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UFRJ 1 Tema 4: Circuito Hidráulico de Geração Heloisa Teixeira Firmo hfirmo@poli.ufrj.br 2562-7991 UFRJ 2 Sumário: 1. Bibliografia. 2. Circuito hidráulico de geração. 3. Órgãos adutores: Tomada d´água e condutos orçados. 4. Órgãos adutores: canais e condutos a baixa pressão. 5. Condutos a alta pressão: condutos forçados. UFRJ 3 Manuais ELB (Inventário, PCH, Viabilidade, Projeto Básico). http://www.eletrobras.com/elb/data/Pages/LUMIS4 AB3DA57PTBRIE.htm Schreiber, Usinas Hidrelétricas - Editora Edgar Blücher, Ltda. 1. Bibliografia. UFRJ 4 2. Circuito hidráulico de geração. Um circuito hidráulico de geração pode ser composto das seguintes estruturas: canal /conduto de adução; tomada d’água; conduto adutor; chaminé de equilíbrio; conduto ou túnel forçado; casa de força; e canal ou túnel de fuga. UFRJ 5 2. Circuito hidráulico de geração. As dimensões do circuito hidráulico de geração são determinantes para a concepção do arranjo geral da usina. As estruturas que compõem o circuito hidráulico de geração deverão ser dispostas de forma a definir um conjunto o mais curto possível e que resulte em menores volumes de obras . O arranjo do circuito hidráulico de geração depende, basicamente, das características topográficas e geológicas do local, da vazão máxima turbinada e do deplecionamento máximo do reservatório. UFRJ 6 2. Circuito hidráulico de geração: Alguns arranjos típicos. Circuitos hidráulicos de geração para aproveitamentos em que o desnível é causado essencialmente pela barragem: aproveitamentos de baixa queda, com tomada d’água e casa de força integradas na mesma estrutura, não existindo condutos forçados; UHE Esperança Fonte: Manual Inventário, ELB. UFRJ 7 2. Circuito hidráulico de geração: Alguns arranjos típicos. aproveitamentos de queda média ou baixa, com tomada d’água do tipo gravidade fazendo parte do barramento, e com condutos forçados parcial ou totalmente embutidos no concreto da tomada d’água UHE Água Vermelha Fonte: Manual Inventário, ELB. UFRJ 8 2. Circuito hidráulico de geração: Alguns arranjos típicos. Circuitos hidráulicos de geração para aproveitamentos comportando derivação: aproveitamentos com derivação em canal, com canal de derivação, tomada d’água, conduto ou túnel forçado, casa de força e canal de fuga UHE Erveira Fonte: Manual Inventário, ELB. UFRJ 9 2. Circuito hidráulico de geração: Alguns arranjos típicos. aproveitamentos com derivação em conduto fechado, com canal de aproximação, tomada d’água, conduto adutor de baixa pressão em túnel ou externo, chaminé de equilíbrio, casas de válvulas, conduto ou túnel forçado, casa de força subterrânea ou externa e canal ou túnel de fuga. Aproveitamento com derivação em conduto fechado (UHE Capivari Cachoeira) Fonte: Manual Inventário, ELB. Tomada d’água Túnel de adução Chaminé de equilibrio Casa de Válvula Condutos forçados Casa de Válvula Casa de força subterrânea Túnel de fuga http://www.inag.pt/inag2004/port/a_intervencao/obras/pdf/odeleite_beliche.pdf Aproveitamento Hidráulico Odeleite-Beliche (Portugal) UFRJ 12 A chaminé de equilíbrio é um reservatório de eixo vertical, normalmente posicionado no final da tubulação de adução de baixa pressão e a montante do conduto forçado, com as seguintes finalidades : em parada brusca da turbina: amortecer as variações de pressão, que se propagam pelo conduto forçado, o golpe de aríete; e; em partida brusca da turbina: armazenar água para fornecer ao conduto forçado o fluxo inicial provocado pela nova abertura da turbina, impedindo a entrada de ar no mesmo, até que se estabeleça o regime contínuo. 2. Circuito hidráulico de geração: Chaminé de equilíbrio. UFRJ 13 Golpe de ariete: fenômeno oscilatório amortecido que ocorre sempre que a velocidade do escoamento é modificada quando se atua no distribuidor da turbina; Quando necessário, a chaminé de equilíbrio deve ser instalada o mais próximo possível da casa de força, para reduzir o comprimento do conduto forçado e diminuir os efeitos do golpe de ariete . Ariete vem de áries: 2. Circuito hidráulico de geração: Chaminé de equilíbrio. PCH Funil - MG PCH - aluno UFRJ 16 2. Circuito hidráulico de geração: Alguns arranjos típicos. Canal X conduto fechado de baixa pressão: depende de análise econômica, levando também em conta a eventual utilização do material escavado na construção de barragens de aterro. De modo geral, a derivação em canal é recomendada para aproveitamentos com pequenas depleções do reservatório e quando a topografia é suave. A solução em conduto fechado é quase sempre recomendada quando o caminho mais curto entre o reservatório e a casa de força for caracterizado por topografia montanhosa e com cobertura de rocha maior que três vezes o diâmetro do túnel. UHE Erveira Fonte: Manual Inventário, ELB. UFRJ 17 2. Circuito hidráulico de geração: Alguns arranjos típicos. Canal X conduto fechado. Aproveitamento com derivação em canal pode exigir uma estrutura de controle extra (câmara de carga), enquanto que com derivação em túnel exige chaminé de equilíbrio e válvulas . Camara de carga da UHE Santa Clara http://images.google.com/imgres?imgurl=http://www.panoramio.com/photos/original/10137720.jpg&imgrefurl=http://www.pan oramio.com/photo/10137720&usg=__RHMgkkLm9Koi7kN37XTEFwits_s=&h=1182&w=1748&sz=1640&hl=pt- BR&start=11&um=1&tbnid=YEY0GjzyK7BCDM:&tbnh=101&tbnw=150&prev=/images%3Fq%3Dc%25C3%25A2mara%2Bde %2Bcarga%26hl%3Dpt-BR%26rls%3Dcom.microsoft:pt-BR:%26rlz%3D1I7ADBF_pt-BR%26sa%3DN%26um%3D1 UFRJ 19 2. Circuito hidráulico de geração: Alguns arranjos típicos. Canal de adução: O canal de adução pode ser classificado em: canal de aproximação — curto — sem necessidade de dimensionamento, tem apenas a velocidade do escoamento verificada se esta é maior que a mínima, da ordem 1,0 a 1,5 m/s; e canal de derivação — muito longo — em geral ligando dois rios ou dois pontos do mesmo rio, tipicamente acompanhando curvas de nível e escavado em ombreira, em alguns casos com aterro lateral. UHE Erveira Fonte: Manual Inventário, ELB. UFRJ 20 3. Órgãos adutores: Tomada d´água Tomada d´água: Os tipos de tomada d’água mais usuais são: - torre; - gravidade; e - integrado à casa de força. Tomadas d’água tipo torre são geralmente empregadas em aproveitamentos onde se utiliza o túnel de desvio também para adução. UFRJ 22 Tomada d´água: Tomadas d’água do tipo gravidade são integradas à barragem e a adução é feita para condutos forçados externos. 3. Órgãos adutores: Tomada D´água. UFRJ 24 Tomada d´água: Uma variação é o tipo gravidade aliviada, normalmente apoiada em maciço rochoso. Este tipo de tomada d’água tem basicamente o mesmo perfil da tomada tipo gravidade e a adução é feita para túneis, sejam eles forçados ou não. O espaçamento entre as unidades é aumentado para garantir a estabilidade da escavação subterrânea. 3. Órgãos adutores: Tomada D´água. UFRJ 26 3. Órgãos adutores: Tomada D´água. Finalidades : Captar e conduzir a água aos órgãos adutores e daí às turbinas; Impedir a entrada de corpos flutuantes, que possam danificar as turbinas; Fechar a entrada quando necessário. Deve ter forma que reduza as perdas de carga ao mínimo possível em todos os trechos. É aconselhável o estudo em modelo reduzido da forma da tomada em planta e ângulo com leito do rio, para evitar formação de turbilhõese contrações que causem perda de carga, depósitos de areia e de lodo e erosões nas beiras e no fundo. UFRJ 27 3. Órgãos adutores:Tomada D´água. ESTRUTURA DE CAPTAÇÃO LOCALIZAÇÃO A A B B C C D D D A - Locais recomendáveis. B - Locais inconvenientes, pois o material transportado pela corrente deposita-se na parte convexa, obstruindo a frente da tomada d'água. C - Locais inconvenientes, pois durante a época de águas altas a região recebe o impacto de materiais, que podem afetar as estruturas da tomada d'água. D - Áreas sujeitas à deposição de materiais transportados pela corrente. fluxo UFRJ 28 3. Órgãos adutores: Tomada D´água. Tipos : Quanto à profundidade: - Pequena: sujeitas a fluxo de corpos flutuantes perto superfície; grades devem ser limpas freqüentemente; - Grande: pressão da água é maior – comportas devem ser mais pesadas; geralmente não existe perigo de entupimento das grades (dispositivos de limpeza podem ser mais simples); Quanto à localização: - incorporada à barragem; - em estrutura independente (torre de tomada); - de ombreira. UFRJ 29 3. Órgãos adutores: Tomada D´água. UFRJ 30 www.braspower.com.br/legacy/fozdoareia.htm localizada no fundo do rio 3. Órgãos adutores: Tomada D´água e condutos forçados. UFRJ 31 Equipamentos das tomadas d´água: Grades: barrar a entrada de materiais que possam danificar as turbinas; - são geralmente construídas de barras chatas de aço; - Têm inclinação com a horizontal de até 75°; - Distância livre entre as barras depende do tipo e das dimensões físicas das turbinas e, conseqüentemente, das passagens livres entre as pás do rotor; - Velocidades típicas nas grades: 1 a 1,5 m/s; Comportas: servem de fechamento da entrada da água aos órgãos adutores e às turbinas, em caso de revisão ou conserto; - mais usadas: planas, do tipo vagão e em aço soldado. - são movimentadas por meio de guinchos mecânicos ou por servomotores acionados por óleo sob pressão. 3. Órgãos adutores: Tomada D´água. UFRJ 32 Stop-logs (comportas de emergência). As ranhuras dos stop-logs são situadas a poucos metros a montante das comportas principais; Finalidade: possibilitar revisão e eventuais consertos nas comportas com o reservatório cheio; Compostos de um certo número de elementos horizontais separados para diminuir o peso unitário e conseqüentemente o tamanho e a capacidade do guindaste pórtico da manobra. 3. Órgãos adutores: Tomada D´água. http://www.itaipu.gov.br/ . . Itaipu: Condutos forçados . Itaipu: condutos forçados . UFRJ 38 Dimensionamento: Para a vazão de projeto e uma velocidade entre 1 e 1,5 m/s, são calculadas a s perdas de carga: Inicial - Devido à aceleração da água; Nas grades; Nas ranhuras dos stop-logs; 3. Órgãos adutores: Tomada D´água. http://www.machadinho.com.br/index_situa.htm UFRJ 40 4. Órgãos Adutores. Chamamos órgãos adutores, ou adutoras, todas as construções que ligam a tomada d´água às turbinas. Essa ligação pode ser feita por: Canais ou túneis com lâmina d´água livre; tubulações; Túneis sob pressão. A escolha do tipo vai depender de condições topográficas e do tipo de usina. As tubulações adutoras são usadas onde canais abertos não são aplicáveis, por exemplo: Em usinas com oscilação grande do NA no reservatório; Devido a condições topográficas e geológicas. UFRJ 41 Aproveitamento Hidrelétrico de Simplício UFRJ 42 O Empreendimento LOCALIZAÇÃO DOS RESERVATÓRIOS TRÊS RIOS PCH ANTA RIO PARAÍBA DO SUL RES. DE ANTA RES. DE TOCAIA RES. DE LOURIÇAL RES. DE CALÇADO AHE SIMPLÍCIO QUEDA ÚNICA UFRJ 43 O Empreendimento UHE SIMPLÍCIO RIO PARAÍBA DO SUL RES. DE ANTONINA RES. DE PEIXE RES. DE CALÇADO LOCALIZAÇÃO DOS RESERVATÓRIOS AHE SIMPLÍCIO QUEDA ÚNICA UFRJ 44 Arranjo Geral PCH ANTA AHE SIMPLÍCIO QUEDA ÚNICA BARRAGEM EM CCR VERTEDOURO TOMADA D`ÁGUA CANAL DE FUGA CANAL DE RESTITUIÇÃO BACIA DE DISSIPAÇÃO CASA DE FORÇA UFRJ 45 Arranjos SEÇÃO NA CASA DE FORÇA AHE SIMPLÍCIO QUEDA ÚNICA PCH ANTA UFRJ 46 4. Órgãos Adutores. Canais de adução - dimensionamento A escolha da seção típica mais adequada para o canal vai depender das condições topográficas e geológico- geotécnicas da ombreira em cada local onde o canal será implantado. Poderão ser adotados canais trapezoidais, em solo, ou retangulares, em rocha, com ou sem revestimento. Definir a inclinação dos taludes, com base nas características geotécnicas do material do terreno, que garanta a estabilidade do canal. UFRJ 47 4. Órgãos Adutores. Canais de adução - dimensionamento Fixar, inicialmente, a lâmina d’água máxima h no canal igual a 1,0 m. - Subtraindo-se da elevação do NA mínimo do reservatório determina-se a cota do fundo do canal. - Fixar a velocidade máxima admissível no canal, para escoamento com o tirante de 1,0 m, a partir, também, das características geotécnicas do material do terreno; essa velocidade deve ser compatível com a velocidade do escoamento a jusante da tomada d’água. UFRJ 48 4. Órgãos Adutores. Canais de adução - dimensionamento Estimar a largura necessária do canal (b), a partir da vazão de projeto, da velocidade máxima admissível e da lâmina d’água fixada, com base na Equação da Continuidade, como apresentado a seguir. Para canais retangulares, m=0 )( 2maxmaxmaxmaxmax mhbhVAVQ maxmax 2 maxmaxmax hV mhVQ b 1 m NA h b m 1 UFRJ 49 4. Órgãos Adutores. Canais de adução - dimensionamento Verificar a viabilidade da execução do canal com a largura necessária calculada, tendo em vista os equipamentos de escavação normalmente utilizados pelos empreiteiros. Caso a largura do canal seja excessiva, ou se as condições geológico-geotécnicas não forem favoráveis à execução do canal com tal largura, deve-se cogitar de solução alternativa como as descritas a seguir. UFRJ 50 4. Órgãos Adutores. Canais de adução - dimensionamento - Verificar a possibilidade de aumentar o tirante d’água máximo fixado o que possibilitará diminuir a largura do canal. - Verificar a hipótese de usar uma largura menor. Nesse caso, como a velocidade será maior, deve-se revestir o canal com material compatível com a velocidade máxima esperada. . . . 1 m NA h b m 1 UFRJ 51 4. Órgãos Adutores. Canais de adução - dimensionamento - . . . A capacidade de vazão do canal deverá ser verificada utilizando-se a fórmula de Manning, como descrito a seguir. Onde s = declividade do canal em (m/m) Q vazão em m3 /s R= raio hidráulico (m) n = coeficiente de rugosidade do canal. A declividade do canal deve ser mínima e constante. Recomenda-se adotar um caimento de 0,4 m a cada 1.000 m de canal (declividade = 0,0004). . n RAS Q 3/22/1 UFRJ 52 4. Órgãos Adutores. Canais de adução - dimensionamento - . . . . COEFICIENTES DE RUGOSIDADE n Natureza das Paredes Cimento liso 0,010 Argamassa de cimento 0,011 Pedras e tijolos rejuntados 0,013 Tijolos rugosos 0,015 Alvenaria ordinária 0,017 Canais com pedregulhos finos 0,020 Canais com pedras e vegetação 0,030 Canais em mau estado de conservação 0,035 UFRJ 53 .. . Estimativa das perdas de carga = cte * energia cinética escoamento Onde: h perda de carga em algum ponto do circuito hidráulico (m); V velocidade do escoamento (m/s) g aceleração da gravidade (m/s2) K coeficiente de perda de carga, que varia para cada caso. g v kh ii 2 2 ' 4. Órgãos Adutores. Canais - dimensionamento UFRJ 54 . . . Estimativa das perdas de carga = cte * energia cinética escoamento Perda na aproximação Perda na grade da tomada d´água Perda em canais Onde: h perda de carga em algum ponto do circuito hidráulico (m); V velocidade do escoamento (m/s) g aceleração da gravidade (m/s2) K coeficiente de perda de carga, que varia para cada caso. COEFICIENTES DE RUGOSIDADE g v kh ii 2 2 ' 4. Órgãos Adutores. Canais - dimensionamento UFRJ 55 Arranjos com túnel de adução: Quando a casa de força da PCH não é incorporada ao barramento, poderá ser cogitada a adução das vazões através de túnel, como exposto anteriormente no ítem ARRANJO E TIPO DAS ESTRUTURAS. 4. Órgãos Adutores. Túneis de adução UFRJ 56 Arranjos com túnel de adução: Essa opção, normalmente, será considerada nos seguintes casos: • quando a topografia for desfavorável à adução em canal ou conduto de baixa pressão; • quando a rocha no trecho a ser atravessado pelo túnel se mostrar de boa qualidade, de baixa permeabilidade e sem suspeita de ocorrência de materiais erodíveis ou solúveis; • quando houver suficiente cobertura de rocha ao longo da diretriz prevista para o túnel; • quando houver solução econômica para a implantação de uma chaminé de equilíbrio (se esse dispositivo se mostrar necessário). 4. Órgãos Adutores. Túneis de adução UFRJ 57 Arranjos com túnel de adução: O mais comum nestes casos é ter o túnel de baixa pressão, com pequena declividade e a chaminé de equilíbrio e o túnel de alta pressão ou conduto forçado a céu aberto até a casa de força. Em alguns casos não se caracterizam os trechos de baixa e de alta pressão, com o ângulo de mergulho do túnel sendo ditado pela busca de cobertura de rocha mais favorável. 4. Órgãos Adutores. Túneis de adução UFRJ 58 Arranjos com túnel de adução: O traçado do túnel deve representar, de preferência, a ligação mais curta entre a tomada d’água e a casa de força e deve atender ao critério de cobertura mínima de rocha preconizado por Bergh- Christensen e Dannevig (1971), cujos conceitos são os seguintes: 4. Órgãos Adutores. Túneis de adução UFRJ 59 Arranjos com túnel de adução:, onde, L menor distância (cobertura), a partir do túnel, em qualquer direção, até a superfície estimada do topo rochoso, medida no plano da seção longitudinal (na direção do eixo do túnel) e na seção transversal (na direção perpendicular ao eixo do túnel), de cada seção/estaca (m); H carga estática máxima de pressão d'água na seção em estudo (m); K coeficiente de sobrelevação para a pressão, adotado 1,3 ; massa específica da rocha (t/m3); b menor inclinação média da superfície do terreno natural, verificada na seção longitudinal e na seção transversal. 4. Órgãos Adutores. Túneis de adução cosr KH L r UFRJ 60 ARRANJO DE TÚNEL COM TRECHOS EM BAIXA E EM ALTA PRESSÃO ARRANJO DE TÚNEL COM INCLINAÇÃO EM DIREÇÃO À CASA DE FORÇA ARRANJO DE TÚNEL EM BAIXA PRESSÃO ACOPLADO A CONDUTO FORÇADO A CÉU ABERTO cosr KH L H L N N' ESTACA N VERIFICAÇÃO DO CRITÉRIO DE COBERTURA, EM UMA SEÇÃO, QUANTO ÀS CONDIÇÕES DO PERFIL LONGITUDINAL H L SEÇÃO NN' ESTACA N VERIFICAÇÃO DO CRITÉRIO DE COBERTURA, NA MESMA SEÇÃO, QUANTO ÀS CONDIÇÕES DO PERFIL TRANSVERSAL UFRJ 62 Aproveitamento Hidrelétrico de Simplício CANAL DE ADUÇÃO ACESSO TOMADA D’ÁGUA CASA DE FORÇA SUBESTAÇÃO CANAL DE FUGA UFRJ 63 Aproveitamento Hidrelétrico de Simplício UFRJ 64 Aproveitamento Hidrelétrico de Simplício Tomada d’água UFRJ 65 Aproveitamento Hidrelétrico de Simplício Casa de força UFRJ 66 4. Órgãos Adutores. Túneis de adução ou condutos a baixa pressão. Diretrizes para Estudos e Projetos de Pequenas Centrais Hidrelétricas http://www.eletrobras.com/elb/data/Pages/LUMIS4AB3DA57PTBRIE.htm UFRJ 67 4. Órgãos Adutores. Túneis de adução ou condutos a baixa pressão. Diretrizes para Estudos e Projetos de Pequenas Centrais Hidrelétricas http://www.eletrobras.com/elb/data/Pages/LUMIS4AB3DA57PTBRIE.htm UFRJ 68 4. Órgãos Adutores. Túneis de adução ou condutos a baixa pressão. Diretrizes para Estudos e Projetos de Pequenas Centrais Hidrelétricas http://www.eletrobras.com/elb/data/Pages/LUMIS4AB3DA57PTBRIE.htm UFRJ 69 5. Otimização de condutos forçados. Diâmetro econômico é o diâmetro limite para o qual o aumento de sua dimensão, que significaria redução das perdas hidráulicas e, conseqüentemente, maior potência instalada, promove aumento do benefício energético sem que isso compense o acréscimo de custo associado. UFRJ 70 5. Otimização de condutos forçados. Diretrizes para Estudos e Projetos de Pequenas Centrais Hidrelétricas http://www.eletrobras.com/elb/data/Pages/LUMIS4AB3DA57PTBRIE.htm UFRJ 71 5. Otimização de condutos forçados. UFRJ 72 5. Otimização de condutos forçados. UFRJ 73 5. Otimização de condutos forçados. Fórmula de Darcy para a perda de carga por atrito em túneis: Diretrizes para Estudos e Projetos de Pequenas Centrais Hidrelétricas http://www.eletrobras.com/elb/data/Pages/LUMIS4AB3DA57PTBRIE.htm UFRJ 74 5. Otimização de condutos forçados. PCH Ervalia (do grupo Cataguazes-Leopoldina), junho de 1999. UFRJ 75 5. Otimização de condutos forçados. http://www.cerpch.unifei.edu.br/revista_online/ano1/n03/pdf/pag_03.pdf UFRJ 76 5. Otimização de condutos forçados. http://www.cerpch.unifei.edu.br/revista_online/ano1/n03/pdf/pag_03.pdf UFRJ 77 5. Otimização de condutos forçados. http://www.cerpch.unifei.edu.br/revista_online/ano1/n03/pdf/pag_03.pdf
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