Memorial Usina Hidrelétrica de Furnas

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Centro Universitário Salesiano do Estado de São Paulo (UNISAL)
Campus: São Joaquim
Curso: Engenharia Civil
Anderson Sales 
Eduardo Horta
José Geraldo de Souza Junior
José Augusto Nogueira
José Rafael Correa Rabelo
Rafael Lisboa Faria
Memorial Descritivo: Usina Hidrelétrica de Furnas 
Lorena- SP
2020
Anderson Sales 
Eduardo Horta
José Geraldo de Souza Junior
José Augusto Nogueira
José Rafael Correa Rabelo
Rafael Lisboa Faria
Memorial Descritivo: Usina Hidrelétrica de Furnas 
 (
Trabalho da disciplina de Projeto Interdisciplinar, do curso de engenharia civil, V semestre, do Centro Universitário Salesiano do Estado de São Paulo, Memorial Descritivo da Usina Hidrelétrica de Furnas (MG).
Prof.ª Orientadora: Minella Martins
)
Lorena- SP
2020
Sumário
1.	Apresentação	4
1.1 Responsáveis	4
1.2 Localização	4
1.3Energia	5
2	.Usina Hidrelétrica	5
2.1	Usina Hidrelétrica no Brasil e no Mundo	5
2.2	Usina Hidrelétrica de Furnas	6
2.3	Componentes Principais de Uma Usina Hidrelétrica	6
3	Componentes Detalhados	7
3.1	Barragem	7
3.2	Reservatório	8
3.3	Tomadas D`Água	8
3.4	Vertedouros	9
3.5 Casa de Força	9
3.6	Turbina	10
3.7	Turbina Tipo Francis	11
3.8	Geradores	14
3.9	Área de Serviço	15
4	Transmissão e Distribuição de Energia	15
5	Vantagens e Desvantagens	17
5.1 Vantagens	17
5.2	Desvantagens	17
6	Conclusão	17
7	Fontes	18
 Centro Universitário Salesiano do Estado de São Paulo (UNISAL)
Campus: São Joaquim
Curso: Engenharia Civil
1. Apresentação 
O presente memorial técnico visa descrever o funcionamento da Usina Hidrelétrica de Furnas, além de todos os seus componentes, turbinas. Está que consegue fornecer energia para uma região com aproximadamente 2 milhões de pessoas, com 1216 MW.
1.1 Responsáveis
A construção da Usina Hidrelétrica de furnas iniciou no ano de 1958, pela Empresa Furnas, está Usina carrega este nome por ser a primeira Usina Hidrelétrica construída pela empresa, e são os responsáveis pela manutenção, e fornecimento de energia. 
1.2 Localização 
Localizada entre os municípios de São José da Barra e São Joao Batista da Gloria, em Minas Gerais (MG), a 500 KM do Rio de Janeiro (RJ), 400 KM de São Paulo (SP) e 300 KM de Belo Horizonte (MG).
1.3Energia 
A Primeira unidade da Usina entrou em operação em 1963, e no início da década de 70 entraram em operação a sétima e oitava unidade, gerando assim um total de 1216 MW, fornecendo energia para uma região com 2 milhões de habitantes.
2 Usina Hidrelétrica
As usinas hidrelétricas ou Centrais Hidroelétricas são um conjunto de obras e equipamentos que tem por finalidade produzir energia elétrica através do aproveitamento do potencial hidráulico existente em um rio. As usinas hidroelétricas funcionam através da pressão da água que gira a turbina, transformando a energia potencial em energia cinética. Depois de passar pela turbina o gerador transforma a energia cinética em energia elétrica. A primeira usina a entrar em funcionamento foi a “Niágara Falls”, idealizada por Nikola Tesla e localizada na fronteira EUA x Canada, nos estados de New York e Ontário. De lá para cá o modelo é praticamente o mesmo, com mudanças apenas nas tecnologias que permitem maior eficiência e confiabilidade do sistema.
2.1 Usina Hidrelétrica no Brasil e no Mundo
A energia elétrica provinda de usinas hidrelétricas corresponde a cerca de 20% da eletricidade consumida em todo o mundo. Destaca-se como maiores consumidores os Estados Unidos, Canadá e o Brasil
Já no Brasil, esse tipo de energia é amplamente utilizado, chegando a cerca de 65% de um todo. No país, encontra-se a segunda maior usina do mundo, a de Itaipu, que pertence ao Brasil e ao Paraguai. 
2.2 Usina Hidrelétrica de Furnas
Fig. 2: Usina Hidrelétrica de Furnas, Google.
2.3 Componentes Principais de Uma Usina Hidrelétrica
Todas as usinas hidrelétricas possuem seus principais componentes, esses que permitem o seu funcionamento.
· Barragem
· Reservatório
· Tomada D`Água (comportas)
· Vertedouros
· Casa de Força
· Turbinas
· Geradores
· Rede de Transmissão
 Fig. 3: Esquema de Usina Hidrelétrica
3 Componentes Detalhados
A seguir com detalhes com componentes da Usina Hidrelétrica de Furnas
3.1 Barragem
A barragem da Usina de Furnas tem uma altura de aproximadamente 127 m, Desenvolvimento no Coroamento de 554 m, e uma largura de 15 m, com elevação de 772m, e um volume de 9.450,000
Fig. 4: Barragem de Furnas 
3.2 Reservatório
Atualmente a hidrelétrica de Furnas atua em solo mineiro, em 34 municípios. A criação do reservatório fez com que houvesse muita desocupação de terras, pois foi necessário fazer uma inundação de uma grande área de terras férteis. Assim o projeto da usina se tornou mal visto e trouxe uma grande perda para os agricultores locais. Porém criaram o “lago de Furnas” que se transformou em um importante local turístico, para superar as perdas iniciais. Assim criaram vários empreendimentos para aproveitar desta área que cresceu muito com o turismo da região.
Além de promover atividades turísticas, o lago também fornece potencial na produção de peixes, assim ajudando na economia local. Além da Eletrobrás fornecer meios de transporte em quinze balsas pelo lago.
Fig. 5 – Reservatório da Usina de Furnas
3.3 Tomadas D`Água
As TOMADAS D’AGUA possui 8 comportas do tipo vagão, a altura d’agua até a soleira é de 33,5 m, uma largura e altura de 4,7 m e 9,7 respectivamente
Fig 6: Tomada D´Agua ( Comportas)
3.4 Vertedouros
Os VERTEDOUROS descargam no máximo 13 mil m3/s, 7 comportas do tipo segmento, com uma largura de 11,5 m, altura de 15,8 m e um raio de 14 m, fabricação de uma empresa Japonesa
Fig. 7: Vertedouros da Usina Hidrelétrica, Google
 3.5 Casa de Força
A casa de força da usina de furnas é compostas por oito turbinas, cada uma acoplada a um gerador com potência nominal de 152 megawatts, resultado na potência total da usina de 1 216 megawatts.
Cada eixo disposto verticalmente gira a 150 rotações por minuto ligando a turbina aos geradores, que criam uma corrente elétrica alternada com frequência de 60 hertz e tensão de 15 quilovolts. A corrente elétrica, então, passa por 26 transformadores (em operação ou reserva) que elevam a tensão para 345 quilovolts, de onde são ligados à rede de transmissão, sendo a energia produzida integrada ao Sistema Interligado Nacional.
3.6 Turbina
A usina de Furnas é composta por 8 turbinas do tipo Francis, de eixo vertical, sendo 6 de fabricação sueca e 2 alemães, todas com diâmetros de rotor de 4,485 m. 
Turbinas Francis. Conforme estabelece a NBR 6445, turbinas Francis são turbinas de reação, na qual o fluxo d’água penetra radialmente no distribuidor e no rotor, no qual as pás são fixas. 
Fig. 8: Turbina do Tipo Francis da Usina Hidrelétrica de Furnas
3.7 Turbina Tipo Francis
Historicamente, muitos tipos de turbinas têm sido usadas em fábricas e usinas, mas a maioria delas tem problemas com eficiência. No século 19, a melhoria da turbina hidráulica avançou e, finalmente, o ombro foi alinhado com o motor a vapor como o motor principal. Em 1826, o engenheiro francês Benoit Fourneyron desenvolveu a primeira turbina hidráulica, que tinha muita utilização (até 80%). Na turbina hidráulica Fourneyron, a água flui através das pás do estator, do eixo para a periferia e o impacto nas pás do rotor, convertendo a energia potencial da água em energia cinética. Em 1848, o engenheiro americano J.B. Francis introduziu uma revolução no projeto de uma turbina hidráulica com a construção de uma turbina de reação. Turbinas de reação ou compressão são chamadas de turbinas de água, onde a pressão na entrada do rotor é maior do que na saída. Em turbinas de pré-tratamento, parte da energia potencial é convertida em energia cinética no estator e parte no rotor. Girar a torneira causa uma mudança na quantidade de movimento e força reativa (diferença de pressão, efeito de Coriolis.).
Fig. 9: Turbina Francis, Fonte: Voith turbinas
No Brasil grande parte da energia gerada é por meio de turbinas deste tipo.A turbina Francis é uma turbina hidráulica usada em instalações de energia hidráulica com uma altura considerável de queda. Sua concepção atribui-se ao engenheiro britânico-americano James Bicheno Francis. A função da turbina Francis é principalmente gerar eletricidade com a ajuda de um gerador. As turbinas Francis possuem uma alta capacidade de utilização de mais de 90% e uma ampla gama de atividades em comparação com a altura (queda de construção) do fluido que flui através da turbina. Isto é particularmente enfatizado na água, onde alcança um desempenho ótimo em uma queda de construção de 20 metros a 700 metros e a potência de saída varia de alguns kilowatts a 750 MW. O diâmetro do rotor pode ser de 1 a 10 m e a velocidade de rotação é de 83 a 1000 rpm. A turbina Francis é o tipo mais comum de turbina instalada em usinas de geração de energia que operam com base no fluxo de massa de água através de uma planta de produção. 
 Fig. 10 :Princípio de operação das partes principais, a água entra em todas as pás. Variação de 90° no escoamento entre entrada e saída
Fonte: Máquinas de Fluxo, Prof. Dr. Emílio Carlos Nelli Silva
Na maioria dos casos, são usinas de energia renovável de origem hidrelétrica. As turbinas Francis têm a característica de terem alta eficiência. Além disso, este tipo de turbinas hidráulicas pode ser projetado com uma gama variada de cabeças e fluxos. Atualmente, a turbina Francis é uma das turbinas mais usadas no mundo. As unidades tipo Francis cobrem uma faixa de cabeça de 40 a 600 m (130 a 2.000 pés) e a potência de saída de seu gerador conectado varia de alguns quilowatts a 800 MW. 
 Fig. 11: Limites extremos de aplicação de turbinas Francis
Máquinas de Fluxo, Prof. Dr. Emílio Carlos Nelli Silva
As grandes turbinas Francis são projetadas individualmente para que cada local trabalhe com o fornecimento de água e a altura da água fornecida com a maior eficiência possível. Geralmente, as turbinas Francis trabalham com uma eficiência de mais de 90%. Em contraste com a turbina Pelton, a turbina Francis funciona no seu melhor, completamente cheia de água em todos os momentos. A turbina e o canal de saída podem ser colocados abaixo do nível do lago ou do mar, o que reduz a tendência à cavitação.
Além da produção de energia elétrica, os caminhões Francis também podem ser usados para o armazenamento de bombas. Neste caso, um tanque é preenchido pela turbina que executa a função de bomba acionada pelo gerador. O gerador, neste caso, atua como um grande motor elétrico durante períodos de baixa demanda de energia. Quando a demanda por energia é alta, o gerador é invertido e usados para gerar energia durante a demanda de pico. Esses tanques de armazenamento de bombas agem como grandes fontes de armazenamento de energia para armazenar "excesso" de energia elétrica na forma de água em altos depósitos. Este é um dos poucos métodos que permitem armazenar um excesso temporário de capacidade elétrica para uso posterior.
A turbina Francis, que é uma espécie de turbina a jato de água, usa a energia cinética da água da torneira como energia de pressão para girar uma roda d'água.
A turbina está localizada entre a porta de entrada onde a alta pressão é aplicada e a parte da porta de descarga de baixa pressão, e geralmente é instalada na base da barragem de uma usina hidrelétrica.
A parte de entrada da turbina é um invólucro (câmara espiral) formado em forma de espiral, e várias pás-guia (palhetas guia) fazem com que a água flua tangencialmente em direção ao corredor, fluindo a água, para girar os corredores. O grau de abertura da aleta guia pode ser ajustado para executar uma operação eficiente de acordo com a quantidade de água usada. A água que passa pelo corredor também atua no corredor quando vai em direção ao centro axial. Além da pressão da água, essa propriedade suporta o uso de energia hidráulica da água que flui para o interior. Depois de agir no corredor na forma de uma xícara de café, a água sai com a energia cinética e com a energia potencial minimizada e o vórtice também desaparece. Na saída da turbina hidráulica, um tubo de sucção formado em conexão com a redução da velocidade da água e a restauração da energia cinética é conectada.
3.8 Geradores
Os GERADORES possui uma frequência de 60 Hertz, uma tensão nos terminais de 15 Kv. A usina de Furnas operam com 26 transportadores do tipo monofásico.
3.9 Área de Serviço
Estação de Hibridologia e Piscicultura: Trabalha na criação de peixes para o repovoamento planejado de reservatórios, servindo todas as unidades de FURNAS 
Centro Técnico de Ensaios e medições: Presta a assistência técnica as atividades de manutenção e operação do Sistema elétrico de Furnas, reconhecida nacionalmente pela especialização nas áreas de instrumentação, medição e ensaios.
Centro de Treinamento de Furnas: Área responsável pela formação da mão de obra especializada na operação da Usina.
Centro de Treinamento de controle de Emergência: Ocupando uma área de 30 mil , as margens do Rio Grande, realiza treinamento de combates a incêndio e pânico que auxilia os órgãos governamentais como Corpo de Bombeiros e Agentes dos Batalhões Florestais, esse centro ministra cursos, como: Curso Teórico e Prático das vestimentas e mascaras , noções básicas de combate a incêndio e a utilização de extintores, Formação das brigadas de incêndio. 
4 Transmissão e Distribuição de Energia
As usinas geradoras (hidrelétricas, termelétricas, termonucleares, solares e eólicas) se localizam, em geral, longe dos grandes centros. Para a energia elétrica ser entregue ao consumidor final, inicialmente tem que ser levada através de longas distâncias por linhas de alta tensão. Isso é o que chamamos de transmissão.
Já a distribuição é a última etapa no fornecimento de energia elétrica, através do qual se faz a entrega ao consumidor final. Na prática é possível observar através de ramificações de cabos elétricos ao longo de ruas, transmitindo a energia às casas, escritórios e indústrias, por exemplo.
A função de FURNAS é gerar e transmitir a energia e não a distribuir. Outros exemplos de empresas geradoras e/ou transmissoras são: Chesf, Eletrosul, Eletronorte, Eletronuclear e Itaipu Binacional.
Já a distribuição é realizada por empresas locais, tais como Light, Enel, Elektro, EDP e Equatorial, e pode ser feita por meio de redes aéreas, por meio de postes, ou por redes subterrâneas, em que cabos elétricos são instalados sob o solo, na parte interna de dutos. Isto é muito comum em zonas urbanas e zonas rurais em que os regulamentos de segurança exijam.
Entre os empreendimentos construídos e operados por FURNAS destaca-se o Sistema de Transmissão de Itaipu, formado por cinco linhas de transmissão, que atravessam 900 km desde o Estado do Paraná até São Paulo. Este sistema possui três linhas em corrente alternada 750 kV e duas linhas em corrente contínua ± 600 kV, necessárias para contornar o problema de diferentes frequências utilizadas por Brasil e Paraguai. 
 
 Fig.12 - Linhas de Transmissão
5 Vantagens e Desvantagens
5.1 Vantagens
- Vantagem de não trabalhar com formas radioativas e por consequência excluir riscos de gerar grandes problemáticas ambientais;
- Existem menores chances de acontecerem emissões de gases como o metano;
- Geração de energia de forma bastante sustentável;
- Não é criada poluição do ar.
5.2 Desvantagens
- Forte dependência de um regime de chuvas;
- Forte impacto socioambiental causado pela inundação de grandes áreas;
- Destruição do habitat de espécies nativas e endêmicas;
6 Conclusão
A energia gerada pela usina hidrelétrica de Furnas tem como destino três centros urbanos do país, sendo eles, Belo Horizonte, Rio de Janeiro e São Paulo. Sendo responsável por grande parte da energia utilizada nessa região.
Desta forma a usina de Furnas pode ser considerada um meio de gerar energia muito importante para essas regiões, pois além de ser uma forma bastante sustentável, é o principal meio utilizado pelo país, por ser um método muito eficiente na geração deenergia elétrica.
7 Fontes
Máquinas de Fluxo, Prof. Dr. Emílio Carlos Nelli Silva, Escola Politécnica da USP, Departamento de Engenharia Mecatrônica e Sistemas
Mecânicos.
NBR – 6445 - Turbinas hidráulicas, turbinas-bombas e bombas de acumulação
http://www.voith.com/br/produtos-e-servicos/energia-hidreletrica/turbinas/turbinas-francis-561.html
https://www.furnas.com.br/subsecao/120/usina-de-furnas---1216-mw?culture=pt
https://www.furnas.com.br/transmissao/?culture=pt
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