Comitê Brasileiro de Barragens XXVI seminário Nacional de Grandes Barragens



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Comitê Brasileiro de Barragens

XXVI Seminário Nacional de Grandes Barragens

Goiânia – GO, 11 a 15 de Abril de 2005

T.97 A17


AQUISIÇÃO DE DADOS PARA ESTUDO DE TRANSIENTES HIDRÁULICOS NA ESTRUTURA DO LABORATÓRIO DE HIDRÁULICA EXPERIMENTAL DE FURNAS (LAHE)
Igor Afonso FRAGOSO
Engenheiro Eletrônico – Furnas Centrais Elétricas/LAHE
Alba Valeria Brandão CANELLAS
Mestre Engenheira Civil – Furnas Centrais Elétricas/LAHE
Marcelo Giulian MARQUES
Doutor em Engenharia Civil – Instituto de Pesquisas Hidráulicas –IPH/UFRGS
Bruna Dias de Souza COSTA

Técnica especializada – Furnas Centrais Elétricas/LAHE


RESUMO
Este trabalho tem o objetivo de apresentar a solução encontrada para a aquisição de dados em estrutura existente no Laboratório de Hidráulica Experimental e Recursos Hídricos de FURNAS (LAHE) para o estudo de transientes hidráulicos do projeto de P&D denominado “Transientes Hidráulicos em Circuitos de Usinas Hidrelétricas”. Este projeto visa a obtenção de um modelo numérico otimizado e utiliza dados da Usina Hidrelétrica de Serra da Mesa e da estrutura do LAHE para validar os resultados do modelo numérico.
A estrutura foi instrumentada para a obtenção de dados de rejeição de carga tanto no circuito de montante como no circuito de jusante das turbinas em um fenômeno com grande variação de valores dos parâmetros em curto espaço de tempo.
ABSTRACT
This paper intends to present the data acquisition in a structure that exists in FURNAS’ Hydraulic Model Studies and Hydric Resources Laboratory (LAHE) as a phase of the Research and Development design called “Hydraulic Transients in Hydroelectric Powerplant Circuits”. This design aims at obtaining an optimized numeric model and uses data from Serra da Mesa Hydroelectric Power Plant and from the structure existing in LAHE in order to validate the results from numeric models.

The structure was instrumented for obtaining the charge refusal data not only in the turbine upstream circuit but also in the downstream circuit in a phenomenon where there is a large parameter variation in a short period will be shown.



  1. INTRODUÇÃO

Os dados de transientes hidráulicos em estruturas de usinas hidrelétricas são raros e importantes para o estudo deste fenômeno que ocorre em todos os circuitos hidráulicos sujeitos a variações de carga. Este fenômeno ocorre sempre que existe uma variação nas condições de um escoamento permanente e persiste até que uma nova condição de escoamento permanente seja estabelecida.


A ocorrência deste fenômeno provoca ondas de sobre-pressão e sub-pressão no circuito hidráulico que deve ser dimensionado para suportá-las com segurança.
O interesse de FURNAS em estudar os transientes hidráulicos surgiu com a necessidade de definições para a operação da UHE Serra da Mesa que conta com uma chaminé de equilíbrio no circuito a jusante das turbinas. Outras usinas em estudo pela empresa apresentam chaminés de equilíbrio tanto no circuito de montante como no de jusante das turbinas.
Através do programa de P&D de Furnas, em atendimento à lei 9.991/2000, visualizou-se a possibilidade de, em parceria com centros de pesquisa renomados, realizar um estudo de transientes hidráulicos e utilizar a UHE Serra da Mesa como estudo de caso. A pesquisa foi definida como a otimização de modelos numéricos existentes em Furnas mas nunca validados com situações reais de operação. Foi estabelecido que se utilizaria dados da própria usina e também da estrutura existente no LAHE para validar os modelos numéricos existentes e novos modelos que poderiam ser desenvolvidos ao longo da pesquisa.



  1. ESTRUTURA EXISTENTE NO LAHE.

O Laboratório de Hidráulica Experimental e Recursos Hídricos (LAHE) de FURNAS localiza-se em área contígua à sub-estação desta empresa em Jacarepaguá no Rio de Janeiro. Este laboratório foi criado para atender às necessidades de estudos em modelo reduzido das usinas de FURNAS na fases de projeto e operação . Ao longo dos 20 anos de existência obteve experiência em estudos em modelo reduzido que o habilitaram a prestar serviço para diversas empresas externas.


No projeto de P&D objeto deste estudo foi utilizada uma estrutura existente no LAHE com escala 1:50 em relação à UHE Serra da Mesa (Figura 1). Esta estrutura foi construída em 1985 como um modelo reduzido da UHE Serra da Mesa e visava ao estudo do circuito hidráulico com relação ao escoamento na tomada d’água e no interior da chaminé de equilíbrio e também para definição das regras de operação dos vertedouros. Cabe salientar que no projeto de P&D supra-citado esta estrutura foi utilizada como um sistema de pequeno porte, pois, neste caso, o fenômeno não possui semelhança física com o protótipo.


FIGURA 1: Vistas gerais da estrutura existente no LAHE.
O circuito hidráulico da estrutura apresenta os seguintes componentes:

  • canal de adução em concreto;

  • 3 tomadas d’água em acrílico com estrutura para vedar a entrada de água;

  • 3 condutos forçados em acrílico com curva de jusante em PVC;

  • 3 dispositivos de controle de vazão (Figura 2);

  • 3 tubos de sucção curtos em PVC;

  • chaminé de equilíbrio em acrílico;

  • túnel de fuga em acrílico onde a rugosidade é obtida com pedaços de acrílico;

  • canal de fuga que desemboca na calha que simula o rio Tocantins.

Os dados coletados serviram para avaliar a influência dos parâmetros físicos no dimensionamento de chaminés de equilíbrio em usinas hidrelétricas. Através deste estudo, pôde-se determinar a curva de perda de carga linear no túnel, conhecer como se processa a oscilação de nível na chaminé e as sobre-pressões no conduto a montante do dispositivo de fechamento quando ocorre uma rejeição e comparar os resultados dos dados coletados nesta estrutura com os dos modelos numéricos.




3. CONTROLE, INSTRUMENTAÇÃO E AQUISIÇÃO DE SINAIS NA ESTRUTURA DO LAHE



    1. Considerações gerais

A estrutura existente no LAHE foi instrumentada de maneira a permitir a simulação de rejeições e entradas em operação das turbinas que foram representadas por dispositivos tipo válvulas. Conhecido o real sistema de funcionamento da estrutura do LAHE, tornou-se possível o cálculo das condições de pressão e vazão com as quais este “protótipo de pequeno porte” operaria. Sendo esta uma estrutura laboratorial, as mais diversas situações de funcionamento podem ser simuladas, o que não ocorre em uma usina real, e o fenômeno transiente pôde ser estudado para as características particulares desta estrutura.





    1. Dispositivo de controle de vazão

No lugar das turbinas, foram utilizados dispositivos confeccionados para tal finalidade, acionados por servo-motores, simulando a abertura e fechamento dos distribuidores (Figura 2).




FIGURA 2: Dispositivo de controle da vazão.
Nos acionamentos dos dispositivos de controle de vazão foram utilizados servo-motores (Figura 3) cujos parâmetros de funcionamento podem ser alterados (velocidade, ângulo de excursão, sentido de rotação etc) em função das condições dos ensaios a serem realizados.

FIGURA 3: Controles dos servo-motores e acoplamento aos dispositivos de controle de vazão.





  1. Instrumentação utilizada

Na estrutura do LAHE foram instalados instrumentos de aquisição de dados segundo a disposição apresentada na Figura 4. A especificação dos equipamentos foi feita com a participação do corpo técnico do LAHE e do IPH.


Foram definidos, inicialmente, 6 pontos de medição de pressão instantânea localizados nos condutos forçados (1 em cada conduto) e ao longo do túnel de fuga (3 pontos) e 3 de nível d’água (reservatório, chaminé de equilíbrio e saída do túnel de fuga). Posteriormente, mais 3 pontos de medição de pressão (dois no conduto forçado central e 1 no tubo de sucção da unidade central) e um de nível d’água (próximo à tomada d’água) foram adicionados. A localização dos pontos de medição é retratada na Figura 4.



FIGURA 4: Localização dos pontos de medição de pressão e nível d’água na estrutura do LAHE.

Para a medição de pressão foram utilizados transmissores de pressão (Figura 5) com faixa de medição de escala de –50 a 350 mbar (Figura 4 – pontos 9, 10 e 11), 0 a 600 mbar (idem – pontos 1 dos 3 condutos forçados e ponto 15, tubo de sucção central) e –0,25 a 1 bar (idem – pontos 2 e 3 do conduto forçado central).



FIGURA 5: Transmissor de pressão acoplado a um dos condutos forçados.
Para medição de nível d’água foram utilizados transmissores ultra-sônicos com faixa de medição de 0 a 1 m (pontos 4, 12, reservatório e tomada d’água).

FIGURA 6: Transmissor de nível d’água ultra-sônico
Durante as campanhas de medição, vários foram os problemas enfrentados com a instrumentação, dispositivo de controle de vazão e o próprio modelo. Em várias áreas o acrílico, ressecado pelo tempo, tornou-se frágil e quebradiço. Com o esforço continuado devido aos constantes ensaios, nos quais as pressões de pico envolvidas chegavam a 10 mca nos condutos forçados, foram necessários reparos para conter vazamentos que acarretaram em repetições de ensaios, para se obter informações confiáveis



    1. Sistema de Aquisição de Sinais.

Foi utilizada uma placa de aquisição de dados com conversor A/D de 12 bits (resolução de 1/4096 da faixa selecionada), instalada em um microcomputador. O sistema de aquisição instalado tem capacidade para fazer a aquisição de 16 canais analógicos simultaneamente (Figura 7).


Todos os sinais foram acoplados diretamente ao sistema de aquisição, não havendo necessidade de isoladores de corrente.

FIGURA 7: Sistema de aquisição de dados na Estrutura do LAHE.


O programa de aquisição de dados do LAHE é um software comercial, possuindo todas as facilidades de configuração do hardware utilizado (placa de aquisição), assim como dos parâmetros dos ensaios (período e freqüência de aquisição).



  1. RESULTADOS DA AQUISIÇÃO DE DADOS NA ESTRUTURA DO LAHE

Através do sistema de aquisição de dados implantado, foi possível a realização de todos os ensaios previstos, nas mais diversas configurações de percentual de abertura/fechamento e tempos de abertura/fechamento dos dispositivos de controle de vazão e freqüências de aquisição para visualização dos fenômenos sob pesquisa. As Figuras seguintes mostram os resultados obtidos.





  1. Ensaios de transiente visando o circuito de jusante.

A Figura 8 retrata a tela de um ensaio de fechamento dos dispositivos de controle de vazão. A freqüência de aquisição foi definida em função da celeridade da onda de pressão no circuito de jusante sendo verificado que uma aquisição a 10 Hz seria suficiente para representar o fenômeno e não geraria arquivos de tamanho elevado, difíceis de serem manipulados. O tempo de aquisição dos dados foi definido em função do amortecimento da oscilação do nível d’água no interior da chaminé de equilíbrio após o transiente, verificou-se que iniciando a aquisição em cerca de 5 s antes da operação do dispositivo e prolongando-a por 240 s adquire-se as informações suficientes ao estudo do fenômeno.




FIGURA 8: Variação de nível d’água na chaminé de equilíbrio após fechamento dos dispositivos de controle de vazão.


  1. Ensaios de transiente visando o circuito de montante.



Na Figura 9, observa-se o comportamento do transiente gerado pelo fechamento da Unidade central (100% para 0%), através da monitoração dos pontos 1, 2 e 3 do conduto forçado central (ver Figura 4), estando vedados os condutos laterais. O sinal deste ensaio foi amostrado a 2.500Hz, com duração de 20 s (50.000 amostras). Os ensaios mostraram que a estabilização das pressões, após a manobra das válvulas, é função do tempo de manobra. Considerando-se que o tempo máximo de manobra utilizado foi da ordem de 1,25 s, verificou-se que uma aquisição de 5 s após a rejeição é suficiente para coletar todas as informações necessárias ao estudo do comportamento das pressões nos condutos forçados. Verificou-se ainda que a aquisição feita a 600 Hz utilizando transdutores e capacidade de medição de pressão de 15 psi (10,5 m) apresenta resultados satisfatórios.

FIGURA 9:Transiente no conduto forçado central, nos pontos 1, 2 e 3 da Figura 4.



  1. Considerações Gerais.

A qualidade das informações obtidas pelo sistema de aquisição de dados implantado no LAHE apresentou-se adequada para atender aos objetivos do estudo. Constatou-se que, dependendo do objetivo da análise, seja ele o estudo das pressões nos condutos forçados ou o estudo das oscilações na chaminé de equilíbrio, os ensaios deverão ser executados com freqüências e tempos de aquisições diferentes.




  1. CONCLUSÕES

A estrutura existente no LAHE atendeu aos objetivos deste estudo. Como em todos os estudos experimentais, algumas dificuldades foram encontradas, porém nenhuma que viesse a comprometer a qualidades dos ensaios. Os dispositivos de fechamento, com o tempo e em função dos esforços atuantes durante os ensaios, apresentaram problemas de vazamento, saída de prumo, etc, além de não permitir uma vedação perfeita nos condutos e de não efetuar o fechamento no tempo desejado e de forma constante. Recomenda-se que para estudos posteriores seja efetuado um outro tipo de dispositivo, ou mesmo seja colocada uma pequena turbina.


Durante as campanhas de medições, alguns problemas ocorreram também com os transdutores (queima de alguns e não funcionamento de outros), e com o próprio modelo (fissuras em vários pontos em função das elevadas pressões às quais foi submetido, sobretudo nos condutos forçados) que forçaram à repetição dos ensaios e provocaram atraso no cronograma mas não impediram a aquisição de dados de boa qualidade.
Alguns ruídos provenientes da comutação dos servo-motores, afetaram os sinais, apesar de todos os cuidados tomados para sua eliminação. Porém, não foram significativos a ponto de invalidar os dados coletados.
Apesar das dificuldades, os objetivos iniciais foram alcançados, visto que os dados obtidos apresentaram-se bastante coerentes, de acordo com o esperado, possibilitando aos pesquisadores alcançarem os objetivos almejados nesta pesquisa além da formação de um banco de dados com os ensaios realizados que já se encontra servindo a outras pesquisas.



  1. AGRADECIMENTO

Este trabalho não seria possível sem a colaboração dos engenheiro Luiz Endres e Alexandre Augusto Mahler do Instituto de Pesquisas Hidráulicas da Universidade Federal do Rio Grande do Sul que emprestaram seus conhecimentos na especificação dos equipamentos utilizados nesta pesquisa, dos técnicos Luciano Depentor, Walmir Pereira Maciel, Jair de Freitas Carneiro, José Claudio Galois dos Reis e Ozéias Sarmento dos Santos de FURNAS e das mestrandas Cristiane Collet Batttiston e Natalia Baccardatz Simmari que ajudaram na definição e acompanhamento dos ensaios e análise dos dados.





    1. PALAVRAS-CHAVE

Sistema de aquisição de dados, modelo reduzido e transientes.



XXVI Seminário Nacional de Grandes Barragens


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