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.
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
https://www.youtube.com/watch?v=k0BLOKEZ3KU
Comparando as três turbinas: