MÓDULO 1 - DESCRIÇÃO DE UMA USINA HIDRELÉTRICA

1. SUMÁRIO

Reservatório;

Barragem;

Tomada D’Água;

Vertedor;

Casa das Máquinas;

Turbina;

Gerador;

Transformador;

Subestação;

Sala de Controle;

Serviço Auxiliar.

2. OBJETIVOS

Ao final do módulo o treinando deverá estar apto a:

- Apontar as finalidades do reservatório e suas características;- Enunciar as características da barragem;- Relacionar os componentes da tomada d’água;- Relatar as características do vertedor;- Nomear as galerias da casa das máquinas;- Enunciar as características das turbinas;- Relacionar os dados de placa do gerador;- Descrever as características dos transformadores;- Descrever a subestação da Usina;- Descrever a finalidade da sala de controle;- Definir a importância do serviço auxiliar.

3. CONTEÚDO

3.1. Reservatório

3.1.1. Introdução

No planejamento do aproveitamento hidroelétrico, é essencial que conheçamos a disponibilidade da água na natureza para que saibamos ser possível suprir as nossas necessidades energéticas.

Como medir esta quantidade de água e como prever se em uma determinada época poderemos contar com o “combustível”, água necessária?

Para responder a estas perguntas torna-se preciso acompanhar de perto a natureza.

3.1.2. Ciclo de Evolução da Água

A chuva é o resultado de condensação do vapor d’água. Uma parte da água proveniente da chuva evapora antes mesmo de chegar ao solo, contribuindo para nova formação de nuvens.

Ao atingir a terra grande quantidade de água é retida pelos vegetais que dela se utilizam para sua nutrição, e uma grande parte evapora, contribuindo também para nova formação de nuvens.

A parcela restante da água caída é que nos interessa particularmente. Esta parcela divide-se em duas outras. Uma que escoa sobre a superfície do solo e outra que se infiltra pelo solo.

Chegamos então aos elementos formadores de um potencial hidráulico, uma vez que os dois elementos citados acima agem de maneira a formar os rios e lagos.

Se nos for possível determinar a quantidade de água disponível, teremos condições, também de determinar as possibilidades de obtenção de energia hidroelétrica.

3.1.3. Perdas nos Aparelhos de Manobra

A vedação pelas comportas e outros elementos que impedem a vazão da água nunca é perfeita.

3.1.4. Volume a Acumular

O volume a acumular deve satisfazer a demanda, como também compensar as perdas que acabamos de enunciar no item anterior. As perdas por evaporação são, em geral, as maiores, seguindo-se por ordem da importância as perdas por infiltração na bacia através da barragem. As perdas nos aparelhos de manobra (válvulas, registros, turbinas) costumam ser da ordem de 2 a 5% do volume captado.

3.1.5. Exemplo de Características de um Reservatório

O reservatório formado pela represa de Furnas dá origem a um lago com uma superfície d’água cuja área é de 1.350 km2. A área de drenagem do Rio Grande, a montante da represa é de mais ou menos 50.000 km2, estendendo-se aproximadamente por 240 km acima do Rio Grande, a montante da represa é de mais ou menos 50.000 km2, estendendo-se aproximadamente por 240 km acima do Rio Grande e 170 km acima do Rio Sapucaí. Sua capacidade bruta excede de 21 bilhões de metros cúbicos, atingindo o nível máxima de 768,00 m. A armazenagem útil para uma depressão normal de 18 metros é aproximadamente de 17,217 bilhões de metros cúbicos.

Fig. 1

3.1.6. Bacia Hidrográfica

A figura 1 representa um rio e seus afluentes. A região sobre a qual cai a chuva, e que alimenta o referido conjunto, é denominada bacia hidrográfica.

Encaminhamos então a resposta à primeira pergunta: conhecemos a região que alimenta os rios e lagos, sabemos sua área e, se pudermos determinar a chuva caída por unidade de área, teremos a quantidade total de chuva caída na bacia.

A resposta da segunda pergunta baseia-se na própria natureza. Dada a impossibilidade de determinarmos a quantidade de chuva que irá cair num determinado período, lançamos mão do estudo estatístico e nos precavemos quanto a possíveis secas.

3.1.7. Medição das Chuvas

Os objetivos da medição das chuvas visam a duas fases distintas do aproveitamento hidráulico.

Fase de Projeto:

São construídos gráficos mensais e anuais, para, aplicando o estudo estatístico, verificarmos a possibilidade do fornecimento de uma certa quantidade de Energia Elétrica.

Fase da Operação

São construídos gráficos mensais e anuais, para, aplicando o estudo estatístico, verificarmos a possibilidade do fornecimento de uma certa quantidade e Energia Elétrica, assim como atender às necessidades de funcionamento e segurança da usina, armazenar ou deixar vazar a água do reservatório.

3.1.8. Perdas no Reservatório

Perdas da água irão surgir no reservatório e deverão ser levadas em consideração no cálculo de volume acumulado.

Perdas por Evaporação

A superfície do reservatório tem contato direto com os raios solares; isto acarretará a evaporação de grande massa d’água. É a mais volumosa das perdas.

Perdas por Infiltração

Dependendo do tipo de barragem, e da estrutura do terreno onde a mesma se localiza, teremos água se infiltrando.

3.1.9. Função dos Reservatórios

Os reservatórios formados pelas represas têm por finalidade garantir a operação das usinas. As usinas hidrelétricas podem ser classificadas, quanto à forma de captação de água, em:

- Centrais a fio de água;- Centrais com regularização, que pode ser diária, semanal, anual ou plurianual.

Um reservatório armazenador permite, devido ao seu grande porte, regularizar o fluxo a jusante do rio, podendo usar economicamente toda à água de afluência. A operação do reservatório deve ser feita de maneira tal que permita estar o mesmo em sua cota máxima em cada início de período de seca, por ser impossível prever-se a quantidade de chuvas na área de drenagem, a montante do rio. Desta maneira, mesmo com o advento de um ano crítico, a água acumulada garantirá a operação sem necessidades de cortes de suprimentos.

Em cada reservatório existem dois tipos de volumes: Bruto e Útil. O volume bruto é toda a água acumulada a montante da barragem. O volume útil é toda água acumulada que pode ser usada para operação.

3.2. Barragem

3.2.1. Introdução

Barragem é uma estrutura compacta instalada transversalmente ao fluxo d’água, com o objetivo de formar um reservatório ou de elevar o nível d’água, visando a atingir a cota necessária para o aproveitamento de energia. Normalmente são classificadas em barragem de concreto, de terra ou de enrocamento.

Barragem de concreto atende a grande durabilidade e pequena manutenção, porém, exige alta resistência do terreno onde serão colocadas as fundações;

Barragem de terra é construída de terra comum e a impermeabilização é feita pelo revestimento da face a montante ou de uma faixa central por argila.

Barragem de enrocamento é constituída de pedras soltas e terra, com maciço formado por fragmentos de rocha e argila.

3.2.2. Exemplo de características de uma barragem de Usina

A barragem possui 127 m de altura e 550m de extensão do tipo enrocamento. Seu volume total de pedra, areia, terra e argila é de 9.500.000 m3.

Fig. 2

1 – Argila – faixa vertical de materiais impermeáveis para impedir ou diminuir a um mínimo admissível a infiltração.

2 – Terra e areia – materiais de granulometria um pouco maior do que da argila formando pequena permeabilidade.

3 – Terra-Areia e Pedregulho – chamada zona de transição. São materiais de peso específico maior e que oferecem maior consistência.

4 – Terra e Pedra – tem por finalidade fornecer peso e estrutura e evitar erosões, principalmente do lado montante. É importante frisar que todas essas faixas recebem um adensamento apropriado para diminuir os espaços vazios por onde a água normalmente penetra.

Ao longo de toda a barragem, inclusive em vários pontos a jusante, tais como, área da usina e subestação, estão instalados vários furos piezométricos com a finalidade de fornecer informações da altura do lençol freático que por sua vez é uma conseqüência da maior ou menor infiltração pela barragem e adjacências.

3.3. Tomada D’Água

3.3.1. Conceituação

Normalmente, é construída de concreto e tem o objetivo de orientar a água a ser utilizada nas diversas turbinas de uma Usina. É instalada a certa profundidade, de maneira a poder utilizar o volume de água retido pela barragem, mesmo em épocas de estiagem.

3.3.2. Principais Componentes da Tomada D’Água

Existem vários equipamentos na tomada d’água com a finalidade de garantir a operação e prestar manutenções sempre que se fizer necessário. Dentre eles destacamos: guindaste de pórtico, gerador de emergência, sistema eletro-hidráulico de acionamento normal e de

emergência das comportas de serviço, comportas de manutenção, grades de proteção, registro de desvio e chaminé de equilíbrio.

3.3.3. Funções e Operações dos Diversos Componentes

Comportas de Manutenção

Os conjuntos comportas de manutenção propiciam condições para isolação da comporta de serviço quando se fizer necessário dar manutenção nesta última.

A operação é feita através do uso do guindaste pórtico da tomada d’água, que através de uma viga especial as colocam e retiram de seu poço de serviço. A seção superior possui um registro para possibilitar a equalização da pressão de água entre as comportas de manutenção e serviço na hora de sua retirada.

Grades de Proteção

Em cada entrada da tomada d’água das turbinas existe um conjunto de grades encaixadas e sobrepostas em guias, cuja finalidade é proteger as palhetas das turbinas contra a entrada de objetos estranhos, como toras de madeira, pedras, etc. Para a colocação e remoção dessas grades é utilizado o guindaste de pórtico da tomada d’água, fazendo uso de uma viga especial.

Fig. 3

Registro de Desvio

Quando a comporta de serviço está fechada e a tubulação forçada drenada, para abrir a referida comporta torna-se necessário fazer o equilíbrio da pressão de água de ambos os lados para iniciar o movimento de abertura. A equalização é feita através do registro de desvio, localizado na galeria de drenagem da tomada d’água, o qual admite água proveniente do reservatório para o conduto forçado.

Chaminé de Equilíbrio

Tem a finalidade de reduzir as sobre-pressões nos condutos forçados, proveniente dos golpes de aríete, atenuando as oscilações das ondas de pressão. É denominada Poço de Ventilação e Acesso ou simplesmente Chaminé de Equilíbrio.

3.4. Vertedor

3.4.1. Finalidade

Destina-se a deixar passar a descarga de cheia, de modo que o nível do reservatório não ultrapasse a cota máxima admissível. É ainda utilizado para regularizar a vazão a jusante do rio, controlando os reservatórios das usinas em cascata.

3.4.2. Principais componentes

Além das comportas, destacamos como principais componentes: guinchos de acionamento das comportas, cubículos de controle elétricos, comportas de manutenção e guindastes de pórtico móvel para manutenção.

Vista de uma seção transversal do Vertedor.

Fig. 4

3.5. Casa das Máquinas

Casa das máquinas (ou Casa de Força) é o edifício que abriga as turbinas, os geradores e seus equipamentos auxiliares. Possui várias galerias:

- Galeria de drenagem, onde se situam os registros de enchimento e esgotamento do tubo de sucção, as bombas de água de resfriamento, bem como a portinhola pra acesso ao tubo de sucção. - Galeria mecânica, onde estão localizados os poços das turbinas, juntamente com seus equipamentos auxiliares.

- Galeria dos cabos, onde estão localizadas as bandejas de passagem da fiação de controle dos geradores, turbinas e equipamentos

auxiliares da usina. Nesta mesma elevação encontram-se s poços dos geradores.

- Galeria dos equipamentos elétricos, onde estão situados os painéis de comandos, sistema de proteção das máquinas e sistema de controle elétrico dos serviços auxiliares.

- Piso dos geradores, onde se encontram o regulador de tensão principal, sistema de excitação dos geradores, as unidades de pressão do sistema do regulador de velocidade, área de serviço, sala dos compressores de ar comprimido,oficina mecânica, ferramentaria e as pontes rolantes.

3.6. Turbina

3.6.1.Função

As turbinas hidráulicas transformam a energia cinética da água em energia mecânica da rotação de um eixo acoplado a um gerador. São constituídas, essencialmente, de duas partes: o distribuidor e o rotor.

3.6.2. Exemplo de características de turbinas:

Tipo Francis, eixo vertical, potência nominal de 210.000 C.V., projetada para uma queda útil de 94 metros e rotação nominal de 150 r.p.m.

3.7. Gerador

3.7.1. Função

Sua função é converter a energia mecânica de rotação de um eixo em energia elétrica, pelo processo do eletromagnetismo.

3.7.2. Exemplo de características de geradores:

Gerador síncrono, de eixo vertical, trifásico, potência nominal de 160 MVA, 15 kV, fator de potência de 0,95, freqüência de 60 Hz e rotação de 150 rpm.3.8. Transformadores

3.8.1. Função

Em virtude de a transmissão de energia elétrica ser efetuada em alta tensão e a produção ser normalmente feita em baixa (em torno de 15 kV), faz-se necessária a utilização de transformadores elevadores, os quais fazem a conexão entre os geradores e o barramento da subestação.

3.8.2. Exemplo de características de transformadores

Bancos de transformadores, sendo cada banco constituído de três transformadores monofásicos instalados a montante da casa de máquinascom os seguintes dados de placa:

Relação de transformação – 15/345kVPotência nominal do banco – 160 MVASistema de refrigeração – circulação de ar e óleo forçada.

3.9. SUBESTAÇÃO

Entende-se por subestação o complexo de estruturas e equipamentos que se destinam a estabelecer conexão entre chegada e saída de energia elétrica, possibilitando a distribuição de carga de acordo com as solicitações das diversas linhas e as condições de controlar a entrada e saída dos equipamentos de operação.

3.9. Sala de Controle

3.10.1. Função

É o local onde estão concentrados os principais sistemas de comando, controles, proteção e supervisão de uma usina ou subestação. Da sala de controle, os operador comandam a operação das unidades geradoras, das linhas de transmissão e de vários equipamentos auxiliares.

Além de vários outros componentes, destaca-se o sistema de telecomunicações responsável pelo perfeito entrosamento entre equipes de operação, manutenção e despachos regionais e central.

3.11. Serviço Auxiliar

3.11.1. Conceituação

Entende-se por serviço auxiliar o conjunto de equipamentos e instrumentos utilizados na rede de abastecimento de energia elétrica para todos os componentes auxiliares da estação.

O serviço auxiliar é de suma importância na operação de uma estação, pois a falta do mesmo poderá impedir a continuidade de funcionamento de diversos equipamentos. As usinas devem possuir várias alternativas para a alimentação dos serviços auxiliares.