FABRICACIÓN DE TURBINAS HIDRÁULICAS EN CUBA (II). Factor esencial del desarrollo hidroenergético

Emir Madruga y colectivo
Ilustraciones: Aleman

El corazón tecnológico del aprovechamiento hidro-energético es la turbina hidráulica.
Su diseño y fabricación son altamente especializados, en ellos Cuba ha alcanzado logros significativos.

Esta línea de trabajo recibió un importante impulso en los primeros años de la década de los ochenta, al calor de una serie de decisiones que tomó el país para reforzar las tareas energéticas.

 

Corte transversal de una turbina tipo Francis

Fundamentar un programa de mini, micro y pequeñas centrales sobre la base de la importación total de los equipos, resultaba poco atractivo y auguraba múltiples dificultades.

Era necesaria la producción industrial seriada del equipa-miento principal, muy caro en el mercado internacional, de producción mecánica muy especializada, donde el principal valor añadido es el know-how y donde con pocos materiales se logran altísimos valores de producción, lo que resulta de gran interés para la industria mecánica cubana al tomar en consideración su futura exportación.

A nivel internacional, los libros de texto y los programas universitarios, en relación con la fabricación de turbinas, por lo general no pasan de criterios preliminares.

El diseño y la fabricación de turbinas llevan aparejado un conjunto de técnicas que conforman un know-how particular que está regulado, custodiado y protegido por los principales productores, pocos por cierto, básicamente europeos y norteamericanos, aunque algunos fabricantes del tercer mundo producen bajo licencia de los consorcios.

El diseño específico de una turbina o de una familia de turbinas se realiza mediante el ensayo de modelos reducidos, análogos geométrica e hidráu-licamente a la máquina en cuestión (igual velocidad específica).

Los resultados de los ensayos de modelos registrados en nomogramas para las diferentes posibilidades de uso donde se señala la eficiencia específica de las máquinas, conforman el gráfico conocido como “topográfico” de la familia o grupo de turbinas de un tipo.

Este topográfico, junto a las dimensiones y perfiles del modelo, permiten por homologación diseñar dentro de la familia las diferentes turbinas para cada caso o grupo de casos semejantes.


La turbina tipo Francis tiene una entrada en espiral y unas aspas guías,
de forma que el agua impulsa las paletas con una pérdida
de energía mínima por efecto de la turbulencia.

Los laboratorios para este trabajo, los especialistas y la experiencia que se requiere para su realización, son en cualquier caso muy valiosos y escasos en el mundo.

Criterios de diseño y selección de turbinas hidráulicas
Los criterios de diseño para las centrales hidroeléctricas y la selección del tipo de turbina idónea para cada aprovechamiento específico dependen de múltiples factores técnicos y económicos.

En teoría cada emplazamiento requiere el diseño de su equi-pamiento específico para lograr su óptimo aprovechamiento.

Esto sólo se hace de esta forma después de haber agotado las posibilidades de normalización de los equipos (en busca de los más económicos), o en aquellos casos en donde ganar 1 ó 2 % en la eficiencia del conjunto pague lo costoso de las investigaciones, el desarrollo de modelos y lo que significa una producción unitaria.

Por regla general este tratamiento individual se reserva sólo para centrales muy grandes.
En la determinación del número y tamaño de las unidades para un proyecto dado deben analizarse los siguientes aspectos:

• Cuenca del recurso, pluviosi-dad, hidrología y caudales garantizados, es decir, el agua disponible, su distribución a lo largo del año y la subordinación de la entrega del agua y del régimen de operación.
• Regulación, obras de toma, uso final del agua, embalses reguladores de aguas abajo.
• Geología, topografía y la carga hidráulica disponible.
• Racionalidad, uso de recursos y materiales locales, economía y optimización.
• La mayor integración nacional posible de la inversión en su conjunto.
• Características del servicio, tales como entrega posible al Sistema Electroenergético Nacional, o si es aislado o en paralelo a otra minihidroeléc-trica, dimensiones y características de la curva de demanda de la carga eléctrica conectada, etc.
• Criterios económicos.
• Criterios extraenergéticos, tales como lo referente al impacto social, político y ambiental.


Rodete móvil de una turbina de hélice

En el caso de las mini y microcentrales hidroeléctricas en zonas montañosas, el criterio que ha prevalecido en la mayoría de las decisiones que se toman por los territorios es el de montar, por su importancia estratégica, la máxima potencia que pueda dar el recurso.

Ante limitaciones materiales, en ocasiones aunque se instale la potencia que resuelva el problema en el corto plazo, se han creado las condiciones que permitan pasar al máximo aprovechamiento posterior, ya sea cambiando el generador, instalando otra turbina, etc.

En el caso de las pequeñas centrales hidroélectricas (PCHE) mayores de 500 kW de potencia, el inversionista y el proyectista de la parte hidráulica están obligados a profundizar en los análisis técnico-económicos y los estudios de factibilidad, incluyendo la simulación del trabajo del embalse y la hidrocentral según la información de los últimos
20 ó 30 años, para co-nocer el comportamiento a 20 -30 años vista en los diferentes regímenes posibles de explotación energética, respetando el uso final del agua.

Comercialmente, en catálogos y en libros de texto aparecen criterios de selección preliminar de las turbinas, sobre la base de la carga hidráulica y el caudal disponibles.

Para cada rango de cargas y caudales se clasifica el tipo o los tipos de turbinas a seleccionar preliminarmente. Estas son: turbinas de impulso (Pelton) para mayores cargas y relativamente pequeños caudales, turbinas de reacción y(o) flujo cruzado para cargas medias y caudales medios y mayores, turbinas de propela y flujo cruzado para cargas menores y turbinas de extraflujo para cargas muy pequeñas y grandes flujos.

Dentro de cada rango se elige en dichos gráficos la turbina que más se acerque a los parámetros del aprovechamiento.

Las turbinas de flujo cruzado (Banki o Michell Banki), son turbinas simplificadas que tienen un rendimiento promedio de 75 %, en lugar de 80-90% que se obtiene con las turbinas de impulso o reacción.

En ocasiones, esto se ha considerado como una desventaja; sin embargo, en muchos aprovechamientos donde indistintamente se pueden usar, por ejemplo, turbinas Francis o de flujo cruzado, la Francis tiene mayor eficiencia dentro de un rango muy estricto de variación de las cargas y el caudal; no obstante, por sus características las turbinas de flujo cruzado son tolerantes a las variaciones y mantienen la eficiencia, de ahí que a lo largo del año lleguen a producir en muchos casos más energía que las más costosas y específicas turbinas Francis.

Aquí es conveniente recordar nuestra estacionalidad climáti-ca y que por lo general los embalses se subordinan al riego o al abasto.
 
Corte tranversal de una turbina Kaplan (ver afiche central)

Esto da una idea muy preliminar de lo que realmente es todo un proceso de cálculo y comparaciones para adaptar convenientemente la turbina normalizada al aprovechamiento en cuestión. La experiencia acumulada ha permitido que los especialistas usen como criterio para la selección preliminar de la turbina, el paráme-tro conocido como “velocidad específica”.

Según el rango de la inversión, una microcentral (de menos de 50 kW de potencia) requiere mucho menos rigor de análisis previo, debido al alto costo de los estudios preliminares.

Sin embargo, ya una pequeña central (de hasta 5 000 kW) forzosamente requiere cumplir con todas las premisas establecidas, es decir, que para cada nivel de inversión hay un nivel de requerimientos en cuanto a su análisis de factibilidad y documentación de proyecto e inversión.

Extrapolar a las PCHE o a las mini y microcenrales criterios que son válidos y necesarios para las centrales hidroeléctricas (CHE), es un error con ceptual reconocido en muchos programas y experiencias de otros países.
 
Corte tranversal de una turbina Pelton
(ver afiche central)

Las pequeñas centrales, las mini y las microcentrales utilizan en todo el mundo equipos normalizados producidos en serie, o producciones artesa-nales para resolver de alguna forma cuando no se dispone de productos industriales que garanticen la eficiencia a muy bajo costo.

Situación actual y perspectivas

En conclusión, debido a un trabajo de años, la industria mecánica cubana produce hoy con calidad exportable 6 modelos de turbinas eficientes que posibilitan el aprovechamiento de nuestro potencial de mini y microcentrales.

Las “minihidroeléctricas” o más propiamente las turbinas hidráulicas que se han desarrollado desde 1983 y que se producen en serie en nuestra industria mecánica, obedecen a una rigurosa selección en cuanto a sus posibilidades para satisfacer precisamente las características del potencial hidroenergético de Cuba y constituyen renglones con amplias posibilidades de exportación.

Que se conozca, a nivel internacional no se comercializan turbinas distintas a las aquí señaladas, aunque pueden aparecer modelos simplificados para bajar su precio, o incluir novedades de acabado, materiales más duraderos o introducir avances electrónicos en la regulación y el control.

En este sentido lo importante es mantenernos como hasta ahora, o más aún, al tanto del desarrollo mundial.

La existencia de una infraestructura hidráulica y de una ya sólida cultura hidroenergética permiten asegurar el desarrollo sostenido de la construcción de mini, micro y pequeñas centrales hidroeléctricas, incluyendo la exportación de equi-pamiento, proyectos y servicios.