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Evaluación de la Técnica de Algoritmos Genéticos para la Optimización Multi-Objetivo del Dimensionamiento de una Chimenea de
Equilibrio Superior sección constante y su Ramal de Unión en un Aprovechamiento Hidroeléctrico
Los fenómenos transitorios son anomalías ocasiona-
dos por la variación de presiones en las conducciones a
presión, estos fenómenos pueden ocasionar grandes da-
ños en los sistemas de tuberías encargadas del transporte
de agua, es por eso que se los estudia en un régimen tran-
sitorio o modelo elástico, con el n de anticipar matemá-
ticamente los efectos producidos por el golpe de ariete,
las sobrepresiones y subpresiones que pueden ocasionar
el daño o ruptura de la tubería.
El aprovechamiento hidroeléctrico es una serie de
instalaciones vitales para transformar la energía potencial
de un curso de agua en energía eléctrica, procedimiento
que permite aprovechar la energía potencial presente en
el agua convirtiendo, primero, en energía cinética, a con-
tinuación, en energía mecánica de rotación de la turbina,
y nalmente en energía eléctrica.
Se considera como un embalse a un depósito de
agua que está compuesto por una cuenca alimentadora,
un terreno natural donde se almacenará el agua y una
estructura de contención que resistirá la presión del agua
o presa; antes de crear este embalse es necesario denir
cuál será la necesidad que este va a satisfacer, esto será
una pauta para conocer el tamaño, ubicación y volumen
de agua que se utilizará. Una vez determinados estos pa-
rámetros, se estudiará la cuenca y las posibilidades que
esta tiene para proporcionar el agua, por lo tanto, un em-
balse será el resultado de la construcción de una repre-
sa en un terreno natural que encerrará el cauce de un río
permitiendo almacenar cierto volumen de agua para sa-
tisfacer las demandas de una población.
Un túnel de presión servirá de paso y conducción
para caudales turbinados, reduciendo la longitud de de-
sarrollo de los canales de conducción, mediante una obra
de toma y bajo la protección de rejillas, se alimenta al tú-
nel de presión, evitando el ingreso de basura, peces, etc.
Esta obra de toma se ubicará por encima del nivel donde
se encuentra basura o algo que pueda obstruir el embalse.
Las chimeneas de equilibrio superior, también lla-
madas pozos de oscilación o torres piezométricas, “Son
estructuras complementarias a infraestructuras que tra-
bajan con agua y cuyo objetivo es servir de amortiguador
a sobrepresiones y subpresiones del canal” [6].
La tubería de presión se encarga de transportar el
agua desde la captación hasta las turbinas, soportando
grandes presiones [7]; el caudal, la altura neta, la veloci-
dad del agua, las pérdidas de carga y presión son las prin
-
cipales características que inuyen en el funcionamiento
de esta tubería [8].
El objetivo principal de una turbina es transformar
la energía hidráulica en energía mecánica que, trabajan-
do juntamente con un generador, se convertirá en ener-
gía eléctrica, siendo esta una pieza importante dentro de
una central hidroeléctrica. El tipo de turbina a utilizar de-
pende directamente de la altura del salto y de la cantidad
de agua o caudal que la central proporcione para generar
presurizada, desde el sitio de captación hasta la casa de má-
quinas. Esta tipología de aprovechamiento, normalmen-
te asocia la presencia de obras subterráneas como túneles,
pozos de carga, tuberías enterradas, cavernas, entre otras
[2]. Estas estructuras encarecen los proyectos, motivo por
el cual deben optimizarse técnica y económicamente, to-
mando en consideración todos los procedimientos de ope-
ración de una central hidroeléctrica.
El análisis de ujo no permanente en un aprovecha-
miento hidroeléctrico, permite estimar la variación de la
carga piezométrica y caudal en el dominio espacio (x) -
tiempo (t). En función de la variación de estos parámetros
hidrodinámicos, se debe buscar las formas y/o dispositi-
vos para atenuar los efectos de este ujo transitorio y pre-
venir afectaciones a la conducción del sistema; elemento
que regularmente suele ser el más costoso de todo el pro-
yecto [3]. Los dispositivos o estructuras que brindan ma-
yores prestaciones para la atenuación del golpe de ariete
generado en un aprovechamiento hidroeléctrico son las
chimeneas de equilibrio, en donde los efectos del transi-
torio son sobrellevados mediante una oscilación de masa.
El dimensionamiento de una chimenea de equilibrio
superior conlleva al análisis del ujo transitorio en todo
el sistema hidroeléctrico, en donde se deben determinar
las conducciones con sus propiedades elásticas, el uido
con su módulo de compresibilidad y la variación de cau-
dal en el sistema. Posteriormente, se dene la geometría
de la chimenea de equilibrio y su ramal de unión, reali-
zando un proceso iterativo en el cual se analizan varios
escenarios de operación de la central [4]. Este proceso tie-
ne por objeto optimizar la geometría de la chimenea de
equilibrio y su ramal de unión, ajustándose generalmente
a un procedimiento manual prueba-error hasta cumplir
con las condiciones impuestas por el diseñador.
Todo este proceso debe ser ordenado y compilado en
una metodología que permita emplear menores tiempos
en el dimensionamiento de una chimenea de equilibrio.
Por esta razón se planteará una metodología que involu-
cre la resolución del ujo transitorio en un sistema em-
balse - túnel - chimenea - tubería de presión - turbinas,
mediante el método de las características, para obtener
la variación del caudal y carga piezométrica en el tiempo
y espacio. Posteriormente se ejecutará una optimización
multiobjetivo utilizando la técnica de algoritmos genéti-
cos (AG), en donde se involucren la mayoría de los pará-
metros hidrodinámicos, de diseño civil y económicos, a
n de obtener una geometría adecuada de una chimenea
de equilibrio superior.
La velocidad de propagación de onda es la relación
entre un espacio recorrido igual a la longitud de onda y
el tiempo que se demora en recorrerlo; una onda es la va-
riación de ujo que se puede presentar en un cambio de
caudal o en la elevación de la supercie de agua, en cam-
bio la celeridad de onda indica la velocidad con la cual esa
variación se mueve a lo largo del canal [5].