Olá pessoal! Espero que estejam gostando do curso e do fórum. Aliás, aproveito para incentivá-los a participar do fórum, pois é lá que podemos tratar de assuntos mais específicos e trazer informações adicionais ao curso. Na nossa aula 03, abordaremos assuntos relativos a aproveitamento hidrelétrico. Agora vamos à nossa aula! Aproveitamento hidrelétrico: avaliação de potencial hidráulico; estruturas componentes; turbinas (tipos e aplicação) e geradores; aspectos construtivos; vantagens e desvantagens em relação a outras formas de geração de energia. (TCU/2009) Uma usina hidrelétrica pode ser definida como um conjunto de obras e de equipamentos, cuja finalidade é a geração de energia elétrica por meio do aproveitamento do potencial hidráulico existente em um rio. Quanto ao potencial hidráulico, julgue o seguinte item. 1. (TCU/2009) O potencial teórico hidráulico bruto é a quantidade máxima de energia elétrica que se pode obter em uma bacia hidrográfica durante um ano médio. Para responder a esta pergunta, façamos uma revisão teórica sobre o assunto. Na avaliação do potencial hidráulico bruto de um aproveitamento hidroelétrico utiliza-se a seguinte fórmula (considerando o peso específico da água de 1.000 kgf/m 3 ): Onde Pb: potência hidráulica bruta (kw); Q: vazão que passa pelas turbinas (m3/s); Hb: queda bruta, ou diferença entre os níveis d'água: (i) no reservatório a montante e (ii) imediatamente a jusante da turbina (m). Observando-se a fórmula vemos que o potencial hidráulico de uma hidrelétrica depende, basicamente, (1) da vazão do rio e (2) da queda d'água (diferença de nível a montante e a jusante da barragem). Considerando que a queda bruta não é aproveitada integralmente, devido à ocorrência de perdas de carga, utiliza-se a queda útil (H), que é a bruta, descontadas as perdas de carga. 1
Além destas perdas que ocorrem na condução da água até a turbina, devem ser consideradas as perdas dentro da turbina, e aquelas decorrentes dos atritos internos ao gerador. Desta forma, considerando-se um fator de "eficiência" (rendimento) do conjunto eletromecânico, a potência instalada da hidroelétrica é dada pela seguinte fórmula: Onde P: potência instalada (kw); Q: vazão que passa pelas turbinas (m 3 /s); H: queda útil (m); n rendimento do conjunto turbina-gerador Voltando à questão, alguns documentos na internet apresentam essa definição para o Potencial Teórico Bruto. Deve-se observar, entretanto, que a questão deixou de mencionar o aspecto relativo aos desníveis, que seriam parcela desse potencial teórico. Mas deve ser considerada correta. Resposta: C 2. (TCU/2007) O potencial hidráulico de uma bacia hidrográfica é definido como a queda útil máxima de água, isto é, a distância vertical entre o nível da água e o eixo da turbina, que pode ser utilizada para a geração de energia. Com base na resposta da questão anterior, a queda de água é a diferença entre os níveis de montante e de jusante (canal de fuga) de uma barragem. Resposta: E O ciclo de implantação de uma usina hidrelétrica compreende basicamente cinco etapas: estimativa do potencial hidrelétrico; inventário hidrelétrico, estudo de viabilidade, projeto básico e projeto executivo. Acerca dessas etapas, julgue os itens abaixo. 3. (MPOG/2008) A etapa de inventário hidrelétrico se caracteriza pela concepção e análise de várias alternativas de divisão de queda para a bacia hidrográfica, que são comparadas entre si, visando selecionar 2
aquela que apresente melhor equilíbrio entre os custos de implantação, benefícios energéticos e impactos socioambientais. Realmente o inventário tem por objetivo comparar alternativas entre si, sempre selecionando o melhor custo-benefício, inclusive observando os aspectos ambientais. Resposta: C 4. (PAS/2008) A água represada em barragens artificiais, como as mencionadas, armazena energia potencial gravitacional, que pode ser transformada em energia cinética, a qual, por sua vez, aciona turbinas, transformando energia mecânica em energia elétrica. Para responder a esta questão, faremos uma revisão teórica sobre as estruturas componentes de um aproveitamento hidroelétrico. A escolha do local e da concepção do "arranjo" (distribuição das estruturas) de uma usina hidrolétrica depende de uma série de fatores particulares, tais como condições topográficas, geológicas e hidrológicas. Na definição do arranjo deve-se considerar a segurança, o custo global (obra, operação e manutenção), aspectos sócio-ambientais, usos múltiplos e outras variáveis, conforme já abordamos. Basicamente há três tipos de arranjos "básicos" para as centrais hidroelétricas: (1) de represamento (CHR); (2) de desvio (CHD); e (3) de derivação (CHV). Nas centrais hidrelétricas de represamento, são aquelas que a tomada d'água é localizada junto à barragem, ou seja, o circuito hidráulico de adução é basicamente composto pela tomada d'água, conduto forçado e casa de força. 3
Figura - Corte Esquemático de uma Central Hidrelétrica de Represamento - CHR (Zulcy de Souza, 1992) Para as centrais de desvio e de derivação deve ser acrescentado o "sistema de baixa pressão". O circuito hidráulico de adução é basicamente composto por: (i) tomada d'água, (ii) conduto de baixa pressão (canal ou túnel), (iii) conduto de alta pressão (conduto forçado, que pode ser também um túnel) e (iv) a casa de força. Nesses casos, podem ocorrer os chamados "transientes hidráulicos" (variações bruscas de pressão no interior das tubulações, em virtude de aberturas e fechamentos do fluxo na saída destas), em especial na região entre o sistema de baixa e o de alta pressão. Para mitigar os efeitos dos transientes hidráulicos, necessitamos de estruturas "aliviadoras de pressão", tais como a "câmara de carga" ou a "chaminé de equilíbrio". A diferença básica entre as centrais de desvio e de derivação é que esta última opera entre dois rios, realizando uma "transposição" de águas, ou seja, "derivando" a água do rio 1 para o rio 2, conforme mostra a figura a seguir. 4
Figura - Cortes Esquemáticos de Centrais Hidrelétricas de Desvio - CHD - e de Derivação - CHV (Zulcy de Souza, 1992) A seguir, apresentaremos os conceitos e definições dos principais elementos aplicados aos aproveitamentos hidroelétricos. Portanto, fazem parte do arranjo geral de uma UHE: (1) Barragem - É uma estrutura em solo ou concreto construída no vale do rio, da ombreira de uma margem para a da outra, com o objetivo de elevar o nível de água do rio até o nível máximo normal do reservatório. 5
(2) Dique - É uma estrutura usualmente em solo, que fecha eventuais pontos onde existam "selas topográficas" (pequenos vales), a fim de evitar "fuga" (perda) da água do reservatório. (3) Sistema de desvio do rio - Em geral, fica localizado junto à barragem, com o objetivo de desviar, temporariamente, as águas do rio por meio de (i) canal, (ii) galerias, (iii) adufas (vãos no meio das estruturas de concreto), (iv) túneis ou mesmo (v) "estrangulamento" do leito do rio (por meio de "ensecadeiras" = pequenas barragens provisórias), de modo a permitir a construção das demais estruturas (localizadas no leito do rio) em uma zona seca. (4) Circuito de geração - Constituído por (i) canais, (ii) tomadas d'água, (iii) condutos ou túneis de adução de baixa pressão, (iv) eventuais chaminés de equilíbrio ou câmaras de carga, (v) condutos ou túneis forçados de alta pressão, (vi) casa de força externa ou subterrânea e (vii) canal ou túneis de fuga. O circuito de geração tem por finalidade aduzir a água para a transformação de energia mecânica em energia elétrica. (5) Estrutura de vertimento - Composto de (i) canal de aproximação, (ii) vertedouro com ou sem controle (comportas), (iii) dissipador de energia e (iv) canal de restituição. Como no caso do circuito de geração, as obras das estruturas de vertimento podem ficar localizadas junto ou distante da barragem, dependendo das características particulares do sítio em estudo. (6) Descarregador de fundo - Estrutura dotada de comportas ou válvulas para liberar as águas para jusante da barragem. (7) Sistema de transposição de desnível - São estruturas que permitem a transposição de cargas ou passageiros transportados pela via navegável, superando o desnível decorrente da implantação da barragem. São estruturas normalmente conhecidas como eclusas de navegação. Pessoal, quem não conhece o funcionamento de uma eclusa (ou quiser mais detalhes) pode recorrer à seguinte animação: www1. folha.uol.com.br/folha/turismo/americadosul/brasil-barra_bonita - eclusa.shtml (8) Sistema de transposição de fauna aquática migratória - São estruturas que permitem a transposição da ictiofauna (fauna aquática), superando o desnível decorrente da implantação da barragem por meios de (i) escadas de peixes (pequenos tanques com aberturas no fundo, dispostos conforme os degraus de uma escada convencional) ou (ii) caminhões tanques que coletam os peixes no pé da barragem e os despeja a montante. (9) Subestação - É a instalação elétrica responsável por elevar a tensão de saída 6
para a transmissão da energia elétrica gerada na usina, "injetando-a" no sistema elétrico (a elevação da tensão tem por objetivo reduzir as perdas de energia, por transformação em calor, na linha de transmissão). Na figura a seguir temos uma ilustração "tridimensional" de uma UHE típica, a qual pode ajudar bastante na visualização e compreensão de plantas e cortes de arranjos de usinas. Podemos ver: barragem (face de jusante, com caminho para chegar à crista), vertedouro (com comportas), 04 condutos forçados, casa de força, canal de fuga, emboque de jusante dos túneis de desvio etc. Figura - Arranjo da UHE Furnas do Segredo Na figura a seguir, temos o arranjo "tradicional" da UHE Água Vermelha (rio Grande), mostrando a casa de força junto ao vertedouro, ambos no meio do rio, entre duas barragens de terra. 7
Figura - Arranjo da UHE Agua Vermelha (Schreiber, 1977) Já na próxima figura, da UHE Furnas (rio Grande), podemos ver outro arranjo, diferenciado em relação ao da UHE Água Vermelha por termos tanto o vertedouro quanto a tomada d'água separados da barragem (localizados nas encostas do vale). 8
Figura - Arranjo da UHE Furnas (Schreiber, 1977) A figura a seguir é da UHE Três Marias, localizada no rio São Francisco, onde podemos ver o vertedouro na encosta do vale e a tubulação de adução de água para a casa de força passando por baixo da barragem. 9
Figura - Arranjo da UHE Três Marias (Schreiber, 1977) Nas últimas figuras da nossa série "arranjos criativos de UHEs", temos a UHE Itaúba, localizada em uma meandro (grande curva) do rio Jacuí, no qual temos um desnível de 16 metros e um canal adutor de 120m de comprimento (a primeira figura com o arranjo geral de desvio e a segunda com um detalhes da tomada d'água, vertedouro e casa de força). 10
(a) (b) Figura - Arranjo geral (a) e detalhe (b) - da UHE Itaúba (Schreiber, 1977) Voltando à questão, realmente, a sequência das transformações de energia está realmente corretíssima. Resposta: C 5. (ANTAQ/2009) O método de Rippl pode ser utilizado para dimensionar reservatórios de acumulação em sistemas de abastecimento de água. Para responder a questão acima, faremos uma breve revisão teórica sobre o assunto. Altura de barragens e capacidade de reservatórios Pessoal, já comentamos bastante sobre barragens e reservatórios. Já vimos que tratam-se de obras de engenharia que têm a função de reter água para diferentes fins, criando um desnível local. Mas ainda não tocamos em um ponto crucial (principalmente para um estudo sobre hidrelétricas): como fixar a altura adequada delas? 11
Pois bem, para determinar a altura de uma barragem, devemos saber que estaremos determinando, automaticamente, a área que será alagada pelo reservatório formado a montante da barragem e, consequentemente, o volume que este reservatório poderá acumular. A figura a seguir mostra as curvas obtidas para os valores de áreas e volumes de um reservatório, em função dos níveis d'água (cotas) atingidos. Figura 11 - Curvas "Cota x Área" e "Cota x Volume" para lago de UHE (Schreiber, 1977) No passado era muito comum a definição de grandes reservatórios, objetivando o máximo de regularização possível proporcionado por um reservatório. Porém, este critério não é mais o único a ser utilizado na definição da altura de uma barragem, pois outros fatores têm influenciado, em especial os impactos ambientais. Grandes volumes reservados acarretam em grandes áreas alagadas e, de acordo com a crescente pressão exercida hoje pela sociedade, temos cada vez menos áreas disponíveis para a formação de reservatórios e, consequentemente, cada vez mais UHEs operando em reservatórios do tipo "a fio d'água" (com volumes tão reduzidos que são incapazes de proporcionar uma regularização entre estações úmidas e secas). São diversos os métodos que podemos utilizar para dimensionar um reservatório pessoal. Atualmente, com o avanço da capacidade de processamento de dados por meio de computadores, temos métodos mais "elaborados" para o dimensionamento do volume útil dos reservatórios, como aqueles do tipo "estocásticos", que permitem o cálculo de probabilidades por meio de simulações e otimizações em modelos matemáticos complexos. No passado, era mais comum a utilização de métodos "simplificados". Atualmente, tais métodos são usados apenas em reservatórios de menor porte, ou nas fases mais iniciais dos estudos de grandes usinas (fase de concepção do empreendimento). O mais conhecido desses métodos é do "diagrama de massas", também conhecido como "diagrama de Rippl". 12
O volume útil de um reservatório pode ser entendido como o volume de armazenamento necessário para garantir uma vazão regularizada constante durante o período mais crítico de estiagem observado, certo pessoal? Portanto, o diagrama de massas corresponde à curva de volumes acumulados que afluem (chegam) ao reservatório. Figura 12 - Hidrograma afluente (a) e Diagrama de massas correspondente (b) Por meio do Diagrama de Rippl (massas = volumes acumulados) podemos determinar o "período crítico" de um aproveitamento (= pior sequência de vazões do histórico existente), conforme figura a seguir. Figura 13 - Uso do diagrama de Rippl (Zulcy de Souza, 1992) 13
Utilizando-se o diagrama de Rippl, podemos determinar, graficamente, o volume útil do reservatório para uma determinada vazão regularizada. A reta que liga a origem dos eixos até o último ponto do diagrama representa a vazão média ao longo do período observado (no caso da figura, 5 anos). Portanto, se desejamos regularizar a vazão média, devemos medir a distância vertical entre o ponto de mínimo do período crítico (marcado no diagrama) e a reta da vazão média regularizável para saber qual será o volume máximo de nosso reservatório. Outro método simplificado utilizado é o do "diagrama de massas residual", que nada mais é do que o diagrama de Rippl que sofre uma translação da escala vertical devido à subtração da vazão média no eixo das ordenadas (facilitando a manipulação do gráfico em virtude da redução da escala vertical). Figura 14 - Diagrama de massas residual Agora que já vimos os principais métodos de dimensionamento de um reservatório, sobre o qual determinamos a altura de nossa barragem, continuamos a ver as estruturas típicas de uma UHE. Voltando à questão, o diagrama de Rippl é usado para dimensionar quaisquer tipos de reservatório de acumulação (função de regularização de vazões), em particular os de abastecimento de água e os de geração hidroelétrica. Resposta: C 6. (ELETROBRÁS/2005) Analisando-se um diagrama de RIPPL ou "Curva de Massa das Descargas", observa-se que a inclinação da reta que une dois pontos na curva corresponde a: (A) volume máximo escoado no intervalo de tempo correspondente; 14
(B) vazão máxima naquele intervalo; (C) volume médio do reservatório no intervalo de tempo correspondente; (D) vazão média neste intervalo; (E) volume necessário a ser regularizado. A inclinação da reta corresponde à distância vertical (eixo Y), dividida pela distância horizontal (eixo X). Se no eixo Y todo diagrama de Rippl temos o volume acumulado (em m 3 ) e no eixo X temos os tempos, ao dividir Y por X, encontramos (m3/s), que é a unidade de vazão. Resposta: D 7. (ELETRONORTE/2OO6) 65- Nas usinas hidrelétricas a chaminé de equilíbrio tem a finalidade de: (A) retirar os gases da tubulação; (B) medir a velocidade da água; (C) medir a pressão na água; (D) resfriar a água após a passagem pela turbina; (E) evitar o "golpe de aríete". A chaminé de equilíbrio não tem a "finalidade" de "evitar" o gole de aríete, pois o golpe existirá independentemente de colocarmos ou não a chaminé em nosso projeto. É bem verdade que, como comentamos, a existência da chaminé ajuda a "mitigar" os efeitos do golpe. Porém, não é essa sua função principal. A função da chaminé é a de permitir a verificação da pressão no conduto por meio da medição do nível do "reservatório de eixo vertical" (cota piezométrica mais alta que o nível estático = sobrepressão; cota mais baixa que a estática = subpressão). Sob o aspecto hidráulico, a chaminé de equilíbrio deve ser dimensionada para atender às seguintes condições de operação da hidrelétrica: (i) partida brusca 15
(garantir que não entre ar no conduto forçado); e (ii); parada brusca (amortecendo as variações de pressão, que se propagam). Resposta: C 8. (ELETRONORTE/2OO6) Entre as alternativas abaixo marque aquela que NÃO corresponde a uma característica de projeto de uma tomada d'água em uma central hidrelétrica: (A) no final do canal de adução, na entrada da tubulação forçada, devese instalar uma estrutura denominada câmara de carga; (B) as dimensões da tomada d'água devem ser definidas de forma que a velocidade na entrada se mantenha na faixa de 2,0 m/s para evitar formação de depósitos de areia, sedimentos ou incrustações; (C) a tomada d'água tem a função de permitir o ensecamento da tubulação forçada para a realização de obras de manutenção; (D) a tomada d'água tem a função de permitir o ensecamento do canal de adução para a realização de reparos; (E) prover a retenção de corpos flutuantes e de material sólido transportados pelo escoamento. A tomada d'água deve conter dispositivos para eliminar ou reter o material sólido transportado pela água de um rio (tudo quanto é "porcaria" que vocês possam imaginar: troncos/galhos de árvores, pneus velhos, animais mortos, vegetação aquática de grande porte - também chamada de "macrófita" - etc.), que podem causar danos às turbinas e outros sistemas usados na UHE. Basicamente, as tomadas d'água de uma UHE podem ser (i) "de superfície" ou (ii) "afogadas". Para determinar a localização desse tipo de estruturas devemos considerar: (a) regiões de escoamento de baixa velocidade e, se possível, isento de perturbações; (b) trechos do rio com mínimo transporte de material sólido na água; (c) a possibilidade de acesso à estrutura para manutenção; 16
(d) garantia de afogamento do conduto forçado ou do conduto de baixa pressão, conforme o caso, de forma a evitar a formação de vórtices ("redemoinhos"/"turbilhões") que promovem aeração externa no escoamento (lembrando que a entrada de ar na tubulação pode causar cavitação na turbina!), devendo-se manter uma coluna d'água mínima (da ordem de 2m) acima da face superior da tomada d'água, como forma de garantir a "submergência" desta. De forma genérica, a tomada d'água e seus equipamentos correlatos (estruturas para "içamento" de comportas, como as "vigas pescadoras" para stop-logs, os equipamentos "limpa-grades" etc.), devem ser dimensionados de forma a também minimizar as perdas de carga, ou seja, devem propiciar um escoamento com o mínimo de perturbações (o menos turbulento possível), que resultam em menor geração de energia elétrica. A figura a seguir exemplifica os principais tipos de tomadas d'água observadas nas UHEs brasileiras, com destaque para os equipamentos "acessórios" (pórticos para içamento das grades e comportas etc.). 17
Figura 18 - Principais tipos de Tomada d'agua em UHEs (Schreiber, 1977) Voltando à questão, não é uma função da tomada d'água reter sedimentos. Tal função é exercida pelo desarenador. Resposta: B 9. (ELETRONORTE/2OO6) A definição final do dimensionamento energético ótimo de um aproveitamento hidroelétrico, para efeito de licitação para concessão, feita no âmbito dos estudos de viabilidade, segue uma abordagem de custo/benefício, onde para cada alternativa de dimensionamento do aproveitamento são feitos orçamentos e avaliados os benefícios em termos de energia firme, disponibilidade de ponta e energia secundária. Entre as alternativas abaixo marque aquela que NÃO 18
corresponde a um dos critérios para dimensionamento energético de hidroelétricas ao nível de inventário: (A) vazão nominal de projeto; (B) queda de referência; (C) capacidade do sistema extravasor; (D) potência instalada total; (E) depleção máxima. Dentre as opções, a única que realmente não tem nada a ver com a geração de energia é aquela que se refere à capacidade do vertedouro. Resposta: C 10. (IEMA-ES/2004) Para não afetar a capacidade de geração, a captação para irrigação a partir de um reservatório hidrelétrico deve ser feita preferencialmente a montante da tomada d'água da usina hidrelétrica. Reparem que se fizermos a captação de água para um projeto de irrigação a montante da barragem temos a indisponibilidade dessa quantidade de água para a geração de energia. Portanto, sempre que possível, devemos prever a captação a jusante da barragem, pois a água que será usada na irrigação (ou em qualquer dos usoas chamados "consuntivos", ou seja, que consomem água) já terá passado pelas turbinas e terá dado sua contribuição para a geração de energia elétrica. Resposta: E 11. (TCE-TO/2008 - CESPE) Ainda sobre as usinas hidrelétricas, no que se refere ao processo de geração de energia, assinale a opção correta. (A) Em linhas gerais, as usinas hidrelétricas convertem energia mecânica em elétrica. (B) Na usina hidrelétrica, a barragem eleva o nível da água e seu ponto de captação, elevando, consequentemente, a energia cinética da água. 19
(C) Na usina hidrelétrica, quando a água passa pelas pás da turbina, há transferência de energia potencial. (D) Quando o nível do reservatório está muito baixo e há poucas perspectivas de aumento do volume de água do rio, deve-se continuar gerando energia para economizar a água do reservatório. (E) É pelo vertedouro da usina hidrelétrica que é gerada a energia. Para responder a esta questão, faremos uma revisão teórica sobre Sistemas de Alta e de Baixa Pressão. 1 - Sistemas de Baixa Pressão O sistema de baixa pressão de uma UHE é normalmente formado por alguns dos seguintes elementos: canal, desarenador, conduto de baixa pressão, câmara de carga e chaminé de equilíbrio. No circuito hidráulico, depois do sistema de baixa pressão (no caso da sua existência) vem o de alta pressão (conduto forçado), que leva a água até as turbinas. Uma vez definido que o arranjo do aproveitamento deve ter um sistema de baixa pressão, devem ser analisados e dimensionados cada um dos componentes das possíveis combinações: (i) "canal - câmara de carga" ou (ii) "conduto de baixa pressão - chaminé de equilíbrio". A câmara de carga (no caso da utilização de canal) ou a chaminé de equilíbrio (no caso de conduto de baixa pressão) são estruturas necessárias na ligação do sistema de baixa para o de alta pressão (conduto forçado). Tais estruturas protegem o circuito de transientes hidráulicos. Vejamos agora cada uma das estruturas apresentadas, com mais detalhes. a) Canais O sistema de baixa pressão pode ser, no seu todo, ou em parte, em canal, que deve ser dimensionado para a vazão de projeto, devendo suas paredes laterais estarem, no mínimo, com cota 0,20 m maior que a cota correspondente ao nível d'água máximo fixado para o canal (é a chamada "borda-livre"). A escolha da seção do canal de adução depende das condições topográficas e geológico-geotécnicas no trecho onde o canal será implantado. Poderão ser 20
adotados canais trapezoidais, usualmente em solo, ou retangulares, normalmente em rocha (pois há maior estabilidade das paredes). Também podemos ter canais com ou sem revestimento. Lembrando-se sempre de que a falta de revestimento promove maior atrito entre o fluxo d'água e as paredes e, consequentemente, maior perda de carga (e de energia a ser gerada pela UHE), ok? Para o dimensionamento do canal adutor adotamos a já tão comentada fórmula de Manning. Observação: o coeficiente de rugosidade de manning ("n") para canais naturais (em solo ou em rocha) é da ordem de 0,30, ao passo que para canais em concreto liso temos aproximadamente n= 0,15. Portanto, podemos ter reduções significativas de perdas de carga com o uso de revestimentos. b) Desarenador Deve ser previsto um "desarenador" em aproveitamentos alocados em rios com significativos transporte de sedimentos. A localização dessa estrutura é no canal de adução, a montante da estrutura de tomada d'água. Na aula 2 vimos que trata-se de uma câmara onde o escoamento possui baixa velocidade, de modo que os sedimentos em suspensão possam sedimentar (depositar no fundo), sendo posteriormente retirados por meio de um orifício lateral, com uma comporta de fundo. c) Câmara de Carga A câmara de carga, como já visto na aula 2, é a estrutura, posicionada entre o canal de adução e a tomada d'água propriamente dita. Sob o aspecto hidráulico, a câmara de carga deve ser dimensionada para atender a duas situações críticas: - Partida brusca: garantir que não entre ar no conduto forçado. Nesse caso, o volume de água armazenada na câmara deve ser compatível com a variação de vazão (desde zero até o valor máximo); - Parada brusca: garantir a sua própria estabilidade funcional e a do canal adutor. Uma alternativa é dimensionar um extravasor lateral no canal adutor, o mais próximo possível da câmara de carga. O extravasor visa absorver as oscilações do nível na câmara de carga decorrentes das variações de carga na geração, escoando o excesso. Pessoal, o dimensionamento da câmara de carga, para quedas elevadas (maiores que 25 m), deverá ser elaborado por engenheiros hidráulicos e mecânicos, em conjunto, levando em consideração, evidentemente, as características da turbina definidas pelo fabricante. 21
No projeto da câmara de carga deve-se evitar também, sempre que possível, as mudanças bruscas de direção nas transições entre "canal de adução - câmara de carga" e entre "câmara de carga - tomada d'água", visando-se manter o escoamento com a menor turbulência possível (bem laminar). As figuras seguintes ilustram, em planta e em corte (respectivamente), um exemplo de câmara de carga: (a) (b) Figura - Câmara de Carga típica de UHEs: planta (a) e corte (b) d) Conduto de Baixa Pressão A tubulação de adução de baixa pressão normalmente é adotada quando a construção de um canal em superfície livre não seja viável, normalmente por restrições topográficas (terreno muito acidentado). Deve ser dimensionado o conduto considerando a condição de custo mínimo. Estudos estatísticos indicam que a perda de carga não deve ultrapassar 1% da correspondente a queda bruta neste conduto, sob pena de interferir na geração de maneira indesejada. Além de dimensionar o diâmetro, deve ser estabelecida a espessura da tubulação, segundo os critérios de resistência do material à pressão no tubo. Recomenda-se adotar para a tubulação de baixa pressão a espessura mínima de parede dos condutos forçados, tendo em vista que qualquer defeito de laminação (da chapa de aço), ou efeitos de corrosão, afetam o valor da espessura. Além disso, a adoção da espessura mínima é recomendada por motivos construtivos, 22
de montagem e de transporte. A jusante da comporta da tomada d'água, temos a necessidade de instalação de um tubo (poço) de aeração, visando, com a entrada de ar, manter o equilíbrio das pressões externa e interna e evitar o colapso da tubulação. A adoção desse tubo de aeração é mais econômica que as outras soluções, como, por exemplo, o reforço da tubulação com anéis, o aumento da espessura de toda a tubulação, a instalação de ventosas etc. Caso seja adotada uma tubulação de aeração, ao invés de um poço, a mesma poderá ser embutida no concreto do paramento de jusante da tomada d'água. As tubulações de aço devem ser apoiadas sobre blocos, ou selas, em concreto (ver figura). Já as tubulações de concreto podem ser assentadas diretamente sobre o terreno, tendo uma camada de areia como base. Figura - Tubulações de aço apoiadas sobre blocos (ou selas) de concreto d) Chaminé de Equilíbrio É a estrutura que interliga o conduto de baixa pressão com o conduto forçado, conforme já visto na aula 2. Trata-se de uma espécie de "reservatório de eixo vertical". Sob o aspecto hidráulico, a chaminé de equilíbrio deve ser dimensionada para atender duas condições de operação da hidrelétrica: - Partida brusca: garantir que não entre ar no conduto forçado, armazenando água para fornecer ao conduto forçado o fluxo necessário ao "engolimento" das máquinas; - Parada brusca: garantir a sua própria estabilidade funcional e do conduto de baixa pressão, amortecendo as variações de pressão, que se propagam pelo conduto. 23
Quando necessário, a chaminé de equilíbrio deve ser instalada o mais próximo possível da casa de força, para reduzir o comprimento do conduto forçado e diminuir os efeitos do golpe de aríete. A cota piezométrica estática das chaminés de equilíbrio é a mesma da do reservatório. A figura seguinte representa o funcionamento de uma chaminé de equilíbrio. (b) Figura - Chaminés de Equilíbrio: corte típico (a) e esquema das oscilações de nível (b), considerando o brusco fechamento das turbinas (Zulcy de Souza e Schreiber) e) Túnel de Adução Trata-se de uma alternativa para os sistemas de adução quando a casa de força não é incorporada ao barramento. Os túneis podem ser utilizados tanto nos sistemas de baixa pressão (canal ou conduto de baixa pressão) como nos de alta pressão (conduto forçado). Devem ser considerados nas seguintes situações: 24
- Topografia desfavorável à adução em canal ou conduto de baixa pressão; - Rocha no trecho a ser atravessado pelo túnel se mostrar de boa qualidade, de baixa permeabilidade e sem suspeita de ocorrência de materiais erodíveis ou solúveis; - Quando houver suficiente cobertura de rocha ao longo da diretriz prevista para o túnel. Pessoal, o mais comum nestes casos é termos o túnel de baixa pressão, com pequena declividade e a chaminé de equilíbrio, seguido do túnel de alta pressão, ou conduto forçado a céu aberto, até a casa de força. Por interesses construtivos, a seção de escavação do túnel, a princípio, deve ser considerada como em arco-retângulo (retângulo na base e arco na parte de cima). No trecho onde se requer a sua "blindagem" (revestimento para resistência da presão) o diâmetro final interno será circular. O traçado do túnel deve representar, de preferência, a ligação mais curta entre a tomada d'água e a casa de força e deve atender ao critério de cobertura mínima de rocha (do contrário, devem ser feitos reforços com tirantes no teto do túnel). Na definição do traçado do túnel deverá ser levado em conta que o prazo de construção depende da produção diária, em cada frente de execução. Se o traçado for muito longo, talvez se mostre necessário prever frentes de ataque adicionais, utilizando-se túneis/ janelas intermediárias. Em perfil, o túnel deve ser traçado de modo que o ponto mais alto fique sempre, com segurança, abaixo da linha piezométrica no caso mais desfavorável, isto é, quando o nível d'água alcança o mínimo minimorum no reservatório e na chaminé de equilíbrio (se existir). O "ângulo de mergulho" do túnel (declividade) deverá ser adequado à necessidade de recobrimento de rocha, não se recomendando declividades inferiores a 1%, tendo em conta aspectos construtivos ligados à drenagem das águas de infiltração. De forma geral, a declividade máxima deve se limitar a 12%. Os trechos de grande declividade requerem métodos construtivos diferenciados. Considerando a qualidade do maciço, nos trechos em que o critério de cobertura mínima de rocha é atendido, a princípio não será previsto revestimento do túnel. O revestimento deve ser necessário, apenas, nos trechos onde a cobertura de 25
rocha é insuficiente e, em trechos localizados, por imposições geológico/construtivas. Para o dimensionamento hidráulico do túnel, a perda de carga a ser assumida para o projeto é uma questão econômica, devendo ser compreendida como uma quantidade renunciada de energia. A perda de carga no túnel de adução, de forma geral, varia entre 2% e 5% da queda bruta disponível para geração. A consideração posterior de análise de benefício/custo pode ser efetuada para verificação da hipótese do revestimento do túnel. A necessidade de revestimento/escoramento será condicionada por considerações econômicas e pela qualidade do maciço rochoso a ser atravessado, a qual deve ser avaliada, por geólogo com experiência. Na escavação do túnel sempre devem ser previstas "surpresas", em trechos do maciço de qualidade inferior à prevista, onde serão necessários aplicar métodos de escoramento, tratamentos e contenção específicas. Normalmente, o túnel de adução apresenta dois trechos distintos: - Um trecho, normalmente, mais longo, sem revestimento, enquanto o túnel percorre o maciço com cobertura suficiente; e - Um trecho, normalmente, curto, no desemboque, em conduto forçado, a céu aberto, ou em túnel revestido, quando a cobertura de rocha, for insuficiente. O método de execução convencional de um túnel é o de escavação "a fogo" (com o uso de explosivos). A possibilidade e a economicidade da execução utilizando-se outros métodos, como o TBM ("tunnel boring machine") e outras técnicas é uma questão a ser tratada por ocasião do projeto executivo, já em estreito contato com empresas construtoras. O equipamento utilizado no TBM é encomendado com diâmetro de escavação especificado e seu custo de aquisição é elevado. Por esse motivo, o custo unitário de escavação decorrente é bastante influenciado pelo volume e cronograma de escavação prevista pelo empreiteiro no seu programa global de obras. Em determinadas situações, pode ser de grande interesse a aquisição do equipamento pelo empreiteiro, analisado seu conjunto de obras, e em outros casos, propostas podem ser ofertadas para implantação do túnel com diâmetros alternativos, em função de equipamentos já adquiridos pelo empreiteiro. 2 - Sistemas de Alta Pressão 26
O sistema de alta pressão é composto pelos chamados "condutos forçados" e dos blocos de apoio (selas) e de ancoragem. a) Conduto Forçado Os condutos forçados de usinas hidrelétricas podem ser de (i) chapas de aço soldadas, (ii) aço laminado sem costura, (iii) ferro fundido, e (iv) cimentoamianto (menos usual). Os condutos podem ser a céu aberto ou enterrados, neste último caso apresentam maiores dificuldades de manutenção. O dimensionamento do diâmetro e do número de condutos deve levar em conta primordialmente o custo-benefício máximo. O chamado "diâmetro econômico" é o diâmetro limite para o qual um aumento de sua dimensão, que significaria redução das perdas hidráulicas (maior energia gerada), promove aumento do benefício energético sem que isso compense o acréscimo de custo associado. Trata-se de um processo iterativo e, na prática da engenharia de obras hídricas, existem fórmulas específicas para o dimensionamento. A espessura da tubulação tem fórmulas para determinação semelhantes às para tubulação de baixa pressão (dependem da pressão interna no tubo). d) Blocos de Apoio (Selas) e de Ancoragem Dois tipos de blocos de concreto são usados para suportar o conduto forçado: (i) Bloco de apoio (ou sela), onde o conduto se apóia simplesmente, sendo permitido o seu deslizamento sobre o mesmo. Vide a primeira figura a seguir; (ii) Bloco de ancoragem, o qual tem a função de absorver os esforços que se desenvolvem no conduto, em trechos retos longos e em pontos de mudança de direção. Vide detalhe típico na segunda figura a seguir. Alternativamente, podem ser usados "anéis estruturais de aço", convenientemente fixados a uma base de concreto. 27
(a) (b) Figura - Esquemas típicos de blocos de apoio (a) e de ancoragem (b) O concreto dos blocos (de apoio e de ancoragem) deverá ser fabricado atendendo as mesmas especificações do concreto para barragens de concreto. Após a escavação do terreno, deverá ser lançada uma camada de brita de 15 cm de espessura, a qual deverá ser compactada antes do lançamento do concreto. No caso dos blocos de apoio, deverá ser instalado aparelho para apoio do conduto na sua parte superior, de acordo com as especificações. Para os blocos de ancoragem, deverá ser obrigatoriamente instalada uma junta de dilatação no conduto forçado a jusante dos blocos. Além disto, registra-se que, onde possível, a escavação da fundação do bloco deverá ser escalonada (em dentes/degraus), visando aumentar sua resistência ao deslizamento. 3 - Casa de Força Essas estruturas são dimensionadas fundamentalmente de acordo com as características das turbinas e dos geradores, e também do tipo de arranjo adotado. Na sequência veremos com mais detalhes os elementos principais das casas de força. a) Casa de Força e Área de Montagem Conceitualmente falando, é a edificação onde são alocadas as "máquinas" de geração (turbinas e geradores). Por este motivo alguns autores denominam tal construção de "Casa de Máquinas". Essa edificação pode ser integrante da estrutura da barragem ou isolada desta. Neste último caso, podem ser também 28
subterrâneas. O projeto desta edificação deverá envolver a parte estrutural e arquitetônica. É indispensável que sejam listados e completamente detalhados (desenhos, especificações técnicas) todos os equipamentos que serão depositados e instalados na casa de força (inclusive aqueles de "içamento" das máquinas para deslocamentos em caso de manutenções ou trocas), assim como todas as cotas (elevações, em metros). No tocante aos equipamentos de içamento, normalmente temos pontes ou pórticos rolantes (incluindo cabos e guinchos). No projeto, além dos cuidados estruturais, devem ser otimizados aspectos de operação e manutenção dos equipamentos, além das instalações de conforto a serem utilizadas pelos funcionários (salas de comando e controle da UHE). Além disso, em cada caso, deverá ser analisada a necessidade de área específica para montagem dos equipamentos, cujas dimensões básicas deverão ser fornecidas pelo fornecedor dos equipamentos principais. Em uma planta de casa de força, tal espaço é tecnicamente denominado de "área de montagem". No caso de máquinas de pequeno porte, elas poderão ser fornecidas pré-montadas. Em qualquer caso, para os trabalhos de montagem e desmontagem em manutenções programadas, a movimentação dos equipamentos deve ser rápida, pois o tempo de máquina parada representa perdas de receita significativa (energia que deixa de ser vendida). Por este motivo são utilizadas as estruturas de içamento e translação automatizadas (pontes/pórticos rolantes). A definição das principais dimensões da casa de força (em planta) depende da quantidade e dimensões básicas da turbina e do gerador. Na figura a seguir podemos ver uma planta típica do piso de uma UHE, mostrando: condutos forçados, unidades geradoras (UGs, à esquerda), áreas de montagem (à direita) e barramentos blindados (para a condução da energia elétrica gerada). 29
Figura - Planta da casa de força da UHE Itauba (Schreiber, 1977) As principais elevações da casa de força são definidas em função (i) da submergência da turbina (quando a Tomada d'água é acoplada à casa de Força) e (ii) dos níveis d'água notáveis de jusante. Portanto, a qualidade da curva-chave do canal de fuga é de extrema importância para a fixação dessas elevações, como, por exemplo, a cota do piso dos transformadores. Esse piso, evidentemente, deve estar a salvo de inundação (cheias de grandes intensidades). Com base na potência, quantidade, tipo e dimensões das máquinas, deverão ser dimensionadas as dependências da casa de força destinadas aos equipamentos elétricos e mecânicos auxiliares. Notar na figura a seguir: o pátio dos transformadores, os níveis d'água de jusante (incluindo o "N.A. Excepcional"), o equipamento de içamento das turbinas e geradores (ponte rolante com trilhos), dentre outros detalhes técnicos da casa de força. 30
Figura - Elevações (cotas dos pisos) da casa de força da UHE Itauba (Schreiber, 1977) b) Sistema de Descarga Tais sistemas compreendem a "descarga" (águas que já cumpriram sua função) das turbinas, dos extravasores, das válvulas e das comportas. Podemos segregar o tema em dois grandes grupos: - Descarga das turbinas: No caso das turbinas "de ação" (veremos a definição com mais detalhes no próximo tópico), a descarga deve ocorrer sempre livre, ou seja, o poço e o canal não podem ser afogados. Já para as turbinas "de reação", ocorre justamente o contrário: as descargas ocorrem nos "tubos de sucção", que deveram estar sempre afogados. No dimensionamento deve-se prever que a velocidade de saída do fluxo no chamado "canal de fuga" seja sempre um pouco 31
maior do que a do rio no local, de forma a evitar o refluxo. - Descarga de Extravasores, Válvulas e Comportas: De forma geral, o problema consiste em reduzir a energia cinética da água a valores que evitem a erosão em toda a região de descarga. Para isto, usam-se os dissipadores de energia. Quando a energia cinética é pequena e a calha do rio é composta de material resistente, esta redução pode ocorrer naturalmente. Caso contrário, é necessário construir um dissipador de energia. c) Sistemas Auxiliares Conforme já deve ter sido percebido, o projeto de uma casa de força não é trivial, já que se trata de uma unidade industrial (produção de energia) cujo funcionamento (operação) é de grande complexidade. Portanto, são necessários diversos sistemas auxiliares para prover as condições adequadas de funcionamento desta edificação, além daqueles já falados, como os meios de transporte para montagem e desmontagens das turbinas e geradores (ponte rolante). Vejamos agora, de forma bastante sintética, os principais deles: - Equipamentos auxiliares das turbinas e geradores: Basicamente, são compostos por equipamentos e instalações (tanques de óleo sob pressão) para (i) fornecimento de energia às turbinas, como os reguladores (óleo sob pressão) e os atuadores (regulam o fluxo de óleo aos servomotores das turbinas); (ii) refrigeração do óleo dos mancais de escora e da guia (trocadores de calor); (iii) excitação estática (para os pólos do rotor do gerador); (iv) proteção contra incêndio (bateria de garrafões de CO2), dentre outras funções. - Sistema de abastecimento de água: É o sistema que irá levar água para refrigeração do gerador, dos mancais, eventualmente dos transformadores, instalações contra incêndio (desde que não em equipamentos elétricos), água portável etc. 32
Figura - Diagrama esquemático de um sistema de abastecimento de água de uma UHE (Schreiber, 1977) - Rede de drenagem e esgoto: No caso de águas que passam por misturas com óleo, deve-se passar por um sistema separador antes de lançar as águas servidas de volta ao rio (questões ambientais). Para a drenagem e a coleta de esgotos em níveis de piso abaixo do nível de jusante do rio, utilizam-se poços de coleta e bombeamento. - Rede de distribuição de ar comprimido: Para, dentre outras funções dentro da UHE, manter a pressão do óleo dos reguladores. A rede se inicia por uma central de ar comprimido (conjunto de compressores). - Instalações para purificação de óleo: Possuem como objetivo a purificação dos óleos de determinados equipamentos, tais como mancais, reguladores e transformadores. São compostos por tambores para pequenas quantidades de óleo (mancais e reguladores), ou tubulações de óleo sujo e óleo limpo, no caso de transformadores (quantidades maiores, da ordem de vários m 3 ). - Ventilação e ar condicionado: A boa ventilação (natural ou forçada) se faz necessárias em certos ambientes, tais como próximos aos geradores (temperaturas entre 60 e 80 C). O ar condicionado é previsto para a sala de comando, escritórios e eventualmente oficina elétrica. 33
- Cablagem: Trata do correto acondicionamento (em prateleiras especiais) de diversos cabos que existem dentro da casa de força, tais como os de: controle, medição, proteção contra surto, indicadores etc. - Serviços auxiliares: São os motores elétricos (normalmente movidos à diesel) que eventualmente acionam as bombas de circulação de fluidos (óleo ou água) no caso de paralisações de emergência (falhas) em alguns dos sistemas principais de fornecimento de energia da usina. Voltando à questão, realmente as UHEs convertem energia mecânica (do giro das pás das turbinas) em energia elétrica. Sobre a alternativa "B", temos o erro no temo "cinética", pois a altura da barragem eleva a energia potencial gravitacional, e não a cinética (energia do movimento). Resposta: A 12. (CGU/2008) - As turbinas são máquinas que recebem energia hidráulica, proveniente normalmente de quedas d'água, e transformamna em energia mecânica. Com relação aos tipos de turbinas, pode-se afirmar que: a) nas turbinas de reação, o jato incide livremente nas pás por meio de um distribuidor em forma de bocal, sob a ação única da energia cinética, enquadrando-se neste tipo as turbinas Kaplan. b) nas turbinas de ação, o escoamento junto ao rotor é realizado sob pressão, sendo parte da energia do líquido transformada em energia cinética ainda no distribuidor, como nas turbinas Francis e Pelton. c) nas turbinas tipo Pelton, a incidência do jato de água no rotor é tangencial. d) nas turbinas Kaplan, a água entra no rotor segundo o raio e sai na direção do eixo. e) nas turbinas Francis, a água que circula sobre o rotor tem, aproximadamente, a direção do eixo. Para responder a esta questão, façamos uma revisão teórica sobre turbinas e geradores. Os grupo geradores respondem diretamente pelas transformações e qualidade da 34
energia de uma usina, bem como pela estabilidade operacional dos sistemas que conduzem e suportam as massas energéticas. Os grupos geradores podem ter eixo horizontal ou vertical, ter acoplamento direto ou com amplificação de rotação (entre eixo do rotor da turbina e o gerador). Os principais componentes são as turbinas e os geradores. (a) (b) Figura - Formas de acoplamento de um grupo gerador de eixo horizontal: direto (a) e com amplificador (b) (Zulcy de Souza, 1992) 1 - Tipos de TURBINAS e aplicações A queda líquida (m) e a vazão de projeto por turbina (m 3 /s) são os parâmetros utilizados para a escolha preliminar do tipo de turbina. Na escolha, deve-se analisar, além dos parâmetros técnicos e preço, a disponibilidade para fornecimento de peças sobressalentes, por parte do fabricante. As turbinas podem ser de dois tipos: (1) De ação: o escoamento através do rotor ocorre sem variação de pressão (turbinas tipo Pelton); (2) De reação: o escoamento através do rotor ocorre com variação de pressão (turbinas tipo Francis, Kaplan e Bulbo). As turbinas de reação, ao contrário das de ação, devem trabalhar afogadas. A seguir encontra-se um gráfico de muita utilidade para o processo de escolha do tipo e da potência máxima das unidades de turbinas, em função (i) da queda líquida (já descontadas as perdas hidráulicas) e (ii) da potência nominal das unidades. 35
Figura - Gráfico para seleção do tipo e da potência máxima das unidades (Manual de Inventário - MME, 2007) A próxima figura ilustra o rotor dos três tipos de turbina mais usados. A foto da esquerda representa a turbina tipo Kaplan, a do centro é a Francis e a da direita a Pelton, que serão descritas em seguida. 36
1.1 - Turbina Pelton Trata-se de uma turbina de ação. Pode ter eixo vertical ou horizontal. A Pelton se caracteriza por um rotor com pás ou conchas na periferia e por uma tubulação de adução alimentando um ou mais injetores. Tem por característica a transformação da (1 a ) "energia potencial de queda" em (2 a ) "energia cinética no jato injetor", para, em seguida, ser convertida em (3a) "energia mecânica no rotor da turbina". A incidência do jato d'água nas pás da turbina é tangencial. A figura seguinte ilustra uma Turbina Pelton de eixo horizontal, com um único injetor (vista lateral), e outras Turbina Pelton, de eixo vertical, e seis injetores (em planta). (a) (b) Figura - Turbinas Pelton: eixo horizontal com 1 injetor (a) e eixo vertical com 6 injetores (b) (Diretrizes PCH - Eletrobrás e Schreiber) A elevação do ponto mais baixo do rotor deve ser aproximadamente 1 (um) 37
metro acima do nível de água máximo de jusante, de modo que suas conchas fiquem distantes do espelho d'água, evitando o efeito indesejável de frenagem. Opera em quedas altas (quedas de 100 a 500m, podendo alcançar até quedas da ordem de 1.900) e baixa vazão. Podem alcançar potências por unidade maiores que 100 MW. 1.2 - Turbina Francis Trata-se de uma turbina de reação. Pode ter eixo vertical ou horizontal. No caso da do eixo horizontal, é necessário uma caixa espiral (carcaça) na entrada da turbina e tubo de sucção na saída. A água entra em direção transversal ao eixo do rotor, e sai na mesma direção do eixo. Opera em situações intermediárias de queda e vazão, com boa aceitabilidade em várias situações. Pode ser adotada para quedas entre 8 e 600m. É a que apresenta maiores potências por unidade, da ordem de 850MW. A figura seguinte ilustra a caixa espiral (externamente, tubulação em aço, e internamente, mostrando o rotor em planta - vista superior) de uma turbina Francis. (a) (b) Figura - Turbina Francis, em planta: caixa espiral de aço (a) e espiral de concreto (b) (Schreiber, 1977) 1.3 - Turbina Kaplan ou Bulbo 38
As turbinas Kaplan foram antecedidas por turbinas denominadas "hélice". Tais turbinas possuem como característica principal a geometria do rotor composta por um cubo com pás em forma de asa de sustentação (o número de pás varia de 2 a 8). Quando as pás eram fixadas rigidamente ao cubo, essas turbinas denominavam-se "rotor-hélice". Com o passar do tempo forma desenvolvidas pás que se movimentam em relação ao cubo, acarretando em nova classe de turbinas denominadas Kaplan. Normalmente as turbinas Kaplan são de eixo vertical, mas também existem algumas versões de eixo horizontal ou até inclinado, como nas turbinas "Kaplan- S" ou "tubular-s" como também é conhecida (o nome provém do formato do tubo adutor, que lembra a letra "S"). Na figura a seguir, a turbina Kaplan posicionada na casa de força e o detalhe esquemático das pás variáveis. (a) (b) Figura - Turbina Kaplan, eixo vertical: corte e planta típicos (a) e detalhe das hélices (b) (Zulcy de Souza e Schreiber) 39