Orientador: Paulo de Barros Correia / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica / Made available in DSpace on 2018-08-09T13:14:43Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Colnago_GlauberRenato_M.pdf: 2199430 bytes, checksum: a29163d68691a2b1bec8be6c8bf1d470 (MD5) Previous issue date: 2007 / Resumo: Os modelos de despacho ótimo atuais em usinas hidrelétricas (UHEs) são realizados tendo em conta as eficiências das unidades geradoras (UGs) obtidos com a extrapolação dos dados de um modelo em escala reduzida das turbinas. Uma extrapolação dos dados do modelo para o protótipo realizada com grande precisão poderia ser feita se houvesse semelhança dinâmica, geométrica e cinemática entre eles. Como isto é impossível, os fabricantes de turbinas possuem relações empíricas para corrigir as eficiências medidas no modelo para refletirem melhor o desempenho do protótipo. Apesar desta correção, o desempenho real das turbinas pode ser afetado por características construtivas ou operacionais das UHEs, não levadas em conta pelos fabricantes, e pode variar com o tempo de uso de uma forma diferente para cada UG de uma UHE. Logo, as eficiências das turbinas reais não são iguais às eficiências extrapoladas do modelo em escala reduzida e, sob esta ótica, um modelo de despacho realizado com as curvas de eficiência derivadas do modelo reduzido provavelmente não otimiza a eficiência de uma UHE. Pode-se obter dados de eficiência mais precisos (atualizados) das UGs instaladas com o auxílio de métodos de medição de vazão da água nos condutos forçados das UGs. Neste trabalho foi desenvolvido um modelo de despacho ótimo em UGs de UHEs que trata individualmente as UGs, pois as mesmas possuem, provavelmente, curvas diferentes quando se trata dos dados atualizados. A formulação matemática do modelo de despacho ótimo proposto é não linear inteiro misto e não convexo e foi utilizado o programa Lingo 8.0 para sua resolução, com buscas global e local. Os melhores resultados foram obtidos com a busca global. Foi realizado o despacho com os dois tipos de dados, os derivados do modelo reduzido e os atualizados de uma UHE real. Na simulação com dados atualizados chegou-se a ganhos entre 0,34% até 0,99% na operação da UHE, em comparação com a simulação com os dados derivados do modelo reduzido. Estas quantias significam, em valores monetários, entre R$ 700 mil e R$ 2 milhões anuais (para R$ 50/MWh). Os custos para a obtenção dos dados atualizados no caso em estudo foi quase nulo, no entanto, mesmo que utilizados métodosmais precisos para medição de vazão, que possuem um custo associado, este trabalho indica uma relação baixo custo e alto benefício para a utilização dos dados atualizados obtendo-se o retorno em poucos meses do capital investido / Abstract: Currently used models for optimal dispatch in hydro plants (HP) are based on generation units (GU) efficiency extrapolated from the reduced scale turbine data. An extrapolation from the reduced model data to obtaining real prototype data with excellent precision could occur only if dynamical, geometrical and kinematical similarity between prototype and reduced model would exist. As this is impossible, turbine manufacturers use empirical relations to correct model efficiency in order to reflect in a better way the prototype efficiency. Despite this correction, the turbines¿ real performance can be affected by HPs¿ constructive and operational characteristics, not taken into account by manufacturers; therefore, the real turbine efficiency in a specific GU is not similar to the one obtained from the reduced model by means of extrapolation. Considering this, optimal dispatch using extrapolated reduced model¿s efficiency data will probably not optimize the HP¿s efficiency. More exact efficiency data from the installed GU¿s can be obtained by means of water discharge measurements in penstocks. There was developed a dispatch model in GUs of HPs that treat GUs individually because, probably, their efficiency curves are different. The proposed dispatch model is a mixed integer nonlinear mathematical formulation. The software used to solve the problem was Lingo 8.0, with global and local searchs. Better results were obtained when using global search. This work presents a simulation of optimal dispatch using both kind of data: the extrapolated from the reduced model, and the more detailed data. The simulation that uses the more detailed data from a real HP permitted a gain between 0.34 and 0.99% compared to the one that uses reduced scale model data. These amounts, converted to monetary values, represent between R$700 thousand and R$2 million per year (for a tariff of 50 R$/MWh). The costs for obtaining the more detailed data used in this work are almost null. This work shows the introduction of more precise measurement techniques in GUs implies investments that can rapidly returned. / Mestrado / Mestre em Planejamento de Sistemas Energéticos

Orientador: Kamal Abdel Radi Ismail / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-24T19:59:29Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Batalha_TiagoPeres_M.pdf: 29669933 bytes, checksum: 83773b03eb136ff18c60979de7ceaffe (MD5) Previous issue date: 2014 / Resumo: Áreas rurais ou isoladas são geralmente abastecidas com energia baseada na queima de óleo diesel. No entanto, estratégias melhores podem ser implementadas utilizando-se recursos de energia renováveis disponíveis na região como recursos hidráulicos, biomassa entre outros. A tecnologia hidrocinética está entre as mais promissoras soluções uma vez que é relativamente barata, de fácil manufatura, confiável e adequada para a maioria das áreas amazônicas devido à grande capacidade hidráulica e predominância de assentamentos de baixa densidade populacional localizados nas margens de rios. Esta dissertação desenvolve uma metodologia de simulação numérica de dinâmica dos fluidos com aplicação das equações de RANS (Reynolds Average Navier Stokes) e malhas bi e tridimensionais para caracterização e projeto de turbinas hidrocinéticas de eixo vertical. Diferentes perfis de pá foram analisados, tais como placa plana, arco circular, NACA simétrico e assimétrico. Os efeitos de número de pás, perfil da pá e velocidade do fluxo de água sobre os coeficientes de torque e potência são apresentados e discutidos. As vantagens desse tipo de turbina incluem operação independente da direção da corrente, reversibilidade, possibilidade de agrupamento, construção barata e sistemas de transmissão simples. Um sistema de apenas uma turbina de 0,5 m de raio e 1 m de altura com sete lâminas submetida à razão de velocidade da ponta de 2,5 com velocidade de fluxo de água de 2 m/s teria potência de aproximadamente 1,6 kW, o que é suficiente para alimentar aproximadamente 7 casas de padrão de consumo médio no Brasil / Abstract: Rural and isolated areas are usually served by diesel based energy supply. However, better strategies can be implemented using renewable energy sources available in the area such as hydraulic, biomass and others. The hydrokinetic technology is among the promising technologies since it is relatively cheap, easy to manufacture, reliable and suitable for most of the Amazon areas because of the large hydraulic capacity and low density population settlements near rivers borders. This dissertation uses CFD, RANS (Reynolds Average Navier Stokes) equations and two and three-dimensional meshes to characterize and develop a methodology of numerical simulation of a vertical axis hydrokinetic turbine. In the simulations, different blade profiles were used such as flat plate, circular arc, symmetric and asymmetric NACA profiles. The effects of the number of blades, blade profile and water flow velocity on the turbine torque and power coefficients were presented and discussed. The advantages of this type of turbines include operation independent of current direction, reversibility, possibility of stacking, cheap construction and simple transmission systems. A system with only one turbine with radius of 0.5 m and height of 1 m with seven blades submitted to a tip speed ratio of 2.5 with water flow velocity of 2 m/s would have power of approximately 1.6 kW, what is enough to supply energy to 7 standard homes in Brazil / Mestrado / Termica e Fluidos / Mestre em Engenharia Mecânica

Orientador: Antonio Carlos Bannwart / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica e Instituto de Geociências / Made available in DSpace on 2018-08-19T02:30:26Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Peres_GustavoSchultz_M.pdf: 3246760 bytes, checksum: 3e597eb1e2f79e14822d3a7a24d80128 (MD5) Previous issue date: 2011 / Resumo: O método de elevação artificial através do bombeio centrífugo submerso (BCS) é amplamente conhecido na produção de petróleo. Uma alternativa a este método é o hydraulic submersible pump (HSP) que consiste de uma bomba submersa acoplada ao mesmo eixo de uma turbina hidráulica, que é acionada através do fluido a elevada pressão fornecido por uma bomba booster na superfície. As vantagens do sistema HSP em comparação ao (BCS) nas aplicações offshore tem sido discutidas, principalmente devido as suas características de ampla faixa operacional, altas velocidades de rotação e maior tempo médio entre falhas. Em vista disto, o presente estudo avalia o desempenho de uma bomba centrífuga operando como turbina, ou seja, operando em modo reverso, para o acionamento de outras bombas em sistemas de elevação de petróleo. O rotor de uma bomba submersa convencional, operando como turbina, foi investigado. Um arranjo experimental específico foi construído para as medidas dos parâmetros de desempenho, torque, velocidade de rotação, vazão e altura manométrica na turbina, coletados de acordo com dois procedimentos propostos. Curvas de desempenho de altura manométrica, potência de eixo e eficiência são apresentadas e uma comparação com o desempenho do mesmo rotor operando como bomba é discutida. Um método disponível na literatura para estimar os parâmetros de desempenho da turbina a partir dos respectivos parâmetros da bomba, foi utilizado para comparação com os dados experimentais / Abstract: The method of artificial lift through a conventional electrical submersible pump (ESP) is well known in petroleum production. The alternative hydraulic submersible pump technology (HSP) consists of a submersible pump coupled to the same shaft of a hydraulic turbine, which is driven by high pressure water from a surface booster pump. The advantages of the HSP system over the conventional ESP for offshore applications have been discussed, mainly due to its characteristics of wider operating range, higher rotation speeds and higher mean time to failure (MTTF). In view of this, the present study is aimed at the performance evaluation of a centrifugal pump working as turbine (PAT), i.e., operating in reverse mode, to drive another pumps in artificial lift systems. The impeller of a conventional submersible pump operating as turbine was investigated. A specific apparatus was built for measurement of performance parameters such as torque, rotation speed, flow rate and pressure drop through the turbine, collected according two proposed procedures. Performance curves such as head, brake power and efficiency are presented and a comparison with the performance of the same impeller operating as pump is discussed. A method available in the literature to derive the turbine performance parameters from the correspondent pump performance was used for comparison with data / Mestrado / Explotação / Mestre em Ciências e Engenharia de Petróleo

Orientador: Lubienska Cristina Lucas Jaquiê Ribeiro / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Tecnologia / Made available in DSpace on 2018-08-20T06:43:15Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Aleixo_AlineSerpeloni_M.pdf: 2178208 bytes, checksum: aaef09b93f33ada98dd56e8ff5a84ba0 (MD5) Previous issue date: 2012 / Resumo: Uma das principais tarefas de controle numa Usina Hidrelétrica é a regulação das máquinas hidráulicas. Seu monitoramento faz-se necessário para garantir e estabelecer regras operacionais seguras para a instalação. A turbina é um dos elementos básicos de uma Usina Hidrelétrica e o regulador tipo PID é um dos tipos usados para sua regulação. Os parâmetros do regulador da turbina hidráulica são muito estudados, inclusive verificando seu comportamento através da simulação computacional. As simulações computacionais são ferramentas de análise muito úteis e que permitem encontrar a melhor solução que proporcione o melhor desempenho do sistema estudado. Este trabalho apresenta uma metodologia para otimização das constantes do regulador tipo PID de turbina hidráulica utilizando um modelo de simulação aliado a técnicas atuais de otimização evolutiva baseada nos Algoritmos Genéticos. Os exemplos avaliados mostraram significativa melhora nos valores dessas constantes, mostrando a eficácia do uso dessa ferramenta na área da Hidráulica e possibilitando estudos futuros / Abstract: One of the main tasks of control in a Hydroelectric Power Plant is the hydraulic machines regulation. Its monitoring becomes necessary to guarantee and to establish safe operational rules for the installation. The turbine is one of the basic elements of the Hydroelectric Power Plant and the PID governor is one of the types used to its regulation. The governor parameters of the hydaulic turbine are studied, also verifying its behavior through the computational simulation. The computational simulations are very useful analysis tools to find the best solution to provide the best performance of the studied system. This work presents a methodology to optimize the PID governor parameters of the hydraulic turbine using a simulation model ally the current techniques of evolutionary optimization based in the Genetic Algorithms. The evaluated examples had shown significant improvement in the constants values, showing the effectiveness use of this tool in the hydraulic area and making possible future studies / Mestrado / Tecnologia e Inovação / Mestre em Tecnologia

Orientador: Jose Ricardo Figueiredo / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica / Made available in DSpace on 2018-08-04T09:31:53Z (GMT). No. of bitstreams: 1 QuinterosPanesi_AndreRicardo_M.pdf: 5200860 bytes, checksum: 50a776e6a73c01814b4bfb64919bb6d7 (MD5) Previous issue date: 2005 / Resumo: Foi projetada e construída uma bomba de diafragma para um sistema de refrigeração por absorção de água-amônia que opera empregando vapor expandido entre os mesmos níveis de pressão de bombeamento. Através de uma bancada experimental, verificaram-se as condições de funcionamento da bomba que simula um sistema de absorção nas fases de sucção e recalque da solução água-amônia do absorvedor para o gerador através de um nível de baixa pressão para um nível de alta pressão. No teste utilizou-se um recipiente contendo água sujeito a baixa pressão no reservatório representando o absorvedor, um cilindro hermético a alta pressão com entradas e saídas necessárias para a tomada de ar e água representando o gerador, um compressor de ar para pressurização do sistema e dispositivos de controle e comando para a automação do sistema. Foi demonstrada a viabilidade de operação do equipamento como também as limitações encontradas do protótipo / Abstract: Was projected and constructed one diaphragm pump for one system of refrigeration for water-ammonia absorption that operates using expanded vapor it enters the same levels of pump action pressure. Through an experimental group of benches, the conditions of functioning of the pump had been verified that simulates a system of absorption in the suction phases and stresses of the solution water-ammonia of the absorber for the generator through an leveI of low pressure for an high-pressure leveI. In the test one container was used contains water subject to lowers pressure in the reservoir representing the absorber, an air-tight cylinder the high pressure with entrances and necessary exits for the water and air scoop representing the generator, an air compressor for pressurization of the system and devices of control and command for the a automation of the system. The viability of operation of the equipment was demonstrated as also the joined limitations of the archetype / Mestrado / Termica e Fluidos / Mestre em Engenharia Mecânica

Orientador: Paulo de Barros Correia / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-17T15:04:34Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Colnago_GlauberRenato_D.pdf: 3941653 bytes, checksum: 2d5aa45eb54c758162bd82a78a5739f3 (MD5) Previous issue date: 2011 / Resumo: Segundo cenários de previsões, a demanda de energia elétrica no Brasil tende a continuar crescendo, implicando na necessidade de se aumentar a oferta de energia através da instalação de novas usinas. Além disto, mostra-se importante a repotenciação de usinas existentes, pois se trata de uma alternativa de custos reduzidos para expandir a oferta de energia e a adequada operação das usinas. Baseado nisto, propõe-se duas metodologias para a otimização do potencial hidrelétrico. A primeira é a especificação de turbinas hidráulicas para usinas em construção, ou em repotenciação. A segunda metodologia diz respeito à operação de usinas em uma base diária, podendo tratar unidades geradoras (turbina-gerador) com diferentes curvas de eficiência, coordenando a maximização da eficiência na geração da energia com a minimização do número de partidas e paradas dessas unidades. Para esta última metodologia, como os objetivos são conflitantes, pode-se obter diversas soluções de despacho com características de manobras de unidades e eficiência diferentes, que podem ser quantificadas para se chegar à solução mais adequada de acordo com o preço da energia e estimativas de custos de manobras. Com relação à primeira metodologia, sabe-se que, geralmente, instala-se o mesmo tipo de turbina em todas as unidades geradoras, porém cada usina possui um regime de operação, o que motiva as seguintes questões: utilizar diferentes tipos de curvas de efi- ciência em uma usina pode trazer melhorias técnicas e econômicas? Quais formatos de curvas de eficiência seriam adequados para quais regimes de operação? A primeira metodologia, portanto, faz a escolha de perfis de curvas de eficiência de forma a maximizar a geração. Comparou-se curvas de eficiência características de turbinas Kaplan e Hélice. Os resultados mostram que, com operação adequada, pode-se chegar a patamares de eficiência com turbinas Hélice superiores às Kaplan, e o primeiro tipo possui a vantagem de ter menor custo. Ambos os problemas foram formulados como modelos matemáticos não lineares inteiros mistos e resolvidos com técnicas de algoritmos genéticos / Abstract: According to forecasts, the electric energy demand in Brazil will be increased, showing the necessity to increase the electric capacity by building new power plants. Moreover, the repowering of the existent power plants and an appropriate power plants operation are important. In this context, we propose two methodologies to optimize hydroelectric power plants potential. The first methodology is the specification of hydroelectric turbines to new hydro power plants, or to plants to be repowered. The second methodology is related to the power plants diarly operation and it considers generation units with different efficiency curves. It is a model with the objectives of maximizing the plant efficiency and minimizing the generation units start up and shut down. For this last methodology, there were obtained some different solutions, with different characteristics of efficiency and different number of generation units start up and shut down. Those solutions can be qualified according to the electric energy price and costs of the status changes, with the objective to choose the most advantageous solution. In respect to the first methodology, it is known that, generally, the same configuration of turbines is installed into all generation units. However, every hydroelectric power plant has a different operation system. Therefore, the present thesis proposes to address the following question: Is it an advantageous option to choose different configuration of turbines in a same power plant? Which design of turbine efficiency curves would be ideal for each operation system? The first methodology chose turbine efficiency curves designs to optimize the electric energy efficiency. Kaplan and Propeller turbine efficiency curves were compared. The results show that, with an appropriate operation, it is possible to obtain higher efficiency level with Propeller when compared to Kaplan, and the first turbine has the advantage of lower costs. Both methodology were formulated as mixed integer non-linear mathematical models and are solved with genetic algorithms techniques / Doutorado / Doutor em Planejamento de Sistemas Energéticos

Orientador: Celso Pascoli Bottura / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Eletrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-07T10:43:12Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Sansevero_Glaucio_M.pdf: 643820 bytes, checksum: 45c53dc9fa719ea530adb309c5ac4ee8 (MD5) Previous issue date: 2006 / Resumo: Apesar de ter surgido na indústria há mais de 20 anos, o Controle Preditivo Baseado em Modelo (MPC) não encontrou muitas aplicações no campo de controle de máquinas rotativas. A maioria das aplicações hoje são processos químicos e petroquímicos. Contudo, alguns resultados obtidos por outros autores em controle de turbinas a gás e turbinas a vapor sugerem que sua utilização pode ser interessante no controle deste tipo de máquina e, em particular, no controle de turbinas hidráulicas. Este trabalho tem por objetivo explorar a possibilidade e discutir as vantagens e desvantagens da aplicação deste método no controle de turbinas hidráulicas tipo Francis. Iniciamos o trabalho apresentando urna descrição do MPC e explicitando o algoritmo utilizado pelo controlador. Em seguida, um modelo no espaço de estado do sistema a ser controlado é desenvolvido. Finalmente, o método é aplicado no controle da máquina em questão e os resultados obtidos através de simulações são analisados / Abstract: Despite being used in the industry for more than 20 years, Model Predictive Control (MPC) has not found many applications in the field of rotating machinery controI. The majority of the applications today are chemical and petrochemical processes. However, some results obtained by other authors for the control of gas and steam turbines, suggest that its use can be interesting for the control of this type of machine, and in particular, for the control of hydraulic turbine generators. The objective of this work is to explore the possibility and to discuss the advantages and disadvantages of the application of this method on the control of a Francis hydro turbine generator. We start the discussion presenting a description of the MPC and detailing the algorithm used by the controller. After that, a state space model of the system to be controlled is developed. Finally the method is applied for the control of the hydro turbine and the results obtained trough simulation are discussed. / Mestrado / Automação / Mestre em Engenharia Elétrica