sistema argentino, y dos pórticos en la margen derecha, extremo oeste, para las líneas de 220 KV de salida hacia el sistema paraguayo.(Ver Fig.7)

La potencia de la central también se calcula en función de los parámetros hídricos con la siguiente fórmula:
______________________________
 P= γ . Qp . Hn . ηt . ηm . ηg . ηt
______________________________
siendo:
P: Potencia [kW]
γ: Peso específico del agua (9,81 kN/m3)
Qp: Caudal turbinado por la planta [m3/s]
Hn: Salto neto [m]
ηt: Rendimiento de la turbina
ηm: Rendimiento del multiplicador
ηg: Rendimiento del generador
ηt: Rendimiento del transformador

Cuando no se conocen los valores de todos los rendimientos se suele tomar como primera aproximación un valor comprendido entre 0,8 y 0,85 como el valor del producto de todos los rendimientos, con lo que la fórmula anterior simplificada queda :

____________
P= 8 . Qp .Hn
_____________


La fórmula siguiente nos dará la frecuencia de linea en función de las n rpm del generador y del  número de pares de polos p: (el acoplamiento entre turbina y generador es directo, sin caja multiplicadora)
__________________
f =  n(rpm) p  /  60
___________________

f= 71,4 . 42 / 60= 49,98Hz(los controles automáticos de velocidad se encargarán de que este valor sea exactamente 50Hz)

Otros conceptos utilizados*
. Mean Annual Energy (MAE) = the average annual energy production taking into account all hydrologic conditions= Energía Anual Media= es la energía producida anualmente, tomando en cuenta todas las condiciones hidrológicas.
. Mean Power Output (MP) = MAE / 8.760 = the average power output expected during the life of the plant= Potencia de salida media= la potencia de salida promedio(o media) esperada durante la vida útil de la planta. MAE se expresa en MWh y se divide por la cantidad de horas del año(8.760hs) y nos quedan MW, que es la potencia media del año.(Observese que no hace falta pasar a segundos.)
. Capacity Factor (CF)= MP / IC = the ratio between mean power output and installed capacity= Factor de Capacidad=la relación entre la potencia de salida media y la capacidad (o potencia)instalada.(Esto nos indica el grado de aprovechamiento de la instalación)

*Aplicables a todas las Centrales eléctricas y no sólo a las hidroeléctricas(Válidos para solar, eólica, nuclear, térmica, etc)

Aplicación de lo visto para un caso real ocurrido en Yacyretá

La siguiente es una noticia publicada en todos los diarios de la época:
YACYRETÁ, RÉCORD DE GENERACIÓN ANUAL EN EL AÑO 2011
A través de la implementación del Plan de Terminación de Yacyretá, una vez alcanzada la cota definitiva de proyecto de 83 msnm del embalse en febrero de 2011, la Central Hidroeléctrica de Yacyretá demostró su mejor desempeño durante el 2011 con una producción de 20.867 GWh, un 6,15 % más respecto al año 2010, suministrando al Sistema Argentino de Interconexión (SADI) 18.692 GWh y al Sistema Interconectado Nacional Paraguayo (SINP) 2.175 GWh.
Los 2.384 MW potencia media anual es un hito para el año 2011, con 2.134 MW a Argentina y 248 MW a Paraguay.
En el año 2011 se han registrado los siguientes datos: altura del salto promedio anual en la central hidroeléctrica 22,60 metros (valor más alto desde su existencia); cota promedio anual en el eje Posadas-Encarnación de 83,18 msnm; y caudal promedio anual del río Paraná de 16.441 m3/seg.
La producción total de Central Hidroeléctrica Yacyretá desde la puesta en operación comercial en setiembre de 1994 hasta diciembre de 2011 inclusive registra un total 216.627 GWh de energía generada, de la que se suministró 207.084 GWh (95,6%) al Sistema Argentino de Interconexión (SADI) y 9.543 GWh (4,4%) al Sistema Interconectado Nacional Paraguayo (SINP).”
Entonces, ordenemos los datos:
Hn=22,60m
MAE=20.867GWh

MP=2.384MW

Calculemos:

MP=MAE/8760=20.867/8760= 2,382077GW=2.382MW---hay un par de MW de diferencia, probablemente debido a redondeos en los datos.

CF=MP/IC=2.384/3.100=0,769

CF=MP/IC=2382/3100=0,768

Podemos tomar 0,77  y es considerado un buen valor, porque si bien se trata de una central de base, que debe operar permanentemente, también su combustible depende del clima. Arriba de 0,7 se considera que es un muy buen valor para una hidroeléctrica.

No podemos calcular la potencia media, porque si bien tenemos el salto promedio, nos falta el caudal turbinado medio del año.Pero podemos despejar de la fórmula el caudal medio turbinado y compararlo con el caudal que dicen que tuvo el río Paraná:

Qp = (P/8) . Hn = (2384/8) . 22,60 = 6734,8 m3/seg(Caudal turbinado promedio por la planta en 2011)

El caudal proedio del Río Paraná durante 2011 fue : 16.441m3/seg

De modo que se turbinó* : (6734,8/16.441) . 100 = 41% (el 60% del caudal del Río Paraná no fue turbinado y es la suma de los caudales que pasaron directamente por los vertederos+los que se usaron para riego+los usados para alimentar la esclusa de navegación)

Se está trabajando en proyectos que permitirán aumentar la capacidad de generación, ampliando la Central en el Brazo Principal y construyendo una central nueva en el Brazo Aña Cuá.Esto va a permitir un mayor aprovechamiento del caudal que no está siendo turbinado actualmente.

* Valores aproximados, ya que hemos estimado los rendimientos

Para ver planilla de potencias de la Central desde el inicio hasta el presente, haga click aquí


Esclusa de Navegación

Fig.8 – Esclusa de navegación vista desde el  lago, con su nivel de agua al nivel del río



Supongamos que la esclusa se encuentra en el estado de la Fig.8, es decir con su nivel de agua al nivel del río, aguas abajo de las presas y llega una embarcación desde el norte que quiere seguir navegando hacia el sur.Se cierra la compuerta de aguas abajo de la esclusa y se abre la de aguas arriba, permitiendo que el agua del lago ingrese por gravedad hasta alcanzar el nivel del lago. Cuando esto ocurre, se hace ingresar la embarcación a la esclusa y se cierra la compuerta de aguas arriba y se abre la de aguas abajo, permitiendo que el nivel de agua de la esclusa iguale al del río y la embarcación puede seguir navegando aguas abajo.

De manera similar se pueden analizar el funcionamiento cuando la embarcación va de sur a norte. En todos los casos el funcionamiento de la esclusa es por gravedad. Cada operación de este tipo demora unos 45 minutos y es gratuita para el navegante.

Quien coordina la maniobra es Prefectura Naval Argentina y quien opera las compuertas es la EBY.

Instalaciones para transferencia de peces

La Central cuenta en ambos extremos de la casa de máquinas con instalaciones (cuatro ascensores) para transferencia de peces, cuyo objetivo es permitir el pasaje de peces desde el río hacía el Embalse.

Los ascensores son grandes baldes de forma cuadrada, con 4m por 4m de lado, que llenos de  
agua (y peces) son elevados por equipos de izaje hasta el nivel de embalse, donde se los vacía a través de canales especiales de salida.

Estas instalaciones operan en forma permanente, con personal en turnos y bajo la supervisión de biólogos especializados del sector Medio Ambiente de la EBY. La frecuencia de los pasajes se ajusta según la época del año y lo que se sabe de la conducta de los peces.

La calidad de la operación está certificada por la norma ISO 9002.

El sistema de transferencia de peces dispone de tomas de captación ubicadas aguas abajo en cada una de sus instalaciones principales y en las unidades Nº 7 y Nº 14, que mediante sendos canales transversales las vincula con las mencionadas instalaciones de peces ubicadas en los extremos de la central.

Los peces son atraídos hacia las bocas de captación por una corriente alimentada por un sistema de bombas que provee flujo de agua en los canales de captación, y una vez concentrados y elevados mediante un ascensor, son descargados en la superficie del embalse.

Fig. 9- Los peces son atraídos por una corriente artificial hasta
 el ascensor que los eleva para liberarlos en el embalse

Fig.10- Vista desde arriba del ascensor con los peces

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4 comentarios:

  1. YA QUE AHORA EN MARZO 2014 HAY QUE RENEGOCIAR, CONVIENE RECORDAR QUE : La producción total de la central YACYRETA desde la puesta en operación comercial en setiembre de 1994 hasta diciembre de 2013 inclusive, registra un total de 256.833,2 GWh de energía generada, de la que se suministró un 94.4% al Sistema Argentino de Interconexión (SADI) y solo 5.6% al Sistema Interconectado Nacional Paraguayo (SINP).
    FUENTE CAMMESA..

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  2. Por favor, corregir el texto. Donde dice líneas de 500KVA y 220KVA, debe decir 500 kV y 220 kV.
    Gracias

    Luis Sens (luis.sens@gmail.com)

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    1. Ya está corregido. Gracias Luis por su observación. Saludos!

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