Dimensionamento de uma Estação Elevatória (estudo numérico)

Abstract

O dimensionamento de instalações hidráulicas tendo em conta regimes transitórios é um pro-blema complexo devido à natureza dos modelos matemáticos que regem este tipo de fenómeno. Desta forma é comum recorrer à simulação numérica através do uso de códigos comerciais. Assim sendo, a presente dissertação tem como principal objetivo o projeto de uma estação ele-vatória em regime permanente e transitório com o auxílio de simulação numérica. O dimensionamento da estação elevatória encontra-se dividido em duas partes. A primeira, re-lativa ao regime permanente, começa pela definição do problema escolhendo os principais componen-tes da estação elevatória: condutas, bombas e válvulas. A segunda parte consiste na simulação numé-rica da estação elevatória em regime transitório. Determinam-se as características hidráulicas relevan-tes para três cenários de operação: corte de energia, saída de serviço e entrada de serviço. A simulação dos três cenários permitiu a obtenção de dados como: envolventes de pressão, parâmetros característicos das bombas e parâmetros do escoamento. A análise destes resultados per-mitiu identificar a necessidade do uso de dispositivos de proteção e o estabelecimento de procedimen-tos operacionais através da definição de leis de fecho e abertura das válvulas e temporização das ações relevantes. Revelou-se a necessidade da introdução de um reservatório de ar comprimido de modo a evitar uma depressão excessiva na conduta aquando da paragem de todas as bombas em simultâneo devido ao corte de energia. Determinou-se, através das simulações do cenário da entrada de serviço, que, a adição de um sistema de bypass limitava a pressão máxima a valores mais favoráveis quando comparado com o processo de arranque contra uma válvula fechada. Assim, com os procedimentos operacionais estabelecidos e os dispositivos de proteção introduzidos, ficou garantida a integridade estrutural da estação elevatória e o seu correto funcionamento.

The design of hydraulic facilities, considering transient regimes, is a complex problem due to the nature of the mathematical models governing this type of phenomenon. Therefore, it is common to resort to numerical simulation with commercial codes. Thus, the main objective of this dissertation is the design of a pumping station under both steady-state and transient regimes, aided by numerical simulation. The sizing of the pumping station is divided into two parts. The first part, concerning the steady-state regime, begins with defining the problem and selecting the main components of the pumping sta-tion: pipelines, pumps, and valves. The second part involves the numerical simulation of the pumping station under transient regime. Relevant hydraulic characteristics are determined for three operating scenarios: power outage, service exit, and service entrance. The simulation of the three scenarios allowed obtaining data such as pressure envelopes, char-acteristic pump parameters, and flow parameters. The analysis of these results identified the need for using protective devices and the establishment of operational procedures through defining valve closure and opening laws and timing of relevant actions. It was found necessary to introduce a compressed air reservoir to prevent excessive depression in the pipeline during the simultaneous shutdown of all pumps due to a power outage. The simulations of the service entrance scenario revealed that the addition of a bypass system limited the maximum pressure to more favorable values when compared to the startup process against a closed valve. Therefore, with the established operational procedures and introduced protective devices, the structural integrity of the pumping station and its proper functioning are ensured.