DE ESTÁGIO 2/3 (segundo de três) Período: de 29/ago/2009 a 16/out/2009. GeoEnergy Engenharia e Serviços Ltda.

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1 Universidade Federal de Santa Catarina Centro Tecnológico Departamento de Engenharia Mecânica Coordenadoria de Estágio do Curso de Engenhariaa Mecânica CEP Florianópolis - SC - BRASIL estagio@emc.ufsc.br RELATÓRIO DE ESTÁGIO 2/3 (segundo de três) Período: de 29/ago/2009 a 16/out/2009 GeoEnergy Engenharia e Serviços Ltda. Nome do aluno: Felipe F. V. de Araujo Nome do supervisor: Anderson Candemil Nome do orientador: Lauro César Nicolazzi Florianópolis, 16 de outubro de 2009

2 SUMÁRIO 1. ATIVIDADES REALIZADAS NO PERÍODO INTRODUÇÃO CHAMINÉS DE EQUILÍBRIO Definição Planilha de Cálculo DIMENSIONAMENTOS REALIZADOS GESTÃO DA QUALIDADE DIMENSIONAMENTO DE CONDUTOS FORÇADOS DIMENSIONAMENTO DE VOLANTES DE INÉRCIA ESTUDO DE VIABILIDADE CONCLUSÕES REFERÊNCIAS ANEXOS... 14

3 1. Atividades Realizadas no Período 1.1 Introdução Durante o segundo período do estágio, o aluno deu prosseguimento às etapas descritas no primeiro relatório, intensificou o ritmo de trabalho e a carga de responsabilidades, aumentou seu envolvimento com o setor de Hidrologia e Hidráulica e continuou buscando aprendizado nas áreas onde ainda não havia o conhecimento necessário para a realização de novas tarefas. O aluno teve como obrigações a confecção de planilhas para dimensionamento de turbinas e chaminés de equilíbrio, o dimensionamento de condutos forçados e de volantes de inércia, estudos de viabilidade de implementação de uma Central Geradora Hidrelétrica (CGH), entre outros. 1.2 Chaminés de Equilíbrio Definição Pode-se dizer que uma chaminé de equilíbrio é, basicamente, um reservatório de água aberto ao ar livre situado, normalmente, entre o final da adução e o início do conduto forçado. Esse reservatório tem como funções principais a redução do golpe de aríete causado pelo fechamento de emergência dos distribuidores de uma unidade geradora e o fornecimento de uma massa d água com menor inércia nos casos de partida das máquinas. De forma simplificada, pode-se dizer que, quando os distribuidores das turbinas se fecham, toda a massa d água que vem pela adução é freada muito rapidamente, o que ocasiona um aumento de pressão muito elevado que pode danificar os componentes da turbina hidráulica. Na operação de abertura das máquinas, ocorre que a massa d água do canal adutor é acelerada abruptamente, causado o efeito inverso, ou seja, uma diminuição de pressão rigorosa que pode ter efeitos sérios na tubulação. Sendo assim, fica clara a necessidade do uso de chaminés de equilíbrio onde há uma adução muito longa, onde o efeito da massa d água é muito

4 significativo. Para casos intermediários pode, ou não, haver a necessidade do uso de uma chaminé de equilíbrio. Para essa definição, existem parâmetros na literatura que indicam a necessidade ou não de chaminé de equilíbrio. Para melhor entendimento, segue, abaixo, um esquema padrão da disposição de uma chaminé de equilíbrio em um aproveitamento hidroenergético. Figura Diagrama de Chaminé de Equilíbrio Planilha de Cálculo Dada a necessidade da empresa de otimizar o processo de dimensionamento de chaminés de equilíbrio, ficou a cargo do aluno o desenvolvimento de uma planilha de cálculo que facilitasse o processo e que considerasse todos os parâmetros envolvidos. Definida a necessidade de se utilizar chaminé de equilíbrio em um aproveitamento, fica necessário fazer o seu dimensionamento para que a tenha uma boa operação. É definida uma boa chaminé de equilíbrio quando a mesma não transborda, não permite a entrada de ar no conduto forçado, oscila de forma estável, não causa sobrepressão acima do permitido nas máquinas, permite uma boa regulação do sistema e, claro, não é sobredimensionada. Sendo assim, foram adotados como critérios de dimensionamento:

5 Fechamento instantâneo de todos os distribuidores em vazão nominal e reservatório em seu nível máximo; Fechamento instantâneo de todos os distribuidores em vazão nominal e reservatório em seu nível mínimo; Abertura instantânea de um distribuidor com as outras máquinas operando em vazão nominal e reservatório em seu nível mínimo; Área de seção mínima de Thoma e; Meia oscilação inferior à sobrepressão máxima da máquina. Apenas para esclarecimento, a seção de Thoma é determinada como a área mínima para garantir a estabilidade das oscilações no interior da chaminé. A planilha desenvolvida faz cálculos para análises técnicas e econômicas simulando variações dos parâmetros dinâmicos e dimensionais. Dessa forma, o usuário tem em mãos todos os dados necessários para a escolha da melhor opção. Segue, abaixo, um exemplo de um dos gráficos de saída da planilha indicando as variações de altura e de volume de concreto utilizado em função do diâmetro adotado na chaminé. 45,00 Altura e Volume de Concreto X Diâmetro 800,00 42,50 40,00 Altura da Chaminé Volume de Concreto 725,00 650,00 Altura (m) 37,50 35,00 32,50 30,00 575,00 500,00 425,00 350,00 Volume de Concreto (m³) 27,50 275,00 25,00 200,00 3,00 4,00 5,00 6,00 7,00 8,00 9,00 10,00 11,00 12,00 13,00 14,00 15,00 16,00 17,00 18,00 19,00 20,00 21,00 Diâmetro (m) Figura Variações de parâmetros dimensionais As simulações realizadas na planilha calculam, de fato, os níveis da coluna d água para cada instante de tempo t após o início da operação.

6 Sendo assim, são apresentados os gráficos das oscilações ao longo do tempo dentro da chaminé. Segue, portanto, um exemplo de um gráfico de operação de abertura instantânea de uma máquina. Abertura de uma máquina com as demais em operação 158,00 156,00 154,00 NA na Chaminé (m) 152,00 150,00 148,00 146,00 144, Tempo (s) Figura Operação de Abertura Segue, também, uma imagem de parte da interface do usuário com a planilha de cálculo Interface da planilha

7 1.2.3 Dimensionamentos Realizados Durante este período, o aluno foi responsável pelo dimensionamento de cinco chaminés de equilíbrio para projetos de PCH s. Durante esse processo, foi possível adquirir um vasto conhecimento e entendimento não apenas do assunto de forma isolada, mas, também, do problema visto além das suas fronteiras. Em alguns desses projetos, onde havia uma maior complexidade nas decisões, foram necessárias diversas discussões e interações entre pessoas de diversos setores e clientes. Em um caso particular, na PCH Aguti, foi adotada uma solução de chaminé de equilíbrio mista, onde parte de sua extensão será escavada em rocha, e o restante construída em concreto. Para esse caso em particular, o aluno foi responsável pela análise das possibilidades. Abaixo, seguem os desenhos definitivos em 3D das chaminés de equilíbrio das PCH s de Aguti (chaminé mista) e da PCH de Dores de Guanhães. Figura Chaminés PCH Aguti e PCH Dores de Guanhães

8 1.3 Gestão da Qualidade Durante os últimos dois meses, iniciou-se no setor de Hidrologia e Hidráulica a idéia de iniciar um processo de gestão de qualidade. Com o intuito de otimizar os processos, melhorar a comunicação dentro do setor e entre os outros setores e facilitar a gestão dos projetos, os envolvidos no setor iniciaram a rotina de reuniões semanais para discutir a situação do setor. Desde o início dessa rotina, diversas idéias e propostas foram colocadas em pauta e estão sendo colocadas em prática gradativamente. Outra meta traçada foi a elaboração de fluxogramas das atividades que cada um estivesse envolvido para que os processos ficassem bem definidos, reduzindo erros, tempo e custos. Segue um exemplo de um dos fluxogramas elaborados pelo aluno. Figura Fluxograma de Estudos energéticos

9 1.4 Dimensionamento de Condutos Forçados O dimensionamento de condutos forçados é composto, basicamente, a seleção de diâmetros e espessuras para os dutos que levam a vazão turbinada até as unidades geradoras. Os condutos forçados são, normalmente, trechos de dutos curtos com uma elevada queda em seu curso. Sendo assim, os condutos estão sujeitos a esforços originados pela pressão do escoamento, da coluna d água e pela própria dilatação. Ao se dimensionar um conduto, busca-se o menor diâmetro que atenda os critérios de tensão e que não cause perdas de carga exageradas no circuito de adução. Para tanto, é necessário que se faça um estudo econômico simulando os custos financeiros envolvidos e os custos de um aumento da perda de carga, por exemplo. Para tanto, o aluno utiliza-se de uma planilha de dimensionamento de condutos de autoria da própria empresa. Nesta planilha, calculam-se variações de diâmetro a partir de um diâmetro mínimo recomendado, fazendo um cálculo de custo-benefício do investimento e comparando-o com um investimento comum no mercado financeiro. A partir dessa análise, seleciona-se a melhor solução para o caso. Apesar de ser, aparentemente, um processo trivial, a seleção de condutos por si só é capaz de inviabilizar empreendimentos de menor porte. 1.4 Dimensionamento de Volantes de Inércia A unidade geradora, composta por gerador e turbina, possui uma série de elementos girantes que, devido a sua inércia, influenciam o funcionamento e a regulação do sistema. O fato é que, para uma regulação estável do sistema, o momento de inércia das massas girantes, chamado GD², deve ser grande o suficiente para garantir que os efeitos da sobrevelociadade e da sobrepressão não ultrapassem os limites pré-estabelecidos em projeto. A falta de inércia impede,

10 também, que o regulador de velocidades consiga controlar variações bruscas de carga na unidade de geração. Sendo assim, existem cálculos que estimam a inércia necessária para garantir os fatores supracitados. No caso de a soma das inércias do gerador e da turbina não ser suficiente, instala-se um volante de inércia no eixo. Esse volante é, normalmente, fabricado em aço ou ferro fundido e tem uma distribuição de massa não homogênea. A massa é normalmente colocada no raio máximo, onde o efeito na inércia é maior. 1.5 Estudo de Viabilidade Durante os últimos dias do segundo período do estágio, foi passado ao aluno a tarefa de estudar a viabilidade da instalação de uma Central Geradora Hidrelétrica (CGH) em uma localidade na cidade de Garuva-SC. Vale, aqui, lembrar que Pequena Central Hidrelétrica (PCH) é uma usina geradora com potência instalada entre 1 e 30 MW e que CGH é uma usina de potência instalada inferior a 1 MW. Para esse estudo estão sendo realizadas visitas de campo, pesquisas topográficas, estudos hidrológicos para caracterização das vazões disponíveis, análise econômica e etc. No momento da confecção deste relatório, os estudos ainda estavam em andamento. Dessa forma, os resultados encontrados serão descritos no terceiro relatório. Segue, abaixo, uma foto do software Google Earth com a descrição do arranjo sugerido pelo aluno para o empreendimento.

11 Figura Arranjo geral do empreendimento

12 2. Conclusões De acordo com o apresentado no presente relatório, percebe-se que o aluno está dando prosseguimento no processo de aprendizagem e de inserção no mercado de trabalho. As oportunidades dadas ao aluno pela empresa estão possibilitando um rápido desenvolvimento de conhecimentos específicos na área. Cabe, aqui, salientar que as atividades do aluno não se restringem ao descrito neste relatório e que algumas atividades, devido a necessidade de brevidade, não puderam ser discutidas. Para o próximo e último período do estágio, o aluno tem a expectativa de dar continuidade aos trabalhos que vem sendo realizados e aumentar ainda mais a carga de trabalho, as responsabilidades e o aprendizado. Já estão programadas, para tanto, viagens a obras da empresa e participação em cursos de treinamento. Conclui-se, portanto, que o estágio está sendo aproveitado ao máximo para que os objetivos do mesmo sejam cumpridos em sua plenitude. É do entendimento do aluno que esta é uma oportunidade única disponibilizada pelo curso para cimentar e desenvolver o conhecimento adquirido ao longo do curso.

13 3. Referências [1] DE SOUZA, Zulcy; MOREIRA SANTOS, Afonso Henriques; DA COSTA BORTONI, Edson. Centrais Hidrelétricas: Implantação e Comissionamento. 2.ed. Rio de Janeiro: Editora Interciência [2] DE SOUZA, Zulcy; CARVALHO VIANA, Augusto Nelson. Turbinas para PCH. Minas Gerais: Fupai. [3] DA COSTA BORTONI, Edson; CARVALHO VIANA, Augusto Nelson. Operação de Turbinas Hidráulicas e Reguladores de Velocidade. Minas Gerais: Fupai. [4] FERREIRA ERBISTI, Paulo Cezar. Comportas Hidráulicas. 2.ed. Rio de Janeiro: Editora Interciência [5] MINISTÉRIO DE MINAS E ENERGIA. Secretaria de Planejamento e Desenvolvimento Energético. Manual de Inventário Hidroelétrico de Bacias Hidrográficas. Brasília: Edição [6] Ministério de Minas e Energia: [7] Agência Nacional de Energia Elétrica: [8] Câmara de Comercialização de Energia Elétrica: [9] Epagri: [10] IBGE: [11] Centro Nacional de Referência em Pequenas Centrais Hidrelétricas:

14 4. Anexos Nesta seção serão apresentados figuras e fotos relacionadas às atividades desenvolvidas pelo aluno. Figura 4.1 Sala de Máquinas

15 Figura 4.2 Sala de Máquinas Figura 4.3 Turbina tipo Bulbo

16 Figura 4.4 Turbina tipo Kaplan Vertical Figura 4.5 Detalhe do Arranjo Turbina Kaplan Vertical