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Tipo: Dissertação
Data do documento: 16-Out-2023
Autor(es): MADUREIRA, Angelo Torres
Afiliação do(s) Autor(es): ELETROBRAS - Centrais Elétricas Brasileiras
Primeiro(a) Orientador(a): MESQUITA, André Luiz Amarante
Título: Estabilidade da geração de energia em usinas hidrelétricas com turbinas Francis reversíveis: estudo de caso UHE Tucuruí
Citar como: MADUREIRA, Angelo Torres. Estabilidade da geração de energia em usinas hidrelétricas com turbinas Francis reversíveis: estudo de caso UHE Tucuruí. Orientador: André Luiz Amarante Mesquita. 2023. 104 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia de Infraestrutura e Desenvolvimento Energético) – Núcleo de Desenvolvimento Amazônico em Engenharia, Universidade Federal do Pará, Tucuruí, 2023. Disponível em: https://repositorio.ufpa.br/jspui/handle/2011/16491. Acesso em:.
Resumo: Projetos de usinas hidrelétricas reversíveis estão consolidados no cenário energético internacional desde a década de 70, sendo cada vez mais recorrentes, como solução em serviços ancilares para integração com fontes de energia intermitente (FEI) nos horários de ponta. No Brasil, a vultuosa base de geração hidrelétrica, permitiu adiar essa necessidade por longo período. A UHE Tucuruí, última usina hidrelétrica da cascata do Rio Tocantins é um marco da Engenharia nacional. Dotada de duas casas de força com potência instalada de 8.535 MW, tem sido grande responsável pela regulação das FEI no Brasil em especial as eólicas da região nordeste. Suas turbinas Francis da Casa de força 1 possuem potência nominal de 350 MW cada uma, vazões máximas de 600 m3/s, rotores Francis com diâmetro de 8,15m com 12 pás e velocidade específica de 86,9 rpm.m3/4 são máquinas de considerável capacidade e vem sendo utilizadas vastamente pelo ONS para regulação de potência. Contudo, o modelo usado para o de despacho de carga apresenta evidentes sinais de esgotamento, quando se analisa o crescimento do acúmulo de danos eletromecânicos nas unidades geradoras. Uma possibilidade de atenuação da severidade de danos e aumento da estabilidade da geração é a conversão parcial de unidades geradoras para TR (Turbina Reversível) funcionando em curto-circuito hidráulico, com fins de estabilização de potência despachada e consequente redução da frequência de partidas e paradas. Este trabalho apresenta a elaboração de uma metodologia para prever o comportamento hidromecânico de turbinas Francis convertidas em turbinas reversíveis em usinas hidrelétricas. É utilizado, preliminarmente, um modelo matemático unidimensional baseado na aplicação da equação de Euler para os modos turbina e bomba. É formado o triângulo de velocidades à entrada e saída do rotor, para uma análise preliminar de do escoamento no rotor Francis. São produzidas curvas características de vazão, torque e potência das turbinas reversíveis, baseada em correlações estatísticas de máquinas existentes, obtidas na literatura. Ao final, o modelo hidro energético é validado e um estudo de caso é apresentado na UHE Tucuruí. Os resultados indicam uma viabilidade técnica de estabilidade da operação com redução de partidas e paradas de unidades geradoras não convertidas. Nas curvas adimensionais geradas, não foi possível obter a condição ótima de rendimento em modo bomba, com adoção do mesmo rotor Francis existente. Desta forma, modificações de projeto mecânico e elétrico das unidades geradoras devem ser realizados para alcance de uma operação mais estável e segura. O uso de turbinas reversíveis neste trabalho não se presta para fim de aumento de armazenamento energético, mas sim para fins de estabilidade da operação das máquinas e redução de danos eletromecânicos, o que para este fim se apresenta viável tecnicamente.
Abstract: Reversible hydroelectric power plant projects have been consolidated on the international energy scene since the 1970s and are increasingly common as a solution in ancillary services for integration with intermittent energy sources (FEI) during peak hours. In Brazil, the large hydroelectric generation base allowed this need to be postponed for a long period. HPP Tucuruí, the last hydroelectric plant in the Tocantins River cascade, is a landmark in national engineering. Equipped with two powerhouses with an installed capacity of 8,535 MW, it has been largely responsible for regulating the FEI in Brazil, especially wind farms in the northeast region. Its Francis turbines at Powerhouse 1 have a nominal power of 350 MW each, maximum flows of 600 m3/s, Francis rotors with a diameter of 8.15m and 12 blades and a specific speed of 86.9 rpm.m3/4 are machines of considerable capacity and has been widely used by the ONS for power regulation. However, the model used for load dispatch shows clear signs of exhaustion, when comparing the growth in the accumulation of electromechanical damage in the generating units. One possibility of mitigating the severity of damage and increasing generation stability is the partial conversion of generating units to TR (Reversible Turbine) operating in hydraulic short circuit, with the aim of stabilizing dispatched power and consequently reducing the frequency of starts and stops. . This work presents the development of a methodology to predict the hydromechanical behavior of Francis turbines converted into reversible turbines in hydroelectric plants. A one-dimensional mathematical model based on the application of the Euler equation for the turbine and pump modes is preliminarily used. The triangle of speeds at the rotor inlet and outlet is formed, for a preliminary analysis of the flow in the Francis rotor. Characteristic curves of flow, torque and power of reversible turbines are produced, based on statistical correlations of existing machines, obtained from the literature. In the end, the hydro energy model is validated and a case study is presented at HPP Tucuruí. The results indicate the technical feasibility of operating stability with a reduction in starts and stops of unconverted generating units. In the dimensionless curves generated, it was not possible to obtain the optimal performance condition in pump mode, with the adoption of the same existing Francis rotor. Therefore, modifications to the mechanical and electrical design of the generating units must be carried out to achieve more stable and safe operation. The use of reversible turbines in this work is not intended to increase energy storage, but rather for the purpose of stability of machine operation and reduction of electromechanical damage, which for this purpose is technically viable.
Palavras-chave: Turbinas reversíveis
Tucuruí
Hidrelétricas
Fontes de energia intermitentes
Reversible turbines
Hydroelectric power
Variable renewable energy
Área de Concentração: TECNOLOGIAS SUSTENTÁVEIS
Linha de Pesquisa: ENERGIAS RENOVÁVEIS
CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::PROJETOS DE MAQUINAS::APROVEITAMENTO DE ENERGIA
País: Brasil
Instituição: Universidade Federal do Pará
Sigla da Instituição: UFPA
Instituto: Núcleo de Desenvolvimento Amazônico em Engenharia - NDAE/Tucuruí
Programa: Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Infraestrutura e Desenvolvimento Energético
Tipo de Acesso: Acesso Aberto
Fonte URI: Disponível na internet via Sagitta
Aparece nas coleções:Dissertações em Engenharia de Infraestrutura e Desenvolvimento Energético (Mestrado) - PPGINDE/NDAE/Tucuruí

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