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Escrito por: Julio Cesar Romero Cervantes – CFE
Colaboradores: Tomas Sanchez y Natalia Kramer – Autodesk
Reseña de la Subgerencia de Diseños Hidroeléctricos
En la Subgerencia de Diseños Hidroeléctricos (SDH) como parte de la Coordinación de Proyectos Hidroeléctricos de la Comisión Federal de Electricidad, somos responsables de realizar los análisis y diseños de ingeniería necesarios para la realización de proyectos de infraestructura hidroeléctrica pública y privada, tanto de manera nacional, así como internacional, desarrollando ingeniería a diversos niveles de estudios, ya sea: Conceptual, Básica o de Detalle, verificando el funcionamiento de las estructuras en diseño, desarrollo y operación, mediante modelos hidráulicos a fin de garantizar su buen desempeño, estudiando el comportamiento de las estructuras que actualmente están en operación.
En el estado de Sinaloa, México se está proyectando equipar una presa, diseñada originalmente para riego, con la capacidad de generación hidroeléctrica a través de una conducción a presión de acero que conduzca el agua hacia una casa de máquinas equipada con 2 turbinas hidráulicas del tipo Francis. Por lo que se debe garantizar el correcto funcionamiento para el despacho del agua de riego y la generación de electricidad sin afectar el suministro y operación de la presa.
Resumen
El diseño de la obra de generación de un proyecto hidroeléctrico requiere del análisis detallado del comportamiento del agua a través de todas las estructuras por donde esta se conducirá, se deben determinar las cargas hidráulicas, velocidades, pérdidas hidráulicas por cada elemento de la conducción para determinar la potencia instalada que podrán albergar las turbinas. Para el proyecto estudiado, la conducción a presión tiene una longitud total de poco menos 1000 m, combinando diferentes secciones transversales, diámetro y materiales de la conducción; a la llegada de casa de máquinas que aloja las turbinas esta tubería se bifurca, siendo esto el tramo el más importante desde el punto de vista hidráulico en cuando al comportamiento correcto para que las unidades generadoras trabajen de manera óptima. Por lo anterior, el uso de herramientas para elaborar modelos tridimensionales utilizando volumen finito es indispensable para garantizar el correcto funcionamiento de toda la estructura.
La solución
El empleo de programas de simulación tridimensional de fluidos como Autodesk CFD, son muy útiles para representar estructuras y comportamientos complejos de tuberías, sin embargo, el reto es poder conceptualizar y simplificar las estructuras para que se optimicen los recursos computacionales y se obtengan resultados confiables de acuerdo al nivel de desarrollo de la ingeniería, ya que no será el mismo nivel de detalle en el diseño para las etapas tempranas de factibilidad y las avanzadas de ingeniería básica o de detalle.
De acuerdo con lo anterior, se procedió a acotar el dominio de la bifurcación con ayuda del software Autodesk Inventor. Las condiciones de frontera fueron a la entrada: el gasto de diseño de la obra de generación y las de salida: el gasto dividido a la mitad para cada una de las salidas donde se alojarán las turbinas.
Resultados
En un proceso iterativo, entre corroborar el comportamiento del flujo con las velocidades y realizar pequeñas mejoras en la geometría de la bifurcación, se obtuvieron los siguientes resultados globales.
- Mayor certeza en el comportamiento general del flujo, comparado con los métodos tradicionales teóricos (cabe señalar, que se realizaron los cálculos con los criterios de diseño normalmente empleados). Usualmente, para conseguir un nivel parecido de resultados al que arroja la modelación tridimensional, se consigue con un modelo físico en un laboratorio especializado, pero esto implica aumentar el tiempo para obtener dichos resultados de un par de semanas con modelación numérica a varios meses, pudiendo ser hasta de 1 año debido a la construcción, calibración y realización de ensayes. De acuerdo con los requerimientos de nuestro cliente, la modelación numérica fue más que suficiente.
- Mayor facilidad en la presentación de resultados para las diferentes áreas, siendo los resultados más amigables con personal no especialista en el tema técnico. Muchas veces no basta con obtener los resultados y elaborar una memoria de cálculo, hay que elaborar presentaciones ante diversos grupos para tomar una decisión que afectará el diseño de áreas involucradas, por lo que la presentación de resultados con colores para visualizar la velocidad de flujo, presión y líneas de corriente facilita la elaboración de informes, presentaciones, pudiendo disminuir a la mitad el tiempo invertido para presentar resultados.
- El utilizar herramientas de este tipo permite al área estar a la vanguardia de lo que se utiliza en los proyectos más innovadores en cualquier parte del mundo.
- Permite comenzar con la siguiente etapa del desarrollo de la ingeniería de una forma más fácil e intuitiva, ya que están identificadas de mejor forma las áreas a desarrollar con mayor detalle.
