PEA : Produção de Energia Elétrica. Geração Hidrelétrica

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1 PEA : Produção de Energia Elétrica Geração Hidrelétrica Parte 3 Prof. Dra. Eliane Fadigas Escola Politécnica da Universidade de São Paulo

2 TURBINAS HIDRÁULICAS DE REAÇÃO Turbina de reação é uma máquina hidráulica que converte energia mecânico-hidráulica, das formas cinética e de pressão, em energia mecânico-motriz. A água, à saída do rotor, pode estar a pressão positiva, negativa ou nula em relação a pressão atmosférica.

3 Por volta de 1847, o engenheiro americano Francis, propôs inverter a forma de receber e exaurir a água que chega a um rotor de uma máquina hidráulica. Com o passar do tempo o rotor foi-se modificando, evoluindo e ganhando outras formas para atender as solicitações de melhores rendimentos e aplicabilidade a alturas disponíveis e vazões dispares. Rotor Francis Na atualidade, os ROTORES FRANCIS, associados a variados dispositivos de controle e vazão e de rotação, formam as turbinas FRANCIS. 1: Pá diretora fixa 2: Pá diretora móvel 3: Rotor Francis 4: Eixo do rotor A filosofia Francis trouxe: a) Entrada de água Radial centrípeta b) Saída de água axial

4 Turbina Francis: Aspectos Gerais A figura mostra o rotor Francis Fundamental. Na referida figura, mostra-se as coroas D1 e D2 que estão localizadas à entrada e saída do fluido respectivamente. Á medida que a turbina foi sendo empregada e ensaios começaram a ser realizados, podese notar que ela apresentava resultados satisfatórios em aproveitamentos dotados de alturas disponíveis bem díspares, porém o rotor deveria passar por alterações para atender o aumento da vazão e da velocidade específica. A partir da velocidade específica obtida em função da altura disponível do aproveitamento, resulta o desenho do rotor e sua classificação ou categoria. Para atender as mais variadas solicitações, os rotores tem desenhos bem típicos e são classificados nas diversas categorias. Figura 6.10

5 Evolução dos rotores Francis A medida que as vazões cresceram e decresceram as alturas disponíveis dos aproveitamentos, os rotores tiveram que adaptar-se as novas exigências, sempre oferecendo rendimentos elevados. D1 permaneceu imutável ou decresceu, e D2 foi crescendo. As pás ou aletas foram crescendo em direção ao tubo de aspiração e a coroa D2 passou a segurar as referidas aletas pelas pontas. As dimensões dos rotores estão ligadas a vazão nominal para o qual o referido é projetado. Possui grande velocidade específica a adapta-se a aproveitamento de pequenas alturas. Ultraveloz A medida que a altura disponível foi decrescendo, as pás ou aletas do rotor foram ganhando uma parte inferior, junto á coroa D2, mais pronunciada e como se estivesse entrando para o interior do tubo de aspiração. Nesse ponto termina a evolução dos rotores Francis e começa a família dos rotores oblíquos

6 CARACOL é o prolongamento da tubulação forçada. A água ao percorrê-lo, forma uma espiral e é lançada, por meio de pás diretoras fixas ao caracol, no rotor da turbina. Na direção radial, voltada para parede interna do caracol, estão colocadas as pás diretoras fixas. Estas pás dão à água o sentido radial centrípeto. A água deixando as pás diretoras fixas, dá de encontro a um conjunto de pás diretoras móveis. Estas pás diretoras movimentam-se em torno de um eixo e podem ir da posição tangencial ( fechando o fluxo hidráulico) a uma posição quase radial ( vazão máxima).

7 Sendo o rotor dotado de aletas fixas, a turbina FRANCIS possui uma única forma de ajustar a vazão á demanda de energia solicitada ao eixo motriz. E isso é conseguido com a atuação do DISTRIBUIDOR MÓVEL, sobre o fluxo hidráulico. As turbinas de médio e grande porte possuem reguladores de velocidade que atuam sobre o óleo hidráulico que é mandado para o servomecanismo. Seguindo uma malha fechada de controle, a velocidade angular da turbina é pilotada pelo regulador de velocidade atuando sobre um servomotor hidráulico.

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9 Turbinas tipo hélice fixa família de rotores à qual pertencem, também os rotores oblíquo, Kaplan e Deriáz. O rotor hélice fixa é empregado em turbinas que trabalham com vazão pouco variável e próxima da vazão nominal, porque o máximo rendimento desta turbina ocorre quando a vazão está em torno de 70%. Em turbinas muito pequenas, em que o fator preponderante é gerar energia a partir de uma queda de d água e o rendimento é relegado para o segundo plano, o ajuste da vazão é feito por uma válvula borboleta colocada entre a tubulação forçada e a turbina. Quando porém, a potência da turbina começa a crescer, e as perdas em uma válvula borboleta não totalmente aberta começam a ter importância singular, manter uma regulagem de vazão a partir desta é insustentável. A solução é usar um distribuidor móvel acoplado, exigindo que a turbina tenha um caracol. Figura 6.6 página 92 Figura 6.16 página 104

10 Turbina Kaplan- Tem pás móveis comandadas por um servomotor hidráulico colocado no interior do eixo da turbina. O eixo do gerador é vazado no sentido longitudinal e por esse furo passam os tubos que levam e trazem o óleo hidráulico do comando do servomotor. Por possuírem pás móveis, conseguem ajustar-se a vazão requerida. Pode operar com seu eixo na horizontal, vertical e inclinado. O rotor pode trabalhar com ou sem caracol São turbinas apropriadas para o uso em grandes volumes de água ( vazão elevada) e usualmente utilizada em aproveitamento de baixa altura topográfica Tem a vantagem da possibilidade de variar o ângulo de passo das pás quando a demanda varia

11 Turbina Tendo pás desenhada móveis, a curva para característica rendimento pequenas versus vazão alturas torna-se mais disponíveis (inferiores a 50 fixa. metros) plana que a da turbina hélice

12 O rotor Kaplan é utilizado em uma variante de turbina denominado TURBINA BULBO, em que o gerador é colocado no interior de um casulo que é colocado no eixo do veio líquido. O gerador, para poder atender á grande potência gerada pela turbina que tem velocidade angular bastante baixa, deve possuir velocidade angular elevada e, portanto, na ponta do eixo de um gerador existe um redutor de rotação mecânico que, recebendo energia do eixo da turbina, girando a baixa velocidade, eleva a velocidade do sistema e entrega energia ao gerador. Dessa maneira, o gerador torna-se uma máquina veloz, seu volume diminui e o casulo ou bulbo pode adaptar-se melhor ao canal de adução do aproveitamento.

13 Turbina Bulbo com rotor Kaplan Estas turbinas têm um campo de aplicação mais restrito, dado as suas particularidades. Na EU, são usadas em usinas maremotrizes. Tendo o passo da pá do rotor ajustável podem, girando em um sentido único, ter o fluido ora fluindo em um sentido, ora em outro. No Brasil, são usadas nas Usinas do Rio Madeira.

14 ESCOLHA DO TIPO DE TURBINA Uma turbina é escolhida para atender a determinados valores de queda (HTop) e de descarga (Q), os quais dependem das condições próprias à usina onde a mesma é instalada. Esta escolha depende ainda de outra grandeza, que é o número de rotações por minuto do gerador elétrico (n) que a turbina irá acionar Algumas definições: Turbinas geometricamente semelhantes Turbina unidade velocidade específica

15 TURBINAS GEOMETRICAMENTE SEMELHANTES São turbinas desenvolvidas sob o mesmo desenho com alteração de suas dimensões e de suas potências, ou ainda, são turbinas cujas dimensões se alteram simultânea e proporcionalmente sem que sejam alteradas suas formas geométricas.

16 TURBINA UNIDADE É uma turbina, hipotética, geometricamente semelhante a uma família de turbinas, que operando a uma altura disponível H=1m, fornece uma potência mecânico motriz igual a 1cv, operando em condições semelhantes a todos os outros membros da família. A turbina unidade é a mesma para todas as turbinas geometricamente semelhantes de uma família e que constituem uma série de turbinas. Quando analisados, todos os membros da família operam com o mesmo rendimento.

17 Velocidade específica de uma turbina ou uma família de turbinas geometricamente semelhantes É a velocidade real da TURBINA UNIDADE e a velocidade qualificatória de todas as turbinas que lhe sejam geometricamente semelhantes. Assim, se uma família de turbinas Pelton, tem as mais variadas potências, aquela turbina da família que, sob uma altura disponível de H= 1m, fornecer em seu eixo mecânico uma potência igual a 1cv será a TURBINA UNIDADE da família. A velocidade dessa turbina será numericamente igual à velocidade específica da família. Todas as demais turbinas dessa família poderão ter outras potências e outras velocidades reais, mas terão a velocidade específica definida pela turbina unidade.

18 Forma de qualificar as turbinas geometricamente semelhantes Turbinas geometricamente semelhantes Velocidade específica Velocidade real Turbina unidade ns nt=ns Turbina semelhante ns nt ns

19 A velocidade específica de uma família geometricamente semelhante de turbinas é um elemento extremamente importante para a sua classificação. Assim, uma turbina a ser especificada é classificada a partir de sua velocidade específica. Tome-se por exemplo, uma turbina de reação da família Francis, que tenha uma velocidade específica igual a 400rpm. Essa informação permite classificar a citada turbina e todas que lhe seja geometricamente semelhantes. Por outro lado, essa turbina referida, real, em face de sua potência nominal, de sua vazão nominal e da queda disponível necessária para uma operação normal, tem uma velocidade angular nominal de 72 rpm.

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21 Tipos de turbinas e suas velocidades específicas MODO DE OPERAR VELOCIDADE ESPECÍFICA (RPM) TIPO DE TURBINA ALTURA DISPONÍVEL DO APROVEITAMENTO A Até 18 rpm Pelton 1 injetor Até 800 m A 18 a 25 rpm Pelton 1 injetor 400 a 800 m A 26 a 35 rpm Pelton 1 injetor 100 a 400 m A 26 a 35 rpm Pelton 2 injetores 400 a 800 m A 36 a 50 rpm Pelton 2 injetores 100 a 400 m A 51 a 72 rpm Pelton 4 injetores 100 a 400 m R 55 a 70 rpm Francis Lentíssima 200 a 400 m R 70 a 120 rpm Francis Lenta 100 a 200 m R 120 a 200 rpm Francis Média 50 a 100 m R 200 a 300 rpm Francis Veloz 25 a 50 m R 300 a 450 rpm Francis Ultraveloz 15 a 25 m R 400 a 500 rpm Hélice Veloz Até 15 m R 270 a 500 rpm Kaplan Lenta 15 a 50 m R 500 a 800 rpm Kaplan Veloz 05 a 15 m R 800 a 1100 rpm Kaplan Velocíssima Até 05 m A turbina de ação R turbina de reação

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28 NÚMERO REAL DE ROTAÇÃO DAS TURBINAS As turbinas acionam diretamente os geradores de energia elétrica, de modo que, naturalmente, ambos têm o mesmo número de rotações. Mas, nos alternadores, pela forma como são construídos, existe uma dependência entre as grandezas p = número de pares de pólos N = número de rotações por minuto f = freqüência da corrente em hertz Em Eletrotécnica demonstra-se que n= 60f/p, de modo que, podemos organizar, para alguns valores de p e a frequência de 60 Hz, a tabela abaixo. Rotações por minuto síncronos do alternador trifásico em função do número de pares de pólos p f N

29 Curvas características das eficiências Rendimento de uma turbina é a relação entre a potência mecânica que a turbina coloca a disposição do gerador e a potência que o fluido coloca na entrada do seu rotor. É função de muitas variáveis: -potência nominal da turbina -Porcentagem do fluido turbinado -Tipo de turbina - Fabricante - Montagem ou posição física do eixo Turbinas pelton de grande porte: 93% de rendimento a uma vazão de 70 a 80% da sua vazão nominal

30 Rendimento das Turbinas

31 Escolha das Turbinas

32 Tipos de turbinas e suas velocidades específicas MODO DE OPERAR VELOCIDADE ESPECÍFICA (RPM) TIPO DE TURBINA ALTURA DISPONÍVEL DO APROVEITAMENTO A Até 18 rpm Pelton 1 injetor Até 800 m A 18 a 25 rpm Pelton 1 injetor 400 a 800 m A 26 a 35 rpm Pelton 1 injetor 100 a 400 m A 26 a 35 rpm Pelton 2 injetores 400 a 800 m A 36 a 50 rpm Pelton 2 injetores 100 a 400 m A 51 a 72 rpm Pelton 4 injetores 100 a 400 m R 55 a 70 rpm Francis Lentíssima 200 a 400 m R 70 a 120 rpm Francis Lenta 100 a 200 m R 120 a 200 rpm Francis Média 50 a 100 m R 200 a 300 rpm Francis Veloz 25 a 50 m R 300 a 450 rpm Francis Ultraveloz 15 a 25 m R 400 a 500 rpm Hélice Veloz Até 15 m R 270 a 500 rpm Kaplan Lenta 15 a 50 m R 500 a 800 rpm Kaplan Veloz 05 a 15 m R 800 a 1100 rpm Kaplan Velocíssima Até 05 m A turbina de ação R turbina de reação

33 Lenta

34 EXERCÍCIO 1 Um parque gerador trabalha com turbinas kaplan. Sabe-se que a velocidade angular nominal das turbinas é de 67rpm, e a altura topográfica do aproveitamento é de 19,2 m. A partir da equação empírica adequada, determine a velocidade específica dessa família de turbinas e, com a ajuda da tabela, determine dentre as turbinas kaplan disponíveis, qual a subclasse que foi empregada no referido aproveitamento. MODO DE OPERAR VELOCIDADE ESPECÍFICA (RPM) TIPO DE TURBINA ALTURA DISPONÍVEL DO APROVEITAMENTO A Até 18 rpm Pelton 1 injetor Até 800 m A 18 a 25 rpm Pelton 1 injetor 400 a 800 m A 26 a 35 rpm Pelton 1 injetor 100 a 400 m A 26 a 35 rpm Pelton 2 injetores 400 a 800 m A 36 a 50 rpm Pelton 2 injetores 100 a 400 m A 51 a 72 rpm Pelton 4 injetores 100 a 400 m R 55 a 70 rpm Francis Lentíssima 200 a 400 m R 70 a 120 rpm Francis Lenta 100 a 200 m R 120 a 200 rpm Francis Média 50 a 100 m R 200 a 300 rpm Francis Veloz 25 a 50 m R 300 a 450 rpm Francis Ultraveloz 15 a 25 m R 400 a 500 rpm Hélice Veloz Até 15 m R 270 a 500 rpm Kaplan Lenta 15 a 50 m R 500 a 800 rpm Kaplan Veloz 05 a 15 m R 800 a 1100 rpm Kaplan Velocíssima Até 05 m

35 EXERCÍCIO 2 As turbinas da hidrelétrica de São Simão, no Rio Paranaíba, possuem as seguintes características: Queda nominal : 72 m (Queda Disponível) Vazão nominal : 420 m 3 /s Potência nominal = cv Pares de pólos : 38 PEDE-SE: a) Calcular o rendimento do conjunto ( turbina+circuito hidráulico) da usina (%) e a rotação nominal das máquinas. b) Calcular a velocidade específica das turbinas ( rpm) utilizando a fórmula mais rigorosa e comparar com o resultado da fórmula empírica. c) Analisando as fórmulas empíricas para a rotação específica e considerando o resultado do item anterior, determinar o tipo de turbina utilizada em São Simão. d) Calcular a potência elétrica de cada máquina de São Simão a partir da vazão e da altura de queda adotando um rendimento de 95% para o gerador e o rendimento mecânico calculado no ítem a). Assuma a aceleração da gravidade de 9,81 m/s 2.

36 Fórmulas empíricas para resolução do exercício 2300 n s = Htop 3100 n s = Htop 2600 n s = Htop Francis - empírica Kaplan - empírica Hélice - empírica Obs.: lembrar que quando houver disponibilidade de estimar ou calcular a Queda Disponível, essa deve ser utilizada em lugar da Queda Topográfica nas equações acima!!

37 Exercício 3 O gerador de uma turbina de um parque gerador é síncrono e trabalha com uma corrente de 155A na tensão de 4160Volts e um fator de potência de 85%. Sabe-se que a velocidade angular nominal desse gerador é de 600 RPM, que a turbina adotada é uma Francis de eixo horizontal e que a altura topográfica do aproveitamento é de 85 metros. Determine a vazão firme dessa turbina. Com base na tabela dada, qual o tipo de turbinas Francis utilizada? Dados: = 89% ( rendimento na canalização / conduto forçado) η C η G η T = 95% ( rendimento do gerador elétrico) = 90% (rendimento da turbina) Considere as perdas na tomada d água nulas HTA = 0

38 Bibliografia Geração de Energia Elétrica: Tecnologia, Inserção Ambiental, Planejamento, Operação e Análise de Viabilidade. Lineu Belico dos Reis. Ed. Manole, Centrais de Aproveitamentos hidroelétricos. Uma Introdução ao estudo. Gilio Aluisio Simone. Ed Érica.