TRANSIENTE HIDRÁULICO - COMPARAÇÃO ENTRE MODELOS NUMÉRICOS E REJEIÇÃO OCORRIDA NA UHE SERRA DA MESA. Ricardo Eifler Marcelo Giulian Marques

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1 COMITÊ BRASILEIRO DE BARRAGENS XXV SEMINÁRIO NACIONAL DE GRANDES BARRAGENS SALVADOR, 12 A 15 DE OUTUBRO DE 2003 T91 A12 TRANSIENTE HIDRÁULICO - COMPARAÇÃO ENTRE MODELOS NUMÉRICOS E REJEIÇÃO OCORRIDA NA UHE SERRA DA MESA Ricardo Eifler Marcelo Giulian Marques INSTITUTO DEPESQUISAS HIDRAULICAS DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL IPH/UFRGS Alba Valeria Brandão Canellas FURNAS CENTRAIS ELÉTRICAS José Carlos César Amorim INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA APRESENTAÇÃO Este trabalho não seria possível sem a colaboração dos técnicos e engenheiros da Usina Serra da Mesa, em especial do Eng. João Bonon Netto, profissional dedicado e amigo, que não se encontra mais entre nós, e do Eng. Cláudio Nuncio Junqueira. RESUMO O presente trabalho faz parte da pesquisa Transientes Hidráulicos em Circuitos de Usinas Hidrelétricas, que vem sendo desenvolvida em parceria entre Furnas Centrais Elétricas, o Instituto Militar de Engenharia e o Instituto de Pesquisas Hidráulicas da UFRGS. O mesmo tem como objetivo apresentar uma análise comparativa entre os modelos numéricos (ESTRANHE e CHAMINÉ), utilizados no dimensionamento da UHE Serra da Mesa de Furnas Centrais Elétricas e as rejeições de 410 MW e 312 MW ocorridas nesta usina em 09/02/2002. Considerando o fato do transiente hidráulico ser um fenômeno severo, que ocorre com freqüência nos circuitos hidráulicos, sua compreensão e 1

2 equacionamento são de grande importância econômica e operacional para as usinas hidrelétricas. Tradicionalmente os estudos dos transientes hidráulicos em usinas hidrelétricas, incluindo o dimensionamento de chaminés de equilíbrio, têm utilizado modelos numéricos, como se fez para a UHE Serra da Mesa. A comparação entre os resultados obtidos de modelos matemáticos e o que efetivamente ocorre em usinas em operação não é feito rotineiramente. ABSTRACT This paper forms part of the research project entitled Hydraulic Transients in Circuits of Hydropower Installations, being undertaken in collaboration with Furnas Centrais Elétricas SA, the Military Engineering Institute of Brazil and the Institute for Hydraulic Research of UFRGS. Its purpose is to compare results predicted by mathematical models (ESTRANHE e CHAMINÉ) used in the dimensioning of the hydropower plant Serra da Mesa of Furnas Centrais Elétricas with the results observed during the 410 MW and 312 MW rejections occurred on 09 th February 2002 in this hydropower plant. As the hydraulic transient is a severe event that occurs frequently in hydraulic circuits, its correct understanding and mathematical description are of great economic and operational importance for hydropower plants. Traditionally studies of hydraulic transient in hydropower plants, including the dimensioning of surge tanks, use mathematical models, as in the case of the hydropower plant Serra da Mesa. The comparison between the results predicted by mathematical models and the results actually observed while the installation is operating is not part of a routine. 1 INTRODUÇÃO O presente trabalho faz parte da pesquisa Transientes Hidráulicos em Circuitos de Usinas Hidrelétricas que vem sendo desenvolvida por Furnas Centrais Elétricas, o Instituto Militar de Engenharia e o Instituto de Pesquisa Hidráulicas da UFRGS, dentro do programa de Pesquisa e Desenvolvimento de Furnas, que visa a atender à Lei 9991/2000, que dispõe sobre a realização de investimentos em pesquisa e desenvolvimento e em eficiência energética, por parte das empresas concessionárias, permissionárias e autorizadas do setor de energia elétrica. Neste trabalho é apresentada uma análise comparativa entre os modelos numéricos (ESTRANHE e CHAMINÉ) e as rejeições de 410 MW e 312 MW, ocorridas na UHE Serra da Mesa, em 09/02/2002. Estas rejeições foram feitas para a determinação da cota de segurança para trabalhos de manutenção no interior da chaminé de equilíbrio da UHE Serra da Mesa. 2

3 A pesquisa sobre Transientes Hidráulicos em Circuitos de Usinas Hidrelétricas tem como objetivo conhecer, validar, aprimorar e determinar as limitações dos modelos matemáticos (ESTRANHE e CHAMINE), desenvolvidos pela IESA Engenharia, para FURNAS Centrais Elétricas S/A para o cálculo dos transientes hidráulicos na UHE Serra da Mesa, durante a fase de projeto desta usina. Com isto espera-se utilizar estes modelos para arranjos similares aos da UHE Serra da Mesa, permitindo-se analisar, com maior grau de confiabilidade, a fase de dimensionamento e planejamento da operação de usinas hidrelétricas. Além disto, esta pesquisa visa à criação de um banco de dados com valores de protótipo e de laboratório, para uso da comunidade científica e à capacitação profissional de técnicos na área em estudo. Durante o desenvolvimento da pesquisa, que finda em junho de 2004, os dados para avaliação do funcionamento dos modelos numéricos se obterão num protótipo de pequeno porte, o modelo reduzido da UHE Serra da Mesa na escala 1:50, existente no LAHE (Figura 1), e na própria UHE de Serra da Mesa (Figura 2). Atualmente, os equipamentos estão em fase de teste na estrutura existente no LAHE e sendo especificados para a UHE Serra da Mesa. FIGURA 1 Vista geral do modelo na escala 1:50 da UHE Serra da Mesa existente no LAHE 3

4 FIGURA 2 Seção transversal do sistema de adução da UHE Serra da Mesa O sistema de supervisão e controle (SSC), instalado na UHE Serra da Mesa, monitora as variáveis mecânicas, hidráulicas e elétricas e não permite gravação dos dados em papel ou meio magnético. Os dados ficam disponíveis na tela do monitor do operador da usina por algumas horas e são atualizados continuamente. O projeto de P&D, do qual este trabalho se originou, prevê a instalação de um sistema de aquisição e armazenamento dos dados hidráulicos, mecânicos e elétricos do sistema de geração da usina, paralelamente ao SSC instalado. Aqui são apresentados os resultados parciais dos estudos que estão sendo efetuados, enquanto se aguarda a obtenção dos dados do monitoramento da UHE Serra da Mesa e da estrutura existente no Laboratório do LAHE. As principais características do circuito hidráulico da UHE Serra da Mesa se apresentam a seguir: Localizada no Rio Tocantins, na divisa dos municípios de Minaçu e Cavalcante e a cerca de 230 km de Brasília; Reservatório - nível máximo = 460,00 m nível mínimo = 417,30 m O circuito hidráulico de geração da usina é totalmente subterrâneo; Conduto forçado em número de 3 Comprimento = 162,00 m Diâmetro = 9,0 m Chaminé de equilíbrio - área = 1360 m 2 ; Túnel de fuga - comprimento = 500 m sessão ferradura - diâmetro equivalente 19,2 m Canal de fuga nível normal = 334,47 m; Turbinas 3 unidades Francis - eixo vertical Rotação específica = 204 rpm Potência nominal 400 MW Tempo de fechamento das pás do distribuidor = 8s 4

5 Quando à rejeição apresentada neste trabalho, foi programada pela operação da usina, os profissionais envolvidos nesta pesquisa solicitaram que os dados de nível do reservatório e da chaminé de equilíbrio, bem como os valores da potência, rotação específica e abertura do distribuidor das turbinas fossem copiados manualmente durante o fenômeno transitório, tendo contado com total colaboração dos profissionais da usina. As telas dos monitores do SSC foram fotografadas para servirem como apoio à coleta dos dados de entrada do modelo numérico. Os níveis a jusante do canal de fuga não estavam sendo monitorados pelo SSC, por problemas nos sensores, e foram obtidos pela equipe de hidrometria da usina, através do levantamento contínuo do nível de água no canal de fuga, durante a ocorrência dos dois fenômenos de rejeição. No dia 09/02/2002 ocorreram duas rejeições para a determinação da cota de segurança para trabalhos de manutenção no interior da chaminé de equilíbrio da usina: 1 a rejeição às 9:05:59, rejeição de 410 MW, com 2 turbinas operando com aproximadamente 205 MW (254 m 3 /s) por turbina. 2 a rejeição às 12:05:59, rejeição de 312 MW, com 2 turbinas operando com aproximadamente 156 MW (208 m 3 /s) por turbina. A jusante da UUHE Serra da Mesa existe a UHE Cana Brava cujo remanso do reservatório se reflete no nível do canal de fuga da usina de montante. Na data da rejeição monitorada, o reservatório da UHE Cana Brava estava em fase de enchimento. O nível estava sujeito ao escoamento do rio Tocantins, mas já sofrendo algum tipo de remanso, o que impossibilita a utilização da régua para se obter a vazão turbinada. As vazões turbinadas foram calculadas a partir dos dados de abertura das turbinas, obtidos da curva de operação de cada máquina. 2 METODOLOGIA Os coeficientes de perda de carga adotados neste trabalho são os mesmos utilizados durante a elaboração do projeto da UHE Serra da Mesa. Este trabalho faz parte dos estudos que estão sendo efetuados para a calibração preliminar dos modelos numéricos, através da utilização de dados obtidos quando da ocorrência de rejeições na usina. Entretanto, os dados da rejeição, apresentada neste trabalho, devem ser utilizados com precaução, uma vez que foram obtidos antes da instalação do novo sistema de aquisição e armazenamento automático dos dados da Usina. Pode haver alguma incorreção nas informações, quanto à cota de referência dos níveis, ou devido à instabilidade dos equipamentos de medição. Outro fato a se considerar é que o reservatório da UHE Cana Brava em 2002 se encontrava em fase de enchimento, bem abaixo do seu nível normal (333,0 m). Portanto, os níveis a jusante da UHE Serra da Mesa encontravam-se bem abaixo do nível normal previsto no projeto. Este fato faz com que o nível de jusante se altere significativamente durante o fenômeno transitório, além de permitir que saia do 5

6 sistema uma certa quantidade de massa de água, dificultando a análise dos dados e dos resultados. Furnas dispõe de 2 modelos numéricos que estão sendo utilizados para efetuar a comparação com as rejeições: CHAMINÉ (FURNAS 1989) - simula as oscilações de nível de água numa chaminé de equilíbrio, a jusante da casa de força, para chaminés do tipo simples e com estrangulamento na base,. ou seja, simula o escoamento em regime transitório entre a chaminé e o canal de fuga. Este modelo emprega a teoria de oscilação de massa (Chaudhry, M. H e Wylie e Streeter, V.L. 1978). Atualmente este programa vem sofrendo algumas alterações no que diz respeito ao sistema de entrada e saída de dados. Também estão sendo verificadas as alterações no modelo matemático, de maneira a flexibilizar o mesmo, tal como a variação do valor dos coeficientes de perda de carga linear para considerar a variação da vazão. ESTRANHE (IESA 1992) simula todo o circuito da UHE Serra da Mesa, permite o cálculo do transiente no trecho do conduto forçado em pontos predefinidos e calcula a oscilação de nível na chaminé, utilizando o método das características para a parte de montante e o método de oscilação de massa para a parte a jusante da turbina. Atualmente este programa vem sofrendo algumas alterações no que diz respeito ao sistema de entrada e saída de dados. Também estão sendo efetuadas modificações no modelo matemático, de maneira a aprimorar os cálculos e flexibilizar o mesmo. Resumidamente, estão sendo feitas as seguintes alterações: alteração da forma de entrada e saída de dados, de modo a deixar o programa mais operacional e facilitar a análise dos dados; variação do valor dos coeficientes de perda de carga linear para considerar a variação da vazão; variação do nível de jusante em função do tempo; operação de n turbinas de forma simultânea, em regime de fechamento igual; simulação de condutos forçados e turbinas operando independentemente. Os dois modelos apresentam a evolução dos resultados em função do tempo, permitindo-se obter os valores máximos e mínimos das oscilações na chaminé. A diferença entre os 2 modelos está ligada às condições de contorno consideradas. ESTRANHE - apresenta a condição de turbina (Wylie e Streeter, V.L. 1978). Atualmente estão sendo montados os diagramas de Sutter, baseados na curva de operação das turbinas fornecida por FURNAS. Como nas simulações realizadas para este trabalho ainda não se dispunha destas curvas, os dados utilizados foram os existentes no modelo numérico montado à época do projeto da UHE Serra da Mesa, que são os mesmos de Itaipu (Vieira et al 1992). Atualmente se está montando os reais diagramas de Sutter, a partir dos dados reais da turbina da UHE Serra da Mesa. 6

7 CHAMINÉ - necessita que em cada instante de tempo se forneça a vazão que está sendo turbinada. Para isto se utilizou o programa ESTRANHE a fim de determinar a curva de vazão turbinada durante a rejeição. 3 ANÁLISE DOS RESULTADOS Os resultados observados na usina e os encontrados pelas simulações dos modelos matemáticos se apresentam nas Tabelas 1 e 2 e nas Figuras 3 e 4. Em função destes resultados, pode-se observar que: seguinte: Comparando-se os 2 modelos matemáticos entre si, tem-se o Os valores dos níveis em regime permanente (N CH ) apresentam diferenças entre si variando da ordem de 0,38 m e 0,25 m, sendo que a variação aumenta com a vazão da rejeição. O modelo CHAMINÉ sempre ofereceu valores menores para o níveis em regime permanente. Os valores do nível mínimo (N CHmin ) variaram aproximadamente 0,26 m e 0,19 m para a 1 a e 2 a rejeições respectivamente, sendo que o modelo CHAMINÉ apresentou sempre valores inferiores. Os valores do nível máximo (N Chmáx ) variaram aproximadamente 0,67 m e 0,26 m, sendo que o modelo CHAMINÉ apresentou valores superiores. Em relação ao instante de tempo em que ocorreram os níveis extremos (N CHmín e N CHmáx ), os modelos, de uma maneira geral, apresentaram valores praticamente idênticos. O modelo CHAMINÉ mostrou-se mais conservativo que o ESTRANHE (Figura 3 e 4), e o amortecimento sempre foi menor. Comparando-se os 2 modelos matemáticos com os valores verificados na usina, observou-se que: Os valores dos níveis em regime permanente (N CH ) obtidos do modelo ESTRANHE sempre forneceram valores mais próximos aos observados que o CHAMINÉ. Para o ESTRANHE as diferenças ficaram 0,30 m e 0,60 m respectivamente. Os modelos sempre forneceram valores a favor da segurança. Os valores do nível mínimo (N CHmin ) obtidos do modelo ESTRANHE sempre forneceram valores mais próximos aos observados que o CHAMINÉ. Os valores do modelo ESTRANHE ficaram 0,72 m e 0,47 m abaixo dos observados. 7

8 Os valores do nível máximo (N CHmáx ) obtidos do modelo ESTRANHE sempre forneceram valores mais próximos aos observados que o CHAMINÉ. Os valores do modelo ESTRANHE ficaram cerca de 2,15 m e 2,24 m acima dos observados, Em relação ao instante em que ocorreram os níveis extremos (N CHmín e N CHmáx ), os modelos matemáticos, de uma maneira geral, mostraram valores inferiores aos observados. No caso extremo, chegou-se a cerca de um valor 20% menor, indicando que o período da oscilação de nível nos modelos matemáticos é inferior ao observado. Em relação ao amortecimento, nenhum dos 2 modelos conseguiu reproduzir o amortecimento ocorrido na usina. O amortecimento real observado é bem mais rápido que o estimado pelos modelos. Isto provavelmente se deve à saída de massa que os modelos não conseguem reproduzir, porque esta condição de contorno não foi prevista quando da elaboração do modelo numérico. De um modo geral os 2 modelos se mostraram mais conservativos, a favor da segurança, que os valores observados. Os modelos apresentaram uma tendência a fornecer níveis mínimos menores, níveis máximos maiores e tempos de oscilações menores que os observados. Julga-se que as diferenças encontradas podem ser reduzidas com uma melhor definição dos valores dos coeficientes de perda de carga e com a inclusão do real diagrama de Sutter da turbina. Estes trabalhos estão sendo efetuados e permitirão que em breve se faça uma nova análise dos dados destas rejeições. Acredita-se que os modelos em estudo fornecerão respostas com maior precisão, quando da implantação do sistema de coleta de dados na UHE Serra da Mesa e estando o reservatório da UHE Cana Brava na sua situação normal, já que, nos casos analisados aqui, o escoamento a jusante não garantia uma conservação de massa. TABELA 1- Comparação entre a rejeição das 09:04:20 de 09/02/2002 e os dois modelos matemáticos Característica 1 a Rejeição ESTRANHE CHAMINÉ Número de turbinas Potência total (P) 415 MW 215 MW * Potência por turbina (P t ) 207,5 MW 207,5 MW * Tempo de fechamento (tf) 5 s 5 s ** Vazão de cada turbina (Q t ) 254 m 3 /s 254 m 3 /s 254 m 3 /s Nível inicial no canal de fuga (N j )* 330,66 m 330,66 m 330,66 m Nível na chaminé regime permanente 331,35 m 331,05 m 330,67 m (N CH ) Nível mínimo na chaminé (N CHmin ) 325,91 m 325,19 m 324,93 m Tempo em que ocorre o N CHmin 39 s 31,5 s 33 s Nível máximo na chaminé (N CHmáx ) 333,56 m 335,71 m 336,38 m Tempo em que ocorre o N CHmáx 99 s 79,5 s 81 s Obs.: Nível no reservatório (N m ) = 434,18 m, abertura do distribuidor = 60 % * Não é fornecido ao modelo matemático ** A curva de vazão turbinada fornecida foi retirada do Modelo ESTRANHE 8

9 TABELA 2 - Comparação entre a rejeição de 09/02/2002 e os dois modelos matemáticos Característica 2 a Rejeição ESTRANHE CHAMINÉ Número de turbinas Potência total (P) 320 MW 320 MW * Potência por turbina (P t ) 160 MW 160 MW * Tempo de fechamento (tf) 5s 8s ** Vazão de cada turbina (Q t ) 208 m 3 /s 208 m 3 /s 208 m 3 /s Nível inicial no canal de fuga (N j )* 329,33 m 329,33 m 329,33 m Nível na chaminé regime permanente 330,10 m 329,59 m 329,34 m (N CH ) Nível mínimo na chaminé (N CHmin ) 325,92 m 325,45 m 325,26 m Tempo em que ocorre o N CHmin 30 s 27 s 28,5 s Nível máximo na chaminé (N CHmáx ) 331,01 m 333,25 m 333,51 m Tempo em que ocorre o N CHmáx 94 s 76,5 s 78 s Obs.: Nível no reservatório (N m ) = 434,18 m, abertura do distribuidor = 50 % * Não é fornecido ao modelo matemático ** A curva de vazão turbinada fornecida foi retirada do Modelo ESTRANHE Nível na Chamíné (m) Tempo (s) S. Mesa Estranhe Chamine 9

10 FIGURA 3 - Comparação entre a 1 a rejeição de 09/02/2002 e os dois modelos numéricos Nível na Chamíné (m) Tempo (s) S. Mesa Estranhe Chamine FIGURA 4 - Comparação entre a 2 a rejeição de 09/02/2002 e os dois modelos numéricos 4 CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES A análise preliminar permitiu observar que os modelos matemáticos testados são mais conservativos para as situações em que foram feitas as comparações. Entretanto, na continuidade da pesquisa, deverá ser efetuada uma análise mais realista dos coeficientes de perda de carga, dos valores de celeridade e das condições de contorno, quando estes dados forem bem conhecidos e quando da inclusão do diagrama de Sutter da Turbina. O modelo CHAMINÉ pode ser utilizado quando se deseja estudar apenas o comportamento dos níveis de água na chaminé de equilíbrio. O modelo ESTRANHE, mais complexo, pode representar bem o transitório em todo o circuito hidráulico, sendo necessário, entretanto, que se conheçam as curvas características das turbinas. O modelo CHAMINÉ é mais conservativo que o ESTRANHE. Em continuidade, está sendo implantado na UHE Serra da Mesa um sistema de aquisição de dados (níveis de montante, na chaminé e no canal de fuga, 10

11 potência e abertura das paletas das turbinas) com o objetivo de se ter dados mais precisos e que permitam determinar com exatidão as condições de contorno (coeficientes de perda de carga, celeridade, períodos, ponto de funcionamento das turbinas). Em paralelo, está se calibrando a estrutura existente no LAHE para que se possam comparar os resultados dos modelos matemáticos em situações que provavelmente serão muito difíceis de se obter na UHE Serra Mesa. Todas as atividades estão se desenvolvendo em busca de uma troca eficaz de informações entre os participantes e ajudando na capacitação de pessoal. Seria interessante que houvesse uma conscientização do corpo técnico, de engenheiros e operadores de usinas de que dados de rejeição como os ocorridos em 09/02/2002 são de suma importância para este tipo de estudo. A colaboração e a participação dos engenheiros da UHE Serra da Mesa que, sabendo do interesse existente nestes dados se dispuseram a registrar os mesmos, está permitindo que este trabalho seja efetuado antes da instalação do sistema de aquisição na usina. 5- REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1- Chaudhry, M. H., Applied Hydraulic Transients, Van Nostrand Reinhold Company, Nova York, FURNAS, Cálculo da Oscilação de Nível em Chaminé de Equilíbrio a Jusante de Casa de Força, Manual do Usuário Grupo de Informática - DEPH.T/DEC.T - Sistema de informações Hidrometerológicas, IESA - Internacional de Engenharia S.A., ESTRANHE Escoamento Transitório em Circuitos Hhidráulicos de Usinas Hidroelétricas, Internacional de Engenharia S.A,,1992,. 4- VIEIRA, R. M.; DANZIGER, R.A. B., FERREIRA, F. A. M. e CARVALHO, E., Aproveitamento Hidroelétrico de São Félix Usina Serra da Mesa Comparação entre Modelos Matemáticos Utilizados nos Estudos de Transientes Hidráulicos, XX Seminário Nacional de Grandes Barragens, Curitiba, novembro de WYLIE e STREETER, V.L., Fluid Transients, McGraw-Hill International Book Company, Nova York,