La fabricación de turbinas hidráulicas en Cuba Por Emir Madruga Rodríguez* Factor esencial del desarrollo hidroenergético. |  |
Dentro de las fuentes renovables de energía, la hidroenergía ha ocupado a nivel internacional, tradicionalmente, un lugar preponderante desde tiempos remotos hasta nuestros días. Entre sus principales características sobresale el hecho de que se trata de una tecnología segura y eficiente que ha mantenido un desarrollo constante hasta los momentos actuales. En Cuba, en las zonas montañosas de las provincias orientales aún se conservan ruinas de asentamientos de colonos que demuestran que ya en el siglo XIX se utilizaba en nuestro país la energía hidráulica para mover despulpadoras de café, y molinos de granos entre otros usos. El aprovechamiento progresivo del potencial hidroenergético del país es una realidad en camino, cuya expresión más significativa lo constituyó el programa de las mini y microcentrales hidroeléctricas, con más de 200 instaladas hasta 1993. Estas obras son verdaderas soluciones energéticas de fondo en los lugares donde están enclavadas y han sido un factor decisivo en la recuperación socioeconómica de las montañas, dentro del impulso al Plan Turquino. Los estudios referentes a la valoración y consecuente utilización de esta fuente energética deberán continuar profundizándose. Ya hoy se conoce de la existencia de un potencial hidroenergético de unos 650 MW, equivalente a más de medio millón de toneladas de petróleo por año. Un poco de historia En 1978 se realizó una primera evaluación y se seleccionaron las mejores posibilidades hidroenergéticas identificadas en aquel momento. Dirigidas al aprovechamiento energético de las presas y embalses construidos por la voluntad hidráulica desarrollada por la Revolución, que en régimen subordinado a riego y abasto permitirían su uso a costos muy reducidos por ya estar construidas las costosas obras hidráulicas. La instrucción hidráulica en el ISPJAE y los cursos de postgrado impartidos contribuyeron a la formación de una cultura hidroenergética. También ayudaron las relaciones con la OLADE, a través de la cual se obtuvo información sobre el tema, incluyendo los manuales de diseño para una familia de turbinas de flujo cruzado, el diseño de uno de los modelos de dicha familia, asesoría y un donativo para la construcción del primer prototipo. Asimismo, muy temprano se logró la participación en cursos sobre el tema en Colombia, Brasil, China y Checoslovaquia por parte de ingenieros y especialistas de toda Cuba que trabajaban en la rama hidroenergética. Ya a principios de los años ochenta el país pudo contar con los manuales de diseño y con los elementos y criterios más utilizados en este tipo de obras, tales como los procedentes de países como Brasil, Perú, China, Checoslovaquia, etc., y de instituciones como la OLADE y la Nosaki de Japón, entre otras. Se contó también, desde luego, con los materiales clásicos sobre el tema, soviéticos, checoslovacos y norteamericanos. Todo eso se puso en manos de las empresas hidráulicas, las áreas energéticas y los expertos y colaboradores en todos los territorios. Desde 1982 el entonces Instituto de Hidroeconomía distribuyó en todas sus empresas de proyectos la Guía Metodológica sobre la Precisión del Inventario y los Estudios Preliminares para Mini y Microcentrales Hidroeléctricas, trabajo que ha sido enriquecido con la cultura desarrollada y las experiencias de más de 200 centrales construidas a lo largo de estos años. Al mismo tiempo, se comenzó a buscar apoyo para este empeño en el entonces campo socialista, con el propósito de llegar a construir en el país turbinas Francis para pequeñas centrales hidroeléctricas. En 1982 se comenzaron las negociaciones y el estudio de la factibilidad concreta de su producción en el Combinado Sidero-Mecánico «Fabric Aguilar», de Santa Clara (Planta Mecánica), gracias a las posibilidades brindadas por Checoslovaquia y en particular por la fábrica CDK Blansko, de reconocido prestigio a nivel mundial. Ya en 1983, por la vía de ONUDI-Viena se recibió la cooperación de dos especialistas de alto nivel y experiencia que por un período de ocho meses elaboraron, de conjunto con técnicos cubanos, un trabajo de normalización de las series de turbinas más recomendables para la explotación de nuestro potencial hidroenergético, a partir de los datos estadísticos del entonces Instituto de Hidroeconomía. La primera familia de turbinas de impulso se diseñó en Cuba en esa época, con el apoyo de los asesores y el trabajo de los especialistas cubanos en los talleres de Planta Mecánica y luego fueron homologadas con los modelos del instituto de Alma-Atá. Esta familia cubre el rango más característico de los requerimientos para el aprovechamiento hidroenergético en nuestras montañas, donde en su gran mayoría se presentan arroyos de pendiente abrupta y poco caudal. Completaba el rango de trabajo otra turbina de impulso que ya se había proyectado y fabricado en Cuba gracias a los esfuerzos de un grupo de especialistas y técnicos cubanos, entre los que estaban el profesor Pérez Franco del ISPJAE, los hermanos Guardado, de Cienfuegos, y un grupo de trabajadores de la empresa Cubana de Acero. También se habían construido otras turbinas de impulso tipo Pelton diseñadas fuera de la industria mecánica que ayudaron, en buena medida, al despegue inicial del programa antes del desarrollo de la producción mecánica industrial. Entre estas se pueden mencionar las desarrolladas por Jorge Pérez en Granma, Liborio Osorio en Mayarí, Rogers Fernández en Guantánamo y en el ITM. Como resultado de un trabajo de muchos años se logró contratar una licencia para la fabricación de turbinas Francis (F-30 H), adquirir dos pequeñas centrales hidroélectricas (PCHE) para construirlas cooperadamente y facilitar la capacitación y la transferencia de conocimientos a obreros y técnicos cubanos. Se adquirieron no sólo el topográfico (licencias) de la familia, sino los diseños completos para dos modelos horizontal y vertical (Carlos Manuel de Céspedes y Chambas), que cubren la gran mayoría de nuestras necesidades; y al fin, en 1988 se firmó la licencia que incluyó asistencia técnica y el entrenamiento al personal cubano. Adicionalmente, para el programa de mini y microcentrales, en mayo de 1985 se logró adquirir, a un precio sólo simbólico (lo que costó la reproducción), la documentación técnica para la producción de una turbina de flujo cruzado para microcentrales y de una turbina de propela simple para aprovechar algunas presas. Los productores de turbinas de Planta Mecánica también han recibido entrenamientos en fábricas de turbinas muy prestigiosas, han visitado a numerosos productores y han recibido valiosa asesoría técnica, fundamentalmente en Checoslovaquia, China, Corea, URSS y Albania. Además, se han realizado cursos y encuentros a todos los niveles con participación internacional de expertos, con los que se han realizado consultas e intercambios. En la medida de las posibilidades, que fueron bastantes en los años ochenta, se ha mantenido un nivel de información técnica muy actualizado sobre estas temáticas, tanto a los territorios como a los especialistas del Instituto Nacional de Recursos Hidráulicos (INRH) y la industria mecánica. En 1987, para el Segundo Fórum Nacional de Energía se publicó un manual cubano para mini, micro y pequeñas centrales hidroeléctricas, que recoge una buena cantidad de información técnica y económica sobre las diferentes especialidades que conforman el tema, así como los principales criterios estratégicos que lo sustentan. Cientos de ejemplares de este material fueron distribuidos en todo el país. Las turbinas de flujo cruzado, más simples que las de reacción, desarrolladas en Planta Mecánica según documentos y asesoría de OLADE y con documentación checoslovaca, permitieron desarrollar dos modelos complementarios para aprovechamiento con bajas cargas y mayores flujos, fundamentalmente para microcentrales. Las experiencias de muchos prototipos instalados, junto con su explotación, facilitaron su perfeccionamiento. Aunque ya poseemos un buen regulador electrónico, un trecho aún mayor queda en el desarrollo de reguladores hidráulicos y electrohidráulicos, sobre todo para las PCHE, camino ya iniciado a través de la adquisición de documentación y modelos aún no materializados. La importancia del desarrollo hidroenergético del país está en su mayoría vinculado, junto a su bajo impacto ambiental, a su estabilidad y autonomía, a sus ventajas operacionales y a su dispersión territorial, que en caso de necesidad permitiría mantener activadas numerosas instalaciones y zonas del país. El establecimiento de los criterios de diseño para las centrales hidroeléctricas y de selección del tipo de turbina idónea para cada aprovechamiento específico, ha sido un factor decisivo en el desarrollo hidroenergético del país. Por eso amerita que en el próximo número de esta revista se trate sobre este punto tan interesante e importante en la economía energética de Cuba. Turbinas hidráulicas El corazón tecnológico del aprovechamiento hidroenergético es la turbina hidráulica. Su diseño y fabricación son altamente especializados y 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. 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 equipamiento principal, muy costoso en el mercado internacional, de producción mecánica muy especializada, en lo cual 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 generales. 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 hidráulicamente a la máquina en cuestión (igual velocidad específica). Corte transversal de una turbina tipo Francis. La turbina tipo Francis tiene una entrada en espiral y unas aspas guías, de forma tal que el agua impulsa las paletas con una pérdida de energía mínima por efecto de la turbulencia. Los resultados de los ensayos de modelos registrados en nomogramas para las diferentes posibilidades de uso, en los que 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. 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 equipamiento 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 los que ganar 1 o 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, pluviosidad, 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 minihidroeléctrica; dimensiones y características de la curva de demanda de la carga eléctrica conectada, etcétera. • Criterios económicos. • Criterios extraenergéticos, tales como los referentes 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, etcétera. 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 o 30 años, para conocer el comportamiento a 20-30 años vista en los diferentes regímenes posibles de explotación energética, respetando el uso final del agua. Corte transversal de una turbina Pelton (de rueda). 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 dado. 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 climática y que por lo general los embalses se subordinan al riego o al abasto. 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 parámetro 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 a 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 microcentrales criterios que son válidos y necesarios para las centrales hidroeléctricas (CHE), es un error conceptual reconocido en muchos programas y experiencias de otros países. Las pequeñas centrales, las mini y las microcentrales utilizan en todo el mundo equipos normalizados producidos en serie, o producciones artesanales 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 seis 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. Corte tranversal de una turbina Kaplan (de hélice). 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 equipamiento, proyectos y servicios. Publicado en Energía y tú, Nos. 4 y 5, oct.-dic., 1998 y ene.-mar., 1999. * Ingeniero Metalúrgico. Vicepresidente de CUBASOLAR. e-mail: emir@cubaenergia.cu
Sifón A nadie se le ocurre pedir una bomba eléctrica para sacar gasolina desde el tanque de un auto. Casi siempre recurrimos a una simple manguerita, con la que succionamos el líquido contenido en el interior del tanque hacia otro recipiente ubicado en el exterior en un nivel inferior. En ese proceder radica el secreto de los sifones. El mismo principio se aplica para sacar el agua contenida en una pecera. |  |
En este caso bastará introducir en el agua uno de los extremos de una manguerita y succionar desde el otro extremo. Esto es posible porque el peso del agua dentro del tramo de la manguera entre el fondo y la parte superior de la pecera (bloque ligero) es menor que el peso del agua dentro del tramo desde la parte superior de la pecera y el recipiente exterior (bloque pesado). Los sifones resultan de mucha utilidad para el bombeo de agua por encima de una montaña u otra elevación, desde una fuente de abasto situada en una cota superior hasta otra inferior, sin utilizar combustible.