perda de carga em circuitos hidrÁulicos de pequenas centrais hidrelÉtricas – pch´s andré l. t....
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PERDA DE CARGA EM CIRCUITOS HIDRÁULICOS DE PEQUENAS CENTRAIS
HIDRELÉTRICAS – PCH´S
André L. T. Fabiani, José J. Ota – LACTEC/UFPRDavid T. da Silva e Celso V. Akil – AMPLA
Objetivos
• Metodologia para analisar se a tubulação adutora adotada em uma usina antiga atende aos critérios atuais de projeto e operação, propondo correções, se necessárias;
• Usinas-piloto com quase 100 anos de operação, com pequenas atualizações:– Piabanha – 1908 – 9 MW– Fagundes – 1923 – 4,8 MW
Fórmulas básicas• Perda de carga clássica:
• Dificuldade: definir o valor dadas perdas localizadas e contínuas, após mais de 70 anos de uso das tubulações
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Metodologia básica
• Passo 1: Coletar informações geométricas e operacionais antigas e atuais
• Passo 2: Reavaliar os aspectos hidrológicos e energéticos
• Passo 3: Definir alternativas a serem estudadas• Passo 4: Verificação das novas condições hidráulicas de
operação da usina, • Passo 5: Quantificação econômica das alternativas
estudadas, a fim de determinar a viabilidade econômica de alterações na usina.
Dados das usinas-piloto• Piabanha: geração de 9 MW, com três máquinas iguais, engolindo cada
uma 8,79 m3/s, com uma queda líquida de 49,7 m (rendimento médio de 53,5%). A adução se dá por três condutos paralelos, com 2 km de comprimento e diâmetros entre 1,78 m e 2,49 m e desnível final de 8,5 m, terminando em um tanque de compensação, com vertedouro lateral; a espessura dos condutos varia entre 1/4" e 5/16”. A partir desse tanque, partem três condutos forçados independentes, com comprimento de 94 m e diâmetro de 2,94 m;
• Fagundes: um conduto adutor único, com 1,6 km de extensão e diâmetro de 1,7 m; a espessura varia entre 1/4" e 5/8”. Ao final do conduto existe uma chaminé de equilíbrio, de 2,13 m de diâmetro, de onde partem dois condutos forçados independentes, com 1,25 m de diâmetro, espessura de 5/8” e comprimento de 206 m. Duas máquinas com engolimento de 2,68 m3/s (Rendimento médio de 69,6%)
• Rendimentos de máquinas modernas giram em torno de 89 %
Piabanha
Fagundes
Estudos Hidrológicos e Energéticos
• Foram estudadas 4 estações pluviométricas com mais de 30 anos de observações;
• Vazões médias resultaram iguais a 35,65 m3/s em Piabanha e 5,52 m3/s em Fagundes;
• As energias firmes das usinas giram em torno de 3,72 MW médios em Piabanha e de 1,88 MW médios em Fagundes;
Curvas de permanência
• Piabanha
• Fagundes
0
20
40
60
80
100
120
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Permanência (%)
Va
zão
(m
3/s
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Permanência (%)
Va
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(m
3/s
)
Alternativas estudadas• continuar utilizando os condutos atuais;• recuperá-los, revestindo-os internamente com uma resina de
poliuretano aromático elastomérico e sem solvente de alta resistência – denominada comercialmente de POLIBRID®
• trocar os condutos atuais por condutos novos de aço soldável.
• A troca do tanque de compensação existente na PCH Piabanha por chaminés de equilíbrio, incrustada na rocha ou exposta foi também analisada.
Cálculo Hidráulico
• Envelhecimento dos condutos• Colapso dos condutos• Diâmetro Equivalente• Diâmetro Econômico• Transientes
Envelhecimento do conduto• O envelhecimento dos condutos impõe uma perda de carga adicional
ao sistema, diminuindo a energia gerada. • A medida desse envelhecimento é dada pela espessura de rugosidade
equivalente, e baseado em testes de rendimento: – Início em 0,9 mm - conduto de aço rebitado– Final em 10,5 mm para Piabanha e 9,1 mm para Fagundes– Os resultados indicam que a taxa anual de crescimento da rugosidade
equivalente nas duas usinas é de 0,1 mm, coerente com a literatura sobre o assunto.
• Nos casos de condutos novos foram adotados:– 0,046 mm no caso de aço novo soldável– no caso de conduto revestido com resina adotou-se uma rugosidade de 0,9
mm (a mesma do aço rebitado, pois os rebitem continuarão interferindo no escoamento), além de reduzir o raio interno do conduto da espessura da camada, 2,5 mm, ao invés de considerar o tubo com plástico (rugosidade de 0,001524 mm).
Colapso dos condutos• O colapso de condutos pode ocorrer por rebaixamento excessivo
da pressão no interior do conduto. o limite mínimo de pressão de um tubo de aço:
– as regiões onde forem observadas pressões inferiores a essa podem sofrer colapso.
• Para as usinas-piloto, em operação normal, não foram observados pontos de pressões tão baixas, mas o grande comprimento e relativo pequeno número de ventosas e respiros – 23 – não impede colapso em todos os casos (operação de esvaziamento rápido)
m.c.A. em ,10995922583
6
D
e.,pc
Exemplo: usina de Oigawa
Potencial de Colapso - Fagundes
300
310
320
330
340
350
360
370
380
390
400
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440
-100 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
1100
1200
1300
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1800
Distância ao início (m)
Ele
vação (
m)
Linha de TopoLinha Piezométrica - Suportável pelo condutoLinha Piezométrica - Potencial máximoRespirosVálvulasVentosasChaminé de Equilíbrio
= 12,20 m
= 12,80 m
= 12,65 m
= 6,15 m
= 13,48 m
= 10,64 m
= 5,92 m
= 13,00 m
Diâmetro Equivalente• Para Piabanha, temos três condutos, que podem ser
tratados com um com diâmetro equivalente dado por:
• O diâmetro equivalente resultou igual a 3,18 m.
N,i ii
i
L.f
DD
L.f
1
55
1
321 QQQQe
321 PPPeP hhhh
Diâmetro Econômico
• Diâmetro que conduz à melhor relação custo de construção – custo de energia perdida– Manual da ELETROBRÁS
– Critério de Nigam
– Manual de projeto de PCH´s da ELETROBRÁS
20403880 320 . 83390
,
b
,
H
L,Q.,D
6
1
32
9106
f.
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t.Q.kD
71
3
2371
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Q.,D
Diâmetros econômicos das usinas-piloto
• Piabanha: diâmetro econômico de 3,54 m para o conduto adutor e 2,06 m para o conduto forçado;
• Fagundes: diâmetro econômico de 1,61 m para o conduto adutor e 1,07 m para o conduto forçado.
– Uma variação de 10 % no valor do diâmetro ótimo conduz a variações pequenas no custo total e na relação benefício/custo (segundo muitos autores, no máximo 1 %).
Resultados hidráulicos para Fagundes
• Recuperação dos condutos com resina permitirá o aumento da vazão máxima escoada de 5,36 m3/s para 7,31 m3/s, suficiente para instalar máquinas com potência total de 8 MW, ou invés dos 4,8 MW hoje instalados;
• A chaminé de equilíbrio continuaria operando satisfatoriamente mesmo com este aumento de vazão;
• Esta alteração permite o aumento da energia gerada na usina, apesar da perda de carga adicional gerada pelo aumento da vazão; o valor anual aumenta de 20.791 MWh/ano para 43.947 MWh/ano.
• A troca dos condutos por condutos de aço novo soldável conduz a resultados um pouco melhores, mas o alto custo do aço torna esta opção pouco atraente economicamente.
Resultados Hidráulicos Para Piabanha• A recuperação dos condutos com resina permitirá o retorno a condições
seguras de operação e, ainda, o aumento da vazão máxima escoada de 26,37 m3/s para 29,88 m3/s, suficiente para instalar máquinas com potência total de 12 MW, ou invés dos 9 MW instalados atualmente;
• O tanque de compensação e seu vertedouro continuam operando de maneira eficiente;
• Esta alteração permite o aumento da energia gerada na usina sem um aumento substancial da perda de carga gerada pelo aumento da vazão; o valor anual eleva-se de 51.946 MWh/ano para 97.454 MWh/ano;
• A troca dos condutos por condutos de aço novo soldável conduz a resultados um pouco melhores, mas o alto custo do aço torna esta opção pouco atraente economicamente;
• A troca do tanque de compensação por chaminés de equilíbrio apresentam resultados técnicos aceitáveis, mas incluem muitos custos adicionais que tornam essas alternativas inviáveis economicamente;
Estudos Econômicos• Baseado em:
– Vazão remanescente nula (situação próxima da atual);– Aço soldável: R$15,00/kg instalado; – recuperação completa e revestimento com resina: R$
289,00/m2; – energia vendida a R$ 116,13/MWh;– Taxa de retorno: 10 % ao ano;– O valor da troca completa dos conjuntos turbina-gerador
para as usinas foi obtido junto a fornecedores e avaliada a sua variação pelas equações da ELETROBRÁS.
Usina Item Valor (R$) Troca do conduto 15.136.970,00
Recuperação dos condutos com resina
2.829.870,00
Fagundes
Nova motorização para 7 MW 3.708.889,00 Troca do conduto 35.662.055,00
Recuperação dos condutos com resina
11.990.445,00
Piabanha
Nova motorização para 12 MW 7.278.072,00
Usina Item Valor Potência a ser instalada 8,0 MW
Energia a ser gerada anualmente 43.947 MWh/ano Receita anual R$ 5.103.511,00
Receita anual adicional (descontada a geração atual de 20.791 MWh/ano)
R$ 2.689.052,00 /ano
Fagundes
Período de retorno 40 meses Potência a ser instalada 12,0 MW
Energia a ser gerada anualmente 97.454 MWh/ano Receita anual R$ 11.317.291,00
Receita anual adicional (descontada a geração atual de 51.946 MWh/ano)
R$ 5.284.802,00 /ano
Piabanha
Período de retorno 60 meses
Conclusões• Este artigo apresenta a pesquisa realizada no âmbito do projeto de P&D
ANEEL 0383-021/2004, da AMPLA Energia e Serviços S. A..
• O procedimento mostrado neste trabalho permite analisar o estado em que se encontra uma pequena central hidrelétrica antiga indicando, entre outras características, falhas na operação, causas de colapsos de adutoras e o ganho possível no caso de repotenciação da usina.
• A metodologia utilizada pode ser generalizada a partir de:– Estudos hidrológicos e energéticos– Estudos hidráulicos (perda de carga, envelhecimento, colapso, diâmetros
equivalente e econômico, alternativas de projeto)– Estudos econômicos
Conclusões para as usinas-piloto
• A viabilidade da repotenciação de usinas como as PCH´s de Piabanha e Fagundes é de resultados imprevisíveis a priori. A metodologia proposta conduz a uma conclusão com base científica, eliminando dúvidas e evitando investimentos inadequados. Ela é ampla por englobar aspectos hidráulicos, hidrológicos, energéticos e econômicos, e pode ser útil em outras usinas cuja repotenciação esteja em questão.
• A manutenção dos condutos atuais por mais um tempo em operação só é recomendável para a usina de Fagundes, tendo em vista o alto grau de deterioração dos condutos adutores de Piabanha.
• A troca dos condutos atuais por condutos novos de aço soldado é economicamente desvantajosa, ou mesmo inviável, frente à recuperação dos condutos e revestimento interno com resina.
Conclusões para as usinas-piloto
• Com respeito ao colapso dos condutos, apenas a instalação de equipamentos adicionais de entrada de ar eliminará definitivamente a possibilidade da sua ocorrência. – Sugere-se a instalação de 7 ventosas de tríplice função no conduto adutor de
Fagundes e de 14 equipamentos nos condutos adutores de Piabanha, com um custo de R$ 108.270,00, fora a instalação.
• Nos estudos econômicos realizados, foi adotado que a vazão mínima remanescente para as duas usinas é nula, com o intuito de maximizar a geração de energia pelas usinas.
Agradecimentos
• Aos engenheiros Ricardo H. C. Magalhães e Márian C. Rohn que efetivamente trabalharam nesta pesquisa;
• À ANEEL pelo seu programa de Pesquisa e Desenvolvimento, que permitiu o investimento de recursos para o desenvolvimento desta pesquisa.
Esta apresentação estará disponível para download, a partir do dia 28/04/08,
no site:
www.cbdb.org.br/vispmch