UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR Decanato de Estudios Profesionales Coordinación de Ingeniería Mecánica

ANÁLISIS POR METODO DEL ELEMENTO FINITO DE COMPUERTA PARA CIERRE DE DUCTOS EN CENTRAL HIDROELECTRICA

Por Gilberto Efrén Núñez Chacín Realizado con la Asesoría de Prof. Ing. Orlando Aguillón Ing. Douglas Sánchez INFORME DE PASANTÍA Presentado ante la ilustre Universidad Simón Bolívar como requisito parcial para optar al título de Ingeniero Mecánico Sartenejas, febrero de 2007

UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR Decanato de Estudios Profesionales Coordinación de Ingeniería Mecánica

ANÁLISIS POR METODO DEL ELEMENTO FINITO DE COMPUERTA PARA CIERRE DE DUCTOS EN CENTRAL HIDROELECTRICA

Por Gilberto Efrén Núñez Chacín Sartenejas, febrero de 2007

UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR Decanato de Estudios Profesionales Coordinación de Ingeniería Mecánica ANÁLISIS POR METODO DEL ELEMENTO FINITO DE COMPUERTA PARA CIERRE DE DUCTOS EN CENTRAL HIDROELECTRICA INFORME DE PASANTÍA presentado por Gilberto Efrén Núñez Chacín REALIZADO CON LA ASESORÍA DE O. AGUILLÓN Y D. SÁNCHEZ. RESUMEN Durante la construcción de la presa de la Central Hidroeléctrica Generalísimo Francisco de Miranda (Caruachi), se emplearon equipos hidromecánicos para el cierre de ductos de desvío que posteriormente fueron desmontados y almacenados. En la presente investigación se estudió la factibilidad de reutilizar uno de estos equipos hidromecánicos, específicamente la compuerta de emergencia, en la construcción de la presa de la Central Hidroeléctrica Manuel Piar (Tocoma). Para este fin se simuló su comportamiento, empleando el método del elemento finito, bajo las actuales condiciones de almacenamiento para descartar que bajo dichas condiciones se generasen deformaciones permanentes. Asimismo, se analizó el comportamiento de la compuerta de emergencia en condiciones de operación y en las maniobras de izamiento empleando la misma metodología. Los resultados obtenidos fueron comparados con los cálculos manuales entregados por el fabricante de dichos equipos, obteniendo una tolerable discrepancia. Para el estudio de las actuales condiciones de almacenamiento, se realizaron mediciones de las distancias entre apoyos y se determinó la carga máxima presente. Con esto se determinó la condición crítica, para la cual se obtuvo una aceptable distribución de esfuerzos en el modelo de elementos finitos. Luego de analizar los resultados computacionales obtenidos bajo condición de operación, se observó una concentración de esfuerzos alrededor de los agujeros de drenaje donde se sobrepasa el límite admisible del material. Basándose en estos resultados se sugirió la implementación de refuerzos que en análisis posteriores, mostraron un comportamiento adecuado. Bajo condición de izamiento, los elementos involucrados mostraron un comportamiento aceptable al estar todos los esfuerzos en el rango de valores permisibles. Finalmente se recomendó el uso de estos equipos, previa instalación de los refuerzos sugeridos, en las maniobras de cierre de ductos de desvío que correspondan a la Central Hidroeléctrica Manuel Piar. PALABRAS CLAVES Equipo Hidromecánico, Compuerta, Método de Elemento Finito, ANSYS, Edelca Aprobado con mención: Postulado para el premio Sartenejas, febrero de 2007

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A mi mamá, a mi papá y a mi tita, siempre brindándome apoyo, comprensión y haciéndome sentir una persona especial.

AGRADECIMIENTOS

Quisiera comenzar por agradecer a la empresa CVG Electrificación del Caroní (CVG Edelca), y en especial al Departamento de Gestión de Proyectos y al Departamento de Ingeniería Mecánica. Gracias por brindarme la oportunidad de llevar a cabo este proyecto. No puedo dejar de hacer especial agradecimiento a mis tutores, el Ing. Douglas Sánchez y el profesor Ing. MSc. Orlando Aguillón, siempre atentos a mis necesidades y con la mejor de las disposiciones para ayudarme. A mis padres, Eduardo Núñez y Yajaira Chacín, por servirme de apoyo una vez más en esta etapa de mi vida. Y finalmente a Astrid, por su infinita paciencia que le permitió dedicar horas de valioso sueño en corregir las también infinitas comas y “éste’s”.

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ÍNDICE DE CONTENIDO ÍNDICE DE CONTENIDO...............................................................................................................i ÍNDICE DE FIGURAS.................................................................................................................. iii ÍNDICE DE TABLAS ....................................................................................................................vi CAPÍTULO 1: El Problema .............................................................................................................1 1.1. Planteamiento del Problema:............................................................................................1 1.2. Limitaciones: ....................................................................................................................2 1.3. Delimitación del Tema: ....................................................................................................3 1.4. Objetivos: .........................................................................................................................3 CAPÍTULO 2: Generalidades de la Empresa ..................................................................................4 2.1. Descripción de la Empresa:..............................................................................................4 2.2. Matriz Estratégica: ...........................................................................................................6 2.3. Estructura Organizativa:...................................................................................................6 2.4. Características de la Central Hidroeléctrica Caruachi: ..................................................12 CAPÍTULO 3: Marco Conceptual .................................................................................................16 3.1. Centrales Hidroeléctricas: ..............................................................................................16 3.2. Equipos Hidromecánicos: ..............................................................................................20 3.2.1. Compuertas Hidráulicas ...........................................................................................20 3.3. Estática de fluidos: .........................................................................................................26 3.4. Sellos Hidráulicos: .........................................................................................................27 3.5. Esfuerzos de Hertz: ........................................................................................................28 3.6. Método del Elemento Finito...........................................................................................29 3.6.1. Herramienta Computacional ANSYS: .....................................................................30 3.7. Análisis de errores:.........................................................................................................31 3.8. Mallado adaptativo:........................................................................................................33 3.9. Teorías de Falla: .............................................................................................................34 3.10.

Compuerta de Emergencia: ....................................................................................36

3.10.1. Criterios de Diseño:................................................................................................38 3.10.1.1. Esfuerzos Admisibles:....................................................................................38 3.10.1.2. Materiales Empleados: ...................................................................................41

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3.10.1.3. Condiciones de Cargas: ..................................................................................41 3.10.1.4. Componentes de Cargas y Fuerzas: ...............................................................42 3.10.2. Diseño de los Elementos de la Compuerta:............................................................43 3.10.2.1. Vigas Horizontales Principales: .....................................................................44 3.10.2.2. Vigas Horizontales Secundarias:....................................................................47 3.10.2.3. Vigas Verticales: ............................................................................................47 3.10.2.4. Chapa de Forro: ..............................................................................................49 CAPÍTULO 4: Marco Metodológico .............................................................................................50 4.1. Tipo de Estudio: .............................................................................................................50 4.2. Población y Muestra:......................................................................................................50 4.3. Métodos:.........................................................................................................................51 4.4. Metodología de validación de resultados: ......................................................................52 CAPÍTULO 5: Resultados .............................................................................................................55 5.1. Condición de Almacenamiento ......................................................................................55 5.2. Condición de Operación.................................................................................................60 5.2.1.

Cálculos Manuales .................................................................................................62

5.2.2.

Modelo de elementos finitos ..................................................................................67

5.3. Condición de Izamiento .................................................................................................84 5.3.1.

Cálculos Manuales .................................................................................................84

5.3.2.

Modelo de elementos finitos ..................................................................................86

CONCLUSIONES .........................................................................................................................92 RECOMENDACIONES ................................................................................................................93 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ...........................................................................................94

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ÍNDICE DE FIGURAS Figura 2.1. Ubicación Geográfica de las Centrales Hidroeléctricas del Bajo Caroní .....................5 Figura 2.2. Proyectos hidroeléctricos del Alto Caroní...................................................................5 Figura 2.3. Estructura Organizativa de CVG Edelca ......................................................................7 Figura 2.4. Estructura Organizativa de la Dirección de Expansión de Generación ........................8 Figura 2.5. Central Hidroeléctrica Generalísimo Francisco de Miranda ......................................13 Figura 3.1. Corte transversal de la Casa de Máquinas de la Central Hidroeléctrica Generalísimo Francisco de Miranda .....................................................................................................................18 Figura 3.2. Corte transversal del Aliviadero de la Central Hidroeléctrica Generalísimo Francisco de Miranda......................................................................................................................................19 Figura 3.3. Esquema de compuerta tipo vagón .............................................................................24 Figura 3.4. Caso crítico donde es posible la aparición de fuerzas hidráulicas verticales ascendentes.....................................................................................................................................26 Figura 3.5. Sello tipo Doble Vástago ............................................................................................27 Figura 3.6. Sello tipo Barra ...........................................................................................................27 Figura 3.7. Modelo de presión de contacto propuesto por Hertz ..................................................28 Figura 3.8. Diagrama de procedimiento para el uso del método del elemento finito ...................30 Figura 3.9. Elemento estructural SOLID45 de la herramienta computacional ANSYS v 8.0 ......31 Figura 3.10. Modelo de compuerta de emergencia estudiada .......................................................37 Figura 3.11. Cuerpo Intermedio de la compuerta de emergencia .................................................38 Figura 3.12. Esquema estructural para el cálculo de las vigas horizontales principales...............44 Figura 3.13. Corte transversal de la compuerta de emergencia ....................................................44 Figura 3.14. Modelo abarcado por la norma DIN19704...............................................................45 Figura 3.15. Curva del factor de reducción de área (ν) vs. la relación L/B ..................................46 Figura 3.16. Modelo de sección transversal de vigas horizontales principales según DIN19704 46 Figura 3.17. Esquema estructural para el cálculo de vigas horizontales secundarias ...................47 Figura 3.18. Modelo de sección transversal de vigas horizontales secundarias ...........................47 Figura 3.19. Esquema estructural para el cálculo de vigas verticales interiores...........................48 Figura 3.20. Modelos de secciones transversales para viga vertical.............................................48 Figura 3.21. Esquema estructural de viga vertical exterior...........................................................49

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Figura 3.22. Modelo de sección transversal para viga lateral .......................................................49 Figura 4.1. Diagrama de flujo empleado para verificación de error de discretización .................53 Figura 5.1. Clasificación de apoyos según la posición............................................................ .....56 Figura 5.2. Clasificación de apoyos según la configuración de apilamiento ................................56 Figura 5.3. Condiciones de borde para condición de almacenamiento.........................................58 Figura 5.4. Diagrama de deformaciones para condición crítica de almacenamiento....................58 Figura 5.5. Distribución de esfuerzos para condición de almacenamiento...................................59 Figura 5.6. Distribución de errores energéticos para malla usada en el análisis de la condición de almacenamiento..............................................................................................................................59 Figura 5.7. Esquema de carga hidrostática aplicada en cada sección ...........................................61 Figura 5.8. Diagrama de fuerza cortante y momento flector para las vigas horizontales principales ......................................................................................................................................63 Figura 5.9. Diagrama de fuerza cortante y momento flector para las vigas verticales interiores .65 Figura 5.10. Diagrama de fuerza cortante y momento flector para las vigas verticales interiores.........................................................................................................................................66 Figura 5.11. Condiciones de borde impuestas para estudio bajo condición de operación...........68 Figura 5.12. Detalle de malla para cuerpo intermedio ..................................................................69 Figura 5.13. Diagrama de deformaciones para el Cuerpo 1..........................................................70 Figura 5.14. Distribución de esfuerzos de Von Misses para Cuerpo 1 .........................................70 Figura 5.15. Distribución de errores energéticos para malla empleada en el Cuerpo 1................71 Figura 5.16. Diagrama de deformaciones para las vigas horizontales principales .......................71 Figura 5.17. Concentración de esfuerzos en agujeros de drenaje .................................................72 Figura 5.18. Diagrama de deformaciones para el Cuerpo 2..........................................................73 Figura 5.19. Distribución de esfuerzos de Von Misses para Cuerpo 2 .........................................74 Figura 5.20. Distribución de errores energéticos para malla empleada en el Cuerpo 2................74 Figura 5.21. Diagrama de deformaciones para el Cuerpo 3..........................................................75 Figura 5.22. Distribución de esfuerzos de Von Misses para Cuerpo 3 .........................................75 Figura 5.23. Distribución de errores energéticos para malla empleada en el Cuerpo 3................76 Figura 5.24. Diagrama de deformaciones para el Cuerpo 4..........................................................76 Figura 5.25. Distribución de esfuerzos de Von Misses para Cuerpo 4 .........................................77 Figura 5.26. Distribución de errores energéticos para malla empleada en el Cuerpo 4................77

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Figura 5.27. Diagrama de deformaciones para el Cuerpo 5..........................................................78 Figura 5.28. Distribución de Esfuerzos de Von Misses en Cuerpo 5 ...........................................78 Figura 5.29. Distribución de errores energéticos para malla usada en el Cuerpo 5 ......................79 Figura 5.30. Modelo de refuerzo para agujeros de drenaje...........................................................80 Figura 5.31. Distribución de esfuerzos de Von Misses para el Cuerpo 5 empleando los refuerzos sugeridos.........................................................................................................................................80 Figura 5.32. Diagrama de deformaciones para el Cuerpo 6..........................................................81 Figura 5.33. Código de colores para distribución de esfuerzos de Von Misses en Cuerpo 6 .......81 Figura 5.34. Distribución de errores energéticos para malla usada en el Cuerpo 6 ......................82 Figura 5.35. Geometría propuesta y condiciones de borde para análisis bajo condición de izamiento ........................................................................................................................................87 Figura 5.36. Distribución de esfuerzos de Von Misses para comprobación de bulón de izamiento ........................................................................................................................................88 Figura 5.37. Distribución de errores energéticos asociado a malla usada en condición de izamiento ........................................................................................................................................88 Figura 5.38. Distribución de esfuerzo nodal de Von Misses para talón de acople y pasador.......90 Figura 5.39. Distribución de errores energéticos para malla usada en unión entre cuerpos .........90

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ÍNDICE DE TABLAS Tabla 2.1 Niveles Aguas Arriba la Central Hidroeléctrica Caruachi ............................................14 Tabla 2.2. Niveles Aguas Abajo de la Central Hidroeléctrica Caruachi .......................................14 Tabla 2.3. Caídas netas experimentadas por las turbinas en la Central Hidroeléctrica Caruachi. 14 Tabla 3.1. Características de cada sección de la compuerta de emergencia. ................................36 Tabla 3.2. Rangos de esfuerzos permitidos recomendado por el código AISC ............................39 Tabla 3.3. Porcentajes de esfuerzos admisibles referidos al límite de fluencia ............................39 Tabla 3.4. Valores máximos y mínimos de los coeficientes de fricción. ......................................43 Tabla 5.1. Valores de esfuerzos admisibles en condiciones normales. .........................................55 Tabla 5.2. Resultados obtenidos para condición crítica de almacenamiento. ...............................60 Tabla 5.3. Empuje medio experimentado por cada sección de la compuerta. ..............................62 Tabla 5.4. Reacciones sobre vigas horizontales secundarias ........................................................64 Tabla 5.5. Número de nodos y elementos para cada sección de la compuerta. ............................69 Tabla 5.6. Resultados obtenidos bajo modelo de elementos finitos..............................................82 Tabla 5.7. Resultados de vigas horizontales principales en cada sección de la compuerta. .........83 Tabla 5.8. Cargas bajo condiciones de maniobra. .........................................................................84 Tabla 5.9. Condición de Izamiento excepcional. ..........................................................................85

CAPÍTULO 1

El Problema

1.1. Planteamiento del Problema: Lo que comúnmente se denomina equipo hidromecánico comprende todos aquellos dispositivos de control o regulación que estarán en contacto con el agua [1]. Teniendo en cuenta esto es fácil imaginar la importancia que toman estos equipos en la construcción y operación de las centrales hidroeléctricas a nivel mundial. Entre los equipos hidromecánicos con los que cuenta la Central Hidroeléctrica Generalísimo Francisco de Miranda (conocida anteriormente como Central Hidroeléctrica Caruachi),

se pueden mencionar los siguientes: rejas contra basura, compuertas de

mantenimiento de la toma, compuertas de toma o de emergencia, compuertas para los tubos de aspiración, compuertas radiales, compuerta de mantenimiento del aliviadero, así como los equipos usados en la maniobra de cierre de los ductos de desvío, como son las compuertas de emergencia, compuertas de cierre, tapones aguas arriba y los tapones aguas abajo de dichos ductos. Entre los equipos arriba citados es pertinente hacer especial mención en los usados para la maniobra de cierre de los ductos de desvío, dado que estos a diferencia de todos los demás, son de uso temporal y una vez finalizado el sellado permanente de los ductos, son retirados y almacenados en áreas destinadas para tal fin. Bajo estas circunstancias de almacenamiento, la distribución de carga pueden escapar a las condiciones de diseño bajo las cuales fueron concebidos los equipos, y en definitiva pueden producir esfuerzos elevados que generen deformaciones permanentes o en general conduzcan a la falla de la compuerta.

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Al igual que en el caso de almacenamiento de la compuerta, si las maniobras de izamiento y prueba del equipo no se lleva a cabo de la forma correcta, pueden producirse concentraciones de esfuerzos que conduzcan a la aparición de grietas que conlleven a la falla del equipo. Por otra parte, se debe destacar que es política de funcionamiento de Edelca, contratar con empresas externas el diseño, cálculo, construcción, instalación, montaje y puesta en marcha de los equipos hidromecánicos empleados en sus proyectos. En el caso específico de la Central Hidroeléctrica Generalísimo Francisco de Miranda, el contrato de sellado de ductos de desvío fue asignado al consorcio español-mexicano-venezolano Dravica, por lo que Edelca no posee modelos de elementos finitos de los equipos para llevar a cabo los procedimientos de verificación bajo diferentes condiciones de operación y bajo condiciones que escapen a las concebidas en el diseño original. En el actual proyecto hidroeléctrico de Edelca, Central Hidroeléctrica Manuel Piar (Tocoma), se dispuso la construcción del aliviadero, dimensionalmente idéntico al ya construido en la Central Hidroeléctrica Generalísimo Francisco de Miranda, lo que sugiere la posibilidad de reutilizar los equipos existentes en las maniobras de construcción de la Central Hidroeléctrica Manuel Piar. Es por esto que surge el problema que motiva la siguiente investigación: estudiar las condiciones actuales de los equipos usados en la maniobra de cierre de los ductos de desvío, y en específico de la compuerta de emergencia, bajo las distintas condiciones antes mencionadas y usando análisis computacionales de elementos finitos, con la finalidad de recomendar o descartar su uso en las próximas maniobras de cierre de ductos de desvío de la Central Hidroeléctrica Manuel Piar. 1.2. Limitaciones: La información de la que se dispone en el Departamento de Ingeniería Mecánica de Edelca no está ordenada temáticamente y en algunos casos está incompleta. Por otra parte, acceder a los documentos en formato electrónico es una labor ardua, dado que el actual buscador con el que cuenta la empresa (NOVA versión 7.0) sólo permite acceder a los archivos basándose en la numeración empleada por Dravica. Asimismo, estos archivos en formato electrónico en ocasiones no se pueden digitalizar correctamente, o la información del documento no se relaciona fielmente con la información de la ficha. Por otra parte, dados los requerimientos de precisión y exactitud en los cálculos, se

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requieren mallas muy discretas para el análisis de elementos finitos. Esto, aunado a las grandes dimensiones de la compuerta, puede redundar en elevados tiempos computacionales que podría retrasar los tiempos asignados. 1.3. Delimitación del Tema: Se establecerá una metodología de diseño de la compuerta de emergencia ubicada aguas arriba de los ductos de desvío, basándose en los cálculos manuales existentes y realizando análisis computacionales de elementos finitos, tomando en cuenta tres condiciones diferentes: las actuales condiciones de almacenamiento, condición de carga hidrostática (o condición de operación) y durante las maniobras de izamiento. 1.4. Objetivos: General -

Analizar las condiciones de diseño de las compuertas de emergencia usadas en la maniobra de cierre de ductos de desvío en la Central Hidroeléctrica Generalísimo Francisco de Miranda.

Específicos -

Establecer la metodología de cálculo y diseño de la compuerta de emergencia, usada en la maniobra de cierre de ductos de desvío de la Central Hidroeléctrica Generalísimo Francisco de Miranda.

-

Analizar la compuerta de emergencia con el método del elemento finito en las actuales condiciones de almacenamiento.

-

Analizar la compuerta de emergencia con el método del elemento finito bajo condición de operación.

-

Analizar la compuerta de emergencia con el método del elemento finito en condiciones de maniobra de izamiento

-

Evaluar la factibilidad del uso de los equipos existentes en las maniobras de cierre de ductos de desvío de la Central Hidroeléctrica Manuel Piar.

CAPÍTULO 2

Generalidades de la Empresa

En el capítulo anterior se ha descrito el problema planteado por CVG Edelca que será objeto de esta investigación. Sin embargo, no está de más hacer una breve descripción de la empresa a fin de familiarizar al lector con los alcances y objetivos que ésta se plantea, y más específicamente, presentar ciertas referencias sobre la central hidroeléctrica donde se desenvuelve el proyecto. 2.1. Descripción de la Empresa: CVG Electrificación del Caroní, C.A. (CVG Edelca) bajo la tutela de la Corporación Venezolana de Guayana y adscrita al Ministerio de Industrias Básicas y Minería, es la empresa de generación hidroeléctrica más importante de la República Bolivariana de Venezuela [2]. Forma parte del conglomerado industrial ubicado en la región Guayana, conformado por las empresas básicas del aluminio, hierro, acero, carbón, bauxita y actividades afines. Bajo la conducción de CVG Edelca operan cuatro Centrales Hidroeléctricas que se enumeran a continuación: Central Hidroeléctrica Simón Bolívar, con una capacidad instalada de 10.000 MW es considerada la segunda en importancia a nivel mundial Complejo Hidroeléctrico Antonio José de Sucre, donde operan las casas de máquinas de Macagua I con una capacidad instalada de 360 MW, Macagua II y III con una capacidad instalada de 3.140 MW

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Central Hidroeléctrica Generalísimo Francisco de Miranda, conocida anteriormente como Central Hidroeléctrica Caruachi, con una capacidad instalada de 2.280 MW. A esto, vale sumar el proyecto de la Central Hidroeléctrica Manuel Piar a ser inaugurado en el año 2014 con una capacidad instalada final de 2.280 Megavatios. Una vez finalizado este proyecto, se vería completado el desarrollo hidroeléctrico del Bajo Caroní (ver figura 2.1.).

Figura 2.1. Ubicación Geográfica de las Centrales Hidroeléctricas del Bajo Caroní.

Paralelamente existen proyectos de desarrollo hidroeléctrico a largo plazo en el alto Caroní, como lo son las represas Tayucay, Eutobarima, Aripichi y Auraima cada una con un potencial estimado de 3.100 MW, 2900 MW, 1300MW y 1.800 MW de forma respectiva (ver figura 2.2).

Figura 2.2. Proyectos hidroeléctricos del Alto Caroní.

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Para transportar la energía eléctrica, CVG Edelca posee una extensa red de líneas de transmisión que superan los 5.700km cuyo sistema a 800 mil voltios es el quinto sistema instalado en el mundo con líneas de Ultra Alta Tensión en operación [2]. CVG Edelca fue creada con la tarea de aprovechar íntegramente el vasto potencial hidroeléctrico del río Caroní. Desde su fundación, su política ha sido promover el agua como fuente alterna de energía en Venezuela, para disminuir el uso de combustibles fósiles en la generación de electricidad. En tal sentido, las centrales hidroeléctricas que operan actualmente a cargo de esta empresa ahorran un total de 456.000 barriles de petróleo al día, que redundan no sólo en la economía del país al poder ser usados para exportación, sino en calidad ambiental por ser energía generada en perfecta armonía con el ambiente. En la actualidad CVG Edelca aporta cerca del 70% de la producción nacional de electricidad, y se ha convertido en una empresa fundamental en el desarrollo económico y social del país [2]. 2.2. Matriz Estratégica: Misión: -

Producir, transportar y comercializar energía eléctrica a precios competitivos, en forma confiable y en condiciones de sustentabilidad, eficiencia y rentabilidad

Visión: -

Empresa de servicio eléctrico de clase mundial, líder en desarrollo sustentable, pilar del progreso del país.

2.3. Estructura Organizativa: CVG Edelca presenta una estructura piramidal encabezada por la presidencia y seguido por las gerencias y direcciones. Estas últimas, a su vez se ramifican en divisiones a las que están adscritos los diferentes departamentos. En el diagrama siguiente, se puede observar gráficamente lo que se ha descrito.

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Figura 2.3. Estructura Organizativa de CVG Edelca

Dado que esta investigación se ha realizado por solicitud del Departamento de Gestión de Proyectos y bajo la tutela del Departamento de Ingeniería Mecánica, y que ambos departamentos son ramificaciones de la Dirección de Expansión de Generación, a continuación se describe la estructura, objetivos y funciones de este ente. Dirección de Expansión de Generación: En el organigrama de la figura 2.4. se presenta la estructura organizativa de esta dirección, donde además se han resaltado los departamentos de Gestión de Proyectos y de Ingeniería Mecánica:

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Figura 2.4. Estructura Organizativa de la Dirección de Expansión de Generación.

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Objetivos: Desarrollar la expansión del sistema de generación de CVG Edelca, a través de la ingeniería de los proyectos y la ejecución de las obras de expansión o de mejoras tecnológicas, a fin de disponer de la capacidad de generación planificada para participar competitivamente en el mercado eléctrico, cumpliendo con los parámetros de seguridad, calidad, costo y oportunidad. Funciones: -

Desarrollar los estudios de ubicación de posibles sitios de generación hidroeléctrica en las cuencas asignadas a CVG Edelca, de acuerdo a los lineamientos emanados del área de Planificación.

-

Desarrollar los proyectos hidroeléctricos asignados a CVG Edelca para expandir la capacidad de generación del sistema.

-

Desarrollar los estudios de ingeniería para el diseño y fabricación de piezas electromecánicas requeridas en la construcción de las obras.

-

Desarrollar los estudios para el diseño de los esquemas de ingeniería requeridos por la empresa para el desarrollo de las obras.

-

Controlar el desarrollo de las obras de generación.

-

Monitorear y asegurar la calidad de las obras de generación.

-

Coordinar la ejecución de los contratos de las obras de generación.

-

Coordinar la ejecución de los contratos de consolidación de las obras de generación.

I) División de Control de Proyectos de Generación: Departamento de Gestión de Proyectos: Tiene como objetivo fundamental controlar los proyectos de la Dirección de Expansión de Generación, a través de la planificación, programación, fijación de metas, registro de avance físico y presupuestario y control de la gestión, para mantener los proyectos dentro de los parámetros de tiempo y costos determinados. Entre sus funciones, se encuentran las siguientes: -

Desarrollar los planes y programas generales de construcción para los proyectos que ejecuta la Dirección de Expansión de Generación

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-

Generar el informe de soporte interno para obtener la información que permita efectuar los pronósticos de costo real de cada contrato.

-

Revisar y evaluar los programas de construcción presentados por los contratistas, integrarlos en programas maestros por proyecto y hacer seguimiento de la ejecución de los mismos.

-

Elaborar redes lógicas detalladas de los proyectos o de sus componentes en función de las metas previstas y de los recursos disponibles, identificando las actividades críticas dentro de cada programa para su correspondiente seguimiento y control.

-

Proponer y desarrollar alternativas, ajustes y reprogramaciones para la ejecución de obras y analizar solicitudes de prórroga presentadas por los contratistas.

-

Recopilar, validar y organizar de forma continua la información acerca del desarrollo de los proyectos, registrar las fechas de inicio y finalización y toda la información relevante acerca del desarrollo de las actividades y evaluar la información de control recopilada, comparándola con los datos de los planes originales.

-

Recopilar y organizar la información requerida para la elaboración de informes de carácter corporativo o institucional relativos a la planificación y desarrollo de los proyectos.

-

Emitir periódicamente informes de progreso que reflejen el desarrollo real de los proyectos.

-

Velar por el cumplimiento de las disposiciones contractuales en cuanto al desarrollo y finalización de las obras.

-

Obtener y evaluar índices de productividad y rendimiento de los equipos principales, reflejar en programas “Como Construido” la ejecución real de las obras y proyectos, elaborar informes finales de los proyectos, seleccionar los datos y documentos relevantes, útiles para otros proyectos.

-

Participar en reuniones internas y externas, coordinar, estudiar y dar respuesta en todo lo referente al área de planificación, programación y control.

-

Establecer los lineamientos de seguimiento, evaluación y control de los costos de los proyectos de generación de CVG Edelca bajo la responsabilidad de la Dirección de Expansión de Generación y realizar las funciones requeridas para tales fines.

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-

Preparar conjuntamente con el apoyo de otras unidades, el pronóstico de costo final de cada contrato o proyecto y actualizarlos periódicamente con el fin de proporcionar a la gerencia, una visión del bloque de inversiones a realizar.

-

Realizar análisis y estimaciones de tendencias de costos de contratos activos con el fin de integrarlos al estimado general de costos de cada proyecto y realizar comparaciones de compromiso y avance.

-

Llevar registros de los costos reales incurridos en cada contratación, en cada proyecto y en su conjunto con el fin de establecer la base de comparación del progreso real contra los presupuestos y estimados formulados para cada período y para el total de las obras.

-

Elaborar informes de gestión periódica relativos al progreso económico de los proyectos dentro de las previsiones establecidas en los presupuestos anuales de inversión y el plan corporativo de CVG Edelca.

-

Llevar un registro y control de los pagos realizados dentro de cada contratación y evaluar el progreso dentro de las previsiones de los presupuestos anuales.

-

Desarrollar y mantener las condiciones, métodos y sistemas necesarios para el control y supervisión de costos, incluyendo la elaboración y actualización de los manuales de procedimientos correspondientes.

II) División de Ingeniería de Construcción: Departamento de Ingeniería Mecánica: Son funciones de este departamento las siguientes: -

Elaborar los planos de construcción mecánicos de los proyectos de expansión de generación.

-

Realizar la revisión interdisciplinaria de los planos elaborados por las otras unidades.

-

Revisar y aprobar los planos elaborados por los fabricantes de equipos.

-

Revisión y aprobación de los planos de vaciado para construcción, elaborados por los contratistas responsables de la ejecución de las obras en el área electromecánica.

-

Revisar y aprobar los procedimientos, métodos constructivos, cambios y propuestas presentados tanto por los fabricantes de equipos como por los contratistas

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responsables de la ejecución de las obras para que estén alineados con el diseño de los proyectos. -

Revisar y aprobar los diferentes materiales y equipos propuestos y suministrados por los contratistas principales que intervienen en la construcción de las Centrales Hidroeléctricas para que cumplan con los requisitos originales del proyecto.

-

Analizar los programas presentados por los contratistas para verificar que se ajusten al programa de la obra.

-

Coordinar la entrega a la inspección contratada y a los diferentes contratistas, de los planos correspondientes a la ingeniería de detalle.

-

Revisar y aprobar los planos “Como Construido” elaborados por los fabricantes y contratistas responsables de la ejecución de las obras.

-

Aprobar los planos de vaciado “Como Construido” elaborados por los contratistas.

-

Elaborar y revisar los planos de construcción “Como Construido”.

2.4. Características de la Central Hidroeléctrica Caruachi: La Central Hidroeléctrica Generalísimo Francisco de Miranda está situada unos 59km aguas abajo del embalse Guri y 25km aguas arriba de la Central Hidroeléctrica Macagua. En este punto, el río Caroní presenta 1.700 m de ancho, y se encuentra a una altura de 55 m.s.n.m. (metros sobre el nivel del mar). Cuenta con una capacidad instalada de 2.280 Megavatios, que representan 11.300 Kilovatios hora al año, energía firme indispensable para atender las crecientes demandas de los sectores industriales, comerciales y residenciales del país. En la figura 2.5 se muestra una fotografía aérea de la central, donde se puede apreciar el edificio de Operación y Control, así como las instalaciones del Aliviadero, con las nueve compuertas radiales abiertas.

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Figura 2.5. Central Hidroeléctrica Generalísimo Francisco de Miranda.

La presa de la central tiene una altura de 55 m y una longitud de 360 m. Contiene las estructuras de toma formadas por 6 monolitos de 60 m de ancho cada uno. Estas estructuras cuentan con compuertas de operación, compuertas de mantenimiento y rejas verticales contra basura. Por encima del embalse, en la elevación 93,25 m.s.n.m. y a lo largo de la presa, se encuentra la carretera nacional y la carretera de servicio. El embalse de esta central se ubica en la cota 91,25 m.s.n.m y tiene 25.500 hectáreas. Está regulado por 9 compuertas radiales del aliviadero, cada una de las cuales presenta una superficie de descarga de 15,24 m de ancho y 21,66 m de altura, para lograr una capacidad de descarga máxima de 30.000 m3/s. La Casa de Máquinas está formada por 12 monolitos, cada uno de los cuales alberga una unidad de generación integrada por una turbina tipo Kaplan de eje vertical y rodete simple y un generador de corriente alterna tipo Paraguas. Cada una de las 12 turbinas hidráulicas se encuentra instalada en una caja semiespiral de concreto, provista de un tubo de aspiración acodado revestido parcialmente con planchas de acero y dos tajamares. Cada turbina opera según el nivel del embalse (aguas arriba de la central) y el

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nivel del canal de descarga (aguas abajo de la central). A continuación se muestran los niveles máximos, mínimos y normales del embalse y el canal de descarga de la central. Condición

Cota (m.s.n.m.)

Máximo infrecuente

92,55

Máximo normal

91,25

Promedio

91,00

Mínimo normal

90,25

Mínimo infrecuente

88,55

Tabla 2.1 Niveles Aguas Arriba la Central Hidroeléctrica Caruachi

Condición

Cota (m.s.n.m.)

Máximo infrecuente

58,40

Máximo normal

55,25

Promedio

54,90

Mínimo normal

53,75

Mínimo infrecuente

52,15

Tabla 2.2. Niveles Aguas Abajo de la Central Hidroeléctrica Caruachi

Condición

Caída neta (m)

Máximo infrecuente

38,60

Máximo normal

37,00

Promedio

35,60

Mínimo normal

34,50

Mínimo infrecuente

32,80

Tabla 2.3. Caídas netas experimentadas por las turbinas en la Central Hidroeléctrica Caruachi.

El funcionamiento hidráulico de la Central Hidroeléctrica Generalísimo Francisco de Miranda, depende del caudal regulado por el embalse de la Central Hidroeléctrica Simón Bolívar. En primer lugar, con la creación del embalse artificial, que permite represar gran cantidad de agua del río Caroní y alcanzar los niveles aguas arriba mencionados, se logra que el agua acumule suficiente energía potencial para operar la planta. Esta energía potencial se va transformando en energía cinética del fluido, a medida que éste atraviesa la caja semiespiral. Una

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vez concluido el paso por la caja semiespiral, el fluido se topa con el anillo distribuidor, donde se encuentran instaladas las paletas directrices que administran y dirigen el flujo antes de entrar a las turbinas, procurando el ángulo óptimo de transferencia de energía al rodete. La velocidad sincrónica nominal de operación de la turbina es 94,74 r.p.m. Dicha velocidad garantiza una capacidad generadora de 180.000 kW en cada turbina para una altura de diseño de 35,60 m. A su vez, cada turbina se encuentra acoplada a un generador de corriente alterna tipo Paraguas, con un voltaje nominal de 220 MVA y una frecuencia de 60 Hz. Una vez que el fluido pasa a través de la turbina y la impulsa, es descargado aguas abajo por el tubo de aspiración, pasando por el canal de descarga y desembocando en el cauce original del río.

CAPÍTULO 3

Marco Conceptual

En el capítulo anterior se ha hecho una breve reseña de la empresa como tal. Sin embargo, para la completa comprensión de la metodología empleada y los resultados obtenidos en la presente investigación, se hace necesario presentar ciertos basamentos teóricos que complementen los conocimientos con los que cuente el lector. A continuación se exponen estos conceptos. 3.1. Centrales Hidroeléctricas: Las centrales hidroeléctricas tienen por fin aprovechar, mediante un salto o desnivel, la energía potencial y/o cinética contenida en la masa de agua que transportan los ríos. Para ello se emplean turbinas acopladas a generadores de energía eléctrica. Ateniéndose a la estructura de la central propiamente dicha, existen diferentes esquemas de emplazamientos hidroeléctricos, siempre ajustados a las características orográficas del lugar donde se asienta la central. No obstante, todos los esquemas de emplazamiento de centrales hidroeléctricas pueden ser reducidos a dos modelos, de modo que cada emplazamiento particular suele ser una variante de uno de ellos o una combinación de ambos. El primer esquema, llamado Aprovechamiento por Derivación de las Aguas, consiste básicamente en desviar las aguas del río hacia un canal. Éste las conducirá, disminuyendo al mínimo las pérdidas de nivel, hasta un pequeño depósito llamado cámara de carga. De esta cámara parte una tubería forzada que conduce el agua hasta la sala da máquinas de la central, en donde se encuentran instaladas las turbinas hidráulicas que transforman la energía cinética del

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agua en energía mecánica. Posteriormente, el agua es restituida al río aguas abajo utilizando un canal de descarga. El segundo esquema, denominado Aprovechamiento por Acumulación de las Aguas, consiste en construir en un tramo del río que ofrezca un apreciable desnivel una presa de determinada altura a fin de elevar la energía potencial del agua, llevando su nivel a un punto sensiblemente cercano al extremo superior de la presa. A media altura de la presa, para aprovechar el volumen del embalse en su cota superior, se encuentra la toma de aguas, por cuyos pasajes es conducida el agua a la sala de máquinas, que se encuentra provista del grupo turbina – alternador utilizado para la generación de la energía eléctrica. La central asociada a este tipo de aprovechamientos suele recibir el nombre de Central de Pie de Presa. Este esquema es por el cual se rige la Central Hidroeléctrica Francisco de Miranda. Finalmente, en las figuras 3.1 y 3.2 se muestran de forma respectiva los cortes transversales de la Casa de Máquinas y el Aliviadero de la Central Hidroeléctrica Caruachi, con algunas dimensiones, elevaciones y componentes debidamente identificados.

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Figura 3.1. Corte transversal de la Casa de Máquinas de la Central Hidroeléctrica Generalísimo Francisco de Miranda

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Figura 3.2. Corte transversal del Aliviadero de la Central Hidroeléctrica Generalísimo Francisco de Miranda

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3.2. Equipos Hidromecánicos: El control de las estructuras de descarga sólo se puede lograr mediante equipos hidromecánicos, los que a su vez requieren para su funcionamiento de algunos servicios auxiliares. Aunque la parte correspondiente al equipamiento hidromecánico rara vez supera el 10% de la inversión total para la construcción de una presa [1], la importancia de este equipamiento para lograr un control y manejo adecuado de las aguas embalsadas es crucial. Como ya se mencionó, lo que comúnmente se denominan equipos hidromecánicos en embalses y presas de tierra abarca todos aquellos equipos de control o regulación que estarán en contacto con el agua. Entre ellos podemos enunciar: -

Rejas en la toma.

-

Compuertas y Válvulas, incluyendo los actuadores.

-

Blindajes y tubos de conducción de Presión

-

Conductos de aireación

-

Instrumentación

Las compuertas o válvulas son los equipos que permiten controlar directamente la descarga de agua, cumpliendo por tanto una función importante en el manejo del recurso hídrico almacenado (Figueroa 1999). Desde el punto de vista del tipo de control, estos equipos son de dos tipos: de apertura y cierre completo o de apertura parcial para lograr una descarga regulada. Igualmente, desde el punto de vista operativo estos equipos se clasifican en dos grupos: de servicio, que es el equipo normalmente operado; o de mantenimiento, que se ubica aguas arriba del equipo de servicio y permite realizar labores de mantenimiento en éste. 3.2.1. Compuertas Hidráulicas Como ya se ha dicho, una compuerta es un dispositivo hidromecánico destinado a regular o detener el paso de agua u otro fluido en una presa, canal, tubería, esclusas, obras de derivación u otra estructura hidráulica. Además, son equipos utilizados para el mantenimiento en diferentes proyectos de ingeniería. Existen diferentes tipos y pueden tener diferentes clasificaciones, según su forma, función y su movimiento. Las diferentes formas de las compuertas dependen de su aplicación, y el tipo de compuerta a utilizar dependerá principalmente del tamaño y forma del orificio, de la carga hidrostática, del espacio disponible, del mecanismo de apertura y de las condiciones particulares

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de operación. Aplicaciones: Las compuertas tienen una basta aplicación en los diversos campos de la ingeniería Hidráulica, algunos de los cuales se citan a continuación: -

Obras de protección contra inundaciones.

-

Protección de equipos instalados aguas abajo de la compuerta

-

Control del nivel de embalses destinados a recreación o localizados próximos a áreas residenciales.

-

Obras de mantenimiento de nivel constante en embalses.

-

Mantenimiento de equipos instalados aguas arriba y/o aguas abajo de la compuerta

-

Cierre de obras de desvío en ríos.

-

Control de descarga de fondo.

-

Esclusas de navegación.

-

Regulación de descargas en presas.

Partes de una compuerta: Una compuerta se compone básicamente de tres elementos: tablero, piezas fijas y mecanismos de maniobra [3]. El tablero, componente principal de la compuerta, es un elemento móvil que sirve de amparo al pasaje de agua y está constituido de chapa de forro y sistema de vigas. En este, se encuentra fijados los elementos de apoyo (ruedas, láminas, etc.) y de dirección (zapatas, guías, resortes, etc.). El revestimiento del tablero, denominado chapa de forro, es el responsable de cerrar el paso de agua. Adicionalmente lleva apernado sellos de goma que le proporcionan la deseada condición de estanqueidad. Las piezas fijas o empotradas son los componentes que quedan embutidos en el concreto y sirven para guiar y alojar el tablero, y redistribuir en el concreto las cargas que actúan sobre la compuerta, actuando también en algunos casos como protección del concreto y de los elementos de apoyo de los sellos. Los componentes básicos de las piezas empotradas son: viga umbral, camino de deslizamiento, guías laterales, contraguías, dintel, apoyo de los sellos y, en algunos

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casos, protector de las ranuras. La viga umbral es el elemento horizontal inferior de las piezas fijas y sirve de apoyo del sello inferior. El camino de deslizamiento actúa como elemento de apoyo y redistribuye las cargas transmitidas por las planchas terminales de las ataguías y gavetas. Las guías laterales y contraguías limitan los desplazamientos en el plano horizontal, y son diseñadas para absorber los esfuerzos correspondientes. El dintel es un elemento usado solamente en compuertas de fondo y sirve para completar, junto con las guías laterales y la viga umbral, el cuadro de paso del agua, absorbiendo los esfuerzos correspondientes. Sirve también como protección del concreto de la erosión causada por el agua a altas velocidades. El mecanismo de maniobra es el dispositivo directamente responsable por la apertura y cierre de la compuerta. Clasificación de las Compuertas Las compuertas pueden ser clasificadas según los siguientes criterios: función, movimiento, localización y forma de la chapa de forro, entre otros. A continuación se describen brevemente cada una de estas clasificaciones. De acuerdo a la función que se desempeña en una instalación hidráulica, las compuertas pueden ser: -

De servicio: usadas para regulación permanente de la salida o el nivel de agua.

-

De emergencia: utilizadas esporádicamente en la interrupción del flujo de agua en conductos o canales.

-

De mantenimiento: Operadas solamente con agua nivelada y con objeto de permitir el desagüe del conducto o canal para realizar labores de mantenimiento de los equipos principales (turbinas, bombas u otras compuertas).

De acuerdo con el movimiento ejecutado por los tableros a lo largo de sus guías, las compuertas son clasificadas como: -

De translación: pueden ser deslizantes o de rodillo, dependiendo del tipo de contacto con las piezas empotradas.

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-

De Rotación: son también denominadas compuertas radiales, debido a que ésta es la dirección en la que actúa la presión. Su ventaja principal es que la fuerza para operarlas es pequeña y facilita su operación ya sea manual o automática.

Tipos de Compuertas: Los principales tipos de compuertas son: Basculante, Cilíndrica, Ataguía o Stop Log, Oruga, Rodillo, Sector, Radial, Stoney, Tambor, Tejado y Vagón. Las compuertas de emergencia usadas en la maniobra de cierre de los ductos de desvío en la Central Hidroeléctrica de Caruachi son del tipo vagón, por lo que la descripción de los demás tipos de compuerta se omitirá en este trabajo de investigación. Las compuertas de vagón son las más usada en la industria, y su mayor aplicación es la regulación de descargas de fondo, dada su propiedad de sellado por peso propio [3]. Se componen principalmente del tablero, los ejes y ruedas que facilitan el guiado y el sistema de sellos. El tablero está formado por una chapa de forro generalmente plana, reforzada por medio de vigas horizontales. En los extremos de las vigas horizontales se encuentran soldadas sendas vigas verticales, denominadas vigas de cabeceras o vigas laterales. En estas vigas se apoyan los ejes sobre los que se fijan las ruedas, que cumplen la doble función de disminuir los esfuerzos de fricción y de contacto a las piezas fijas y el concreto. En la figura 3.3. se presenta un esquema típico de una compuerta tipo vagón, donde se describen además cada una de los componentes arriba mencionados

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Figura 3.3. Esquema de compuerta tipo vagón. [4]

El sistema de sellos puede ser protegido con elementos metálicos denominados forros. La

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instalación de estos forros tiene múltiples funciones como la de evitar daños en la estructura causados por el impacto de partículas de hielo o por residuos sólidos, reducir las fuerzas hidrodinámicas y la corrosión, y facilitar el mantenimiento del equipo. El uso de las compuertas tipo vagón exige el izamiento de todo el peso del equipo, incluso para descargas pequeñas, y crea la posibilidad de que cuerpos pequeños se alojen entre el sello y la viga umbral o deterioren el sello inferior, con lo que se perdería la condición de estanqueidad. Existen tres métodos comúnmente usados para corregir esta desventaja: -

Compuertas de vagón múltiples: Consiste en una división horizontal del tablero

en

dos

o

más

elementos,

que

pueden

ser

accionados

independientemente según las necesidades del caso. -

Compuertas de vagón dobles tipo gancho: El tablero es construido por dos elementos colocados de forma tal que el superior pueda ser accionado y permita la descarga por encima del cuerpo inferior. Ambos elementos pueden ser levantados por encima del nivel de agua máximo del reservorio.

-

Compuertas de vagón con sistema basculante: Consiste en la instalación de una compuerta basculante por encima de la compuerta vagón. De esta forma, accionando la compuerta basculante se obtienen descargas pequeñas que permiten eliminar residuos y/o el hielo.

Durante las maniobras de operación de las compuertas, se debe prestar especial atención a las fuerzas hidráulicas poco comunes. Una de estas precauciones consiste en evitar ciertas fuerzas dirigidas hacia arriba, especialmente en operaciones de ckacking (ensanchamiento del conducto forzado a través del levantamiento de la compuerta en algunos centímetros). En la literatura se registran numerosos accidentes con instalaciones de este tipo. En la represa de Mossyrock en Estados Unidos, una compuerta de toma de agua que pesaba 654 kN, fue impulsada por el agua, ascendiendo cerca de 12 m por encima del pozo. En la presa de Dworshak, también en Estados Unidos, una compuerta de 124,6 kN de peso fue impulsada 76 m por encima del umbral. Pruebas de modelos posteriores realizadas por U.S. Corps of Engineers concluyeron que el principal motivo de los accidentes ocurridos, residía en que la distancia entre la parte superior de la compuerta y el concreto era menor que la abertura de la compuerta (f