Aula Turbinas PCH`s

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TURBINAS HIDRÁULICAS E PEQUENAS CENTRAIS DE CAPTAÇÃO DE ENERGIA HIDRÁULICA
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O que são?
Turbinas são máquinas para converter energia hidráulica em energia elétrica. O custo total de uma usina hidrelétrica (reservatório, tubulações, turbinas, etc.) é mais alto do que o de uma central termelétrica mas ela tem muitas vantagens, algumas das quais são: 
Alta eficiência
Flexibilidade de operação 
Fácil manutenção 
Baixo desgaste
Suprimento de energia potencialmente inesgotável 
Nenhuma poluição 
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Classificação
Os principais tipos de turbina são aquelas de impulso e de reação. O tipo predominante de máquina de impulso é a roda Pelton (inventada por Lester Allen Pelton) que é apropriada para um range de alturas de 150-2000 m. As turbinas de reação são de dois tipos principais: 
de escoamento radial ou misto 
de escoamento axial. Dos tipos de escoamentos radiais predomina a turbina Francis (patenteada por Samuel Dowd e aperfeiçoada por James Bicheno Francis). 
As turbinas Dériaz são similares às turbinas Francis, rápidas mas com um mecanismo que permite variar a inclinação das pás do rotor. 
Os tipos principais de máquinas axiais são turbinas de hélice (Propeller) cujas pás do rotor são fixas e as turbinas Kaplan com as pás do rotor ajustáveis. Outros tipos de máquinas axiais são as turbinas Tubulares, Bulbo e Straflo. 
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Classificação
Observação
Uma turbina axial é uma máquina de reação rotativa de fluxo contínuo, em que o fluido popular é escoado paralelamente ao eixo de rotação, fluindo através das pás do rotor, ao contrário do que se verifica na turbina radial. 
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TIPOS DE TURBINAS HIDRÁULICAS
TURBINA FRANCIS
Em 1847 o inglês James Bicheno Francis (1815-1892) trabalhando nos EUA melhorou uma máquina de escoamento centrípeta desenvolvida em 1838 por Samuel Dowd (1804- 1879), de modo que a partir disso, elas receberam o nome de turbinas Francis. A Figura a seguir, mostra um corte longitudinal de uma turbina Francis, indicando os órgãos principais. Essencialmente constam das seguintes partes: 
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TIPOS DE TURBINAS HIDRÁULICAS
TURBINA FRANCIS (continuação)
uma caixa, geralmente com forma de caracol do tipo fechado, a qual é substituída por uma câmara ou poço de adução no tipo aberto
um distribuidor dotado de pás orientáveis, para proporcionar a descarga correspondente à potência demandada, com o ângulo mais adequado para a entrada da água no rotor 
um rotor dotado de pás com formato especial
um tubo de sucção que conduz a água que sai do rotor a um poço ou canal de fuga. 
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TIPOS DE TURBINAS HIDRÁULICAS
TURBINA FRANCIS (continuação)
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TIPOS DE TURBINAS HIDRÁULICAS
TURBINA FRANCIS (continuação)
Instalação aberta. 
Quando a turbina é colocada num poço, ao qual vem ter a água conduzida em um canal de adução, havendo geralmente uma comporta ou adufa para que se possa esvaziá-la na manutenção. Este tipo de instalação é conveniente apenas para pequenas quedas (até 10 m) e potências pequenas (algumas centenas de CV). 
Instalação fechada. 
Quando a queda é superior a 10 m é preferível colocar a turbina numa caixa à qual vem ter a água conduzida em uma tubulação forçada (pentstock). Estas caixas tem a forma de caracol, voluta ou espiral e são envolvidas pelo concreto armado. 
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TIPOS DE TURBINAS HIDRÁULICAS
TURBINA FRANCIS (continuação)
OBS.: As vantagens das turbinas de eixo horizontal sobre as de eixo vertical é que nas primeiras a turbina e o gerador podem ser independentes; há uma melhor disposição da sala das máquinas já que a turbina e o gerador estão no mesmo nível; fácil montagem e entendimento; facilidade de manutenção e custo reduzido em cerca de 20% para as mesmas condições. 
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TIPOS DE TURBINAS HIDRÁULICAS
TURBINA PELTON
Como toda turbina hidráulica, a Pelton possui um distribuidor e um receptor. As partes principais das turbinas Pelton são descritas a seguir.
Distribuidor. O distribuidor é um bocal de forma apropriada a guiar a água, proporcionado um jato cilíndrico sobre a pá do receptor, o que é conseguido por meio de uma agulha. 
O rotor consta de um certo número de pás com forma de concha especial, dispostas na periferia de um disco que gira preso a um eixo. 
A pá possui um gume médio, que fica sobre o plano médio da roda, e que divide simetricamente o jato e o desvia lateralmente. 
Defletor de Jato: O defletor intercepta o jato, desviando-o das pás, quando ocorre uma diminuição violenta na potência demandada pela rede de energia. Nessa hipótese, uma atuação rápida da agulha para reduzir a descarga poderia vir a provocar uma sobrepressão no bocal, nas válvulas e ao longo do encanamento adutor. 
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TIPOS DE TURBINAS HIDRÁULICAS
TURBINA PELTON
4) Defletor de Jato: O defletor intercepta o jato, desviando-o das pás, quando ocorre uma diminuição violenta na potência demandada pela rede de energia. Nessa hipótese, uma atuação rápida da agulha para reduzir a descarga poderia vir a provocar uma sobrepressão no bocal, nas válvulas e ao longo do encanamento adutor. 
5) Bocal de frenagem. O bocal de frenagem faz incidir um jato nas costas das pás, contrariando o sentido de rotação, quando se desejar frear a turbina rapidamente. 
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TIPOS DE TURBINAS HIDRÁULICAS
TURBINA PELTON
Quanto ao posicionamento do eixo, as turbinas Pelton podem ser de:
Eixo horizontal: geralmente utilizada para um ou dois jatos, a instalação é mais econômica, de fácil manutenção, além de ser possível montar, numa mesma árvore, dois rotores. 
Eixo vertical: geralmente utilizado para quatro ou seis jatos sobre as pás do rotor. 
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TIPOS DE TURBINAS HIDRÁULICAS
TURBINA PELTON
As turbinas Pelton são recomendadas para quedas elevadas, para as quais a descarga (vazão) aproveitável normalmente é reduzida, uma vez que a captação se realiza em altitudes onde o curso d'água ainda é de pequeno deflúvio. Por serem de fabricação, instalação e regulagem relativamente simples, além de empregadas em usinas de grande potência, são também largamente empregadas em microusinas, em fazendas, etc., aproveitando quedas e vazões bem pequenas para geração de algumas dezenas de CV. 
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TIPOS DE TURBINAS HIDRÁULICAS
TURBINA PELTON
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TIPOS DE TURBINAS HIDRÁULICAS
TURBINA KAPLAN
Em 1912, o engenheiro Victor Kaplan (1876-1934), após estudos teóricos e experimentais, concebeu um novo tipo de turbina a hélice, comportando a possibilidade de variar o passo ou inclinação das pás. 
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TIPOS DE TURBINAS HIDRÁULICAS
TURBINA KAPLAN
1) Distribuidor. Se assemelha ao das turbinas Francis, tendo as mesmas finalidades. As pás do distribuidor, tem sua inclinação comandada por um sistema análogo ao das turbinas Francis, e ficam a uma distância considerável das pás do rotor. 2) Rotor: Possui pás que podem ser ajustáveis variando o ângulo de acordo com a demanda de potência. 3) Tubo de sucção: Tem as mesmas finalidades e a mesma forma dos tubos de sucção para turbinas Francis. 
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TIPOS DE TURBINAS HIDRÁULICAS
TURBINA KAPLAN
4) Caracol ou caixa espiral: Pode ter seção transversal circular nas turbinas de pequena capacidade e nas quedas consideradas relativamente grandes para turbinas Kaplan, mas, nas unidades para grandes descargas e pequenas quedas, a seção é aproximadamente retangular ou trapezoidal com estreitamento na direção do distribuidor e recebe a denominação de semicaracol. 
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TIPOS DE TURBINAS HIDRÁULICAS
TURBINA KAPLAN
As turbinas Kaplan são do tipo axial, de reação e ação total como visto no item anterior. Quanto ao número de pás as turbinas Kaplan podem ser de: -4 pás (para 10 < H < 20m); -5 pás (para 12 < H < 23m); -6 pás (para 15 < H < 35m); -8 pás (para H > 35m). São utilizadas para rotações específicas acima de 350 rpm. Permitem uma ampla variação da descarga e da potência sem apreciável variação do rendimento total. 
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TIPOSDE TURBINAS HIDRÁULICAS
TURBINA DÉRIAZ
Elas se assemelham às turbinas Kaplan e Francis rápida, porém as pás do rotor são articuladas e, pela atuação de um mecanismo apropriado podem variar o ângulo de inclinação. Este tipo de turbina é muito utilizado em instalações onde a água do reservatório de montante precisa ser resposta quando a máquina não está produzindo potência. Sendo, quando for o caso, denominada de turbina-bomba. 
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TIPOS DE TURBINAS HIDRÁULICAS
TURBINA TUBULAR
Quando o desnível hidráulico for muito reduzido, pode não ser viável nem mesmo a instalação de turbinas tipo Kaplan. Deste modo foram desenvolvidos novos tipos de turbinas mais apropriadas para tais condições. Um destes tipos é a turbina Tubulares. Nas turbinas tubulares, o receptor, de pás fixas ou orientáveis, é colocado num tubo por onde a água escoa e o eixo, horizontal ou inclinado, aciona um alternador colocado externamente ao tubo. 
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TIPOS DE TURBINAS HIDRÁULICAS
TURBINA BULBO
As turbinas de bulbo podem ser consideradas como uma evolução do tipo anterior. O rotor possui pás orientáveis como as turbinas Kaplan e existe uma espécie de bulbo colocado dentro do tubo adutor de água. No interior do bulbo que é uma câmara blindada, pode existir simplesmente um sistema de engrenagens para transmitir o movimento do eixo ao alternador.
A turbina bulbo dispensa a caixa em caracol e o trecho vertical do tubo de sucção. O espaço ocupado em planta é portanto menor que o das turbinas Kaplan.
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TIPOS DE TURBINAS HIDRÁULICAS
TURBINA BULBO
Para um mesmo diâmetro do rotor, a turbina bulbo absorve uma descarga maior que as Kaplan, resultando daí maior potência a plena carga. As turbinas bulbo podem funcionar como turbinas ou como bombas e são empregadas em usinas maré-motrizes. Um ponto a considerar na instalação deste tipo de turbina é que a limitação do diâmetro do rotor e do bulbo para redução dos custos, obriga à construção de alternadores de pequeno diâmetro mas muito alongados axialmente, o que, por sua vez, acarreta problemas de resfriamento para o gerador e de custo para o eixo e mancais. 
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TIPOS DE TURBINAS HIDRÁULICAS
TURBINA BULBO
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VELOCIDADE DAS TURBINAS HIDRÁULICAS
As turbinas de grandes potências tem baixa rotação real de modo a reduzir a complexidade dos problemas de estabilidade mecânica, momentos nos mancais e a melhorar as condições para a regularização do movimento. 
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MAS COMO ESCOLHER A TURBINA CERTA E PARA QUE UTILIZAREMOS UMA TURBINA HIDRÁULICA???
DENTRE OUTROS USOS:
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PEQUENAS CENTRAIS HIDRELÉTRICAS (PCH`s)
A Resolução da ANEEL 394, de 04/12/98, estabelece que os aproveitamentos com características de PCH são aqueles que têm potência entre 1 e 30 MW e área inundada até 3,0 km2, para a cheia centenária. Todas as limitações anteriores foram eliminadas. Cabe registrar, a propósito, que alguns dos inventários realizados por companhias de energia de porte, hoje privatizadas, ao longo dos anos de 1996 a 1998, identificaram diversos sítios potencialmente atrativos, cujos arranjos de obras prevêem barragens com mais de 10 m de altura e circuito adutor em túneis, em vários casos. (ELETROBRAS, 2000). 
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PEQUENAS CENTRAIS HIDRELÉTRICAS (PCH`s)
Os tipos de PCH`s, quanto à capacidade de regularização do reservatório, são:
− a Fio d’Água;
− de Acumulação, com Regularização Diária do Reservatório;
− de Acumulação, com Regularização Mensal do Reservatório. (ELETROBRAS, 2000).
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PEQUENAS CENTRAIS HIDRELÉTRICAS (PCH`s)
A grande maioria das PCH's da região Sudeste apresentam potências instaladas inferiores a 5 [MW]. Um dos principais motivos para este fenômeno é o fato de aproveitamentos com essa ordem de grandeza serem mais abundantes nessas regiões. Além disso, nos primórdios de sua utilização, as PCH's atendiam sistemas isolados, com pequeno consumo de potência. Não se justificava, portanto, a implantação de centrais de potência mais elevada, visto não haver mercado para a energia que seria gerada (TIAGO FILHO et al., 2006). 
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PEQUENAS CENTRAIS HIDRELÉTRICAS (PCH`s)
Segundo consta no banco de dados da ANEEL (2005), existem na região Sudeste do País, cerca de 125 PCH’s em operação comercial que, juntas, agregam ao sistema elétrica uma potência da ordem de 580 [MW] (TIAGO FILHO et al., 2006).
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PEQUENAS CENTRAIS HIDRELÉTRICAS (PCH`s)
COMO ESTUDAR SUA VIABILIDADE?
ALTIMETRIA
VAZÕES
ENERGIA FIRME
POTÊNCIA INSTALADA
ESCOLHA DA TURBINA
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PEQUENAS CENTRAIS HIDRELÉTRICAS (PCH`s)
ESTUDO DE PARTIÇÃO DE QUEDAS:
Deve-se tomar como base a altimetria local.
Estudar as curvas de nível e definir um perfil longitudinal do corpo hídrico.
Verificar as alternativas para implantação da PCH.
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PEQUENAS CENTRAIS HIDRELÉTRICAS (PCH`s)
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PEQUENAS CENTRAIS HIDRELÉTRICAS (PCH`s)
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PEQUENAS CENTRAIS HIDRELÉTRICAS (PCH`s)
ESTUDO DE VAZÕES:
Utilizar as vazões mínimas de referência.
A Q95 é muito utilizada, como valor de referência, para estudos de vazões mínimas.
De posse da Q95, é possível traçar a curva de regionalização para a bacia. As equações de regionalização podem ser representadas, como função, de diversos parâmetros fisiográficos da bacia. 
Para obtenção da equação de regionalização é necessário a montagem de um gráfico com onde no eixo das abscissas sejam representadas as áreas de drenagem de cada estação e, no eixo de ordenadas sejam colocados os valores de Q95. Com base neste gráfico traça-se uma linha de tendência a partir da qual será feita regressão para obtenção de equação em formato potencial. Deve-se ter atenção especial ao coeficiente de aderência da curva, denominado R2.
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PEQUENAS CENTRAIS HIDRELÉTRICAS (PCH`s)
ESTUDO DE VAZÕES:
Utilizar as vazões mínimas de referência.
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PEQUENAS CENTRAIS HIDRELÉTRICAS (PCH`s)
CÁLCULO DA ENERGIA FIRME:
	 E = Q95 . h . g . η
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 1000
Onde:
E = energia firme (MWh)
h = altura de queda (metros)
g = aceleração da gravidade (m/s2)
η = rendimento do grupo turbina-gerador-transformador
Obs.:Adota-se o valor de 0,92 para ηturbina e 0,94 para ηgerador-transformador.
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PEQUENAS CENTRAIS HIDRELÉTRICAS (PCH`s)
CÁLCULO DA POTÊNCIA INSTALADA:
PI = E / Fk
Onde:
PI = potência instalada (MW)
E = energia firme (MWh)
Fk = fator de capacidade (a EPE sugere que seja adotado o valor de 0,6)
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PEQUENAS CENTRAIS HIDRELÉTRICAS (PCH`s)
DEFINIÇÃO DA TURBINA:
Para definição das turbinas a serem utilizadas deve-se observar a facilidade para operação e manutenção (ELETROBRÁS, 2000). Dá-se importância a robustez e confiabilidade. 
A altura de queda (m) e a vazão de projeto por turbina (m3/s) são os parâmetros utilizados para a escolha preliminar do tipo de turbina, que deve ser feito interpolando estes valores em gráfico, conforme demonstrado no Manual de Diretrizes para Estudos e Projetos de Pequenas Centrais Hidrelétricas (ELETROBRÁS, 2000). 
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PEQUENAS CENTRAIS HIDRELÉTRICAS (PCH`s)
CÁLCULO DA POTÊNCIA INSTALADA:
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PEQUENAS CENTRAIS HIDRELÉTRICAS (PCH`s)
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PEQUENAS CENTRAIS HIDRELÉTRICAS (PCH`s)
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PEQUENAS CENTRAIS HIDRELÉTRICAS (PCH`s)
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PEQUENAS CENTRAIS HIDRELÉTRICAS (PCH`s)
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PEQUENAS CENTRAIS HIDRELÉTRICAS (PCH`s)
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PEQUENAS CENTRAIS HIDRELÉTRICAS (PCH`s)