Desenvolvimento teórico-experimental de um sistema para o acionamento de válvulas de adução em PCHs baseado em tecnologia pneumática

Abstract

A demanda nacional por energia elétrica vem crescendo a cada dia, tendência que deve ser mantida pelos próximos anos. Sendo o Brasil um dos países com maior potencial de produção de energia através de hidrelétricas, a busca por novas tecnologias que garantam a utilização sustentável deste recurso é constante. A pesquisa apresentada nesta dissertação traz uma nova proposta de um equipamento dedicado ao acionamento de válvulas de adução em pequenas centrais hidrelétricas (PCHs), compondo um sistema completo de automação e regulação de velocidade que utiliza ar comprimido como fonte de potência. Este trabalho aborda a análise das atuais tecnologias pneumáticas comercializadas frente aos requisitos da aplicação em PCHs. O sistema proposto é composto por um equipamento conhecido como macaco hidropneumático, que une as vantagens dos componentes pneumáticos com a robustez da tecnologia hidráulica. Junto com a fabricante do equipamento, as adequações necessárias foram realizadas para que este atendesse à aplicação na usina onde um projeto piloto será instalado. O sistema será responsável pelo acionamento da válvula de adução do grupo auxiliar de geração de energia da usina de Salto Grande, em São Paulo, atualmente sob concessão da empresa CTG Brasil. A válvula do tipo borboleta de 36? de diâmetro está sujeita a uma coluna d?água de 18,5 metros e faz parte do conjunto de geração, composto por uma turbina do tipo Francis horizontal e o gerador, totalizando 438 kW de potência instalada. A fim de auxiliar no projeto do equipamento, foi elaborado um modelo matemático utilizando o Software MATLAB/Simulink. Este modelo é capaz de reproduzir a dinâmica do sistema e o impacto de alterações de projeto em seu comportamento. A validação do modelo se deu através de ensaios experimentais, confrontando os dados de simulação com os adquiridos através dos testes. Utilizando uma bancada de ensaio, o sistema foi submetido a condições de operação semelhantes às encontradas na usina onde será instalado. Os resultados obtidos comprovam a eficácia da utilização de macacos hidropneumáticos na aplicação proposta, sendo uma alternativa aos sistemas hidráulicos convencionais, proporcionando uma operação mais limpa e sustentável, além de atrativa financeiramente, fator que auxilia na aceitação por parte dos clientes e, consequentemente, na inserção do equipamento no mercado.

Abstract: The national demand for electric energy is growing up each day, a trend that should be maintained for years to come. Due to the fact that Brazil has one of the biggest energy production potentials through hydropower plants, the search for new technologies that guarantee the sustainable use of this natural resource is constant. This research proposes a new system dedicated to operate the turbine inlet valve in small hydropower plants, being part of a complete automation and control system using compressed air as a power source. The current commercial pneumatic technologies were analyzed considering application requirements. The proposed system is composed by a hydropneumatic jack, equipment that includes the advantages of the pneumatic components and the robustness of hydraulic technology. Working with a hydropneumatic jack manufacturer, some adjustments were made so that it could meet the application requirements from the hydropower plant where it will be installed. The system will be responsible for actuating the turbine inlet valve from the auxiliary group at Salto Grande hydropower plant, São Paulo, managed by CTG Brazil nowadays. The valve is a butterfly type with Ø 36 inches and is subjected to water column of 18.5 meters. It is installed before the generation group, composed by a horizontal Francis Turbine and an asynchronous generator, totalizing 438 kW of installed power. In order to assist the equipment design process, a mathematical model using the software MATLAB/Simulink was built. This model is capable to reproduce the system dynamic and the operational behavior impact from project changes. The model validation was done by experimental tests, comparing data from the simulation and the ones acquired through testing. Using a testing platform, the hydropneumatic system was subjected to similar operational conditions from the hydropower plant. The results obtained reinforce the system's effectiveness for the proposed application, being a good alternative to the conventional hydraulic systems, providing a cleaner and sustainable operation, besides the attractive cost, an important factor that supports its acceptance by the clients, facilitating its market entry.