PEA - 2420 : Produo de Energia EltricaProf. Dr. Dorel Soares RamosEscola Politcnica da Universidade de So PauloSo Paulo, 14 de Agosto de 2012.Parte 2 Gerao Hidreltrica

Turbinas Hidrulicas

TURBINA HIDRULICA uma mquina hidrulica, que, recebendo em sua porta de entrada energia mecnico-hidrulica de um fluido, converte essa energia em energia mecnico-motriz.Como as turbinas so mquinas hidrulicas reais, a energia disponibilizada em seu eixo mecnico menor do que aquele fornecida pelo fludo.Rendimento da turbinaPotncia mecnico-motrizPotncia mecnico-hidrulicaTURBINA

Disposio do conjunto turbina-geradorDe acordo com a potncia a ser gerada, com limitaes de espao e com altura de queda dgua disponvel a posio do eixo gerador-turbina. Assim, podem-se encontrar, na atualidade, conjuntos gerador-turbina que operam com seu eixo motriz na posio:HorizontalVerticalInclinada em relao vertical

Tipos de TurbinasAo: Quando o escoamento atravs do rotor ocorre sem variao de presso; (Pelton; Michel- Banki)

Reao: Quando o escoamento atravs do rotor ocorre com variao de presso. (Francis; Kaplan;)

Para Centrais Hidreltricas de Baixa Queda: Tipo S; Axial Bulbo; Axial perifrica ou straflo

Pausa !!!!!

Mquinas Hidrulicas:

Bombas

Turbinas

Turbinas de AoSo conversores hidrodinmicos que operam com a energia cintica da gua, recebendo energia na forma mecnico-hidrulica e fornecendo na forma mecnico-motriz. Toda a energia potencial do aproveitamento, a menos das perdas na tomada dgua e nas canalizaes de presso e forada, transformada em energia cintica antes de chegar as conchas do rotor da turbina.dJATORrotorm= Rrotor/djato > 8coeficiente

Valores mnimos para os coeficientes m , funo da altura topogrficaHAHDHFHTOP(A)=HA-HDAltura topogrfica

Turbinas Hidrulicas de Ao

Turbina Pelton

Turbina Pelton

Turbina Pelton

Alguns aproveitamentos Hidreltricos Pelton, no BrasilCom turbinas Pelton de eixo vertical, tem-se conseguido vencer alturas superiores a 1500m e vazes relativamente grandes de tal forma que as turbinas desenvolvam potncias em torno de 100.000CV ou mais.

Turbina Michell-Banki

Turbina Michell-Banki

Turbina Turgo

TURBINAS HIDRULICAS DE REAOTurbina de reao uma mquina hidrulica que converte energia mecnico-hidrulica, das formas cintica e de presso, em energia mecnico-motriz. A gua, sada do rotor, pode estar a presso positiva, negativa ou nula em relao a presso atmosfrica.

Rotor

Rotor Francis UltravelozEvoluo Modelos

Turbina desenhada para pequenas alturas disponveis (inferiores a 50 metros)

Turbina Tipo S

ESCOLHA DO TIPO DE TURBINAAlgumas definies: Turbinas geometricamente semelhantes Turbina unidade

Uma turbina escolhida para atender a determinados valores de queda (HTop) e de descarga (Q), os quais dependem das condies prprias usina onde a mesma instalada. Esta escolha depende ainda de outra grandeza, que o nmero de rotaes por minuto do gerador eltrico (n) que a turbina ir acionar

TURBINAS GEOMETRICAMENTE SEMELHANTESSo turbinas desenvolvidas sob o mesmo desenho com alterao de suas dimenses e de suas potncias, ou ainda, so turbinas cujas dimenses se alteram simultnea e proporcionalmente sem que sejam alteradas suas formas geomtricas.

TURBINA UNIDADE uma turbina, hipottica, geometricamente semelhante a uma famlia de turbinas, que operando a uma altura disponvel H=1m, fornece uma potncia mecnico motriz igual a 1cv, operando em condies semelhantes a todos os outros membros da famlia. A turbina unidade a mesma para todas as turbinas geometricamente semelhantes de uma famlia e que constituem uma srie de turbinas. Quando analisados, todos os membros da famlia operam com o mesmo rendimento.

Conveno: Todas as vezes que se menciona turbina unidade de uma srie, estar-se- referindo a turbinas semelhantes e em condies normais de funcionamento, isto , trabalhando com o mximo rendimento.

Velocidade especfica de uma turbina ou uma famlia de turbinas geometricamente semelhantes a velocidade real da TURBINA UNIDADE e a velocidade qualificatria de todas as turbinas que lhe sejam geometricamente semelhantes.

Assim, se uma famlia de turbinas Pelton, tem as mais variadas potncias, aquela turbina da famlia que, sob uma altura disponvel de H= 1m, fornecer em seu eixo mecnico uma potncia igual a 1cv ser a TURBINA UNIDADE da famlia. A velocidade dessa turbina ser numericamente igual velocidade especfica da famlia.

Todas as demais turbinas dessa famlia podero ter outras potncias e outras velocidades reais, mas tero a velocidade especfica definida pela turbina unidade.

A velocidade especfica ns, ou, mais corretamente, o nmero especfico de rotaes por minuto, , portanto, o nmero de rotaes por minuto da turbina unidade e de todas que lhe forem geometricamente semelhantes.

A velocidade especfica de uma famlia geometricamente semelhante de turbinas um elemento extremamente importante para a sua classificao.

Assim, uma turbina a ser especificada classificada a partir de sua velocidade especfica. Tome-se por exemplo, uma turbina de reao da famlia Francis, que tenha uma velocidade especfica igual a 400rpm. Essa informao permite classificar a citada turbina e todas que lhe seja geometricamente semelhantes. Por outro lado, essa turbina referida , real, em face de sua potncia nominal, de sua vazo nominal e da queda disponvel necessria para uma operao normal, tem uma velocidade angular nominal de 72 rpm.

Tipos de turbinas e suas velocidades especficasA turbina de aoR turbina de reao

CLCULO DA VELOCIDADE ESPECFICA DOS DIVERSOS TIPOS DE TURBINAS Quando se escolhe uma turbina para uma dada instalao, as grandezas conhecidas so a descarga Q (vazo), a queda (HTop) e o nmero de rotaes por minuto (n).Com esses elementos, e o arbitramento estimativo preliminar dos valores de rendimento e , calcula-se o valor da potncia Pmec atravs da seguinte frmula:Levando Pm expresso (rigorosa), vem:Fornece o valor da velocidade especfican = velocidade nominal (RPM) , Pmec (CV)1CV = 736Wattsp = n de pares de polosnp = Funo caracterstica (se relaciona com a rotao nominal sem necessidade de hipteses quanto ao rendimento. e = rendimentos da Turbina e do circuito hidrulicoPmec = potncia mecnica no eixo da Turbina

Frmulas empricas para obteno de ns, nos quais aparece apenas o valor da queda Htop (ou Hd).Francis - empricaKaplan - empricaHlice - empricaro= nmero de injetoresPelton - empricaObs1: Estas frmulas servem apenas para dar uma indicao da velocidade especfica, nas quais aparece apenas o valor da queda e servem para uma primeira estimativa.Obs2: Quando houver uma estimativa das perdas na aduo (tomada dgua e conduto forado) deve-se utilizar sempre a altura de queda dita Altura Disponvel - Hd.Hp=Altura equivalente de perdas hidrulicasHTA= perda hidrulica na tomada dgua (m)HCA= perda hidrulica no conduto forado (m)

Frmulas empricas para obteno de ns, nos quais aparece apenas valor da queda disponvel.Francis - empricaPara Turbinas Francis, alguns Autores optam, ao invs de ns , para definir o campo de aplicao, utilizar a grandeza caracterstica K.K = 2600 Paulo Afonso III (410 MW) / Itaipu (715 MW)

K= 2400 Ilha Solteira (165 MW) / Estreito (231 MW)

K = 2200 Marimbondo (178 MW) / So Simo (381 MW)

NMERO REAL DE ROTAO DAS TURBINASAs turbinas acionam diretamente os geradores de energia eltrica, de modo que, naturalmente, ambos tm o mesmo nmero de rotaes.Mas, nos alternadores, pela forma como so construdos, existe uma dependncia entre as grandezasp = nmero de pares de plosN = nmero de rotaes por minutof = freqncia da corrente em hertzEm Eletrotcnica demonstra-se que n= 60f/p, de modo que, podemos organizar, para alguns valores de p e a frequncia de 60 Hz, a tabela abaixo.Rotaes por minuto sncronos do alternador trifsico em funo do nmero de pares de plos

Rendimento de uma turbina a relao entre a potncia mecnica que a turbina coloca a disposio do gerador e a potncia que o fluido coloca na entrada do seu rotor. funo de muitas variveis:potncia nominal da turbinaPorcentagem do fluido turbinadoTipo de turbina Fabricante Montagem ou posio fsica do eixo

Turbinas pelton de grande porte: 93% de rendimento a uma vazo de 70 a 80% da sua vazo nominalCurvas caractersticas das eficincias

Rendimento das Turbinas

Escolha das Turbinas

Escolha das Turbinas

Escolha das Turbinas

Tipos de turbinas e suas velocidades especficasA turbina de aoR turbina de reao

Lenta

ns / 3,38

Fundamentos

VAZO FIRME OU VAZO EFETIVA DE UM APROVEITAMENTOVazo a quantidade de fluido por unidade de tempo, que se pode fazer passar por uma seo reta de uma tubulao ou canalizao . Denomina-se vazo firme de uma turbina a quantidade de fluido por unidade de tempo, que se pode fazer passar por uma turbina, sem sem que haja alterao relativa do ponto A . tambm chamada de engolimento da turbina.ADenomina-se vazo firme de um aproveitamento a quantidade de fluido, por unidade de tempo, que se pode levar s turbinas, sem que haja alterao relativa do ponto A.Pela equao da Continuidade , escreve-se:Q=Vel.SEm que Vel a velocidade do fludo num ponto P de uma canalizao na qual a seo reta S.

CLCULO DA VELOCIDADE ESPECFICA DOS DIVERSOS TIPOS DE TURBINAS Quando se escolhe uma turbina para uma dada instalao, as grandezas conhecidas so a descarga Q (vazo), a queda (HTop) e o nmero de rotaes por minuto (n).Com esses elementos, e o arbitramento estimativo preliminar dos valores de rendimento e , calcula-se o valor da potncia Pmec atravs da seguinte frmula:Levando Pm expresso (rigorosa), vem:Fornece o valor da velocidade especfican = velocidade nominal (RPM) , Pmec (CV)1CV = 736Wattsp = n de pares de polosnp = Funo caracterstica (se relaciona com a rotao nominal sem necessidade de hipteses quanto ao rendimento. e = rendimentos da Turbina e do circuito hidrulicoPmec = potncia mecnica no eixo da TurbinaSlide Replay

Frmulas empricas para obteno de ns, nos quais aparece apenas o valor da queda Htop (ou Hd).Francis - empricaKaplan - empricaHlice - empricaro= nmero de injetoresPelton - empricaObs1: Estas frmulas servem apenas para dar uma indicao da velocidade especfica, nas quais aparece apenas o valor da queda e servem para uma primeira estimativa.Obs2: Quando houver uma estimativa das perdas na aduo (tomada dgua e conduto forado) deve-se utilizar sempre a altura de queda dita Altura Disponvel - Hd.Hp=Altura equivalente de perdas hidrulicasHTA= perda hidrulica na tomada dgua (m)HCA= perda hidrulica no conduto forado (m)Slide Replay

ALTURA TOPOGRFICA ( com base na figura anterior)Turbinas de ao de eixo horizontalTurbinas de reaoNa sada do injetorColocado no canal de fugaAltura disponvel de um aproveitamento (Hd)ondePerdas energticas inseridas pela tomada dguaPerdas na tubulao (conduto forado)Hd se relaciona com a Potncia Mecnica na entrada da Turbina

Rendimento de uma canalizao ou tubulaoCom a altura disponvel calcula-se:Potncia Mecnico Hidrulica = Potncia na entrada da Turbina(Watts)(CV)ou (kWatts)Sendo = peso especfico da gua = (1000 . 9.81)N/m3Potncia Mecnica til no eixo do GeradorPMU = PMTPMT Potncia Mecnica na sada da Turbina = Potncia Mecnica til no Eixo do Geradorou

Velocidade do eixo motriz de uma turbina hidrulicaA velocidade angular do eixo motriz de uma turbina hidrulica est relacionada a elementos da turbina e a elementos do aproveitamento hidroeltrico em que est colocada.A equao abaixo permite calcular a velocidade angular no eixo motriz de uma turbina a partir da velocidade especfica.Onde:Velocidade especfica da famlia geometricamente semelhante em RPMVelocidade angular do eixo motriz da turbina em RPMPotncia mecnico-motriz da turbina em CVAltura disponvel do aproveitamento em metrosnsnFrmula Rigorosa

EXERCCIO 1 (resolvido)As turbinas da hidreltrica de So Simo, no Rio Paranaba, possuem as seguintes caractersticas: Queda nominal : 72 m (Queda Disponvel) Vazo nominal : 420 m3/s Potncia nominal = 370 491 cv Pares de plos : 38PEDE-SE:Calcular o rendimento do conjunto ( turbina+circuito hidrulico) da usina (%) e a rotao nominal das mquinas.Calcular a velocidade especfica das turbinas ( rpm) utilizando a frmula mais rigorosa e comparar com o resultado da frmula emprica.Analisando as frmulas empricas para a rotao especfica e considerando o resultado do item anterior, determinar o tipo de turbina utilizada em So Simo.Calcular a potncia eltrica de cada mquina de So Simo a partir da vazo e da altura de queda adotando um rendimento de 95% para o gerador e o rendimento mecnico calculado no tem a). Assuma a acelerao da gravidade de 9,81 m/s2.

Frmulas empricas para resoluo do exerccioFrancis - empricaKaplan - empricaHlice - empricaObs.: lembrar que quando houver disponibilidade de estimar ou calcular a Queda Disponvel, essa deve ser utilizada em lugar da Queda Topogrfica nas equaes acima !!

EXERCCIO 2 (resolvido)Um parque gerador trabalha com turbinas kaplan. Sabe-se que a velocidade angular nominal das turbinas de 67rpm, e a altura topogrfica do aproveitamento de 19,2 m. A partir da equao emprica adequada, determine a velocidade especfica dessa famlia de turbinas e, com a ajuda da tabela, determine dentre as turbinas kaplan disponveis, qual a subclasse que foi empregada no referido aproveitamento.

Exerccio 3 (resolvido)O gerador de uma turbina de um parque gerador sncrono e trabalha com uma corrente de 155A na tenso de 4160Volts e um fator de potncia de 85%. Sabe-se que a velocidade angular nominal desse gerador de 600 RPM, que a turbina adotada uma Francis de eixo horizontal e que a altura topogrfica do aproveitamento de 85 metros. Determine a vazo firme dessa turbina.Com base na tabela dada, qual o tipo de turbinas Francis utilizada?Dados:= 89% ( rendimento na canalizao / conduto forado)= 95% ( rendimento do gerador eltrico)= 90% (rendimento da turbina)Considere as perdas na tomada dgua nulas = 0

Exerccio 4 (resolvido) Um aproveitamento de reao trabalha com uma turbina Francis. Determine para esse aproveitamento:Perdas na tomada dguaPerdas na tubulao de aduoAltura lquida disponvelPotncia mecnico-hidrulico em CVDados:= 78%132m= 3%Q = 3 m3/s

Exerccio 5 ( resolvido)O aproveitamento de reao do exerccio anterior trabalha com uma turbina Francis. Determine, para esse aproveitamento:Velocidade especfica da turbina a ser empregada.Velocidade angular do eixo da referida turbina.Nmero de plos do gerador que ser acionado pela mencionada turbina.Dados adicionais (ao exerccio anterior):= 85%

ExemploUHE:nvel de montante - 890 mnvel de jusante - 750 mvazo - 60 m3/sDimetro da tubulao - 4,5 mComprimento equivalente da tubulao - 1.000 m= Coeficiente de Hazen Willians(Adotar = 115 Ao soldado / Ferro fundido com 10 anos de uso)rendimento da turbina - 92%rendimento do gerador - 94%Determinar:a) as quedas e os trabalhos especficos bruto e disponvelb) As potncias bruta, disponvel, no eixo e eltricac) Os rendimentos do sistema de admisso e total do aproveitamento

FrmulasPerda na tubulaoTrabalho especfico bruto [J/kg]Potncia Bruta [W]Potncia Disponvel[W]Trabalho especfico disponvel [J/kg]Potncia no eixo[kW]Potncia eltrica [kW]Rendimento da admisso [%]Rendimento total [%]Altura Lquida

Impactos Sociais Deslocamento de populaes Destruio de reas de subsistncia Construo de novas cidades Insero regional Viabilizao scio-poltica Negociao com a populao local Exemplo: Sobradinho X RS

Impactos AmbientaisDestruio do meio ambiente e da biodiversidade em reas submersas.Emisso de gs metano - aquecimento global.Mudanas da fauna e flora ribeirinha.Comisso Mundial de Barragens.Via natural da ictiofauna e embarcaes interrompidas.

Aspectos EconmicosCusto de Gerao:Custo de implantao elevado: de 700 a 3000 US$/kW instalado

Grandes riscos: ambientais geolgicos cambial financeiros JDCOnde:

Cinv = Custo de Investimento

CO&M = Custo de Operao e Manuteno

Ccomb = Custo de Combustvel

Ccnx = Custo de Conexo

Cust = Custo de Uso da Rede de Transmisso (TUST)

Custos de PCH (Fabricantes Nacionais)

Exerccio Qual a Motorizao da Central?Queda Bruta: 5O metrosRendimento Global: 82%Determinar a energia mdia, a energia firme e a energia no garantida.

Mais Informaes

Prof. Dr. Dorel Soares RamosEscola politcnica da Universidade de So Paulo GEPEA - Grupo de Pesquisa em EnergiaTelefone: +55 +11 3049-5425E-mail: dorelram@pea.usp.br dorelram@gmail.com