Pump and Hydropower systems Sistemas Elevatórios e Hidroeléctricos

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1 Master/Mestrado Departamento of Civil Engineering Civil Instituto Superior Técnico Pump and Hydropower systems Sistemas Elevatórios e Hidroeléctricos Profª. Helena Ramos Operational conditions In the present work is necessary to make the analysis of continuous operation of a pump and hydroelectric system e.g. the use of multi-purpose Socorridos system, situated on the island of Madeira - simultaneously used for the conveyance of water for supply two populations (located at A and D) and for producing electrical energy in the hydroelectric power plants located in C and D. The system is supplied based on open channel water (Levadas on the top hill) carrying an annual average flow of 300 l/s. It is presented in Table A1, the longitudinal profile of the system No presente trabalho (Módulo 1) pretende-se efectuar a análise do funcionamento em regime permanente de um sistema elevatório e hidroeléctrico o aproveitamento de fins múltiplos de Socorridos, situado na Ilha da Madeira - utilizado simultaneamente para a adução de água para o abastecimento a duas populações (localizadas em A e D) e para a produção de energia eléctrica nas centrais hidroeléctricas localizadas em C e D. O aproveitamento é alimentado com base na captação superficial (Levadas) que transportam um caudal médio anual igual a 300 l/s. Apresenta-se no Quadro A1, o perfil longitudinal do sistema Scenario 1/ Cenário 1 Assume the system ABD has the sole function of water supply for the two populations located in A and D (see blue circuit in Figure 1). Populations have the basic data presented in Table A2. a) Perform the preliminary design of the system for steady state conditions in terms of diameters and materials of pipelines and volume of distribution reservoirs A and D. b) Estimate the initial value of the investment using the unit costs provided in Tables A3 to A. c) Estimate the economic benefit associated with the production of energy due to the replacement of the flow control valve in D, by a turbine considering a lifecycle of 20 years. The economic study should be conducted considering constant prices and a 4% discount rate. Use tariff from the sale of electricity supplied in class Admita que o sistema ABD tem como função única o abastecimento de água às duas populações localizada em A e D (ver circuito azul na Figura 1). As populações têm os dados de base apresentados no Quadro A2. a) Efectue o pré-dimensionamento do sistema para as condições de regime permanente em termos dos diâmetros e materiais das condutas e de volumes dos reservatórios de distribuição A e D. 1

2 b) Faça uma estimativa do valor inicial do investimento utilizando os custos unitários fornecidos nos Quadros A3 a A. c) Faça uma estimativa do benefício económico associado à produção de energia devido à substituição da válvula de controlo de caudal, em D, por uma turbina considerando um horizonte de projecto de 20 anos. O estudo económico deverá ser desenvolvido considerando preços constantes e uma taxa de actualização de 4%. Utilize o tarifário da venda da energia eléctrica fornecido nas aulas Scenario 2/Cenário 2 Consider the system is also used for the production of energy by installing a hydro power plant and a pumping station in Socorridos (located on the BC portion), and a hydro power station next to St. Quitéria Treatment Plant in D. The maximum flow rate pumped from Socorridos to Covão is 0.7 m3/s by each pump group and it is installed 4 groups in parallel with vertical axis (being one spare). The maximum turbine flow from Covão to Socorridos is 2 m 3 /s per turbogenerator, being installed 3 groups in parallel. The turbine flow to Sta Quiteria is 1 m 3 /s (also with an installed turbine). The pump system works during off-peak hours and the hydropower during peak periods. Consider that Covão (550.00) and Socorridos (80.00) reservoirs have a storage capacity of m 3. a) Perform system preliminary design for steady state conditions in terms of diameters and materials of pipelines, and the type and best efficiency point of the pump groups and turbo generators to be installed in C and D. b) Make the construction of the system model using the Bentley hydraulic simulator. c) Based on the curve of consumption of each populations and the variation of the level in the reservoirs for the 24-hour period, do the analysis of the system: c1) Calculate the average daily energy consumed in the pump system and the average daily cost of pumping (consider the efficiency of the pump groups P = 80%); c2) Calculate the average daily energy produced by the turbogenerator groups and the energy benefits per day with the energy production (consider the efficiency of the turbines T = 90%). c3) Determine the best daily period of energy production (turbine), which may be simultaneous or not in the two hydropower stations, but never coincides with the pumping period. Presents a comparison of at least two different operating scenarios Considere que o sistema é também utilizado para a produção de energia através da instalação de uma central hidroeléctrica e de uma central elevatória em Socorridos (localizadas no trecho B-C), e de uma central hidroeléctrica junto à Estação de Tratamento de St. Quitéria em D. O caudal máximo bombeado de Socorridos para o Covão é de 0,7 m 3 /s por grupo electrobomba, estando instalados 4 grupos de eixo vertical em paralelo (sendo um de reserva). 2

3 O caudal máximo turbinado do Covão para Socorridos é de 2 m 3 /s por grupo turbogerador, estando instalados 3 grupos em paralelo. O caudal turbinado para Sta Quitéria é de 1 m 3 /s (também com uma turbina instalada). O sistema elevatório funciona durante o período de vazio e o hidroeléctrico durante o período de ponta. Considere que os reservatórios do Covão (550,00) e de Socorridos (80,00) têm uma capacidade de armazenamento de m 3. a) Efectue o pré-dimensionamento do sistema para as condições de regime permanente em termos dos diâmetros e materiais das condutas, e de tipo e ponto óptimo de funcionamento dos grupos electrobomba e dos grupos turbogeradores a instalar em C e D. b) Proceda à construção do modelo do sistema utilizando o simulador hidráulico EPANET. c) Com base na curva de consumos de cada uma das populações e na variação do nível nos reservatórios para o período de 24h, proceda à análise em regime permanente do sistema: c1) Calcule a energia média diária consumida no sistema elevatório e o custo médio diário da bombagem (considere o rendimento dos grupos electrobomba B = 80%); c2) Calcule a energia média diária produzida pelos grupos turbogeradores e os benefícios energéticos por dia com a produção de energia (considere o rendimento das turbinas T = 90%). c3) Determine o melhor período diário de turbinagem, podendo esta ser simultânea ou não nas duas centrais, mas nunca coincidente com o período de bombagem. Apresente a comparação de, pelo menos, dois cenários de operação diferentes. Levadas 550,00 A Reservoir of /Câmara de carga de Covão 80,00 C 85,00 Hydropower/Central Hidroeléctrica de Socorridos Pump station/central Elevatória de Socorridos B 320,00 ETA D Hydropower/Central Hidroeléctrica de Sta.Quitéria Figure/Figura 1 Scheme of the Pump and Hydropower system ABCD/Esquema completo do sistema elevatório e hidroeléctrico ABCD Deliver at a 1st June /Entrega a 1 de Junho. 3

4 Appendix/Anexo Table/QUADRO A.1 Profile/PERFIL LONGITUDINAL DO SISTEMA Socorridos - St.Quiteria x Z Socorridos- Covão x Z Scenario 1 Scenario 2 Cenário 1 Cenário Covão - Socorridos Socorridos - St.Quitéria Socorridos-St. Quitéria 0 Socorridos Covão Table/QUADRO A.2 - population data/dados DE BASE DA POPULAÇÃO E CAPITAÇÃO Population/População A 1 A 2 A 3 A 4 Population (inhab) POPULAÇÃO (hab) Consumption rate/capitação (l/inhab.day) final Dayly flow average for domestic consumptions/ O caudal diário médio para satisfazer os consumos domésticos é dado por: Qma = P x C / sendo: Qma Annual average discharge/ caudal médio anual para satisfazer os consumos domésticos (l/s); P population (inhab)/ população servida (residente e flutuante) (hab); C Consumption rate l/(inhab.day)/ capitação (l/(hab.dia)). Peak consumption factor: 4

5 fi = / P Qmáximo instantaneo=fi. Qma being P the population/ em que P é a população a servir. Table/ QUADRO A3 Reservoir costs/custo DE RESERVATÓRIOS APOIADOS Volume de reservatório para 15 min. V 500 m 3 C = 340 /m < V 1500 m 3 C = 250 /m < V 2500 m 3 C = 200 /m 3 V > 2500 m 3 C = 175 /m 3 C costs of civil works/ custo das obras de construção civil ( ) V>= 1.5 Q (Q m 3 /dia) Gravitic pipe/ No troço gravítico, a gama de velocidades possível é: 0.3 m/s v 1.5 m/s Pumping pipe/ No caso do troço bombado, o intervalo de velocidades é: 0.7 m/s v 1.5 m/s Q=V. S D 4 Q π S D economico 0.95Q 0.43 Head loss / Perda de carga F. Colebrook-White 2 U 2 k 2.51 J n1 Log 8gD 3.7D D 2gDJn Pump system Zupst-J.L+Hpump=Zdownst Hpump? Ppump=9.8Hpump.Q/efficiency (kw) for Hpump (m) and Q (m 3 /s) Turbine system Zupst-J.L-Hturb=Zdownst Hturb? Pturb=9.8Hturb.Q. efficiency (kw) for Hturb (m) and Q (m 3 /s) Relativamente ao grupo electrobomba, os custos em construção civil (C cc ) e os custos do equipamento electromecânico (C eq ) são determinados através das expressões abaixo indicadas, respectivamente: Civil works for pumps/ Electromechanical equipment/ C C cc eq 0,4 0, Q H pump 0,2 0,5 3800Q H pump em que: 5

6 C corresponde ao custo ( ), Q caudal de dimensionamento (L/s) e H pump é a altura de elevação da bomba (m). Consumption curve/ Curva de Consumos do Manual de Saneamento Básico (D.G.R.N., 1991) D.G.R.N. (1991). "Manual de Saneamento Básico MSB2 - Abastecimento de Água e Esgoto, Lisboa (Vol. 2).". Consumption pattern/ padrão de consumo equivalente

7 Hourly periods for tariffs/ Períodos Horários para o Tarifário de Média Tensão Dia da semana Horas Inverno Verão Rush hour/ponta 17:00/22:00 14:00/17:00 2ª a ª Full time/ Cheia Super empty time/super vazio Empty time/ Vazio normal 00:00/01:00 00:00/01:00 08:00/17:00 08:00/17:00 22:00/24:00 22:00/24:00 02:00/0:00 02:00/0:00 01:00/02:00 01:00/02:00 0:00/08:00 0:00/08:00 Tariffs/ Buy/Tarifas compra de energia (pump system) Ponta Cheia Super vazio Vazio normal Sell/Tarifas de venda de energia (hydropower system) Período Vazio Cheia Ponta Preço ( /kwh)

8 QUADRO A4 Unitary costs for pipes/ CUSTOS UNITÁRIOS DE TUBAGENS PARA ABASTECIMENTO DE ÁGUA ( /m) Diâmetro nominal (mm) Iron/ FFD Steel/Aço PVC HDPE/ PEAD PN PN PN1 PN PN PN Notas Os custos incluem o fornecimento da tubagem e acessórios, a montagem e os encargos de estaleiro, juros, lucros e risco, bem como o assentamento e respectivo movimento de terras, considerando um terreno caracterizado por 0% em terra. FFD - ferro fundido dúctil PVC - policloreto de vinilo PEAD - polietileno de alta densidade 8

9 QUADRO A5 Size of PVC pipes/dimensões DE TUBAGENS DE POLICLORETO DE VINILO (PVC) REFERÊNCIA Service pressure / PRESSÃO DE SERVIÇO (kg/cm 2 ) e (mm) 1,9 3,0 4,75 2,2 3, 5,5 2,7 4,3,75 3,2 5,3 8,25 3,7,0 9,37 4,1,7,50 4,7 7,7 12,0 5,9 9, 15,0 7,3 11,9 20,80 9,2 15,0 23,40 11,8 19,1 29,70 14,7 23,9 18,3 30,0 20,7 33,8 23,3 38,0 DIMENSÕES a (mm) (mm) L (m) , TL - Tubo liso OR - Tubo com junta integral AL - Tubo com abocardamento por colagem e - thickness/espessura do tubo a - length of junction/comprimento da junta - diameter/diâmetro exterior do tubo L Length/ Comprimento total do tubo 9

10 QUADRO A Sizes for HDPE pipes/ TABELA DE DIMENSÕES DE TUBAGENS DE POLIETILENO DE ALTA DENSIDADE (PE/MRS 3) [Norma DIN 8074] Esp thickness; Peso weigth; PN4 resistant pressure 4 bar= 40 mw.c. Diam. PN 2,5 PN 3,2 PN 4 PN 5* PN PN 8* PN PN 12,5* PN 1 PN 20 Ext. Esp. Peso Esp. Peso Esp. Peso Esp. Peso Esp. Peso Esp. Peso Esp. Peso Esp. Peso Esp. Peso Esp. Peso (mm) (mm) (kg/m) (mm) (kg/m) (mm) (kg/m) (mm) (kg/m) (mm) (kg/m) (mm) (kg/m) (mm) (kg/m) (mm) (kg/m) (mm) (kg/m) (mm) (kg/m) * - Dimensões segundo CEN/TC155 W120: Doc. nº 15 N 02 E, Maio 1993.