Sumário Prefácio Simbologia V VII Capítulo 1 Energia Hidráulica 1 1.1 Modelagem 3 1.2 Sistema Equivalente Hidromecânico 4 1.2.1 Hipóteses - Energias 4 1.2.2 Potências Bruta e Disponível 6 1.2.3 Energia Perdida no Sistema de Admissão 6 1.2.4 Potências e Rendimentos 6 1.3 Energia Hidráulica de um Rio, 8 1.3.1 Potência e Energia Teórica Média 8 1.3.2 Potência e Energia Teórica Média de Aproveitamento em Cascata 10 1.3.3 Aplicação 12 1.4 Exercícios 13 1.5 Referências 15 Capítulo 2 Implantação de Centrais Hidrelétricas 17 2.1 Classificação das Centrais Hidrelétricas 19 2.2 Benefícios e Vantagens das PCH 2O 2.3 Geração Hidrelétrica 21 2.4 Etapas para Implantação 22 2.5 Interligação dos Estudos e Projeto 25 2.6 Estudos Gerais 25 2.7 Projeto - Especificações 36 2.7.1 Tipos de Arranjos 36 2.7.2 Centrais Hidrelétricas de Baixa Queda 41 2.7.3 Centrais Hidrelétricas Maré Motriz 48 2.7.4 Obras Civis 50 2.7.5 Equipamentos Mecânicos e Hidromecânicos 51 2.7.6 Equipamentos Elétricos 52 2.8 Análise Econômico-Financeira 52
XXVIII CENTRAIS HIDRELÉTRICAS 2.9 Fluxogramas para Implantação 54 2.10 Procedimento Geral para Elaboração do Projeto Básico de PCH 58 2.10.1 Requisitos Gerais 58 2.10.2 Memorial Descritivo 58 2.10.3 Desenhos 62 2.11 Exercícios, 63 2.12 Referências 64 Capítulo 3 Estudo Hidrenergético 67 3.1 Reservatórios 69 3.2 Hidrologia Aplicada à Geração 74 3.2.1 Introdução 74 3.2.2 Levantamento e Disponibilidade de Dados 74 3.2.2.1 Postos fluviométricos 74 3.2.2.2 Apresentação dos dados 76 3.2.2.3 Complementação de Séries 79 3.2.3 Transposição de Vazões 81 3.2.4 Caracterização Estatística das Vazões 83 3.2.4.1 Fluviograma 83 3.2.4.2 Curva de Duração de Vazões 84 3.2.4.3 Períodos Crítico, Crítico de Ciclo Completo, Seco e Úmido 87 3.2.4.4 Diagrama de Rippl 88 3.2.5 Regularização de Vazões 93 3.2.6 Vazões Extremas 101 3.3 Níveis - Quedas 106 3.3.1 Nível Máximo Normal 107 3.3.2 Deplecionamento do Reservatório 111 3.3.3 Nível da Água Normal de Montante 112 3.3.4 Níveis da Água de [usante 112 3.3.5 Quedas 113 3.3.6 Algoritmo 113 3.3.7 Aplicação 114 3.4 Vazão de Projeto - Potências 114 3.4.1 Campo de Funcionamento 114 3.4.2 Benefícios - Custos 117 3.4.3 Critérios de Motorização 120 3.4.3.1 Critério da Vazão Firme 120 3.4.3.2 Critério do Fator de Capacidade 121 3.4.3.3 Critério da Maximização do Benefício Líquido 121 3.4.3.4 Critério da Média- Variância 123
SUMÁRIO XXIX 3.4.4 Estudos Complementares para a Motorização 129 3.4.4.1 Efeito da Regularização Diária 129 3.4.4.2 Técnicas de Simulação 130 3.4.5 Potências - Energias 134 3.5 Guia Prático para Avaliação Expedita de Potencial Hidráulico 135 3.5.1 Objetivos - Conteúdo 135 3.5.2 Base Teórica 136 3.5.3 Roteiro 138 3.5.4 Aplicação do Roteiro 142 3.5.5 Comentários - Recomendações 143 3.6 Exercícios 144 3.7 Referências 147 Capítulo 4 Obras Civis - Equipamentos Hidromecânicos 149 4.1 Barragens...... 151 4.1.1 Conceitos - Tipos 151 4.1.2 Condições de Carregamento 156 4.1.3 Estabilidade 158 4.1.4 Cálculo e Projeto...... 160 4.1.5 Exemplo do Cálculo de Estabilidade de Barragem de Concreto 162 4.1.5.1 Hipóteses 162 4.1.5.2 Algoritmo 165 4.1.3.3 Aplicação 169 4.2 Extravasor (Vertedouro ) 169 4.3 Tomada da Água 170 4.4 Comportas 174 4.4.1 Conceito - Classificação - Tipos 174 4.4.2 Escolha do Tipo 189 4.4.3 Cargas 190 4.4.4 Base Teórica das Cargas Hidrostáticas 192 4.4.5 Tipos de Carregamento 194 4.4.6 Tensões Admissíveis 195 4.4.7 Vazão Através da Comporta 196 4.4.8 Conteúdo da Memória de Cálculo 196 4.4.9 Aplicação 197 4.4.9.1 Elementos fornecidos e fixados 198 4.4.9.2 Tensão na chapa do paramento 198 4.4.9.3 Cálculo das vigas horizontais 199 4.5 Grade de Tomada da Água 202 4.5.1 Características 202 4.5.2. Cargas 204
xxx CENTRAIS HIDRELÉTRICAS 4.5.3 Tipos de Carregamento 205 4.5.4 Tensões Adrnissíveis 205 4.5.5 Espaçamento entre Barras Verticais 206 4.5.6 Vibrações 206 4.5.7 Perda de Carga 207 4.5.8 Custo 207 4.5.9 Aplicação 207 4.5.9.1 Elementos fornecidos e fixados 207 4.5.9.2 Cálculo estrutural das barras verticais 208 4.5.9.3 Cálculo estrutural das barras horizontais 209 4.5.9.4 Análise de vibração 209 4.6 Válvulas 211 4.6.1 Conceito - Tipos - Nomenclatura 211 4.6.2 Cargas - Dimensionamento 217 4.6.3 Cargas Hidrostáticas 218 4.6.4 Carga do Peso da Válvula, 218 4.6.5 Carga de Aperto 218 4.6.6 Carga do Contrapeso 219 4.6.7 Vazão 221 4.7 Desvio do Rio 221 4.7.1 Considerações 221 4.7.2 Altura de Ensecadeira 222 4.7.2.1 Método de Recorrência 222 4.7.2.2 Método Expedito 224 4.7.2.3 Algoritmo 225 4.7.2.4 Aplicação 226 4.7.3 Outros Componentes 227 4.8 Exercícios 227 4.9 Referências 229 Capítulo 5 Sistema de Baixa Pressão 233 5.1 Operação de CH 235 5.1.1 Regime Transitório 235 5.1.2 Golpe de Aríete 237 5.1.3Tempo Hidráulico do Conduto 240 5.1.4 Comprimento Máximo do Conduto Forçado 241 5.2 Canais 244 5.2.1 Conceitos, 244 5.2.2 Energia Cinética 245 5.2.3 Velocidades 247
SUMÁRIO XXXI 5.2.4 Equação Geral dos Canais 248 5.2.5 Canais para CH 250 5.2.6 Algoritmo : 251 5.2.7 Aplicação 252 5.3 Desarenador 252 5.3.1 Características - Equacionamento 1 252 5.3.2 Algoritmo 254 5.3.3 Aplicação 255 5.4 Câmara de Carga 255 5.4.1 Conceitos - 'Objetivos 255 5.4.2 Partida Brusca 257 5.4.3 Parada Brusca 258 5.4.4 Algoritmo 259 5.4.5 Aplicação 260 5.4.6 Comentários 260 5.5 Conduto de Baixa Pressão 260 5.6 Túnel Forçado de Seção Circular 262 5.7 Chaminé de Equilíbrio 264 5.7.1 Critérios - Dimensões 264 5.7.2 Variações do Nível- Período de Oscilação 265 5.7.3 Algoritmo 266 5.7.4 Aplicação 268 5.8 Exercícios 268 5.9 Referências 269 Capítulo 6 Sistema de Alta Pressão 271 6.1 Conduto Forçado 273 6.1.1 Tipos e Limitações 273 6.1.2 Diâmetro 274 6.1.3 Algoritmo 276 6.1.4 Aplicação...... 278 6.2 Blocos de Apoio - Selas - e de Ancoragem 278 6.2.1 Esquemas, Convenções e Distâncias 278 6.2.1.1 Esquemas e Convenções 278 6.2.1.2 Distância entre Selas de Concreto 279 6.2.1.3 Distância entre Blocos 279 6.2.2 Blocos de Apoio - Selas 280 6.2.2.1 Características 280 6.2.2.2 Forças 282 6.2.2.3 Estabilidade 284
XXXII CENTRAIS HIDRELÉTRICAS 6.2.2.4 Algoritmo 285 6.2.2.5 Aplicação 286 6.2.3 Blocos de Ancoragem 286 6.2.3.1 Características 286 6.2.3.2 Forças 290 6.2.3.3 Estabilidade 298 6.2.3.4 Algoritmo 300 6.2.3.5 Aplicação 303 6.3 Vibrações em Condutos Forçados 304 6.3.1 Origem das Vibrações 304 6.3.2 Modos de Vibração 305 6.3.3 Cálculo das Vibrações em TH 305 6.3.4 Frequência Natural de Vibração do Conduto 305 6.4 Otimização de Condutos Forçados 306 6.5 Exercícios, 308 6.6 Referências 308 Capítulo 7 Grupos Geradores 309 7.1 Tipos - Componentes 311 7.2 Turbinas Hidráulicas - TH 312 7.2.1 Classificação - Tipos 312 7.2.2 Turbinas Hidráulicas de Ação 313 7.2.3 Turbinas Hidráulicas com Rotor Francis 315 7.2.4 Turbinas Hidráulicas com Rotor Axial 317 7.2.5 Turbinas Hidráulicas Tubulares 319 7.2.5.1 Conceito - Tipos 319 7.2.5.2 Grupo Gerador S 321 7.2.5.3 Grupo Gerador Bulbo 322 7.2.5.4 Grupo Gerador Poço 326 7.2.5.5 Grupo Gerador Straflo 327 7.2.6 Turbinas Hidráulicas Cinéticas 328 7.2.7 Equação Fundamental 331 7.2.8 Rotação Específica 333 7.2.9 Campo Operacional 335 7.2.10 Altura de Sucção 336 7.2.11 Rotação de Disparo 338 7.2.12 Dimensões de Montagem " 339 7.2.12.1 Dimensão característica 339 7.2.12.2 Espirais 340 7.2.12.3 Tubo de Sucção 341 l...\.1..~(;1:\1yo "Bulbo 342 7.2.12.5 Volante 343
SUMÁRIO XXXIII 7.2.13 Escolha do Tipo de TH 344 7.2.13.1 Roteiro 344 7.2.13.2 Aplicação 346 7.3 Número de Grupos Geradores 346 7.3.1 Critérios - Limitações 346 7.3.2 Determinação Preliminar 347 7.3.3 Algoritmo para Número de GG com Caixa Espiral 349 7.3.3.1 Considerações e Limitações 349 7.3.3.2 Algoritmo 350 7.3.3.3 Aplicação 354 7.3.4 Algoritmo para Número de Grupos Bulbos 356 7.3.4.1 Considerações e Limitações : 356 7.3.4.2 Algoritmo 358 7.3.4.3 Aplicação 359 7.4 Geradores Elétricos - GE 360 7.4.1 Classificação - Tipos 360 7.4.1.1 Características Gerais 360 7.4.1.2 Análise Dimensional 361 7.4.2 Especificação Mínima 362 7.4.2.1 Potência Nominal 362 7.4.2.2 Tensão Nominal 364 7.4.2.3 Fator de Potência Nominal 365 7.4.2.4 Reatância de Eixo Direto 365 7.4.2.5 Rotação Nominal 366 7.4.2.6 Características Físicas 366 7.4.3 Arranjos de Montagens 368 7.4.4 Graus de Proteção 372 7.4.5 Circuitos de Refrigeração 374 7.4.6 Sistemas de Excitação 375 7.4.7 Dimensionamento das Fundações dos GE 376 7.4.8 Especificações Adicionais 378 7.4.8.1 Ensaios de Rotina 379 7.4.8.2 Ensaios de Tipo 379 7.5 Reguladores de Velocidade - RV 380 7.5.1 Conceitos - Tipos : 380 7.5.2 Características 382 7.6 Reguladores de Tensão - RT 385 7.7 Supervisão de CH 386 7.8 Subestações 390 7.9 Sistemas Auxiliares 392 7.10 Exercícios 394 7.11 Referências 395
XXXIV CENTRAIS HIDRELÉTRICAS Capítulo 8 Casa de Máquinas - Sistema de Descarga 399 8.1 Casa de Máquinas 401 8.1.1 Etapas - Fases 401 8.1.2 Projeto Básico 402 8.1.2.1 Dados 402 8.1.2.2 Roteiro 403 8.2 Sistema de Descarga 408 8.2.1 Descarga das TH 408 8.2.2 Descarga de Extravasores, Válvulas e Comportas 409 8.3 Exercícios 412 8.4 Referências 413 Capítulo 9 Apêndice 415 9.1 Perdas de Energia 417 9.1.1 Energia Específica Perdida nos Trechos Retos dos Condutos 417 9.1.2 Energia Específica Perdida nas Singularidades 418 9.1.3 Coeficientes de Perda Específica de Energia nas Singularidades 419 9.1.3.1 Reservatório - Conduto 419 9.1.3.2 Estreitamento e Alargamento Brusco 420 9.1.3.3 Estreitamento e Alargamento Gradual 420 9.1.3.4 Curva Circular com e < 90 421 9.1.3.5 Curva Circular de 90 421 9.1.3.6 Desvios 421 9.1.3.7 Bifurcação com Cantos Vivos e Arredondados - Seções Circulares : 422 9.1.3.8 Bifurcação com Redução e Reduções Simétricas - Seções Circulares 424 9.1.3.9 Juntas de Dilatação 425 9.1.3.10 Válvulas 425 9.1.3.11 Grades 427 9.2 Comissionamento de Centrais Hidrelétricas 428 9.2.1 Introdução, 428 9.2.2 Modelo Geral de Plano para Ensaio de Recepção 429 9.2.3 Modelo de Plano para Ensaio de Recepção de TB 438 9.2.4 Deterrnin.ação das Quedas Líquidas para TB 443 9.2.5 Deterrnin.ação das Potências Hidráulicas para TB 445 9.2.6 Deterrnin.ação dos Rendimentos no Eixo da TB 445 9.2.7 Deterrnin.ação do Rendimento Ponderado da TB 445 9.2.8 Relatório dos Ensaios de Cornissionamento de GB 446
SUMÁRIO xxxv 9.3 Roteiros para Estudos de Implantação 446 9.3.1 Roteiro Geral Síntese 447 9.3.2 Roteiro para PCH 449 9.4 Diretrizes Gerais para Operação e Manutenção de PCH 456 9.4.1 Diagnóstico e Providências 456 9.4.2 Diretrizes e Recomendações para Manual de Operação 466 9.4.2.1 Definições 466 9.4.2.2 Necessidades 467 9.4.2.3 Operação da PCH depois de parada de todas suas unidades..468 9.4.2.4 Parada normal de uma unidade 471 9.4.2.5 Parada normal de todas as unidades 472 9.4.2.6 Parada de emergência de uma unidade 472 9.4.2.7 Parada de emergência de todas as unidades 472 9.4.3 Diretrizes e Recomendações para Manual de Manutenção 473 9.4.3.1 Necessidades e Conteúdo 473 9.4.3.2 Diretrizes 473 9.4.3.3 Programação 479 9.5 Referências 482