PONTIFCIA UNIVERSIDADE CATLICA DO RIO GRANDE DO SUL FACULDADE DE ENGENHARIA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELTRICA DISCIPLINA PRODUO DE ENERGIA ELTRICA

UDO ERNI NEIMANN

ANTEPROJETO DE USINA HIDRELTRICA

PORTO ALEGRE 2011

2

UDO ERNI NEIMANN

ANTEPROJETO DE USINA HIDRELETRICA

Este trabalho tem como objetivo cumprir requisito para a obteno do grau da disciplina de Produo de Energia Eltrica da Pontifcia Universidade Catlica do Rio Grande do Sul PUCRS.

Orientador: Prof. Plnio Luiz Slomp

Porto Alegre 2011

3

RESUMO

Este trabalho aborda um estudo direcionado a implantao de uma usina hidreltrica em determinada regio. O trabalho em questo servir como base para um anteprojeto de uma usina hidreltrica abordando desde a anlise dos dados hidrolgicos at a definio das dimenses da barragem e casa de maquinas.

Palavras-Chaves: Produo, Hidreltrica, Barragem

4

1 DADOS HIDROLGICOS (PLANILHA DE VAZES)

Ano Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez

1943 10,8 34,4 19,0 11,2 43,4 237,3 204,0 308,2 284,6 130,9 34,7 21,8

1944 184,0 52,8 104,1 47,1 15,9 202,5 197,2 58,7 135,5 136,3 66,8 15,7

1945 6,9 13,7 13,7 9,6 8,6 34,2 136,9 301,5 182,8 128,3 37,6 35,0

1946 463,0 397,9 140,0 27,1 28,4 181,5 284,3 124,1 95,3 179,8 98,8 245,0

1947 202,3 132,0 52,7 14,8 152,9 149,4 202,0 92,9 322,8 251,3 97,8 216,0

1948 61,0 91,9 152,9 128,2 453,5 310,6 448,9 380,1 132,5 89,2 147,8 36,9

1949 34,6 17,9 67,7 79,8 82,8 297,0 458,5 160,3 487,9 325,1 30,6 15,9

1950 13,3 26,7 24,6 29,4 52,2 67,4 67,6 317,0 140,8 590,7 87,9 47,4

1951 65,3 288,2 109,5 97,8 40,0 50,1 17,6 14,3 127,0 486,3 158,6 68,5

1952 42,6 49,7 11,7 12,9 9,5 328,8 355,6 117,2 191,8 198,8 127,4 73,1

1953 61,0 57,3 44,1 51,0 58,9 349,4 211,5 339,3 738,5 523,4 163,0 73,4

1954 267,3 192,9 215,0 85,8 119,5 566,1 908,6 208,6 1158,5 522,7 83,0 54,7

1955 21,6 78,2 65,5 487,4 537,9 275,6 475,8 355,8 341,1 376,5 156,8 58,3

1956 424,5 262,2 69,9 689,1 285,6 206,5 146,4 474,2 509,9 255,6 71,9 24,5

1957 126,1 125,0 60,7 185,5 141,0 197,9 361,0 694,2 697,9 287,4 228,1 152,5

1958 116,8 69,0 209,2 87,7 83,7 489,6 111,3 408,5 441,7 451,0 297,8 645,0

1959 197,1 182,4 154,8 423,4 430,1 514,8 216,4 525,6 732,4 364,1 64,0 48,0

1960 21,7 73,3 93,0 69,2 32,0 275,6 127,0 545,6 621,7 244,5 178,1 104,3

1961 136,0 60,2 424,3 286,5 118,6 566,2 346,4 275,7 1059,5 698,6 315,3 233,0

1962 90,7 34,1 46,0 31,8 43,0 40,3 134,1 100,1 253,3 84,0 46,0 24,9

1963 108,4 307,7 366,8 179,7 86,1 48,6 49,3 609,1 511,4 1159,6 335,2 218,2

1964 46,9 46,0 31,5 70,2 78,6 64,1 146,9 423,1 518,6 187,7 75,3 69,6

1965 56,3 29,1 51,1 38,7 64,9 64,8 129,6 282,6 362,2 416,9 215,1 312,7

1966 334,8 526,5 309,6 108,3 32,2 325,5 594,3 584,2 933,4 543,4 181,6 637,4

1967 238,9 331,0 281,0 87,5 49,7 88,3 286,1 390,4 293,6 245,8 94,3 130,2

1968 41,4 31,1 42,3 73,7 46,6 52,5 183,5 42,8 213,1 151,6 414,5 68,0

1969 143,3 356,9 136,6 165,0 96,1 295,7 138,3 134,0 390,0 99,9 175,5 51,2

1970 65,2 96,9 175,6 253,2 295,0 370,1 554,2 349,3 165,1 131,5 173,9 312,9

1971 270,0 502,3 306,7 305,7 283,1 372,9 459,6 740,1 150,4 94,7 40,2 42,1

1972 270,0 502,3 306,7 305,7 283,1 372,9 459,6 740,1 150,4 94,7 40,2 42,1

1973 305,2 262,2 153,7 113,2 462,7 377,0 551,5 759,0 770,8 285,9 249,9 141,7

1974 109,0 331,0 397,6 95,9 159,4 518,4 154,9 105,8 150,3 75,2 161,8 186,5

1975 78,9 165,3 95,9 72,6 46,7 245,8 182,9 653,1 827,5 417,8 266,0 253,7

1976 273,8 106,6 136,8 93,7 290,7 278,1 300,5 886,3 247,9 147,3 363,5 350,7

1977 271,0 299,0 316,4 257,4 143,5 465,7 609,0 1135,9 243,3 162,5 178,4 241,2

1978 204,4 105,3 129,8 40,6 34,5 38,4 300,1 332,2 408,8 211,4 324,0 235,0

1979 111,6 29,4 59,4 59,4 158,8 132,7 348,2 264,5 130,0 549,2 441,5 634,6

1980 144,7 117,1 124,4 52,0 173,0 71,6 372,2 898,5 391,5 482,1 535,3 730,9

1981 237,0 731,6 122,7 87,6 68,8 113,5 85,5 71,1 506,6 318,8 298,5 73,1

1982 45,1 61,2 40,5 25,8 19,7 311,2 610,7 300,4 277,1 736,6 891,7 206,2 Tabela 1 Dados de vazo (m/s)

5

Os dados foram retirados de planilha de vazes fornecida pelo professor referente a Bacia do Rio das Antas. Importante observar que os dados do ano de 1972 encontravam-se ilegveis, sendo assim, foram repetidos os dados de 1971.

2. CURVA DO FLUVIOGRAMA HIDROLGICO

Os dados abaixo foram obtidos a partir das mdias anuais da tabela 1 e refere-se ao intervalo de 1943 a 1982 (40 anos).

Grfico 1 - Fluviograma

0,0

50,0

100,0

150,0

200,0

250,0

300,0

350,0

400,0

450,0

19

43

19

44

19

45

19

46

19

47

19

48

19

49

19

50

19

51

19

52

19

53

19

54

19

55

19

56

19

57

19

58

19

59

19

60

19

61

19

62

19

63

19

64

19

65

19

66

19

67

19

68

19

69

19

70

19

71

19

72

19

73

19

74

19

75

19

76

19

77

19

78

19

79

19

80

19

81

19

82

Va

zo

m/

s

Ano

1943 - 1982

6

3. CURVA DE DURAO

Os dados da curva de durao foram obtidos atravs da tabela de durao abaixo, nesta tabela encontra-se o nmero de ocorrncias durante o perodo amostrado para um certo intervalo de vazo.

INTERVALO

(m/s) Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez Jan Fev Mar % Horas

1159,6 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0,21% 18

1119 a 1158,5 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 2 0,42% 55

1076 a 1118,9 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0,00% 55

1033 a 1075,9 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0,21% 73

990 a 1032,9 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0,00% 73

947 a 989,9 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0,00% 73

904 a 946,9 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 2 0,42% 110

861 a 903,9 0 0 0 0 2 0 0 1 0 0 0 0 3 0,63% 164

818 a 860,9 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0,21% 183

775 a 817,9 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0,00% 183

732 a 774,9 0 0 0 0 3 3 1 0 0 0 0 0 7 1,46% 310

689 a 731,9 1 0 0 0 1 1 1 0 1 0 1 0 6 1,25% 420

646 a 688,9 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0,21% 438

603 a 645,9 0 0 0 2 1 1 0 0 3 0 0 0 7 1,46% 566

560 a 602,9 0 0 2 1 1 0 1 0 0 0 0 0 5 1,04% 657

517 a 559,9 0 1 1 2 2 1 4 1 0 0 1 0 13 2,71% 894

474 a 516,9 1 0 2 1 1 4 2 0 0 0 2 0 13 2,71% 1132

431 a 473,9 0 2 1 4 0 1 1 1 0 1 0 0 11 2,29% 1332

388 a 430,9 1 1 0 0 3 3 2 1 0 1 1 2 15 3,13% 1606

345 a 387,9 0 0 5 5 3 1 2 1 1 0 1 1 20 4,17% 1971

302 a 344,9 2 0 4 0 4 2 2 3 2 2 3 4 28 5,83% 2482

259 a 301,9 1 5 5 4 5 3 2 3 0 5 4 1 38 7,92% 3176

216 a 258,9 2 0 2 1 0 3 4 2 7 2 0 0 23 4,79% 3595

173 a 215,9 2 1 4 6 1 3 4 6 2 4 2 3 38 7,92% 4289

130 a 172,9 1 5 2 6 2 8 6 5 3 3 2 6 49 10,21% 5183

87 a 129,9 9 3 2 3 5 2 5 5 1 6 6 7 54 11,25% 6169

44 a 86,9 10 11 7 3 2 0 2 6 11 8 9 9 78 16,25% 7592

6 a 43,9 10 11 3 1 2 0 0 5 9 8 8 7 64 13,33% 8760 Tabela 2 Durao

7

Grfico 2 Curva de durao

A partir do grfico 2, obtm-se os seguintes dados necessrios ao projeto da usina:

a) Vazo mdia (Q) Q =

b) Vazo de projeto (Q)

Q = 0,8 Q

Q = 0,8 200 =

5. DADOS DE POTNCIA E ENERGIA

= ("#"$# = 31,55 10(#)

* , = 8 - ./

0"1$ = 1

450 ./

0

200

400

600

800

1000

1200

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000

Va

zo

m/

s

Horas

8

Ano Qmd (m/s) Volume (Hm) Potncia (MW ano) Energia (GWh/ano)

1943 111,69 3524 66,16 580

1944 101,38 3199 60,05 526

1945 75,73 2389 44,86 393

1946 188,77 5956 111,81 979

1947 157,24 4961 93,14 816

1948 202,79 6398 120,12 1052

1949 171,51 5411 101,59 890

1950 122,08 3852 72,31 633

1951 126,93 4005 75,19 659

1952 126,59 3994 74,98 657

1953 222,57 7022 131,83 1155

1954 365,23 11523 216,33 1895

1955 269,21 8494 159,46 1397

1956 285,03 8993 168,83 1479

1957 271,44 8564 160,78 1408

1958 284,28 8969 168,38 1475

1959 321,09 10130 190,19 1666

1960 198,83 6273 117,77 1032

1961 376,69 11885 223,12 1955

1962 77,36 2441 45,82 401

1963 331,68 10464 196,46 1721

1964 146,54 4623 86,80 760

1965 168,67 5321 99,90 875

1966 425,93 13438 252,29 2210

1967 209,73 6617 124,23 1088

1968 113,43 3579 67,18 589

1969 181,88 5738 107,73 944

1970 245,24 7737 145,26 1272

1971 297,32 9380 176,11 1543

1972 297,32 9380 176,11 1543

1973 369,40 11655 218,80 1917

1974 203,82 6430 120,72 1058

1975 275,52 8693 163,19 1430

1976 289,66 9139 171,57 1503

1977 360,28 11367 213,40 1869

1978 197,04 6217 116,71 1022

1979 243,28 7675 144,10 1262

1980 341,11 10762 202,05 1770

1981 226,23 7138 134,00 1174

1982 293,85 9271 174,05 1525 Tabela 3 Volume potncia e energia

A partir da tabela 3, obtm-se as curvas de potncia, energia e flutuao

9

6. CURVA DE POTNCIA

Grfico 3 curva de potncia

7. CURVA DE ENERGIA

Grfico 4 curva de energia

0,00

50,00

100,00

150,00

200,00

250,00

300,00

19

43

19

44

19

45

19

46

19

47

19

48

19

49

19

50

19

51

19

52

19

53

19

54

19

55

19

56

19

57

19

58

19

59

19

60

19

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19

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19

69

19

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71

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19

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19

76

19

77

19

78

19

79

19

80

19

81

19

82

MW

Ano

Curva de potncia

0

500

1000

1500

2000

2500

19

43

19

44

19

45

19

46

19

47

19

48

19

49

19

50

19

51

19

52

19

53

19

54

19

55

19

56

19

57

19

58

19

59

19

60

19

61

19

62

19

63

19

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19

65

19

66

19

67

19

68

19

69

19

70

19

71

19

72

19

73

19

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19

75

19

76

19

77

19

78

19

79

19

80

19

81

19

82

GW

h

Ano

Curva de energia

10

8. CURVA DE FLUTUAO

9. CURVA DE ACUMULAO

a) Volume til operacional b)

O rio garante 160 m/ano durante 50% do tempo, sendo assim

3"#"1 1 = 160 31,55 10(

2= 2524 10( = 2524

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

160001

94

3

19

44

19

45

19

46

19

47

19

48

19

49

19

50

19

51

19

52

19

53

19

54

19

55

19

56

19

57

19

58

19

59

19

60

19

61

19

62

19

63

19

64

19

65

19

66

19

67

19

68

19

69

19

70

19

71

19

72

19

73

19

74

19

75

19

76

19

77

19

78

19

79

19

80

19

81

19

82

hm

Ano

Curva de flutuao

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

0 500 1000 1500 2000 2500

Co

ta (

m)

Volume (hm)

Acumulao do reservatrio

11

10. RESERVATRIO

Figura 1 Barragem

a) Acumulao morta (7)

.8 = 0,10 .

.8 = 0,10 50 = 5

Para garantir um volume de sedimentao adequado ser considerado um valor para .8 = 9.

12

b) Altura da captao (7;)

Para definir a altura da captao, primeiramente ser calculado o dimetro do duto de aduo ( = 2,5 #

Sero consideradas cinco mquinas, sendo assim, o Q individual para cada mquina ser 32 m/s.

Tem-se

Q = ?

13

Velocidade na grade,

N = 0,5 #

1" = QN = 320,5 = 64 M P = 1" = 64

P = 644,04 = Q, 9L

c) Selo de gua (7R)

Para o selo de gua, ser considerada uma altura .S = T

d) Volume til (7U)

O volume til do reservatrio ter uma altura .V = Q

e) Vertedores (7W)

Sendo o maior volume observado nos 40 anos

Q8>X = QY,

Calcula-se o volume para a chuva decamilenar

QZ = 3,5 Q8>X = 3,5 1159,6 = 4058,6 #

Velocidade adotada para o vertedor

Z = 8 #

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\ = ]QZZ = ]4058,68 = , Q

Considerando a altura mxima da grade em 15% de .V , a altura ser calculada como

.Z = 0,15 50 = ^, Q

Sendo assim, a largura do vertedor ser

\Z = QZ.Z 8 = 4058,67,5 8 = ^, L

f) Crista da barragem (7;`)

Para altura de .ab tem-se

.ab = , Q

Altura total da barragem:

Considerando os dados obtidos anteriormente, possvel calcular a altura total da barragem .c

.c = .8 + .a + .S + .V + .Z + .ab

.c = 8 + 4,04 + 3 + 50 + 7,5 + 1,5 = ^L, L

Observao : A medida de .c ser utilizado como medida de referncia ./, logo

./ = ^L, L

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11. POTNCIA DA USINA E ENERGIA ENTREGUE AO SISTEMA

Potncia total:

*e = 8 ./ Q = 8 74,04 160 = YL^^ fg

Potncia individual por mquina:

*h = ijkBCl nobpql>r = isD,tDu(tJ = 9YQL fg =v 9, YQ wg

Conforme estudo de mercado, o fator de utilizao 0,5. Sendo assim, pode-se calcular a energia anual entregue ao sistema:

0 = *e x 1 ( " 1# = 8760)

0 = 94,771 0,5 8760 = LQY^ wgy =v LQ, zgy

16

12. TURBINA

a) Tipo de turbina:

Considerando uma altura de projeto ./ = 74,04 e a vazo individual de cada turbina Q = 32 # pode-se analisar no grfico abaixo o tipo de turbina recomendado para a usina.

Figura 3 Aplicao de turbinas

Considerando o grfico acima, temos

Tipo de rotor: Francis

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b) Rotao especfica ideal

Analisando o grfico da relao entre queda e rotao especfica tem-se

Figura 4 relao queda x rotao especfica

S{ = 180

*aZ = *|}0,735 = 189540,735 = Q^99 ~

= S{ j,

= 180 74,04u,IJ25788 = LT, L `

18

c) Rotao sncrona

= 120 x*#

243,4 = 120 60*#

*# = 120 60243,4 = 29,58

" # = T

S = 120 6030 = L `

d) Rotao especfica de projeto

S = S{ S

S = 180 243,4240 = 9, Q `

Analisando-se a figura 5 (grfico de potncia e rotao unitrios em funo de S obtm-se a potncia unitria u produzida pelo rotor unitrio

u =v Y ~

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Figura 5 Potncia e rotao unitrios

Sendo

*uu = ./ u,J

*u9 = 74,040,306u,J

*u = TT9^T ~

Considerando a necessidade

*aZ = 25788 ,

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Considerando H = 2,54 tem-se

21

Referncia Bibliogrficas

Material fornecido pelo professor;

Anotaes de aula;