* Rua Ministro Rocha Azevedo, 25 – 11°andar – CEP 01410-900 – São Paulo - SP - BRASILTel.: (011) 252-3610 - Fax: (011) 3263-0471 - E-MAIL: jean.negri@cesp.com.br

SNPTEESEMINÁRIO NACIONALDE PRODUÇÃO ETRANSMISSÃO DEENERGIA ELÉTRICA

GGH-1019 a 24 Outubro de 2003

Uberlândia - Minas Gerais

GRUPO IGRUPO DE ESTUDO DE GERAÇÃO HIDRÁULICA - GGH

DETERMINAÇÃO DO RENDIMENTO PONDERADO MÉDIO OPERACIONALDE TURBINAS DE USINAS HIDRELÉTRICAS

Edwin I. B. Ang Jayme R. Teixeira Fº Jean C. Negri* Paschoal G. C. Maimone Sergio N. BarillariCESP CESP CESP CESP CESP

RESUMO

Propõe-se um método alternativo para avaliação dorendimento médio ponderado de turbinas hidráulicas,utilizando-se a série histórica de vazões naturais paraum período de tempo (1931-1998) e empregando oModelo de Simulações a Usinas Individualizadas(MSUI) da Eletrobrás.

PALAVRAS-CHAVE

Turbina hidráulica. Ensaio de turbinas hidráulicas.Rendimento médio ponderado.

1.0 - INTRODUÇÃO

Os modelos computacionais para simular o despachode sistemas hidrotérmicos, sejam os que utilizam oconceito de “reservatório equivalente” sejam os queconsideram as usinas de forma individualizadas,exigem bases de dados com informações detalhadasdas usinas hidrelétricas. Entre os principais parâmetrosutilizados destacam-se: tipo de turbina, rendimentoglobal médio (conjunto turbina-gerador), perdahidráulica, produtibilidade, engolimento máximo, quedade referência, polinômios característicos dosreservatórios e do canal de fuga (cota x vazão).O rendimento tem importância singular, pois afetadiretamente a capacidade de geração de energia doconjunto turbina-gerador. Considerando que orendimento das turbinas é avaliado com precisão nosensaios de modelo reduzido e a seguir transpostomatematicamente para o protótipo, foi desenvolvidauma metodologia que determina o rendimento médiodas turbinas em condições operacionais

representativas daquelas que deverão ocorrer naoperação durante a vida esperada do aproveitamento

2.0 - PROCESSO DE AVALIAÇÃO USUAL

2.1 – Turbina

A avaliação do rendimento de turbinas hidráulicas éabordada nas seguintes normas:– IEC 60193 – 1999 Hydraulic turbines, storage

pumps and pumps-turbines – Model acceptancetests.

– IEC 60041 – 1991 Field acceptance tests todetermine the hydraulic performance of hydraulicturbines, storage pumps and pumps-turbines

– NBR 11374 – 1990 Ensaios de recepção deturbinas hidráulicas

A norma IEC 60193 estabelece que os ensaios emmodelo reduzido podem substituir ou complementar osensaios de campo.O rendimento médio ponderado é especificado pelocomprador da turbina, com base no regime hidrológicoda bacia, onde será construída a usina, sendo osfatores de ponderação apresentados nasespecificações técnicas contratuais.Deve-se ressaltar que os contratos para aquisição deequipamentos de geração indicam faixas derendimento esperado para as turbinas e geradores,bem como multas caso os rendimentos não sejamalcançados.No ensaio de modelo reduzido da turbina, sãolevantados os rendimentos para as quedas e vazõesindicadas na tabela de fatores de ponderação ecalculado o rendimento médio ponderado para omodelo. A seguir é calculado o rendimento médioponderado esperado para o protótipo através defórmula de transposição indicada nas normas.

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Após o término da montagem e comissionamento dasunidades geradoras, é escolhida uma ou maisunidades para execução dos chamados ensaios decomprovação de potências, que entre outros medirá orendimento da turbina.Como não é possível obter todas as quedas indicadasna tabela de fatores de ponderação num curto períodode tempo, os ensaios são realizados com a quedadisponível e utilizadas fórmulas de transposição paraas quedas desejadas.Devido à dificuldade de medir com precisão as vazõesde água turbinadas, é executado o ensaio derendimento relativo (index test) no qual a vazão écalculada em função de diferenças de pressão na caixaespiral e de um coeficiente obtido no ensaio de modeloreduzido (método Winter-Kennedy). Este método temuma imprecisão de ±3% em contraposição ao métodode medição direta que tem uma imprecisão estimadaentre 1% e 1,2%. Considerando as imprecisões namedição da queda e da potência elétrica, a imprecisãona avaliação do rendimento é da ordem de 1% a 2%.

2.2 Hidrogerador

A determinação das características de umhidrogerador, bem como os métodos para ensaios sãoabordados nas seguintes normas:– IEC 60034-1 – 1999 - Rotating electrical machines,

Part 1: Rating and performance.– IEC 60034-2 – 1972 - Rotating electrical machines

Part 2: Methods for determining losses andefficiency of rotating electrical machinery form tests

– NBR 5117 – 1984 - Máquinas síncronas -Especificação.

– NBR 5052 - 1984 - Máquinas síncronas - Métodode ensaio.

A medição do rendimento de um gerador tem sido feitapela determinação das perdas totais sob carga ou peladeterminação das perdas segregadas através demedições no sistema de refrigeração. No entanto,existem restrições de ordem prática para estes ensaiosquando referidos a hidrogeradores, devido àsdimensões dos mesmos, o que conduz à máquinapronta “on site”, ou seja, não e´ possível montá-los eensaiá-los na fábrica.Do ponto de vista de projeto, o aumento da eficiênciatem sido baseado na diminuição das perdas internas edas fontes de aquecimento, além do aumento daeficiência dos sistemas de refrigeração. Isto implica emdesenvolvimento de novas tecnologias de isolantes,

configurações de barramentos e novos sistemas derefrigeração; utilização de chapas de menor espessurano núcleo estatórico; etc.. Entretanto, deve-se levar emconsideração que elevados níveis de rendimentoimplicam em elevado custo de projeto e construção damáquina, sendo necessário um estudo dos benefícioseconômicos de uma unidade de altíssimo rendimentoao longo do seu tempo de vida útil. Neste caso, deve-se tomar o cuidado para que este rendimento máximocoincida com o ponto de operação mais freqüente damáquina. Desta forma, pode-se pensar em rendimentoponderado ao invés de rendimento medido num pontode operação, buscando no projeto maximizar aeficiência média neste ponto de ponderação.

3.0 - METODOLOGIA PROPOSTA

Visando contornar as incertezas das condições deoperação e dos fatores de ponderação expostas noitem 2.0, foi desenvolvida a metodologia objeto destetrabalho.Inicialmente simula-se a operação da usina integradaao sistema interligado nacional, utilizando-se toda asérie histórica de vazões naturais disponível,atualmente para o período 1931-1998. Emprega-se oModelo de Simulações a Usinas Individualizadas -MSUI (Eletrobrás) que fornece mensalmente para todoo período simulado a queda líquida e a vazão turbinadatotal para as condições de operação na ponta e fora daponta. A vazão turbinada é rateada entre as unidadesem operação, procurando mantê-las sempre quepossível no ponto de melhor eficiência. Assim, onúmero de unidades em operação vai depender dageração total da usina no mês. De posse da vazãoturbinada média e da queda líquida, obtém-se orendimento da turbina, utilizando-se a curva de colinado protótipo da turbina obtida no ensaio com modeloreduzido, como por exemplo, as curvas das unidadesda UHE Jupiá (ver Gráfico 1). Em seguida, obtém-se orendimento médio ponderado para cada período,considerando-se o número de horas de operação naponta e fora da ponta, por exemplo 3h e 21h,respectivamente. O rendimento médio global é obtidopela média dos rendimentos considerando todo operíodo histórico da simulação (1931-1998). Ofluxograma da Figura 1 (página 6) sumariza estametodologia.

GRÁFICO 1 - UHE Jupiá - Curva de Rendimento da Turbina

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4.0 - EXEMPLOS DE APLICAÇÃO

A metodologia foi aplicada a dois casos envolvendo asUHE’s Jupiá e Porto Primavera. Para tanto, as curvasde rendimento das turbinas foram digitalizadas e ummodelo computacional desenvolvido para que acopladoao MSUI permitisse a automatização dos cálculos. Noprimeiro caso, o objetivo foi determinar a influência doremanso do reservatório da UHE Porto Primaverasobre as condições operacionais da UHE de Jupiá e,por conseqüência, sobre seu rendimento médio. E, nosegundo caso, o objetivo foi a determinação dosparâmetros operacionais das unidades geradoras daUHE Porto Primavera, tendo em vista a necessidadede revisão do cálculo da energia e potênciaasseguradas da usina, decorrente da ampliação dacapacidade instalada das unidades no ano de 2001,bem como da decisão da empresa de concluir amontagem de 14 unidades geradoras.

No primeiro caso a operação de Jupiá foi estudadapara duas configurações. A primeira, considerando aoperação da usina sem a influência do remanso doreservatório de Porto Primavera, que é condiçãooriginal e que serviu para especificar as turbinas deJupiá quando da implantação do aproveitamento. E asegunda, com o reservatório de Porto Primaveraoperando entre as cota 257 e 259 m, que é a condiçãofinal de projeto, e que altera a curva chave de jusantede Jupiá. Os resultados da simulação, queda líquida evazão turbinada para a configuração sem oreservatório de Porto Primavera são apresentados nosGráficos 2 e 3. Os resultados do cálculo do rendimentomédio ponderado para as duas configurações estãosumarizados nos Gráficos 4 e 5.Assumindo o rendimento dos geradores de 98%, orendimento dos grupos fica como indicado na Tabela 1.Pode-se constatar que embora as condições dejusante, devido ao reservatório de Porto Primavera,influenciem de forma significativa o posicionamentodas unidades no diagrama de colina, as alterações dorendimento médio ponderado de Jupiá são mínimas.

GRÁFICO 2 - UHE Jupiá – Simulação sem o Reservatório de Porto Primavera – Queda Líquida

GRÁFICO 3 - UHE Jupiá – Simulação sem o Reservatório de Porto Primavera – Vazão Turbinada

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GRÁFICO 4 - UHE Jupiá – Eficiência das Turbinas - Operação Sem o Reservatório de Porto Primavera

GRÁFICO 5 - UHE Jupiá - Eficiência das Turbinas - Porto Primavera Operando entre as cotas 257 e 259m

TABELA 1 - UHE Jupiá - Rendimento MédioPonderado das Turbinas

Situação doReservatório de Porto

Primavera

Rendimento médio dasTurbinas de Jupiá (%)

Antes da implantação 93,29

Entre as cotas 257 e 259 93,18

No segundo caso, o aproveitamento de PortoPrimavera foi estudado considerando duasconfigurações, a original com 18 unidades geradorascom potência nominal de 100,8MW e a situação atual,após a revisão da potência nominal dos grupos, quepassou para 110MW e com o número de unidadesgeradoras reduzido para 14. Os resultados dassimulações e do cálculo do rendimento médioponderado estão sumarizados nos Gráficos 7 e 8 e naTabela 2, na qual as duas configurações sãocomparadas.

TABELA 2 - UHE Porto Primavera – Rendimento MédioPonderado das Turbinas

UHE Porto Primavera - Resultados das Simulaçõese do Cálculo do Rendimento Médio Ponderado

SituaçãoInicial

SituaçãoAtual

Número de Máquinas 18 14Potência Nominal doGerador (MW)

100,8 110,0

Potência Média da Turbina(MW)

81,07 89,17

Rendimento Médio daTurbina (%)

94,9 94,7

Potência Média do Gerador(MW)

79,64 87,65

Rendimento Médio doGerador (%)

98,24 98,3

Queda Líquida Média (m) 20.49 20.40

Vazão Média (m_/s) 427,83 473,65

Perda de Carga Média (m) 0,29 0,36

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GRÁFICO 7 - UHE - Porto PrimaveraDeterminação do Rendimento Médio Ponderado das Turbinas

18 Máquinas - Potência Nominal = 100,8 MW

GRÁFICO 8 - UHE - Porto PrimaveraDeterminação do Rendimento Médio Ponderado das Turbinas

14 Máquinas - Potência Nominal = 110,0 MW

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Com a redução do número de unidades e o aumentoda potência nominal dos geradores, a potência médiaponderada e a vazão média ponderada aumentaramde forma significativa, conduzindo a uma maior perdade carga na adução. A queda líquida média teve umaredução pouco significativa e como pode serobservado o rendimento médio ponderado das turbinastambém teve uma pequena redução. Este é umresultado normal dadas as características das turbinasKaplan, que apresentam reduzida declividade da curvade colina na região de máxima eficiência.

5.0 - APLICABILIDADE E OPORTUNIDADES

Recentemente no setor elétrico tem ganho espaço adiscussão sobre a modernização e repotenciação deunidades geradoras existentes, como forma demelhorar o desempenho técnico e econômico da usina,além da automática reparação e atualização do ativo.O enfoque maior tem sido dado a unidades geradorascom mais de 120.000 horas ou cerca de 30 anos deoperação. Este é o caso, por exemplo, das UHE’sJupiá e Ilha Solteira.Algumas aplicações no exterior demonstram aviabilidade da modernização de UHE’s. Utilizandotécnicas modernas baseadas em anál isecomputacional de escoamento (CFD) e de esforços evibrações (CAE), são definidos novos pontos deprojeto, vinculados a uma melhoria de desempenho depotência, eficiência e comportamento da cavitação,além de uma segurança operacional dos componentes.Naturalmente para as condições brasileira, aimplementação de atualização e modernização deunidades geradora deve ser precedida de uma análisede custo-benefício baseada na legislação vigente(resoluções ANEEL), procedimentos de rede (ONS), eregras de mercado (MAE). O benefício é avaliado peloincremento resultante da energia assegurada, que édiretamente dependente da eficiência da unidadegeradora, enquanto que a elevação da potência temefeito amortecido vinculada à respectiva energiaassociada.A evolução tecnológica no processo de análise, noprojeto e na fabricação tem refletido em ganho dedesempenho nas turbinas tipo Francis e Kaplan, aolongo dos últimos anos. Para unidades com 30 anos deoperação é estimado um ganho de 0,5 a 5% naeficiência e de 5 a 20% na potência, dependendo dotipo de máquina.Os métodos simplificados para avaliação do ganho,como o “index test” ou a medição direta das variáveisna unidade geradora, antes e após as modificações,utilizando as técnicas atuais, apresentam um erro daordem do ganho previsto.Nestas condições, o método ideal é através do modeloreduzido e protótipo da unidade original e modificada,ponderada nas condições de metodologia proposta ediscutida no item 3.0.Além disso, o próprio critério de determinação daenergia assegurada está sendo revisto, sobre doisaspectos, a saber: modelo de representação-simulaçãoe parâmetros operacionais.Esta metodologia de determinação de eficiência podeser sugerida no estabelecimento da eficiência médiaponderada.

6.0 - CONCLUSÃO

Os resultados obtidos com a aplicação destametodologia têm mostrado que o mesmo é bastantesensível e adequado para avaliar as repercussõesenergéticas de alterações significativas quer seja nosnas unidades geradoras, como nos casos derepotenciação, quer seja na forma operacional devido aalterações nas políticas de utilização dos reservatórios.O método pode ser aplicado indiscriminadamente aoconjunto de aproveitamentos hidroelétricos do sistemainterligado nacional e permite que o rendimento médiodos mesmos seja estimado de forma maisrepresentativa e isento de distorções causadas peloemprego de critérios não uniformes. Este fato adquiregrande importância no momento em que se encontramem curso alterações significativas nos critérios para ocálculo das energias asseguradas dos aproveitamentosque são influenciadas diretamente pelos valores dosrendimentos médios.

7.0 - REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

(1) Muller, Hans P. – Measurement of the pressure inthe spiral casing according to the Winter-Kennedymethod – Voith Research and Construction Vol.19e, paper 4, 08/1969.

(2) Echeverria, J. J. Rocha – O impacto daespecificação de hidrogeradores no seu custo –XVI SNPTEE – GGH/009.

(3) Pena, E; Paunescu, N; Bleier, I – Portile de Fier I :Modernizing Europe’s Largest Hydro Plant –MRW, Vol. 10, number 5 – 2002

(4) Montagnana Jr., N; Almeida, K. R. V. –Repotenciação de turbinas hidráulicas –Workshop Repotenciação de turbinas e geradoresem usinas hidrelétricas. – Bracier - Recife - 2000

FIGURA 1 – Fluxograma de Cálculo do RendimentoMédio Ponderado