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UFRJ 1 Tema 7 - Casas de força e seus principais equipamentos: turbinas, geradores e transformadores de energia elétrica Heloisa Teixeira Firmo hfirmo@poli.ufrj.br UFRJ 2 Sumário: 1. Bibliografia. 2. Introdução: Revisão de alguns conceitos de eletrotécnica. 3. Geradores. 4. Transformadores. 5. Casas de força. 6. Número e tamanho dos grupos de geração. 7. Turbinas. 8. Pré-Dimensionamento. 9. Arranjo da casa de força. 10. Equipamentos auxiliares. 11. Distribuição de energia elétrica. UFRJ 3 Schreiber, Usinas Hidrelétricas - Editora Edgar Blücher, Ltda. Macintyre, Máquinas Motrizes Hidráulicas. USBR, Selecting Hydraulic Reaction Turbines. Manuais ELB (Inventário, PCH, Viabilidade, Projeto Básico). Internet... 1. Bibliografia. UFRJ 4 O deslocamento ordenado de cargas (corrente elétrica) produz um campo magnético. 2. Introdução: Revisão de alguns conceitos de eletrotécnica UFRJ 5 Pode-se afirmar que o campo magnético diminui quando: nos afastamos do condutor diminui a corrente elétrica Se dobrarmos um condutor em forma de espira, o campo magnético vai reforçar-se criando um pólo norte num dos lados da espira em pólo sul do outro lado. 2. Introdução: Revisão de alguns conceitos de eletrotécnica UFRJ 6 Se enrolarmos um condutor em forma de bobina (conjunto de espiras) o efeito do campo magnético criado é ainda maior. 2. Introdução: Revisão de alguns conceitos de eletrotécnica UFRJ 7 Quando um pedaço de metal facilmente magnetizável é colocado perto de uma bobina em corrente, o pedaço de metal desloca-se na direção da bobina. Isto porque o pedaço de metal é magnetizado e atraído pelo campo magnético gerado pela bobina. A força do campo magnético, quando uma corrente atravessa a bobina, é proporcional à quantidade de espiras e à intensidade dessa corrente. 2. Introdução: Revisão de alguns conceitos de eletrotécnica UFRJ 8 Com a lei de Ampère, aprendemos que uma corrente elétrica induz um campo magnético. Na década de 1830, Faraday descobriu o inverso, isto é, um campo magnético pode criar uma corrente elétrica. Isso é possível através do surgimento de uma força eletromotriz (fem) induzida. Quando uma barra magnetizada se movimenta no interior de uma bobina, induz-se nesta última, uma corrente elétrica. 2. Introdução: Revisão de alguns conceitos de eletrotécnica ‘ 2. Introdução. UFRJ 11 Princípio de funcionamento de um gerador de corrente alternada (alternador). Apenas é induzida f.e.m. num condutor se o seu movimento for normal às linha de força de um campo magnético, i.e.: Apenas nos movimentos a e c é gerada f.e.m. 3. Geradores. UFRJ 12 Se o condutor tiver uma trajetória circular o valor da f.e.m. mudará constantemente. 3. Geradores. UFRJ 13 Se, ao invés de termos um condutor retilíneo em movimento dentro de um campo magnético, tivermos uma espira, em rotação em torno do seu eixo, as f.e.m. induzidas em ambos os lados da espira vão adicionar-se 3. Geradores. UFRJ 14 3. Geradores. Dado que para a geração de f.e.m. o que interessa é o movimento relativo entre condutores e campo magnético, se em vez de serem condutores(espira) a rodar com o magneto parado, for o magneto que rodar com a espira parada, o efeito será similar. 3. Geradores. UFRJ 16 Magneto em rotação dentro de uma espira estática 3. Geradores. UFRJ 17 3. Geradores. O gerador transforma a energia mecânica produzida pela turbina em energia elétrica. No Brasil, a energia das redes públicas de transmissão é de corrente alternada, trifásica, 60 Hz. O gerador possui uma parte móvel (rotor acoplado à turbina) e uma parte fixa, o estator. O estator deve estar fortemente ancorado ao concreto da casa de força para poder resistir ao momento de torção que assume seu valor máximo na ocasião de um curto-circuito. Os pólos do rotor magnetizados por corrente contínua, passam pelas bobinas do estator, induzindo nelas a corrente alternada. UFRJ 18 Nos geradores, o movimento de rotação do rotor provoca o aparecimento de uma f.e.m. no estator. Todas as máquinas rotativas de corrente alternada têm uma relação entre a freqüência da tensão de alimentação e a sua velocidade de rotação. Porém, as máquinas síncronas possuem uma velocidade de rotação fixa, que está relacionada, de uma forma rígida, com aquela freqüência. Essa relação é dada pela equação: f = p.n em que f é a freqüência, n é a velocidade de rotação (em rotações por segundo) e p é o número de pares de pólos da máquina. 3. Geradores. UFRJ 19 Levando-se em conta que o número de bobinas do estator corresponde ao número de pares de pólos do rotor, que o estator de grandes geradores deve ser transportado em partes e que o número das bobinas de cada uma dessas partes deve ser iguais, pode-se aplicar números de rotação que correspondam a um número de pólos divisível por 4. Perdas de um gerador: com fator máximo de rendimento de 97% , os 3% de perdas transformam-se quase completamente em calor, que deve ser retirado para evitar aquecimento excessivo no gerador. Com essa finalidade, o rotor é equipado com aletas de ventilação. 3. Geradores. UFRJ 20 Devido à versatilidade operativa e aos elevados rendimentos na conversão de energia, os geradores síncronos são amplamente utilizados em centrais hidrelétricas. Os geradores assíncronos, ou de indução, possuem a característica básica de trabalharem com rotação levemente diferente da rotação síncrona. 3. Geradores. UFRJ 22 5. Turbinas. Francis Turbina Francis da Voith (azul) acoplada a gerador Westinghouse de 117,6 kW (vermelho) http://pt.wikipedia.org/wiki/Gerador UFRJ 24 A corrente elétrica alternada é hoje preferencialmente usada para a transmissão e distribuição de energia elétrica, pela facilidade de sua transformação em valores mais altos ou mais baixos, graças a um equipamento chamado transformador. Na saída da usina geradora a tensão é elevada, diminuindo-se a corrente, antes da sua entrada na linha de transmissão. No outro extremo da linha, fazemos o inverso, isto é diminuímos a tensão e elevamos a corrente, para que possamos fazer a distribuição de energia. 4. Transformadores. UFRJ 25 4. Transformadores. O transformador é uma máquina estática (não tem peças em movimento) que baseia seu funcionamento na indução eletromagnética. Destina-se a baixar ou elevar o valor de uma tensão ou de uma corrente. UFRJ 27 Para facilitar a passagem das linhas de força, utiliza-se um material ferromagnético (bom condutor deste campo) a que se dá o nome de núcleo. 4. Transformadores. UFRJ 28 4. Transformadores. Nos transformadores da subestação elevadora de tensão, o enrolamento primário tem menor número de voltas de fio que o enrolamento secundário, podendo, em muitos casos, este enrolamento ser constituído por fios mais finos. UFRJ 29 4. Transformadores. Os transformadores rebaixadores de tensão têm maior número de voltas de fio no enrolamento primário que no secundário. Em geral, nesse tipo de transformador os fios utilizados no enrolamento secundário são mais grossos. UFRJ 30 Sendo UP e US as tensões nos terminais dos fios nos enrolamentos primário e secundário e NP e NS o número de voltas de fio em cada um desses enrolamentos, vale a seguinte relação para o transformador: UP/US=NP/NS 4. Transformadores. UFRJ 31 Balanço energético no transformador O rendimento nos transformadores é em torno de 98%, o que significa que a potência elétrica no enrolamento primário é praticamente igual à do enrolamento secundário, ou seja, UP iP (enrolamento primário) = US iS (enrolamento secundário)ou: UP/US=iS/iP 4. Transformadores. UFRJ 33 5. Casa de força. Normalmente, a casa de força é um edifício com a função de abrigar os equipamentos eletromecânicos e pessoal para operação da usina. De acordo com o local, elas podem ser: Externas: - abrigadas, com superestrutura e ponte rolante. - semi-abrigadas, com cobertura removível e guindaste pórtico externo. - abertas, com a tampa do gerador ao tempo. Em caverna – a casa de força está enterrada e tem de ter altura suficiente para a retirada da maior peça do grupo turbina-gerador. UFRJ 34 5. Casa de Força. É composta das seguintes partes: hall de máquinas; Área de descarga e montagem das máquinas; Anexos para a instalação de equipamentos elétricos e mecânicos; Passagens de dutos para cabos, barramentos e tubulações. Em adição, outras partes podem ou não estar na casa de força: sala de controle, oficina de manutenção, almoxarifado e escritório. UFRJ 35 5. Casas de força. A largura, o comprimento e a altura do hall de máquinas são determinadas principalmente pelas dimensões e arranjo dos grupos de geração. Os demais equipamentos elétricos, tais como transformadores, painéis de comando e equipamentos dos serviços auxiliares são usualmente acomodados de forma mais conveniente nos anexos ou extensões do hall das máquinas. Nos casos de usinas semi-abrigadas a casa de força possui uma cobertura removível e a retirada das peças dos grupos é feita por intermédio de um guindaste pórtico. UFRJ 36 5. Casas de força. O comprimento do edifício depende da disposição, número e dimensões dos grupos de geração. A largura do edifício depende dos seguintes aspectos: Dimensões e arranjos dos grupos de geração. Espaço para manutenção dos grupos. Desde que o edifício seja totalmente coberto, i.e., sejam instaladas uma ou duas pontes rolantes externas, a altura do edifício é definida pela altura de levantamento do gancho da ponte rolante, que será utilizada para retirar a maior peça dos grupos gerador- turbina e transportar até a área de manutenção. UFRJ 37 5. Casas de força. O eixo da unidade turbina-gerador pode ter posição horizontal ou vertical. Atualmente, a posição horizontal é usada apenas em unidades pequenas, enquanto as máquinas de grande potência nas usinas modernas são quase exclusivamente verticais. UFRJ 38 6. Número e tamanho dos grupos de geração. A capacidade total de geração de uma UHE é estabelecida levando-se em conta: A quantidade de energia que pode ser obtida de uma bacia hidrográfica por ela controlada e possíveis regularizações a montante, a potência firme e a potência média. O fator de capacidade que se pretende operar a usina, que depende do fator de demanda (carga) local ou global e pode variar de um mínimo no entorno de 0,25 (usina de ponta) até valores superiores a 0,60 O custo da energia produzida, incluindo investimento, O&M. O retorno esperado. UFRJ 39 6. Número e tamanho dos grupos de geração. Uma vez determinada a capacidade total a ser instalada, o próximo passo é decidir o número de grupos de geração. Os principais fatores que governam esta escolha são: Custo da instalação: o custo da CF e das fundações aumenta com o número de grupos, porém não na proporção direta. O aumento do número de grupos aumentará também os custos de outros itens do empreendimento. O preço de um grupo normalmente é mais barato do que o preço de dois grupos de potência igual à metade. Custo de operação: o custo de O&M de diversos grupos é maior do que o correspondente custo para grupos maiores e em menor número. UFRJ 40 6. Número e tamanho dos grupos de geração. Confiabilidade do suprimento: as considerações que foram feitas levam sempre a diminuir ao mínimo o número de grupos. Entretanto é necessário assegurar a máxima confiabilidade ao suprimento de energia, no evento de falha ou retirada para manutenção de qualquer grupo de geração. A localização da planta e a sua utilização é um fator importante na análise desse item: se a usina alimenta um sistema isolado, é necessário que tenha um ou dois grupos de reserva para qualquer eventualidade; caso a usina esteja no sistema interligado haverá necessidade de verificar o número necessário de grupos reserva e mesmo se há necessidade de reserva. UFRJ 41 6. Número e tamanho dos grupos de geração. Limites de Potência: independentemente dos limites de altura da queda associada aos diferentes tipos de turbinas, existem também os limites de potência para os vários tipos de turbinas e geradores em função da velocidade do grupo. No caso da turbina, este aspecto é devido a problemas do tamanho físico e de esforços mecânicos e também de considerações hidráulicas. Para os geradores, os problemas de esforços mecânicos do rotor nas condições de velocidade de disparo e de refrigeração são as variáveis que limitam o crescimento das potências dos grupos. 2 geradores 60 MW UFRJ 43 7. Turbinas. Basicamente existem dois tipos de turbinas hidráulicas: as de ação e as de reação. Ação: trabalho mecânico é obtido pela transformação de energia cinética: tudo isto ocorre a pressão atmosférica. Mais comuns: Pelton, Michell-Banki. Reação: Na turbina de reação, trabalho mecânico é obtido pela transformação de energia cinética e de pressão da água em escoamento, o rotor é completamente submergido na água, com o escoamento da água ocorre uma diminuição de pressão e de velocidade entre a entrada e a saída do rotor. Mais usadas: Francis, Kaplan. UFRJ 44 7. Turbinas. Pelton Pelton Kaplan Francis Francis Francis www.cerpch.efei.br/turbinas.html UFRJ 45 7. Turbinas. Ação: Pelton, Michell-Banki Pelton opera em quedas relativamente altas e pequenas vazões, com eixo horizontal, no caso de ter um ou dois jatos e eixo vertical para um número de jatos de 3 a 6, podendo alcançar potências até 100 MW por unidade e quedas de 1900m. A outra geometria de ação, o rotor Michell-Banki possui sempre eixo horizontal e pode alcançar potência máxima de 2 MW. A simplicidade construtiva e o baixo custo de manutenção fazem com que esse turbina seja a preferida em sítios distantes dos grandes centros e que necessitem de pouca potência. UFRJ 46 7. Turbinas: Pelton. www.cerpch.efei.br/turbinas.html http://enerp4.ist.utl.pt/ruicastro/download/Mh_ed2.pdf 7. Turbinas: Michell-Banki. http://meusite.mackenzie.com.br/mellojr/Turbinas%20Hidr%E1ulicas/CAP%CDTULO%203REV.htm UFRJ 48 7. Turbinas. Francis: Estator ou carcaça em forma de espiral, tubo de sucção com curva e cone. 600 > Hb (m) > 8 UFRJ 49 7. Turbinas: Francis. Francis UFRJ 50 7. Turbinas: Francis. Francis Guri II Power Station (Venezuela) www.toshiba.co.jp/.../ equipment/index01_1.htm A Francis turbine runner, rated at nearly one million hp, being installed at the Grand Coulee Dam http://en.wikipedia.org/wiki/Water_turbine UFRJ 52 7. Turbinas. Hélice e Kaplan: com relação à forma da carcaça e da maioria dos componentes, as turbinas de reação com motor axial se assemelham às do tipo Francis, exceto na geometria do rotor, composta por cubo com pás em forma de asa de sustentação, cujo número varia de 2 a 8. Essas pás podem ser fixadas rigidamente ao cubo e o rotor axial recebe a denominação de rotor hélice e a turbina correspondente, turbina hidráulica hélice. No caso das pás terem movimento em relação ao cubo, o rotor denomina- se Kaplan e a turbina, turbina hidráulica Kaplan. UFRJ 53 7. Turbinas. Kaplan Eixo turbina Kaplan - Sobradinho A propeller-type Kaplan runner rated 28,000 hp http://en.wikipedia.org/wiki/Water_turbine Turbinas: manutençao – cavitação . http://en.wikipedia.org/wiki/Water_turbine UFRJ57 7. Turbinas. Turbina hidráulica axial bulbo: com gerador dentro do bulbo. Esse tipo tem sido utilizado na faixa de quedas entre 2 e 30 metros sendo a potência máxima construída de 66 MW (não mais – Jirau = 76,5 MW). UFRJ 58 7. Turbinas. http://meusite.mackenzie.com.br/mellojr/Turbinas%20Hidr%E1ulicas/CAP%CDTULO%203REV.htm UFRJ 59 7. Turbinas. As turbinas axiais vêm apresentando grande interesse para quedas pequenas em rios de maiores vazões que habitualmente se consideraria para instalações da turbinas tipo Francis e fluxo cruzado. A turbina axial deu origem a uma série de variantes, além do conceito da turbina Kaplan, como: a turbina Bulbo, a turbina Sifão, a turbina S, tanto de jusante quanto de montante e até a turbina Strafflo. UFRJ 60 7. Turbinas. As turbinas axiais tipo "S" têm sua aplicação, principalmente para aproveitamento de baixas quedas, entre 5 e 20 m, podendo em alguns casos chegar a 25 m de queda. Seu emprego em projetos de pequenos aproveitamentos é conveniente por apresentar flexibilidade de operação, simplicidade de montagem e facilidade de acesso e manutenção. Cada dimensão de turbina pode ser fornecida, dependendo das variações de altura de queda e vazão em quatro variantes: distribuidor móvel e rotor de pás móveis; distribuidor fixo e rotor de pás móveis; distribuidor móvel e rotor de pás fixas; distribuidor fixo e rotor de pás fixas; UFRJ 61 7. Turbinas. http://meusite.mackenzie.com.br/mellojr/Turbinas%20Hidr%E1ulicas/CAP%CDTULO%203REV.htm UFRJ 62 7. Turbinas. Turbina axial periférica ou straflo (straight flo): com gerador externo e coroa de pólos nas extremidades das pás do rotor. Esse tipo reduz substancialmente a casa de máquinas. Rendimentos de alguns tipos de turbinas com variações de vazões para PCH’s. http://meusite.mackenzie.com.br/mellojr/Turbinas%20Hidr%E1ulicas/CAP%CDTULO%203REV.htm UFRJ 64 7. Turbinas. A escolha do tipo adequado baseia-se nas condições de vazão, queda líquida, na rotação da turbina, no casamento turbina-gerador e na altura de sucção, no caso de máquinas de reação . Conhecidos a altura (H) e a vazão (Q) disponíveis no local, levando-se em conta: a rotação (n) imposta em valores discretos em função do número de pares de pólos (z), do gerador elétrico, e altura de sucção,(hs), no caso da turbina hidráulica ser de reação, determina-se uma rotação específica, que definirá o tipo de rotor da turbina hidráulica, adequado ao aproveitamento em questão . UFRJ 65 7. Turbinas. Define-se como rotação específica, ou ainda velocidade específica, o número de rotações por minuto de uma turbina unidade, tomada como padrão da turbina dada, e que representa todas as que lhe forem geometricamente semelhantes, desenvolvendo a potência de P = 1 HP, sob uma queda Hu = 1 m; ns - velocidade específica; n - rotação em rpm; P - potência em cv; H - queda em m. 251 50 , , H P nns UFRJ 66 7. Turbinas. Semelhança de turbinas: corresponde a um conjunto de leis e conhecimentos através dos quais se torna possível prever o comportamento de uma turbina de maior porte a partir da atuação ou desempenho de uma turbina menor; O aumento da ns tem as vantagens: aumento da velocidade do gerador e diminuição de seu peso e preço; Diminuição do diâmetro do rotor e das suas dimensões físicas, do peso e do preço da turbina; Diminuição das dimensões da casa de força; Pórticos rolantes mais leves. Desvantagem; diminuição da eficiência das turbinas. UFRJ 67 8. Pré-dimensionamento. As principais informações utilizadas para dimensionamento da turbina são as seguintes: potência instalada inicial em MW; queda líquida máxima em m; nível d’água normal do canal de fuga; nível d’água mínimo do canal de fuga; fator de potência; rendimento médio do gerador; temperatura média da água no verão, T em °C; freqüência do sistema elétrico, f em Hz, 60 Hz no caso do Brasil. UFRJ 68 8. Pré-dimensionamento. A seleção do tipo de turbina poderá ser feita diretamente a partir do gráfico a seguir, em função da queda líquida máxima e da potência unitária da turbina, ou pelas seguintes expressões equivalentes (Eletrosul, 1996- Manual Inventário), para H em metros: para Pelton: 150 H1 1500 para Francis de eixo vertical: 27 H1 600 para Francis de eixo horizontal: 50 H1 350 50 H1 350 para Kaplan: UFRJ 69 8. Pré-dimensionamento. Seleção de turbinas. 1000900800700600500400300200100807060 9050403020108 9765 2000 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 90 70 80 60 50 40 30 20 3 4 5 6 7 8 9 10 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1314 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 32 31 UFRJ 71 8. Pré-dimensionamento. Para quedas onde é possível adotar mais de um tipo de turbina, a seleção deverá ser feita levando em consideração características técnicas e operacionais do equipamento de geração e também custos e benefícios associados a cada tipo. UFRJ 72 8. Pré-dimensionamento. As principais informações para quantificação são as seguintes: cota média do terreno na área da casa de força; condições geológicas e profundidade do topo rochoso na área da casa de força; volume de concreto correspondente à escavação adicional necessária por fundação deficiente; volume de concreto resultante de modificações no projeto para nível d’água máximo do canal de fuga superior à cota do piso do gerador; tipo de casa de força; e nível d’água máximo do canal de fuga. UFRJ 73 8. Pré-dimensionamento. Manual de Inventário - ELB A velocidade específica inicial, n’s, é obtida no gráfico abaixo em função da queda líquida máxima ou pelas expressões equivalentes (Eletrosul, 1996): 10 100 1000 10000 10 100 1000 Eixo Horizontal ns=271xlog(502/H) para 50,6 H < 192,9 ns=3364xH -0,646, para 192,9 H 360,8 Eixo vertical ns=219xlog(1006/H) para 33,2 H 358,1 ns=2772xH -0,568 para 358,1 < H 1179,6 VELOCIDADE ESPECÍFICA (ns) Limites de aplicação: 33,2 H 1180 UFRJ 74 8. Pré-dimensionamento (Pelton). 1 1 6 g1 Hk P10 N= Q k g t g 1 1 89,01t 95,01g UFRJ 75 8. Pré-dimensionamento(Pelton). Q1 - vazão turbinada máxima total, em m 3/s; H1 - queda líquida máxima, em m; P1 - potência de uma unidade geradora, em MW; k - coeficiente; = 1000 kg/m3 - massa específica da água; t1 - rendimento da turbina para queda líquida máxima; g1 - rendimento do gerador para queda líquida máxima; g = 9,81 m/s2 - aceleração da gravidade; UFRJ 76 8. Pré-dimensionamento (Pelton). A velocidade inicial, n’ (rpm), é dada pela expressão: n' = n' H Ps 1 1,25 1t -0,5 sendo: j P10 = P g 1 3 1t n’s - velocidade específica inicial; H1 - queda líqüida máxima, em m; P1t - potência unitária da turbina, em kW; P1 - potência de uma unidade geradora, em MW; e g j - rendimento do gerador para queda líquida máxima. – número de injetores UFRJ 77 8. Pré-dimensionamento (Pelton). O número de pólos do gerador, p, é obtido a partir do Quadro 5.8.2.01 (Manual de Inventário, Eletrobras), em função da velocidade inicial e vazão turbinada unitária máxima. UFRJ 78 8. Pré-dimensionamento. Nº de Velocidade Nº de Velocidade pólos do Síncrona pólos do Síncrona gerad or 50 Hz 60 Hz gerad or 50 Hz 60 Hz 6 1000 1200 60 100,0 120,0 8 750,0 900,0 62 96,8 116,1 10 600,0 720,0 64 93,75 112,5 12 500,0 600,0 66 90,91 109,09 14 428,57 514,29 68 88,24 105,88 16 375,0 450,0 70 85,71 102,86 18 333,33 400,0 72 83,33 100,0 20 300,0 360,0 76 78,95 94,74 22 272,73 327,27 78 76,92 92,31 24 250,0 300,0 80 75,00 90 26 230,7 276,9 82 73,17 87,80 28 214,29 257,1484 71,43 85,71 30 200,0 240,0 86 69,77 83,72 32 187,50 225,0 88 68,18 81,82 34 176,47 211,8 90 66,67 80,0 36 166,67 200,0 92 65,22 78,26 38 157,89 189,47 96 62,50 75,0 40 150,0 180,0 98 61,2 73,5 42 142,86 171,43 100 60,00 72,0 44 136,36 163,64 104 57,69 69,23 46 130,43 156,52 108 55,56 66,67 48 125,0 150,0 112 53,57 64,29 50 120,0 144,0 116 51,72 62,07 52 115,38 138,46 120 50,0 60,0 56 107,14 128,57 124 48,39 58,06 58 103,45 124,14 128 46,88 56,25 60 100,0 120,0 132 45,45 54,55 UFRJ 79 8. Pré-dimensionamento (Pelton). Dimensões da caixa espiral e do tubo de sucção D n Dsj3 21028 0 0137 , , L D 078 206 3, , G L 0196 0 376, , H L 0 62 0 513, , I L 128 0 37, , B L 0 595 0 694, , C L 0 362 0 68, , D L 0 219 070, , E L 0 43 070, , A D E B C D3, A, B, C, D, E - dimensões da turbina, em m; F, G, H I, L - dimensões da câmara blindada, em m; e D2 - diâmetro da linha de centro do jato, em m. UFRJ 80 8. Pré-dimensionamento (Pelton). Dimensões da casa de força A largura de bloco da unidade da casa de força no sentido transversal ao fluxo, B1cf (m), é dada pela expressão B B C dcf1 1 B,C - dimensões do bico injetor, em m; e d1 - espaçamento entre unidades geradoras definido pelo projetista, em m. UFRJ 81 8. Pré-dimensionamento (Pelton). Dimensões da casa de força A largura total da casa de força, Bcf (m), sem incluir a área de montagem, é dada pela expressão B = N B + 2,0cf g 1cf Ng - número de unidades geradoras; e B1cf - largura de bloco da unidade da casa de força, em m. UFRJ 82 8. Pré-dimensionamento. E mais: Largura da área de montagem Comprimento da superestrutura, Volume de escavação comum, Volume de escavação em rocha, Tratamento das fundações, Cálculo da armação, Custo aquisição turbinas, geradores, pórticos, etc UFRJ 83 8. Pré-dimensionamento. Para dimensionar a casa de força e seus equipamentos, o Manual de Inventário da Eletrobras recomenda utilizar uma das planilhas abaixo, baseadas no tipo de turbina selecionado nos estudos preliminares: UFRJ 84 8. Pré-dimensionamento. – 582P.xls-para casa de força equipada com turbinas Pelton; – 582Fv.xls -para casa de força equipada com turbinas Francis de eixo vertical; 582FV.XLS; porteiras.XLS – 582Fh.xls -para casa de força equipada com turbinas Francis de eixo horizontal; – 582Ka.xls -para casa de força equipada com turbinas Kaplan com caixa espiral de aço; – 582Kc.xls -para casa de força equipada com turbinas Kaplan com caixa semi-espiral de concreto; e - 582B.xls – para casa de força equipada com turbinas Bulbo. UFRJ 85 8. Pré-dimensionamento. No entanto: importância de se saber o que se está fazendo. Exemplo do “Selecting Reaction Turbines (USBR)”, mostrar gráficos de rendimentos acoplados dos grupos turbina-gerador, determinação altura de referência. UFRJ 86 9. Arranjo dos equipamentos elétricos. A área de montagem pode ser construída no fim ou no meio do hall de máquinas. É utilizada para receber e descarregar os veículos pesados, com espaço suficiente para que a maior peça (normalmente o rotor e o estator do gerador) possa ser total ou parcialmente desmontada. As dimensões principais e a disposição dos grupos, são estabelecidas pelas suas características mecânicas e hidráulicas, pelas condições de acesso rodoviário, direção das LT´s e pela aparência arquitetônica do conjunto. A subestação deve ser acomodada o mais próximo da CF. UFRJ 87 9. Arranjo dos equipamentos elétricos. O projeto e o arranjo particular dos grupos de geração terão um efeito importante sobre o número de pavimentos da CF. Quando o eixo é horizontal, normalmente 1 pavimento é suficiente e o grupo de geração é montado sobre suas fundações. Com o eixo vertical, a quantidade de pisos dependerá do projeto do grupo e do espaço requerido para os equipamentos auxiliares. UFRJ 88 9. Arranjo dos equipamentos elétricos: Transformadores principais. Em geral, dificultam a solução de arranjo devido ao seu considerável peso, área, altura e risco de fogo. Teoricamente, pertencem ao sistema de transmissão e não ao sistema de geração de energia. Porém, normalmente, o gerador está ligado ao transformador e os dois elementos formam, assim, um bloco. Além disso, as barras blindadas usadas para a ligação são bastante caras e a distância entre o gerador e o transformador deve ser a menor possível, de forma que o transformador faça parte das máquinas e instalações que determinam o projeto da CF. UFRJ 89 Podem ser trifásicos (juntando os enrolamentos das três fases numa só unidade) ou monofásicos, destinando-se para cada fase um transformador. Um transformador trifásico é mais barato do que três monofásicos. Em favor de três monofásicos: só precisa de 1 desses como reserva e são mais leves para serem transportados nas estradas. Os enrolamentos e o ferro ativo do transformador encontram-se mergulhados num banho de óleo isolante que deve ser resfriado. As dimensões do transformador podem ser reduzidas se é usada água como meio resfriador ou circuito forçado de óleo. 9. Arranjo dos equipamentos elétricos: Transformadores principais. UFRJ 90 10. Equipamentos auxiliares. As turbinas, os geradores e os transformadores representam as peças maiores e mais importantes nas instalações de uma CF, mas para sua operação precisa-se de um grande número de instalações secundárias: pontes rolantes e guindastes pórticos; Regulador de velocidade; Sistema de refrigeração dos mancais; Bombas de alta pressão de óleo para macaqueamento do rotor do gerador; Bombas do sistema de resfriamento; Sistema anti-incêndio dos geradores; etc UFRJ 91 http://www.itaipu.gov.br/ UFRJ 92 UHE Machadinho 11.140 MW A Usina Hidrelétrica Machadinho está localizada no Rio Pelotas a 1,2 km a jusante da foz do Rio Inhandava, entre os municípios de Piratuba/SC e Maximiliano de Almeida/RS. Barramento blindado - Unidade 3 Ligação dos painéis de instrumentação - Unidade 3 UFRJ 95 Central hidráulica do sistema de regulação - Unidade 3 Acoplamento do eixo superior com o rotor - Turbina 3 UFRJ 97 Sistema de CO2 da sala de óleo lubrificante Vista geral da galeria de serviços - El. 372,40m UFRJ 99 11. Distribuição de energia elétrica Pretendemos transmitir uma potência de 50 MW com fator de potência de 0,85, por meio de uma linha de transmissão trifásica com condutores de alumínio, desde a usina hidroelétrica, cuja tensão nominal do gerador é 13,8 kV, até o centro consumidor situado a 100 km. Admitindo-se uma perda por efeito Joule de 2,5 % na linha, determine o diâmetro do cabo nos seguintes casos: a) usando linha de transmissão direta sob os 13,8 kV (essa é a idéia de quem acha que é suficiente 'esticar' os fios diretamente do gerador até o centro consumidor). b) usando linha de transmissão sob 138 kV (linha trifásica de alta tensão).