Aula 09 Aproveitamento Hidrelétrico

Prévia do material em texto

Aula 09
Obras Hídricas p/ TCE-PE (Auditor de Obras Públicas)
Professor: Marcus Campiteli
Obras Hídricas ʹ TCE-PE/2017 
Teoria e Questões 
Prof. Marcus Campiteli ʹ Aula 9 
 
 
Prof. Marcus V. Campiteli www.estrategiaconcursos.com.br Página 1 de 14 
 
 
AULA 9: APROVEITAMENTO HIDRELÉTRICO 
 
SUMÁRIO PÁGINA 
CONSIDERAÇÕES PRELIMINARES 1 
1. INTRODUÇÃO 2 
2. ARRANJO DAS ESTRUTURAS 7 
3. CIRCUITO HIDRÁULICO DE GERAÇÃO 9 
4. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 14 
 
Olá pessoal, apresentamos para vocês o assunto 
Aproveitamento Hidrelétrico. 
Na aula anterior, vimos boa parte das estruturas integrantes de 
um aproveitamento hidrelétrico, no caso das barragens, cabendo dar 
continuidade a este assunto nesta aula. 
Não encontrei questões anteriores sobre esse assunto. Mas na 
aula anterior foram apresentadas questões que podem ser 
consideradas correlatas ao aproveitamento hidrelétrico. 
Vale a pena focar as partes negritadas. 
Bons estudos ! 
Obras Hídricas ʹ TCE-PE/2017 
Teoria e Questões 
Prof. Marcus Campiteli ʹ Aula 9 
 
 
Prof. Marcus V. Campiteli www.estrategiaconcursos.com.br Página 2 de 14 
 
 
APROVEITAMENTO HIDRELÉTRICO 
 
1 ± Introdução 
Denomina-se aproveitamento hidrelétrico a um 
empreendimento construído no leito de um rio com fins de geração 
de energia elétrica pela transformação de energia potencial hidráulica 
a partir da movimentação de turbinas. 
O potencial hidráulico é proporcionado pela vazão hidráulica e 
pela concentração dos desníveis existentes ao longo do curso de um 
rio. Isto pode se dar: 
- de forma natural, quando o desnível está concentrado numa 
cachoeira; 
- através de uma barragem, quando pequenos desníveis são 
concentrados na altura da barragem; 
- através de desvio do rio de seu leito natural, concentrando-se 
os pequenos desníveis nesse desvio. 
Basicamente, uma usina hidrelétrica compõe-se das seguintes 
partes: barragem; sistemas de captação e adução de água; casa de 
força; sistema de restituição de água ao leito natural do rio. 
Cada parte se constitui em um conjunto de obras e instalações 
projetadas harmoniosamente para operar, com eficiência, em 
conjunto. 
 
Obras Hídricas ʹ TCE-PE/2017 
Teoria e Questões 
Prof. Marcus Campiteli ʹ Aula 9 
 
 
Prof. Marcus V. Campiteli www.estrategiaconcursos.com.br Página 3 de 14 
 
 
 
A água captada no lago formado pela barragem é conduzida até 
a casa de força através de canais, túneis e/ou condutos metálicos. 
Após passar pela turbina hidráulica, na casa de força, a água é 
restituída ao leito natural do rio, através do canal de fuga. 
Dessa forma, a potência hidráulica é transformada em potência 
mecânica quando a água passa pela turbina, fazendo com que esta 
gire, e, no gerador - que também gira acoplado mecanicamente à 
turbina - a potência mecânica é transformada em potência elétrica. 
A energia assim gerada é levada através de cabos ou barras 
condutoras dos terminais do gerador até o transformador elevador, 
onde tem sua tensão (voltagem) elevada para adequada condução, 
através de linhas de transmissão, até os centros de consumo. 
Obras Hídricas ʹ TCE-PE/2017 
Teoria e Questões 
Prof. Marcus Campiteli ʹ Aula 9 
 
 
Prof. Marcus V. Campiteli www.estrategiaconcursos.com.br Página 4 de 14 
 
 
Daí, através de transformadores abaixadores, a energia tem 
sua tensão levada a níveis adequados para utilização pelos 
consumidores. 
O Sistema Elétrico Brasileiro é um sistema com forte 
predominância de geração hidrelétrica. 
A capacidade instalada no Sistema Interligado Nacional ± SIN é 
de 82,1 GW, sendo que a parcela hidrelétrica, de 69,8 GW, ou seja, 
representa 85% do total. O Brasil tem um dos maiores potenciais 
hidrelétricos do mundo, estimado em cerca de 260 GW. 
Existem 3 (três) tipos de usinas hidrelétricas, que são 
classificadas de acordo com a sua capacidade de geração de energia: 
- Microusina Hidrelétrica: pequenas usinas hidrelétricas que 
geram menos de 1 megawatt (MW); 
- PCH - Pequena Central Hidrelétrica: geram entre 1MW e 
30MW, com área do reservatório até 13 Km2; 
- UHE - Usina Hidrelétrica (também AHE - Aproveitamento 
Hidrelétrico): geram mais de 30MW e/ou reservatório com mais de 13 
Km2. 
De forma simplificada, a produção de energia hidráulica é 
proporcional ao produto entre vazão e altura de queda. A figura a 
seguir apresenta de forma esquemática a equação de produção de 
uma usina: 
Obras Hídricas ʹ TCE-PE/2017 
Teoria e Questões 
Prof. Marcus Campiteli ʹ Aula 9 
 
 
Prof. Marcus V. Campiteli www.estrategiaconcursos.com.br Página 5 de 14 
 
 
 
Fonte: CARDINOT et al. (2007) 
Onde: 
 - Q = vazão (m3/s) 
 - HI = queda líquida (m) 
 - P = potência instalada (kW) 
 k = 10-3�J�dž�Ǐ 
Sendo: 
 - g = aceleração da gravidade (9,81 m/s2) 
 - dž� rendimento do conjunto turbina/gerador (pu) 
 - Ǐ� �SHVR�HVSHFtILFR�GD�iJXD����3 kg/m3) 
As etapas de estudos e projetos para implantação de um 
aproveitamento hidrelétrico compreendem: a estimativa do potencial 
hidrelétrico, os estudo de inventário hidrelétrico, os estudos de 
viabilidade, o projeto básico e o projeto executivo. 
a) Estimativa do Potencial Hidrelétrico 
Obras Hídricas ʹ TCE-PE/2017 
Teoria e Questões 
Prof. Marcus Campiteli ʹ Aula 9 
 
 
Prof. Marcus V. Campiteli www.estrategiaconcursos.com.br Página 6 de 14 
 
 
 É a etapa dos estudos em que se procede à análise preliminar 
das características da bacia hidrográfica, especialmente quanto aos 
aspectos topográficos, hidrológicos, geológicos e ambientais, no 
sentido de verificar a vocação da bacia para geração de energia 
elétrica. 
 Essa análise, exclusivamente pautada nos dados disponíveis, 
permite efetuar uma primeira avaliação do potencial, definir 
prioridades, prazos e os custos dos estudos da etapa seguinte. 
b) Estudos de Inventário Hidrelétrico 
 É a etapa em que se determina o potencial hidrelétrico da 
bacia hidrográfica e se estabelece a melhor divisão de queda, 
mediante a identificação dos aproveitamentos que, no seu 
conjunto, propiciem o máximo de energia, ao menor custo e com 
o mínimo impacto ao meio ambiente. 
 Essa análise é efetuada com base em dados secundários, 
complementados com essenciais informações de campo, e pautada 
em estudos básicos hidrometeorológicos, energéticos, geológicos, 
ambientais e outros usos de água. Dessa análise resultará um 
conjunto de aproveitamentos, suas principais características, 
estimativas de custo, índices custo-benefício e índices ambientais. 
c) Estudos de Viabilidade 
 É a etapa em que se define a concepção global de um dado 
aproveitamento, da divisão de queda selecionada na etapa anterior, 
visando sua otimização técnico-econômica e ambiental e a obtenção 
de seus benefícios e custos associados. 
 Essa concepção compreende o dimensionamento do 
aproveitamento, as obras de infraestrutura local e regional 
Obras Hídricas ʹ TCE-PE/2017 
Teoria e Questões 
Prof. Marcus Campiteli ʹ Aula 9 
 
 
Prof. Marcus V. Campiteli www.estrategiaconcursos.com.br Página 7 de 14 
 
 
necessárias à sua implantação, o reservatório, a área de influência, 
os outros usos da água e as ações socioambientais correspondentes. 
d) Projeto Básico 
 É a etapa em que o aproveitamento concebido nos Estudos de 
Viabilidade, é detalhado de modo a definir, com maior precisão, ascaracterísticas técnicas do projeto, as especificações técnicas das 
obras civis e equipamentos eletromecânicos, bem como programas 
socioambientais . 
e) Projeto Executivo 
 É a etapa em que se processa a elaboração dos desenhos de 
detalhamento das obras civis e dos equipamentos eletromecânicos, 
necessários à execução da obra e à montagem dos equipamentos. 
Nesta etapa são tomadas todas as medidas pertinentes à implantação 
do reservatório. 
2 ± ARRANJO DAS ESTRUTURAS 
O arranjo das estruturas, em qualquer aproveitamento 
hidrelétrico, é condicionado, basicamente, pelos aspectos 
topográficos, geológicos e geotécnicos do sítio. Além desses, destaca-
se que as características ambientais do local são também importantes 
na definição do arranjo geral do aproveitamento. 
Em função desses aspectos, tem-se, basicamente, dois tipos de 
arranjo: com queda natural e sem queda natural, os quais são 
descritos a seguir. 
2.1 - Locais com Queda Natural Localizada 
Nesses locais, o arranjo, quase sempre, contempla um 
barramento, a montante da queda, contendo vertedouro e tomada 
Obras Hídricas ʹ TCE-PE/2017 
Teoria e Questões 
Prof. Marcus Campiteli ʹ Aula 9 
 
 
Prof. Marcus V. Campiteli www.estrategiaconcursos.com.br Página 8 de 14 
 
 
G¶iJXD�� $� FDVD� GH� IRUoD� ILFD�� QRUPDOPHQWH�� SRVLFLRQDGD� ORQJH� GR�
barramento. 
O circuito hidráulico de adução, em uma das ombreiras, é 
composto por dois trechos, sendo um de baixa pressão e outro de 
alta pressão. 
O trecho de baixa pressão, em função dos aspectos 
topográficos e geológico-geotécnicos locais, é constituído por canal ou 
conduto. 
O trecho de alta pressão é constituído por condutos forçados. 
Entre esses dois trechos prevê-se, em função do desnível, do 
tipo e comprimento da adução, uma câmara de carga e/ou chaminé 
de equilíbrio. 
Na jusante dos condutos forçados posicionam-se a casa de 
força e o canal de fuga. 
2.2 ± Locais sem Queda Natural Localizada 
Nesses locais, onde o desnível é criado pela própria barragem, 
tem-se, normalmente, um arranjo compacto com as estruturas 
alinhadas e com a casa de força localizada no pé da barragem. 
$�DGXomR�p� IHLWD�DWUDYpV�GH�XPD�HVWUXWXUD�GH� WRPDGD�G¶iJXD��
convencional, incorporada ao barramento e à casa de força. 
O tipo de barragem, de terra, enrocamento ou de concreto, 
varia em função dos aspectos topográficos, geológicos e geotécnicos. 
3RU� H[HPSOR�� QRV� YDOHV�PXLWR� HQFDL[DGRV�� HP� ³9´�� GHYHP�VHU�
utilizadas barragens de concreto. Em planícies amplas, com relevo 
suavemente ondulado, são utilizadas barragens de terra, mistas ou 
Obras Hídricas ʹ TCE-PE/2017 
Teoria e Questões 
Prof. Marcus Campiteli ʹ Aula 9 
 
 
Prof. Marcus V. Campiteli www.estrategiaconcursos.com.br Página 9 de 14 
 
 
de enrocamento, em função da disponibilidade de materiais de 
construção e das condições de fundação em cada local. 
Nos locais onde o capeamento de solo é espesso, as barragens 
são de terra, normalmente com seção homogênea. Se o capeamento 
é pouco espesso, pode-se utilizar uma barragem com seção mista ou 
de enrocamento, em função do balanceamento de materiais - 
disponibilidade de rocha, seja das escavações obrigatórias ou de 
pedreiras. 
3 - Circuito Hidráulico de Geração 
 
Obras Hídricas ʹ TCE-PE/2017 
Teoria e Questões 
Prof. Marcus Campiteli ʹ Aula 9 
 
 
Prof. Marcus V. Campiteli www.estrategiaconcursos.com.br Página 10 de 14 
 
 
 
Fonte: < www.laifi.com> 
3.1 - Canal de Adução 
O canal será dimensionado para o engolimento máximo das 
máquinas, considerando o reservatório em seu nível mínimo 
operacional. A velocidade máxima será da ordem de 2,5 m/s para 
canais escavados em rocha ou revestidos em concreto, e de 1,0 m/s 
para canais escavados em solo. 
3.2 - Tomada d'Água 
A tomada de água será projetada de forma a estabelecer uma 
aceleração progressiva e gradual do escoamento do reservatório à 
adução, evitando-se os fenômenos de separação do escoamento e 
minimizando-se as perdas de carga. Para tomadas com carga menor 
que 30 m.c.a., a velocidade adotada na seção bruta das grades será 
de 1,0 a 1,5 m/s. Para tomadas com carga maior que 30 m.c.a., a 
Obras Hídricas ʹ TCE-PE/2017 
Teoria e Questões 
Prof. Marcus Campiteli ʹ Aula 9 
 
 
Prof. Marcus V. Campiteli www.estrategiaconcursos.com.br Página 11 de 14 
 
 
velocidade adotada será de 1,5 a 2,5 m/s. Na seção das comportas, a 
velocidade máxima não deverá ultrapassar a 6 m/s. 
A aresta superior do portal de entrada da tomada de água 
deverá se situar pelo menos 2,0 m abaixo do nível de água mínimo 
normal do reservatório. 
O duto de ventilação será dimensionado para uma vazão de ar 
igual ao engolimento máximo da turbina, admitindo-se uma 
velocidade máxima de 60 m/s. Para comportas tipo vagão com 
vedação a montante, o espaço livre do nicho da comporta poderá 
substituir o duto de ventilação. Será verificada a sobrelevação do 
nível de água provocada pela rejeição de carga no duto de ventilação 
e nos nichos das comportas, que não deverá oferecer riscos à 
operação. 
A perda de carga na tomada de água inclui a perda de carga 
nas grades, contínua ao longo da entrada até a seção da comporta e 
nas ranhuras da comporta, sendo calculada por: 
h = (Ke + Kg + Kr).(v2/2.g) 
Onde: 
- ht = perda de carga na tomada de água, em m; 
- v = velocidade onde será determinada a perda de carga, em 
m/s; 
- g = aceleração da gravidade, em m/s2; 
- Ke = coeficiente de perda de carga na entrada, entre o portal 
de entrada e a seção das comportas; 
- Kg = coeficiente de perda de carga nas grades; 
Obras Hídricas ʹ TCE-PE/2017 
Teoria e Questões 
Prof. Marcus Campiteli ʹ Aula 9 
 
 
Prof. Marcus V. Campiteli www.estrategiaconcursos.com.br Página 12 de 14 
 
 
- Kr = coeficiente de perda de carga nas ranhuras das 
comportas. 
3.3 - Conduto Adutor 
O túnel adutor será dimensionado para o engolimento máximo 
das máquinas. A velocidade máxima do escoamento será da ordem 
de 2,5 m/s para túneis não revestidos, de 3,0 m/s para túneis 
revestidos com concreto projetado e de 4,5 m/s para túneis 
revestidos com concreto estrutural. 
A perda de carga total ao longo do conduto adutor, desde a 
tomada de água até o início dos condutos forçados ou até a chaminé 
de equilíbrio, inclui as perdas localizadas e as perdas contínuas. 
3.4 - Conduto Forçado 
Limitam-se as velocidades máximas a 7 m/s em condutos 
revestidos de concreto e 8 m/s em condutos de aço. 
As perdas de carga contínuas, devido às forças de inércia ao 
longo dos condutos forçados, serão calculadas através da fórmula de 
Darcy-Weisbach: 
hf = f.(L/D).(v2/2.g) 
Onde: 
- hf = perda de carga contínua, em m; 
- f = coeficiente universal de perda de carga; 
- L = comprimento do conduto forçado, em m; 
- D = diâmetro do conduto forçado, em m; 
- v = velocidade média do escoamento no conduto, em m/s. 
Obras Hídricas ʹ TCE-PE/2017 
Teoria e Questões 
Prof. Marcus Campiteli ʹ Aula 9 
 
 
Prof. Marcus V. Campiteli www.estrategiaconcursos.com.br Página 13 de 14 
 
 
3.5 - Canal de Fuga 
Em geral, admite-se uma velocidade máxima em torno de 2 
m/s. A influência das oscilações do nível de água decorrentes do 
escoamento do vertedouro deverá ser observada em modelo 
reduzido. 
3.6 - Chaminé de Equilíbrio 
A utilização de chaminés de equilíbrio está ligada ao problema 
da redução do golpe de aríetenos condutos forçados e às exigências 
da regulação de frequência dos grupos. Os dois problemas são tanto 
mais agudos quanto maior o comprimento dos condutos forçados com 
relação à queda da usina. 
 
BIBLIOGRAFIA 
- BAPTISTA, Márcio Benedito & COELHO, Márcia Maria Lara Pinto. 
Fundamento da Engenharia Hidráulica. 3a Ed. Belo Horizonte. 
Editora UFMG: 2010. 
- CARDINOT, Flávio Corga; SAMPAIO, Lilian L.; REZENDE, Paulo 
Fernando V. S.; DOMINGUES, Paulo Cesar M.. A Geração do 
Aproveitamento Hidrelétrico Belo Monte. Comitê Brasileiro de 
Barragens. XXVII Seminário Nacional de Grandes Barragens. Belém ± 
PA. 2007. 
- ELETROBRAS. Critério de Projeto Civil de Usinas Hidrelétricas. 
2003. 
- ELETROBRAS. Manuais. Sitio: < http://www.eletrobras.com/elb/ 
data/Pages/LUMISF99678B3PTBRIE.htm>, acessado em 05/06/2015. 
Obras Hídricas ʹ TCE-PE/2017 
Teoria e Questões 
Prof. Marcus Campiteli ʹ Aula 9 
 
 
Prof. Marcus V. Campiteli www.estrategiaconcursos.com.br Página 14 de 14 
 
 
- FURNAS. Como Funciona uma Usina Hidrelétrica. Sitio: < 
http://www.furnas.com.br/hotsites/sistemafurnas/usina_hidr_funcion
a.asp>, acessado em 05/06/2015.