Anteprojeto UHE

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PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO RIO GRANDE DO SUL FACULDADE DE ENGENHARIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA DISCIPLINA PRODUÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA UDO ERNI NEIMANN ANTEPROJETO DE USINA HIDRELÉTRICA PORTO ALEGRE 2011

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Execução de anteprojeto de Usina Hidrelétrica

Transcript of Anteprojeto UHE

  • 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

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    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

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    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

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    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

    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

    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

    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

    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 #

  • 14

    \ = ]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

  • 15

    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

  • 17

    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 ~

  • 19

    Figura 5 Potncia e rotao unitrios

    Sendo

    *uu = ./ u,J

    *u9 = 74,040,306u,J

    *u = TT9^T ~

    Considerando a necessidade

    *aZ = 25788 ,

  • 20

    Considerando H = 2,54 tem-se

  • 21

    Referncia Bibliogrficas

    Material fornecido pelo professor;

    Anotaes de aula;