Caso Prático 1

Caso Prático PEQUENAS USINAS HIDRELÉTRICAS

Caso Prático 2

Caso Prático PEQUENAS USINAS HIDRELÉTRICAS

SOLUÇÃO

ENUNCIADO

Projeto de uma pequena usina hidráulica tipo corrente com canal de derivação nas proximidades da cidade de Urcos, capital da província de Quispicanchi, Departamento de Cuzco, Peru. A cerca de 40km ao SE da cidade de Cuzco. O rio é o Vilcanota (Willcamayo em quéchua).

O açude de concreto se encontra situado a uma elevação de 3112,5 m.sn.m e não é considerado para a regulação da vazão. Sua função será a de reter um pequeno volume de água. A água, que não é derivada, corre pelo vertedouro de coroação a uma altura de 2,5m e uma elevação de 3115 m.s.n.m e segue seu curso normal. Precisará de comportas para a regulação.

O perfil do vertedouro é de tipo parabólico e dispõe de uma bacia de amortecimento de trampolim submergida. (Figura 1)

Figura 1 Detalhe do perfil do açude com vertedouro tipo parabólico

O açude possuirá duas descargas de fundo e em sua embocadura estará situada uma válvula de fluxo oco para proceder ao esvaziamento quando se realizem operações de limpeza (segundo a normativa de represas) (figura 2).

Caso Prático 3

Figura 2 Localização das descargas de fundo no açude

O açude permite a captação da vazão de desenho, com sua correspondente tomada de água situada na margem esquerda. A escada de peixes, tipo labirinto, estará situada na margem direita e formada por oito degraus com uma altura de 30 cm cada. O comprimento em coroação do vertedouro é de 20m, sendo o comprimento total até os extremos dos estribos de 40m.

Pra regular a vazão derivada, estabelece-se uma comporta na entrada da tomada, provida também de uma grade para evitar a entrada de obstáculos.

Da tomada de água parte um canal aberto com forma retangular de concreto armado, construído sobre a rocha, com um comprimento total de 1.814m e com uma inclinação de 0,5 metros por mil, até a câmara de carga da qual parte um conduto forçado de aço até o edifício da usina, construída em um único edifício reto de comprimento 189m. O edifício da usina estará situado na margem esquerda do rio, a uma elevação de 3104,3 m.s.n.m. Uma vez turbinada, a água é devolvida ao curso do rio através de um canal de descarga a uma elevação de 3103 m.s.n.m.

A central projetada se conectará através de uma linha aérea elétrica a 15 kV, com um comprimento de 3 km, a uma subestação localizada na população de Churubamba.

3 m

2,5 m

Caso Prático 4

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

Figura 3. Vista aérea da localização.

Figura 4. Detalhe da localização do diferentes elementos.

Os dados de vazões média mensais (Tabela 1) podem ser obtidos da estação hidrométrica mais próxima a nossa central, que é a de Pisac, com uma elevação de 2971 m.s.n.m (13º26’latitude, 71º51’’longitude) e que dispõe de um medidor com forma de vertedouro de parede fina com linígrafo. O operador da estação hidrométrica é a SENAMHI. A precipitação média anual na bacia do rio Vilcanota é de 811 mm. A superfície da bacia é de 6911 km2.

Roo Vilcanota

Comporta

Caso Prático 5

A vazão ecologia que concebemos, em observância ao previsto pelo Organismo da bacia hidrográfica ANA (Autoridade Nacional de Água do Peru), no trecho do rio aceito para manter o habitat da área é de 60% da vazão média do rio, durante todos os meses do ano. DADOS DE VAZÕES NATURAIS DA ESTAÇÃO DE PISAC (M3/S)

Os dados de vazões naturais da estação de Pisac procedem do relatório de EGEMSA de junho de 2004.

Tabela 1. Dados de vazões médias mensais.

1.- EQUIPAMENTOS DE FLUXO DE DETERMINAÇÃO

A concessão de água permitida pelo Organismo da Bacia Hidrográfica ANA no Peru é de 3,78 m3/s. Portanto, este valor será a vazão de equipamento Qe de nossa usina. Observando os valores médios de vazões disponíveis em todos os meses do ano, a disponibilidade desta vazão durante todo o ano é de 100%.

2.- DIMENSÕES DO CANAL DE DERIVAÇÃO:

Dados:

I = Inclinação longitudinal = 0,5 metros por mil

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

V = velocidade média de circulação da água pelo canal. Toma-se 1,37 m/s

Longitude= 1814m

Seção retangular de concreto armado

Caso Prático 6

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

O valor do raio hidráulico obtido da formula de Manning é 0,79m. Aplicando a condição de seção mais econômica (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 dimensões do canal a partir do gráfico 4.12 do Tema 4, e assim tem-se:

Largura do canal: 2,5 metros

Profundidade: 3,5 metros Em conclusão, estas dimensões são menos convenientes do que as obtidas com o critério da seção mais econômica.

3.- DIMENSÃO DA CÂMARA DE CARGA

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

Compõe-se de um corpo central na continuação do canal de derivação com um aumento da inclinação inicial, reduzindo a elevação da soleira do canal em 0,5m (desarenador) para obter uma soleira sem inclinação. A elevação da soleira se encontra a 3113,0 m.

Em uma de suas laterais será construído um vertedouro para poder evacuar a vazão de cheia, orientando-a ao rio através de um conduto de PVC capaz de evacuar uma vazão de 5 m3/s.

4.- DIMENSÃO DO CONDUTO FORÇADO Dados:

Comprimento 189m

Conduto de aço dúctil

Velocidade máxima da água por seu interior 4 m/s

P: pressão interior da água considerando sobrepressão por golpe do martelo de água (normalmente 6. 105 N/m2)

σadm: tensão admissível de calculo (para o aço toma-se um valor de 2400 N/m2)

O diâmetro do conduto será:

Caso Prático 7

De forma gráfica, conforme a figura 4.17, para uma vazão de 3,78 m3/s, o diâmetro do conduto seria de 1,1 m. A espessura mínima 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, válvulas, etc. Consideram-se como 4%=0,428m

Queda líquida Hn=10,7-0,428=10,27m

Vazão de equipamento=3,78m3/s

Potencia teórica da queda d’água:

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

Figura 6. Velocidade específica em função da queda.

A turbina é tipo Kaplan rápida e, por ser de reação, possuirá um cone de aspiração apoiado na saída de água até o canal de descarga.

A velocidade específica da turbina seria ns=700 revoluções específicas.

Caso Prático 8

O valor da velocidade do eixo da turbina (n) será retirado da fórmula25,1H

pnn cve

s , dando: n =

565,6 r.p.m.

Dados do gerador síncrono:

Velocidade síncrona = 1500 rpm (2 pares de pólos)

Tensão nominal = 3kV

Rendimento = 0,97

cosφ = 0.88

Auto-excitação com excitatriz e diodos giratórios Para poder acoplar a turbina a este gerador, é necessária uma caixa multiplicadora de velocidade de

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

6. -POTENCIA ELÉTRICA DO GERADOR SÍNCRONO=POTENCIA INSTALADA Dados:

Rendimento da turbina hidráulica=0,92

Rendimento da caixa multiplicadora de velocidade=0,97

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

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

transformador principal de TP= 0,98 e um rendimento da linha elétrica de saída L= 0,96, teremos que a potencia disponível no ponto de conexão com a empresa distribuidora é de:

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

7. CÁLCULO DA PRODUÇÃO ELÉTRICA ESTIMADA ANUAL, CONSIDERANDO UM ANO TIPO

O valor da produção energética MWh/ano em função da vazão de equipamento 3,78 m3/s

E= 306,72 kW x 8760 horas = 2686,87 MWh/año O valor da vazão mínima técnica é:

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

Caso Prático 9

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

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

As horas de funcionamento no ano são 8760 horas.

8. ESQUEMA DE BLOCOS DA USINA

Figura 7. Esquema de blocos da usina

9. EDIFÍCIO DA USINA

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

• O edifício da usina albergará todo o equipamento da usina: turbina, bancadas, geradores, transformadores, quadros elétricos e de controle, etc.

• Possuirá uma ponte guindaste para realizar as operações necessárias sobre o equipamento de turbinagem.

• Dimensões do edifício: – Planta : 12,00 x 10,00 metros e de altura 9,0 metros

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Figura 8. Planta e Fachada do edifico da usina

10. EQUIPAMENTO ELETROMECÂNICO

O equipamento eletromecânico estará formado pelos seguintes elementos:

• Gerador síncrono de 1500 rpm, 3kV, rendimento=0,97 cosφ =0.88 • Transformador de geração de 3/15kV. Grupo de conexão Dyn11 • Linha elétrica aérea de 15 kV, comprimento 3km (até o povoado de Churubamba) • Transformador de serviços auxiliares de 50kVA • Equipamentos elétricos auxiliares e de tele-mando e controle • Comportas (escada para peixes, tomada de água, câmara de carga e canal de restituição) • Grupo óleo-hidráulico • Válvula de descarga de fundo • Válvula esférica na entrada da turbina • Ponte guindaste • Bancada de baterias

Caso Prático 11

Figura 9. Vista da fachada da usina

11. ESTUDO DE VIABILIDADE ECONÔMICA

A estimação do custo do investimento é feita através do seguinte gráfico (figura 10):

Figura 10. Estimação do custo de investimento em função da produção anual

Considerando que a produção é de 2686,87 MWh/ano, o custo médio do investimento é de aproximadamente 0,91 euros/kWh, isso é, um custo de 2.445.051,7 $.

Com este dado:

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• Índice de potencia = 7.971,6 $/kW • Índice de energia = 0,91$/kWh

Considerando os seguintes valores econômicos:

Preço venda do MWh 91 $/MWh (*)

Custo de operação e manutenção (2% do custo de investimento)

28642 $/ano

Relação de dívida 80%

Taxa de juros da dívida 2,5%

Duração da dívida 10 anos

Vida útil 40 anos

(*) O preço de venda do MWh é um valor adotado segunda a tarifa atual de eletricidade no Peru.

Para a análise financeira foi utilizado o programa RETScreen da Natural Resources Canada (http://www.retscreen.net). O resultado obtido demonstra que o projeto seria viável e rentável.

TIR antes de impostos-capital 16,8 %

TIR antes de impostos-activos 7 %> 2,5% considerado

Pay-back (amortização) 11,3 anos

VAN ( 15 anos) 1.200.000 $

VAN (40 anos) 12.000.000$

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