ESTUDO DO POTENCIAL ENERGÉTICO PARA A COMPLEMENTAÇÃO POR PCH DA GERAÇÃO DA USINA HIDRELÉTRICA AMADOR AGUIAR I

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1 ESTUDO DO POTENCIAL ENERÉTICO PARA A COMPLEMENTAÇÃO POR PCH DA ERAÇÃO DA USINA HIDRELÉTRICA AMADOR AUIAR I Silva, F. B.; uimarães Jr., S. C.; Vanço, W. E.; Borges, D. T. S.; Cunha, M. J.; Alves, T. B. C.; Oliveira, T. L. e Barbosa, A. M. A. Universidade Federal de Uberlândia, Faculdade de Engenharia Elérica fbenosilva@homail.com, scguimaraes@ufu.br, wagner_vanco@homail.com, daniels.obias@homail.com, cunhamjg@gmail.com, hiagocanuo.feel@gmail.com, haleslima.ufu@gmail.com, alessandro.araujo@cemig.com.br Resumo - Ese rabalho apresena o esudo do poencial energéico para a complemenação da geração da Usina Hidrelérica Amador Aguiar I, aravés da implanação de uma PCH (Pequena Cenral Hidrelérica) que será insalada nas proximidades do veredouro desa usina hidrelérica. Nesse esudo haverá a comparação enre os valores especificados dos principais equipamenos eleromecânicos, conidos no Relaório Final do Projeo Básico da Pequena Cenral Hidrelérica, que foi elaborado a pedido do Consórcio Capim Branco Energia e a maneira em que eses esão especificados no guia de Direrizes para Esudos e Projeos de Pequenas Cenrais Hidreléricas da Elerobrás. Palavras-Chave - Equipamenos eleromecânicos, PCH, Usina Hidrelérica de Amador Aguiar I. POTENTIAL ENERY STUDY FOR COMPLETION BY ENERATION PCH OF HYDROELECTRIC POWER PLANT AMADOR AUIAR I Absrac - This paper presens he sudy of he energy poenial o complemen he generaion of hydroelecric power plan Amador Aguiar I, hrough he implemenaion of a SHP (Small Hydroelecric Power Plan) ha will be insalled near he spillway of his hydroelecric plan. In his sudy here will be a comparison beween he specified values of he main elecromechanical equipmens, conained in he Final Repor of he Basic Design of Small Hydroelecric Power Plan, which was prepared a he reques of he Capim Branco Energia Consorium wih hose values ha were specified in he uidelines for Sudies and Projecs for Small Hydro Power elaboraed by Elerobrás. 1 Keywords - Elecromechanical equipmens, hydroelecric power plan Amador Aguiar I, SHP (Small Hydroelecric Power Plan). I. INTRODUÇÃO Aualmene devido ao frágil cenário energéico brasileiro, o País poderá sofrer alguns danos que vão muio além das elevadas conas que chegaram às casas de milhões de brasileiros. O maior mal causado pelas alas arifas de elericidade, no enano, é de fao senido pelas indúsrias do País. Com a ameaça de racionameno, muias indúsrias já decidiram reduzir a sua produção no país, subsiuindo-a por imporações ou remanejando a produção para o exerior, o que é um duro golpe na indúsria, e pode er consequências muio severas para a economia [1]. Além disso, a preocupação com o esgoameno da base de recursos naurais do planea e os impacos ambienais da exploração e do uso dos recursos energéicos aponam para a necessidade de se repensar o crescimeno econômico de forma a não compromeer o bem esar das gerações fuuras [2]. Para ano, são necessários adoar medidas que minimizem as emissões de gases poluenes, conservem as condições agriculuráveis do solo, a não conaminação das águas, e a exploração racional dos recursos renováveis [2]. Nesse conexo, qualquer fone de energia que seja mais baraa que a érmica é bem vinda a mariz energéica. Com o cenário aual de baixo nível dos reservaório das usinas hidreléricas, dispor de um reservaório a fio d água é um privilégio. Tal fao ocorre na Usina Hidrelérica Amador Aguiar I, onde além de possuir um reservaório a fio d água, esa vere 7 m /s de água por meio de uma válvula de conrole de vazão saniária para maner um cero volume de água em um recho de vazão reduzida, anigo leio do rio, com o objeivo de minimizar os impacos ambienais. O local oferece as condições ideais para a implanação de uma Pequena Cenral Hidrelérica (PCH). A Figura 1 apresena uma foo aérea do local. As PCHs se ornaram uma alernaiva de geração limpa e renovável de energia e de acordo com dados da ANEEL, as pequenas cenrais respondem aualmene por,51 % do parque gerador brasileiro, num oal de 4.795,162 MW []. Assim ese rabalho em como objeivo esudar o poencial energéico para a complemenação por PCH da geração da Usina Hidrelérica Amador Aguiar I aravés da comparação de valores já calculados sobre a especificação dos principais equipamenos eleromecânicos denre eles: urbina hidráulica, gerador síncrono e ransformador de força, conidos no Relaório Final do Projeo Básico da Pequena Cenral Hidrelérica em relação às especificações sugeridas no guia de Direrizes para Esudos e Projeos de Pequenas Cenrais Hidreléricas da Elerobrás. 1

2 n s 10 n Q () 4 ( H g) n s é a velocidade específica; n é a velocidade de roação síncrona (rps); g é a aceleração da gravidade (m/s 2 ); H é a queda líquida (m); Q é a vazão (m /s). A Figura ilusra as faixas de roações específicas das urbinas (n s). Fig. 1. Arranjo do circuio hidráulico de geração de energia por PCH da ampliação da UHE Amador Aguiar I [4]. II. EQUIPAMENTOS ELETROMECÂNICOS A. Turbinas hidráulicas As urbinas hidráulicas uilizadas nas PCH s devem ser escolhidas de modo a se ober facilidade de operação e de manuenção, dando-se grande imporância à sua robusez e confiabilidade, pois a endência é de que a usina seja operada no modo não assisido [5]. A poência simplificada que é fornecida pela urbina é dada por: P g H Q 10 [ kw ] (1) P é a poência da urbina (kw); η é o rendimeno da urbina; ρ é a massa especifica da água (kg/m ); g é a aceleração da gravidade (m/s 2 ); H é a queda líquida (m); Q é a vazão (m /s). A queda líquida H (m) e a vazão de projeo por urbina Q (m /s) são os parâmeros uilizados para a escolha preliminar do ipo de urbina, conforme mosra a Figura 2. A poência (kw) esimada na saída pode ser obida da mesma figura, basando inerpolar os valores das linhas oblíquas [5]. A escolha da velocidade de roação da urbina depende da poência nominal, da alura de queda, do ipo de urbina e do ipo de gerador. Para o gerador síncrono sem muliplicador, a velocidade de roação é a mesma para a urbina e o gerador, sendo assim, deve-se procurar a velocidade síncrona mais próxima da calculada [5] [6] [7]. Essa velocidade de roação pode ser calculada pela equação: 120 f n [ rpm] p n é a velocidade de roação síncrona (rpm); f é a frequência da ensão gerada ; p é o número de polos do gerador. A parir desses dados, é possível deerminar a velocidade específica da urbina, essa grandeza define a geomeria ou o ipo do roor da urbina hidráulica [7] [8], que é dada por: (2) Fig. 2. ráfico de escolha do ipo da urbina [5]. Fig.. Roação específica e classificação de cada urbina hidráulica [4]. B. eradores síncronos A poência do gerador síncrono é deerminada após o cálculo da poência disponível no eixo das urbinas, e pode ser obida pela equação a seguir: S P ( )[ kva] cos S é a poência do gerador [kva]; P é a poência no eixo da urbina [kw]; η é o rendimeno do gerador; cosϕ é o faor de poência nominal do gerador; O rendimeno do gerador deve ser obido juno ao (4) 2

3 fabricane do equipameno. Na fala de informações, podem ser uilizados os valores mosrados na Tabela I. Tabela I Rendimeno do gerador síncrono em função da classe de poência. Rendimeno (%) Poência do erador (MVA) 96 Aé 2 MVA 97 Aé MVA 98 Aé 5 MVA O faor de poência deve ser definido em função das necessidades do sisema elérico ao qual o gerador será ligado. Para o caso de geradores que operem inerligados ao sisema elérico, um faor de poência nominal de 0,90 a 0,95 é adequado [5]. Os geradores horizonais na faixa de poência das PCHs, na maioria dos casos, são compleamene monados e ensaiados na fábrica, o que facilia a sua insalação na obra. No arranjo da casa de força, deve ser previso espaço suficiene para remoção do roor no caso de reparo do gerador. Para os geradores vericais, o roor cosuma ser a peça mais pesada a ser movimenada na casa de força, definindo a capacidade da pone rolane. Para geradores de eixo horizonal com poência nominal abaixo de 5 MVA pode ser uilizado o gráfico da Figura 4 no Apêndice A, onde os pesos são obidos a parir da relação kva/rpm. Quando o gerador esá ligado ao sisema de ransmissão aravés de um ransformador, a deerminação da ensão de geração é geralmene baseada em faores econômicos. Os cusos de um gerador, para uma deerminada poência nominal e velocidade, variam com a ensão [5]. A escolha da ensão de geração deve considerar não só os cusos do gerador, mas ambém os cusos da inerligação gerador ransformador e dos equipamenos ligados à ensão de geração. Recomenda-se, a menos que hajam razões especiais para se adoar uma deerminada ensão, que o valor especificado da ensão seja orienaivo, dando-se liberdade aos fabricanes de apresenarem proposa para o valor que julgarem mais adequado ao seu fornecimeno, o que evidenemene deve resular num cuso oal final inferior. A seguir, apresena-se a Tabela II que serve como orienação para a seleção da ensão de geração que resula numa solução economicamene araene.[5] Tabela II Deerminação da ensão de geração em função da poência do gerador. Tensão do erador Poência do erador 220/80 ou 480 V Aé 2 MVA 200 V Aé MVA 4160 V Aé 5 MVA 6900 V Aé 15 MVA 1800 V Acima de 10 MVA C. Transformadores O ransformador elevador deverá er poência nominal igual ou superior à poência máxima do gerador. Recomenda-se procurar especificar um valor de poência padronizado, o que possibilia um prazo de enrega mais rápido, menor cuso de aquisição e mais facilidade de evenual reposição [5]. Para poências nominais acima de 5 MVA, a uilização de ransformadores com sisema de venilação forçada começa a se ornar uma alernaiva araene. Recomenda-se a insalação dos ransformadores elevadores o mais próximo possível da casa de força, de modo a uilizar um comprimeno mínimo de cabos de inerligação, o que possibilia ober uma redução nos cusos de aquisição e insalação dos cabos e menores perdas [6]. Recomenda-se que, devido à imporância do ransformador elevador para a usina, os mesmos sejam especificados para os valores superiores de ensão suporável nominal de impulso amosférico consanes da Norma ABNT NBR 556. Caso a poência do ransformador seja ulrapassada, devese adoar o esquema uniário, ou seja, um ransformador por gerador, a Tabela III sugere valores que resulam numa solução econômica para o ransformador bem como de sua ensão primária. Tabela III Deerminação da ensão do ransformador em função de sua poência. Tensão primária Poência do Transformador 220/80 ou 480 V Aé 2 MVA 200 V Aé 5 MVA 4160 V Aé 10 MVA 6900 V Aé 15 MVA 1800 V Aé 0 MVA III. RESULTADOS E DISCUSSÕES A. Considerações iniciais Para serem feias as especificações dos principais equipamenos eleromecânicos como urbina, gerador e ransformador foram feias as considerações ciadas a seguir. Em relação a deerminação da urbina foram consideradas odos os dados finais, conidos no Relaório Final do Projeo Básico da Pequena Cenral Hidrelérica, que esão na Tabela IV (Apêndice B). Para o cálculo da queda de referência deve ser levada em cona as perdas, que nese relaório foram feios os cálculos das perdas de carga do circuio hidráulico de geração e as perdas localizadas, esas foram possíveis de serem calculados a parir de valores coleados e considerados na pare de obra civil, em conjuno com o valor da vazão. Para a especificação do gerador síncrono foi considerado primeiramene o valor da poência nominal da urbina, a faixa de poência aparene do gerador síncrono, o seu faor de poência nominal (que é deerminado em consequência de se operar inerligado ao sisema elérico), o seu peso e a sua classe de ensão. Para o ransformador foram considerados a poência do gerador, sua classe de ensão, a ensão da linha de disribuição de energia que irá inerligar a PCH à Usina de Amador Aguiar I. Os ouros dealhes para a especificação do mesmo são adoados pelo o fabricane, ais como a impedância de curo-circuio e os acessórios. 1) Especificações da urbina Pelos dados de vazão nominal, queda líquida e rendimeno, conidos na Tabela IV, calcula-se a poência nominal efeiva ou de eixo da urbina usando-se (1): P 0, ,814,65710 P 2.727,675[ kw ] Levando os valores de queda líquida e vazão no gráfico

4 da Figura 2, chega-se à escolha preliminar da urbina Francis. A urbina Francis com caixa espiral, classificada como urbina de reação, que em por caracerísica a ransformação da energia poencial de queda em energia mecânica no roor da urbina. Essa urbina possui uma caixa espiral em aço ligada em seu lado monane a um conduo forçado. Na periferia inerna da caixa espiral, um anel rígido supora as pás fixas do pré-disribuidor. A variação da poência fornecida pela urbina é obida com a aberura ou fechameno das palheas direrizes siuadas na periferia inerna do prédisribuidor em um conjuno chamado disribuidor, a Figura 5 mosra um sisema disribuidor e a caixa espiral de uma urbina Francis na posição horizonal. O roor da urbina Francis é normalmene feio em uma única peça fundida e usinada. Modernamene, é vanajoso prever o roor em aço inoxidável fundido, onde a qualidade e a garania de menor manuenção compensam o cuso maior. Fig. 5. Sisema disribuidor e caixa espiral de uma urbina Francis na posição horizonal [4]. A velocidade de roação é preliminarmene escolhida em função da queda e da poência da urbina, segundo a equação: K H n 0,5 P 0,75 K é um coeficiene adimensional enre 100 e 1900 (para PCH uilizar o valor 1600); P é a poencia da urbina [kw]. Se o gerador escolhido for do ipo síncrono e não houver muliplicador de velocidade, o valor enconrado deve ser corrigido para a velocidade síncrona mais próxima. A velocidade de roação mais ala conduz a urbinas de dimensões menores e geradores mais baraos. Assim, aplicando os valores da queda líquida, poência da urbina e o coeficiene chega-se: K H n P 0,5 0, , ,675 0,5 0,75 520,25[ rpm] Fazendo a correção para a velocidade síncrona mais ala, chega-se a n = 600 rpm (ou 10 rps) e K = Usando-se () deermina-se a velocidade específica, que define a geomeria ou o ipo do roor da urbina hidráulica: n s (4,65 9,81) 4 281,0 Para a urbina da PCH, de acordo com as Figuras 2 e pode-se classificar como Francis Normal, por esar na faixa de auação desas urbinas e possuir velocidade específica (5) n s=281. Por facilidade de insalação e manuenção do gerador em PCH normalmene mona-se esa na posição horizonal. 2) Especificações do gerador síncrono Para a especificação do gerador síncrono, deve-se considerar a poência de eixo da urbina que já foi calculada, o rendimeno em relação à sua classe de poência e o faor de poência. Deve ser lembrado que, de acordo com o guia de Direrizes para Esudos e Projeos de Pequenas Cenrais Hidreléricas da Elerobrás, para o caso de geradores que operem inerligados ao sisema elérico, um faor de poência nominal de 0,90 a 0,95 é adequado. Como o valor de poência de eixo da urbina é de 2727,675 kw, a classe de poência aparene do gerador se enquadrará na faixa de MVA, na fala de dados de rendimeno uiliza-se o mesmo como sendo 97%, conforme a Tabela I. Sendo a poência aiva do gerador (poência gerada pela PCH) : P a P P [kw ] a 2.727,675 0, ,00[ kw ] Para um faor de poência na faixa 0,9 fp 0,95 em-se a poência do gerador síncrono enre: S P ( )[ kva] cos 0,97 0, ,675 ( ) S 2727,675 ( ) 0,90 0, ,00[ kva] S 2.785,00[ kva] De acordo com a Tabela II para geradores com poência de aé MVA, a ensão nominal deverá ser de 200 V. Como o gerador será ligado em esrela aerrado a sua correne nominal para a faixa de poência calculada aneriormene será de 78 [A] I N 699 [A]. Para deerminar o número de polos do gerador (2) fornece: 120 f n p p 12 polos p 600 Para geradores de eixo horizonal com poência nominal abaixo de 5 MVA pode ser uilizado o gráfico da Figura 4 no Apêndice A, onde os pesos são obidos a parir da relação kva/rpm. As relações kva/rpm para a faixa de poência calculada foram aproximadamene de 4,9 e de 4,642. Para a deerminação do peso foram feias as aproximações, considerando o recho de 4,2 a 5 e de a como linear. Tendo esses ponos e usando-se (6) foi possível deerminar (7), sendo: y y m( x 1) 1 x m ,2 y ( x 5) (6) y 1250 x 11750[ kg] (7) x 4,642[ kva / rpm] y 17.55,00[ kg] x 4,9[ kva / rpm] y ,00[ kg] 4

5 Pelos resulados noa-se que o peso do gerador síncrono vai esar na faixa de 17,55 a 17,875 oneladas, já para o valor do gerador especificado no Relaório Final do Projeo Básico da Pequena Cenral Hidrelérica considerando a mesma equação anerior para o gerador de.260,00 [kva] com roação de 600 [rpm], valores da Tabela IV no Apêndice B, chega-se a um peso de 18,542 oneladas. Comparando a diferença de peso com o valor já especificado aneriormene, chega-se em 989 [kg], para uma diferença de 475 kva e 0,15 do faor de poência. O gerador especificado no Relaório Final do Projeo Básico da Pequena Cenral Hidrelérica erá um preço maior, o que ambém não raz vanagens para a PCH em relação à geração de poência reaiva, e sim de poência aiva. Assim é mais viável economicamene opar pelo gerador especificado com faor de poência de 0,95. ) Especificações do ransformador elevador O ransformador elevador deverá er poência nominal igual ou superior à poência máxima do gerador. Considerando que será usado um gerador com poência de 2785,100 kva, pode ser adoado um ransformador de poência nominal na faixa de 2,8 MVA. As caracerísicas do ransformador esão conidas na Tabela V. Tabela V Caracerísicas do ransformador elevador especificado [10]. Caracerísicas do ransformador elevador Poência nominal (kva) 2800 Freqüência nominal (Hz) 60 Tensão nominal do enrolameno 200 primário (V) (Baixa ensão) Tensão nominal do enrolameno 1800 secundário (V) (Ala ensão) Designação da ligação dos Baixa ensão Δ enrolamenos Ala ensão Y aerrado Deslocameno angular YNd1 Méodo de resfriameno ONAN Tensão máxima do equipameno kv (eficaz) 15 Tensão suporável nominal de impulso amosférico pleno kv 95 (crisa) Tensão suporável nominal à frequência indusrial, durane 1 minuo e ensão induzida kv (eficaz) IV. CONCLUSÕES Nese rabalho foram uilizados valores reais de projeo, sendo os principais a queda líquida e a vazão nominal. A parir deses valores principais foi possível realizar os cálculos para específicar a urbina, o gerador síncrono e o ransformador elevador, seguindo o guia de Direrizes para Esudos e Projeos de Pequenas Cenrais Hidreléricas da Elerobrás. Porém, alguns dealhes foram considerados aravés de valores de referência como, por exemplo, os rendimeno da urbina e do gerador. Também falaram alguns dealhes das específicações das caracerísicas do ransformador, como a impedância de curo-circuio e os acessórios, porém ais dealhes dependem de criérios adoados pelos fabricanes dos equipamenos. 4 O faor de poência nominal para o gerador síncrono da PCH foi adoado com um valor de 0,95, como ese esará conecado ao barrameno da Usina Hidrlérica Amador Aguiar I, não há necessidade do mesmo fornecer muio reaivo, aé porque poderá implicar direamene nos cusos da sua compra e do ransformador. Assim, como foi mosrado nese rabalho, algumas específicações dos principais equipamenos eleromecânicos conidas na Tabela IV do Apêndice B, devem ser revisos, pois é possível uilizar equipamenos de menor classe de poência, que possam aender as espeficicações para a PCH, refleindo financeiramene em menores cusos de projeo. ARADECIMENTOS Os auores agradecem a empresa Consórcio Capim Branco Energia, pela disponibilidade dos dados para a elaboração dese rabalho. REFERÊNCIAS [1] Aria Eenergy. Cenário energéico do Brasil 2014/2015. Acessado em 26 de Maio de 2015, em: hp://ariaeenergy.com.br/novidades/cenario-energeicodo-brasil / [2] Junges, F. C. Análise de Viabilidade de Implanação de Pequena Cenral Hidrelérica na Barragem Rodolfo da Cosa e Silva. Disseração (Mesrado em Engenharia Civil) Universidade Federal de Sana Maria, Sana Maria, Rio rande do Sul, [] ANEEL - Agência Nacional de Energia Elérica. BI - Banco de Informações de eração, Capacidade de eração do Brasil. Acessado em 26 de Maio de 2015, em:hp:// capacidadebrasil.cfm [4] Silva, F. B. Esudo do Poencial Energéico para a Complemenação por PCH da eração da Usina Hidrelérica Amador Aguiar I. Trabalho de Conclusão de Curso. Programa de raduação em Engenharia Elérica, Universidade Federal de Uberlândia, [5] ELETROBRÁS - Cenrais Eléricas Brasileiras S.A. Direrizes para Esudos e Projeos de Pequenas Cenrais Hidreléricas. Minisério das Minas e Energia, Janeiro de [6] Schreiber,. P. Usinas Hidreléricas, Ediora Edgard Blücher, Rio de Janeiro, ENEVIX, [7] Souza, Z.; Sanos, A.H.M.; Boroni, E.C. Cenrais Hidreléricas: Esudos para Implanação. Cenrais Eléricas Brasileiras S. A. ELETROBRÁS, [8] VA TECH HYDRO. Noções erais Sobre Turbinas Hidráulicas,100p, [9] Projeo Básico Ampliação da UHE Amador Aguiar I, Consórcio Capim Branco Energia CCBE. Relaório Final, Volume I Texo. [10] ABNT, Associação Brasileira de Normas Técnicas. ABNT NBR 556- Transformador de Poência. Avenida Treze de Maio, 1-28º andar Rio de Janeiro RJ: ABNT - Associação Brasileira de Normas Técnicas,199. 5

6 A. Apêndice B. Apêndice Fig. 4. ráfico para deerminação do peso de geradores de eixo horizonal aé 5 MVA.. Tabela IV Dados obidos do Relaório Final do Projeo Básico da Pequena Cenral Hidrelérica. Esudos energéicos Turbinas Queda Brua 45,55 m Tipo Francis Horizonal Perda Hidráulica 1,9 % Número de unidades 1 Rendimeno do conjuno 88,27 % Poência Uniária nominal 2, 646 MW urbina/gerador Energia gerada 2, 646 MW Roação Síncrona 600 rpm Queda de Referência 4,65 m Rendimeno máximo 91 % Vazão Nominal Uniária 7 m /s Transformador elevador Número de unidades 1 Poência nominal (kva),5 MVA eradores Frequência nominal (Hz) 60 Número de unidades 1 Tensão nominal do enrolameno primário (V) (Baixa ensão) 4,16 kv Poência Nominal, 260 MVA Tensão nominal do enrolameno secundário (V) (Ala ensão) 1,8 kv Tensão Nominal 4,16 kv Designação da ligação dos enrolamenos Baixa ensão Δ Faor de Poência 0,8 Ala ensão Y aerrado Rendimeno Médio 97 % Elevação de Temperaura 55 C Ligação Y aerrado Méodo de resfriameno ONAN 6