Análise operacional durante transiente em usinas hidrelétricas com escoamento em canal e câmara de carga

Abstract

Resumo: Alguns dos circuitos hidráulicos de pequenas usinas hidrelétricas contemplam a construção de uma câmara de carga que serve de transição entre o escoamento à superfície livre no canal de adução e o escoamento sob pressão no conduto forçado. Uma das funções das câmaras de carga é criar volumes de reserva de água que permita satisfazer as necessidades das turbinas durante os momentos bruscos de demanda e manter sobre a entrada do conduto de força uma altura suficiente de água para evitar a entrada de ar. Na literatura especializada existem muitas recomendações para o dimensionamento de câmaras de carga instaladas em usinas hidrelétricas. No entanto não existem recomendações de dimensionamento considerando os efeitos do regime transiente em longos canais que ocorre no início da abertura das válvulas. A maioria deles sugerem dimensões em função do diâmetro do conduto forçado (MAHER; SMITH, 2001); (INEA, 1997); (ESHA, 2006) e da queda topográfica (ELETROBRÁS, 2000) sem fazer uma análise detalhada do regime hidráulico que acontece durante a operação da usina hidrelétrica. O presente trabalho tem por objetivo definir uma regra de operação da abertura das válvulas de turbinas instaladas numa usina hidrelétrica durante o período transiente. O método das Características é usado para solucionar as equações diferenciais parciais de Saint- Venant que governam o escoamento não permanente no canal de adução e na câmara de carga. Adicionalmente, para a busca da melhor solução, um método computacional foi desenvolvido. Sendo a busca da solução ótima da abertura das válvulas um problema de otimização multiobjetivo, por envolver minimização (ou maximização) simultânea de um conjunto de objetivos satisfazendo a um conjunto de restrições, o método de Recozimento Simulado (Simulated Annealing) é utilizado para determinar a regra de operação procurada. Palavras-chave: Usinas hidrelétricas, Escoamento não permanente em canais, Equacões de Saint-Venant, Método das Caracteríscticas.

Abstract: Some hydraulic circuits of small hydropower plants contemplate the construction of a forebay tank that serves as a transition between the free surface flow in the adduction channel and the flow under pressure in the penstock. One of the functions of the forebays is to create volumes of water reserve to meet the needs of the turbines during the sudden moments of demand and maintain a sufficient height of water to prevent the entry of air in the penstock. In the specialized literature, there are many recommendations for the dimensioning of forebay tanks installed in hydroelectric plants. However, there are no sizing recommendations considering the effects of the transient regime on large channels that occurs at the beginning of valve opening. Most of them suggest dimensions depending on the diameter of the penstock (MAHER; SMITH, 2001); (INEA, 1997); (ESHA, 2006) and the topographic fall (ELETROBRÁS, 2000) without making a detailed analysis of the hydraulic regime that occurs during the operation of the hydroelectric plant. The present work aims to define a rule of operation for the opening of turbine valves installed in a hydroelectric plant during the transient period. The Characteristics method is used to solve the partial differential equations of Saint- Venant that govern the non-permanent flow in the adduction channel and in the forebay tank. Additionally, to search for the best solution, a computational method was developed. Since the search for the optimal valve opening solution is a multiobjective optimization problem, since it involves simultaneous minimization (or maximization) of a set of objectives satisfying a set of constraints, the Simulated Annealing method is used to determine the Operation rule. Key words: Hydroelectric power plants, Transient flow in open channels, Saint-Venant equations, Characteristics method.