Turbinas Hidráulicas Operando Com Rotação Variável

Turbinas Hidráulicas Operando Com Rotação Variável

Turbinas Hidráulicas Operando Com Rotação Variável

Tradicionalmente, as centrais hidrelétricas operam suas turbinas hidráulicas com rotação constante em função do número de pares de pólos e da freqüência do gerador, que devem ser constantes. Todavia, em virtude das novas tecnologias que têm sido desenvolvidas nos últimos anos, a faixa de operação das turbinas hidráulicas tem sido aumentada, mesmo conhecidos os limites de operação das turbinas.

Hoje, a técnica de operação de turbinas hidráulicas, reside no conhecimento sobre o sistema regulador de velocidade em função da vazão e de novas tecnologias que controlam a freqüência nos geradores, conhecida como HVDC (Alta Voltagem DC ou "Conexão-unitária Geradora Conversora") e os Cicloconversores, que desvinculam a freqüência do gerador da freqüência da rede elétrica. Nas figuras 1 e 2, são mostrados dois esquemas simples destas novas tecnologias.

Os Cicloconversores são dispositivos que são formados por conversores de energia CA-

CA unidos ao rotor do gerador por anéis coletores, cuja tensão possui freqüência equivalente à diferença entre a rotação do eixo da turbina e a rotação síncrona do gerador, enquanto o HVDC é um dispositivo eletrônico formado por bases de inversores de freqüência que unem os terminais CA-C à rede elétrica (Campos Barros, 1996).

Figura 1 - Esquema básico do sistema HVDC usando uma turbina (T), um gerador (G), dois transformadores de corrente (TC), dois conversores de corrente (C) e um fusível (F) (Saidel, 1997)

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Figura 2 – Esquema dos Cicloconversores (Saidel, 1997)

Por outro lado, as centrais hidrelétricas convencionais que operam turbinas hidráulicas com rotação constante (ex,: turbinas tipo Francis ou Kaplan), são caracterizadas pelo ajuste da rotação conforme a vazão, cujo valor é controlado pelos reguladores de velocidade. O regulador é um dos mais importantes dispositivos ao lado dos grupos turbina-geradores. O regulador tem a finalidade de manter a rotação da turbina constante, porque se a turbina trabalhasse fora de suas condições de projeto, quanto a vazão, altura de queda e rotação, sua potência seria menor e poderia estar sujeita à determinados tipos de perdas de carga, dependendo do tipo de turbina.

Analisando as curvas da eficiência em relação à vazão ou da eficiência em relação à altura de queda, pode-se avaliar o comportamento da eficiência de acordo com a variação da vazão unitária Q / Qo e da rotação unitária n / no , em relação à vazão nominal Qo correspondente ao ponto de máxima eficiência da turbina, como são mostrados nas figuras 3 e 4, respectivamente.

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Figuras 3 – Curvas de eficiência (referentes a alguns tipos de turbinas) em função da vazão, para rotação constante: Hélice -1, Francis Rápida -2, Francis Lenta -3, Kaplan-4, Pelton-5. (Souza,1995)

Figuras 4 – Curvas de eficiência (ηηηηt/ηηηηtmáx) em função da altura de queda (H/H0) para alguns tipos de turbinas : Hélice - 1, Francis rápida - 2, Pelton - 3 e Francis lenta - 4. (Vivier ,1966).

Das figuras 3 e 4, observa-se que as turbinas tipo Kaplan ou Hélice são as mais favorecidas para operar com vazão variável, porque há pouca variação da eficiência, aproximadamente 10%, enquanto que as turbinas tipo Francis são as mais favorecidas para operar com rotação variável, porque há pouca variação da eficiência, aproximadamente 10%.

Contudo, quando estas turbinas operam fora de suas condições de vazão e rotação nominais, as turbinas tipo Francis estão sujeitas a problemas relacionados à formação de vórtice no núcleo do rotor, ou mesmo, a formação da trança no tubo de sucção, como é mostrado na figura 5, para a turbina que opera com sobre carga de vazão Q em relação à vazão nominal Qo.

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Figura 5 – Turbina Francis operando fora da região de projeto com sobrecarga (Ulith.,1976)

A formação da trança representa uma dificuldade para a estabilidade do grupo e, também, pode contribuir para a vibração mecânica. Outro problema experimental que pode ser observado, é a cavitação na saída do rotor, por causa da diminuição da pressão da água em relação à pressão de vapor da água na temperatura de operação. Na foto 1, é mostrado um exemplo do efeito destrutivo da cavitação em um rotor tipo Francis. Nesta condição, as perdas de carga podem aumentar.

Se as perdas fossem aumentadas, a rotação da turbina tenderia a diminuir e o regulador tentaria abrir mais o anel de Fick ou a válvula reguladora de vazão, para aumentar a vazão e a rotação da turbina, também. No entanto, se a vazão fosse menor que a vazão nominal, sendo esta limitada pela quantidade de água armazenada no reservatório, a eficiência da turbina seria menor. Outro problema característico, desta condição de operação, é a diminuição da potência hidráulica, uma vez que depende da vazão e da altura de queda.

Segundo Saidel (1997), os problemas relacionados à diminuição da eficiência poderiam ser minimizados com a turbina operando com rotação variável. Dispondo de tecnologia que efetivasse este tipo de operação, tal como o sistema HVDC ou Ciclo-conversor, a turbina teria um grau de liberdade a mais para ajustar sua rotação às condições de operação e, conseqüentemente, conseguir uma rotação que melhor contribuísse para aumentar sua eficiência.

Todavia, com base nos resultados obtidos em laboratório, este tipo de operação somente seria aplicável às centrais que se caracterizam pela variação da altura de queda. Estas centrais, normalmente, apresentam reservatórios em forma de canyon. A primeira razão reside no fato que a variação da altura de queda acarreta variação da pressão na entrada da turbina. Essa pressão é

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Foto 1 – Um exemplo de turbina Francis com cavitação (EFEI, 1999)

Para conhecer o comportamento das turbinas que trabalham com rotação variável, foi elaborado um programa computacional em FORTRAN 90, usando as principais equações características do comportamento das turbinas hidráulicas. Os resultados foram comparados com resultados dos testes realizados no Laboratório Hidromecânico para Pequenas Centrais Hidrelétricas em Itajubá, Minas Gerais, Brasil, para uma turbina cujas condições de projeto são :

vazão Qo = 0,28 m3/s, altura de queda Ho = 12.64 m e rotação n0 = 1150 rpm, como é mostrado na foto 2.

Na figura 6, é mostrado o diagrama de colina do modelo teórico computacional da turbina Francis ensaiada , de acordo com as normas ABNT - NB 6412 / 80 e ABNT - NB 9581 / 86. Na figura 7, é mostrado o sistema de aquisição de dados por computador do laboratório, caracterizado por transdutores de vazão, pressão, rotação e potência mecânica.

Foto 2 – Laboratório de testes da turbina Francis com vazão Qo = 0,28 m3 /s , altura de queda Ho = 12.64 [m], rotação n0 = 1150 [rpm] ( EFEI,1999 )

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Figura 7 – Diagrama teórico da turbina Francis com vazão Qo = 0,28 m3 /s , altura de queda Ho = 12.64m, rotação n0 = 1150 rpm, operando com rotação variável para altura de queda constante de um modelo computacional entre os pontos Pf e Pa (EFEI,1999).

Figura 7 – Sistema de aquisição de dados (SAD) da turbina Francis no Laboratório Hidromecânico para Pequenas Centrais Hidrelétricas (EFEI,1999).

N [rpm]

N [rpm] ηt

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de energia entre Pf e Pa, porque o escoamento no interior do rotor é menos turbulento

Da figura 6, há dois pontos diferentes, Pf e Pa. O ponto Pf é um ponto de subcarga (a vazão de operação é menor do que a vazão de projeto) e, o ponto Pa, é um ponto de subcarga, mas a rotação de operação é menor que a rotação de projeto, que é obtida pelo uso da Conexão- Unitária. Observa-se que para a operação de turbinas hidráulicas tipo Francis com rotação variável para altura de queda constante, há uma compensação das perdas de energia entre a turbina e o gerador, mesmo que a turbina opere fora do seu ponto de projeto. Haverá um ganho

Segundo Farell (1987), nos testes teóricos e experimentais realizados em turbinas axiais do tipo Kaplan ou Hélice e BFTs (Bombas que trabalham como turbinas) operando com rotação constante e variável, as curvas de eficiência para o caso das BFTs, comportam-se como mostrado na figura 8. As curvas de eficiência estão em função da vazão Q/Qo em relação à vazão de eficiência máxima, operando com rotação fixa (linha cheia) ou com rotação variável (linha tracejada).

Figura 8 – Características da BFT (Bomba trabalhando como turbina) operando com rotação fixa e variável (Farell,1987)

Da figura 8, observa-se que para a vazão Q/Qo = 0,60, existem dois pontos de eficiência da turbina. Para a rotação fixa, a eficiência é igual a 0,75. Para a rotação variável, a eficiência é igual a 0,80. Neste caso, houve um aumento de aproximadamente 5% na eficiência.

Este acréscimo de 5 % na eficiência é possível, desde que seja admitida a possibilidade da variação da altura de queda de um determinado valor, que no artigo de Farell (1987), não foi mencionada. Em testes realizados em laboratório, um acréscimo entre 2% e 3%, é mais confiável para turbinas tipo Francis. Segundo Guilherme (1997), o acréscimo da eficiência é também de 3%, embora não mencione para quais condições de vazão, rotação e altura de queda, esse acréscimo ocorre.

Conseqüentemente, da análise teórica do modelo computacional da turbina Francis ensaiada em laboratório, pode-se obter um diagrama que relacione a eficiência em relação à vazão percentual Q / Qo, a qual pode ser comparada ao resultado obtido por Farell (1987) para turbina tipo Francis, como é mostrado na figura 9.

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Figura 9 – Características do modelo computacional da turbina Francis do Laboratório Hidromecânico para Pequenas Centrais Hidrelétricas.(EFEI,1999)

Da figura 9, o ponto A representa a eficiência da turbina operando com vazão Q / Qo = 0,85 para a rotação fixa n / nO = 1, enquanto o ponto B representa a eficiência da turbina operando na mesma vazão Q / Qo = 0,85 para a rotação variável n / n0 = 0,80. Observa-se que a eficiência no ponto B é maior do que a eficiência no ponto A, porque o escoamento no rotor é menos turbulenta. Houve um acréscimo de aproximadamente 2% na eficiência, significando menor possibilidade para o efeito da cavitação. Conseqüentemente, é possível aumentar a vida útil da máquina e diminuir os custos de manutenção (Campos,1996).

Seguindo o exemplo dado por Saidel (1997) para expressar a magnitude da operação com rotação variável em turbinas hidráulicas, se uma das turbinas da central hidrelétrica de Itaipu, cuja potência elétrica instalada é igual a 700 MW, operasse com rotação variável e obtivesse um ganho de eficiência equivalente a 2%, significaria um ganho de potência da ordem de 14 MW !

Este ganho de 2% é bastante significativo no que tange ao comportamento das turbinas hidráulicas e , portanto, deve ser levado em consideração no momento do projeto e instalação das duas tecnologias (HVDC ou Ciclo-conversor) em função da potência elétrica gerada e da complexidade da rede elétrica, por razões de custo. Segundo Campos Barros (1996), a instalação dos cicloconversores, por exemplo, acarretaria um aumento entre 30% e 60% dos custos.

A partir dos ensaios realizados em laboratório e dos resultados obtidos do modelo computacional da turbina Francis, é possível obter ganhos de energia para condições diferentes das condições de projeto, quanto à vazão, altura de queda e rotação. Este ganho de energia é mais significativo nos casos em que a central hidrelétrica for caracterizada pela variação da altura de queda, em função do formato de canyon que seu reservatório apresentar e, também, quanto ao tipo de turbina. Neste caso, turbinas tipo Francis mais favorecidas para operar com rotação variável.

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Outras conseqüências indiretamente possíveis de serem obtidas, necessitando de trabalhos específicos para comprovação, são : o aumento da vida útil da máquina, decréscimo dos custos de manutenção, minimização dos efeitos da cavitação e maior estabilidade mecânica do grupo turbina – gerador.

- Campos, M. C. , "Análise das Incertezas das Medidas nos Ensaios de Turbinas Hidráulicas no LHEP – Mestrado" , EFEI, Fevereiro 1993. - Campos Barros J.G. Saidel M. A ., Ingran L., Westphalen M. ,”Adjustable Speed Operation of Hydro Eletric Turbine Generators”, Electra, No. 167, Agosto 1996 - Farell C. e J. S. Gulliver, “Hydro mechanics of Variable Speed Turbines”, Journal of Energy Engineering”, Volume 113, No. 1, p 1 -13, 1987 - Guilherme A . G. Lima, Moraes R. M., Olivert J. A .,”Velocidade Ajustavel : Maior Eficiência da Geração com Menor Impacto Ambiental”, EM, Abril 1997 - Green, Daniel A ., “Generation More Efficiently with Adjustable Speed Machines”, Hydro Review, Volume 13, No. 2, p 18 – 27, , Abril 1994 - La Houille Blanche , “ Comportement dynamique des turbomachines hydrauliques “ , número 1/ 2 , 1980 - Norma ABNT– NB 6412 / 80 – Recepção em modelos de turbinas hidráulicas – ensaios - procedimentos - Norma ABNT – NB 9581 / 86 – Turbinas hidráulicas – Testes de verificação da erosão por cavitação - Saidel, M., A., dos Reis, L., B., “Hydro Eletric Generation in Speed Adjustable: Increasing of Power Efficiency and Environment Integration of Using”, Anais do IV Congresso Latino-Americano de Fluido-Mecânica, EFEI - Itajubá - MG - Brasil, p. 152- 157, 7 a 10 de Abril de 1997 - Souza H. A, Nelson A. C. V. , “Análise Preliminar de Turbinas Hidráulicas para Operar com Rotação Variável ”, Anais do Third Congress of Generation and Tramsmission of Electric Power, Campos de Jordão, São Paulo, Brasil, Novembro de 1997. - Souza, Z. , “ Apostila : Comportamento de Máquinas de Fluxo“ , EFEI, 1995.

- Vivier, L., “Turbines Hydrauliques et Leur Régulations”, Éditions Albin Michel, Paris, 1966 - Ulith, P., “Comportamento no Serviço das Turbinas Francis”, Anales del I Seminario de Ingeniería Hidromecanica, VOITH , 1976

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