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COMUNICAÇÃO TÉCNICA ______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
Nº176515
Desenvolvimento de um simulador para auxílio do manejo de troncos de usinas hidrelétricas João Lucas Dozzi Dantas
Palestra apresentada no Congresso Técnico sobre Manutenção nas Empresas de Energia Elétrica, 4., 2019, São Paulo.
A série “Comunicação Técnica” compreende trabalhos elaborados por técnicos do IPT, apresentados em eventos, publicados em revistas especializadas ou quando seu conteúdo apresentar relevância pública. ___________________________________________________________________________________________________
Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo
S/A - IPT Av. Prof. Almeida Prado, 532 | Cidade Universitária ou
Caixa Postal 0141 | CEP 01064-970 São Paulo | SP | Brasil | CEP 05508-901
Tel 11 3767 4374/4000 | Fax 11 3767-4099
www.ipt.br
1
DESENVOLVIMENTO DE UM SIMULADOR PARA
AUXILIO DO MANEJO DE TRONCOS DE USINAS
HIDRELÉTRICAS
João Lucas Dozzi Dantas
jdantas@ipt.br
Laboratório de Engenharia Naval e Oceânica
2
IPT - Instituto de Pesquisas Tecnológicas
do Estado de São Paulo
Naval
Energia
Transporte
Materiais e
Química
Infraestrutura
Mercados
Inovação, pesquisa e
desenvolvimento
Serviços tecnológicos
Desenvolvimento e apoio
metrológico
Informação e educação em
tecnologia
Atividades Técnicas
Centro de Tecnologia
Mecânica, Naval e Elétrica
Santo Antônio Energia
Usina hidroelétrica localizada no rio
Madeira, na floresta amazônica
Quarta maior geradora de energia
hidroelétrica do Brasil
3,57 MW de capacidade instalada
Energia para cerca de 45 milhões de
pessoas
Centro de Tecnologia
Mecânica, Naval e Elétrica
4
Sumário
Introdução:
Contextualização
Abordagem
Problema
Solução do IPT
Entendimento dos fenômenos físicos
Validação dos modelos
Análise e desenvolvimento de um simulador
Conclusões
Centro de Tecnologia
Mecânica, Naval e Elétrica
Introdução - Contextualização
Rio Madeira é um rio “novo”, com cerca
de 2 km de largura e 3.315 km de
extensão
O rio é conhecido por carregar muitos
troncos e vegetação
Na época de cheia pode chegar a uma
vazão de 9.000 troncos por dia
5
Centro de Tecnologia
Mecânica, Naval e Elétrica
Introdução - Abordagem
Para impedir que estes troncos e vegetações cheguem as máquinas, a SAE
desenvolveu uma solução baseada no modelo de Log Boom – Barreiras
flutuantes instaladas a montante das entradas das turbinas
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Centro de Tecnologia
Mecânica, Naval e Elétrica
Introdução - Problema
As vazões do rio madeira podem chegar a até 60.000 m³/s (500 anos),
gerando velocidades do escoamento locais de até 3,5 m/s
As linhas de Log Boom formam estruturas muito complexas em que o
carregamento hidrodinâmico e, consequentemente, estrutural não
apresentam um comportamento linear
Dúvidas:
Qual a capacidade de resistência destas linhas de Log Boom?
Como monitorar estas linhas de maneira simples e fácil
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Centro de Tecnologia
Mecânica, Naval e Elétrica
Solução IPT: P&D ANEEL (PD-06683-0116/2016)
Simulador de carregamentos das linhas de Log Boom
1 - Identificação do
problema
3 - Cálculos
de
engenharia
2 - Carregamento
dos dados
4 - Obtenção da
solução: linhas com
risco de quebrar e
afundar
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Centro de Tecnologia
Mecânica, Naval e Elétrica
Solução IPT:
Estruturação – Fases de Projeto
I • Entender os fenômenos e construir
os modelos numéricos
II • Validar os modelos e o
conhecimento produzido
III
• Aplicar o conhecimento para analisar as linhas e construir o simulador
IV • Revisar e readequar o simulador
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Centro de Tecnologia
Mecânica, Naval e Elétrica
[ [
Fase I
Entender e investigar os fenômenos e os esforços hidrodinâmicos nas linhas de Log Boom
Centro de Tecnologia Mecânica, Naval e
Elétrica 10
Fase I – Modelo Hidrodinâmico
Método Local - Módulo
• Cálculo dos esforços em apenas um conjunto de grade-
flutuador
• Variáveis de entrada:
• Velocidade da água
• Direção do escoamento
• Modelo numérico
• Volumes finitos (CFD)
• Condição periódica
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Centro de Tecnologia
Mecânica, Naval e Elétrica
Fase I – Modelo Hidrodinâmico
Métodos Local - Resultados • As simulações mostraram
uma grande região de
vorticidade gerada pela grade
• Esforços verticais mostraram
que a grade não estava em
equilíbrio:
• Afundamento e rotação do
chassi
Fase I – Modelo Hidrodinâmico
Método Global – Linha de Log Boom
• Dada uma condição de escoamento,
calcular a distribuição da força de
tração ao longo da linha
• Variáveis de entrada:
• Velocidade da água em cada
módulo
• Direção do escoamento em cada
módulo
• Saída:
• Tração ao longo da linha
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Centro de Tecnologia
Mecânica, Naval e Elétrica
Fase I – Instalação dos sistemas
Autonomia Energética
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Centro de Tecnologia
Mecânica, Naval e Elétrica
Fase I – Resultados da instrumentação V
azão
Forç
a d
o T
irante
Carga na Linha
instrumentada
possui
correlação com
vazão total do
Rio Madeira
17
Centro de Tecnologia
Mecânica, Naval e Elétrica
[ [
Fase II
Estender, aprofundar e validar os modelos analíticos-numéricos das linhas de Log Boom
Centro de Tecnologia Mecânica, Naval e
Elétrica 18
Fase II – Modelo Hidrodinâmico
Validação: Tanque de Provas • Três tipos de configurações de linhas
truncadas
• Somente chassis (C1)
• Chassis com batelão central (C2)
• Chassis com batelão na ponta
(C3)
• Modelagem da ancoragem pelo
mecanismo de tirantes
• Medição do afundamento e rotação do
flutuador
• Medição dos esforços de ancoragem e
da grade
• Simulação dos troncos
19
Fase II – Modelo Hidrodinâmico
Tanque de Provas II - Configurações
• Somente chassis
(C1)
• Chassis com batelão
central (C2)
• Chassis com batelão
na ponta (C3)
20
Fase II – Modelo Hidrodinâmico
Tanque de Provas II - Resultados
Velocidade de 2,0 m/s
21
Centro de Tecnologia
Mecânica, Naval e Elétrica
Fase II – Modelo Hidrodinâmico
Tanque de Provas II - Resultados
Velocidade de 2,25 m/s
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Centro de Tecnologia
Mecânica, Naval e Elétrica
Fase II – Análise estrutural
Cálculo de carregamento da linha de Log Boom
• Refinamento do cálculo de carregamento
total utilizando modelagem multicorpos
(software SIMPACK):
• Representação da
linha por barras
articuladas
• Força de arrasto
calculada conforme
parâmetros de arrasto
definidos nas
simulações CFD
24
Centro de Tecnologia
Mecânica, Naval e Elétrica
0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
0,00 100,00 200,00 300,00 400,00 500,00 600,00
Inte
nsi
dad
e d
a V
elo
cid
ade
[m
/s]
Posição [m]
Medição
Modelo
0
50
100
150
200
250
300
350
400
0,00 100,00 200,00 300,00 400,00 500,00 600,00
Ori
en
taçã
o d
a V
elo
cid
ade
[gr
aus]
Posição [m]
medição
modelo
Pilar 12 Bloco 11
Fase II – Análise estrutural
Perfil de velocidades no modelo
25 Centro de Tecnologia Mecânica, Naval
e Elétrica
Exemplo: Linha 12 (89 grades + 2 tirantes)
Fase II – Análise estrutural
Simulação Multi-corpos (SIMPACK)
26
Centro de Tecnologia
Mecânica, Naval e Elétrica
Fase II – Segunda Campanha de
Instrumentação
• Objetivos principais
• Obter carregamento total da Linha 12
• Caracterizar a distribuição do carregamento entre elementos
(tala e perfis da grade; tirantes)
• Componentes instrumentados (Linha 12):
• Duas grades instrumentadas (duas medições de força por
perfil);
• Duas talas instrumentadas (duas medições de força por tala);
• Trinta e dois elos de tirantes de ancoragem (dois elos por
tirante).
• Total: 76 medições de força baseadas em 306 strain gages
27
Centro de Tecnologia
Mecânica, Naval e Elétrica
[ [
Fase III
Desenvolvimento da ferramenta numérica para predição do carregamento das linhas de Log Boom (Simulador)
Centro de Tecnologia Mecânica, Naval e
Elétrica 30
Fase III – Condições Ambientais
Desenvolvimento do modelo hidráulico-numérico
• Objetivo: • Permitir o cálculo da velocidade
em qualquer linha dada uma
condição de operação
• Ter uma melhor discretização
do escoamento próximo às
linhas
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Fase III – Análise Estrutural
Resistência de elementos do módulo
CFD
Tração perfil
MEF perfil
Carga total na linha Distribuição de carga entre elementos
Multicorpos (Linha)
Tanque de Provas
Instrumentação
DIMENSIONAMENTO DA LINHA
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Centro de Tecnologia
Mecânica, Naval e Elétrica
Fase III – Análise Estrutural Baseando-se nos resultados da Linha 12, foram definidos
critérios para dimensionamento das linhas segundo:
• Proximidade das unidades geradoras (dependência da vazão
turbinada ou total do rio)
• Fs = 1,5 para escoamento em condições de operação
(todas as linhas);
• Fs = 1,5 para ruptura em condições excepcionais (quando
dependente da vazão total do rio);
• Configuração da grade (número de perfis)
• Utilização ou não da tala de reforço
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Centro de Tecnologia
Mecânica, Naval e Elétrica
Fase III – Exemplos de resultados de
simulações
Relação entre carregamento e geração na Linha 4
20.000
21.000
22.000
23.000
24.000
25.000
26.000
27.000
28.000
29.000
30.000
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
Ger
ação
[MW
h]
Forç
a m
áxim
a [k
N]
força
GG1 e 4
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Centro de Tecnologia
Mecânica, Naval e Elétrica
Fase III – Exemplos de resultados de
simulações
Análise de sensibilidade da Linha 8
0
50
100
150
200
250
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
111 113 115 117 119 121 123 125 127 129 131 133 135
Fle
cha
má
xim
a [
m]
Forç
a m
áxi
ma
[k
N]
Número de Módulos
força
flecha
35
Centro de Tecnologia
Mecânica, Naval e Elétrica
[ [
Fase IV
Atualização e revisão do simulador de carregamento das linhas de Log Boom para incorporar as modificações na UHE Santo Antônio
Centro de Tecnologia Mecânica, Naval e
Elétrica 36
Fase IV - Desenvolvimento do simulador de
carregamentos das linhas de Log Boom
• Objetivos:
• Desenvolver uma ferramenta para previsão do
carregamento das linhas de Log Boom para
orientar a equipe de manutenção
• Apresentar um interface simples e intuitiva para ser
utilizada pela própria equipe de manutenção da
usina
• Utilizar modelos hidrodinâmicos e estruturais
previamente desenvolvidos ao longo do projeto
para compor os diversos módulos do simulador
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Centro de Tecnologia
Mecânica, Naval e Elétrica
Fase IV: Interface gráfica do simulador
Proposta de nova interface e funções
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Centro de Tecnologia
Mecânica, Naval e Elétrica
Conclusões
• O desenvolvimento do projeto de P&D ANEEL-SAE-IPT
(PD-06683-0116/2016) permitiu entender melhor a
hidrodinâmica e os carregamentos estruturais nas linhas
de Log Boom da UHE Santo Antônio;
• O simulador permitiu prever os carregamentos das
linhas de Log Boom de maneira fácil e pratica, sem que
os usuários precisem recorrer de cálculos avançados;
• O uso deste simulador está permitindo à equipe de
manutenção de limpeza da SAE tenha um maior
conhecimento das suas linhas, e se organize de maneira
mais efetiva na limpeza delas.
Seu desafio é nosso. Seu desafio é nosso.
Centro de Tecnologia Mecânica, Naval e Elétrica – CTMNE
Laboratório de Engenharia Naval e Oceânica – NAVAL Joao Lucas Dozzi Dantas - jdantas@ipt.br – (11) 3767-4450
Laboratório de Equipamentos Mecânicos e Estruturas – LEME leme@ipt.br
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