Pontifícia Universidade Católica de Goiás Engenharia Civil. Professora: Mayara Moraes

Transcrição

1 Pontifícia Universidade Católica de Goiás Engenharia Civil Professora: Mayara Moraes

2 Variabilidade temporal das precipitações: Situações de déficit hídrico Situações de excesso de vazão Solução encontrada: Regularização através da utilização de um ou mais reservatórios. Acúmulo de parte das águas disponíveis nos períodos chuvosos para compensar as deficiências nos períodos de estiagem Formados por barragens nos cursos d água. Características físicas: Dependem das características topográficas do vale em que estão inseridos e da altura da barragem.

3 Barragem Altimetria pelo Sistema WGS 84

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12 Nível Máximo Operacional!

13 A relação entre nível da água, a área da superfície inundada e o volume armazenado de um reservatório é importante para o seu dimensionamento e para a sua operação. O volume armazenado em diferentes níveis define a capacidade de regularização do reservatório, enquanto a área da superfície está relacionada diretamente à perda de água por evaporação. A relação entre cota e área não é necessariamente linear, já que depende das características topográficas da área inundada. O mesmo ocorre com a relação entre cota e volume.

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16 Um reservatório pode ser descrito por seus níveis e volumes característicos: Volume morto; Volume máximo; Volume útil; Nível mínimo operacional; Nível máximo operacional; Nível máximo maximorum.

17 Parcela de volume do reservatório que não está disponível para uso: Corresponde ao volume de água no reservatório quando o nível é igual ao mínimo operacional. Abaixo deste nível, as tomadas de água para as turbinas não funcionam: Começam a engolir ar além de água, o que provoca cavitação nas turbinas; O controle de vazão e pressão sobre a turbina começa a ficar muito instável.

18 O tamanho do volume morto é definido em projeto, mas pode ser alterado com o tempo em função do assoreamento.

19 O nível máximo operacional corresponde à cota máxima permitida para operações normais no reservatório. Níveis superiores ao nível máximo operacional podem ocorrer em situações extraordinárias, mas comprometem a segurança da barragem. O nível máximo operacional define o volume máximo do reservatório.

20 A diferença entre o volume máximo operacional de um reservatório e o volume morto é o volume útil, ou seja, a parcela do volume que pode ser efetivamente utilizada para regularização de vazão.

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22 Durante eventos de cheia excepcionais, admite-se que o nível da água no reservatório supere o nível máximo operacional por um curto período de tempo. A barragem e suas estruturas de saída (vertedores) são dimensionados para uma cheia com tempo de retorno alto, normalmente 10 mil anos no caso de barragens médias e grandes. Na hipótese de ocorrer uma cheia igual à utilizada no dimensionamento das estruturas de saída, o nível máximo atingido é o nível máximo maximorum.

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24 A cota da crista do barramento é definida a partir do nível da água máximo maximorum somado a uma sobrelevação denominada borda livre (free board), cujo objetivo é impedir que ondas formadas pelo vento ultrapassem a crista da barragem.

25 Outras características importantes são: As estruturas de saída de água, Eclusas para navegação, Escadas de peixes, Tomadas de água para irrigação ou para abastecimento, Eventuais estruturas de aproveitamento para lazer e recreação. Etc.

26 Principal tipo de estrutura de saída de água. Destinam-se a liberar o excesso de água que não pode ser aproveitado para geração de energia elétrica, abastecimento ou irrigação. São dimensionados para permitir a passagem de uma cheia rara (alto tempo de retorno) com segurança. Pode ser livre ou controlado por comportas. O tipo mais comum de vertedor apresenta um perfil de rampa, para que a água escoe em alta velocidade, e a jusante do vertedor é construída uma estrutura de dissipação de energia, para evitar a erosão excessiva.

27 Vertedor da barragem Norris, nos Estados Unidos Vertedor da barragem de Itaipu. Em operação. Não está operando, o que significa que toda a vazão está passando através das turbinas.

28 A vazão de um vertedor livre (não controlado por comportas) é dependente da altura da água sobre a soleira, conforme a equação abaixo: Q = C L h 3/2 Q = vazão do vertedor (m³/s); L = comprimento da soleira (m); h = altura da lâmina de água sobre a soleira (m); C = coeficiente com valores entre 1,4 e 1,8. É importante destacar que a vazão tem uma relação não linear com o nível da água!!

29 Descarregadores de fundo podem ser usados como estruturas de saída de água, especialmente para atender usos da água existentes a jusante. Estimativa da vazão: Q = C A 2 g h A = área da seção transversal do orifício (m²); g = aceleração da gravidade (m/s²); h = altura da água desde a superfície até o centro do orifício (m) C = coeficiente empírico com valor próximo a 0,6. Da mesma forma que a vazão do vertedor, a vazão de um orifício tem uma relação não linear com o nível da água.

30 Equação da Continuidade: V t = I Q S = volume (m³); t = tempo (s); I = vazão afluente (m³/s) Q = vazão de saída do reservatório (m³/s), incluindo perdas por evaporação, retiradas para abastecimento, vazão turbinada e vertida.

31 Intervalo de tempo curto (até um dia): Análise de propagação de cheias. Intervalo de tempo longo: Dimensionamento e análises de operação de reservatórios. V t+ t = V t + entradas saídas Sujeita às restrições 0 < V t+ t < V max ; onde V max é o volume útil do reservatório

32 Com a equação recursiva de balanço podem ocorrer duas situações extremas: V t+ t > V máx V t+ t < V máx É necessário verter água! A demanda é excessiva ou o volume é insuficiente!

33 Dimensionamento de um reservatório com volume necessário para regularizar uma vazão Q: Estimar inicialmente do valor de V max Aplicar a equação V t+ t = V t + I t + D t + E t + Q t para cada mês do período de dados de vazão disponível. É desejável que a série tenha várias décadas. As perdas por evaporação (E) variam com o mês e podem ser estimadas por dados de tanque classe A. A demanda (D) pode variar com a época do ano. A vazão vertida (Q) é diferente de zero apenas quando a equação indica que o volume máximo será superado.

34 Em um mês qualquer, se V t+ t for menor que zero, reduzir a demanda D t até que V t+ t seja igual a zero, e computar uma falha de antendimento. Calcular a probabilidade de falha dividindo o número de meses com falha pelo número total de meses. Se esta probabilidade for considerada inaceitável, aumente o valor do volume máximo V max e reinicie o processo. Algumas hipóteses são feitas neste tipo de simulação: O reservatório está inicialmente cheio; As vazões observadas no passado são representativas do que irá acontecer no futuro.

35 Um reservatório com volume útil de 568 hectômetros cúbicos (milhões de m³) pode garantir uma vazão regularizada de 60 m³/s, considerando a seqüência de vazões de entrada da tabela ao lado? Considere o reservatório inicialmente cheio, a evaporação nula e que cada mês tem 2,592 milhões de segundos.

36 A solução é obtida montando a tabela que resulta da aplicação sucessiva da equação V t+ t = V t + I t + D t + E t + Q t Com I t dado pela tabela; E t igual a zero e Q t igual a zero, exceto quando é necessário verter. A demanda de 60 m³/s é igual a 156 hm³/mês: 60 m³ s 1 hm m 3 2, s mês = 156 hm³ mês

37 Supondo que não será necessário verter: V t+ t = V t + I t + D t = = 646 hm³

38 Supondo que não será necessário verter: V t+ t = V t + I t + D t = = 646 hm³ Volume máximo excedido! É necessário verter 78 hm³.

39 Supondo que não será necessário verter: V t+ t = V t + I t + D t = = 607 hm³

40 Supondo que não será necessário verter: V t+ t = V t + I t + D t = = 607 hm³ Ainda é necessário verter 39 hm³.

41 Em março, as entradas são iguais às saídas: V t+ t = = 568 hm³ O volume armazenado se mantém máximo, mas não há volume excedente a ser vertido.

42 Em abril, a vazão armazenada no reservatório começa a diminuir, e não há mais vazão vertida: V t+ t = = 503 hm³

43 Aplicando a equação do balanço hídrico sucessivamente, vemos que, no início de outubro, o volume calculado fica negativo, rompendo a restrição inicial. Assim, a demanda não pode ser atendida neste mês!

44 Teoricamente, a máxima vazão que pode ser regularizada por um reservatório é a vazão média do rio no local em que está a barragem. No entanto, este valor máximo é impossível de ser atingido na prática porque a criação do reservatório aumenta a perda de água por evaporação.

45 No Brasil existem centenas de reservatórios construídos para a geração de energia elétrica. Dependendo do volume do reservatório as usinas hidrelétricas podem ser: Centrais a fio d água: Centrais com reservatório de acumulação.

46 Usinas a fio d água: Reservatórios cujo volume é pequeno em relação à vazão afluente. A energia gerada depende diretamente da vazão do rio. A regularização de vazão proporcionada é desprezível. A barragem é construída para aumentar a diferença de nível da água (queda) entre a tomada de água e a turbina. Situação típica das Pequenas Centrais Hidrelétricas (PCHs). Usinas com reservatório de acumulação: Dispõem de um reservatório de tamanho suficiente para acumular água na época de cheias para uso na época de seca. Podem dispor de uma vazão substancialmente maior do que a vazão mínima natural.

47 Potência gerada em uma usina hidrelétrica:

48 Quanto à potência gerada, as centrais hidrelétricas podem ser classificadas em: Micro: Potência inferior a 100 kw Mini: Potência entre 100 e 1000 kw Pequena: Potência entre 1000 e kw Média: Potência entre 10 e 100 MW Grande: Potência maior do que 100 MW

49 Quanto à altura de queda da água (H), as centrais hidrelétricas podem ser classificadas em: Baixíssima queda H < 10 m Baixa queda 10 < H < 50 m Média queda 50 < H < 250 m Alta queda H > 250 m

50 Energia Assegurada é a energia que pode ser suprida por uma usina com um risco de 5% de não ser atendida, isto é, com uma garantia de 95% de atendimento. Numa usina com reservatório pequeno, a energia assegurada é definida pela Q 95. A empresa de energia é remunerada pela Energia Assegurada.

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52 Uma usina hidrelétrica será construída em um rio com a curva de permanência apresentada abaixo. O projeto da barragem prevê uma queda líquida de 27 metros. A eficiência da conversão de energia será de 83%. Qual é a energia assegurada desta usina?

53 Q 95 = 50 m³/s H = 27 m e = 0,83 γ = 9810 N/m³ P = , 83 P = 11MW

54 Reservatórios que recebem água com alta concentração de nutrientes podem passar por um processo denominado eutrofização. Crescimento acelerado de algas e plantas flutuantes, resultando num aumento da turbidez da água. A alta concentração de plantas e algas pode afetar os níveis de oxigênio, o que pode afetar os peixes. Em reservatórios mais profundos, os restos de plantas no fundo do lago podem consumir oxigênio durante a decomposição, reduzindo muito os níveis de oxigênio. A possibilidade de um reservatório sofrer ficar ou não eutrofizado depende do aporte de nutrientes, da disponibilidade de luz solar na coluna d água, e do tempo de residência da água no reservatório.

55 O tempo de residência é definido como a relação entre o volume total do reservatório e a vazão afluente. T = V Q V = volume máximo do reservatório (m³); Q = vazão afluente (m³/s) T = tempo de residência (s). Normalmente, a vazão utilizada no cálculo do tempo de residência é a vazão média de longo prazo.