- cerpch

Transcrição

- cerpch

Comitê Diretor do CERPCH
Director Committee
CEMIG / FAPEPE / IEE-USP / FURNAS /
IME / ELETROBRAS / ANEEL / MME
Comitê Editorial
Editorial Committee
Presidente - President
Geraldo Lúcio Tiago Filho - CERPCH/UNIFEI
Editores Associados - Associated Publishers
Adair Matins - UNCOMA - Argentina
Alexander Gajic - University of Serbia
Alexandre Kepler Soares - UFMT
Ângelo Rezek - ISEE/UNIFEI
Antônio Brasil Jr. - UnB
Artur de Souza Moret - UNIR
Augusto Nelson Carvalho Viana - IRN/UNIFEI
Bernhard Pelikan - Bodenkultur Wien - Áustria
Carlos Barreira Martines - UFMG
Célio Bermann - IEE/USP
Edmar Luiz Fagundes de Almeira - UFRJ
Fernando Monteiro Figueiredo - UnB
Frederico Mauad - USP
Helder Queiroz Pinto Jr. - UFRJ
Jaime Espinoza - USM - Chile
José Carlos César Amorim - IME
Marcelo Marques - IPH/UFRGS
Marcos Aurélio V. de Freitas - COPPE/UFRJ
Maria Inês Nogueira Alvarenga - IRN/UNIFEI
Orlando Aníbal Audisio - UNCOMA - Argentina
Osvaldo Livio Soliano Pereira - UNIFACS
Regina Mambeli Barros - IRN/UNIFEI
Zulcy de Souza - LHPCH/UNIFEI
03
Editorial
Editorial
Mercado
Market
04
Conferência de Centrais Hidrelétricas, Mercado
& Meio Ambiente é reeditada em São Paulo
Hydropower, Market & Environment
Conference returns in São Paulo
08
Curtas
News
Laboratório de Alta tensão da Unifei
se destaca por suas pesquisas
High-voltage Laboratory at UNIFEI
stands out for its research
TECHNICAL COMMITTEE
Prof. François AVELLAN, EPFL École Polytechnique Fédérale de Lausanne,
Switzerland, [email protected], Chair;
Prof. Eduardo EGUSQUIZA, UPC Barcelona, Spain, [email protected], Vice-Chair;
Dr. Richard K. FISHER, VOITH Hydro Inc., USA, [email protected], Past-Chair;
Mr. Fidel ARZOLA, EDELCA, Venezuela, [email protected];
Dr. Michel COUSTON, ALSTOM Hydro, France, [email protected];
Dr. Niklas DAHLBÄCK, VATENFALL, Sweden, [email protected];
Mr. Normand DESY, ANDRITZ Hydro Ltd., Canada, [email protected];
Prof. Chisachi KATO, University of Tokyo, Japan, [email protected];
Prof. Jun Matsui, Yokohama National University, [email protected];
Dr. Andrei LIPEJ, TURBOINSTITUT, Slovenija, [email protected];
Prof. Torbjørn NIELSEN, Norwegian University of Science and Technology, Norway,
[email protected];
Mr. Quing-Hua SHI, Dong Feng Electrical Machinery, P.R. China, [email protected];
Prof. Romeo SUSAN-RESIGA, “Politehnica” University Timisoara, Romania, [email protected];
Prof. Geraldo TIAGO F°, Universidade Federal de Itajubá, Brazil, [email protected].
Agenda 09
Schedule
Ficha catalográfica elaborada pela Biblioteca Mauá –
Bibliotecária Margareth Ribeiro- CRB_6/1700
R454
Revista Hidro & Hydro – PCH Notícias & Ship News, UNIFEI/CERPCH,
v.1, 1998 -- Itajubá: CERPCH/IARH, 1998 – v. 66, n. 3, jul./set. 2015.
Expediente
Editorial
Editor
Coord. Redação
Jornalista Resp.
Redação
Projeto Gráfico
Diagramação e Arte
Tradução
Impressão
Geraldo Lúcio Tiago Filho
Camila Rocha Galhardo
Adriana Barbosa MTb-MG 05984
Adriana Barbosa
Camila Rocha Galhardo
Net Design
Lidiane Silva
Joana Sawaya de Almeida
Editora Acta Ltda
Trimestral.
Editor chefe: Geraldo Lúcio Tiago Filho.
Jornalista Responsável: Adriana Barbosa – MTb_MG 05984
ISSN 2359-6147 / ISSN 1676-0220
1. Energia renovável. 2. PCH. 3. Energia eólica e solar. 4. Usinas hi_
drelétricas. I. Universidade Federal de Itajubá. II. Centro Nacional de Re_
ferência em Pequenas Centrais Hidrelétricas. III. Título.
Hidro&Hydro - PCH Notícias & SHP News
é uma publicação trimestral do CERPCH
The Hidro&Hydro - PCH Notícias & SHP News
is a three-month period publication made by CERPCH
Tiragem/Edition: 6.700 exemplares/issues
contato comercial: [email protected] / site: www.cerpch.org.br
Universidade Federal de Itajubá
Av. BPS, 1303 - Bairro Pinheirinho
Itajubá - MG - Brasil - CEP: 37500-903
e-mail: [email protected]
[email protected]
Fax/Tel: +55 (35)3629 1443
2
ISSN 2359614-7
9 772359 614009
00066
EDITORIAL
HIDRO&HYDRO | ISSN 2359-6147
Letter from the Editor,
Prezado Leitor,
Diante da crise que atinge o país nos últimos anos e com perspectiva
nada animadora, o governo lançou nesse segundo semestre um pacote de
medidas com foco no setor energético. Com um investimento da ordem de
R$ 186 bilhões para os próximos três anos, o objetivo é ampliar e assegurar
a oferta de energia para a população e indústria, além de fortalecer o sistema
de transmissão, vislumbrando tornar os preços competitivos com o mercado
internacional, priorizando as fontes limpas e renováveis de energia.
O lançamento do plano de investimento do governo para setor elétrico
foi lançado concomitantemente com a realização da nona edição da
Conferencia de Centrais Hidrelétricas, Mercado e Meio Ambiente, nessa
edição o leitor pode acompanhar a cobertura desse evento e se familiarizar
com os temas discutidos.
Essa edição traz, também, uma matéria sobre o Laboratório de Alta
Tensão localizado na Universidade Federal de Itajubá, laboratório esse que
está em operação a mais de cinquenta anos.
Outra informação que queremos compartilhar com nossos leitores é
que desde a edição de nº65 a revista PCHNotícias&SHPNews, publicação
dedicada a artigos técnico-científico, passou a oferecer aos autores, mais
uma ferramenta de referencia. Os artigos publicados passaram a ter o DOI
- Identificador de Objeto Digital, este identificador é atribuído ao objeto
digital para que este seja unicamente identificado na Internet.
A editoria dessa publicação está sempre à procura de inovações,
conteúdos relevantes para atender aos leitores. Participe enviando
sugestões, opiniões, a interatividade é salutar para todos nós.
Faced with the crisis that has been affecting the country in the last few
years and a bleak outlook, the government has launched a set of measures
this semester focusing on the energy sector. With an investment of R$186
billion for the next three years, the objective is to widen and secure the
energy supply for the population and industry, aside from strengthening the
transmission system, making prices more competitive with the international
market, prioritizing clean and renewable energy sources.
The launch of the government investment plan for the energy sector
was made coincidentally with the ninth edition of the Hydropower,
Market and Environment Conference. Within this edition, the reader can
follow the coverage on this event and get to know the topics that were
discussed.
This edition also brings you and article on the High Voltage Laboratory
at the Federal University of Itajubá, which has been operating for over 50
years.
We would also like to share with our readers that since its 65th Edition,
PCH Noticias & SHP News, a publication of technical scientific articles, now
offers its authors one more reference tool. The published articles will now
have a DOI – Digital Object Identifier, attributed to the digital object so that
is can be uniquely identified online.
The Editors of this publication are always seeking innovation and
relevant content to meet readers’ expectations. Participate by sending in
your suggestions and opinions; interaction is beneficial for all of us.
Enjoy reading!
Boa Leitura!
Apoio:
IAHR DIVISION I: HYDRAULICS
TECHNICAL COMMITTEE: HYDRAULIC MACHINERY AND SYSTEMS
3
MERCADO
HIDRO&HYDRO, 66, (3), JUL,AGO,SET/2015
CONFERÊNCIA DE CENTRAIS HIDRELÉTRICAS,
MERCADO & MEIO AMBIENTE É REEDITADA EM SÃO PAULO
por Adriana Barbosa
A conferência realizada entre os dias 11 e 12 de agosto, em
São Paulo, promovida pelo Centro Nacional de Referência em
Pequenas Centrais Hidrelétricas (CERPCH), juntamente com
a Universidade Federal de Itajubá (MG) e com a Faculdade de
Economia, Administração e Contabilidade (FEA/USP) e com o
Instituto de Energia e Ambiente (IEE/USP), por meio do Núcleo
de Pesquisa em Políticas e Regulação das Emissões de Carbono
(NUPPREC/USP) e com o apoio das Associações do setor, foi
reeditada esse ano abordando temas que abrangeu desde o futuro
das hidrelétricas, escassez hídrica, grandes usinas, potencial de
sistemas híbridos e das usinas não convencionais a Pequenas
Centrais Hidrelétricas.
A nona edição da conferência contou com a participação dos
principais profissionais do setor, acadêmicos e investidores.
Participaram da cerimônia de abertura o Secretário Executivo
do CERPCH, Geraldo Lúcio Tiago Filho; a presidente da conferencia
professora do Instituto de Energia e Ambiente da Universidade de
são Paulo, Virgínia Parente, o professor Faculdade de Economia,
Administração e Contabilidade da Universidade de São Paulo,
professor Isak Kruglianskas.
Durante a 9ª edição da conferência, foram realizados painéis
para a discussão sobre o futuro das hidrelétricas no panorama
mundial e na perspectiva brasileira frente às questões das
mudanças climáticas; grandes usinas: como mitigar os atrasos
nas obras e enfrentar outros importantes desafios; escassez
hídrica em busca de soluções factíveis; potencial de sistemas
híbridos e das usinas não convencionais (reversíveis, termo
solares, hidrocinéticas, hidro-eólicas, etc); Pequenas Centrais
Hidrelétricas: o ciclo terminou?.
No painel sobre as PCHs foram apresentadas as vantagens
das mesmas na matriz energética brasileira como uma ótima
opção na expansão da geração de energia elétrica no país, os
Opinião Geral IX Conferência
Geral Opinion - IX Conference
conferencistas acreditam que o papel das pequenas centrais é de
suma importância no cenário energético brasileiro.
A retomada da conferência veio preencher uma lacuna existente
no setor nos últimos anos, uma vez que seu formato foi pensando
para proporcionar uma interação entre a plateia e os palestrantes,
formato este aprovado tanto pelo público quanto pelos conferencistas,
destaca o secretario executivo do CERPCH, Tiago Filho.
Sessão técnica
Um dos diferenciais deste evento é a realização de uma
sessão técnica, onde são apresentados os estudos e pesquisas
desenvolvidas pelas universidades. É um importante canal para
estudantes e pesquisadores apresentarem os resultados de sua
produção técnica científica. Nesta edição, a conferência recebeu
cerca de 20 artigos técnicos, sendo que 15 foram aprovados pelo
comitê avaliador da sessão.
Os temas atendidos foram: Análise Financeira; Aspectos
Legais e Institucionais; Mercado e Planejamento Energético;
Meio Ambiente, Responsabilidade Social e Desenvolvimento
Sustentável; Tecnologia e Desenvolvimento: a. Componentes
Hidromecânicos/ b. Componentes Elétricos Mecânico/ c.
Estruturas Hidráulicas/ d. Sistemas de Controle/ e. Subestação e
Transmissão/ f. Levantamento de Dados de Campo/ g. Geotecnia
e Geologia/ h. Monitoramento; Operação e Manutenção; Sistemas
Híbridos; Geração Descentralizada e Sistemas isolados.
A sessão foi dividida em três etapas, a primeira foi coordenada
pelo Prof. Dr. Geraldo Lúcio Tiago Filho, da Universidade Federal
de Itajubá - Unifei, a segunda sob a coordenação da Prof. Dr.
Oswaldo Honorato de Souza Júnior, também da Unifei, e a terceira
pelo Doutorando da UNIFEI, Antônio Carlos Barkett Botan.
Alguns dos trabalhos apresentados na Conferência estão
publicados na sessão técnica desta revista.
Avaliação Temas Abordados
Evalutation of Topics Discussed
Ruim / Bad
Regular
Regular
Excelente
Excelent
Excelente
Excelent
Boa
Good
Boa
Good
Ótima
Great
Ótima
Great
Avaliação Dinâmica dos Painéis
Evaluation of Panel Dynamics
Bom
Good
Excelente
Excelent
Ótima
Great
4
MARKET
HYDROPOWER, MARKET & ENVIRONMENT
CONFERENCE RETURNS IN SÃO PAULO
Translation: Joana Sawaya de Almeida
Foto: CERPCH/Adriana Barbosa
The conference has returned this year approaching ranging
topics such as the future of hydropower plants, water scarcity,
large plants, the potential of hybrid systems and non-conventional
power plants to small hydroelectric plants. The conference
was held on August 11th and 12th, in São Paulo, sponsored
by the National Reference Center for Small Hydropower Plants
(CERPCH), along with the Federal University of Itajubá (MG),
the Economy, Administration and Accounting College (FEA/USP),
the Energy and Environment Institute (IEE/USP) through the
Research Nucleus of Carbon Emissions, Politics and Regulations
(NUPPREC/USP), with support from the Associations in the sector
The ninth edition of the conference was attended by leading
industry professionals, academics and investors.
Participating in its opening ceremony was the Executive
Secretary of CERPCH, Geraldo Lúcio Tiago Filho; conference
president from the Energy and Environment Institute at the
University of São Paulo, Professor Virgínia Parente; and professor
from the Economy, Administration and Accounting College at the
University of São Paulo, Professor Isak Kruglianskas.
During the ninth edition of the conference, discussion panels
were held on the future of hydropower on a global scale and the
Brazilian outlook facing climatic change issues; large hydropower
plants, how to mitigate the delays in construction and facing
other important challenges; water scarcity and the search for
feasible solutions; hybrid power systems and non-conventional
plants (reversible, thermal-solar, hydro-kinetic, hydro-wind,
etc.); “Small Hydropower Plants: has the cycle ended?”.
At the panel on SHPs, their advantages in the Brazilian
energy matrix were presented as a great option in expanding the
generation of electric energy in the country. The panelists believe
that the role small power plants play is of utmost importance in
the Brazilian energy scenario.
The return of the conference filled an existing gap in the
sector from the last few years, since its format was thought out
to provide an interaction between the audience and the speakers,
a format approved by the public as well as the panelists, pointed
out executive secretary of CERPCH, Tiago Filho.
Technical Session
A unique feature of this event was its technical session,
where developed studies and research from universities
were presented. It is an important channel for students
and researchers to present results from technical scientific
production. In this edition, the conference received about 20
technical papers, being that 15 were approved by the evaluation
committee of the session.
The topics discussed were: Financial Analysis; Legal and
Institutional Aspects; Energy Market and Planning; Environment,
Social Responsibility and Sustainable Development: Technology
and Development: a. Hydro-mechanical Components, b.
Mechanical Electrical Components, c. Hydraulic Structures, d.
Control Systems, e. Substations and Transmissions, f. Field Data
Collection, g. Geotechnics and Geology, h. Monitoring; Operation
and Maintenance; Hybrid Systems; Decentralized Generation;
and Isolated Systems
The session was divided into three stages: the first was
coordinated by Professor Geraldo Lucio Thiago FIlho, PhD, from
the Federal Univeristy of Itajubá – UNIFEI, the second was under
the coordination of Professor Oswaldo Honorato de Souza Júnior,
PhD., also from UNIFEI, and the third was by UNIFEI doctoral
student Antônio Carlos Barkett Botan.
Some of the work presented at the conference is published in
the technical section of this magazine.
2016
A X Conferência de Centrais Hidrelétricas - Mercado e Meio
Ambiente acontecerá entre em agosto de 2016, em São Paulo- SP.
O evento conta com a participação dos principais
profissionais do setor, representantes do governo, ONGs e
setor privado.
Para mais informações entrar em contato com Adriana Barbosa:
[email protected]
The X Hydropower Plant Conference – Market and
Environment will be held in August 2016, in São Paulo, SP.
The event will count with the participation of leading
professionals in the sector, government representatives, NPOs
and the private sector.
For more information, please contact Adriana Barbosa:
[email protected]
5
CURTAS
HIDRO&HYDRO, 66, (3), JUL,AGO,SET/2015
LABORATÓRIO DE ALTA TENSÃO DA UNIFEI
SE DESTACA POR SUAS PESQUISAS
por Adriana Barbosa
Fotos: CERPCH/Adriana Barbosa
Em operação desde 1963, o laboratório de alta tensão da
Universidade Federal de Itajubá (LAT) foi criado com o objetivo de
solucionar problemas multidisciplinares em aéreas correlatas à alta
tensão, processamento e fabricação de materiais elétricos de modo
a criar novos conhecimentos e gerar inovações tecnológicas.
Pioneiro no país na realização de ensaios de impulso de
tensão em alta tensão no setor elétrico de potência. O laboratório
visa promover a pesquisa, o desenvolvimento e a educação
interdisciplinar em Engenharia de Alta Tensão.
Sob a Coordenação do professor Manuel Luís Barreira
Martinez desde 1994, o LAT é um espaço acadêmico dedicado ao
desenvolvimento de projetos científicos voltados para a graduação
e pós-graduação em engenharia elétrica, o laboratório passou por
uma modernização em 2014, onde sua infraestrutura foi melhorada
para atender as necessidades da comunidade científica, indústria e
empresas do setor.
O LAT atua na área de Engenharia Elétrica de Potência, materiais
elétricos tradicionais e avançados, processos e tecnologias incluindo:
metais, ligas metálicas, cerâmicas, polímeros e compósitos de
matriz metálica, cerâmica e polimérica.
6
Os laboratórios conferem avaliações precisas dos mais variados
produtos, componentes e matérias primas distribuídas por indústrias
da Engenharia Elétrica, ensaios metalográficos, mecânicos e
químicos em produtos de plástico e elastômeros, entre outros. O
LAT realiza seus procedimentos seguindo as normas ASTM, ISO,
ABNT, DIN.
Dentre os serviços realizados destacam-se: Cabos e assessórios;
Conectores; Chaves fusíveis de distribuição; Para-raios; Pararaios óxidos metálicos (Zinco); Isoladores; Transformadores de
distribuição; Transformadores de corrente e de potencial indutivos;
Barras de geradores/motores; Análise de identificação de materiais
poliméricos; Propriedades mecânicas de materiais poliméricos;
Propriedades térmicas dos materiais poliméricos; Propriedades
reológicas de materiais poliméricos; Propriedades químicas e
físicas de matérias poliméricos; Síntese personalizada de matérias
poliméricos e seus compósitos avançados.
Segundo o Coordenador do laboratório as atividades do LAT
não têm fins lucrativos e toda a renda obtida com a prestação de
serviços é aplicada em melhorias em infraestrutura, equipamentos
e capacitação dos próprios professores e pesquisadores envolvidos.
NEWS
HIGH-VOLTAGE LABORATORY AT UNIFEI
STANDS OUT FOR ITS RESEARCH
Translation: Joana Sawaya de Almeida
Operating since 1963, the high-voltage laboratory (LAT) at
the Federal University of Itajubá was created with the objective
of solving multidisciplinary problems in areas correlated to high
voltage, processing and the fabrication of electric materials as a way
to develop new knowledge and to produce technological innovations.
A pioneer in the country for performing high voltage impulse
experiments in the electrical sector, the laboratory aims at
promoting research, development and interdisciplinary education
in High Voltage engineering.
Under the coordination of Professor Manuel Luís Barreira
Martinez since 1994, the LAT is an academic space dedicated
to the development of scientific projects directed towards
undergraduate and graduate programs in electric engineering.
The laboratory was upgraded in 2014, having its infrastructure
improved in order to meet the needs of the scientific community,
industry and sector companies.
The LAT operated in the areas of Electric Power Engineering,
traditional and advanced electric materials, processes and
technologies including: metal alloys, ceramics, polymers and
composites of the metallic, ceramic and polymeric matrixes.
The laboratories provide accurate evaluations of the most
varied products, components, and raw materials distributed by
the Electric Engineering industry, metallographic, mechanical and
chemical tests on plastic and elastomer products, among others.
The LAT conducts its procedures in accordance with ASTM, ISO,
ABNT and DIN norms.
Among the services performed, the following stand out:
cables and accessories; connectors; distribution fuses; metal
oxide (zinc) lightning rods; isolators; distribution transformers;
current and inductive power transformers; generation and motor
bars; polymeric material identification analysis; mechanical
properties of polymeric materials; thermal properties of
polymeric materials; properties of rheological materials;
chemical and physical properties of polymeric materials;
personalized synthesis of polymeric materials and its advanced
composites.
According to the laboratory coordinator, LAT activities are
non-profit and all of the proceeds from the services rendered are
applied to upgrades to the infrastructure, equipment and training
for the professors and researchers involved.
7
AGENDA/SCHEDULE
NEWS
EVENTOS LIGADOS AO SETOR DE ENERGIA - 2015
SETEMBRO
NOVEMBRO
Brazil Windpower 2015
1 a 3 de setembro de 2015
Rio de Janeiro – RJ
CARTA DOS VENTOS: Fórum Nacional Eólico:
Data: 12/11/2015 a 13/11/2015
Local: Salvador - BA
Site: http://viex-americas.com/carta-dos-ventos/
Intersolar South America
Data: 01 a 03 de setembro de 2015
Local: Expo Center Norte - São Paulo – SP
Site: http://www.intersolar.net.br/pt/intersolar-south-america.html
EU PVSEC
Data: 14 a 18 de setembro de 2015
Local: Hamburg - Deutschland
Site: http://www.photovoltaic-conference.com/
Análise de viabilidade econômico-financeira
de empreendimentos de geração
Data: 15 de setembro de 2015
Local: São Paulo - SP
Site: http://viex-americas.com/viabilidade-de-geracao/
OUTUBRO
ICEECE 2015: Conferência Internacional sobre Energia, Meio
Ambiente e Engenharia Química
Data: 12/11/2015 a 13/11/2015
Local: Tokyo, Japão
Site: http://www.waset.org/conference/2015/11/kyoto/ICEECE/call-forpapers
DEZEMBRO
SOLARINVEST: Congresso de Políticas Públicas e Incentivos à
cadeia de geração de energia solar
Data: 02/12/2015 a 03/12/2015
Local: São Paulo - SP
Site: http://viex-americas.com/solarinvest/
Energy Expobusiness 2015
Data: 02 e 03 de outubro de 2015
Local: Natal-RN
Site: http://energyexpobusiness.com/
9
Presidente - President
Geraldo Lúcio Tiago Filho - CERPCH/UNIFEI
Editores Associados - Associated Publishers
Adair Matins - UNCOMA - Argentina
Alexander Gajic - University of Serbia
Alexandre Kepler Soares - UFMT
Ângelo Rezek - ISEE/UNIFEI
Antônio Brasil Jr. - UnB
Artur de Souza Moret - UNIR
Augusto Nelson Carvalho Viana - IRN/UNIFEI
Bernhard Pelikan - Bodenkultur Wien - Áustria
Carlos Barreira Martines - UFMG
Célio Bermann - IEE/USP
Edmar Luiz Fagundes de Almeira - UFRJ
Fernando Monteiro Figueiredo - UnB
Frederico Mauad - USP
Helder Queiroz Pinto Jr. - UFRJ
Jaime Espinoza - USM - Chile
José Carlos César Amorim - IME
Marcelo Marques - IPH/UFRGS
Marcos Aurélio V. de Freitas - COPPE/UFRJ
Maria Inês Nogueira Alvarenga - IRN/UNIFEI
Orlando Aníbal Audisio - UNCOMA - Argentina
Osvaldo Livio Soliano Pereira - UNIFACS
Regina Mambeli Barros - IRN/UNIFEI
Zulcy de Souza - LHPCH/UNIFEI
DIFICULDADES PARA ATENDIMENTO À RESOLUÇÃO
CONJUNTA ANEEL/ANA N° 03/2010: A VISÃO DO EMPREENDEDOR................ 8
Joana Cruz de Souza, Júlia França Alvarenga
ANÁLISE TÉCNICA DO SISTEMA DE ADUÇÃO DA MICRO
CENTRAL HIDRELÉTRICA DE RIO BRANCO DO SUL-PARANÁ-BRASIL.......... 13
Ivan Azevedo Cardoso, Rafael Steinke
HYDRO-QUÉBEC’S CONTINUOUS FLOW MEASUREMENT
SYSTEM: DEVELOPMENT OF AN INDUSTRIAL PROTOTYPE.......................... 19
M Bouchard Dostie, G Proulx, J Nicolle, L Martell
ESTIMATIVA DA VAZÃO TURBINADA ATRAVÉS DA FAIXA OPERATIVA
OBTIDA PELA INTERPOLAÇÃO MULTIVARIÁVEL UTILIZANDO
A MATRIZ DE VANDERMONDE .............................................................. 22
Rafael Freitas Ferreira, Eduardo A. R. Maia
IAHR DIVISION I: HYDRAULICS
TECHNICAL COMMITTEE: HYDRAULIC MACHINERY AND SYSTEMS
Classificação Qualis/Capes
B5
B4
ENGENHARIAS I; III e IV
Biodiversidade
Interdisciplinar
Áreas de: Recursos Hídricos
Meio Ambiente
Energias Renováveis
e não Renováveis
ISSN 1676022-0
A revista está indexada no DOI sob o prefixo 10.14268
ISSN 1676-0220
9 771676 022009
00066
ARTIGOS TÉCNICOS
Comitê Editorial
Editorial Committee
ASPECTOS PRÁTICOS DA REALIZAÇÃO DE ENSAIO
DE DESEMPENHO EM CENTRAIS HIDRELÉTRICAS........................................ 3
Edson da Costa Bortoni, Thiago Modesto de Abreu
TECHNICAL ARTICLES
<Destaque>
Comitê Diretor do CERPCH
Director Committee
CEMIG / FAPEPE / IEE-USP / FURNAS /
IME / ELETROBRAS / ANEEL / MME
DE DESEMPENHO EM CENTRAIS HIDRELÉTRICAS
PCHNotícias&SHPNews
Publisher: Acta Editora/CERPCH
DOI:10.14268/pchn.2015.00024
ISSN: 1676-0220
Subject Collection: Engineering
Subject: Engineering, measurement
TECHNICAL ARTICLES
Edson da Costa Bortoni, 2Thiago Modesto de Abreu
1
RESUMO
Este trabalho faz uma breve revisão dos procedimentos empregados no Ensaio de Desempenho, utilizado para a determinação de
Potências Instalada e Líquida de uma central hidrelétrica, quando as mesmas não puderem ser obtidas através de medições do Sistema
de Medição e Faturamento (SMF), em consonância com a Resolução n° 420 da ANEEL. São apresentados aspectos práticos da medição
das principais grandezas e apresentados procedimentos de correção quando as condições nominais não forem verificadas durante a
realização dos Ensaios.
PALAVRA-CHAVE: Ensaio de Desempenho, instrumentação, procedimentos de correção
PRACTICAL ASPECTS OF THE PERFORMANCE
TEST APPLICATION IN HYDRO POWER PLANTS
ABSTRACT
This work provides a brief review of the procedures used in the Performance Test, applied to figure out the Installed Power and Net
Power of a hydro power plant, when such information could not be obtained from the energy metering systems data, according to the
ANEEL Resolution #420. Some practical aspects of the measurement of several quantities are presented and corrective procedures to
be applied when rated operation conditions could not be established during the tests as well.
KEYWORDS: Performance Tests, instrumentation, corrective procedures.
1. INTRODUÇÃO
Adicionalmente, estabeleceu-se, por meio do novo normativo,
a obrigatoriedade para que todos os empreendedores comprovem
a real capacidade de geração, ou por meio de realização do ensaio
de desempenho, ou mediante comprovação de geração em plena
durante sete dias, utilizando para tal, os dados extraídos do
Sistema de Medição de Faturamento – SMF.
Para a comprovação das potências instalada e líquida por
meio de ensaio de desempenho, o teste deve ter uma duração
mínima de quatro horas e as grandezas medidas e registradas em
intervalos de, no máximo, trinta minutos, sendo o procedimento
detalhado no capítulo a seguir.
A Resolução ANEEL nº 407, publicada no ano de 2000, definia
como potência instalada de uma central geradora o somatório das
potências elétricas ativas nominais de suas unidades, baseando-se
somente nos dados de placa do gerador elétrico da central geradora,
sendo, portanto, desconsiderados os efeitos das condições locais,
arranjo, e dos equipamentos da usina, que certamente influenciam
na potência efetivamente disponibilizada pela central.
Naquele cenário, a potência elétrica ativa nominal (kW) era
definida pelo produto da potência elétrica aparente nominal (kVA)
pelo fator de potência nominal do gerador elétrico, considerando
o regime de operação contínuo e as condições nominais de
operação.
Com o objetivo de absorver todos os efeitos restritivos das
centrais geradoras e oferecer ao Setor Elétrico informação da real
capacidade da usina sob o ponto de vista do sistema elétrico, a
ANEEL, em complementação à definição existente da potência
instalada, evoluiu na forma de determinação da potência elétrica
ativa nominal, bem como estabeleceu uma denominação para a
potência líquida do empreendimento, sendo ambas baseadas em
resultados de informações obtidas do sistema de faturamento,
ou através de um Ensaio de Desempenho aplicado à central
geradora.
Visando aprimorar a metodologia para definição da real
capacidade de geração de um empreendimento, foi definida pela
ANEEL, no ano de 2010, a Resolução Normativa nº 420, sendo
estabelecida a definição para potência líquida, como a potência
elétrica ativa máxima disponibilizada pela central geradora no
seu ponto de conexão, ou seja, descontando da potência bruta
gerada a demanda de serviços auxiliares e as perdas no sistema
de conexão da central geradora, também comprovada mediante
dados de geração ou ensaio de desempenho.
2. CARACTERIZAÇÃO DO ENSAIO DE DESEMPENHO
Juntamente com a Resolução Normativa nº 420, a ANEEL também expediu um documento denominado Procedimento para determinação da “Potência Instalada” e “Potência Líquida” de empreendimento de geração de energia elétrica. Neste documento a ANEEL
procurou definir as diretrizes gerais necessárias para a elaboração
e o formato do Relatório Técnico para confirmação da potência instalada e potência líquida de centrais geradoras de energia elétrica.
Através deste documento a ANEEL propôs duas alternativas
para se definir o valor da potência instalada e da potência líquida
da central geradora, considerando as particularidades técnicas de
cada empreendimento, a saber: ou comprovam-se estes valores
utilizando dados de geração, obtidos do medidor de faturamento,
de um período de sete dias, em base horária, ou aplica-se o
chamado Ensaio de Desempenho, onde a central deve operar na
potência que se deseja comprovar, com duração mínima de quatro
horas, monitorando-se grandezas elétricas, mecânicas, térmicas,
hidráulicas e ambientais, com emissão de devida Anotação de
Responsabilidade Técnica (ART), conforme regulamentação do
Conselho Regional de Engenharia, Arquitetura e Agronomia (CREA).
Instituto de Sistemas Elétricos e Energia – Universidade Federal de Itajubá.
Programa de Pós-Graduação em Engenharia da Energia – Universidade Federal de Itajubá
1
2
PCH NOTÍCIAS & SHP NEWS, 66, (3), JUL,SET/2015, DA PÁG. 3-7
3
ARTIGOS TÉCNICOS
No Ensaio de Desempenho, com duração mínima de quatro
horas, as grandezas devem ser medidas e registradas em
intervalos de, no máximo, 30 minutos, com exceção daquelas
obtidas diretamente do sistema de medição de faturamento ou do
sistema de supervisão da central, quando deverão ser respeitados
os intervalos de medição padronizados para esses equipamentos. O
valor da “potência instalada” e da “potência líquida” obtida deverá
ser baseado na energia efetivamente gerada durante o período
do teste pelo tempo total do mesmo, devendo ser realizadas as
eventuais correções conforme prescreve este Procedimento.
Todas as unidades geradoras deverão estar programadas para
gerar a potência ativa e fator de potência próximo aos valores
que se desejam comprovar. Correções devem ser aplicadas caso
não se consiga, devido a questões sistêmicas e de queda líquida,
trabalhar nas condições que se desejam comprovar. Antes do
início do Ensaio de Desempenho deverá haver a estabilização
completa dos parâmetros térmicos e mecânicos, segundo
critérios a serem adotados.
Exceto para as grandezas elétricas, as quais deverão ser
obrigatoriamente monitoradas em todas as unidades, as
demais grandezas poderão ser monitoradas em no mínimo uma
unidade geradora, desde que as demais apresentem as mesmas
características de projeto e construção da unidade monitorada.
Para as grandezas térmicas e mecânicas, antes do início dos testes deverão ser registrados os seus valores nominal, de alarme e de
parada por emergência da unidade, quando aplicável, para os quais
o sistema de supervisão está programado. Todos os instrumentos
utilizados nos ensaios para monitoramento das grandezas elétricas
deverão ter rastreabilidade quanto a sua calibração, em consonância com as práticas usualmente adotadas. A seguir são detalhados
os procedimentos utilizados para as medições necessárias.
medição de corrente e garras jacaré para medição de tensão
são fundamentais para facilidade de instalação, verificação da
correta instalação, e intervenção mínima ao sistema de medição
existente, como mostra a figura 1.
Também, é de interesse que o medidor utilizado apresente
capacidade de medição e armazenamento de outras grandezas
elétricas como tensão, corrente e fator de potência, já que para
as grandezas elétricas devem-se medir as potências ativa, reativa
e aparente, e fator de potência nos bornes do gerador elétrico e
no ponto de conexão.
Estas medições são fundamentais para a determinação do balanço energético da central, isto é, potência bruta simultânea de cada
unidade geradora, medida nos geradores elétricos; potência exportada, medida no ponto de conexão; consumo em serviços auxiliares/
perdas; e consumo em cargas industriais próprias, caso existam.
Como, em última instância, os valores das Potências Instalada
e Líquida são obtidos dos resultados de medição de potência,
é de suma importância que os medidores empregados sejam
calibrados, apresentando certificados de rastreabilidade, o que
garante a precisão e exatidão das medições.
Assim, não é possível a utilização de dados de supervisórios
para a medição de potência, haja vista que estes, em geral, são
obtidos de medições de relés, disponíveis na rede de dados da
central. Por outro lado, dados de supervisório podem ser utilizados
para a montagem de gráficos de carregamento da central durante
o Ensaio de Desempenho, como mostra a figura 2.
3. ASPECTOS PRÁTICOS DA CONFIRMAÇÃO DA
POTÊNCIA INSTALADA
A realização do Ensaio de Desempenho necessariamente
implica em medições de grandezas elétricas, térmicas, mecânicas,
hidráulicas e ambientais. Se por um lado devem-se instalar
sensores para o monitoramento das grandezas de interesse,
por outro esta instalação deve provocar a menor interferência
possível, explorando ao máximo a estrutura de medição existente.
3.1. Medição de potência e energia
Fig. 2: Histórico de medições durante o Ensaio de Desempenho.
Fig. 1: Instalação de sensores para medição de potência e energia.
A medição de potência deve ser realizada com o emprego
de wattímetros calibrados, com capacidade de integralização da
potência ao longo do período do Ensaio, de modo a se obter
a energia totalizada durante o Ensaio, posto que a potência é
obtida da relação entre energia medida e o período de tempo
decorrido durante o Ensaio.
Os instrumentos empregados também devem impor mínima
intervenção no sistema existente. Garras amperimétricas para
4
Uma das grandes dificuldades para a medição de potência
elétrica e energia diz respeito ao número e tipo de conexão
de transformadores de corrente (TC) e de potencial (TP). No
universo de centrais existentes é uma grande variedade de
soluções adotadas por projetistas. Assim encontram-se medições
de potência com dois ou com três TPs, que podem estar ligados
em estrela, em delta, ou conexão V. No caso de TCs, podem-se
encontrar instalações com dois, três, ou quatro TCs. Assim, o
instrumento a ser utilizado deve ser capaz de ser configurado
para correta medição para qualquer tipo de instalação a ser
encontrada em campo.
3.2. Medição de grandezas térmicas
As grandezas térmicas se resumem nas temperaturas de
enrolamento de armadura dos geradores, temperaturas do
transformador elevador, e nas temperaturas dos metais patentes
de todos os mancais do conjunto turbina-gerador.
TECHNICAL ARTICLES
Note-se que é muito difícil, sem que haja um profundo
conhecimento prévio das máquinas em estudo, a inserção de
sensores de temperatura na armadura ou nos mancais dos
geradores. Por esta razão, a medição de temperatura é, em
geral, realizada empregando-se a instrumentação existente.
Exceção se faz àqueles casos onde é possível estabelecer uma
janela de medição para a utilização de pirômetros de radiação ou
de câmeras termográficas, figura 3.
Quadro 1: Limites de velocidade de vibração impostos por norma.
Classe I
Classe II
Tipo de
Máquinas Máquinas
Máquina
Pequenas Grandes
Classe III
Máquinas
Grandes com
Fundação
Rígida
Classe IV
Máquinas
Grandes com
Fundação
Flexível
0,28
Vibração [mm/]
0,45
Bom
0,71
1,12
1,80
2,80
Satisfatório
4,50
7,10
Insatisfatório
11,20
18,00
28,00
Inaceitável
45,00
Fig. 3: Medição de temperatura usando radiação infravermelha.
Como indicado nos Procedimentos de realização do Ensaio
de Desempenho, devem ser anotados previamente os limites de
todos os valores limite previstos para sinalização de alarme e
parada por emergência das unidades geradoras. Sendo assim,
o Ensaio de Desempenho deve ser cuidadosamente conduzido
de modo que tais limites não sejam ultrapassados, com pena de
desligamento intempestivo das unidades geradoras.
A medição de deslocamento de eixo em coordenadas
ortogonais permite a visualização da órbita de oscilação do
mesmo, figura 5. Os sensores utilizados podem ser relógios
comparadores ou, mais recentemente disponíveis, os sensores
de proximidade indutivos.
A oscilação de eixos é uma medição relativa, isto é, é feita
tomando-se como base a vibração de todo o conjunto, estando a
base do sensor posicionada no mancal da máquina.
3.3. Medição de vibração e oscilação de eixos
As medições de vibração e de oscilação de eixo são de suma
importância no sentido de se garantir a capacidade de geração
em condições nominais. Note-se que, mesmo em projetos mal
realizados, em situações extremas, pode-se gerar a potência
nominal. Entretanto, em contrapartida, os níveis de vibração e de
oscilação de eixos subirão a níveis inadmissíveis, demonstrando
tal limitação.
As medidas de vibração são realizadas com o emprego de
acelerômetros posicionados em quadratura, como mostra a
figura 4, com medição de velocidade de vibração em coordenadas
ortogonais nos mancais e regidas pelas normas ISO 2372 e ISO
10816-1, de 1974 e de 1995, respectivamente [3-4], cujas
informações são transcritas no quadro 1.
Fig. 4: Medição de velocidade de vibração de mancais.
Fig. 5: Medição de oscilação de eixo.
3.4. Medição de grandezas hidráulicas
Como grandezas hidráulicas têm-se as pressões, os níveis de
montante e de jusante, e a vazão turbinada. As pressões a serem
medidas são as pressões na entrada e na saída das turbinas
hidráulicas. Junto com a vazão e níveis estáticos, estes valores
são de fundamental importância para se conhecer a queda líquida
disponível para a conversão de energia. Da mesma forma, as
tomadas de pressão Winter-Kennedy são utilizadas para medidas
relativas e absolutas de vazão.
Os níveis podem ser medidos empregando a instrumentação
existente, que em geral trata-se de sensores ultrassônicos ou
sensores de pressão para a medição de nível, normalmente
disponibilizados em supervisório, pode-se também medir
tais níveis visualmente, empregando as réguas existentes na
barragem e no canal de fuga da central.
Em geral, tomadas de pressão já são disponíveis nas centrais,
principalmente as de entrada e de saída da turbina hidráulica,
porém, as tomadas de pressão de Winter-Kennedy nem sempre
estão disponíveis, inviabilizando a medição de vazão empregando
esta técnica.
A vazão é uma das grandezas mais importantes de serem
conhecidas, e na mesma proporção, uma das mais difíceis de
5
ARTIGOS TÉCNICOS
serem medidas [5-6]. A vazão pode ser medida em canais, galerias
e em tubulações, de modo on-line ou off-line. Basicamente, para
atendimento dos requisitos da Res. 420, aplicam-se os métodos
on-line, que não implicam em desligamento ou imposição de
transitórios para as medidas.
Dentre os vários métodos disponíveis para medição de vazão
com foco no Ensaio de Desempenho, destacam-se os métodos
acústicos ultrassônicos, os quais podem ser aplicados em
tubulações ou em canais abertos, como mostram as figuras 6 (a)
e (b), respectivamente.
A operação com um fator de potência maior do que nominal
implica em uma menor elevação de temperatura do gerador,
haja vista que a potência aparente será menor, resultando
em uma menor corrente de armadura e menor corrente de
campo. Para tanto, parte-se do princípio de que, para rotação
e corrente de carga constantes, a elevação de temperatura é
diretamente proporcional ao quadrado da corrente de operação
[7-9]. A corrente por sua vez é inversamente proporcional ao
fator de potência (FP). Assim, considerando que a potência ativa
é nominal, a elevação de temperatura operando com fator de
potência nominal (FPN) será:
(1)
Fig. 6: Medição de vazão com sensores acústicos.
Por outro lado, há que se destacar a grande dificuldade de
medição de vazão em centrais desprovidas de canais ou condutos
forçados, como em centrais com turbinas bulbo, poço, ou Kaplan
com caixa semi-espiral. Nestes casos, apenas a medição da
pressão diferencial, isto é, com a aplicação do método de WinterKennedy, viabiliza esta medição.
4. PROCEDIMENTOS DE CORREÇÃO
O Procedimento para determinação da Potência Instalada
e Potência Líquida de empreendimento de geração de energia
elétrica fornecido pela ANEEL [2] declara que o Relatório Técnico
deverá contemplar métodos que propiciem a correção das
medições de geração às condições nominais da central geradora;
no caso de hidrelétricas, os resultados devem ser transpostos
à queda líquida máxima (nominal). Também, em relação ao
fator de potência, o documento [2] descreve que o resultado da
potência ativa deverá levar em consideração o fator de potência
obtido nas medições.
O documento [2] define que o fator de potência nominal é
o valor teórico obtido da curva de capabilidade do gerador,
considerando a intersecção entre o trecho da limitação imposta
pela corrente de campo ou corrente de excitação do rotor do
gerador e o trecho da limitação imposta pela corrente de armadura,
considerando a operação do gerador como capacitivo. Entretanto,
deve-se entender que o fator de potência nominal é o descrito na
placa do gerador, e que o traçado da curva de capabilidade é uma
consequência desta informação, e não o contrário.
Observe que nem sempre é possível a operação de uma máquina
em seu fator de potência nominal. Este fato ocorre principalmente
devido a condições sistêmicas, quando há excesso de reativos na
rede, provocando uma geral elevação da tensão do sistema. Como
o fator de potência nominal é obtido sobre-excitando-se a máquina
sob teste, tem-se que esta prática acarretaria em uma excessiva
elevação de tensão no barramento do gerador, superando os 5%
admissíveis, inviabilizando a execução do teste, mesmo subexcitando-se uma máquina vizinha para absorção dos reativos
gerados e redução da tensão terminal.
Caso o ensaio não possa ser realizado com fator de potência
nominal, devido a condições sistêmicas, deve-se corrigir a
elevação de temperatura observada.
6
Caso a queda líquida observada durante o ensaio não seja
a nominal, o procedimento permite que a mesma seja corrigida
para esta condição de projeto. A correção da potência ativa
gerada com queda líquida nominal parte do princípio de que a
queda líquida é dada pela diferença entre a queda bruta e as
perdas de carga. Assim, o coeficiente de perda de carga pode
ser calculado para as condições nominais de queda bruta, queda
líquida e vazão.
(2)
A queda bruta nominal é obtida de dados de projeto, enquanto
a queda líquida e vazão nominais podem ser obtidas das placas
das turbinas hidráulicas. De posse do coeficiente de perda de
carga, pode-se calcular a queda líquida para cada condição de
queda bruta e vazão.
(3)
A relação entre a queda líquida de referência e a queda
líquida medida nos mostra qual potência poderia ser gerada em
condições nominais.
5. CONCLUSÕES
O trabalho apresentou as principais motivações e
características do Ensaio de Desempenho, utilizado para a
determinação de Potências Instalada e Líquida de uma central
hidrelétrica, quando as mesmas não puderem ser obtidas através
de medições do Sistema de Medição e Faturamento (SMF).
Foram apresentados aspectos práticos da medição das
principais grandezas envolvidas no Ensaio, a saber: Potência e
energia, temperatura de enrolamentos e de mancais, vibração e
oscilação de eixo, vazão, pressões e níveis.
Também foram apresentados procedimentos de correção de
temperatura, a ser aplicado quando não se conseguir realizar o
Ensaio com o fator de potência nominal, e correção da potência
gerada, quando a queda líquida nominal não for verificada
durante os Ensaios.
6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
• A
NEEL; “Resolução Normativa Nº 420, de 30 de novembro de
2010”.
• ANEEL; “Procedimento para determinação da Potência
Instalada e Potência Líquida de empreendimento de geração
de energia elétrica”, Revisão após o processo de Consulta
Pública n°006/2011, Despacho ANEEL nº. 131/2012.
TECHNICAL ARTICLES
• N
orma ISO 2372 - Mechanical vibration of machines with
operating speeds from 10 to 200 rev/s - Basis for specifying
evaluation standards, 1974.
• Norma ISO 10816-1 - Mechanical vibration -- Evaluation of
machine vibration by measurements on non-rotating parts -Part 1: General guidelines, 1995.
• Souza, Z.; Bortoni, E.C.; “Instrumentação para sistemas
energéticos e industriais”. Editora Novo Mundo, 2006.
• Bortoni, E.C.; “New developments in Gibson’s method for flow
measurement in hydro power plants”. Flow Measurement and
Instrumentation 19 (2008), pp. 285-390.
• Bortoni, E.C. et alii, "Extracting Load Current Influence From
Infrared Thermal Inspections", IEEE Transactions on Power
Delivery, Vol. 26, N 2, pp. 501-506, 2011.
• Lyon Jr, B.R.; Orlove, G.L.; Donna, L.P.; The Relationship
between Current Load and Temperature for Quasi-Steady
State and Transient Conditions, Infrared Training Center 2002.
• Bortoni, E.C.; Siniscalchi, R.T.; Jardini, J.A.; “Hydro generator
efficiency assessment using infrared thermal imaging
techniques”. IEEE Trans. on EC, Vol. 26, N. 4, Dec. 2011, pp.
1134-1139.
• Souza, Z.; Santos, A.M.; Bortoni, E.C.; “Centrais hidrelétricas
– Implantação e comissionamento”. Editora Interciência,
2009.
7
ARTIGOS TÉCNICOS
DOI:10.14268/pchn.2015.00025
ISSN: 1676-0220
Subject: Engineering, Hydrological
data;resolution
DIFICULDADES PARA ATENDIMENTO À RESOLUÇÃO CONJUNTA
ANEEL/ANA N° 03/2010: A VISÃO DO EMPREENDEDOR
DIFICULDADES PARA ATENDIMENTO
À RESOLUÇÃO CONJUNTA ANEEL/ANA
N° 03/2010: A VISÃO DO EMPREENDEDOR
Joana Cruz de Souza, 2Júlia França Alvarenga
1
RESUMO
A Resolução Conjunta ANEEL/ANA nº 03, de 10 de agosto de 2010, estabelece as condições e os procedimentos a serem observados
pelos concessionários e autorizados de geração de energia hidrelétrica para a instalação, operação e manutenção de estações
hidrométricas, visando ao monitoramento pluviométrico, limnimétrico, fluviométrico, sedimentométrico e de qualidade da água
associado a aproveitamentos hidrelétricos.
Dentre seus objetivos, constam a melhoria do controle e a disponibilidade dos dados hidrológicos; a quantificação permanente da
situação dos recursos hídricos no Brasil e operação do sistema elétrico nacional; o subsídio para tomadas de decisão relativas às
medidas de prevenção a eventos críticos (secas e cheias) e a eficaz fiscalização.
Neste contexto, após quatro anos de implantação da Resolução em foco, o presente artigo apresenta um relato das dificuldades
encontradas pelo setor elétrico para seu pleno atendimento. Dentre elas, destacam-se:
i)
ii)
iii)
iv)
v)
vi)
vii)
viii)
ix)
x)
abrangência da Resolução;
critério de definição de quantitativo de estações hidrométricas;
monitoramento de qualidade da água desvinculado do processo de licenciamento ambiental;
variabilidade dos custos dos equipamentos, serviços e atividades constantes de manutenção;
confiabilidade dos dados hidrológicos coletados;
quantidade de dados hidrológicos a ser processada;
complexidade do relatório de consistência anual;
transmissão de dados;
negociação de terras para a instalação dos equipamentos de medição e monitoramento; e,
ausência de fiscalização e indefinição de penalidades quanto ao descumprimento da legislação.
PALAVRA-CHAVE: Monitoramento; hidrométrico; ANEEL; ANA.
DIFFICULTIES FOR THE COMMITMENT
WITH THE ANEEL/ANA 03/2010 JOINT
RESOLUTION: THE OWNER’S VIEW
ABSTRACT
The ANEEL/ANA 03 joint resolution, from August 10th 2010, establishes the conditions and procedures for the installation, operation
and maintenance of hydrometric stations, with the objective to monitor rainfall, level, runoff, sediment and water quality associated
with hydroelectric power plants.
Among its purposes are the improvements at the control and availability of hydrological data; permanent quantification of the water
resources situation in Brazil and the national electricity system operation; permitting decision-making on measures to prevent critical
events (droughts and floods) and to implement effective inspection.
In this context, four years after the implementation of the resolution, this paper presents a summary of the difficulties experienced by
the owners, such as:
i)
ii)
iii)
iv)
v)
vi)
vii)
viii)
ix)
x)
content extension of the resolution;
definition criteria for the number of hydrometric stations;
water quality monitoring unrelated to environmental licensing process;
cost variability to purchase equipment, services and regular maintenance;
reliability of the collected hydrological data;
amount of hydrological data to work with;
complexity of the annual consistency report;
data transmission;
land negotiation to install the measuring equipment; and,
absence of inspection and undefined penalties for noncompliance of the resolution.
KEYWORDS: Hydrometric monitoring; ANEEL; ANA.
Afiliação: Azurit Engenharia Ltda. Engenheira Civil/UFMG; Mestre em Saneamento, Meio Ambiente e Recursos Hídricos/UFMG; [email protected]
Afiliação: Azurit Engenharia Ltda. Engenheira Ambiental/UFMG; [email protected]
1
2
8
TECHNICAL ARTICLES
1. INTRODUÇÃO
A Resolução Conjunta da Agência Nacional de Energia Elétrica
(ANEEL) e da Agência Nacional de Águas (ANA) n° 03, de 10
de agosto de 2010 (BRASIL, 2010), estabelece as condições e
os procedimentos a serem observados pelos concessionários e
autorizados de geração de energia hidrelétrica para a instalação,
operação e manutenção de estações hidrométricas, visando ao
monitoramento pluviométrico, limnimétrico, fluviométrico, sedimentométrico e de qualidade da água associado a aproveitamentos hidrelétricos.
Dentre seus objetivos, constam a melhoria do controle
e a disponibilidade dos dados hidrológicos; a quantificação
permanente da situação dos recursos hídricos no Brasil e
operação do sistema elétrico nacional; o subsídio para tomadas
de decisão relativas às medidas de prevenção a eventos críticos
(secas e cheias) e a eficaz fiscalização.
Neste contexto, o presente artigo apresenta as dificuldades
enfrentadas pelos empreendedores hidrelétricos para atendimento pleno à Resolução em tela.
2. MATERIAL E MÉTODOS
O Decreto 24.643, de 10 de julho de 1934, também conhecido
como Código de Águas, em seu artigo 153, bem como o artigo 104
do Decreto 41.019, de 26 de fevereiro de 1957 já faziam menção
à obrigatoriedade da instalação e manutenção de estações
fluviométricas pelos agentes concessionários e autorizados de
energia elétrica, quando da utilização do aproveitamento da
energia hidráulica dos recursos hídricos.
Anos mais tarde, passou a vigorar a Resolução ANEEL nº 396,
de 04 de dezembro de 1998 (BRASIL, 1998). Esta nova norma
estabeleceu que, em todos os aproveitamentos hidrelétricos, os
agentes autorizados e concessionários de geração de energia
hidrelétrica ficariam obrigados a instalar, manter e operar
estações pluviométricas e fluviométricas nas regiões hidrográficas
dos seus respectivos empreendimentos; bem como a manter
atualizadas as curvas de descarga das estações fluviométricas
e as curvas cota-volume dos reservatórios dos aproveitamentos.
Em atendimento às determinações da Resolução nº 396/98
(BRASIL, 1998), os agentes de geração de energia hidrelétrica
teriam, portanto, a responsabilidade de produzir, com qualidade
e consistência, dados hidrológicos de chuva e vazão a partir
de medições e observações efetuadas. Além disso, os agentes
deveriam produzir, de forma periódica, dados de levantamentos
topobatimétricos a serem apresentados à ANEEL, em consonância
com as entregas das atualizações das curvas cota-volume dos
reservatórios, bem como das respectivas estimativas de perda,
diminuição ou evolução da capacidade de armazenamento e de
regularização dos reservatórios.
Na sequência, a Resolução ANEEL/ANA nº 03/2010 (BRASIL,
2010) revogou a Resolução ANEEL nº 396/1998 (BRASIL, 1998).
A partir da nova norma, passaram a ser monitorados, além
dos parâmetros outrora aferidos pela antiga Resolução ANEEL
nº 396/1998 (BRASIL, 1998), os níveis limnimétricos, as descargas
sólidas e, para aproveitamentos com área alagada superior a
3 km2, a qualidade de água dos reservatórios.
Ainda em relação à Resolução nº 396/98 (BRASIL, 1998),
do ponto de vista do quantitativo de estações fluviométricas e
pluviométricas, a Resolução Conjunta vigente exige a instalação
de uma estação pluviométrica em aproveitamentos com área
incremental entre 0 e 500 km2. Para as demais áreas incrementais
foi mantida a quantidade de estações já estabelecida.
Outras inovações advindas da Resolução ANEEL/ANA nº
03/2010 (BRASIL, 2010) foram o estabelecimento do envio
constante e remoto de dados de monitoramento hidrológico à
ANA, agência responsável pelo gerenciamento das informações,
e o estabelecimento de procedimentos para o controle e
monitoramento do processo de assoreamento dos reservatórios.
Neste contexto, valendo-se da experiência adquirida da
aplicação da Resolução ANEEL/ANA nº 03/2010 (BRASIL, 2010)
em empreendimentos hidrelétricos em operação no Estado de
Minas Gerais e em constantes trocas de opinião com outras
empresas do ramo, a equipe técnica da Azurit Engenharia Ltda.
levantou uma série de dificuldades encontradas no cumprimento
à nova Resolução.
3. RESULTADOS E DISCUSSÃO
Com base nos trabalhos realizados pela equipe e na opinião
de outros empreendedores da área, os principais problemas
levantados em relação ao cumprimento da Resolução ANEEL/ANA
estão descritos a seguir.
3.1 Abrangência da Resolução
Em seu Art. 1°, a Resolução em tela define que:
Estabelecer aos concessionários e autorizados de geração de energia hidrelétrica as condições e os procedimentos para a instalação, operação e manutenção de estações hidrométricas para o monitoramento
pluviométrico, limnimétrico, fluviométrico, sedimentométrico e de qualidade da água na Bacia Hidrográfica,
e dá outras providências (BRASIL, 2010).
A presente Resolução é aplicável a todos os empreendimentos
hidrelétricos detentores de concessão ou autorização, não
estando, portanto, atrelada à operação da usina. Assim sendo,
muitos empreendimentos, antes mesmo de começarem a gerar
receitas, já precisam desprender investimentos para atendimento
à legislação em questão, o que onera seus custos.
3.2 Critério de Definição de Quantitativo de Estações
Hidrométricas
A área de drenagem, apesar de ser um importante critério
de referência para a quantificação do número de estações
hidrométricas, uma vez que ilustra o potencial hídrico do local
em questão, não pode ser avaliada isoladamente para fins de
definição do número de estações. Isso se deve, sobretudo, à
pluralidade das bacias hidrográficas brasileiras bem como às
diferentes características hidrometeorológicas das regiões do
país. Soma-se a isso a avaliação da relevância e necessidade dos
dados hidrométricos a serem monitorados.
Assim sendo, torna-se de fundamental importância a avaliação
das características intrínsecas a cada aproveitamento hidrelétrico
e a cada bacia hidrográfica, como, por exemplo, as características
geológicas e de vegetação, bem como o uso e ocupação do
entorno do rio e das atividades econômicas associadas à bacia.
Da maneira como está definido, muitas estações hidrométricas
foram e serão instaladas sem haver, no entanto, aplicabilidade
para os seus dados gerados.
Especificamente naquilo que se refere à estação fluviométrica
a ser instalada a jusante do empreendimento, a Resolução
ANEEL/ANA nº 03/2010 (BRASIL, 2010) define que:
§8º A impossibilidade de instalação de uma estação
fluviométrica a jusante do aproveitamento não desobriga o agente de respeitar o quantitativo de estações
estabelecido no §3º deste artigo (BRASIL, 2010).
O objetivo da instalação da estação fluviométrica de jusante
é controlar as vazões vertidas e turbinadas da usina. Portanto,
se não houver condições hidráulicas para sua instalação, o
9
ARTIGOS TÉCNICOS
Agente deveria prescindir desta obrigação, substituindo-a
pelo fornecimento de dados da vazão turbinada, vertida e, se
aplicável, da vazão residual.
No entanto, isto não é observado. Para empreendimentos em
cascata, nos quais a restituição de um aproveitamento coincide
com o remanso do reservatório a jusante, tem-se vivenciado
constante debate com a equipe técnica da ANA, tornando o
diálogo exaustivo e lento.
Especialmente para pequenas usinas hidrelétricas, a definição
da quantidade de estações a ser implantada com base na área
incremental do empreendimento não é adequada à realidade. Muitas
vezes, a área incremental é muito grande comparada ao porte da
usina e à área efetivamente ocupada pelo empreendimento. Além
disso, em função do reduzido impacto destes aproveitamentos na
bacia, o grande volume de dados coletados não necessariamente
traz informações relevantes para o Setor.
Diante do exposto, constata-se que o quantitativo de estações
hidrométricas definido pela presente Resolução deveria ser fruto
de análise conjunta entre ANEEL, ANA e cada Agente Gerador.
3.3 Monitoramento de Qualidade da Água Desvinculado
do Processo de Licenciamento Ambiental
Naquilo que se refere à exigência de monitoramento de
qualidade da água para reservatórios com área inundada superior
a 3 km2, transcreve-se o que se segue.
§ 4º As medições de descarga líquida, descarga sólida
e de qualidade da água deverão ocorrer simultaneamente (BRASIL, 2010).
Como o calendário da equipe de hidrometria dificilmente
coincide com a agenda da equipe que monitora a qualidade da
água no âmbito do licenciamento ambiental, tem-se, na maioria
dos casos, duplicidade de dados coletados, onerando, ainda mais,
o empreendimento.
Acrescenta-se, ainda, que, de acordo com as particularidades
de cada empreendimento, o órgão ambiental já estabelece a malha
de amostragem dos pontos de monitoramento, com as condições e
padrões específicos de qualidade de água, conforme estabelecido
na Resolução do Conselho Nacional de Meio Ambiente (CONAMA)
357, de 17 de março de 2005 (BRASIL, 2005). Desta forma, o
próprio órgão ambiental já disciplina o monitoramento de qualidade
da água. A exigência da Resolução ANEEL/ANA nº 03/2010
(BRASIL, 2010), portanto, não agrega novos conhecimentos.
3.4 Variabilidade dos Custos dos Equipamentos, Serviços
e Constantes Atividades de Manutenção
A operação de uma rede de estações hidrometeorológicas
envolve, geralmente, vultuosos investimentos. Em pesquisa de
mercado, constatou-se que os preços médios de equipamentos e
serviços oscilam conforme Quadro 3.1.
Os preços orçados não incluem os custos de implantação da
infraestrutura civil; mão de obra de instalação e manutenção das
estações, além dos serviços de medição de descargas líquidas,
sólidas e de qualidade da água.
A necessidade da telemetria só é justificada para os casos de
empreendimentos cujos reservatórios impactam a integridade e
a segurança da sociedade no qual se encontram inseridos. Neste
cenário, estas informações compõem um sistema integrado de
alertas, não sendo o caso da maioria das Pequenas Centrais
Hidrelétricas (PCHs).
A operação de postos hidrometeorológicos é trabalhosa e
diária. Caso a atividade de manutenção rotineira não seja uma
conduta adotada, é possível deparar-se com situações peculiares
em campo sendo algumas delas listadas a seguir.
10
i)Painel solar encoberto por vegetação, comprometendo a
recarga da bateria.
ii) Comprometimento do funcionamento do pluviômetro em
função da ação do vento.
iii) Comprometimento do funcionamento do pluviômetro em
função de seu entupimento por presença de insetos.
iv)Vandalismo.
v) Presença de animais de médio e grande porte nas proximidades das estações, podendo estas serem alvo de pisoteio ou
avaria das réguas.
vi) Eventos críticos relacionados às vazões mínimas, ocasionando
em níveis d´água abaixo do primeiro lance de régua.
vii)Eventos críticos relacionados às vazões máximas, ocasionando em níveis d´água superiores ao último lance de régua.
Diante do exposto, vale pontuar que apenas a instalação das
estações não é suficiente. Mesmo os postos automáticos necessitam de manutenção periódica, o que implica em treinamento e
disciplina dos operadores dos aproveitamentos hidrelétricos.
Quadro 3.1: Variação dos preços encontrados no mercado para
aquisição de equipamentos e contratação de serviços.
Serviços
Projeto de Instalação das Estações Hidrométricas
(com área incremental < 500 km2)
Relatório de Instalação das Estações Hidrométricas
(com área incremental < 500 km2)
Relatório Anual (com área incremental < 500 km )
2
Equipamentos
Valor
Mínimo
Orçado
(R$)
Valor
Máximo
Orçado
(R$)
1.500,00
8.000,00
1.500,00
4.000,00
10.000,00 16.000,00
Valor
Mínimo
Orçado
(R$)
Valor
Máximo
Orçado
(R$)
Estação nível e chuva com 20 m de cabo
13.500,00 19.000,00
Estação nível
12.000,00 17.000,00
Transmissão via satélite, recepção, hospedagem
e disponibilização dos dados (custo mensal por
estação)
300,00
400,00
3.5 Confiabilidade dos Dados Hidrológicos Coletados
A constante validação e consistência dos dados é tarefa
imprescindível quando se trata de dados hidrológicos. Cada vez
mais decisões baseadas em previsões de tempo, de clima, de
hidrologia, de operação de sistemas hidrelétricos e de gestão
de recursos hídricos são e serão tomadas. Portanto, os acertos
destas ações serão maiores quanto melhor a qualidade dos dados
e a proximidade destes com o tempo atual.
Menciona-se, ainda, que todos os dados hidrometeorológicos monitorados necessitam de tratamentos e processamentos
básicos para que possam ser utilizados com confiabilidade. As
incertezas envolvidas nos dados medidos de precipitação, nível
d’água, descargas líquidas, entre outras, muito raramente, podem ser desprezadas sem passarem, pelo menos, por análises
preliminares (LOPES et al., 2013).
Neste contexto, afirma-se que grande parte dos dados
disponibilizados pelo Sistema de Informações Hidrológicas da
ANA, conhecido como Hidroweb (ANA, 2011), não está sendo
processada e, consequentemente, têm sido disponibilizados dados
brutos, acarretando em sobrecarga de trabalho ao empreendedor.
Antes mesmo de iniciar a consistências de seus próprios dados
hidrométricos, o empreendedor precisa consistir os dados das
estações de apoio. Caso não seja feita esta etapa, embute-se um
erro ainda maior aos resultados obtidos e estimados.
TECHNICAL ARTICLES
3.6 Quantidade de Dados Hidrológicos a Ser Processada
3.8 Transmissão de dados
O volume de dados hidrológicos gerados durante o ano de referência a ser estudado é muito grande, demandando trabalho exaustivo para sua organização, verificação, tratamento e consolidação.
A Resolução ANEEL/ANA nº 03/2010 (BRASIL, 2010) exige
que o monitoramento seja feito em escala horária ou inferior e,
ao serem processados, devem ser consolidados em escala diária,
mensal e anual.
A metodologia definida para a consistência dos dados é
relevante e válida para estudos criteriosos de picos de chuva e
vazão e estudos aprofundados de vazões mínimas. No entanto,
não apresenta grande relevância quando aplicada para pequenos
empreendimentos cujos reservatórios sequer detêm capacidade
de regularização de vazão.
Naquilo que se refere à exigência de transmissão horária dos
dados monitorados, transcreve-se o que se segue.
3.7 Complexidade do Relatório de Consistência Anual
Ao tratar os dados hidrológicos coletados, constata-se a
existência de erros de digitação, falhas na transmissão do satélite
e variações decorrentes da operação da usina, dificultando,
assim, a consolidação das séries fluviométrica e pluviométrica.
Conforme Resolução ANEEL/ANA 03/2010 (BRASIL, 2010),
tem-se que:
Art. 6º Os concessionários ou autorizados deverão
encaminhar à ANA, até o dia 30 de abril de cada
ano, relatório de consistência dos dados gerados no
ano anterior, no modelo indicado pela ANA no seu
endereço virtual, incluindo os dados pluviométricos,
limnimétricos, fluviométricos, sedimentométricos e de
qualidade da água, bem como as curvas de descarga
líquida e sólida atualizadas (BRASIL, 2010).
A avaliação e a consistência dos dados hidrométricos gerados
durante o período de um ano civil (de janeiro a dezembro),
conforme determinado pela Resolução, não envolvem conceitos
básicos de comportamento das séries hidrológicas. Assim sendo,
a avaliação deveria ser fundamentada no ano hidrológico, o que
permitiria melhor tratamento estatístico dos dados, especialmente
no que diz respeito às vazões extremas.
De acordo com Alvarenga (2015), ressalta-se, ainda, a grande
dificuldade de se trabalhar com os programas disponibilizados e
recomendados pela ANA, quais sejam: Hidro 1.2 (ANA, 2015);
Hidro-Plu (ANA et al., s.d.) e SiaDH 1.2 (ANA, s.d.).
O Hidro-Plu (ANA et al., s.d.) é utilizado para tratamento
de dados de chuva, tendo sido elaborado no final da década de
1990. Embora seja disponibilizado e recomendado pela ANA, o
programa não funciona corretamente em computadores atuais,
uma vez que só é compatível com o sistema operacional Windows
98 (MICROSOFT, 1998). Além disso, não contem manual de
funcionamento ou suporte.
O SiaDH 1.2 (ANA, s.d.), software utilizado para consistência
de dados fluviométricos, também apresentou problemas. De acordo
com ANA (2012), o SiaDH é capaz de processar a maioria das
análises solicitadas pelo Relatório Anual de Consistência de Dados.
No entanto, a ausência de manual e/ou suporte dificulta, em muito,
seu manuseio, comprometendo o cronograma de atividades.
O Hidro 1.2 (ANA, 2015), por sua vez, apresenta algumas
facilidades em relação aos demais programas. Em sua plataforma,
é possível importar e exportar informações no formato .xls
(Microsoft Excel). Ademais, tem manual do usuário e suporte de
atendimento satisfatório.
No entanto, o Hidro 1.2 (ANA, 2015) ainda aponta
algumas dificuldades, tais como lentidão de processamento
e processamento equivocado. Assim, torna-se imprescindível
comparar os resultados advindos do Hidro 1.2 com planilhas
manuais desenvolvidas pelos próprios empreendedores.
Art. 5º Todas as estações hidrométricas com monitoramento pluviométrico, limnimétrico e fluviométrico deverão ser automatizadas e telemetrizadas, devendo as
informações coletadas serem registradas em intervalo
horário, ou menor, com disponibilização horária à ANA,
por meio de serviços de transferência via internet no
formato e endereço indicado pela ANA (BRASIL, 2010).
Todo sistema de transmissão de dados tem a possibilidade de
ter associado a esta atividade erro decorrente tanto dos sensores
quanto do próprio sistema de recepção.
Pela experiência vivenciada, tem-se constatado que, em
alguns locais onde o sistema de transmissão de dados adotado
é via satélite, há erros frequentes de transmissão. Isto ocorre
normalmente em vales encaixados, com significativos desníveis
topográficos. Neste caso, a transmissão fica sujeita às janelas de
disponibilização do satélite para envio dos dados da estação. Vale
apenas pontuar que a opção da disponibilização de dados por
satélite ocorre quando não há sinal regular de rádio ou celular,
tornando-se a única solução a ser implantada.
Assim sendo, deveria haver flexibilização da frequência de
envio de forma a viabilizar a operacionalização do processo.
3.9 Negociação de Terras para a Instalação dos
Equipamentos de Medição e Monitoramento
A exigência irrestrita de implantação de estações hidrométricas
no quantitativo definido, em muitos casos, implica em arrendamento ou aquisição de terras. Isto ocorre porque a área do empreendimento é pequena quando comparada à área a ser monitorada.
A experiência vivenciada tem apontado que os vizinhos aos empreendimentos hidrelétricos têm aproveitado as oportunidades para
supervalorizar as terras, onerando, ainda mais, os custos da usina.
3.10
Ausência de Fiscalização e Indefinição de
Penalidades quanto ao Descumprimento da Legislação
A Resolução ANEEL/ANA 03/2010 (BRASIL, 2010) realiza
uma série de exigências, sem, no entanto, haver fiscalização
das estações de monitoramento e previsão clara de penalidades
em casos de descumprimento, o que leva a questionar seus
objetivos. Com isso, gera-se especulação no Setor quanto às
punições atribuídas ao descumprimento, sobretudo, dos prazos
ora vigentes, ocasionando insegurança aos empreendedores.
4. CONCLUSÃO
A hidrologia é embasada no conhecimento e interpretação da
conduta de uma bacia hidrográfica, propiciando, assim, o planejamento e a gestão dos recursos naturais e estudos de interesse regional. Para tanto, o registro de dados de precipitação, nível e vazão
líquida e sólida é essencial ao entendimento do comportamento da
bacia hidrográfica, sendo que a sua ausência em alguns períodos do
ano implica em análises estatísticas tendenciosas.
Neste contexto, diante da exigência estabelecida pela
Resolução Conjunta ANEEL/ANA n°03/2010, o presente trabalho
apresentou uma breve descrição das principais dificuldades
encontradas pelos empreendedores.
5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
• AGÊNCIA NACIONAL DE ÁGUAS - ANA. Hidro. Versão 1.2.
Brasília: ANA, 2015. Disponível em: <http://goo.gl/B2bnzc>.
Acesso em: 29 abr. 2015.
11
ARTIGOS TÉCNICOS
• A
GÊNCIA NACIONAL DE ÁGUAS - ANA. Hidroweb: Sistema
de Informações Hidrológicas. 2011. Disponível em: <http://
hidroweb.ana.gov.br/>. Acesso em: 02. mar. 2015.
• AGÊNCIA NACIONAL DE ÁGUAS - ANA. Orientações para
Consistência de Dados Fluviométricos. Brasília: 2012, 19 p.
Disponível em <http://arquivos.ana.gov.br/infohidrolo
• gicas/cadastro/OrientacoesParaConsistenciaDadosFluviometr
icos-VersaoJul12.pdf>. Acesso em: 02 jul. 2015.
• AGÊNCIA NACIONAL DE ÁGUAS - ANA. Orientações para
Consistência de Dados Pluviométricos. Brasília: 2012, 21 p.
Disponível em <http://arquivos.ana.gov.br/infohidrolo gicas/
cadastro/OrientacoesParaConsistenciaDadosPluviometricosVersaoJul12.pdf>. Acesso em: 02 jul. 2015.
• AGÊNCIA NACIONAL DE ÁGUAS - ANA. SiaDH: Sistema para
Análise de Dados Hidrológicos. Versão 1.2.104. Brasília: ANA,
s.d. Disponível em: <http://goo.gl/B2bnzc>. Acesso em: 29
abr. 2015.s.d.
• AGÊNCIA NACIONAL DE ÁGUAS - ANA; Agência Nacional de
Energia Elétrica - ANEEL; Universidade Federal de Viçosa UFV; Fundação Arthur Bernardes - FUNARBE. Hidro-Plu:
Programa de Homogeneização de Dados Pluviométricos.
Viçosa, MG: GPRH/UFV, s.d.
• ALVARENGA, J. F. Análise da consistência de dados
hidrométricos das PCHs Maria Célia Mauad Notini e Nova
Dorneles no âmbito da Resolução ANEEL/ANA 03/2010. 2015.
83 f. (Trabalho de conclusão de curso para obtenção do título
de engenheira ambiental) – Escola de Engenharia da UFMG,
Universidade Federal de Minas Gerais, Belo Horizonte, 2015.
• BRASIL. AGÊNCIA NACIONAL DE ENERGIA ELÉTRICA - ANEEL.
Resolução ANEEL n° 396, de 04 de dezembro de 1998.
Estabelece as condições para implantação, manutenção e
operação de estações fluviométricas e pluviométricas associadas
a empreendimentos hidrelétricos. Brasília: Diário Oficial da
União, 07 dez. 1998. Disponível em: <http://www.agsolve.
com.br/pdf/artigos/Aneel396.pdf>. Acesso em: 30 jun. 2015.
• BRASIL. AGÊNCIA NACIONAL DE ENERGIA ELÉTRICA - ANEEL;
AGÊNCIA NACIONAL DE ÁGUAS - ANA. Resolução Conjunta
12
•
•
•
•
•
•
ANEEL/ANA n° 3, de 10 de agosto de 2010. Estabelecer
as condições e os procedimentos a serem observados
pelos concessionários e autorizados de geração de energia
hidrelétrica para a instalação, operação e manutenção
de estações hidrométricas visando ao monitoramento
pluviométrico, limnimétrico, fluviométrico, sedimentométrico
e de qualidade da água associado a aproveitamentos
hidrelétricos, e dar outras providências. Brasília: Diário Oficial
da União, 20 out. 2010. Disponível em: <http://goo.gl/
eheAVf>. Acesso em: 29 abr. 2015.
BRASIL. CONSELHO NACIONAL DE MEIO AMBIENTE –
CONAMA. Resolução 357, de 17 de março de 2005. Dispõe
sobre a classificação dos corpos de água e diretrizes
ambientais para o seu enquadramento, bem como estabelece
as condições e padrões de lançamento de efluentes, e dá
outras providências. Brasília: Diário Oficial da União, 18
mar. 2005. Disponível em: <http://www.mma.gov.br/port/
conama/res/res05/res35705.pdf>. Acesso em: 09 jul. 2015.
BRASIL. Decreto 24.643, de 10 de julho de 1934. Decreta
o Código de Águas. Rio de Janeiro: 10 jul. 1934. Disponível
em: <http://www.planalto.gov.br/ccivil_03/decreto/ d24643.
htm>. Acesso em: 09 jul. 2015.
BRASIL. Decreto 41.019, de 26 de fevereiro de 1957.
Regulamenta os serviços de energia elétrica. Rio de Janeiro:
Diário Oficial da União, 12 mar. 1957. Disponível em: http://
www.planalto.gov.br/ccivil_03/decreto/antigos/d41019.
htm>. Acesso em: 09 jul. 2015.
LOPES, W. T. A.; LEMOS, G. M.; SILVA, L. R. S.; SILVA, M. C.
A. M.; PISCOYA, R. C. C. C.; GOMES, A. O. & SANTOS, A. G.
Sistema para análise de dados hidrológicos – SiADH. Bento
Gonçalves, RS, XX Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos,
17 a 22 de novembro de 2013.
MICROSOFT Windows 98. [ S. l.]: Microsoft, 1998. 1 CD
ROM.
TUCCI, C. E. M. (Org.). Hidrologia: ciência e aplicação. 2.ed.;
1.reimp. – Porto Alegre: Ed. Universidade UFRGS: ABRH,
2000.
ANÁLISE TÉCNICA DO SISTEMA DE ADUÇÃO DA MICRO CENTRAL
HIDRELÉTRICA DE RIO BRANCO DO SUL-PARANÁ-BRASIL
DOI:10.14268/pchn.2015.00026
ISSN: 1676-0220
Subject: Engineering, hydro power
plants; dam
TECHNICAL ARTICLES
ANÁLISE TÉCNICA DO SISTEMA DE ADUÇÃO
DA MICRO CENTRAL HIDRELÉTRICA DE RIO
BRANCO DO SUL-PARANÁ-BRASIL
Ivan Azevedo Cardoso, 2Rafael Steinke
1
RESUMO
Na região sul e sudeste do Brasil existem muitas micro usinas hidrelétricas desativadas nas décadas de 1960-1970 devido à grande
oferta de energia proporcionada pelas grandes usinas construídas nesta época. Devido a novas demandas de crescimento da oferta
de energia, tornou-se imperativa a revitalização destas fontes de energia limpa. Este trabalho apresenta uma proposta de projeto
técnico para um novo sistema de adução de uma Micro Central Hidrelétrica, atualmente desativada, em estado deteriorado, localizada
no município de Rio Branco do Sul / Paraná/ Brasil. Através de visitas ao local, foram feitos levantamentos de dados topográficos
de medidas feitas com equipamentos como trenas e estação total. A vazão média foi estimada através de medidas locais e estudos
hidrológicos da bacia. Analisaram-se então propostas alternativas para o projeto do sistema de adução da usina com o objetivo de sua
revitalização. Foram estudadas três alternativas possíveis. A primeira foi manter a configuração da antiga usina original; a segunda
foi diminuir o comprimento do canal de adução e do conduto forçado, para diminuir as perdas sem prejuízo da potência instalada;
além disso diminui a área de ocupação da usina. A terceira foi localizar a casa de máquinas embaixo da barragem, reduzindo o custo
com conduto forçado. Obtiveram-se valores viáveis, assim contribuindo para que se possa ter o maior aproveitamento possível na
geração de energia elétrica pela usina. O recente processo de reestruturação do setor elétrico brasileiro tem estimulado a geração
descentralizada de energia elétrica, de modo que as fontes renováveis tendem a ocupar maior espaço na matriz energética nacional.
PALAVRA-CHAVE: Micro central hidrelétrica. Revitalização. Conduto forçado.
TECHNICAL ANALYSIS OF THE INTAKE SYSTEM OF CENTRAL MICRO
HYDROELECTRIC RIO BRANCO DO SUL, PARANÁ, BRAZIL
ABSTRACT
In the southern and southeastern Brazil there are many micro hydro power plants disabled in the decades of 1960-1970 due to
the great offer of energy provided by large plants built at this time. Due to new demands for energy supply growth, it has become
imperative to revitalize these clean energy sources. This paper proposes a design for a new technical, currently disabled in deteriorated
condition of a water system supply for a Micro Hydroelectric Central, located in the municipality of Rio Branco do Sul / Paraná / Brazil.
By means of site visits, surveys of topographic data from measurements made with equipment such as tape measures and total station
were made. The average flow rate was estimated from local measurements and hydrological studies of the watershed. Alternative
proposals were analyzed for the design of the intake system of the plant with the aim of its revitalization. Three possible alternatives
were studied. The first was to keep the configuration of the original old plant; the second was to decrease the length of the intake canal
and penstock to reduce losses without prejudice to the installed power, also decreases the plant's footprint; the third was to locate the
powerhouse below the dam, reducing the penstock cost. There was obtained viable values, thus contributing to have the best possible
use in generating electricity for the plant. The recent restructuring of the Brazilian electric sector has stimulated the decentralized
power generation so that renewable sources tend to occupy more space in the national energy matrix. The plant will bring benefits to
the self-producer, accounting for greater autonomy as the generation of electricity.
KEYWORDS: Micro hydro-electric power plant. Repowering. Penstock.
1. INTRODUÇÃO
O mundo utiliza majoritariamente no seu suprimento
energético, as fontes energéticas primárias não renováveis, em
particular, os combustíveis fósseis – petróleo, carvão mineral
e gás natural. Estes combustíveis são grandes emissores de
gás carbônico (CO2), um dos gases relacionados com o “efeito
estufa”, causador de elevação da temperatura do planeta e de
mudanças climáticas. Devido à poluição causada por esse tipo
de energia, e por ela ser limitada no planeta, faz-se necessária
a busca por fontes renováveis de energia. Um bom exemplo é
a energia hidroelétrica. Apesar do alto custo de instalação, o
custo com combustível (a água) é zero. . Porém, mesmo sendo
considerada limpa, a instalação de uma usina causa impactos
ambientais, e como o Brasil é muito rico em fontes para esse tipo
de energia, e o custo de transmissão de energia elétrica é alto,
uma solução é investir em pequenas centrais hidrelétricas (PCH)
e que sejam construídas próximas aos pontos de consumo.
Segundo Mendes e Pinto (2011), a geração de energia elétrica
por PCH no Brasil pode ser feita por:
1. Produtor independente: Pessoa jurídica ou empresas reunidas
em consórcio que recebam concessão ou autorização do
Poder Concedente, para produzir energia elétrica destinada
ao comércio de toda ou parte da energia produzida, por sua
conta e risco;
2. Agentes Geradores: São agentes titulares de serviço público
delegados pelo Poder Concedente, mediante licitação, na
modalidade concorrência, à pessoa jurídica ou consórcio de
empresas para exploração e prestação de serviços públicos
Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Universidade Tecnológica Federal do Paraná
1
2
13
ARTIGOS TÉCNICOS
de energia elétrica, nos termos da Lei Nº 8.987, de 13 de
fevereiro de 1995;
3.Autoprodutores: Pessoa física ou jurídica ou empresas
reunidas em consórcio que recebam concessão ou autorização
para produzir energia elétrica destinada ao seu uso exclusivo,
podendo eventualmente, com autorização da Agência Nacional
de Energia Elétrica (ANEEL), comercializar o excedente de
energia elétrica gerada.
Na região sul e sudeste do Brasil existem muitas micro usinas
hidrelétricas desativadas nas décadas de 1960-1970 devido à
grande oferta de energia proporcionada pelas grandes usinas
construídas nesta época. Devido a novas demandas de crescimento
da oferta de energia, tornou-se imperativa a revitalização destas
fontes de energia limpa. Este trabalho apresenta uma proposta
de projeto técnico para um novo sistema de adução de uma
Micro Central Hidrelétrica, atualmente desativada, em estado
deteriorado, localizada no município de Rio Branco do Sul /
Paraná/ Brasil, para fins de autoprodução de energia elétrica,
que operou há várias décadas e no momento está em ruínas.
Aqui o foco é o sistema de adução da micro usina, estudando as
diferentes alternativas. O projeto visa levantar subsídios para a
reconstrução da micro usina.
Durante o estudo são analisadas a infraestrutura e o projeto
original da usina; será verificado o que pode ser reaproveitado
e o que deverá ser substituído e será projetado um sistema
de adução alternativo para a usina, calculando sua viabilidade
técnica e econômica.
1.1 JUSTIFICATIVA
A geração predominante no setor elétrico brasileiro é a geração
centralizada, que representa grandes blocos de geração interconectados por linhas de transmissão e despacho centralizado. Em
contrapartida, a geração distribuída se caracteriza pela geração de
pequeno porte, localizada na rede da distribuidora local de energia
elétrica (RODRIGUES; BORGES; FALCÃO, 2007).
A geração distribuída de energia oferece vantagens ao setor
elétrico devido à sua proximidade em relação à carga, o que pode
permitir a diminuição das perdas associadas à transmissão de
energia elétrica (JENKINS et al., 2000).
O recente processo de reestruturação do setor elétrico
brasileiro tem estimulado a geração descentralizada de energia
elétrica, de modo que as fontes não-convencionais, principalmente
as renováveis, tendem a ocupar maior espaço na matriz energética
nacional. Nesse contexto, as pequenas centrais hidrelétricas terão
um papel extremamente importante (ANEEL, 2003).
O presente trabalho justifica-se pelo fato de que a usina
trará benefícios para o autoprodutor, representando uma
maior autonomia quanto à geração de energia elétrica e ao
reaproveitamento de um espaço que hoje está abandonado.
O primeiro tipo seriam as centrais hidrelétricas de represamento (CHR). As CHR possuem um conduto forçado que faz a
interligação direta entre a barragem e a casa de máquinas.
O segundo tipo seriam as centrais hidrelétricas de desvio (CHD).
As CHD caracterizam-se por serem implantadas usando um trecho
relativamente grande do rio, na maioria das vezes com corredeiras.
Neste caso, o nível da água de montante deve estar o mais próximo
do de jusante, necessitando de um sistema de baixa pressão entre
a barragem e o conduto forçado. As centrais hidrelétricas podem
ser divididas nos seguintes componentes: barragem, sistema de
adução, casa de máquinas ou casa de força, canal de fuga. O
sistema de adução normalmente possui um conjunto de baixa
pressão (tomada d’água, canal aberto), seguido por uma câmara
de carga ou uma chaminé de equilíbrio e o sistema de alta pressão
constituído conduto forçado que é ligado à casa de máquinas.
2. MATERIAL E MÉTODOS
No processo de pesquisa desenvolvido foram realizados estudos
de campo na usina com a finalidade de coletar dados para o
desenvolvimento de todo o projeto. Foram utilizados equipamentos
como trena física, trena a laser e estação total para realização
das medições de distâncias e desníveis. Os dados coletados foram
processados, analisados e aplicados em normas técnicas e manuais.
Os resultados obtidos foram analisados, e foram sugeridas propostas
alternativas do sistema de adução amparadas pela pesquisa teórica.
A melhor alternativa foi recomendada.
A MCH (micro central hidrelétrica) em estudo está localizada
na Rua Borges de Medeiros, no bairro Vila Velha, no município de
Rio Branco do Sul/PR, região metropolitana norte de Curitiba/PR
(latitude 25°10'49.40"S. e longitude 49°18'16.75"O). A figura 1,
abaixo, mostra a localização da MCH de Rio Branco do Sul/PR e
os seus componentes originais:
Fig. 1: Localização dos componentes da MCH de Rio Branco do Sul/PR.
Fonte: Google Earth (2014).
A MCH de Rio Branco do Sul/PR conta, atualmente, com
uma barragem (figura 2), um canal de adução (figura 3), e uma
câmara de carga em ruínas. Sua represa precisa de uma limpeza
e alguns reparos e se encontra assoreada.
1.2 CLASSIFICAÇÃO DAS CENTRAIS HIDRELÉTRICAS
As centrais hidrelétricas no Brasil podem ser classificadas
sob diferentes aspectos. Critérios como potência gerada, queda,
forma de captação de água e função no sistema devem ser
considerados. Conforme a potência instalada a ELETROBRAS
(2014) classifica as usinas hidrelétricas como: micro central
hidrelétrica (MCH): P ≤ 100 kW; mini central: 100≤P≤ 1000 kW;
pequena central hidrelétrica (PCH): 1.000 ≤ P ≤ 30.000 kW;
grande central hidrelétrica (GCH): P > 30.000 kW.
As centrais hidrelétricas podem ser classificadas em 2 tipos
de arranjos principais de acordo com a forma de captação da
água (SOUZA; SANTOS; BORTONI, 2009):
14
Fig. 2: Barragem da MCH de Rio Branco do Sul/PR. Fonte: Autoria própria (2014).
TECHNICAL ARTICLES
A partir destes dados, podemos ter uma estimativa da
potência instalada do aproveitamento hidrelétrico da MCH em
estudo para cada um dos três arranjos, usando a equação 1:
P = g × ηt × ηg × Q × HL(1)
Fig. 3,4: Canal de adução e antigo conduto forçado da MCH de Rio Branco
do Sul/PR. Fonte: Autoria própria (2014).
Na figura 4 pode-se observar o local por onde descia o conduto
forçado que deverá ser substituído por estar corroído.
2.1 ESTUDOS INICIAIS PARA ALOCAÇÃO DOS ELEMENTOS
Foram sugeridas três opções para o sistema de adução. A
primeira foi manter a posição original do sistema de alta pressão.
A segunda foi colocá-lo de forma a abreviar o trajeto da água
pelo canal de baixa pressão, evitando a reconstrução de um canal
elevado de 31 m de comprimento. A terceira opção foi posicionar
a casa de máquinas logo abaixo da barragem. Na figura 5 está
a planta geral da MCH em estudo, bem como as três opções de
locação das novas instalações (cotas em metros).
Paralelamente a este estudo estão sendo feitas medições
através de vários métodos para estimar as vazões. De acordo com
medições feitas anteriormente e fornecidas pelo proprietário, temos
os seguintes valores de vazão: 0,191 m³/s para vazão máxima,
0,140 m³/s para vazão média, e 0,017 m³/s para vazão mínima.
Onde: P (kW) = Potência instalada; ηt = Rendimento da
turbina; ηg = Rendimento do gerador; Q (m³/s) = Vazão de projeto;
HL (m) = Queda líquida; g =9,81 m/s2; ρ= 1000 kg/m3 (massa
específica da água, já incluída na equação para que o resultado
saia em kW).
Segundo o Manual de Minicentrais Hidrelétricas, os valores
dos rendimentos ηt e ηg são fornecidos pelos fabricantes.
Preliminarmente pode-se empregar um valor conservativo para o
rendimento global turbina/gerador igual a: ηt . ηg = 0,73, onde:
ηt = 0,77 e ηg = 0,95.
Considerando que a potência instalada é diretamente
proporcional à queda líquida, conforme descrito na equação 1,
mesmo a perda de carga da opção três sendo muito pequena
devido ao conduto curto, pode-se concluir que a opção três
(posicionar a casa de máquinas logo abaixo da barragem) não é
viável, devido à sua queda bruta (tabela 4) ser muito menor do
que nas outras duas opções. Portanto, foi descartado o estudo
desta opção neste trabalho. Na opção dois é possível obter a
queda bruta descrita na tabela 3 com um rebaixamento do
canal de fuga, portanto sem gerar custos significativos. Depois
de calculada a perda de carga total no sistema, utilizamos a
equação 1 já com a queda líquida calculada para termos uma
melhor estimativa da potência instalada na MCH de Rio Branco
do Sul.
2.2. CONDUTO FORÇADO
O conduto forçado da MCH de Rio Branco do Sul está
inteiramente destruído devido ao tempo em que a usina ficou
desativada, e necessita ser refeito. Para seu dimensionamento
foi utilizado o Manual de Minicentrais Hidrelétricas (ELETROBRAS
& DNAEE, 1985), e as “Diretrizes para Estudos e Projetos de
Pequenas Centrais Hidrelétricas” da Eletrobras.
Dimensionamento do conduto forçado
A ELETROBRAS (2014) , indica para PCH a equação de
Bondschu (2) abaixo para início do dimensionamento:
De =
Fig. 5: Planta geral da MCH de Rio Branco do Sul/PR.
Para realização das medidas dos componentes da MCH
em estudo, bem como os desníveis e demais distâncias foram
utilizadas a estação total da marca Leica de modelo TS02, com
prisma da marca Leica (modelo gpr111), e trena de 30 m da
marca Western. Com os dados de cada opção foi feito o seguinte
quadro 1 comparativa para início do dimensionamento:
Quadro 1: Comparação entre as opções de locação do conduto
forçado.
Opção
Vazão
Comprimento da
tubulação de alta
pressão (m)
Comprimento do
sistema de baixa
pressão (m)
Queda
Bruta (m)
1
0,191
51
123
21,37
2
0,191
38,67
80
20,96
3
0,191
5
0
10
Fonte: Autoria Própria (2014).
Onde: Ht = H + hs(2)
Em que: De (m) = Diâmetro econômico da tubulação;
Q (m³/s) = Descarga máxima na tubulação; Ht (m) = Carga
hidráulica total sobre a tubulação; H (m) = Queda bruta – carga
estática sobre a tubulação; hs (m) = Sobrepressão hidráulica
devido ao golpe de aríete. Admitindo-se, em minicentrais
hidrelétricas, que:
hs = 0,2 H
(3)
Ou seja: Ht = H + 0,2 H = 1,2 H. (4)
Simplificadamente, a equação 3 de Bondschu pode, então,
ser escrita da seguinte forma:
De = 1,237. (Q3/H)1/7 onde: v = Q/A = 4Q/(3,1416.De2)(5)
Onde: A (m²) = Área interna da seção transversal
da tubulação; v (m/s) = velocidade de escoamento;
Q (m³/s) = Vazão de projeto. É recomendado que v < 5,0 m/s.
15
DISCHARGE AND EFFICIENCY MEASUREMENTS
IN BASSI HYDRO POWER STATION IN INDIA
ARTIGOS TÉCNICOS
2.2.1. Perdas de carga no conduto forçado
3. RESULTADOS E DISCUSSÃO
Conhecidos os diâmetros da tubulação e a velocidade da
água, calcula-se a perda de carga (J) devido ao atrito, através da
equação de Scobey:
Ja = 410 ka x v1,9 x Lcf/D1,1(6)
Onde: Ja (m) = Perda de carga por atrito; ka = coeficiente
que varia com o tipo da tubulação (ka = 0,32 para aço novo);
v (m/s) = velocidade da água; D (cm) = diâmetro interno da
tubulação; Lcf (km) = Comprimento do conduto forçado. Embora
a perda de carga por atrito seja a principal no conduto, há
também as perdas localizadas a serem consideradas.
A pressão normal estática ao longo do conduto forçado sofre
variações quando há mudanças súbitas de vazão, resultantes de
fechamentos ou aberturas rápidas, parciais ou totais, do dispositivo
de fechamento da turbina. Essas variações, positivas (sobrepressões)
ou negativas (depressões), conforme o engolimento da turbina
diminua ou aumente repentinamente, condicionam a espessura da
chapa do conduto (ELETROBRAS, 2014).
2.3. CANAL DE ADUÇÂO, TOMADA D’ÁGUA, COMPORTA E
GRADE
O canal de adução da MCH de Rio Branco do Sul/PR será
mantido, necessitando de uma limpeza, pequenos reparos, e
acabamento junto à câmara de carga da opção 2. A velocidade
máxima da água no canal é de 1 m/s. Mantidas as dimensões da
seção transversal do canal atual calcula-se sua perda de carga no
canal (J) através da equação de Manning ou ábaco desenvolvido
pela ELETROBRAS & DNAEE (1985).
A tomada d’água, bem como o canal aberto de adução da MCH
de Rio Branco do Sul serão mantidos, mas há a necessidade de
instalação de uma nova comporta e uma grade de proteção que
não existem mais. As comportas são do tipo gaveta, capazes de
serem operadas sob fluxo hidráulico. Normalmente são operadas
manualmente através de um volante ou manivela pertencente
a um mecanismo simples, composto de uma haste de aço
rosqueada fixa na comporta e um sistema de porca ou sem fim,
aparafusadas na travessa superior da estrutura de armação das
guias laterais da comporta. As comportas podem ser construídas
em aço ou em madeira, sendo a de madeira a mais empregada
em minicentrais. As guias laterais das comportas são fabricadas
de chapas e perfis estruturais de aço. A figura 6 mostra um
esquema de uma comporta de madeira recomendada pelo Manual
de Minicentrais Hidrelétricas (ELETROBRAS & DNAEE, 1985) a ser
utilizada na MCH de Rio Branco do Sul:
3.1 DIMENSIONAMENTO DO CONDUTO FORÇADO
Para o conduto forçado da MCH de Rio Branco do Sul foi
adotado como material o aço, e comparadas as duas opções de
locação – a original (opção 1), e a alternativa (opção 2).
Utilizando a equação 5, obtemos o diâmetro econômico (De)
do conduto da MCH de Rio Branco do Sul:
De =
Utilizando a eq. 5, verificamos a velocidade máxima dentro
do conduto:
A espessura mínima a ser adotada é de 6,35 mm (1/4”).
Conhecidos os diâmetros da tubulação e a velocidade da
água, calcula-se a perda de carga (Ja) devido ao atrito, através
da equação de Scobey (9), para os dois comprimentos das opções
estudadas de locação do conduto (opções 1 e 2). Nos quadros 2
e 3 são resumidos os resultados das perdas para as duas opções
nas diferentes vazões.
Quadro 2: Perdas de carga para diferentes vazões na opção 1
(Lcf = 51,0 m).
Vazão
(m3/s)
V (m/s)
Perdas
distribuídas
Ja(m)
Perdas
localizadas
hl(m)
Perda
total (m)
% Hb(*)
Máx. 0,191
1,52
0,256
0,048
0,304
1,423
Méd. 0,140
1,11
0,142
0,026
0,168
0,786
Mín. 0,017
0,14
0,003
0,000
0,003
0,014
Quadro 3: Perdas de carga para diferentes vazões na opção 2
(Lcf = 38,67 m).
Vazão
(m3/s)
V (m/s)
Perdas
distribuídas
Ja(m)
Perdas
localizadas
hl(m)
Perda
total (m)
% Hb(*)
Máx. 0,191
1,52
0,194
0,048
0,242
1,155
Méd. 0,140
1,11
0,108
0,026
0,134
0,639
Mín. 0,017
0,14
0,002
0,000
0,002
0,010
(*)Porcentagem da perda em relação à queda bruta
A figura 7 mostra um esquema de representação do conduto
forçado para a opção 2.
Fig. 6: Esquema da comporta de madeira da
Fonte: Adaptado de ELETROBRAS & DNAEE (1985).
16
tomada
d’água.
Fig. 7: Corte esquemático do conduto forçado; Fonte: Autoria Própria (2014).
TECHNICAL ARTICLES
DISCHARGE AND EFFICIENCY MEASUREMENTS
IN BASSI HYDRO POWER STATION IN INDIA
Quadro 4: Potência gerada pelas diferentes vazões na opção 1.
3.2 CÂMARA DE CARGA
Levando em consideração as recomendações das diretrizes
para projetos pela ELETROBRAS (2014), as dimensões a serem
adotadas, utilizando a vazão de projeto (0,191 m³/s), são as
seguintes: largura = 2,0 m; comprimento = 4,0 m; profundidade
= 0,5 m.
Somando a altura do desarenador (0,5 m), do diâmetro do
conduto (0,4 m), a altura da lâmina de água na vazão máxima
(0,3 m) e uma altura de segurança (0,5 m), conclui-se que a
altura mínima da câmara de carga deve ser 1,70 m. Nas figuras
8 e 9 abaixo, estão representados a planta e o corte esquemático
da câmara de carga com as dimensões calculadas, já adaptada
para a opção 2:
Vazão (m3/s)
Queda Líquida (m)
Potência estimada (kW)
Máxima 0,191
20,78
28,42
Média 0,140
20,88
20,93
Mínima 0,017
21,00
2,56
Quadro 5: Potência gerada pelas diferentes vazões na opção 2.
Vazão (m3/s)
Queda Líquida (m)
Potência estimada (kW)
Máxima 0,191
20,54
28,09
Média 0,140
20,62
20,67
Mínima 0,017
20,72
2,52
3.5 CUSTO ESTIMADO PARA CADA OPÇÃO DE ARRANJO
Fig. 8: Planta da câmara de carga da opção 2 (cotas em centímetros).
Fonte: Autoria própria (2014).
A partir das dimensões adotadas anteriormente para os
elementos da MCH em estudo, com base no relatório de insumos
e composições do Sistema Nacional de Pesquisa de Custos e
Índices da Construção Civil (Sinapi, 2014), foram estimados os
custos de instalação dos condutos das duas opções estudadas. O
resultado final é resumido no quadro 6.
Quadro 6: Comparativo de preços entre os dois arranjos.
Blocos de
ancoragem
Conduto
de baixa
pressão
Total
1.508,21
985,03
13.776,71
R$ 39.943,61
942,63
985,03
0,00
19.799,98
Conduto
forçado
Blocos
de apoio
Opção 1
23.673,66
Opção 2
17.872,32
Fonte: Autoria própria (2014).
O quadro 6 mostra que a opção 1 (arranjo original) é cerca de
102% mais cara que a opção 2, tornando-a inviável.
Fig. 9: Corte esquemático da câmara de carga da opção 2 (cotas em
centímetros). Fonte: Autoria própria (2014).
3.3 CANAL DE ADUÇÃO E TOMADA D’ÁGUA
A perda de carga no canal em cada opção, é de:
Opção 1:
hlc = 0,271 m; Opção 2: hlc = 0,176 m
Seguindo as recomendações da ELETROBRAS & DNAEE,
(1985) temos as seguintes dimensões para a comporta: altura
(h) = 0,75 m; largura (b) = 0,85 m; espessura (l) = 4 cm.
A perda de carga na comporta em cada opção, é de:
Opção 1:
hlco = 0,0054 m; Opção 2: hlco = 0,0054 m
3.4 POTÊNCIA INSTALADA
Para o cálculo da queda líquida somam-se as perdas de carga
calculadas anteriormente, e o valor encontrado é descontado
da queda bruta. Sendo assim, para as duas opções, foram
encontrados os seguintes valores de queda líquida:
Opção 1: HL = 21,37 – (0,256 + 0,027 + 0,021 +
0,271 + 0,0054) = 20,789 m.
4. CONCLUSÃO
Foram analisadas as três opções de arranjo propostas de modo
que fosse adotado a que melhor aproveitasse o potencial da MCH
de Rio Branco do Sul/PR. A terceira opção foi a menos viável,
pois sua queda líquida é de aproximadamente 57% menor que
nas outras duas opções. Nestas é aproveitada a tomada d’água
e o canal de adução existente, porém o restante substituído.
Dentre estas duas opções foram calculadas que a potência
gerada pela MCH seria ligeiramente maior na opção dois, mas
com uma diferença muito pequena, ou seja, as duas aproveitam
o potencial da micro usina. Porém, o custo de instalação dos
novos elementos na segunda opção é cerca de 55% mais barato
que o arranjo original da micro usina, uma vez que o conduto
forçado da configuração original é 38% mais extenso que na
opção dois, e na opção de configuração original teria que ser
reconstruído um conduto de baixa pressão, ou um canal elevado.
Como a câmara de carga terá que ser reconstruída em ambas as
opções, não há vantagem alguma em manter a planta original da
usina. Portanto, conclui-se que a melhor opção é a opção dois,
que é uma alternativa à configuração original.
4.1. SUGESTÕES PARA FUTUROS TRABALHOS
Opção 2: HL = 20,96 – (0,194 + 0,027 +
0,021 + 0,176 + 0,0054) = 20,537 m.
Utilizando a equação 1 determina-se a potencia instalada. Os
resultados para cada opção estão resumidos nos quadros 4 e 5.
Além do material utilizado neste estudo para o conduto
forçado (o aço), outros materiais podem ser utilizados em
estudos semelhantes (como o concreto, o ferro fundido, o pvc),
17
ARTIGOS TÉCNICOS
e que tenham outras propriedades talvez mais vantajosas,
como rugosidade menor, diminuindo o atrito no escoamento,
facilidade de encontrar o material e a mão-de-obra capacitada
para a instalação, custo menor, ou manutenção mais fácil. Estes
fatores, dependendo da topografia da região é fundamental que
sejam considerados. Poderia também ser feito ainda um estudo
completo como dimensionamento da casa de máquinas, estudo
de medição de vazão mais detalhado para estudar a viabilidade
da opção três, e em quanto tempo de uso a micro usina pode
amortizar o investimento feito para sua revitalização.
5. REFERÊNCIAS
• AGÊNCIA NACIONAL DE ENERGIA ELÉTRICA. Guia do
Empreendedor De Pequenas Centrais Hidrelétricas. Brasília:
2003. Disponível em: <http://www.aneel.gov.br/biblioteca/
downloads/livros/Guia_empreendedor.pdf>. Acesso em: 19
nov. 2013.
• ELETROBRAS. Diretrizes para estudos e projetos de pequenas
centrais hidrelétricas. Rio de Janeiro: 2000. Disponível em
http://www.portalpch.com.br> Acesso em 24 jul. 2014.
18
• ELETROBRAS & DEPARTAMENTO NACIONAL DE ÁGUAS E
ENERGIA ELÉTRICA. Manual de Mini Centrais Hidrelétricas.
Rio de Janeiro: 1985.
• JENKINS, N.; ALLAN, R.; CROSSLEY, P. et al. Embedded Generation.
Londres: The Institution of Electrical Engineers, 2000.
• MENDES, Ana Luiza Souza; PINTO, Míriam de Magdala.
Autoprodução e Produção Independente de Energia Elétrica
a partir de Fontes Renováveis no Brasil. VI Encontro
Nacional e IV Encontro Latino-americano sobre Edificações e
Comunidades Sustentáveis – Vitória, 2011.
• RODRIGUES, Flávia F. C.; BORGES, Carmem L. T.; FALCÃO,
Djalma M. Programação da Contratação de Energia
Considerando Geração Distribuída e Incertezas na Previsão
de Demanda. Revista Controle & Automação. Vol.18, nº. 3,
jul., ago. e set. 2007.
• Sinapi. Sistema Nacional de Pesquisa de Custos e Índices
da Construção Civil. Relatórios de Insumo e Composição.
Disponível em: < http://www.caixa.gov.br/sinapi>. Acesso
em: 28 ago. 2014.
• SOUZA, Zulcy de; SANTOS, Afonso H. M.; BORTONI, Edson da C.
Centrais Hidrelétricas. 2. ed. Rio de Janeiro: Interciência, 2009.
HYDRO-QUÉBEC’S CONTINUOUS FLOW MEASUREMENT SYSTEM:
DEVELOPMENT OF AN INDUSTRIAL PROTOTYPE
DOI:10.14268/pchn.2015.00027
ISSN: 1676-0220
Subject: Engineering, measurement
TECHNICAL ARTICLES
HYDRO-QUÉBEC’S CONTINUOUS FLOW MEASUREMENT
SYSTEM: DEVELOPMENT OF AN INDUSTRIAL PROTOTYPE
M Bouchard Dostie, 1G Proulx, 2J Nicolle, 2L Martell
1
ABSTRACT
Increasingly, Hydro-Quebec strives to optimize the efficiency of its turbines and the flow management of rivers. A precise measurement
of the turbine discharge is required to optimize its operation. With this knowledge, it is possible to determine the real net head of the
turbine in addition to the turbine flow. As an operator of power plants, Hydro-Quebec uses that information to work toward reducing
the waste of water while increasing its control of river flow.
Hydro-Québec normally measures the efficiency of its turbines at the commissioning of a typical power plant unit. For the past decade,
Hydro-Québec has been measuring the efficiency of all new turbines and is working to do the same for all other existing units. The
measurements are taken in average operating conditions (net head, tail water, etc.) and serve to calculate discharge. Thus, the real
efficiency outside these conditions is not well known and may produce significant error in estimating discharge, such as in the case of
increased head losses due to debris.
Hydro-Quebec has developed a new system to continuously and precisely measure the flow in the turbine and the real net head of the
turbine. This new technique uses a pressure differential that provides an accurate measurement (under ± 0.2%) once calibrated. The
precision of the continuous flow measurement system is not influenced by head change, operation of adjacent units, head losses, etc.
KEYWORDS: Measurement, power plants, turines, river flow.
1. INTRODUCTION
Increasingly, Hydro-Quebec strives to optimize the efficiency
of its turbines and the flow management of rivers. Given the
complexity of managing demand, the water reserve, the ecological
flow rate, integration of renewables, and production constraints
such as vibrations or cascade configuration for power plants,
Hydro-Quebec uses its turbines in a variety of configurations.
Nowadays, each drop of water is important in order to maximize
production efficiency. Knowing how to operate a machine in every
condition is a necessity in minimizing energy waste.
Hydro-Québec normally measures the efficiency of its
turbines at the commissioning for of a typical power plant unit
according to international standards [1][2]. Continuous efforts
are also deployed to measure the efficiency of existing units when
little information is available. Those measurements are made in
average operating conditions (net head, tail water, etc.) and serve
to calculate discharge. Once the efficiency curve is measured, the
operator can use the power, gross head and wicket gate opening,
based on a table associated with the efficiency test, to position
the group optimally in order to meet demand.
However, efficiency outside average operating conditions is
not well known and this may introduce some production losses.
Special operating condition effects (turbine air aspiration, downstream level, cavitation, adjacent group operation, downstream
restrictions, trash rack clogging, manifold losses, etc.) are usually not taken into consideration by the operator.
In order to address this problem, Hydro-Quebec has developed
a low-cost and universal method to continuously measure the
flow in a turbine. A system also provides the intake losses in real
time. This article will address this measurement system, from
how it works to the possibilities it provides.
2. CONCEPT AND THEORY
2.1 Requirements
Hydro-Quebec has developed a new system to continuously
and precisely measure the flow in the turbine and estimate the
intake losses of the turbine. This new way of measuring flow
needed to overcome many difficulties to be viable and was
developed with the following objectives in mind:
• System accuracy has to be very low to reach the maximal gain.
• The measuring concept should be general enough to be
applicable to Francis and propeller turbines over a wide range
of head.
• The cost of the system itself must be kept as low as possible.
• Installation must be simple and it should be possible to retrofit
any existing group.
• The system must be stable and provide reliable data in all
operating conditions.
2.2 Theory
Fig. 1: Location of the differential pressure measurement for a Francis and
a propeller turbine.
Given these constraints, the project was naturally oriented
towards index measurements. The principle of measurement is
based on a pressure differential (Figure 1) that is proportional to the
turbine discharge. The pressure differential is taken between the
spiral casing inlet and the vaneless space between the distributor
and the runner. In many ways, it is similar to the Winter-Kennedy
(WK) method, but it uses a slightly different equation. The
coefficient k cannot be a constant anymore but is now a function
of the wicket gate opening. Also note that the variability in the
Essais Spéciaux de Production, Hydro Québec, 5655 de Marseille, Montréal, Canada, Corresponding Author: [email protected],
IREQ, Hydro Québec, 1800 Lionel-Boule, Varennes, Canada
1
2
19
ARTIGOS TÉCNICOS
pressure exponent is no longer necessary. More details about the
development of this equation can be found in [3][4].
(1)
Q
flow rate
(m3/s)
k(wg) coefficient function of the wicked gate opening (m3.5 kg-0.5)
Δp
pressure differential
(kPa)
The localization is also influenced by the feasibility of the
installation. On an existing turbine, the piezometer placement
must be reachable from the inside of the power plant to Piezometer
lower the cost of the installation. In Figure 3, the placement has
been chosen because it is easily reachable. On a new turbine, the
piezometers can be installed when the machine is built.
2.4 Calibration
2.3 Localization of pressure probes
As shown in Figure 2, the flow speed on the downstream side
of the wicket gates is much higher than the case entrance. This
translates into a pressure differential much higher than in the
WK measurement (differential of two pressures inside the same
radius in the casing). Instead of being a few kPa, the measured
pressure can reach about half the head of water of the power
plant. Consequently, the precision of the measurement increases
since it is easier to measure.
The high pressure of the differential comes from the spiral or
semi-spiral casing inlet. When available, the best location is from
four piezometers at the entrance of the case. Otherwise, any other
pressure tap from the case is usable by this system. When multiple
pressure taps are used, a manifold is used to average them.
The lower pressure is measured between the turbine and the
wicket gates. Four piezometers are installed on the head cover
to ensure the stability of the measurement. The pressure is then
averaged in a manifold. With four piezometers, the error introduced
by a redistribution of the flow among the distributor sectors is
mostly cancelled. The flow in this section is normally accelerating,
which prevents flow separation and allows for greater precision in
the measurement. These piezometers must be placed with great
care. On a normal machine, the four pressure taps can be placed
at 90° of each other. When the placement of the piezometers
becomes complex, the use of a computer fluid dynamic calculation
can be useful to help determine the best location.
In order to make the Hydro-Quebec continuous flow measurement system operational, the coefficient k(wg) must be calibrated
with an absolute measurement. Ideally, calibration and absolute
flow measurement should be performed simultaneously. Using multiple absolute flow measurements with eq. 1, a relation between the
coefficient k(wg) and the wicket gate opening can be found. A polynomial of degree 4 to 6 is usually enough to describe the relation as
shown in Figure 4. Error introduced by the relation is also shown.
Fig. 4: Coefficient k(wg) and the error on the flow calculation.
When the measurements of the pressure differential cannot
be executed at the same time as an absolute flow measurement,
it is still possible to calculate the coefficient k(wg) for many
wicket gate openings by recreating the conditions of the existing
absolute flow measurement. Given that the value of the coefficient
is mostly geometrical, and that it translates the acceleration
taking place in the distributor, CFD calculations can also be used
to provide some insight into its evolution.
3. SYSTEM DESIGN
3.1 Components
Fig. 2: Flow speed mapping in the distributor.
Fig. 3: Example of head cover piezometer placement.
20
Given that it is based primarily on a pressure difference,
Hydro-Quebec’s continuous flow measurement system design
naturally started with the choice of the pressure transducer. Figure
5 contains a diagram representing how the system is installed.
The pressure transducers were chosen to meet system
requirements. They have a precision of ± 0.025%, an adjustable
span of 200:1, a guaranteed operating stability of 10 years and
a reliability of 12 years. The transducers can then be calibrated
precisely to the measured span of pressure. Each system uses
three transducers. The first one is used to directly measure the
pressure differential. The second transducer measures pressure
at the intake and is required to provide the intake losses. The
third one, measuring head cover pressure, was included to
provide some system redundancy.
The transducers communicate with the numerical Foundation
Fieldbus protocol. This protocol allows the pressure transducers
to be powered and to communicate on only one cable. Diagnostics
and alarms are also available.
TECHNICAL ARTICLES
Fig. 5: Diagram of the continuous flow measurement system.
The angle of the wicket gates is measured by placing a numerical
Ethernet absolute rotary encoder on the top of the rotation axis of
one wicket gate. It has a resolution of 18 bits (0.0014°).
To ensure high reliability, the tubing used to carry the pressure
to the transducer must be purged regularly. An electric valve is
controlled by an Ethernet analog output. The valve position is
also monitored.
All the information is sent to a programmable controller, which
communicates with all the components. The controller calculates
the flow with the pressure differential and the wicket gate
opening. With the flow known and the pressure at the entrance of
the turbine, it is possible to calculate the net head at the intake,
which can be combined with the upstream level to obtain losses
in the penstock and the trash racks.
Also, with the intelligent transducers and components, the
programmable controller monitors all the component alarms and
can determine the validity of its measurements. The flow, the
intake losses and the system state are then sent to the operator
through the SCADA system.
3.2 Installation
The continuous flow measurement system is made in two parts.
One part has the three pressure transducers and the purge valve. It
is a fixing board with a small cabinet and is normally installed in the
turbine well where the top of the wicket gates and the head cover
are accessible. The rotary encoder is plugged into the small cabinet.
This board communicates with another cabinet, which is
usually installed on the alternator floor for easy access. The
programmable controller is located in the cabinet. The power
is supplied to the cabinet, which sends some of it to the other
cabinet on the board. The operator controller communicates with
the programmable controller in this cabinet.
The system is fully integrated into one programmable controller that can communicate with every component. This helps reduce the amount of equipment required to make the system work.
The simple design reduces the purchasing and installation costs.
The intelligence in the transducers and in the programmable controller reduces the routine maintenance to required actions only.
Many steps were taken to further reduce costs as much as possible. The numerical protocols reduce the number of communication
and electrical cables, which further decreases the installation time.
Use of industrial flexible hoses for pressure tubing instead of welded
pipes can also reduce installation time and costs.
The pressure taps in the spiral casing are usually already in
place in most of the power plants. The four pressure taps on the
head cover are normally accessible from the turbine
well. In existing power plants, those piezometers can be
installed (piercing and tubed) without any scaffolding. This
translates into lower downtime and faster installation.
Other steps were taken to lower the overall cost of the
system. While the first system needed a signal to know if the
group was in operation, this cable was then eliminated using
logic from the programmable controller. Also, the bended tubes
on the first version of the transducer fixing board required to link
the manifold and the sensors between them were replaced by
standard elbow connectors for uniformity and easier assembly
and reduced construction time.
4. CONCLUSION & FUTURE APPLICATIONS
This paper highlighted the choices made for an online flow
monitoring system from the research phase to production. This is
a major step for every innovation and requires a lot of technical
and communication skills. Many steps were taken to minimize the
number of components and lower installation and maintenance
costs as much as possible. The industrial prototype is now made
of a transducers’ fixing board and an electronic cabinet. This
system requires some form of calibration to be operational.
Today, the system is currently installed on four different HQ
turbines. Information gathered from these systems is still being
processed to determine how much value they can generate.
While no decisions have yet been made regarding the large-scale
deployment of this technology, it is now mature and ready to be
installed when necessary.
The Hydro-Quebec continuous flow measurement system can
be pushed further to integrate the measurement of power, upstream and downstream levels to calculate efficiency in real time. A
radar system was already added to one installation. Over time, the
operators could determine the efficiency hill over the whole span of
conditions of operations. With this information, the system could indicate to the speed regulator how to optimize its current operation.
Constant flow rate operation, which is known to be a very efficient
way to optimize operations for low head plants, could be achieved.
The system could also be used to optimize multiple turbines
to obtain the best efficiency for the required power.
5. REFERENCES
3.3 Cost
Many research projects are unable to evolve into industrial
products even if they offer innovative solutions to existing
problems. Often, a misunderstanding of the day-to-day production
reality and a lack of communication between the different actors
are to blame. Here, great care was taken to meet the various
actors and to integrate their consideration as much as possible.
Cost being an obvious factor, here are a few decisions that were
taken to ensure the design of the system would be accepted.
[1] IEC 60041 Field acceptance tests to determine the hydraulic
performance of hydraulic turbines, storage pumps and pump-turbines
[2] ASME PTC 18-2011, Hydraulic Turbines and PumpTurbines: Performance Test Codes
[3] Nicolle J, Proulx G, 2010, A New Method for Continuous
Efficiency Measurement of Hydraulic Turbines, 8th IGHEM conference,
Roorkee, India
[4] Nicolle J, Proulx G, Martell L, Online Flow Monitoring Experiences at Hydro-Québec, 9th IGHEM conference, Trondheim, Norway
21
ARTIGOS TÉCNICOS
DOI:10.14268/pchn.2015.00028
ISSN: 1676-0220
Subject: Engineering, hydro power
plants, hydro generators
ESTIMATIVA DA VAZÃO TURBINADA ATRAVÉS DA FAIXA
OPERATIVA OBTIDA PELA INTERPOLAÇÃO MULTIVARIÁVEL
UTIZANDO A MATRIZ DE VANDERMONDE
UTILIZANDO A MATRIZ DE VANDERMONDE
Rafael Freitas Ferreira, 2Eduardo A. R. Maia
1
RESUMO
De 2011 a 2013 a Eletrosul introduziu 4 centrais geradoras no sistema interligado nacional - SIN. Após a publicação da resolução
normativa 583/2013 da ANEEL (REN583), onde os agentes de geração devem comprovar a potência instalada da planta até 24 meses
após a entrada em operação comercial da primeira unidade geradora, advém a necessidade de medição da vazão turbinada com
certa confiabilidade. Um método aceito para determinação de vazão turbinada é através da faixa operativa ou curva colina da turbina.
Visando aproveitar a medição de vazão e disponibilizá-la para registro operacional e contabilização do consumo de água, este artigo
propõe a interpolação numérica multivariável dos pontos da faixa operativa através da Matriz de Vandermonde para determinar por
uma equação única e válida para toda faixa operativa, a vazão consumida, levando em consideração queda líquida e potência ativa,
provendo assim uma alternativa a melhor opção: medição direta da vazão. Utilizando esta técnica é apresentado três estudos de caso
para o processo de estimação da vazão turbinada em hidrogeradores e através dos pontos da faixa operativa se obteve a equação
multivariável capaz de estimar a vazão turbinada.
PALAVRA-CHAVE: medição de vazão; interpolação multivariável; matriz de Vandermonde.
ESTIMATE OF TURBINATED FLOW THROUGH
OPERATION RANGE OBTAINED BY MULTIVARIATE
INTERPOLATION USING VANDERMONDE MATRIX
ABSTRACT
From 2011 to 2013 Eletrosul introduced 4 hydro power plants into the National lntegrated System - SIN in portuguese. After the
publication of the normative resolution 583/2013 (REN583) by ANEEL - Brazilian Electricity Regulatory Agency, where energy players
have 24 months after beginning the commercial operation of first generator unit to prove power plant capacity, comes the necessity for
measurement of turbinated water with some reliability. An accepted method to determinate the turbinated flow is to use an operating
range or turbine bili chart curve. Aiming to use the flow measurument and providing it to operating record and accounting for water
consumption, this article proposes the numerical multivariate interpolation of points in the operating range using the Vandermonde
matrix to determine by an only equation an vaiid for the entire operating range, the turbinated flow, taking in consideration the head
and active power, thus providing an alternative for the best option: direct flow measurement. Using this technique is shown three cases
to estimate water flow in hydro-generators and through the points in operation range the multivariate equation capable to estimate
the turbinated flow was obtained.
KEYWORDS: flow measurement; multivariate interpolation; Vandermonde matrix.
1. INTRODUÇÃO
Em consonância com ao Anexo 2 da REN583 da ANEEL a vazão
deve ser monitorada nas máquinas sob ensaio e a grandeza deve
ser registrada a cada trinta minutos. Os métodos consagrados para
medição de vazão são: Gibson, medição relativa através do WinterKennedy e medição ultrassônica. O primeiro é particularmente
caro. O segundo assemelhase ao modelo proposto neste artigo,
porém a medição é valida apenas para faixa de queda que a
Winter-Kennedy foi calibrado, o terceiro é aplicado para condutos
forçados quando se tem seções retas favoráveis.
O método proposto neste artigo estima a vazão para toda
faixa operativa da unidade de forma analítica através de uma
equação multivariável. Para isto, é necessário conhecer a faixa
operativa da turbina, que é um dado de projeto e aceito pela
ANEEL para fim de cumprimento da REN583.
A interpolação multivariável, não necessariamente utilizando
o método de Vandermonde, vem sendo aplicada em diversos
campos da engenharia: Estudo da concentração de poluentes
no ar na província de Ontário no Canadá (Weimin Sun, 1995),
elaboração da curva de calibração necessária em um estudo para
determinar a concentração de CBDFITC (domínios de ligação de
celulose conjugados com isotiocianato de fluoresceína) adsorvidos
em fibras por análise de imagem (Amaral, A. L, 2005) e em
(D.S. Broomhead, 1988) a técnica de interpolação multivariável
utilizando funções de base radial - RBF em inglês, é utilizada em
um estudo em redes adaptativas.
As simulações e resultados neste trabalho foram obtidos
através do Octave 3.6.4. Os estudos de caso apresentados
são para duas pequenas centrais hidrelétricas e uma usina
hidrelétrica.
1
Eletrosul Centrais Elétricas S.A. Rua Dep. Ant6nio &lu Vieira, 999 - CEP: 88040-001. Florianópolis, SC. Brasil. Divisão de Engenharia de Manutenção da Geração. e-mail: rafael.
[email protected]
2
[email protected]
22
TECHNICAL ARTICLES
Tabela 1: Dados técnicos das usinas.
PCH-UHBC
PCH-UHJB
UHE-UHSD
Tipo
Francis Dupla
Francis
Kaplan
Qtd
2
3
2
Pot[MW]
3,75 a 7,50
3,17 a 6,33
9,60 a 24,00
Queda Liq.[m]
52,00 a 60,00
32,76 a 36,76
28,08 a 35,15
Vazao[m3/s]
9,09 a 16,00
11,65 a 21,66
31,86 a 81,28
A PCH Barra do Rio Chapéu fica localizada no município de
Rio Fortuna - Santa Catarina e possui duas unidades geradoras
governadas por turbina Francis dupla.
Tabela 2: Pontos da faixa operativa da PCH Barra do Rio
Chapéu/SC.
2. A MATRIZ DE VANDERMONDE
O método de Vandermonde é o mais simples e direto utilizado
em interpolação polinomial. A substituição direta dos pontos
conhecidos nas equações desejadas, em um sistema de equações
lineares, que tem como solução os coeficientes da equação e
pode ser resolvido usando decomposição Gaussiana ou PLU.
No caso proposto, utiliza-se a generalização do método para
equações multivariáveis. Observe, por exemplo, a equação que
se deseja modelar:
Pto
Queda[m]
Pot[MW]
Vazão[m3/s]
1
52,60
0,50
1,49
2
53,40
3,50
8,43
3
54,60
7,50
16,80
4
55,80
4,00
9,38
5
56,40
6,00
13,10
6
58,40
1,00
3,74
7
59,60
5,00
10,70
8
60,20
7,00
13,90
9
61,40
2,50
6,53
(1)
10
62,00
4,50
9,61
Para modelar a equação 1 necessita-se conhecer pelo menos
quatro pontos da função que se deseja representar – quatro
pontos da faixa operativa, por exemplo, ou quatro pontos aferidos
em campo.
Através do método de Vandermonde, para o exemplo acima,
resolvendo um sistema linear de quatro equações linearmente
independentes e quatro incógnitas, consegue-se descobrir os
coeficientes da equação 1.
11
62,70
6,50
12,70
12
63,30
1,00
4,08
13
64,50
5,00
10,10
14
65,10
7,00
13,10
15
66,30
2,50
6,65
16
66,90
4,50
8,94
Com os dezesseis pontos da tabela 2 a matriz de Vandermonde
é 16x16. A matriz c de coeficientes da equação 5 é 16x1.
(2)
(5)
Onde: c = [c1, c2, c3, c4]t é o vetor de coeficientes que se
deseja calcular; A matriz de Vandermonde - V, é a matriz nxn,
onde a primeira linha é o primeiro ponto avaliado em cada um
dos n monômios; a segunda linha é o segundo ponto avaliado
em cada um dos n monômios e assim por diante. Resolvendo o
sistema 2, consegue-se descobrir c e consequentemente definir a
equação 1. O sistema possui solução se o determinante da matriz
de Vandermonde é diferente de 0.
Dado o conjunto de pontos: (0;0;0), (2;5;8), (3;6;12)
e (4;2;6). A matriz de Vandermonde associada a equação
multivariável 1 é:
A equação 5 representa a vazão por toda a faixa de pontos
coberta pela tabela 2 - que são os pontos da faixa operativa. A
equação de Vandermonde é uma matriz quadrada e neste caso
de dimensão 16. Para não entediar o leitor demonstra-se apenas
o elemento a1,1 que multiplica ℎ3i, a1,2 que multiplica p3i e a2,3 que
multiplica ℎ3i . pj.
(6)
(3)
De acordo com a equação 5, os elementos a1,1, a1,2 e a2,3 são:
Resolvendo o sistema 3 obtém-se c = [0, 357; 0, 428; 0,
714; 0]t, e a equação 1 é escrita como:
(4)
3. A MATRIZ DE VANDERMONDE APLICADA AO
PROBLEMA DA ESTIMATIVA DE VAZÃO TURBINADA
Em uma gama de pontos que a faixa operativa fornece, o grau
de confiabilidade na estimativa da vazão turbinada em relação
à própria faixa operativa depende da quantidade de pontos que
serão utilizados e da localização destes pontos dentro da faixa
em sua maioria.
(7)
Uma vez calculado a matriz de Vandermonde, o vetor c de
coeficientes pode ser obtido através da resolução do sistema
linear 6 onde os elementos da matriz Q(ℎi, pi) são as vazões
apresentadas na tabela 2. O vetor c é dado por: c=(0,0521;
142,0008; -0,0396; -7,3141; 0,0095; 0,1253; -0,0007; -9,0995;
-1866,3513; 6,9187; 96,4151; -1,6561; 528,4457; 7769,8147;
-402,0369; -10202,8928).
A faixa operativa e as curvas de nível estimadas através da
equação 5 são apresentadas nas figuras 1 e 2 respectivamente.
23
ARTIGOS TÉCNICOS
o mesmo conceito na interpolação multivariável, pode-se
extrapolar a definição do erro na interpolação como a máxima
distância entre f(xi, yi) e p(xi, yi), ou seja, a máxima distância
entre os valores que compõem a faixa operativa e os valores de
vazão calculados através da função interpolada para todos os
pontos da faixa operativa.
(9)
Fig. 1: Faixa operativa estimada da turbina da PCH Barra do Rio Chapéu.
4. ERRO ASSOCIADO AO PORCESSO DE INTERPOLAÇÃO
MULTIVARIÁVEL
Fig. 2: Curvas de nível estimadas da turbina da PCH Barra do Rio Chapéu.
Se uma função f(x) é interpolada por n pontos, através
dos pares (x1,y1), (x2,y2) ... (xn,yn), então o erro associado ao
polinômio interpolador, p(x), de grau n-1 é dado por:
(8)
No intervalo de análise, [min(xi), max(xi)], o erro é mínimo
nos pontos que foram utilizados para interpolar o polinômio. No
exemplo ilustrado na figura 3, dentro da região de interesse, o
erro aumenta ao distanciar do min(xi) até um ponto máximo e
depois diminui até chegar no max(xi).
Por exemplo: Dado a função quadrática f(x) = 3x2−5x+7,
interpolada por uma reta p(x) = 7x − 2 utilizando os pontos
(1, 5) e (3, 19).
Fig. 3: Função f(x), p(x) e o Erro associado a interpolação.
O módulo do erro é nulo no ponto (1, 5) e aumenta a medida
que a função Erro(x) se distancia do ponto inicial, atinge um
valor máximo e depois reduz a zero até atingir (3, 19). Utilizando
24
Onde n, são todos os pontos disponíveis a serem
experimentados dentro da região de interesse e não apenas os
utilizados na interpolação. Logo, conhecendo a função f(x,y), o
conjunto de pontos que constituem a faixa operativa por exemplo,
para se determinar o máximo erro cometido no processo de
interpolação, deve-se experimentar a função interpolada nos
pontos conhecidos (x,y) da função f(x,y) em p(x,y) e comparálos - experimentase o polinômio interpolador apenas na região
de interesse. A interpretação gráfica do conceito de interpolação
multivariável é complexa.
No exemplo da PCH Barra do Rio Chapéu, utilizando a função
da equação 5 e experimentado-a em toda faixa operativa, o erro
máximo encontrado é de 13%. No exemplo mencionado utilizouse apenas 16 pontos em um universo disponível de 1215 pontos
para estimar a função da equação 5.
Aumentando um pouco a complexidade do polinômio
interpolador, utilizando 49 pontos por exemplo, o máximo erro
calculado é de 1,26%. Para montar o polinômio interpolador
utilizou-se pontos de dentro e fora da faixa operativa, porém, o
erro é calculado apenas dentro da faixa operativa, que é a região
de interesse. Somente a quantidade de pontos não é suficiente
para garantir a qualidade do polinômio interpolador.
Ao se escolher muitos pontos numa mesma região da faixa
operativa, o erro nesta região ficará baixo enquanto em outra
região será mais alto. A experiência do analista é importante no
momento da escolha e da quantidade de pontos - a mesma está
intimamente ligada ao grau do polinômio interpolador. E, quanto
maior a matriz de Vandermonde mais risco corre-se da mesma não
ter posto completo, havendo necessidade de trocar alguns pontos.
5. RESULTADOS E EXPERIÊNCIA
Sabendo que o erro do polinômio interpolador depende
da quantidade de pontos utilizados - grau do polinômio, e
localização dos pontos, intuitivamente, se escolhe a maioria dos
pontos da curva que estão dentro da faixa operativa da turbina. É
importante escolher alguns pontos fora da faixa operativa. Deste
modo, a curva de interesse terá o comportamento do polinômio
interpolador pelo menos até a borda da região de interesse. O
polinômio interpolador representará bem toda a faixa operativa.
A faixa operativa de turbinas tipo Francis são curvas mais
comportadas, ou seja, estas curvas seguem uma tendência. Nas
turbinas tipo Kaplan, devido ao efeito da conjugação das pás, as
curvas da faixa operativa apresentam uma complexidade maior.
Isto quer dizer que, para representar bem uma turbina Kaplan,
a equação do polinômio interpolador deve ter um grau maior que
de uma turbina Francis: a quantidade de pontos que devem ser
escolhidos da faixa operativa para montar a equação do polinômio
interpolador para uma turbina Kaplan é maior que de uma turbina
Francis, isto para se conseguir "a mesma"representatividade. As
curvas da figura 2 foram obtidas a partir da tabela 3. Na tabela
há alguns pontos fora da faixa operativa.
Ao cair na tentação de substituir os pontos que estão fora
da faixa operativa por pontos "mais significativos" a função
TECHNICAL ARTICLES
interpolada deixa de ser representativa próximo a borda da
região de interesse. A figura 4 são as curvas de nível da faixa
operativa estimada utilizando pontos apenas dentro da região
de interesse. Nota-se a diminuição da eficiência do polinômio
interpolador próximo as bordas da região de interesse.
O vetor c de coeficiente da função 5 para PCH João Borges
é dado por: c=(0,6419; 266,8340; -0,4382; -23,5534; 0,0958;
0,6911; -0,0067; -65,4513; -3771,2493; 44,7495; 333,5160;
-9,8039; 2218,2228; 17147,1487; -1519,3654; -24973,3245).
A usina hidrelétrica de São Domingos - UHSD, localizada
no município sul mato grossense de Água Clara, possui duas
turbinas kaplan de 24 MW cada. Para interpolar os pontos da
faixa operativa da turbina Kaplan se faz necessário um conjunto
de pontos bem maior que numa turbina Francis. Na função
interpolada em questão foi necessário utilizar 81 pontos. A função
Q(ℎ, p) tem grau 8. Nos dois casos mostrados neste artigo, com
turbina Francis, a função interpolada tem grau 3 - equação 5. O
esforço computacional para resolução do problema é um pouco
maior, mas o principal risco é que a matriz de Vandermonde
fique mal condicionada. Escolhendo os pontos para interpolação
apropriadamente e com experiência este risco é diminuído.
Fig. 4: Curvas estimadas apenas com pontos dentro da faixa operativa.
A PCH João Borges, também concedida a Eletrosul, fica
localizada no município catarinense de Campo Belo do Sul. Com
apenas 16 pontos da faixa operativa desta unidade, também é
possível determinar a vazão em toda zona de interesse através
de equação única.
Tabela 3: Pontos da faixa operativa da PCH Barra do João
Borges/SC.
Pto
Queda[m]
Pot[MW]
Vazão[m3/s]
1
32,76
3,17
13,08
2
36,76
3,17
11,65
3
34,50
3,25
12,66
4
33,50
3,50
13,56
5
35,50
3,50
13,01
6
35,00
3,75
13,86
7
33,00
4,00
14,94
8
36,00
4,00
14,24
9
34,50
4,12
15,02
10
36,76
5,70
19,02
11
34,00
6,00
20,58
12
35,00
6,00
20,33
13
33,50
6,250
21,32
14
32,76
6,33
21,66
15
36,00
6,33
21,06
16
36,76
6,33
20,90
Fig. 6: Curvas de nível estimadas da turbina da UHSD.
6. CONCLUSÕES
As curvas de nível estimadas da PCH João Borges são
apresentadas na figura 5.
O processo de interpolação multivariável utilizando a matriz
de Vandermonde se mostra bastante eficiente para estimação da
vazão turbinada em hidrogeradores. Escolhendo apropriadamente
os pontos de dentro e fora da faixa operativa é possível conseguir
uma excelente representatividade da característica da máquina.
Foi observado também que o erro pode ser bem reduzido se for
ampliado o grau da função interpolada.
O estudo da interpolação multivariável esbarra na questão
de como realizar a interpolação numérica de modo eficiente e
estável. O método mais simples conhecido, aqui apresentado,
é notadamente mau condicionado do ponto de vista da álgebra
linear.
Este fenômeno se torna mais crítico a medida que o vetor c
aumenta (Gasca, 2001). Ao tentar evitar o mau condicionamento,
diminuindo o número de pontos no processo de interpolação, temse o risco dos resultados não serem numericamente eficientes.
Os problemas acima citados foram driblados para os estudos
de caso com turbina Francis. O estudo de caso da Usina de São
Domingos mostrou o quanto a interpolação numérica para turbina
Kaplan pode ser difícil, porém ainda factível.
Esta estimativa de vazão pode se utilizada pela indústria
para: estimação do consumo de água nas usinas, operação de
reservatórios, indicação operacional e cumprimento da resolução
normativa 583 da ANEEL. A motivação deste estudo foi o
cumprimento da resolução.
7. REFERÊNCIAS
Fig. 5: Curvas de nível estimadas da turbina da PCH João Borges.
• Urquiza, Gustavo, Basurto, Miguel A., Flow Measurement, Ed.
InTech, 2012.
• Harder, Douglas Wilhelm, Khoury, Richard., Numerical
Analysis for Engineering, University of Waterloo, 2010.
25
ARTIGOS TÉCNICOS
• Cavi, Jean-Paul., Lectures on multivariate polynomial
interpolation, Toulouse, 2005.
• Gasca, Mariano,. Sauer, Thomas,. Polynomial interpolation in
several variables, 2001.
• Luiz Augusto de Andrade, Carlos Barreira Martinez, Jair
Nascimento Filho, Luís Antônio Aguirre. Estudo comparativo
de métodos de medição de vazão - uma aplicação em
comissionamento de turbinas hidráulicas. UFMG - Universidade
Federal de Minas Gerais.
• ANEEL. Resolução normativa no 583, de 22 de Outubro de 2013.
26
• Weimin Sun, Nhu D. Le, James V. Zidek and Rick Burnett.
Bayesian Multivariate Spatial Interpolation: Application and
Assessment. University of British Columbia. 1995.
• Amaral, A. L., Pinto, João Ricardo., Carvalho, Joana.,
Ferreira, E. C. e Gama, F. M. Determinação da concentração
de CBD-FITC adsorvidos em fibras por análise de imagem.
Universidade do Minho, 2005.
• D.S. Broomhead, David Lowe. Multivariable functional
interpolation and adaptive networks. Royal Signals and Radar
Establishment, 1988.
ARTIGOS TÉCNICOS
TECHNICAL ARTICLES
INSTRUÇÕES AOS AUTORES
INSTRUCTIONS FOR AUTHORS
Forma e preparação de manuscrito
Form and preparation of manuscripts
Primeira Etapa (exigida para submissão do artigo)
First Step (required for submition)
O texto deverá apresentar as seguintes características: espaçamento 1,5; papel A4 (210 x 297 mm), com margens superior,
inferior, esquerda e direita de 2,5 cm; fonte Times New Roman 12;
e conter no máximo 16 laudas, incluindo quadros e figuras.
Na primeira página deverá conter o título do trabalho, o
resumo e as Palavras-chave. Os quadros e as figuras deverão ser
numerados com algarismos arábicos consecutivos, indicados no
texto e anexados no final do artigo. Os títulos das figuras deverão
aparecer na sua parte inferior antecedidos da palavra Figura mais
o seu número de ordem. Os títulos dos quadros deverão aparecer
na parte superior e antecedidos da palavra Quadro seguida do
seu número de ordem. Na figura, a fonte (Fonte:) vem sobre a
legenda, à direta e sem ponto final; no quadro, na parte inferior
e com ponto final.
O artigo em PORTUGUÊS deverá seguir a seguinte sequência: TÍTULO em português, RESUMO (seguido de Palavras-chave), TÍTULO DO ARTIGO em inglês, ABSTRACT (seguido de
keywords); 1. INTRODUÇÃO (incluindo revisão de literatura);
2. MATERIAL E MÉTODOS; 3. RESULTADOS E DISCUSSÃO; 4.
CONCLUSÃO (se a lista de conclusões for relativamente curta, a
ponto de dispensar um capítulo específico, ela poderá finalizar
o capítulo anterior); 5. AGRADECIMENTOS (se for o caso); e 6.
REFERÊNCIAS, alinhadas à esquerda.
O artigo em INGLÊS deverá seguir a seguinte sequência:
TÍTULO em inglês; ABSTRACT (seguido de Keywords); TÍTULO
DO ARTIGO em português; RESUMO (seguido de Palavras-chave); 1. INTRODUCTION (incluindo revisão de literatura); 2.
MATERIALAND METHODS; 3. RESULTS AND DISCUSSION; 4.
CONCLUSIONS (se a lista de conclusões for relativamente curta,
a ponto de dispensar um capítulo específico, ela poderá finalizar
o capítulo anterior); 5. ACKNOWLEDGEMENTS (se for o caso);
e 6. REFERENCES.
O artigo em ESPANHOL deverá seguir a seguinte sequência: TÍTULO em espanhol; RESUMEN (seguido de Palabra llave),
TÍTULO do artigo em português, RESUMO em português (seguido de palavras-chave); 1. INTRODUCCTIÓN (incluindo revisão
de literatura); 2. MATERIALES Y METODOS; 3. RESULTADOS Y
DISCUSIÓNES; 4. CONCLUSIONES (se a lista de conclusões for
relativamente curta, a ponto de dispensar um capítulo específico, ela poderá finalizar o capítulo anterior); 5. RECONOCIMIENTO (se for o caso); e 6. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS.
Os subtítulos, quando se fizerem necessários, serão escritos
com letras iniciais maiúsculas, antecedidos de dois números
arábicos colocados em posição de início de parágrafo.
No texto, a citação de referências bibliográficas deverá ser
feita da seguinte forma: colocar o sobrenome do autor citado
com apenas a primeira letra maiúscula, seguido do ano entre
parênteses, quando o autor fizer parte do texto. Quando o autor
não fizer parte do texto, colocar, entre parênteses, o sobrenome,
em maiúsculas, seguido do ano separado por vírgula.
O resumo deverá ser do tipo indicativo, expondo os pontos
relevantes do texto relacionados com os objetivos, a metodologia,
os resultados e as conclusões, devendo ser compostos de uma
sequência corrente de frases e conter, no máximo, 250 palavras.
Para submeter um artigo para a Revista PCH Notícias & SHP
News o(os) autor(es) deverão entrar no site www.cerpch.unifei.
edu.br/submeterartigo.
Serão aceitos artigos em português, inglês e espanhol. No
caso das línguas estrangeiras, será necessária a declaração de
revisão linguística de um especialista.
Segunda Etapa (exigida para publicação)
The manuscript should be submitted with following format:
should be typed in Times New Roman; 12 font size; 1.5 spaced
lines; standard A4 paper (210 x 297 mm), side margins 2.5 cm
wide; and not exceed 16 pages, including tables and figures.
In the first page should contain the title of paper, Abstract
and Keywords. The tables and figures should be numbered consecutively in Arabic numerals, which should be indicated in the
text and annexed at the end of the paper. Figure legends should
be written immediately below each figure preceded by the word
Figure and numbered consecutively. The table titles should be
written above each table and preceded by the word Table followed by their consecutive number. Figures should present the
data source (Source) above the legend, on the right side and no
full stop; and tables, below with full stop.
The manuscript in PORTUGUESE should be assembled in the
following order: TÍTULO in Portuguese, RESUMO (followed by
Palavras-chave), TITLE in English; ABSTRACT in English (followed by keywords); 1. INTRODUÇÃO (including references);
2. MATERIAL E MÉTODOS; 3. RESULTADOS E DISCUSSÃO; 4.
CONCLUSÃO (if the list of conclusions is relatively short, to the
point of not requiring a specific chapter, it can end the previous
chapter); 5. AGRADECIMENTOS (if it is the case); and 6. REFERÊNCIAS, aligned to the left.
The article in ENGLISH should be assembled in the following order: TITLE in English; ABSTRACT in English (followed by
keywords); TITLE in Portuguese; ABSTRACT in Portuguese (followed by keywords); 1. INTRODUCTION (including references);
2. MATERIAL AND METHODS; 3. RESULTS AND DISCUSSION;
4. CONCLUSIONS (if the list of conclusions is relatively short,
to the point of not requiring a specific chapter, it can end the
previous chapter); 5. ACKNOWLEDGEMENTS (if it is the case);
and 6. REFERENCES.
The article in SPANISH should be assembled in the following order: TÍTULO in Spanish; RESUMEN (following by Palabrallave), TITLE of the article in Portuguese, ABSTRACT in Portuguese (followed by keywords); 1. INTRODUCCTIÓN (including
references); 2. MATERIALES Y MÉTODOS; 3. RESULTADOS Y
DISCUSIÓNES; 4. CONCLUSIONES (if the list of conclusions is
relatively short, to the point of not requiring a specific chapter, it
can end the previous chapter); 5.RECONOCIMIENTO (if it is the
case); and 6. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS.
The section headings, when necessary, should be written
with the first letter capitalized, preceded of two Arabic numerals
placed at the beginning of the paragraph.
References cited in the text should include the author’s
last name, only with the first letter capitalized, and the year
in parentheses, when the author is part of the text. When the
author is not part of the text, include the last name in capital
letters followed by the year separated by comma, all in parentheses.
Abstracts should be concise and informative, presenting the
key points of the text related with the objectives, methodology,
results and conclusions; it should be written in a sequence of
sentences and must not exceed 250 words.
For paper submission, the author(s) should access the online
submission Web site www.cerpch.unifei.edu.br/submeterartigo
(submit paper).
The Magazine PCH Notícias & SHP News accepts papers in Portuguese, En-glish and Spanish. Papers in foreign languages will be
requested a declaration of a specialist in language revision.
Second Step (required for publication)
O artigo depois de analisado pelos editores, poderá ser
devolvido ao(s) autor(es) para adequações às normas da Revista
ou simplesmente negado por falta de mérito ou perfil. Quando
aprovado pelos editores, o artigo será encaminhado para três
revisores, que emitirão seu parecer científico. Caberá ao(s)
autor(es) atender às sugestões e recomendações dos revisores;
caso não possa(m) atender na sua totalidade, deverá(ão)
justificar ao Comitê Editorial da Revista.
After the manuscript has been reviewed by the editors, it is
either returned to the author(s) for adaptations to the Journal
guidelines, or rejected because of the lack of scientific merit and
suitability for the journal. If it is judged as acceptable by the
editors, the paper will be directed to three reviewers to state
their scientific opinion. Author(s) are requested to meet the reviewers, suggestions and recommendations; if this is not totally
possible, they are requested to justify it to the Editorial Board.
Obs.: Os artigos que não se enquadram nas normas acima
descritas, na sua totalidade ou em parte, serão devolvidos e
perderão a prioridade da ordem sequencial de apresentação.
Obs.: Papers that fail to meet totally or partially the guidelines above described will be returned and lose the priority of the
sequential order of presentation.

- cerpch

Transcrição

Documentos relacionados

Rotâmetro - Catálogo

Diário da Manhã – 15/10/2007 http://www.dm.com.br/ultimas.php?id

placa de orifício modelo kpd

- cerpch

Venturi e placa de orifício

Rotâmetro série TRV Os Rotâmetros Tecnofluid de série TRV são

ROTÂMETROS COM TUBO METÁLICO

PEÇAS PARA Pulverizadores HYPRO

TECNOLOGIA DE JACTO DE ÁGUA

Geracao_cap02 - Universo 7N2 2014.1

Análise da vazão em redes de rádios cognitivos usando

MANUAL A360 PRT 17957772.00.indd

Modelo de Avaliação e Lista de Verificação para Projetos de