Transientes hidraúlicos em sistemas de bombeamento: influência do material do conduto e dispositivo de proteção

Abstract

A análise de transientes hidráulicos em sistemas de bombeamento deve ser realizada já nos estudos de concepção, mesmo que simplificadamente, para assegurar a viabilidade técnica e econômica dos sistemas nas etapas posteriores dos estudos, com maior nível de detalhe. A magnitude dos transientes hidráulicos depende das características do sistema, dentre as quais se destaca o material dos condutos. Conhecendo-se as pressões extremas ao longo do conduto, este poderá ser dimensionado com segurança para resistir aos esforços gerados pelos transientes ou poderão ser utilizados dispositivos de proteção, reduzindo os efeitos dos transientes. A melhor escolha deverá, portanto, se basear em critérios técnicos e econômicos. Essa dissertação tem como objetivo contribuir para o estabelecimento de parâmetros e critérios que auxiliem a escolha do material dos condutos forçados em sistemas de bombeamento, ao nível de estudo de concepção, considerando-se aspectos relativos aos transientes hidráulicos e econômicos. Para tanto, foram realizadas simulações computacionais com o software Allievi. Assim, foram apresentados gráficos com as envoltórias de cargas extremas, possibilitando-se estimar o comportamento dos transientes hidráulicos em sistemas similares aos estudados. Ainda, foram realizadas análises de sensibilidade quanto ao momento de inércia do conjunto motor-bomba, comprimento e diâmetro da adutora e se discutiu como cada uma dessas características influenciou os transientes hidráulicos. Os valores de oscilação de cargas ao longo das diferentes adutoras foram relacionados com parâmetros frequentemente utilizados em estudos de sistemas de geração de energia hidrelétrica para indicar a necessidade de proteção contra transientes. Verificou-se a aplicabilidade desses parâmetros como indicadores da necessidade de proteção também em sistemas de bombeamento e, com base nesses parâmetros, propôs-se uma metodologia para estimar as envoltórias de cargas piezométricas extremas ao longo da adutora. Após, foram feitas novas simulações com os dispositivos de proteção, permitindo-se elencar soluções tecnicamente viáveis para os sistemas estudados. Ao final, para estabelecer critérios técnicos e econômicos, foram geradas curvas de custos para as adutoras de diferentes materiais e dispositivos de proteção e foram elencadas as melhores alternativas para os sistemas. Concluiu-se que o uso de dispositivos de proteção apresenta grande potencial de aplicação com vistas à redução dos custos de implantação de sistemas de bombeamento.

It is essential to analyze hydraulic transients in pumping systems already in concept design stage, even in a simplified way, to ensure its technical and economic feasibility throughout the next project stages, when there is a higher level of detailing. Hydraulic transient magnitude depends on the characteristics of the system, among which the material of the pipes stands out. By knowing the extremes pressures along the pipe, it can be safely design to withstand the stresses generated in the transient flow or protection devices may be used, reducing the effects of the transients. The best option should therefore to be based on technical and economic criteria. This dissertation aims to contribute on the establishment of parameters and criteria to support the pipe material selection in pumping systems concept design by considering aspects related to hydraulic transients and economic analysis. So, for the characterization of the unsteady flow pressure profile it has been done unsteady flow simulations by using the Allievi software. There was presented graphics with extrema head profiles to make possible to estimate the hydraulic transient behavior in pumping systems. Additionally, it has been done sensitivity analysis of the combined polar moment of inertia of motor and pump and of the pipe diameter and length. Thus, it was discussed how each of these information influenced hydraulic transient. The head oscillation values along different pipes were associated to parameters frequently used in studies of hydropower generation systems to indicate the need for protection against transients. It was verified that these parameters can be used to indicate the need of protection also in pumping systems studies and based on this it had been proposed a new simplified method to estimate extrema head profiles along the pipe. After that, new simulations were made with protection devices allowing the identification of technically feasible solutions for both studied systems. In order to establish technical and economic criteria, cost curves were generated for different pipe materials and protection devices and the best alternatives for each system were listed based on these criteria. So, it has been concluded that the use of a protection device presents a great potential to reducing pumping systems implantation costs.