327 - EstudoDeCaso5 Solucao

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  • Caso Prtico 1

    Caso Prtico PEQUENAS USINAS HIDRELTRICAS

  • Caso Prtico 2

    Caso Prtico PEQUENAS USINAS HIDRELTRICAS

    SOLUO

    ENUNCIADO

    Projeto de uma pequena usina hidrulica tipo corrente com canal de derivao nas proximidades da cidade de Urcos, capital da provncia de Quispicanchi, Departamento de Cuzco, Peru. A cerca de 40km ao SE da cidade de Cuzco. O rio o Vilcanota (Willcamayo em quchua).

    O aude de concreto se encontra situado a uma elevao de 3112,5 m.sn.m e no considerado para a regulao da vazo. Sua funo ser a de reter um pequeno volume de gua. A gua, que no derivada, corre pelo vertedouro de coroao a uma altura de 2,5m e uma elevao de 3115 m.s.n.m e segue seu curso normal. Precisar de comportas para a regulao.

    O perfil do vertedouro de tipo parablico e dispe de uma bacia de amortecimento de trampolim submergida. (Figura 1)

    Figura 1 Detalhe do perfil do aude com vertedouro tipo parablico

    O aude possuir duas descargas de fundo e em sua embocadura estar situada uma vlvula de fluxo oco para proceder ao esvaziamento quando se realizem operaes de limpeza (segundo a normativa de represas) (figura 2).

  • Caso Prtico 3

    Figura 2 Localizao das descargas de fundo no aude

    O aude permite a captao da vazo de desenho, com sua correspondente tomada de gua situada na margem esquerda. A escada de peixes, tipo labirinto, estar situada na margem direita e formada por oito degraus com uma altura de 30 cm cada. O comprimento em coroao do vertedouro de 20m, sendo o comprimento total at os extremos dos estribos de 40m.

    Pra regular a vazo derivada, estabelece-se uma comporta na entrada da tomada, provida tambm de uma grade para evitar a entrada de obstculos.

    Da tomada de gua parte um canal aberto com forma retangular de concreto armado, construdo sobre a rocha, com um comprimento total de 1.814m e com uma inclinao de 0,5 metros por mil, at a cmara de carga da qual parte um conduto forado de ao at o edifcio da usina, construda em um nico edifcio reto de comprimento 189m. O edifcio da usina estar situado na margem esquerda do rio, a uma elevao de 3104,3 m.s.n.m. Uma vez turbinada, a gua devolvida ao curso do rio atravs de um canal de descarga a uma elevao de 3103 m.s.n.m.

    A central projetada se conectar atravs de uma linha area eltrica a 15 kV, com um comprimento de 3 km, a uma subestao localizada na populao de Churubamba.

    3 m

    2,5 m

  • Caso Prtico 4

    Em anexo segue um arquivo tipo *.kmz (Google Earth) (figura 3) e uma imagem em formato .jpg com a localizao (figura 4).

    Figura 3. Vista area da localizao.

    Figura 4. Detalhe da localizao do diferentes elementos.

    Os dados de vazes mdia mensais (Tabela 1) podem ser obtidos da estao hidromtrica mais prxima a nossa central, que a de Pisac, com uma elevao de 2971 m.s.n.m (1326latitude, 7151longitude) e que dispe de um medidor com forma de vertedouro de parede fina com lingrafo. O operador da estao hidromtrica a SENAMHI. A precipitao mdia anual na bacia do rio Vilcanota de 811 mm. A superfcie da bacia de 6911 km2.

    Roo Vilcanota

    Comporta

  • Caso Prtico 5

    A vazo ecologia que concebemos, em observncia ao previsto pelo Organismo da bacia hidrogrfica ANA (Autoridade Nacional de gua do Peru), no trecho do rio aceito para manter o habitat da rea de 60% da vazo mdia do rio, durante todos os meses do ano. DADOS DE VAZES NATURAIS DA ESTAO DE PISAC (M3/S)

    Os dados de vazes naturais da estao de Pisac procedem do relatrio de EGEMSA de junho de 2004.

    Tabela 1. Dados de vazes mdias mensais.

    1.- EQUIPAMENTOS DE FLUXO DE DETERMINAO

    A concesso de gua permitida pelo Organismo da Bacia Hidrogrfica ANA no Peru de 3,78 m3/s. Portanto, este valor ser a vazo de equipamento Qe de nossa usina. Observando os valores mdios de vazes disponveis em todos os meses do ano, a disponibilidade desta vazo durante todo o ano de 100%.

    2.- DIMENSES DO CANAL DE DERIVAO:

    Dados:

    I = Inclinao longitudinal = 0,5 metros por mil

    n = coeficiente de rugosidade de Manning. Para revestimento de concreto 0,014

    V = velocidade mdia de circulao da gua pelo canal. Toma-se 1,37 m/s

    Longitude= 1814m

    Seo retangular de concreto armado

  • Caso Prtico 6

    Seo do canal = 3,78 (m3/s)/1,37(m/s)=2,76m2=b.y

    O valor do raio hidrulico obtido da formula de Manning 0,79m. Aplicando a condio de seo mais econmica (rh= y/2), obteremos um valor para a altura da lamina no canal de y=1,58m e a largura do canal b=1,746m.

    Alternativamente, pode-se obter as dimenses do canal a partir do grfico 4.12 do Tema 4, e assim tem-se:

    Largura do canal: 2,5 metros

    Profundidade: 3,5 metros Em concluso, estas dimenses so menos convenientes do que as obtidas com o critrio da seo mais econmica.

    3.- DIMENSO DA CMARA DE CARGA

    Situa-se em uma ladeira sobre a Usina, ao final do canal de derivao. Seu comprimento total de 10m e sua largura de 4m.

    Compe-se de um corpo central na continuao do canal de derivao com um aumento da inclinao inicial, reduzindo a elevao da soleira do canal em 0,5m (desarenador) para obter uma soleira sem inclinao. A elevao da soleira se encontra a 3113,0 m.

    Em uma de suas laterais ser construdo um vertedouro para poder evacuar a vazo de cheia, orientando-a ao rio atravs de um conduto de PVC capaz de evacuar uma vazo de 5 m3/s.

    4.- DIMENSO DO CONDUTO FORADO Dados:

    Comprimento 189m

    Conduto de ao dctil

    Velocidade mxima da gua por seu interior 4 m/s

    P: presso interior da gua considerando sobrepresso por golpe do martelo de gua (normalmente 6. 105 N/m2)

    adm: tenso admissvel de calculo (para o ao toma-se um valor de 2400 N/m2)

    O dimetro do conduto ser:

  • Caso Prtico 7

    De forma grfica, conforme a figura 4.17, para uma vazo de 3,78 m3/s, o dimetro do conduto seria de 1,1 m. A espessura mnima seria de 6mm.

    5.- ESCOLHA DO TIPO DE TURBINA

    Dados:

    Queda bruta Hb=3115m 3104,3m=10,7m

    Perdas de carga no canal, grades, conduto, vlvulas, etc. Consideram-se como 4%=0,428m

    Queda lquida Hn=10,7-0,428=10,27m

    Vazo de equipamento=3,78m3/s

    Potencia terica da queda dgua:

    Considerando que o valor da queda lquida Hn=10,27m e segundo o grfico da figura 6.

    Figura 6. Velocidade especfica em funo da queda.

    A turbina tipo Kaplan rpida e, por ser de reao, possuir um cone de aspirao apoiado na sada de gua at o canal de descarga.

    A velocidade especfica da turbina seria ns=700 revolues especficas.

  • Caso Prtico 8

    O valor da velocidade do eixo da turbina (n) ser retirado da frmula25,1H

    pnn cv

    e

    s , dando: n =

    565,6 r.p.m.

    Dados do gerador sncrono:

    Velocidade sncrona = 1500 rpm (2 pares de plos)

    Tenso nominal = 3kV

    Rendimento = 0,97

    cos = 0.88

    Auto-excitao com excitatriz e diodos giratrios Para poder acoplar a turbina a este gerador, necessria uma caixa multiplicadora de velocidade de

    relao 1:3, o que representa introduzir perdas adicionais ( caja = 0,97).

    6. -POTENCIA ELTRICA DO GERADOR SNCRONO=POTENCIA INSTALADA Dados:

    Rendimento da turbina hidrulica=0,92

    Rendimento da caixa multiplicadora de velocidade=0,97

    Potencia do transformador principal=Potencia do gerador sncrono=378kVA

    Considerando um autoconsumo de 2%, isso , um rendimento auto = 0,98, um rendimento do

    transformador principal de TP= 0,98 e um rendimento da linha eltrica de sada L= 0,96, teremos que a potencia disponvel no ponto de conexo com a empresa distribuidora de:

    Isso , o rendimento global da usina = 0,80 (80%).

    7. CLCULO DA PRODUO ELTRICA ESTIMADA ANUAL, CONSIDERANDO UM ANO TIPO

    O valor da produo energtica MWh/ano em funo da vazo de equipamento 3,78 m3/s

    E= 306,72 kW x 8760 horas = 2686,87 MWh/ao O valor da vazo mnima tcnica :

    Qmt = Qe .K = 0,945 m3/s K=0,25 ( Turbina Kaplan)

  • Caso Prtico 9

    Este valor sempre superado pela disponibilidade de vazo em todos os meses do ano (ver tabela 1).

    O fator de capacidade neste caso FC=100% (ver Tema 9 do documento do modulo).

    As horas de funcionamento no ano so 8760 horas.

    8. ESQUEMA DE BLOCOS DA USINA

    Figura 7. Esquema de blocos da usina

    9. EDIFCIO DA USINA

    A usina pode ser de uma planta retangular de 12x10 metros (figura 8). A estrutura da usina consiste em um prtico espacial com seis pilares cimentados em suportes isolados. O material para todos os elementos estruturais o concreto armado.

    O edifcio da usina albergar todo o equipamento da usina: turbina, bancadas, geradores, transformadores, quadros eltricos e de controle, etc.

    Possuir uma ponte guindaste para realizar as operaes necessrias sobre o equipamento de turbinagem.

    Dimenses do edifcio: Planta : 12,00 x 10,00 metros e de altura 9,0 metros

  • Caso Prtico 10

    Figura 8. Planta e Fachada do edifico da usina

    10. EQUIPAMENTO ELETROMECNICO

    O equipamento eletromecnico estar formado pelos seguintes elementos:

    Gerador sncrono de 1500 rpm, 3kV, rendimento=0,97 cos =0.88 Transformador de gerao de 3/15kV. Grupo de conexo Dyn11 Linha eltrica area de 15 kV, comprimento 3km (at o povoado de Churubamba) Transformador de servios auxiliares de 50kVA Equipamentos eltricos auxiliares e de tele-mando e controle Comportas (escada para peixes, tomada de gua, cmara de carga e canal de restituio) Grupo leo-hidrulico Vlvula de descarga de fundo Vlvula esfrica na entrada da turbina Ponte guindaste Bancada de ba