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O presente trabalho teve como objetivo analisar e verificar, no nível final do curso, o dimensionamento do vertedouro da barragem de Passo Fundo, inaugurado em 1973, a fim de comparar com a estrutura existente e em operação, além de mencionar os dispositivos. para a dissipação de energia.
Tipologia: Manuais, Projetos, Pesquisas
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Projeto final de curso II apresentado como requisito parcial à obtenção do grau de Engenheiro Civil, Departamento de Engenharias e Ciência da Computação da Universidade Regional Integrada do Alto Uruguai e das Missões – Campus de Erechim. Orientador: Prof. Dr. Marco Antonio Sampaio Ferraz de Souza ERECHIM - RS 2018
Dedico este trabalho à minha família.
Agradeço aos meus pais, minha irmã e meus irmãos por acreditar em mim e alavancar em todos os aspectos minha trajetória até aqui. Em sua simplicidade apoiaram-me em todos os momentos, acreditaram em mim e ajudaram em tudo o que estava a seu alcance. Em especial agradeço ao meu orientador, Dr. Marco Antonio Sampaio Ferraz de Souza, graduado em Engenharia Mecânica pela Universidade Estadual Paulista Júlio de Mesquita Filho (2006), mestrado em Engenharia Aeronáutica e Mecânica pelo Instituto Tecnológico de Aeronáutica (2009) e doutorado em Engenharia Mecânica pela Universidade Estadual de Campinas (2013), que esteve sempre presente me auxiliando neste projeto. Conduziu-me com sabedoria e liderança, indicando-me o melhor caminho a seguir. Agradeço a um amigo distante, que faço questão de elencar sua trajetória como engenheiro civil, formado pela UnB- Universidade de Brasília, com 40 anos de experiência em projetos de usinas hidrelétricas, Geraldo Magela Pereira. Suas obras, com linguagem objetiva, clara e de fácil compreensão me motivaram ao tema deste trabalho e o direcionamento de minha carreira. Agradeço também, a cordialidade dos funcionários do grupo Engie que me acompanharam nas visitas técnicas na UHE Passo Fundo, fornecendo-me material e respondendo aos meus questionamentos a respeito do estudo em questão. Enfim, meu muito obrigada a todos os amigos que de alguma forma direta ou indiretamente estiveram presentes nesta caminhada.
O presente trabalho teve como objetivo analisar e verificar, no nível final do curso, o dimensionamento do vertedouro da barragem de Passo Fundo, inaugurado em 1973, a fim de comparar com a estrutura existente e em operação, além de mencionar os dispositivos. para a dissipação de energia. Nessa perspectiva, optou-se por uma análise de suas classificações, quanto ao trecho típico, quanto às condições de operação, à posição em elevação, à posição em planta no arranjo e ao canal de descarga do talude, com a intenção de afilar o modelo ideal para a UHE em voga. Neste contexto, a fim de promover o bom funcionamento hidráulico de seus estudos, esta estrutura inclui cinco elementos distintos: canal de entrada, estrutura de controle, canal de descarga, dissipador de energia e retorno do fluxo para o canal do rio. Para isso, este projeto utiliza os critérios recomendados pela Eletrobrás, bem como referências relacionadas e visitas técnicas à UHE. Resultou em um vertedouro com dimensões muito diferentes da atual, levando em conta uma relação de altura e largura das comportas de 1,20, ideal para um melhor funcionamento. Assim, houve uma redução notável no consumo de concreto. Considerando o mesmo perfil de ogiva, houve uma diferença de aproximadamente 35%, consequentemente, uma redução nos custos de construção. Palavras-Chave: Vertedouro. Barragem. Usina hidrelétrica. Dimensionamento.
The present work had as objective to analyze and verify, at the final level of the course, the shedding of the spillway of the Passo Fundo dam, inaugurated in 1973, in order to compare with the existing structure and in operation, besides mentioning the devices. for energy dissipation. From this perspective, we opted for an analysis of their classifications, regarding the typical section, regarding the conditions of operation, the position in elevation, the position in plan in the arrangement and the channel of discharge of the slope, with the intention to sharpen the model ideal for the UHE in vogue. In this context, in order to promote the proper hydraulic functioning of its studies, this structure includes five distinct elements: input channel, control structure, discharge channel, energy sink and return flow to the river channel. For this, this project uses the criteria recommended by Eletrobrás, as well as related references and technical visits to the HPP. It resulted in a spillway with very different dimensions from the current one, taking into account a ratio of height and width of the sluices of 1.20, ideal for a better functioning. Thus, there was a noticeable reduction in concrete consumption. Considering the same warhead profile, there was a difference of approximately 35%, consequently a reduction in construction costs. Keywords: Spillway. Dam. Hydroelectric plant. Sizing.
Tabela 1 – Tipos Aplicáveis por Estrutura/Objetivo ................................................................ 20 Tabela 2 - Informações Técnicas – UHE Passo Fundo ............................................................. 29 Tabela 3 - Comparativo entre os vertedouros ........................................................................... 49
Aneel Agência Nacional de Energia Elétrica CBDB Comitê Brasileiro de Barragens CCSU Centro de Controle de Supervisão de Usinas CEEE Companhia Estadual de Energia Elétrica CEPEL Centro de Pesquisas Elétricas da Eletrobrás CESPE Centro de Seleção e Promoção de Eventos EIH Estudo de Inventário Hidrelétrico Eletrobrás Centrais Elétricas Brasileiras Engie Grupo de Geração de Energia Elétrica EPE Empresa de Pesquisa Energética EVE Estudo de Viabilidade Econômica de Aproveitamentos Hidrelétricos – Eletrobrás IBGE Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística IPT Instituto de Pesquisas Tecnológicas LP Licença Prévia NA Nível d’ água NBR Norma Brasileira SGH Superintendência de Gestão e Estudos Hidroenergéticos UHE Usina Hidrelétrica USBR United States Bureau of Reclamation VMP Vazão Máxima Provável
pₒ Pressão atmosférica [kPa] Q Vazão volumétrica referente à cheia de projeto [m³/s] q Capacidade de descarga do vertedouro [m³/s] R Raio da comporta [m] Ɽ Parâmetro de velocidade de subida do nível do reservatório [m/h] S Seno do ângulo de inclinação logo após o eixo da crista [°] Va Velocidade do escoamento no canal de aproximação [m/s] W Largura da comporta [m] x’ Linha de ação da força vertical [m] y Coordenada y em altura da comporta vertical [m] y’ Linha de ação da força horizontal [m] yc Coordenada do centro da comporta [m] Z Altura da cota inferior até a crista [m] θ Ângulo do raio da comporta em relação a carga de projeto [°] ρ Massa específica da água [kg/m³]
15 1 INTRODUÇÃO Do ponto de vista da geração de energia, a hidroeletricidade, é uma das menos impactante alternativa aplicável, além de ser limpa e renovável (PEREIRA, 2015 , p. 23). Cada projeto, que transforma energia potencial em energia elétrica é um desafio de engenharia, no qual as equipes precisam trabalhar com as diferentes condições de cada local de forma integrada, para conceber um projeto funcional, econômico e ambientalmente sustentável. De maneira geral, dentre os componentes de uma usina hidrelétrica (barragem, vertedouro, tomada d’ água, canal de fuga e outros) que condicionam o arranjo geral das obras, destaca-se os vertedouros, que é o objeto principal desse estudo. Levando em consideração os dados da UHE do rio Passo Fundo, a qual foi inaugurada em 1973, é de suma importância observar os parâmetros contemporâneos em comparação à sua construção, há quase 50 anos. A partir disso, será dimensionado um vertedouro no qual atende aos mesmos estudos hidrológicos que dentre outras referências, sua estrutura deve atender, por obrigatoriedade, ao preconizado pela Eletrobrás. A saber, como objeto de estudo em questão, serão utilizados dados do grupo Engie, em relação à barragem referida, para a escolha de outro vertedouro, no qual será analisado em comparação à estrutura em funcionamento. 1.1 Objetivos 1.1.1 Objetivo geral Dimensionar vertedouro alternativo para a barragem do rio Passo Fundo e comparar com a estrutura em funcionamento. 1.1.2 Objetivos específicos a) Dimensionar através do preconizado pela Eletrobrás, um vertedouro capaz de suportar as altas velocidades e vazão do escoamento oriundas do reservatório do rio Passo Fundo; b) Citar os dispositivos mais adequados para a dissipação de energia do vertedouro; c) Comparar as diferenças existentes entre a estrutura dimensionada e a existente.
16 2 REFERENCIAL TEÓRICO No presente capítulo são apresentados e abordados assuntos e conceitos referentes ao tema estudado extraídos das referências bibliográficas.
2. 1 Transformação de energia potencial em energia hidrelétrica Para melhor compreender o sistema gerador de energia elétrica, observe a Figura 1. O reservatório, é criado por uma barragem. A água que se encontra no reservatório possui uma energia potencial em comparação à água presente no rio. Essa água passa por tubulações da usina com muita força e velocidade, realizando a movimentação das turbinas. Nesse processo, ocorre a transformação de energia potencial (energia da água) em energia mecânica (movimento das turbinas). A casa de força abriga o conjunto formado pela turbina hidráulica e o gerador elétrico, os quais são acoplados a um eixo que é responsável, enfim, pela transformação da energia mecânica em energia elétrica. Posteriormente, há o desague das turbinas no rio. Resumidamente, com a usina em funcionamento, a energia hidráulica é convertida em energia mecânica pela turbina e esta, em energia elétrica pelo gerador (PEREIRA, 2015, p. 38). Figura 1 – Esquema típico de instalação de uma UHE Fonte: Adaptado PEREIRA (201 5 )
18 c) uma estrutura de tomada de água, um conduto forçado e uma casa de força (que abriga o conjunto turbina-gerador); d) um canal de fuga, pelo qual se restitui a água turbinada ao leito natural do rio, constituindo o circuito hidráulico de adução e geração. Segundo ele, outras estruturas podem fazer parte das obras, dependendo dos estudos e projetos, quando houver necessidade, como por exemplo escada para peixes e eclusas de navegação. Quanto aos equipamentos, além do conjunto turbina-gerador, citam-se os sistemas e equipamentos auxiliares (mecânicos e elétricos), os barramentos blindados, os transformadores, as subestações e a linha de transmissão (PEREIRA, 2015, p. 41). 2.3.1 Vertedouros “O vertedouro é a estrutura de aproveitamento hidrelétrico dimensionada para extravasar o volume das cheias que possam exceder a capacidade de armazenamento do reservatório, com o objetivo de proteger a barragem contra o galgamento. Ou seja, é a estrutura empregada para evitar que o nível de água máximo maximorum do reservatório seja ultrapassado” (PEREIRA, 2015, p. 237). Ele pode ser incorporado ao corpo do barramento principal, nas laterais ou separados (isolados) do barramento, posicionado nas ombreiras. De acordo com Costa (2010, p. 5) os vertedouros podem ser classificados: a) Quanto às seções típicas:
19 Figura 3 - Perfil Creager Fonte: Costa ( 2010 ) Figura 4 - Vertedouro tipo tulipa de canal lateral Fonte: Costa ( 2010 ) b) Quanto às condições de operação:
