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, semi-automático 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.

Imagem de sonar do trash rack.Obtenção de imagem por ROV-Remotely Operated Vehicle, imagem de 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.

Hoover Dam, Clark County, Nevada/Mohave County, Arizona

Blue Ridge Dam, Fannin County, Georgia

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

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).

NRNNN HHQP 85,0

Wmm

N

s

m

3

3

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 mPerda de carga através da grade limpa = 0,15 mVazão em volume média através da grade = 22,65 m3/s

A perda de potência evitável é calculada como:

WHHQP NRNNN 310.19815,02,1981065,2285,085,0

MWPN 198,0

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:

Esta análise indica uma perda de venda de energia significante no período estudado.

* http://www.cmuenergia.com.br/noticias_ler.php?id=247

ano

R

ano

h

MWh

RMW

42,226.191$8760

00,147$198,075,0

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

Operação:

Medições periódicas de pressão devem ser feitas para avaliar se o sistema de condução de água funciona otimamente. Pressões em pontos escolhidos ao longo do túnel e do conduto forçado, imediatamente antes , imediatamente depois da turbina e ao longo do túnel de descarga devem ser monitoradas em exames de funcionamento.

Abertura das comportas guia da turbina (wicket gates).

Cursos das válvulas de controle.

Velocidade da turbina.

Deslocamento e vibração de mancais.

Invasive Zebra Mussels on Steel Surface

Medição, monitoramento e análise:

A perda evitável devido à fricção é dada por:

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 :

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.

mg

V

D

Lfh f 2

2

mg

VKhl 2

2

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 mDiâmetro = 4,26 mVazão média = 62,3 m3/sVelocidade 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 mRugosidade relativa existente = 0,00152/4,26 = 0,00036Rugosidade após revestimento = 1,52 x 10-6 mRugosidade 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 = 0,00036Rugosidade 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 mDiâmetro = 4,26 mVazão média = 62,3 m3/sVelocidade 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:

mhd 33,081,92

37,4

26,4

183008,0

2

mhd 133,03

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 mDiâmetro = 4,26 mVazão média = 62,3 m3/sVelocidade 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:

MWWmm

N

s

mP 52,0488.519198103,6285,0

3

3

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 mDiâmetro = 4,26 mVazão média = 62,3 m3/sVelocidade 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:

ano

R

ano

h

MWh

RMW

80,210.502$760.8147$52,075,0

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.

https://www.youtube.com/watch?v=0p03UTgpnDU

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.

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

https://www.youtube.com/watch?v=k0BLOKEZ3KU

Comparando as três turbinas: