1. Educación

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INSTRUMENTACIÓN HIDRÁULICA Y SU IMPORTANCIA EN LA EFICIENCIA DE
CENTRALES HIDROELÉCTRICAS
Palacios Fonseca Ana Alicia
Instituto Mexicano de Tecnología del Agua. Paseo Cuauhnáhuac No. 8532, Col. Progreso, Jiutepec, Morelos,
México. C.P. 62550
[email protected]
Son los requisitos específicos para la realización
del proyecto, informes, planos, y todo tipo
documentos oficiales del área proveniente.
Introducción
La instalación de equipos de medición y su monitoreo en las
diferentes estructuras hidráulicas de una central hidroeléctrica
durante y después de su construcción ha resultado de gran
ayuda para verificar la eficiencia de su funcionamiento
hidráulico. Desde el 2008, en la C.H. El Cajón y
posteriormente en la C.H. La Yesca, la Comisión Federal de
Electricidad, CFE, comenzó a instrumentar las obras de
desvío, con el fin de validar los procesos constructivos, como
son los revestimientos y evaluar las pérdidas que se generan
por la combinación de diferentes rugosidades. La
instrumentación también ha servido para el monitoreo de la
operación de los túneles de comunicación del río Grijalva en
Chiapas, contribuyendo con información de los gastos que
circulan.
En la estructura de Generación de la C. H. La Yesca también
se instalaron equipos; para las pruebas iniciales de su puesta
en servicio y a la salida del túnel de desfogue, en la sección de
control, así como en el cauce donde se ha podido monitorear
la capacidad de descarga del río.
I.2. Programa de trabajo
Es la planeación del diseño, producción e
inspección (PDPI), resulta del programa inicial del
proceso. Aquí quedan definidos los pasos a seguir
durante todo el tiempo que dure el proyecto y
contiene:



II.
Debe contener las siguientes actividades para
garantizar la ejecución en tiempo y forma:
En estos diferentes Proyectos y Estudios llevados a cabo por la
Coordinación de Proyectos Hidroeléctricos, CPH, se han
realizado también análisis mediante la calibración de modelos
teóricos con base en los registros obtenidos de las mediciones
con las condiciones de operación real. En éste artículo se hace
énfasis en la necesidad de colocar instrumentación hidráulica
desde la construcción. Es importante darles seguimiento una
vez implementados, mediante análisis y modelación teórico
con las condiciones reales, con un modelo dinámico o cuasi
dinámico.
Metodología básica para un proyecto de
instrumentación hidráulica en Centrales
Hidroeléctricas
Como parte del proceso de calidad que implementa la CFE, se
encuentran las “Instrucciones de trabajo”, las cuales son
utilizadas para aplicarse de igual forma en todos los procesos
de un mismo tipo de Proyecto. El primer paso para la
realización de un Proyecto de Instrumentación hidráulica es la
elaboración de una Propuesta Técnica y Económica. Y dentro
de la propuesta técnica se sigue la siguiente metodología:

III.
I.1. Entradas de Diseño
Planos de la estructura hidráulica a
instrumentar (obra de desvío, obra de
generación, obra de excedencias, etc)

Planos del Proyecto de Instrumentación con:
ubicación de instrumentos, equipos, tubería
y cableado, especificaciones detalladas de
cada componente, en planta o perfil.

Planeación de la brigada de instrumentación,
para la instalación y pruebas iniciales, así
como la operación de los equipos.

Plan de trabajo durante la instalación y la
operación.
Operación de la Instrumentación
Es la metodología a seguir en el registro,
procesamiento y análisis de las variables
hidráulicas a monitorear para obtener su
comportamiento hidráulico.
IV.
Metodología
I. Planeación del proyecto
Son los procesos iniciales y que servirán como
antecedente:
Descripción breve del proyecto
Formato en diagrama de Gantt
Las actividades asignadas a personal
calificado

Inicio y término de cada actividad

Fechas de supervisión técnica y de calidad
con compromiso de entrega.

Además
de
una
supervisión
del
cumplimiento del programa.
Diseño del Proyecto de Instrumentación
V.
Fabricación o adquisición de equipo
Se refiere a identificar los equipos de medición a
utilizar en el registro de las variables físicas, sus
condiciones, calibrarlos y/o ajustarlos. Fabricar y/o
adquirir los dispositivos necesarios con apego a los
planos de proyecto.
Instalación de la Instrumentación
Comprende caja porta-equipos, tuberías, gabinetes
para la instalación del equipo de medición, celdas
de presión relativas o absolutas, celdas de
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concentración, peine Prandtl-pitot, equipos
doppler, radar, para velocidad y gasto. En la puesta
a punto realizar la calibración de la presión
atmosférica, los rangos de medición, ajustar
mediante topografía el valor preciso de ubicación
de la cara del sensor. En el caso de los medidores
para velocidad, definir a detalle, la sección
geométrica con la que se calculará el área, así
como las curvas: área-tirante, área-perímetro, áreacaudal.
VI.
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Mantenimiento de la Instrumentación
Depende de cada equipo e instrumento, pero
implica entre otras actividades: limpieza, verificar
continuidad eléctrica, hermeticidad en cables y
mangueras y las requeridas en la ficha del equipo.
VII. Funcionamiento hidráulico
 Registro de variables físicas: con el
procedimiento de captura, se puede realizar
dentro del Sistema SCADA. La frecuencia y
los periodos de registro. Considerar visitas
periódicas para la programación de los equipos
y la recopilación y depuración de la
información almacenada.
 Procesamiento de la información: tomar en
cuenta la curva de calibración de cada
instrumento así como los ajustes necesarios
propios para el punto de medición. Realizar
lecturas en vacío para verificar si la curva de
calibración se ha modificado. Los equipos
doppler y radar tienen integrado un software
de cálculo con la geometría, pero se requiere
ajustar el nivel.
 Análisis hidráulico: una vez depurada la
información, se van realizando gráficas con la
variación de presiones y niveles (limnigramas)
y gastos (hidrogramas), es importante conocer
los rangos de diseño y hacer una modelación
previa.
Con base en lo anterior a continuación se hace la descripción
de diversos proyectos de instrumentación para diferentes
estructuras hidráulicas llevados a cabo desde el 2008 hasta el
2013.
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propias estructuras, incluyendo la compra, instalación,
capacitación, operación, transmisión, personal, entre otros.
Instrumentación hidráulica en túneles de
desvío
Antecedentes: Desde la C.H. El Cajón, la CFE, ha
implementado la construcción de túneles de desvío con
rugosidad compuesta con el propósito de mejorar la eficiencia
en la descarga en caso de una avenida extraordinaria, esto a
partir de la experiencia en la C.H. Aguamilpa donde se
presentó éste fenómeno y los túneles no tuvieron la capacidad
esperada, a partir de entonces se comenzaron a instrumentar.
Objetivo: Monitorear el funcionamiento hidráulico de los
túneles durante la construcción de la obra y estimar la
rugosidad compuesta por la combinación de revestimientos.
Proyecto de Instrumentación: se desarrollaron tres proyectos
en los túneles de desvío del P.H. La Yesca: el primero en 2009
en el Túnel 1, el segundo en 2010 en el Túnel. 2 y en el 2011
ambos túneles.
Características del Túnel 1 y 2 del P.H. La Yesca:
Túnel 1
Sección en portal: 14 x 14 m
Altura de paredes: 7.0 m
Radio de la bóveda: 7.0 m
Longitud: 702.0 m
Pendiente : 0.0071276
canal llamada 392.0 msnm
canal descarga: 387.0 msnm
Túnel 2
Sección en portal: 14 x14 m
Altura de paredes: 7.0 m
Radio de la bóveda
: 7.0 m
Longitud: 752.58 m
Pendiente : 0.0133961
Canal llamada 397.08 m
Canal descarga: 387.0 m
Es importante mencionar que los proyectos de instrumentación
hidráulica deben ir ajustados a los tiempos de obra de las
Fig. 1. Instrumentación hidráulica del Túnel 1 de la C.H. La Yesca (2009).
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Fig. 2. Instrumentación hidráulica del Túnel 2 de la C.H. La Yesca (2010).
Instrumentación:
397
Túnel 1:
396 395.99





10 celdas de presión de membrana externa Acculevel,
con rango de 3.6 bar y 0.05% de error, en nueve
secciones.
8 doppler, “Argonaut, SL” 1500 MHz en dos
secciones con 4 sensores cada una (plantilla, paredes
y clave, Secc. W y Z)
1 medidor “ADFM”, doppler programado para
calcular gasto (sección Y)
1 medidor “Vantage”, de nivel tipo radar, colocado a
la salida del túnel.
16 tubos pitot montados en una estructura en forma
de “X” para calcular el perfil de velocidades.
Túnel 2:





18 celdas de presión tipo cuerda vibrante RST con
0.05% de error
8 doppler “Argonaut, SL” 3000 MHz en dos
secciones con 4 equipos cada sección
1 medidor “ADFM”, doppler programado para
calcular gasto (sección Y)
18 tubos pitot montados en una estructura en forma
de “X” para calcular el perfil de velocidades.
10 celdas de presión de membrana externa
395
394
394.87
393.94
393
392
391
390
389.87
389
PLANTILLA
TEÓRICO
REAL
388
387
390.28
389.19
390.13390.00
386
-100 -50
0
50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700
Fig. 3. Perfil hidráulico del Túnel 1 con mediciones y modelación.
En el Túnel 2 se registró una avenida el 12 de agosto de
2010 que elevó el nivel en el portal de entrada 10.16 m en
el Túnel 2 y 15.24 m en el Túnel 1.
Resultados:
En el Túnel 1 se encontró que no tenía la capacidad de
descarga esperada debido a un salto hidráulico a la salida,
ya que no se generó la descarga libre. Se realizaron
modelaciones cuasi-dinámicas, es decir para diferentes
intervalos de tiempo medido y se compararon con los
registros, como se muestra en la figura siguiente.
A partir de las modelaciones se estimó la altura de un bordo
(2.08m), que estaba generando el remanso de tal forma que
se pudieran realizar trabajos de desazolve en la zona.
Fig. 4. Limnigrama de las celdas de presión durante la “Avenida”.
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Fig. 8. Modelación y registros en el Túnel 2 para un Q=159 m3/s.
Fig. 5. Niveles registrados en el P.E. el 12 de Agosto de 2010.
Debido a que el medidor para el gasto fue dañado durante ese
fenómeno, no se pudieron recuperar los datos, sin embargo
mediante modelaciones calibradas a partir de las presiones
hidráulicas de cada celda fue posible su estimación.
Se generaron diferentes teorías de cálculo suponiendo la
existencia de una sección crítica en el Túnel 2. El gasto Q
calculado sólo para el Túnel 2 fue de 434 m3/s, con la ecuación
de sección crítica (Ec. 1) y se ajustó el valor con iteraciones
con el método de la secante (Ec. 2).
413
411
Elevación (msnm)
409
407
405
403
Plantilla
Clave
11/08/2010 18:00
12/08/2010 00:00
12/08/2010 06:00
E2


2
 A3 g 


E1




T 
F ( x)  y2  
(
1

kl
)

y
1
2Sección
gA22
 conocidof(y 1 )
12/08/2010 14:00;
405.3
404.8
404.9
405.0
401.4
402.2
desconocido f(y 2 )
401
399
397.7
395.5
397
395 0-0880-060 0-005
0+070
0+000
0+035
0+0550+104
0+1100+144
393
391
389
393.6
395.9
395.7
393.2
391.8
0+200
0+240
0+321
0+392
0+522
387
0+562 0+603
0+630
0+676
-100
-80
-60
-40
-20
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
240
260
280
300
320
340
360
380
400
420
440
460
480
500
520
540
560
580
600
620
640
660
680
700
720
740
760
780
385
Cadenamiento (0+000)
Fig. 6. Registros de celdas dentro del túnel durante la “Avenida”.
Fig. 9. Modelación y registros en el Túnel 2 para un Q=434 m3/s.
A través de los resultados del modelo se realizaron algunos
cálculos de la rugosidad compuesta: mediante ecuaciones
empíricas y bajo los conceptos de capa límite en mecánica de
fluidos.
Utilizando las velocidades cercanas a la pared (entre 0.1 y 0.3
m) resultó una n=0.026 para el Q=439 m3/s y una ks de
Nikuradse de 0.056 el cual representa la rugosidad en la pared
(concreto lanzado). Posteriormente se calculó con las
ecuaciones de Lotter, Lineal y Horton-Einstein, y se obtuvo
una n compuesta de 0.0175 en el Túnel 2.
Instrumentación hidráulica en la obra de
generación
Antecedentes: en Julio del 2012 se solicitó desarrollar el
proyecto de instrumentación del P.H. La Yesca para la galería
de oscilación, el túnel de desfogue y el cauce.
Objetivo: Monitorear el gasto y volumen turbinado durante el
inicio de operación de las unidades; los niveles de sumergencia
en la galería de oscilación; los niveles en el desfogue y en el
río, así como su capacidad de descarga con la nueva
rectificación.
Características de la Obra de Generación del P.H. La Yesca
 Dos unidades de 375 MW que generará 1210 GWH anuales Dos conductos a presión de 7.7 m de diámetro Túnel de desfogue de 254.5m de longitud y sección de
13x14m-
Fig. 7. Modelación y registros en el Túnel 2 para un Q=54.08 m3/s.
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Instrumentación

5 celdas de presión tipo cuerda vibrante (RST) y dos
escalas graduadas en la Galería de Oscilación
Fig. 13. Celdas o piezómetros tipo cuerda vibrante y su datalogger
CR800 (Campbell).
Fig. 10. Ubicación de celdas en la galería (Planta).

2 equipos doppler (Argonaut SL 1500) en el túnel de
desfogue
Fig. 14. Colocación del Argonaut SL en campo.
Resultados:
Se comenzaron a registrar niveles y gastos. En el desfogue
se registraron los volúmenes acumulados a partir de la
puesta en servicio.
Se tuvieron algunas mediciones con gastos de 480 m 3/s
como máximo, durante septiembre y octubre de 2013,
aunque la mayoría eran del rango de los 220-240 m3/s y
elevaciones hasta de 393 msnm en la zona del desfogue,
Fig. 11. Ubicación de doppler en el túnel de desfogue (Perfil).

5 celdas de presión en el cauce
Fig. 15. Hidrograma de Septiembre de 2013 (desfogue.)
En el cauce se registraron los niveles en la sección de control y
hasta llegar al estrechamiento. Se verificaron los niveles
medidos con los valores de diseño para 1 y 2 unidades.
Fig. 12. Ubicación de celdas en el cauce.
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Curva Elevaciones -Gasto
Octubre 2013- Octubre 2014
394
393
392
Elevación (msnm)
391
390
389
388
Fig. 16. Perfil hidráulico en el cauce Diciembre 2012.
387
Y-Q
Lineal (Y-Q)
386
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
Gasto Q (m3 /s)
Fig. 18. Curva Elevaciones-Gasto en la sección de control.
Instrumentación hidráulica en la obra de
excedencias
Objetivo: Conocer el comportamiento hidráulico del vertedor
del P.H. La Yesca durante su operación: niveles, velocidades y
concentración de aire.
Fig. 17. Perfil hidráulico en el cauce Mayo 2013.
Con los niveles medidos a partir de la celda en el bordo, que es
la sección de control, se generó una curva de ElevacionesGasto, con datos del 2012 y 2013.
Instrumentación: Se colocaron celdas inalámbricas sobre la
plantilla y celdas keller con cableado en el escalón. La
preparación de la instalación quedó terminada en octubre de
2013, para la programación de operación del canal en cualquier
momento.
Fig. 19. Instrumentación instalada (Vista en Perfil).
500
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Aforos
Objetivo: Realizar mediciones de caudal y tirantes a lo largo
del tramo entre la C.H. MMT, Chicoasén I y el sitio del
Proyecto, como parte de los estudios hidráulicos previos para
el Proyecto Hidroeléctrico CH Chicoasén II.
Resultados:
Se registraron los gastos para la operación desde 1 hasta las 8
unidades, en intervalos de 1.5 h entre cada una. Se midieron
niveles y gastos en el punto marcado como RB M9, que es el
sitio de aforo idóneo seleccionado, por las condiciones
hidráulicas de la zona, y se obtuvo la siguiente curva
Elevaciones-Gasto. Asimismo a partir de las 12 celdas
instaladas, se registraron niveles para formar perfiles
hidráulicos para la operación de cada gasto turbinado.
Fig. 20. Campaña de Instalación.
Fig. 21. Ubicación de puntos de medición a lo largo de 13 km del río Grijalva en la campaña de aforo (mayo 2013).
Fig.22. Curva Elevaciones-Gasto del sitio de aforo (P.H. Chicoasén II, 31 de mayo de 2013).
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Fig. 23. Perfiles hidráulicos a lo largo de los 13 km entre la C.H. Manuel Moreno Torres (Chicoasén) y el nuevo P.H. Chicoasén II.
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2011. Laboratorio de Hidráulica, Coordinación de Proyectos
Hidroeléctricos, Comisión Federal de Electricidad, CFE.
Palacios Ana A., Gutiérrez César, “Río Grijalva,
Funcionamiento hidráulico de los túneles de comunicación:
Análisis hidráulico para la obtención de la rugosidad
compuesta representativa de los túneles”, Diciembre de 2012.
Laboratorio de Hidráulica, Coordinación de Proyectos
Hidroeléctricos, Comisión Federal de Electricidad, CFE.
Palacios Ana A., Delgado C. Luis R., “P.H. La Yesca,
Proyecto de Instrumentación del Canal Central del Vertedor”,
Abril de 2013. Laboratorio de Hidráulica, Coordinación de
Proyectos Hidroeléctricos, Comisión Federal de Electricidad,
CFE.
Palacios Ana A., Hernández Margarita, “P.H. La Yesca,
Instrumentación de la Galería de Oscilación, Túnel de
Desfogue y Cauce”, Enero de 2013. Laboratorio de Hidráulica,
Coordinación de Proyectos Hidroeléctricos, Comisión Federal
de Electricidad, CFE.
Palacios Ana A., Delgado Luis R., Hernández Margarita,
“Campaña de aforo en el tramo de la C.H. Manuel Moreno
Torres (Chicoasén) y el P.H. Chicoasén II”, Junio 2013.
Laboratorio de Hidráulica, Coordinación de Proyectos
Hidroeléctricos, Comisión Federal de Electricidad, CFE.
Fig. 24. Fotografías del Aforo (mayo 2013).
Conclusiones y recomendaciones
A través de Proyectos de Instrumentación hidráulica ya sea de
forma permanente o eventual se puede obtener información del
comportamiento de cualquier estructura hidráulica. Hoy en día
existen equipos que se pueden adaptar a las diferentes
condiciones físicas de la zona de medición, así como para
diferentes aplicaciones. La transmisión de los datos es
prioritaria en estos proyectos ya que permiten prever cualquier
contingencia y programar las visitas para su mantenimiento,
asimismo mantiene los trabajos de procesamiento y análisis de
forma continua. Para cualquier proyecto de medición se
recomienda realizar una modelación teórica de lo que podría
suceder, asimismo se debe entender cuál es la situación a
esperarse al seleccionar los puntos de medición, por lo tanto
ésta deberá realizarse bajo consideraciones teóricas hidráulicas.
Referencias
Palacios Ana A., Aldama Álvaro, Marengo Humberto,
“Modelación matemática unidimensional de una obra de
desvío con rugosidad compuesta, el caso del P.H. La Yesca”,
XXII Congreso Nacional de Hidráulica, Noviembre de 2012.
Palacios Ana A., Aldama Álvaro, Marengo Humberto,.,
“Instrumentación hidráulica para el análisis de la rugosidad
compuesta en túneles: el caso de los túneles de comunicación
del río Grijalva”, XXII Congreso Nacional de Hidráulica,
Noviembre de 2012.
Palacios Ana A., “P.H. La Yesca, Instalación de la
instrumentación y operación del túnel 1”, Febrero de 2010.
Laboratorio de Hidráulica, Coordinación de Proyectos
Hidroeléctricos, Comisión Federal de Electricidad, CFE.
Palacios Ana A., “P.H. La Yesca, Funcionamiento hidráulico
de los túneles de la obra de desvío, en prototipo”, Enero de