INSTITUTO COSTARRICENSE DE ELECTRICIDAD Plantas ...Más de un 80% de la electricidad que el ICE ofrece a los costarricenses pro-viene de los ríos, este esfuerzo aunado a otros en

INSTITUTO COSTARRICENSE DE ELECTRICIDAD

Plantas Hidroeléctricas

Presentación

Más de un 80% de la electricidad queel ICE ofrece a los costarricenses pro-viene de los ríos, este esfuerzo aunadoa otros en el campo de la producciónde energía geotérmica, eólica y térmi-ca le permiten a Costa Rica ser uno delos primeros países en cobertura eléc-trica en Latinoamérica.

De esta forma nos identificamos ycomprometemos con la protección delambiente, haciendo uso eficiente delos recursos naturales para llevar pro-greso y bienestar hasta los rinconesmás alejados del país.

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¿Qué es una planta hidroeléctrica?

Una planta hidroeléctrica es la que aprovecha la energía hidráulica, obtenida a partir delagua en movimiento, para producir energía eléctrica.

Inicialmente el agua se almacena en un embalse, donde tiene energía potencial; luego in-gresa a las obras de conducción donde se convierte en energía hidráulica; posteriormentese hace llegar a las turbinas para que con su empuje, estas comiencen a girar. La energíamecánica producida por las turbinas es utilizada por los generadores para producir ener-gía eléctrica.

Ésta se envía a la subestación elevadora cercana a la planta para que se eleve la tensión ovoltaje, de modo que la corriente eléctrica pueda llegar hasta los centros de consumo consuficiente calidad. El proceso es regulado desde la sala de control.

Las partes que constituyen una planta hidroeléctrica son:

Fuente de abastecimientoObras de conducciónCasa de máquinasSubestación

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I. Fuente de abastecimiento

Es la que suministra el caudal necesarioque requieren las turbinas para realizar elproceso de generación. La fuente estáconstituida por uno o varios ríos que apor-tan sus aguas a un embalse, el cual es muyimportante para que el abastecimiento deagua no se vea afectado por las variacio-nes de caudal en el o los ríos.

El embalse puede estar en el cauce del ríoprincipal o en un sitio alejado de éste. Pa-ra formar el embalse es necesario realizaruna serie de estudios cuyo objetivo es de-finir un sitio en particular del río donde seconstruya la represa (o presa, como se ledice abreviadamente). La presa es una pa-red que cierra una depresión geográficaatravesada por el río para originar el em-balse, ya sea frente a ella o en un sitio ale-jado del río.

Para construir la represa se debe desviar elrío aguas arriba del sitio donde la mismase levantará; para este fin es necesarioconstruir un túnel de desvío, el cual fun-ciona mientras se construye la represa. Pa-ra definir el nivel máximo del embalse, lapresa puede ser del tipo gravedad verte-dora, cuya cresta permite el paso del aguasobre ella, de modo que al llegar el agua asu máximo nivel, el excedente vierte sobrela cresta y sigue su recorrido aguas abajoen el río.

Si la represa no es de este tipo se debecontar con una estructura llamada verte-dor, la cual descarga el exceso de aguaaportada por la cuenca hidrográfica al em-balse. El vertedor puede estar dentro dela estructura de la represa o en un sitiocercano a ésta.

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II. Obras de conducción

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Son las que permiten el traslado del aguadesde el río o el embalse hasta la casa demáquinas. Normalmente están constituidaspor el túnel y la tubería de presión; en algu-nos casos se incluye uno o varios canales,generalmente localizados entre el río y elembalse. Si las aguas arrastran materialerosionado de los suelos, la conducción de-be incluir desarenador y desgravador paraprocurar que el agua que llega a las turbi-nas lleve un mínimo de estos materiales yasí evitar el desgaste acelerado de las turbi-nas y el bloqueo constante de los filtros deéstas.

Canal: Es una obra de conducción “a cieloabierto” (en la superficie). Generalmentese ubica en la zona comprendida entre elrío y el embalse.

Túnel: Es un tramo de conducción, usual-mente de gran longitud, ubicado dentro deuna montaña. Si se inicia en una de las pa-redes del embalse, la entrada está constitui-da por la toma de aguas, en cuyo frenteexiste un enrejado para impedir que obje-tos voluminosos y restos de árboles y anima-les ingresen al túnel. En el extremo poste-rior, la toma de aguas cuenta con una com-puerta de acceso que permite o impide elingreso del agua al túnel.

Tubería de Presión (Tubería Forzada): Es elextremo de la conducción; se llama así por-que al ubicarse en la parte inferior de laconducción soporta la gran presión delagua en su recorrido final hacia las turbinas.En su inicio suele incluir una válvula tipo“mariposa” para suspender el paso delagua si existe algún problema en la conduc-ción, ya sea en el túnel o en la tubería depresión. La tubería se divide en tantas ra-mificaciones como turbinas haya en la casade máquinas. Cada ramificación de la tube-ría de presión remata dentro de la casa demáquinas en su respectiva válvula esféricade admisión, la cual permite o impide queel agua llegue a la turbina respectiva.

Tanque de Oscilación: Es una estructura deprotección de las obras hidráulicas, vale de-cir, el túnel, la tubería de presión y las turbi-nas. Generalmente se ubica entre el túnel yla tubería de presión. En él se cumple el

principio hidráulico de los vasos comunican-tes, ya que el agua recupera dentro del mis-mo el nivel que hay en el embalse cuando secierran las válvulas de admisión de las turbi-nas. El tanque cumple tres funciones de mu-cha importancia:

• Permite el escape del aire que se retieneen el túnel al finalizar la construcción deéste; con ello impide que el agua arrastreuna masa de aire que, si llegase a las tur-binas, las destruiría.

• Cuando las válvulas se cierran por algúnmotivo, el agua que se acumula en el tan-que de oscilación amortigua la onda dechoque llamada golpe de ariete, que sepropaga de las válvulas de admisión hastael túnel y lo podría dañar de no existir esagran masa de agua en el tanque para di-sipar dicha energía.

• Suministra suficiente caudal de aguacuando se abren las válvulas de admisiónde las turbinas mientras llega el caudal re-querido que aporta el embalse, para quela tubería de presión siempre tenga unapresión interna superior mayor que la at-mosférica, de modo que ésta no aplaste ala tubería.

Turbina Kaplan

Turbina Pelton

Turbina Francis

III. Casa de Máquinas

Es el edificio donde se realiza el procesode conversión de energía hidráulica eneléctrica. Consta de varios elementos bási-cos, entre los cuales se encuentran las vál-vulas esféricas de admisión, las unidadesturbogeneradoras, la sala de control, losequipos auxiliares y otras obras menores,como oficinas, grúa viajera, bodega, taller,entre otros.

Unidades turbogeneradoras

Las unidades turbogeneradoras estánconstituidas cada una por una turbina y ungenerador.

La turbina hidráulica es el elemento mecá-nico que funciona impulsado por el agua.Las turbinas hidráulicas pueden ser de trestipos:

• Pelton: Son ruedas de impulso que seemplean cuando la caída es grande y elcaudal pequeño, como en el caso de laplanta Río Macho. Usualmente son deeje horizontal.

• Francis: se le llama también turbina dereacción, de remolino o de vórtice; seemplean en caídas medianas y con cau-dales también medianos, como en la ma-yoría de plantas hidroeléctricas de CostaRica: La Garita, Cachí, Arenal, MiguelDengo (Corobicí), Toros, Angostura, et-cétera. Usualmente son de eje vertical.

• Kaplan: Son turbinas Francis modifica-das para caídas muy pequeñas, general-mente inferiores a 50 metros, y cauda-les muy grandes; son de eje vertical. Laúnica planta en Costa Rica que empleaeste tipo de turbina es la Planta Hidroe-léctrica Sandillal.

Una vez que el agua hace girar la turbinacae a una cámara, de la cual se toma partedel agua ahí presente para elenfriamiento de los equipos degeneración; luego toda el agua libre esenviada al río a través del canal dedesfogue, llamado también canal derestitución.

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T i p o s d e t u r b i n a s

Generador o Alternador

Es la máquina que transforma la energía me-cánica en eléctrica. Debido a que producecorriente alterna, también se le llama alter-nador. Está constituido básicamente por doselementos: uno externo y estático, llamadoprecisamente estator por esta razón y el otrointerno que gira (rota) dentro de aquél, porlo que recibe el nombre de rotor.

Tanto el estator como el rotor están consti-tuidos por una gran cantidad de bobinas,las cuales son arrollados de cobre. Estas bo-binas tienen la facultad de concentrar po-derosos campos electromagnéticos a su al-rededor, lo cual es indispensable para la ge-neración de electricidad.

Funcionamiento del generador:

Existe un fenómeno eléctrico llamado in-ducción electromagnética, el cual estableceque si un conductor eléctrico se halla some-tido al efecto de un campo magnético yuno de los dos se pone en rotación, entrelos extremos de dicho conductor se estable-ce una diferencia de potencial, lo cual creaun flujo de electrones, vale decir, una co-rriente eléctrica.

Para iniciar el proceso de generación, el ro-tor es alimentado con corriente directa (cd)o continua (cc); las bobinas del rotor creanentonces un poderoso campo electromag-nético entre el rotor y el estator. Eléctrica-mente al rotor se le llama inductor. El efec-to del campo electromagnético se propagaal estator, por lo que a éste se le conoceeléctricamente como inducido. Cuando elrotor gira impulsado por su respectiva tur-bina se rompe el campo electromagnético yel estator actúa como el extremo del con-ductor, originándose la electricidad, la cualpasa por las barras de salida y es enviada altransformador de potencia, ubicado en lasubestación elevadora cercana a la casa demáquinas.

Subestación Elevadora:

Los alternadores de la casa de máquinasproducen la electricidad a relativamentebaja tensión, 13 800 voltios, lo cual hace im-posible que ésta llegue hasta los centros deconsumo con suficiente calidad. Es necesa-

rio entonces que la electricidad aumente sutensión, para lo cual se requiere la subesta-ción elevadora. En ésta se halla una seriede equipos para tal efecto:

• Transformadores de potencia: Se usan pa-ra elevar la tensión, de 13 800 a 138 000o a 230 000 voltios.

• Disyuntores: Sirven para interrumpir el pa-so de electricidad hacia el Sistema Nacio-nal Interconectado.

• Seccionadores: Se emplean para interrum-pir el paso de electricidad hacia una direc-ción o área de consumo en particular.

• Transformadores de medición de corrien-te y voltaje.

• Aisladores de paso: Sostienen las partesenergizadas y aíslan los cables de uniónentre los distintos equipos.

• Pararrayos: Se emplean para proteger losequipos contra las descargas atmosféricas(rayos).

• Malla a tierra: Es un enrejado situado apoca profundidad que permite la descar-ga de voltajes inducidos en las estructurasde la subestación.

• Hilos-guarda: Es una malla aérea de pro-tección para evitar la caída de las descar-gas atmosféricas directamente sobre losequipos de la subestación.

Sala de Control

Es el sitio desde el cual los operadores de laplanta controlan todo el proceso de gene-ración. La sala de control cuenta con los si-guientes equipos y sistemas:

• Pupitres de mando: Permiten el manejode cada unidad turbogeneradora en for-ma independiente.

• Tableros indicadores: Permiten la lectura yel registro de las variables eléctricas du-rante la operación de cada unidad.

• Alarmas y protecciones.• Sistemas de comunicación: Central telefóni-

ca, líneas telefónicas directas para enlacecon el Centro de Control, sistema de radio,intercomunicadores y máquina de fax.

• Tableros de mano: Para la operación de lasubestación elevadora.

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Además, en la Casa de Máquinas se hallan:

Equipos auxiliares, como bombas de aguapara el enfriamiento de los alternadores,bombas lubricantes, extintores; un bancode baterías para la autoalimentación eléc-trica en caso de que las unidades esténfuera de servicio y vayan a entrar en ope-ración, grúa viajera, montada internamen-te en la parte alta del edificio, utilizadapara montar y desmontar las unidades du-rante los períodos de mantenimiento delas unidades; taller mecánico y eléctrico ybodega.

Recorrido de la electricidad hasta elmedidor del cliente

La electricidad que sale del alternador se-gún se explicó antes, en primera instanciallega al transformador de potencia, ésteeleva la tensión o voltaje para que sea en-viada luego hasta los centros de consumocon suficiente calidad. Cerca de éstos sehalla la subestación reductora, la

cual incluye los transformadores cuya fun-ción es bajar la tensión a la requerida pa-ra la distribución primaria; ésta se lleva acabo en cables de posición horizontal so-bre los postes en las ciudades y comunida-des.

A continuación la electricidad pasa altransformador de distribución, que reduceaún más la tensión para ajustarla a la dis-tribución secundaria, que se realiza en ca-bles de posición vertical, a cuyo conjuntose le llama popularmente pentagrama, elcual también es soportado por los postesde distribución pero a un nivel inferiorque el de la red primaria.

Finalmente se halla la acometida, que es elconjunto de cables eléctricos que llevan laelectricidad del pentagrama al medidoreléctrico, a la entrada de la instalación delcliente.

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PLANTAS HIDROELECTRICAS DEL ICE

A continuación se presenta un resumen decada una de las plantas hidroeléctricas delInstituto Costarricense de Electricidad:

1- La Garita

Ubicación: 5km al sur de Cebadilla, en losdistritos de La Garita y Turrúcares, cantóncentral de la provincia de Alajuela.

Fuente de abastecimiento: Ríos Grande de SanRamón (unidades 1 y 2) y Virilla (unidades 3 y 4).

Turbinas: 1 y 2. tipo Francis, de eje vertical. Girana 514 r.p.m.; consumen 14,3 m3/s cada una.

3 y 4. tipo Francis, de eje vertical. Giran a400 r.p.m.; consumen 25,5 m3/s cada una.

Alternadores: 1 y 2: Potencia: 18 680kW cadauno; voltaje: 13 800 volts. 3 y 4. Potencia: 48690kW cada uno; voltaje: 13 800 volts.

Potencia total: 134 740kW.

Fecha de entrada en operación: 28 de abril de1958.

Nota: la fase constructiva para la ampliaciónde la Planta La Garita se conoció comoProyecto Hidroeléctrico Ventanas-Garita.

2- Río Macho

Ubicación: 6km. al este de Orosi, cantón deParaíso, provincia de Cartago.

Fuente de abastecimiento: Ríos Macho, Grandede Tapantí, Porras, Humo, Villegas y Pejibaye.

Turbinas: 8 tipo Pelton de eje horizontal. Gi-ran a 450 r.p.m.; consumen 4,37 m3/s cadauna (unidades 1 y 2) y 4,46 m3/s cada una(unidades 3, 4 y 5).

Alternadores 1 y 2. Potencia: 15 000kW cadauno; voltaje: 13 800 volts. 3, 4 y 5. Potencia:30 000kW cada uno; voltaje: 13 800 volts.


Fecha de entrada en operación: 1° de junio de1963.

Nota: la fase constructiva para la ampliaciónde la Planta Río Macho se conoció como Pro-yecto Hidroeléctrico Tapantí, con el cual se in-cluyeron las unidades N° 3 y 4 en 1972; poste-riormente se instaló la quinta unidad en1978; no obstante, esta ampliación no fueparte del Proyecto Hidroeléctrico Tapantí.

LA GARITA

RIO MACHO

CACHÍ ARENAL

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3- Cachí

Ubicación: 4km. al sur de Juan Viñas, cantónde Jiménez, provincia de Cartago.

Fuente abastecimiento: Río Reventazón.

Turbinas: 3 tipo Francis de eje vertical. Girana 514 r.p.m.; consumen 17,75 m3/s cadauna.

Alternadores: 1 y 2. Potencia: 32 000kW cadauno; voltaje: 13 800 volts. 3. Potencia: 36800kW cada uno; voltaje: 13 800 volts.


Fecha de entrada en operación: 7 de mayo de1966.

4- Arenal

Ubicación: 3,3km. al oeste de la ciudad deTilarán, provincia de Guanacaste.

Fuente de abastecimiento: Embalse Arenal,represamiento del río homónimo y sustributarios principales: Aguas Gatas, CañoNegro y Chiquito.

Turbinas: 3 tipo Francis de eje vertical. Giran a360 r.p.m.; consumen 31,61 m3/s. cada una.

Alternadores: 3. Potencia: 52 466,25kW cadauno; voltaje: 13 800 volts.

Potencia total: 157 398,75kW.

Fecha de entrada en operación: 9 de diciembrede 1979.

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5- Ing. Miguel Pablo Dengo Benavides (Corobicí)

Ubicación: 4,5km. al norte de la ciudad deCañas, Guanacaste.

Fuente de abastecimiento: Embalse SantaRosa, contiguo a la casa de máquinasArenal. Esta planta utiliza las aguas delEmbalse Arenal en cascada por segunda vez.

Turbinas: 3 tipo Francis de eje vertical. Girana 360 r.p.m.; consumen 32,5 m3/s. cada una.

Alternadores: 3. Potencia: 58 004kW cadauno; voltaje: 13 800 volts.


Fecha de entrada en operación: 20 de marzode 1982.

6- Alberto Echandi

Ubicación: Bajo Cambronero, 23km alsuroeste de la ciudad de San Ramón, en laprovincia de Alajuela.

Fuente de abastecimiento: Río Barranca.

Turbinas: 1 tipo Francis de eje horizontal.Gira a 1 200 r.p.m.; consume 2,32 m3/s.

Alternador: 1. Potencia: 4 696kW; voltaje:4 180 volts.


Fecha de entrada en operación: 5 de marzo de1990.


ING. MIGUEL PABLO DENGO BENAVIDES

ALBERTO ECHANDI

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SANDILLAL TORO I


7- Sandillal

Ubicación: 4,5km. al noroeste de la ciudad deCañas, Guanacaste.

Fuente de abastecimiento: Embalse Sandillal,1 km. aguas abajo de la casa de máquinasMiguel Pablo Dengo. Esta planta utiliza lasaguas del Embalse Arenal en cascada portercera vez.

Turbinas: 2 tipo Kaplan de eje vertical. Girana 300 r.p.m.; consumen 50 m3/s. cada una.



Fecha de entrada en operación: 10 denoviembre de 1992.

8- Toro I

Ubicación: 8km. al noreste de la poblaciónde Bajos del Toro, de Sarchí, cantón deValverde Vega, provincia de Alajuela.

Fuente de abastecimiento: Río Toro.




Fecha de entrada en operación: 20 de

setiembre de 1995.

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9- Toro II

Ubicación: 10km al sur de la población deMarsella de Venecia, cantón de San Carlos,provincia de Alajuela.

Fuente de abastecimiento: Río Toro.


Alternadores: 2. Potencia: 32 868kW cadauno; voltaje: 13 800 volts.Potencia total: 65 736kW.

Fecha de entrada en operación: 30 de agostode 1996.

10- Angostura

Ubicación: Bajo San Lucas, 14km. al este deTurrialba, provincia de Cartago.

Fuente de abastecimiento: Río Reventazón.

Turbinas: 3 tipo Francis de eje vertical. Girana 300 r.p.m.; consumen 54m3/s. cada una.



Fecha de entrada en operación: 17 de octubredel 2000.

TORO II

ANGOSTURA

PEÑAS BLANCAS

12- Peñas Blancas

Ubicación: 1km. al oeste de la población deSan Isidro de Peñas Blancas, cantón de SanRamón, provincia de Alajuela.

Fuente de abastecimiento: Río Peñas Blancas.

Turbinas: 2 tipo Francis de eje vertical. Girana 514 r.p.m.; consumen 16,5m3/s. cada una.

Alternadores: 2. Potencia: 18 870kW cadauno; voltaje: 13 800 volts.


Fecha de entrada en operación: 21 de agostodel 2002.


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1. Fuente (río)2. Embalse3. Presa y vertedores4. Toma de aguas5. Túnel de conducción6. Tanque de oscilación7. Tubería de presión8. Casa de máquinas

a. Válvula esférica de admisiónb. Tuberíac. Generador o alternadord. Sala de controle. Equipos auxiliaresf. Grúa viajerag. Canal de desfogue

Unidadturbogeneradora

EsquemaPlantas

Hidroeléctricas

Turbina Francis

Turbina Pelton

Turbina Kaplan

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