Tomada d`água: A função do sistema de

Tomada d’água: A função
do sistema de entrada é
conduzir a água de uma
fonte como um rio ou
reservatório para dentro
do conduto forçado
(penstock) que é a
tubulação que a conduz
sob pressão à turbina.
São projetados para
proporcionar
uma
eficiência
hidráulica
máxima.
Grade de proteção (Trash racks)
A função da grade de proteção é evitar a
entrada de detritos, folhas e lixo para evitar
danos nas turbinas. Normalmente, o trash rack
é uma tela composta por várias barras de aço
paralelas, preferencialmente na vertical,
localizada na entrada da tomada de água.
Limpa-grades - Trash rake: o removedor de detritos
que se acumulam na grade de proteção. Os detritos
acumulados provocam perda de carga. Os
dispositivos variam em tamanho para acomodar a
variedade de tamanho dos detritos e variam também
no nível de automação do mecanismo, manual, semiautomático e automáticos.
Os detritos podem ser tão grandes como troncos de árvores
Sistema de monitoramento: sua função é
medir a perda de carga diferencial através do
trash rack. O monitoramento é necessário para
programar as operações de limpeza ou
implementação de melhorias no sistema.
Obtenção de imagem por ROV-Remotely Operated Vehicle,
imagem de trash rack
Imagem de sonar do trash rack.
Estruturas da tomada d’água: são normalmente construídas na própria
estrutura da barragem imediatamente adjacentes ao conduto forçado. Outro
projeto comum é na forma de torres de entrada, que são estruturas
separadas no reservatório, normalmente construídas em concreto reforçado.
Normalmente as estruturas comportam: grades de proteção que previnem a
entrada de detritos e gelo; comportas e válvulas para controlar o fluxo de
água para permitir operações de manutenção.
Blue Ridge Dam, Fannin
County, Georgia
Hoover Dam, Clark County,
Nevada/Mohave County, Arizona
Comporta de serviço: a comporta de
entrada é construída para parar o
fluxo de água quando o sistema de
condução de água às turbinas precisa
ser esvaziado.
Tubos
de
ventilação:
são
incorporados à estrutura de entrada
para prevenir o colapso do penstock
devido ao vácuo excessivo provocado
quando a comporta de entrada fecha.
Máquinas de elevação: máquinas
operadas de forma mecânica,
hidráulica ou pneumaticamente para
elevar e baixar os componentes
pesados como a comporta de entrada
e os stop logs.
Medição, monitoramento e análise:
As medições podem ser feitas em tempo real ou em intervalos (horas, dias,semanas...)
dependendo das condições da instalação.
A perda de potência evitável associada a ΔHN
PN  0,85  QN    H N  H NR 
 m3  N 
  3 m   W 
 s  m 
ΔHN = Perda de carga através da grade[m]
ΔHNR = Perda de carga de referência através da grade[m]
QN = vazão em volume [m3/s]
Ɣ = Peso específico da água = 9810 N/m3.
0,85 = fator de redução para incluir a eficiência da turbina acoplada ao gerador.
O valor de referência é obtido quando o equipamento está no estado original (limpo).
Exemplo:
Uma usina hidroelétrica hipotética tem uma grade de proteção de aço que está
ficando obstruída com o decorrer do tempo. As propriedades hidráulicas do trash
rack são as seguintes:
Perda de carga através da grade obstruída = 1,20 m
Perda de carga através da grade limpa
= 0,15 m
Vazão em volume média através da grade = 22,65 m3/s
A perda de potência evitável é calculada como:
PN  0,85  QN    H N  H NR   0,85  22,65  9810  1,2  0,15  198.310W
PN  0,198MW
Segundo a CMU - Comercializadora de Energia*, o custo médio do MWh em 2015
será de R$ 147,00. Assumindo que a usina hidroelétrica produz eletricidade em
75% do tempo, o valor de mercado da perda de potência é:
R$147,00
h
R$191.226,42
0,75  0,198MW 
 8760

MWh
ano
ano
Esta análise indica uma perda de venda de energia significante no período
estudado.
* http://www.cmuenergia.com.br/noticias_ler.php?id=247
Guia de melhores práticas para tomada d’água e grade de proteção:
Desempenho/Eficiência e Capacidade:
•1- Monitorar rotineiramente e registrar o Nível de Desempenho Atual - NDA da
unidade.
•2 – Periodicamente comparar o Nível de Desempenho Atual com o Nível de
Desempenho Potencial – NDP, para verificar possibilidade de melhorias.
•3 – Monitorar e registrar a perda de carga diferencial através da grade de proteção.
Confiabilidade/Operação e Manutenção:
•1 – Inspecionar rotineiramente as grades, comportas de entrada e componentes
associados buscando sinais de degradação.
•2 – Acompanhar os danos a estes componentes e projetar a expectativa de vida
útil.
•3 – Limpar rotineiramente as grades a partir de inspeção visual, intervalos
programados ou pela monitoração da perda de carga diferencial.
•4 – Inspecionar e manter os sistemas de limpeza das grades.
•5 – Manter documentado o Nível de Desempenho Potencial, NDP e atualizá-lo
quando houver modificação no equipamento.
Conduto forçado – penstock: transporta a água, sob pressão, da altura máxima na
superfície da represa até a turbina. Podem ser expostos ou construídos no interior
da barragem. Devem ter estabilidade estrutural, vazamento mínimo e máximo
desempenho hidráulico.
Appalachia Hydroelectric Plant, Polk County,
Tennessee
Material: Os fabricados em aço soldado são considerados os melhores
para grandes alturas de carga e grandes diâmetros. Entretanto, concreto
protendido ou reforçado e tubos de PVC também são utilizados.
Válvulas de ar: A sua função primária é ventilar ar para dentro e para fora
do conduto forçado nas operações de enchimento e esvaziamento do
mesmo.
Túneis: São passagens subterrâneas, normalmente em rochas, usadas para
transportar água entre dois pontos. Um arranjo comum é transportar água
para geração em um túnel de pouca inclinação, seguido da transição para
um conduto forçado íngreme até a casa de força, com pressões de surto e
pressões de vácuo mitigadas pela presença de um tanque de
compensação na transição (surge tank).
O tanque de surto é uma parte integral do conduto forçado cujo propósito é prover
estabilidade à planta, minimizando martelos hidráulicos quando limita o aumento e
diminuição de pressão no interior do conduto forçado. Também ajuda a regular o fluxo,
melhorar a regulação da velocidade da turbina. Há duas categorias de surge tanks: o
convencional atmosférico e o do tipo câmara fechada de almofada de ar.
Steel Surge Tank at Isawa II Power Station in Japan
Invasive Zebra Mussels on Steel Surface
Medição, monitoramento e análise:
A perda evitável devido à fricção é dada por:
L V2
m
h f  f 
D 2g
Onde:
Δf é a diferença entre o fator de atrito computado para a rugosidade existente e
o fator de atrito estimado após a execução de melhorias.
L é o comprimento do conduto.
V é a velocidade média da água no conduto.
D é o diâmetro hidráulico.
g é a aceleração da gravidade.
As perdas de carga localizadas :
V2
m
hl  K
2g
ΔK é a diferença entre os coeficientes de perda computados com as
irregularidades localizadas existentes na tubulação e os coeficientes de perda
computados após correção destas irregularidades.
Exemplo:
Uma usina hidroelétrica hipotética tem três condutos forçados de aço soldado no
interior da barragem. O interior dos condutos foi bastante corroído com o tempo. As
propriedades hidráulicas de cada conduto são as seguintes:
Comprimento = 183 m
Diâmetro = 4,26 m
Vazão média = 62,3 m3/s
Velocidade média = 4,37 m/s
Se os condutos forçados forem tratados com revestimento interno à base de silicone
a diminuição na perda de carga pode ser calculada da seguinte forma:
Rugosidade existente = 0,00152 m
Rugosidade relativa existente = 0,00152/4,26 = 0,00036
Rugosidade após revestimento = 1,52 x 10-6 m
Rugosidade relativa após revestimento = 1,52 x 10-6/4,26 = 3,6 x 10-7
ν = 1 x 10-6 m2/s
(viscosidade cinemática da água)
Re = (4,37 x 4,26)/1 x 10-6 = 1,9 x 107
Exemplo:
Rugosidade relativa existente = 0,00036
Rugosidade relativa após revestimento = 3,6 x 10-7
Re = (4,37 x 4,26)/1 x 10-6 = 1,9 x 107
fexistente = 0,016
fapós revestimento = 0,008
Exemplo:
Uma usina hidroelétrica hipotética tem três condutos forçados de aço soldado no
interior da barragem. O interior dos condutos foi bastante corroído com o tempo. As
propriedades hidráulicas de cada conduto são as seguintes:
Comprimento = 183 m
Diâmetro = 4,26 m
Vazão média = 62,3 m3/s
Velocidade média = 4,37 m/s
Se os condutos forçados forem tratados com revestimento interno à base de silicone
a diminuição na perda de carga pode ser calculada da seguinte forma:
Δf = 0,016 – 0,008 = 0,008
A diminuição na perda de carga, com o revestimento, nos 3 condutos é:
h f  f
L V2
m

D 2g
183 4,37 2
hd  0,008 

 0,33m
4,26 2  9,81
hd  3  0,33  1m
Exemplo:
Uma usina hidroelétrica hipotética tem três condutos forçados de aço soldado no
interior da barragem. O interior dos condutos foi bastante corroído com o tempo. As
propriedades hidráulicas de cada conduto são as seguintes:
Comprimento = 183 m
Diâmetro = 4,26 m
Vazão média = 62,3 m3/s
Velocidade média = 4,37 m/s
Se os condutos forçados forem tratados com revestimento interno à base de silicone
a diminuição na perda de carga pode ser calculada da seguinte forma:
O aumento da potência com o revestimento é:
P  0,85  62,3
m3
N
 9810 3 1m  519.488W  0,52MW
s
m
Exemplo:
Uma usina hidroelétrica hipotética tem três condutos forçados de aço soldado no
interior da barragem. O interior dos condutos foi bastante corroído com o tempo. As
propriedades hidráulicas de cada conduto são as seguintes:
Comprimento = 183 m
Diâmetro = 4,26 m
Vazão média = 62,3 m3/s
Velocidade média = 4,37 m/s
Se os condutos forçados forem tratados com revestimento interno à base de silicone
a diminuição na perda de carga pode ser calculada da seguinte forma:
Assumindo R$ 147,00 por MWh e que a planta funciona 75% do tempo:
0,75  0,52MW 
R$147 8.760h R$502.210,80


MWh
ano
ano
Guia de melhores práticas para conduto forçado:
Desempenho/Eficiência e Capacidade:
•1- Monitorar rotineiramente e registrar a perda de carga através do penstock e
túneis.
•2 – Periodicamente comparar o Nível de Desempenho Atual com o Nível de
Desempenho Potencial – NDP, para verificar possibilidade de melhorias.
•3 – Manter documentado o Nível de Desempenho Potencial, NDP e atualizá-lo
quando houver modificação no equipamento.
Confiabilidade/Operação e Manutenção:
•1 – Desenvolver procedimento de inspeção e plano de manutenção.
•2 – Se a superfície exterior não estiver revestida, providenciar o revestimento para
aumentar a proteção e vida útil do conduto.
•3 –Inspecionar rotineiramente os suportes ou blocos âncora buscando sinais de
erosão. O desalinhamento do conduto pode indicar instabilidade da encosta ou
problemas de fundação.
•4 – Inspecionar regularmente juntas buscando sinais de vazamentos.
•5 – Realizar inspeções internas periodicamente
Canais abertos
Em certas centrais hidrelétricas o reservatório de água não é adjacente à
instalação geradora e a condição geológica não é adequada à execução de túnel.
Neste caso é necessária a construção de canais abertos para retirar água do
reservatório e encaminhá-la à casa de força por longas distâncias. O principal
objetivo dos canais abertos é transportar a água com o mínimo de perda de
carga (pequena inclinação).
Reservatório anterior – forebay:
A função primária desta estrutura é prover armazenamento limitado para as
hidrelétricas durante variações operacionais. Estas estruturas são dimensionadas para
fornecer o suprimento inicial de água necessário para aumentar a vazão na turbina
quando a usina aumenta sua geração, enquanto a água é acelerada nos condutos. Ela
também recebe a rejeição do excedente de água devido à diminuição da potência
gerada.
Câmara de decantação:
Um tanque ou câmara localizado a jusante do conduto forçado para aprisionar areia,
lodo, etc, visando minimizar danos por erosão da turbina.
Comporta de serviço e stop logs:
Turbina Francis
James Bicheno Francis, um engenheiro inglês que viveu nos USA desde cedo,
desenvolveu a turbina que leva seu nome, em meados do século dezenove.
https://www.youtube.com/watch?v=3BCiFeykRzo
Turbina Francis
Componentes:
Coletor espiral: a função é fornecer água que vem do conduto forçado às paletas
fixas mantendo uma velocidade constante em todo o perímetro da entrada da
turbina. Para isto, tem uma redução gradual de sua área de secção.
Paletas fixas: alinha o escoamento da água do coletor espiral para as paletas
móveis.
Paletas móveis: a sua função primária é controlar o fluxo de água para o rotor da
turbina, controlando portanto a potência de saída. Também controla o ângulo de
ataque da água nas lâminas do rotor.
Rotor: Converte a energia potencial de pressão e o escoamento de água em
energia mecânica rotacional.
Turbina Kaplan/propulsor
Viktor Kaplan, nasceu na Áustria em 1876.. Educado em Viena, formou-se
engenheiro mecânico em 1900. Depois de um ano na marinha e de dois anos
projetando e construindo motores Diesel foi para a Universidade de Brunn
em 1903, onde começou a trabalhar com turbinas hidráulicas. Já em 1905 sua
primeira publicação foi sobre o projeto e construção das lâminas da turbina
Kaplan. Desenvolveu um modelo de 4 polegadas de diâmetro. Em 1908
publicou um livro sobre o projeto e construção do rotor da turbina que foi
apresentado como sua tese de doutorado. Em 1912 recebeu a primeira de
suas 260 patentes.
https://www.youtube.com/watch?v=0p03UTgpnDU
Turbina Kaplan/propulsor
Paletas direcionais: a função primária é controlar a vazão que chega ao rotor,
controlando desta forma a potência gerada. Também controla o ângulo em que a
água atinge as lâminas da turbina. O melhor ângulo de ataque implica em melhor
eficiência da turbina. Nas unidades com lâminas ajustáveis, a rotação das lâminas é
sincronizada com o movimento das paletas direcionais para otimizar a potência em
larga faixa de operação.
Rotor: Converte a energia potencial de pressão (altura de carga) e o escoamento
da água em energia mecânica rotacional. Composto pelo cubo (hub), cone
(nosecone), lâminas e um mecanismo interno para girar as lâminas, normalmente
acionado por um pistão hidráulico . A pressão do óleo é controlada pelo governador
do sistema hidráulico.
Turbina Pelton:
Lester Allen Pelton nasceu em Ohio em 1929. Em 1850 foi para a Califórnia na corrida
do ouro. Lá os mineiros tinham desenvolvido uma roda dágua primária para auxiliar
nas operações de mineração. Pelton incorporou melhoramentos nesta roda antiga e
seu projeto inicial continua sendo utilizado em hidroelétricas atualmente.
Turbina Pelton:
https://www.youtube.com/watch?v=rf9meqw2SQA
Present performance retrata o desempenho de uma turbina degradada
Comparando as três turbinas:
https://www.youtube.com/watch?v=k0BLOKEZ3KU