Repotenciação de usinas hidrelétricas: capacitação do IEE/USP com vistas à otimização energética do parque brasileiro

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1 Superintendência de Regulação dos Serviços de Geração - SRG Workshop: Repotenciação de Usinas Hidrelétricas Brasília-DF 14 de julho de 2011 Repotenciação de usinas hidrelétricas: capacitação do IEE/USP com vistas à otimização energética do parque brasileiro Célio Bermann Professor Associado do Instituto de Eletrotécnica e Energia da USP

2 Revista Brasil Energia, No. 240 Novembro 2000.

3 Fonte: Revista Brasil Energia, No. 240 Novembro 2000, p.72.

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5 Condições para a repotenciação: Usinas com mais de 20 anos, e cujos grupos geradores ultrapassaram mais de 120 mil horas de operação.

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8 Objetivo Desenvolver uma metodologia para o estudo de otimização energética com base na identificação do comportamento de grupos geradores em operação de Usinas Hidrelétricas (UHEs) com características técnicas diversificadas (tipo de turbinas, gerador) e com escalas diferenciadas (capacidade nominal instalada), com vistas a demonstrar a oportunidade da implementação de um amplo programa de repotenciação de usinas hidrelétricas no atual parque de geração do país. Oportunidade O projeto proporciona às empresas de geração interessadas a oportunidade de assumir um papel de liderança frente às demais empresas concessionárias de geração do país na perspectiva e nas oportunidades que podem ser oferecidas com a repotenciação de suas usinas.

9 Inovação Tecnológica A principal contribuição dessa iniciativa é o desenvolvimento de uma metodologia para o diagnóstico elétrico, mecânico e civil de desempenho de grupos geradores utilizando métodos de ensaio de rendimento automatizados e de baixo custo.

10 AES Tietê: UHE Água Vermelha (Rio Grande-SP/MG) Ficha Técnica Início da Operação: 22/08/1978 Extensão da Barragem: metros Reservatório Área: 647 km² Cota Máxima Útil: 383,30 metros Cota Mínima Útil: 373,30 metros Volume Útil de Água Acumulado: 11 bilhões de m³ Vertedouro Número de Comportas: 8 Altura da Queda d Água: m³/s Capacidade Instalada: 1.396,2 MW Energia assegurada: 746 MWmédios Número de turbinas: 6 Tipo: Francis Potência por Unidade: 232,700 MW Queda útil nominal: 57,0 m Subestação Elevadora Número de Circuitos: 3 Tensão Nominal: 440 kv

11 AES Tietê: UHE Euclides da Cunha (Rio Pardo-SP) Ficha Técnica Início da Operação: 1960 Extensão da Barragem: 312 metros Reservatório Área: km2 Cota Máxima Útil: 665,00 metros Cota Mínima Útil: 659,50 metros Volume Útil de Água Acumulado: x m³ Vertedouro Número de Comportas: 2 Altura da Queda d Água: 92 metros Capacidade Instalada: 108,8 MW Energia assegurada: 49 MWmédios Número de turbinas: 4 Tipo: Francis Potência por Unidade: 27,2 MW Queda útil nominal: Subestação Elevadora Número de Circuitos: 8 Tensão Nominal: 138 kv

12 AES Tietê: UHE Limoeiro (Rio Pardo-SP) Ficha Técnica Início da Operação: 25/09/1958 Extensão da Barragem: 600 metros Reservatório Área: 3,3 km2 Cota Máxima Útil: 577,50 metros Cota Mínima Útil: 563,00 metros Volume Útil de Água Acumulado: 25,160 x m³ Vertedouro Número de Comportas: 4 Altura da Queda d Água: 25,50 metros Capacidade Instalada: 32,2 MW Energia assegurada: 15 MWmédios Número de turbinas: 2 Tipo: Kaplan Potência por Unidade: 16 MW Queda útil nominal: Subestação Elevadora Número de Circuitos: 4 Tensão Nominal: 138 kv

13 AES Tietê: UHE Barra Bonita (Rio Tietê-SP) Ficha Técnica Início da Operação: 20/05/1963 Extensão da Barragem: 480 metros Reservatório Área: 310 km2 Cota Máxima Útil: 451,50 metros Cota Mínima Útil: 439,50 metros Volume Útil de Água Acumulado: X 106 m3/s Vertedouro Número de Comportas: 5 Altura da Queda d Água: 23,50 metros Capacidade Instalada: 140,76 MW Energia assegurada: 45 MWmédios Número de turbinas: 4 Tipo: Kaplan Potência por Unidade: 35,190 MW Queda útil nominal: Subestação Elevadora Número de Circuitos: 8 Tensão Nominal: 138/69 kv

14 Figura 9. Levantamento das variáveis medidas na Usina de Barra Bonita Fonte: AES Tietê/EPUSP-PEA/GAGTD. Otimização da Operação de Usinas Hidrelétricas do Rio Tietê. Relatório 1, 25/11/2004.

15 A Tabela 8.1 apresentou os resultados para o instante 21h do dia 01/11/2006 o que possibilitando observar os valores de rendimento e os valores de potência ativa despachados. Em particular observou-se que a geração poderia ter sido realizada com 2 unidades ao invés de 3 unidades, aumentando a eficiência das máquinas e minimizando o consumo de água. Pela ponderação dos valores de rendimentos e potências ativas despachadas deduz-se que a economia de água obtida a partir do despacho otimizado equivale a 3,6 MW no instante avaliado. Fonte: AES Tietê/EPUSP-PEA/GAGTD. Otimização da Operação de Usinas Hidrelétricas do Rio Tietê. Relatório Final, 15/02/2007, p. 93.

16 Etapas 1. Elaboração de procedimento de diagnóstico elétrico, mecânico e civil das usinas Duração: 01 mes Produto: Relatório contendo todos os procedimentos a serem observados nas 4 etapas subsequentes, incluindo a identificação das fontes de aquisição dos dados necessários. Esta etapa consiste no planejamento a ser seguido com vistas à otimização dos trabalhos de campo a serem realizados durante as 4 etapas subsequentes, envolvendo a avaliação hidrológica, avaliação do circuito hidráulico, avaliação do rendimento dos conjuntos turbina-gerador.

17 Etapas 2. Avaliação Hidrológica Duração: 03 meses Produto: Relatório contendo levantamento de informações hidrológicas permitindo a reavaliação da vazão assegurada, queda de projeto, potência assegurada e energia assegurada. Análise dos dados antigos e novos da série histórica de vazões do rio que poderá concluir pela revisão do projeto hidrológico, motivado por alterações climáticas, série maior de dados e, inclusive, melhores condições de monitoramento dos reservatórios (sistemas com respostas mais rápidas, previsões meteorológicas mais precisas). Neste estudo se reavalia vazão assegurada, queda de projeto, potência assegurada e energia assegurada.

18 Etapas 3. Avaliação do Circuito Hidráulico Duração: 04 meses Produto: Relatório dispondo sobre o estado das estruturas civis e mecânicas do circuito hidráulico da máquina desde a tomada d'água até a sucção da usina. Diagnóstico do estado das estruturas civis e mecânicas do circuito hidráulico da máquina, desde as grades na tomada d água até o tubo de sucção, que podem provocar perdas de carga. Existe uma série de componentes no circuito hidráulico que se deterioram com o tempo e que devem ser recuperados como vigas, as próprias grades, a caixa espiral, septos tanto da tomada d água como da sucção. A recuperação se constitui em eliminar incrustações, deformações e arrancamentos tanto de partes metálicas como do concreto, diminuindo a rugosidade das paredes e peças.

19 Etapas 4. Avaliação de Desempenho da Turbina Duração: 04 meses Produto: Relatório indicando os resultados dos ensaios de rendimento das turbinas. Estudo da documentação de projeto e do prontuário de manutenções, a inspeção visual detalhada do seu estado de conservação, ensaios de vibração do eixo da roda e a execução de ensaios de rendimento operacional que vão melhorar seu fator de capacidade pela redução da frequência de paradas por falhas de máquina e, também, seu rendimento original. O ensaio de rendimento da turbina é o ensaio que vai determinar a viabilidade da sua repotenciação, isto é, o restabelecimento de suas condições originais ou, a sua substituição. Este ensaio é conhecido como "Index Test" e se utiliza da vazão medida na entrada da caixa espiral da turbina, a queda líquida e o rendimento do gerador, para então comparar a potência motora e a potência produzida na determinação do rendimento da turbina.

20 Etapas 5. Avaliação de Desempenho do Gerador Duração: 04 meses Produto: Relatório contendo os resultados obtidos com a avaliação de rendimento do gerador a partir da avaliação das condições dos componentes do gerador. Avaliação das condições dos componentes do gerador: a) Enrolamento do Estator. Medições de tangente delta;. Medições de descargas parciais/coronas;. Testes de alta tensão/durabilidade. b) Enrolamento de Campo. Medições de isolação;. Testes de tensão de impulso (entre espiras);. Medições de resistência.

21 Etapas 5. Avaliação de Desempenho do Gerador Duração: 04 meses Produto: Relatório contendo os resultados obtidos com a avaliação de rendimento do gerador a partir da avaliação das condições dos componentes do gerador. Avaliação das condições dos componentes do gerador (cont.): c) Cunhagem do Enrolamento do Estator. Posicionamento;. Firmeza. d) Núcleo do Estator. Compressão residual;. Condições de isolação;. Alinhamento. e) Rotor: Medições de vibrações (deslocamentos de massas e curto circuito entre espiras).

22 Equipamentos de medição disponíveis no IEE/USP:

23 Transdutor Cyber - UPD 600 Bobina de Rogowski p/ correntes maiores que 2 ka Transformador de Potência TP de média tensão Transformador de corrente TC de baixa tensão

24 Etapas 6. Diagnóstico energético e econômico Duração: 02 meses Produto: Relatório contendo a avaliação econômico-financeira do parque instalado analisado e os resultados do estudo das condições de despacho e operação. Com base nos dados coletados nas etapas de diagnóstico elétrico, mecânico e civil das usinas avaliadas, elabora-se uma avaliação econômico-financeira do atual desempenho do parque instalado analisado.

25 Etapas 7. Estudo de Otimização com vistas à Repotenciação Duração: 03 meses Produto: Relatório dispondo de recomendações operativas para a obtenção do melhor desempenho da UHE, envolvendo manutenção, substituição de peças e equipamentos, operação e despacho otimizado. Análise de dados e documentos existentes para avaliação do conjunto turbina-gerador. Determinação da nova potência de operação e sua otimização. Verificação da necessidade de adequação da S/E e da Linha de Transmissão existentes, incluindo o estudo de conexão e de tarifa de transporte da energia. Indicação das características básicas preliminares e dos custos aproximados da reabilitação dos equipamentos principais. Determinação da curva de geração ao longo do tempo, potência de operação, energia assegurada e custo de geração do grupo gerador estudado.

26 Etapas 8. Avaliação técnico-econômica e legal Duração: 03 meses Produto: Relatório indicando os benefícios decorrentes do acréscimo de potência e energia na Câmara de Comercialização de Energia Elétrica-CCEE, considerando o mecanismo de realocação de energia (MRE), os riscos e benefícios envolvidos, com sugestões de mudanças na legislação que estimulem a repotenciação. Determinação dos benefícios do ingresso do agente gerador que possua acréscimo de potência e energia na Câmara de Comercialização de Energia Elétrica-CCEE, considerando o mecanismo de realocação de energia (MRE), os riscos e benefícios envolvidos com base na legislação existente.

27 Etapas 8a. Avaliação técnico-econômica e legal Duração: 03 meses Produto: Relatório indicando os parâmetros para a obtenção de Reduções Certificadas de Emissões (RCE), ou Créditos de Carbono, dentro do Mecanismo de Desenvolvimento Limpo-MDL. Indicação dos procedimentos para a obtenção de Créditos de Carbono em função do aumento de potência e energia utilizando a hidreletricidade, evitando as emissões decorrentes da utilização de combustíveis fósseis.

28 Resultados esperados Na fase de estudo de comportamento de grupos geradores, espera-se obter os seguintes resultados: - Metodologia automatizada de ensaio de recepção testada em grupos geradores em condições reais; - Otimização de eficiência e redução de perdas na geração de UHEs; - Consistência de metodologias para avaliação de benefícios e de análises de inserção de ganhos em energia e potência no mercado. Na integração dos resultados espera-se melhoria da eficiência das unidades em operação, eficientização dos procedimentos operacionais, com menores custos, e otimização dos recursos da empresa AES Tietê. Obs: Os Créditos de Carbono podem ser comercializados e aumentar a taxa de retorno do projeto de repotenciação.

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31 OBRIGADO!!! Contato: Prof. Célio Bermann Tel.: (11)