Publicado em 03 Mar 2020

As turbinas hidráulicas para pequenas centrais hidrelétricas (PCH)

Redação

Existem três tipos de instalações hidrelétricas: represamento, desvio e armazenamento bombeado. Algumas usinas hidrelétricas usam barragens e outras não. As usinas hidrelétricas variam em tamanho, desde pequenos sistemas para uma casa ou vila até grandes projetos que produzem eletricidade para os serviços públicos. O tipo mais comum de usina hidrelétrica é uma instalação de represamento e uma instalação desse tipo, normalmente, é um grande sistema hidrelétrico e usa uma barragem para armazenar a água do rio em um reservatório. A água liberada do reservatório flui através de uma turbina, girando-a, que por sua vez ativa um gerador para produzir energia elétrica. A água pode ser liberada para atender às mudanças nas necessidades de eletricidade ou para manter um nível constante do reservatório. Atualmente, a instalação de pequenas centrais hidrelétricas (PCH) tem sido uma alternativa mais visada quando a questão é suprir a demanda energética, considerando-se os menores impactos ambientais possíveis. Conheça as recomendações gerais para a elaboração de especificações técnicas para a aquisição de pequenas turbinas hidráulicas.

pch2Da Redação –

De acordo com a Agência Nacional de Energia Elétrica (Aneel), as geradoras de energia elétrica de porte pequeno podem ser classificadas em pequena central hidrelétrica (PCH) e central geradora hidráulica (CGH). As pequenas centrais hidrelétricas são usinas com reservatório de até três quilômetros quadrados e com potência instalada entre 1 e 30 MW. As centrais geradoras hidráulicas, por outro lado, são usinas com potência máxima de até 1 MW.



Por serem menores, essas centrais de energia são mais baratas de construir e causam um dano ambiental menor, pois não alagam grandes áreas, preservando o habitat natural das espécies que vivem próximas a elas, além disso, podem ser construídas em rios com menor vazão, onde esses, proporcionam para a descentralização da geração de eletricidade no país. Sobre os aspectos técnicos, além da potência instalada, existem ainda outras características que diferenciam essas geradoras de energia, como por exemplo, o processo de licenciamento.

Uma PCH depende basicamente, da realização de um estudo de inventário que irá analisar o potencial hidráulico do rio onde ela será instalada e de um projeto básico, onde esse, nada mais é que um detalhamento técnico, sendo o principal estudo de uma PCH, cujo a análise e aprovação fica a cargo da Aneel. Já em uma CGH, o processo de licenciamento é muito mais simples, uma vez que a elaboração do inventário e do projeto básico não são necessários e deve-se apenas comunicar o órgão regulador e fiscalizador sobre a intenção de implantação.

Outra diferenciação entre as CGH e as PCH é seu prazo total de implantação. Enquanto o prazo total para implantação de uma PCH é, em média, de cinco anos, para uma CGH é de dois anos e meio. Sobre a capacidade instalada no Brasil, segundo informações da Aneel, existem atualmente 463 pequenas centrais hidrelétricas em todo o Brasil, somando uma potência instalada de 4.658.669 kW e pelo menos 30 em construção. Há ainda 446 CGH, com uma potência no total de 272.886 kW.

As usinas hidrelétricas de grande porte (UHE), com capacidade instalada de mais de 30 MW, são caracterizadas por possuírem grandes reservatórios, característica que lhes possibilitam operar por algum tempo em período de estiagem. Como uma alternativa às UHE nos períodos de cheia, época em que as centrais operam com o fio d’água, as Pequenas Centrais Hidrelétricas entram em funcionamento gerando a capacidade dos grandes reservadores armazenarem

elevados níveis de água e com isso, quando entrar o período de estiagem, às UHE podem funcionar com capacidade plena, já que nesse mesmo período os pequenos reservatórios das PCH ficam incapazes de gerar energia.

Essa complementação entre os dois tipos de hidrelétricas é importante para manter a geração continua, não atingindo o consumo e desenvolvimento do país, além do fato que as PCH atribuem uma complementação das cargas ofertadas a pequenos centros urbanos e regiões rurais. A grande parte da atratividade das PCH e CGH é explicada pelas altas margens operacionais alcançadas com o baixo custo de geração/manutenção e por ser uma fonte que apresenta um grande histórico de medição de descargas, o que diminui os riscos de uma geração efetiva inferior à planejada.

São vários os fatores que viabilizam a construção de PCH e CHG, tanto os econômicos quanto os socioambientais, sem contar a capacidade de manter a região próxima suprida energeticamente, gerando crescimento e desenvolvimento local. Confirmada em dezembro de 2019, a NBR 11212 de 10/2015 - Turbinas hidráulicas para pequenas centrais hidrelétricas (PCH) — Elaboração de especificações técnicas — Procedimento estabelece as recomendações gerais para a elaboração de especificações técnicas para a aquisição de pequenas turbinas hidráulicas.



Aplica-se às informações essencialmente práticas e fornece ao comprador de pequenas turbinas uma orientação sobre: os requisitos técnicos a serem atendidos pelo equipamento; o acompanhamento da fabricação; controle de qualidade durante a fabricação; acompanhamento de montagem; recepção do equipamento; verificação do desempenho operacional e das garantias contratuais; e condições de operação e manutenção. É aplicável às turbinas hidráulicas com potência superior a 1.000 kW e até 5.000 kW, destinadas à PCH, conforme Anexo A.

A especificação técnica das turbinas pode ser dividida em três seções principais. Nas condições gerais da PCH são abordados os itens relativos às condições gerais da pequena central, como condições hidráulicas, elétricas, de operação etc. (ver Seção 4). Para as condições técnicas gerais aplicáveis aos equipamentos eletromecânicos de geração da PCH, são abordados os requisitos técnicos gerais também aplicáveis a outros equipamentos de geração central, diretamente interligados com a turbina, como conduto forçado, válvula, gerador, etc. (ver Seção 5).

Nas condições técnicas específicas, são especificados os requisitos técnicos a serem preenchidos pela turbina e equipamentos associados (ver Seção 6). Para as condições gerais do local de instalação, as informações referentes à PCH são fornecidas conforme em seguida. Os dados gerais relativos à PCH são os seguintes: nome do aproveitamento; nome do rio; localização geográfica do rio e do aproveitamento; as cotas do local do aproveitamento (em relação ao nível do mar); distância do aproveitamento à cidade mais próxima.

Para as condições topográficas da região, deve ser fornecido um levantamento topográfico (planta) da região, assinalando a localização para as obras principais, como eixo da barragem, tomada d’ água, canal de adução ou adutora, chaminé de equilíbrio ou câmara de carga, conduto forçado, casa de força, canal de fuga (níveis d’ água) e as suas principais características (seções, extensões, materiais do canal etc.), bem como a localização das áreas de empréstimos, acessos existentes ou previstos.

Podem também ser fornecidos os desenhos contendo cortes de referência do reconhecimento topográfico com os dados gerais relativos à PCH, indicando o conjunto e a localização das principais obras. Para as condições geológicas, deve ser fornecida a indicação da composição do solo (areia, rochas e argila). As condições físico-químicas da água devem ser fornecidas bem como a indicação sobre a quantidade, dimensões e natureza dos sedimentos trazidos pela água na região da tomada d’ água, bem como as temperaturas máximas e mínimas da água e, se necessário, sua análise química. Deve também ser fornecida indicação sobre a presença de organismo vivos, fragmentos flutuantes, etc.



Devem ser indicadas as temperaturas ambiente, máxima, normal e mínima e as indicações sobre as limitações das vias de acesso, como: capacidade das pontes; altura e largura máximas; tipo de pavimentação; gabarito de transporte. Deve ser fornecida uma indicação sobre os meios de comunicação disponíveis ou previstos para o local da obra.

Como informações complementares, devem ser fornecidas as seguintes informações: existência de usinas e indústrias a montante e a jusante do local de aproveitamento, que, porventura, possam influir no projeto; descrição dos elementos da PCH que fazem parte de uma instalação existente e cujo reaproveitamento esteja previsto (quando aplicável). Devem ser fornecidas informações referentes à central, como o tipo da PCH que pode ser a fio d’ água ou acumulação com regulação. Deve ser fornecida a potência instalada da usina, determinada nos estudos de viabilidade.

Devem ser fornecidos o número e a potência das unidades geradoras que fornecem a capacidade instalada da PCH. Devem ser fornecidas as informações sobre as condições do sistema elétrico da PCH. PCH operando em sistema isolado sem qualquer outro fornecimento de energia elétrica na rede. Devem ser fornecidas as seguintes informações: tensão da rede e desvio aceitável (... V ±...%); frequência da rede e desvio aceitável (... Hz ±...%); potência mínima requerida anualmente na rede; classe de carga aceitável e requerida pela rede (determinar se a inércia mecânica é requerida ou não); dependência do sistema em relação à PCH.

Em relação à PCH operando em sistema isolado, permanentemente interligada com outro suprimento de energia elétrica na rede, devem também ser fornecidas as seguintes informações: unidades hidrelétricas: tipo e potência mínima; unidades termelétricas: tipo e potência mínima; características dos geradores: tensão nominal (V); frequência nominal (Hz); potência nominal (kVA); inércia mecânica GD2 (J); fator de potência (cos F); e características de regulação da (s) turbina (s) hidráulica (s).

Para a PCH operando em sistema isolado em conjunto com um grupo gerador de emergência, próximo ao local escolhido, não diretamente interligado com a PCH, mas que pode operar em associação com ela, devem ser fornecidas as seguintes informações:

tipo de equipamento; tensão nominal e desvio aceitável (... V ±...%); frequência nominal e desvio aceitável (... Hz ±...%); potência nominal (kVA); fator de potência (cos F)...; caso contrário, quando for a provisão de mercado; potência nominal de emergência (kVA); tipo do motor.

Para a PCH operando em sistema isolado integrado a uma carga específica, devem ser fornecidas à variação de carga sazonal as informações contidas na tabela abaixo. Para a PCH operando interligada a um sistema de grande porte que impõe frequência, devem ser fornecidas no mínimo as seguintes informações: características da rede: tensão e desvio (... V ±...%); frequência e desvio (... Hz ±...%); potência de curto-circuito (kVA); e potência ativa da maior unidade geradora integrada no sistema... (kVA).

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Para as características do sistema de transmissão e distribuição de energia são fornecidas no mínimo as seguintes informações: esquema geral da rede proposta, no caso de operação da central e sistema isolado; esquema mostrando a ligação para o sistema, no caso de operação interligada com um grande sistema; informações sobre ampliações do sistema. Devem ser fornecidas informações sobre o (s) tipo (s) de regulação aplicável (is) à PCH, como já foi descrito. Caso a PCH esteja em um sistema isolado, ou faça parte de um sistema interligado, deve ser previsto um sistema de regulação de velocidade para manter a frequência do sistema durante as variações de carga.



Para definir o método de regulação mais aplicável, deve ser necessário fornecer indicações sobre as variações de carga diária, semanal ou sazonal, bem como indicar as cargas prioritárias e não prioritárias (curva de carga). Caso a PCH seja prevista para manter os níveis a montante ou jusante constantes ou dentro de uma faixa de operação, devem ser fornecidas informações referentes aos valores desejados.

Caso a PCH seja prevista para regularizar a vazão, devem ser fornecidas informações sobre a vazão a ser mantida ou sobre a programação das vazões desejadas. Caso a PCH esteja integrada em um grande sistema, o qual mantenha a frequência da rede, pode ser adotado um sistema de regulação simplificado para controle das unidades geradoras (posicionadores), dotado de realimentação pela carga, pelo nível ou por um sistema de absorção de energia.

Devem ser fornecidas informações relativas ao modo de operação da PCH, como a seguir: grau de automação para as sequências de partida e parada; tipo de sequência de partida, sincronização, tomada de carga e sequência de parada. O modo de operação da PHC pode ser: manual; e/ou automática; e/ou telecontrolada (neste caso, indicar a localização do controle central, o despacho e o tipo e método de transmissão de sinais).

O modo de controle da operação do reservatório pode ser manual ou automático (operação de acordo com um programa). Para as condições técnicas gerais para os equipamentos eletromecânicos de geração da PCH, deve ser esclarecida a abrangência e a aplicabilidade dos requisitos técnicos gerais contidos na Seção da norma. Em adição às informações relativas aos requisitos técnicos contidos nesta Seção, deve ser destacado explicitamente que: os requisitos técnicos contidos nesta Seção são aplicáveis aos equipamentos eletromecânicos de geração da PCH e devem ser considerados com os outros especificados nas demais seções da especificação; os requisitos técnicos específicos do equipamento a que se refere esta norma são abordados nas Seções 5 a 8; os requisitos técnicos especificados nesta Seção são mandatórios, a não ser que sejam explicitamente modificados ou alterados na seção técnica específica do equipamento ou quando não forem aplicáveis ao equipamento considerado.

Deve ser definida a abrangência da responsabilidade do fabricante no projeto, fabricação, montagem e recepção do equipamento, bem como durante o seu período de garantia. Pode também, se aplicável, ser estabelecido o modo de relacionamento e de cooperação entre o (s) fabricante (s) do (s) equipamento (s). Devem ser estabelecidas as normas aplicáveis ao projeto, fabricação e ensaios do equipamento. As normas devem estar vigentes. Na inexistência de normas específicas podem ser utilizadas outros documentos pertinentes.



Podem também ser aceitos documentos do próprio fabricante, desde que sejam submetidos à aprovação expressa do comprador. Todos os desenhos, documentos, dados e outras informações relacionadas com o fornecimento devem ser utilizados de acordo com o Sistema Internacional de Unidades. Devem ser estabelecidos os requisitos relativos à documentação técnica a ser fornecida pelo fabricante.

Devem ser abordados, entre outros, os pontos descritos a seguir: propriedade dos documentos a serem fornecidos; documentos fornecidos conforme relação a seguir: desenhos; memórias de cálculo; manuais de operação e de manutenção; relatórios; instruções de montagem; sistemática de aprovação dos documentos fornecidos pode ser conforme a seguir: sistemática de envio; número de cópias; programação de apresentação dos documentos fornecidos; sistemática de elaboração dos documentos; cronogramas.

Quanto à classificação das turbinas hidráulicas para pequenas centrais hidrelétricas, com potência de até 5.000 KW e vazão de até 10 m³/s, em relação às suas características de potência no eixo e vazão: microturbinas hidráulicas: aquelas cuja potência é igual ou inferior a 100 KW e vazão até 2 m³/s; miniturbinas hidráulicas: aquelas cuja potência é de até 1.000 kW e vazões até 7 m³/s, excluindo a faixa relativa às microturbinas hidráulicas; pequenas turbinas hidráulicas, aqueles cuja potência é de até 5.000 kW e vazões de até 10 m³/s, excluindo as faixas relativas às microturbinas e miniturbinas hidráulicas.

De acordo com a Portaria 109 de 24.11.82, do Departamento Nacional De Água e Energia Elétrica (DNAEE), considera-se uma pequena central hidrelétrica (PCH) o aproveitamento que atenda, cumulativamente, às seguintes condições: opere a fio d´água ou no máximo com pequena regularização diária; seja provido de barragens e vertedouro com alturas máximas de até 10 m; tenha sistema adutor composto somente de canais e/ou tubulações não utilizando túneis; possua estruturas hidráulicas, no circuito de geração, para vazão através das turbinas de no máximo 20 m³/s; seja dotado de unidades geradoras com potência individual de até 5 000 kW; tenha potência instalada total de no máximo 10.000 kW.



Quanto ao tipo (ver NBR 6445), as turbinas são classificadas em: bulbo; diagonal; fluxo transversal (Michell – Banki); Francis; Francis dupla; Francis gêmea; hélice; jato inclinado; Pelton; Kaplan; tubular; tubular com gerador periférico (Straight – Flow). Quanto à posição do seu eixo, as turbinas são classificadas em: horizontal; inclinada; vertical. Quanto à forma de transformação de energia, as turbinas são classificadas em: de ação; e de reação.

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