Esta nota técnica trata sobre la medida de caudal en aprovechamientos hidroeléctricos y aplicación al caso de pequeñas centrales, con el fin último de determinar el caudal a equipar en la central. Su interés se centra en la dificultad de determinar este valor junto, que junto con el salto determinan las características básicas de un aprovechamiento, si bien, el primero es mucho más crítico para la optimización económica del futuro proyecto y mucho más laborioso de determinar.
ASPECTOS CLAVE
En general, la correcta evaluación del recurso hídrico es fundamental para garantizar la viabilidad del proyecto hidroeléctrico, pero…
- Normalmente la mayor carencia de los proyectos que se identifican es la falta de información hidrológica (caudales) suficiente.
- Para la evaluación de proyectos hidráulicos es necesario disponer de aforos numerosos y durante un largo periodo para poder confeccionar con garantías la curva de caudales clasificados.
- Se debe pensar siempre en establecer un punto de medida de caudal en el río lo antes posible para alimentar el estudio hidrológico durante las fases de desarrollo hasta la decisión de invertir.
- Las medidas de caudal se deben realizar más intensamente en periodo seco y medio y menos en aguas altas, ya que el caudal ecológico y el caudal firme se determinan con la parte de la curva de duración (caudales clasificados) de valor menor.
- Se debe medir periódicamente el caudal sólido de arenas y finos, y determinar su naturaleza, así como la calidad del agua, debido al impacto de estos factores en el desgaste de los rodetes y la disponibilidad de la planta.
- En determinados casos, las pérdidas que se producen en las infraestructuras de toma (evaporación en embalses) y conducción (fugas en la conducción) tienen un apreciable impacto negativo, por lo que se requiere un Estudio de pérdidas.
REALIZACIÓN DE AFOROS
La forma de realización de aforos depende principalmente de la magnitud del caudal a medir y si se trata de un cauce natural o de un canal/tubería.
Estaciones de aforo fijas
Estas estaciones sólo se justifican en grandes proyectos, que no es el objeto de esta nota, por lo que únicamente se muestran a modo ilustrativo, las instalaciones de sendas estaciones de aforo, que consisten básicamente en un tramo de canal, un pozo de pedida y una caseta para el equipo electrónico de medida.
Puntos de aforo temporales.
El establecimiento de puntos de aforo temporales, es el modo más habitual de proceder en pequeños y medianos aprovechamientos hidráulicos de cauces fluviales.
El registro de datos se basa en una combinación de medidas periódicas de la velocidad del agua a lo largo de una sección de un río (aforo directo), completándose con la lectura diaria del nivel mediante una escala. Del nivel de agua se obtiene el caudal de manera indirecta.
Para establecer el punto de medida se pueden aprovechar infraestructuras próximas al punto de aprovechamiento como puentes, que facilitan la labor.
Los aforos directos suelen utilizar un molinillo para la medida de la velocidad, aunque existen otras técnicas y dispositivos electrónicos.
Aforo mediante molinillo
La distribución de velocidades en un río en diferentes puntos de su sección trasversal se muestra en la figura siguiente:
Fuente: http://galeon.com/elregante2/aforo.html
Lo primero que se requiere es conocer la geometría de la sección, para lo que es necesario un perfil transversal del río, que normalmente se obtiene por métodos topográficos.
Fuente: http://galeon.com/elregante2/aforo.html
El perfil del río se divide en bandas de ancho uniforme según la profundidad y la precisión buscada en la medida:
Fuente: http://galeon.com/elregante2/aforo.html
Con dispositivos tipo molinillo, en sus diferentes tipos, se realiza la medida de la velocidad en cada franja, a una o dos profundidades según la profundidad:
Fuente: http://galeon.com/elregante2/aforo.html
Con las velocidades obtenidas, además del ancho y profundidad de las bandas, se cumplimenta un estadillo que permite calcular el caudal:
Fuente: http://galeon.com/elregante2/aforo.html
Aforo de pequeños caudales
Cuando se trata de micro-centrales hidráulicas, en que se aprovechan pequeños caudales a pie de una presa o conducciones existentes de agua, previo a la llegada a un depósito, normalmente el caudal a aforar nos llega en una tubería.
El aforo en tuberías se puede realizar mediante equipos electrónicos basados como veremos, pero también se puede realizar directamente, midiendo el tiempo que requiere en llenarse un cierto volumen conocido, pudiendo ser este un método suficientemente preciso en la mayoría de los casos.
Muchas veces el volumen conocido puede ser el tanque o depósito al que llega la conducción, para lo cual se puede realizar un vaciado parcial del mismo.
En los casos en que la tubería corresponde a una descarga de una presa, se puede tratar de verter en un bidón para su aforo. Otra posibilidad es verterla en un cajón que disponga de un aforador tipo vertedero, como los que se verán más adelante.
Medida directa mediante cronometro
Cuando se pueda utilizar un depósito existente para medir el volumen de agua o se pueda verter el caudal en un bidón (solo en caso de caudales menores de 10 l/s), se podrá realizar un aforo directo.
Dado que normalmente es necesario tomar más de una medida, ya sea para reducir el error de medición, o para conocer el rango de caudales a turbinar, se pueden recoger los datos en un estadillo al efecto:
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Fecha |
Hora |
Altura inicial [m] |
Altura final [m] |
Volumen [litros] |
Caudal [l/s] |
Observaciones |
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En el reverso de la hoja se puede hacer un croquis con las dimensiones para calcular el volumen y poder chequearlo si es necesario.
Con este método hay que ser cuidadoso con la medida del volumen, y la medida debe durar un mínimo de 10 segundos para que el error debido al tiempo será siempre inferior al 10%. Veamos los errores posibles y el error final con un ejemplo:
Este método debe ser considerado siempre en primera opción en el caso de caudales en tubería, ya que puede ser rápido de poner en marcha y económico. En caso de no ser viable se recurrirá a otros de los métodos expuestos.
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Ejemplo:
Supongamos que vamos a medir un caudal de 8 l/s con un bidón de 200 litros de capacidad, que tiene un diámetro de 50 cm y una altura de 1 m. (lógicamente desconocemos el caudal a medir y las dimensiones exactas del bidón)
Si medimos durante 15 segundos, se recogerán unos 120 litros, el error en el cronometro puede ser de 1 segundo, es decir un 6,7% de error en la medida del tiempo.
Al medir el barril (desconocemos sus dimensiones) podemos cometer un error de 1 cm en el diámetro, es decir, un 2%.
Al medir, la altura de agua recogida (unos 60 cm) cometemos un error de 2 cm, es decir, un 3,3%.
El error máximo resultante total es:
Error = 1,067 x 1,02 x 1,033 = 1,12 -> 12%
Es decir, si todos los errores fuesen del mismo signo (caso más desfavorable) podríamos llegar a medir 9 l/s en vez de los 8 reales.
La media de las dos lecturas (haciendo una segunda medida a continuación con el mismo procedimiento) permite reducir el error de estimación del caudal sensiblemente.
Una tercera lectura consecutiva solo puede tener como objeto la eliminación de una de las anteriores si fuesen muy diferentes.
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Medidor ultrasónico fijo
Una posibilidad es instalar un medidor de caudal ultrasónico aguas arriba del punto en que se quiere aprovechar el caudal, teniendo así una medida de caudal para la explotación del sistema que puede ser de interés para el cliente. Este aforador no es más que un carrete de tubería del mismo diámetro, que lleva insertados los sensores, además de la unidad electrónica que recibe y procesa la medida.
En el mercado también hay medidores similares basados en la tecnología electromagnética.
Medidor ultrasónico portátil
En el mercado existen equipos portátiles que permiten la medida de caudales en tubería.
Fuente: http://www.lanasarrate.es/files/20100622162703_8629_76537bd5-760d-4a92-b6a8-7ad48ea9ad0e.pdf
Medida mediante vertederos de pared delgada
En determinadas situaciones es posible verter el caudal en un cajón, zanja o similar cuya única salida es un vertedero recortado en una chapa que cierra un extremo.
El vertedero puede tener geometría triangular (o Thompson, cuando θ=90º, siendo, tan θ/2 = 1) para caudales hasta 25 l/s (correspondientes a una altura h = 20 cm) o rectangular para caudales fácilmente por encima de 100 l/s.
Fuente: http://galeon.com/elregante2/aforo.html
Donde Q es el caudal en m³/s y h es la altura medida a una cierta distancia del vertedero, medida en metros.
Fuente: http://galeon.com/elregante2/aforo.html
Obteniéndose el caudal del ábaco siguiente, o a través de una compleja fórmula que se puede encontrar en la bibliografía.
Fuente: Manual General URALITA. Tomo II. Ed. PARANINFO. 1987.
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Ejemplo:
Con un vertedero rectangular de 60 cm de ancho (b) y una altura de vertido h = 20 cm, se alcanza un caudal de 100 l/s.
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Otros métodos de aforo
Colorantes o método de la dilución
Consiste en verter en la corriente (normalmente cauces) una cantidad de colorante muy intenso y medir el tiempo en que recorre aguas abajo una distancia conocida. Se mide el tiempo que tarda el primer colorante y el último en llegar al punto de medición aguas abajo, y se utiliza la media de los dos tiempos para calcular la velocidad media.
Como alternativa se utilizan productos químicos o radioisótopos; se conoce como el método de la dilución. Una solución del indicador de densidad conocida se añade a la corriente a un ritmo constante medido y se toman muestras en puntos situados aguas abajo. La concentración de la muestra tomada aguas abajo se puede comparar con la concentración del indicador añadido y la dilución es una función del caudal, la cual es posible calcular.
Dispositivo Venturi
Se utiliza en aforo de tuberías, es muy exacto pero requiere sustituir un tramo de la misma por el Venturi, que aprovecha el efecto del mismo nombre y que esquemáticamente consiste en medir la altura entre dos niveles de agua (h) de dos puntos del dispositivo.
Fuente: http://www.fullmecanica.com/definiciones/t/1009-tubo-de-venturi
Consideraciones sobre el aforo de pequeños caudales
En pequeños aprovechamientos no hay que perder de vista los siguientes aspectos relativos a la medida del caudal:
- Si el caudal es variable habrá que hacer las medidas suficientes para caracterizarlo a lo largo de un año tipo. No quiere decir que haya que medir durante un año, aunque en el peor de los casos así tendría que ser.
- El caudal realmente más importante es el más frecuente (el que se repite) y después el mínimo. El caudal máximo es normalmente poco o nada importante.
- Hay que averiguar cuál es el patrón de variación del caudal, si es que lo hay. Lo normal es que el caudal varíe con la estación. Si se dispone de uno o varios caudales de estío, se sabrá aproximadamente el caudal mínimo a turbinar.
- Si el caudal es irregular a lo largo de los días, sin un patrón de variación claro, se puede hacer unas cuantas medidas a lo largo de una semana en diferentes horas para tener un rango de caudales, entre ellos un mínimo garantizado.
- Es importante que el riesgo derivado de conocimiento del caudal, ya que puede llegar a suponer un error apreciable en las estimaciones de producción.
- Por otro lado, aunque se lance el proyecto basando su viabilidad en unos pocos registros de mediciones de caudal, si hay dudas razonables sobre el caudal óptimo del equipo, se debería seguir midiendo mientras haya margen de tiempo para fabricación del equipo.
- En principio, dado el elevado coste de equipo y para no sobredimensionar el equipo por error, hay que considerar un caudal de diseño igual mínimo disponible, sobre todo si la turbina se monta en paralelo con la tubería existente.
- Si a la vista de los datos de caudal recogidos, existe duda sobre el caudal de la turbina a instalar, conviene realizar un estudio de optimización, si bien éste requiere de una suficiente caracterización del caudal (Curva de duración o de caudales clasificados) para producir resultados fiables.
MAS INFORMACIÓN EN
[1] http://galeon.com/elregante2/aforo.html
[2] Manual General URALITA. Tomo II. Ed. PARANINFO. Madrid, 1987.