Modelagem matemática para otimização de um potencial hidráulico utilizando turbinas Francis e Kaplan

Abstract

The choice of the turbine's type to be adopted for use on a given hydraulic power plant is made, as from the application of tables deployed by the manufacturers of the equipment, on function, basically, of the flow and the high of the water drop available at hydraulic potential location. For some specific ranges of these values it is acceptable the use of both Francis turbine and Kaplan turbine. Analysing these two types of turbines, for the choice of the type be based on economic and technical criteria, it is noted that Francis turbine has a lower investiment cost comparing with Kaplan turbine but has an operational limit (in function of the variation of available flow) lower than that one acceptable by Kaplan turbine. Thus, the proposal of this work consists of the analysis of the investiment value for the application of each type of turbine versus the quantity of generated power along the year (considering the operational limits of each type of turbine) for a hydraulic potential that presents a substantial flow variation during the year. For this goal was developed a computer tool whose purpose is determine (considering a hydraulic potential which are known the quantity of generating units, the reference head, the reference flow and the incoming flows serie) which one generating unit should be Francis and which one should be Kaplan in order to obtain the higher profit generated by the sale of the eletricity after one whole of hydropower plant operation. The optmization model was validated from values of UHE Sinop with data available on government agencies and has results compatible with what was effectively implemented

A escolha do tipo de turbina a ser empregado numa dada central hidrelétrica é feita, a partir de tabelas de aplicação disponibilizadas pelos fabricantes de equipamentos, em função, basicamente, da vazão e da queda útil disponíveis do local deste potencial hidráulico. Para algumas faixas específicas destes valores, é aceitável o emprego tanto de turbinas tipo Francis quanto de turbinas tipo Kaplan. Fazendo-se a análise destes dois tipos de turbinas, para que a escolha do tipo a ser empregado seja baseada apenas em critérios técnicos e econômicos, é perceptível que as turbinas tipo Francis têm um valor de investimento menor em comparação às turbinas tipo Kaplan, mas possuem um limite operacional (em função da variação de vazão disponível) menor do que aquele aceitável por turbinas tipo Kaplan. Deste modo, a proposta deste trabalho consiste na análise comparativa do valor de investimento para a aplicação de cada tipo de turbina versus a quantidade de potência elétrica gerada ao longo do ano (considerando os limites operacionais de cada tipo de turbina) para um potencial hidráulico que apresente uma grande variação de vazão durante o ano. Para isto, foi desenvolvida uma ferramenta computacional cuja função é determinar (considerando um aproveitamento hidrelétrico do qual são conhecidos o número de máquinas, a queda de referência, a vazão de referência e a série de vazões afluentes) quais unidades geradoras devem ser do tipo Francis e quais devem ser do tipo Kaplan, de modo que se obtenha o maior lucro de receita gerada pela venda de energia elétrica ao fim de um ano de funcionamento da usina. O modelo de otimização foi validado a partir de dados da UHE Sinop com informações disponibilizadas por órgãos governamentais, com resultados compatíveis com o que foi efetivamente implantado