Tomada d água: A função do sistema de entrada é conduzir a água de uma fonte como um rio ou reservatório para dentro do conduto forçado (penstock)

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1 Tomada d água: A função do sistema de entrada é conduzir a água de uma fonte como um rio ou reservatório para dentro do conduto forçado (penstock) que é a tubulação que a conduz sob pressão à turbina. São projetados para proporcionar uma eficiência hidráulica máxima.

2 Grade de proteção (Trash racks) A função da grade de proteção é evitar a entrada de detritos, folhas e lixo para evitar danos nas turbinas. Normalmente, o trash rack é uma tela composta por várias barras de aço paralelas, preferencialmente na vertical, localizada na entrada da tomada de água.

3 Limpa-grades - Trash rake: o removedor de detritos que se acumulam na grade de proteção. Os detritos acumulados provocam perda de carga. Os dispositivos variam em tamanho para acomodar a variedade de tamanho dos detritos e variam também no nível de automação do mecanismo, manual, semiautomático e automáticos. Os detritos podem ser tão grandes como troncos de árvores

4 Sistema de monitoramento: sua função é medir a perda de carga diferencial através do trash rack. O monitoramento é necessário para programar as operações de limpeza ou implementação de melhorias no sistema. Obtenção de imagem por ROV-Remotely Operated Vehicle, imagem de trash rack Imagem de sonar do trash rack.

5 Estruturas da tomada d água: são normalmente construídas na própria estrutura da barragem imediatamente adjacentes ao conduto forçado. Outro projeto comum é na forma de torres de entrada, que são estruturas separadas no reservatório, normalmente construídas em concreto reforçado. Normalmente as estruturas comportam: grades de proteção que previnem a entrada de detritos e gelo; comportas e válvulas para controlar o fluxo de água para permitir operações de manutenção. Blue Ridge Dam, Fannin County, Georgia Hoover Dam, Clark County, Nevada/Mohave County, Arizona

6 Comporta de serviço: a comporta de entrada é construída para parar o fluxo de água quando o sistema de condução de água às turbinas precisa ser esvaziado. Tubos de ventilação: são incorporados à estrutura de entrada para prevenir o colapso do penstock devido ao vácuo excessivo provocado quando a comporta de entrada fecha. Máquinas de elevação: máquinas operadas de forma mecânica, hidráulica ou pneumaticamente para elevar e baixar os componentes pesados como a comporta de entrada e os stop logs.

7 Medição, monitoramento e análise: As medições podem ser feitas em tempo real ou em intervalos (horas, dias,semanas...) dependendo das condições da instalação. A perda de potência evitável associada a ΔH N P N 0,85 Q N H N H NR m s 3 N m 3 m W ΔH N = Perda de carga através da grade[m] ΔH NR = Perda de carga de referência através da grade[m] Q N = vazão em volume [m 3 /s] Ɣ = Peso específico da água = 9810 N/m 3. 0,85 = fator de redução para incluir a eficiência da turbina acoplada ao gerador. O valor de referência é obtido quando o equipamento está no estado original (limpo).

8 Exemplo: Uma usina hidroelétrica hipotética tem uma grade de proteção de aço que está ficando obstruída com o decorrer do tempo. As propriedades hidráulicas do trash rack são as seguintes: Perda de carga através da grade obstruída = 1,20 m Perda de carga através da grade limpa = 0,15 m Vazão em volume média através da grade = 22,65 m 3 /s A perda de potência evitável é calculada como: H H 0,85 22, ,2 0, W PN 0,85 QN N NR 310 P N 0, 198MW

9 Segundo a CMU - Comercializadora de Energia*, o custo médio do MWh em 2015 será de R$ 147,00. Assumindo que a usina hidroelétrica produz eletricidade em 75% do tempo, o valor de mercado da perda de potência é: R$147,00 h 0,75 0,198MW 8760 MWh ano R$ ,42 ano Esta análise indica uma perda de venda de energia significante no período estudado. *

10 Guia de melhores práticas para tomada d água e grade de proteção: Desempenho/Eficiência e Capacidade: 1- Monitorar rotineiramente e registrar o Nível de Desempenho Atual - NDA da unidade. 2 Periodicamente comparar o Nível de Desempenho Atual com o Nível de Desempenho Potencial NDP, para verificar possibilidade de melhorias. 3 Monitorar e registrar a perda de carga diferencial através da grade de proteção. Confiabilidade/Operação e Manutenção: 1 Inspecionar rotineiramente as grades, comportas de entrada e componentes associados buscando sinais de degradação. 2 Acompanhar os danos a estes componentes e projetar a expectativa de vida útil. 3 Limpar rotineiramente as grades a partir de inspeção visual, intervalos programados ou pela monitoração da perda de carga diferencial. 4 Inspecionar e manter os sistemas de limpeza das grades. 5 Manter documentado o Nível de Desempenho Potencial, NDP e atualizá-lo quando houver modificação no equipamento.

11 Conduto forçado penstock: transporta a água, sob pressão, da altura máxima na superfície da represa até a turbina. Podem ser expostos ou construídos no interior da barragem. Devem ter estabilidade estrutural, vazamento mínimo e máximo desempenho hidráulico. Appalachia Hydroelectric Plant, Polk County, Tennessee

12 Material: Os fabricados em aço soldado são considerados os melhores para grandes alturas de carga e grandes diâmetros. Entretanto, concreto protendido ou reforçado e tubos de PVC também são utilizados. Válvulas de ar: A sua função primária é ventilar ar para dentro e para fora do conduto forçado nas operações de enchimento e esvaziamento do mesmo. Túneis: São passagens subterrâneas, normalmente em rochas, usadas para transportar água entre dois pontos. Um arranjo comum é transportar água para geração em um túnel de pouca inclinação, seguido da transição para um conduto forçado íngreme até a casa de força, com pressões de surto e pressões de vácuo mitigadas pela presença de um tanque de compensação na transição (surge tank).

13 O tanque de surto é uma parte integral do conduto forçado cujo propósito é prover estabilidade à planta, minimizando martelos hidráulicos quando limita o aumento e diminuição de pressão no interior do conduto forçado. Também ajuda a regular o fluxo, melhorar a regulação da velocidade da turbina. Há duas categorias de surge tanks: o convencional atmosférico e o do tipo câmara fechada de almofada de ar. Steel Surge Tank at Isawa II Power Station in Japan

14 Invasive Zebra Mussels on Steel Surface

15 Medição, monitoramento e análise: A perda evitável devido à fricção é dada por: 2 L V h f f D 2g m Onde: Δf é a diferença entre o fator de atrito computado para a rugosidade existente e o fator de atrito estimado após a execução de melhorias. L é o comprimento do conduto. V é a velocidade média da água no conduto. D é o diâmetro hidráulico. g é a aceleração da gravidade. As perdas de carga localizadas : 2 V h l K 2g m ΔK é a diferença entre os coeficientes de perda computados com as irregularidades localizadas existentes na tubulação e os coeficientes de perda computados após correção destas irregularidades.

16 Exemplo: Uma usina hidroelétrica hipotética tem três condutos forçados de aço soldado no interior da barragem. O interior dos condutos foi bastante corroído com o tempo. As propriedades hidráulicas de cada conduto são as seguintes: Comprimento = 183 m Diâmetro = 4,26 m Vazão média = 62,3 m 3 /s Velocidade média = 4,37 m/s Se os condutos forçados forem tratados com revestimento interno à base de silicone a diminuição na perda de carga pode ser calculada da seguinte forma: Rugosidade existente = 0,00152 m Rugosidade relativa existente = 0,00152/4,26 = 0,00036 Rugosidade após revestimento = 1,52 x 10-6 m Rugosidade relativa após revestimento = 1,52 x 10-6 /4,26 = 3,6 x 10-7 ν = 1 x 10-6 m 2 /s (viscosidade cinemática da água) Re = (4,37 x 4,26)/1 x 10-6 = 1,9 x 10 7

17 Exemplo: Rugosidade relativa existente = 0,00036 Rugosidade relativa após revestimento = 3,6 x 10-7 Re = (4,37 x 4,26)/1 x 10-6 = 1,9 x 10 7 f existente = 0,016 f após revestimento = 0,008

18 2 L V h f f D 2g Exemplo: Uma usina hidroelétrica hipotética tem três condutos forçados de aço soldado no interior da barragem. O interior dos condutos foi bastante corroído com o tempo. As propriedades hidráulicas de cada conduto são as seguintes: Comprimento = 183 m Diâmetro = 4,26 m Vazão média = 62,3 m 3 /s Velocidade média = 4,37 m/s Se os condutos forçados forem tratados com revestimento interno à base de silicone a diminuição na perda de carga pode ser calculada da seguinte forma: Δf = 0,016 0,008 = 0,008 A diminuição na perda de carga, com o revestimento, nos 3 condutos é: m ,37 h d 0,008 0, 33m 4,26 2 9,81 h d 3 0,33 1m

19 Exemplo: Uma usina hidroelétrica hipotética tem três condutos forçados de aço soldado no interior da barragem. O interior dos condutos foi bastante corroído com o tempo. As propriedades hidráulicas de cada conduto são as seguintes: Comprimento = 183 m Diâmetro = 4,26 m Vazão média = 62,3 m 3 /s Velocidade média = 4,37 m/s Se os condutos forçados forem tratados com revestimento interno à base de silicone a diminuição na perda de carga pode ser calculada da seguinte forma: O aumento da potência com o revestimento é: 3 m N P 0,85 62, m W 0, 52MW 3 s m

20 Exemplo: Uma usina hidroelétrica hipotética tem três condutos forçados de aço soldado no interior da barragem. O interior dos condutos foi bastante corroído com o tempo. As propriedades hidráulicas de cada conduto são as seguintes: Comprimento = 183 m Diâmetro = 4,26 m Vazão média = 62,3 m 3 /s Velocidade média = 4,37 m/s Se os condutos forçados forem tratados com revestimento interno à base de silicone a diminuição na perda de carga pode ser calculada da seguinte forma: Assumindo R$ 147,00 por MWh e que a planta funciona 75% do tempo: R$ h 0,75 0,52MW MWh ano R$ ,80 ano

21 Guia de melhores práticas para conduto forçado: Desempenho/Eficiência e Capacidade: 1- Monitorar rotineiramente e registrar a perda de carga através do penstock e túneis. 2 Periodicamente comparar o Nível de Desempenho Atual com o Nível de Desempenho Potencial NDP, para verificar possibilidade de melhorias. 3 Manter documentado o Nível de Desempenho Potencial, NDP e atualizá-lo quando houver modificação no equipamento. Confiabilidade/Operação e Manutenção: 1 Desenvolver procedimento de inspeção e plano de manutenção. 2 Se a superfície exterior não estiver revestida, providenciar o revestimento para aumentar a proteção e vida útil do conduto. 3 Inspecionar rotineiramente os suportes ou blocos âncora buscando sinais de erosão. O desalinhamento do conduto pode indicar instabilidade da encosta ou problemas de fundação. 4 Inspecionar regularmente juntas buscando sinais de vazamentos. 5 Realizar inspeções internas periodicamente

22 Canais abertos Em certas centrais hidrelétricas o reservatório de água não é adjacente à instalação geradora e a condição geológica não é adequada à execução de túnel. Neste caso é necessária a construção de canais abertos para retirar água do reservatório e encaminhá-la à casa de força por longas distâncias. O principal objetivo dos canais abertos é transportar a água com o mínimo de perda de carga (pequena inclinação).

23 Reservatório anterior forebay: A função primária desta estrutura é prover armazenamento limitado para as hidrelétricas durante variações operacionais. Estas estruturas são dimensionadas para fornecer o suprimento inicial de água necessário para aumentar a vazão na turbina quando a usina aumenta sua geração, enquanto a água é acelerada nos condutos. Ela também recebe a rejeição do excedente de água devido à diminuição da potência gerada. Câmara de decantação: Um tanque ou câmara localizado a jusante do conduto forçado para aprisionar areia, lodo, etc, visando minimizar danos por erosão da turbina.

24 Comporta de serviço e stop logs:

25 Turbina Francis James Bicheno Francis, um engenheiro inglês que viveu nos USA desde cedo, desenvolveu a turbina que leva seu nome, em meados do século dezenove.

26 Turbina Francis Componentes: Coletor espiral: a função é fornecer água que vem do conduto forçado às paletas fixas mantendo uma velocidade constante em todo o perímetro da entrada da turbina. Para isto, tem uma redução gradual de sua área de secção. Paletas fixas: alinha o escoamento da água do coletor espiral para as paletas móveis. Paletas móveis: a sua função primária é controlar o fluxo de água para o rotor da turbina, controlando portanto a potência de saída. Também controla o ângulo de ataque da água nas lâminas do rotor. Rotor: Converte a energia potencial de pressão e o escoamento de água em energia mecânica rotacional.

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34 Turbina Kaplan/propulsor Viktor Kaplan, nasceu na Áustria em Educado em Viena, formou-se engenheiro mecânico em Depois de um ano na marinha e de dois anos projetando e construindo motores Diesel foi para a Universidade de Brunn em 1903, onde começou a trabalhar com turbinas hidráulicas. Já em 1905 sua primeira publicação foi sobre o projeto e construção das lâminas da turbina Kaplan. Desenvolveu um modelo de 4 polegadas de diâmetro. Em 1908 publicou um livro sobre o projeto e construção do rotor da turbina que foi apresentado como sua tese de doutorado. Em 1912 recebeu a primeira de suas 260 patentes.

35 Turbina Kaplan/propulsor Paletas direcionais: a função primária é controlar a vazão que chega ao rotor, controlando desta forma a potência gerada. Também controla o ângulo em que a água atinge as lâminas da turbina. O melhor ângulo de ataque implica em melhor eficiência da turbina. Nas unidades com lâminas ajustáveis, a rotação das lâminas é sincronizada com o movimento das paletas direcionais para otimizar a potência em larga faixa de operação. Rotor: Converte a energia potencial de pressão (altura de carga) e o escoamento da água em energia mecânica rotacional. Composto pelo cubo (hub), cone (nosecone), lâminas e um mecanismo interno para girar as lâminas, normalmente acionado por um pistão hidráulico. A pressão do óleo é controlada pelo governador do sistema hidráulico.

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44 Turbina Pelton: Lester Allen Pelton nasceu em Ohio em Em 1850 foi para a Califórnia na corrida do ouro. Lá os mineiros tinham desenvolvido uma roda dágua primária para auxiliar nas operações de mineração. Pelton incorporou melhoramentos nesta roda antiga e seu projeto inicial continua sendo utilizado em hidroelétricas atualmente.

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48 Turbina Pelton:

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54 Present performance retrata o desempenho de uma turbina degradada

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56 Comparando as três turbinas: