Tcc Pch Morro Dos Quadros

UNIVERSIDADE DO SUL DE SANTA CATARINA

RENATO JOS HORSTMANN

RICARDO MOACYR MAFRA

PCH MORRO DOS QUADROS VIABILIDADE HIDRULICA DE UMA ESTAO

DE TRATAMENTO DE GUA

Palhoa

2011





Trabalho de Concluso do Curso de Graduao em Engenharia Civil da Universidade do Sul de Santa Catarina, como requisito parcial obteno do ttulo de Engenheiro Civil.

Orientador: Prof. Carlos Roberto Bavaresco, Msc.

Palhoa

2011





Este Trabalho de Concluso de Curso foi julgado adequado obteno do ttulo de Engenheiro Civil e aprovado em sua forma final pelo Curso de Engenharia Civil, da Universidade do Sul de Santa Catarina.

Palhoa, 22 de Junho de 2011.

___________________________________________ Prof. e Orientador Carlos Roberto Bavaresco, Msc.

Universidade do Sul de Santa Catarina

___________________________________________ Prof. Eduardo Sartor Scangarelli, Msc. Universidade do Sul de Santa Catarina

___________________________________________ Prof. Jos Gabriel da Silva, Msc.

Universidade do Sul de Santa Catarina

Aos meus filhos Renato Filho e Lus Gustavo e aos

meus pais, que sempre me apoiaram e me deram fora

nesta longa caminhada. Aos meus amigos, em especial

ao Ricardo que confiou em nossa idia, e a minha

esposa Ana Paula pelo carinho, pacincia e

compreenso.

Renato

A Deus, por estar sempre presente em todos os

momentos por diversas formas, minha filha

Emanuelle, minha esposa Tnia, aos meus pais e

irmos que sempre me apoiaram e aos meus amigos, em

especial ao Renato que acreditou nesta empreitada.

Ricardo

AGRADECIMENTOS

A Deus pela fora encontrada para ultrapassar os obstculos impostos pela vida e por

demonstrar que tudo se pode desde que se acredite.

Ao nosso orientador Carlos Roberto Bavaresco, pela orientao, confiana, pacincia,

compreenso e incentivo.

A todos os professores que fizeram parte desta caminhada, o nosso muito obrigado,

especialmente queles que acima de tudo foram amigos e companheiros.

A nossa supervisora Lisiane, pela pacincia, ateno, ensinamentos e disponibilidade.

A banca examinadora, Eduardo Sartor Scangarelli e Jos Gabriel da Silva, pela contribuio,

ateno e por aceitarem fazer parte deste momento to especial para ns.

A Estelar Engenheiros Associados que incentiva o aprendizado e a formao acadmica na

rea.

A CASAN que deu o apoio necessrio para que este estudo fosse viabilizado, e que incentiva o

aprendizado e a formao acadmica na rea.

Enfim a todos, seja qual tenha sido sua contribuio foi importante para o bom

desenvolvimento desta jornada.

Renato e Ricardo

LISTA DE FIGURAS

Figura 1: Manancial Superficial dos Piles ................................................................ 19 Figura 2: Manancial Superficial de So Bento........................................................... 19 Figura 3: Manancial Subterrneo .............................................................................. 20 Figura 4: Manancial Subterrneo .............................................................................. 20 Figura 5: guas Subterrneas ................................................................................... 20 Figura 6: Perda de Carga num Conduto ................................................................... 22 Figura 7: Processo de Tratamento de gua .............................................................. 27 Figura 8: UHE Estreito .............................................................................................. 29 Figura 9: PCH Foz do Chapec ................................................................................ 31 Figura 10: Instalao Hidreltrica .............................................................................. 33 Figura 11: Converso de Energia .............................................................................. 34 Figura 12: Tempo de Regularizao (tr) X Tempo de Enchimento (te) ...................... 35 Figura 13: PCH com Cmara de Carga .................................................................... 36 Figura 14: PCH com Conduto Forado ..................................................................... 36 Figura 15: Desenho esquemtico da TH Pelton de Dois Jatos de Eixo Horizontal ... 39 Figura 16: TH Pelton de Dois Jatos de Eixo Horizontal ............................................. 39 Figura 17: TH Michell-Banki ...................................................................................... 39 Figura 18: TH Francis Simples de Eixo Horizontal (Vista Montante) ......................... 40 Figura 19: TH Francis Simples de Eixo Horizontal (Vista Jusante) ........................... 40 Figura 20: TH Kaplan detalhe da hlice .................................................................... 40 Figura 21: TH Kaplan Tubo de Suco .................................................................. 40 Figura 22: Seo Longitudinal em uma Tomada dgua de Superfcie ..................... 41 Figura 23: Seo Longitudinal na Tomada dgua Afogada de GG da CH Itaipu

Brasil/Paraguai. ................................................................................................. 43 Figura 24: Bacia Hidrogrfica do Rio Vargem do Brao ............................................ 47 Figura 25: Bacia Hidrogrfica do Rio Cubato do Sul ............................................... 48 Figura 26: Perfil Esquemtico do Circuito de Gerao .............................................. 50 Figura 27: Rendimento da Turbina Francis. .............................................................. 52 Figura 28: Perda de carga na chegada da ETA Cubato em funo da vazo. ....... 55 Figura 29: Barragem Vertente (Vertedouro de Soleira Livre) El. 240,05 m ............... 61 Figura 30: Caixa de Areia (Tomada dgua) ............................................................. 61 Figura 31: Rede 13,8V CELESC ............................................................................... 62

LISTA DE QUADROS

Quadro 1: Classificao das PCH(s) quanto potncia instalada e quanto queda bruta de projeto. ................................................................................................ 30

Quadro 2: Descrio das Principais Contas do Oramento Padro Eletrobrs. ....... 44 Quadro 3: Vazes Mnimas Anuais com Mdia de Sete Dias na barragem dos Piles.

.......................................................................................................................... 49 Quadro 4: Cotas para mximas calculadas. .............................................................. 60 Quadro 5: Oramento da PCH Morro dos Quadros. ................................................. 65

LISTA DE TABELAS

Tabela 1: Densidade Populacional da Regio........................................................... 47 Tabela 2: Rendimento da Turbina Francis ................................................................ 52 Tabela 3: Estudo Energtico para Perodo Integral ................................................... 59

LISTA DE ABREVIATURAS

ABNT Associao Brasileira de Normas Tcnicas

ANEEL Agncia Nacional de Energia Eltrica

ART Anotao de Responsabilidade Tcnica

CASAN Companhia Catarinense de gua e Saneamento

CELESC Central Eltrica de Santa Catarina

CGH Central Geradora hidroeltrica

DN Dimetro Nominal

El - Elevao

ETA Estao de Tratamento de gua

ERAB Estao de Recalque de gua Bruta

GG Grupo Gerador

IGP-M ndice Geral de Preo do Mercado

INMETRO Instituto Nacional de Metrologia

MME Ministrio de Minas e Energia

PCH Pequena Central Hidroeltrica

SAA Sistema de Abastecimento de gua

TH Turbina Hidrulica

UG Unidade Geradora

UHE Usina Hidreltrica

RESUMO

O estudo desenvolvido neste projeto considerado do ponto de vista tcnico, uma

aplicao prtica para alternativa de ampliao do Sistema de Abastecimento de

gua (SAA) CASAN, numa Estao de Tratamento de gua (ETA). Teve como

objetivo geral desenvolver um estudo de viabilidade hidrulica para instalao de

uma Pequena Central Hidroeltrica (PCH) na adutora de gua bruta que alimenta a

ETA. A anlise dos dados levantados no campo e por meio de dados histricos

permitiu identificar que a hidrulica dos condutos forados hoje instalados, viabiliza a

operao da PCH, tornando o SAA auto-suficiente. O excedente gerado poder ser

comercializado no mercado de energia. Os resultados obtidos mostraram que a

implantao deste sistema economicamente e tecnicamente vivel, dando maior

confiabilidade ao SAA.

Palavras-Chave: Hidrulica. Condutos Forados. Hidroeltrica.

ABSTRACT

The study developed at this project is considered a practical application to alternative

expansion of the Water Supply System (SAA) CASAN, in a Water Treatment Plant

(ETA). The general objective was to develop a hydraulic feasibility study to install a

Small Hydroelectric Plant (PCH) in the raw water pipeline that suplies ETA. Data

analysis raised in the field and using historical data identified that the hydraulics of

the penstock installed today, enables the operation of PCH, making self SAA. The

surplus generated can be marketed in the energy market. The results showed that

deployment of this system is technically and economically feasible, giving greater

reliability to the SAA.

Key words: Hydraulic, penstock e hydroelectric

SUMRIO

SUMRIO

1. INTRODUO ................................................................................................... 13

1.1 JUSTIFICATIVA ............................................................................................... 14 1.2 OBJETIVOS ..................................................................................................... 15

1.2.1 Objetivo Geral .......................................................................................... 15 1.2.2 Objetivos Especficos ............................................................................. 15

1.3 PROBLEMATIZAO ...................................................................................... 15 1.4 PROPOSTAS DA SOLUO ........................................................................... 16 1.5 DELIMITAO ................................................................................................. 17 1.6 ESTRUTURAS DA MONOGRAFIA .................................................................. 17

2 REFERENCIAL TERICO ..................................................................................... 18

2.1 SISTEMA DE ABASTECIMENTO DE GUA (SAA) ......................................... 18 2.1.1 Partes de um SAA ................................................................................... 19

2.1.1.1 Mananciais.......................................................................................... 19 2.2 CAPTAO DE GUA ..................................................................................... 21 2.3 HIDRULICA DOS CONDUTOS PARA TRANSPORTE DE GUA ................. 21

2.3.1 Escoamento em Condutos Forados .................................................... 22 2.3.2 Escoamento em Condutos Livres .......................................................... 23 2.3.3 Classificao das Adutoras ................................................................... 24

2.4 ESTAO DE TRATAMENTO DE GUA (ETA) .............................................. 25 2.5 SISTEMA DE RESERVAO .......................................................................... 27 2.6 EMPREENDIMENTOS HIDROELTRICOS .................................................... 28 2.7 PEQUENA CENTRAL HIDRELTRICA (PCH) ................................................ 30

2.7.1. Processo de Gerao de Energia Eltrica ........................................... 31 2.7.2 Instalaes Hidreltricas ........................................................................ 32 2.7.3 Converso de Energia ............................................................................ 33 2.7.4 Estudos Hidroenergticos ...................................................................... 34

2.8 ORAMENTO E PREOS UNITRIOS .......................................................... 43

3 METODOLOGIA E MODELAGEM DO PROJETO ................................................ 45

3.1 ESTUDO DE CASO ......................................................................................... 45 3.2 ANLISE EXPLORATRIA ............................................................................. 46 3.3 CARACTERIZAO DO LOCAL DE PESQUISA ............................................ 46

3.3.1 Vazes Mnimas....................................................................................... 48 3.4 DADOS PARA ELABORAO DO PROJETO ................................................ 49

3.4.1 Estudos Energticos ............................................................................... 51 3.4.2 Metodologia Empregada ......................................................................... 51

4 DESENVOLVIMENTO E VALIDAO .................................................................. 53

4.1 - CLCULOS DA PERDA DE CARGA .............................................................. 53 4.2 - CLCULOS DA POTNCIA INSTALADA ...................................................... 57

4.2.1 Definio das Simulaes ...................................................................... 59 4.3 ESTUDOS HIDRULICOS .............................................................................. 60 4.4 CONEXO DA PCH MORRO DOS QUADROS AO SISTEMA CELESC .......... 61 4.5 DESCRITIVOS DO ARRANJO GERAL ............................................................ 63

4.5.1 Obras Civis .............................................................................................. 63

4.5.2 Sistema de Captao da gua ............................................................... 63 4.6 ORAMENTO DAS ESTIMATIVAS DE GERAO ......................................... 64

5 CONCLUSO E RECOMENDAO .................................................................... 66

REFERNCIAS ......................................................................................................... 68

ANEXOS ................................................................................................................... 71

ANEXO 01: MAPA DE LOCALIZAO. ........................................................................ 72 ANEXO 02: ARRANJO GERAL DO SAA. ..................................................................... 73 ANEXO 03: CROQUI DA CASA DE FORA. ................................................................. 74 ANEXO 04: CLCULOS ENERGTICOS. ..................................................................... 75 ANEXO 05: NDICE GERAL DE PREOS DO MERCADO (IGP-M). .................................. 76 ANEXO 06: CUSTOS DO PROJETO DE VIABILIDADE DA PCH. ...................................... 77

13

1. INTRODUO

A gua um dos recursos naturais mais abundantes na Terra, apresenta

um volume total estimado em 1,36 bilho km e recobre apenas 2/3 da superfcie da

Terra. Nestes 2/3 encontram-se os oceanos, as calotas polares, rios e lagos,

inclusive os aqferos subterrneos (ANEEL, 2011). Sem a gua e o ciclo

biogeoqumico, simplesmente no existiria vida na Terra. A gua um recurso

natural finito, um bem precioso, de valor inestimvel, que deve ser a qualquer custo,

conservado e protegido.

Dentre os principais usos da gua, podem ser citados: o abastecimento

domstico e industrial, a irrigao, a gerao de energia eltrica, a recreao, a

aqicultura, a preservao da biota aqutica, a diluio dos despejos e as melhorias

climticas. De todos os recursos naturais, a gua, fonte inesgotvel de vida, o que

tm maior interlocuo com aspectos econmicos e sociais.

O crescimento da populao e o desenvolvimento tecnolgico e industrial

acelerado fizeram com que a pouca oferta deste recurso natural, colocasse as

reservas potveis em risco. Diante de uma iminente crise energtica, o governo est

cada vez mais buscando alternativas para a gerao de energia. Segundo dados da

Agencia Nacional de Energia Eltrica (ANEEL, 2011), o Brasil possui no total 2.372

empreendimentos de gerao energia em operao, gerando 113.748.829 kW de

potncia. A previso para os prximos anos uma adio de 47.311.998 kW na

capacidade de gerao do Pas, oriundas de 125 empreendimentos atualmente em

construo e mais 493 outorgadas.

As barragens so estruturas hidrulicas de reserva criadas para

regularizao das cheias nos rios, retendo o excesso de gua. Alm de evitar

enchentes, ainda serve de ponto para captao de gua para o consumo humano ou

para a gerao de energia.

Com isso, h a necessidade de trabalhos que tratem por completo a

implantao de Pequenas Centrais Hidroeltricas (PCH), enfocando a

potencialidade do local, viabilidade tcnica, projeto de engenharia, estudos

ambientais e a viabilidade econmica, escopo deste trabalho.

Desta forma, a PCH se apresenta como uma forma rpida e eficiente de promover a

expanso da oferta de energia eltrica, visando suprir a crescente demanda

14

verificada no mercado nacional. Dito isto, o presente trabalho pretende demonstrar a

importncia da anlise hidrulica e de motorizao de um empreendimento

hidroeltrico.

Atualmente, a Estao de Tratamento de gua (ETA) Jos Pedro

Horstmann que faz parte do Sistema de Abastecimento de gua (SAA), compe-se

de unidades projetadas, construdas e operadas de forma a assegurarem

desempenho hidrulico satisfatrio qualidade e quantidade de gua adequada

finalidade a que se destina.

Assim, aproveitando a barragem implantada e o conduto forado por

gravidade da captao do Rio Piles (Vargem do Brao), optou-se em fazer um

estudo de viabilidade hidrulica e energtica para a instalao de uma PCH em uma

ETA, aproveitando a carga hidrulica para gerao de energia.

Por fim, o pas que, por falta de viso, incapacidade de planejamento ou

negligncia, permitiu a dissipao de seus recursos, pagar mais cedo ou mais tarde

por seu desleixo (AZEVEDO NETO, 1973).

1.1 JUSTIFICATIVA

A utilizao de novas tecnologias e um maior aproveitamento dos

recursos hdricos pode propiciar a compatibilizao de dois seguimentos que at

ento no caminhavam em paralelo (Tratamento de gua e a Gerao de Energia).

Um reservatrio que trabalhe por gravidade apresentando uma vazo

significativa para levar a gua at a Estao de Tratamento de gua (ETA)

passvel de aceitar a instalao de uma Pequena Central Hidreltrica (PCH). Isto

pode proporcionar a auto-suficincia da ETA no tocante ao consumo de Energia

Eltrica, possibilitando uma economia para a operadora de abastecimento de gua.

Dependendo da capacidade para suportar a instalao da PCH, poderia alimentar a

rede pblica de energia gerando assim um maior benefcio para a populao local.

Alm disso, um estudo perfeitamente aplicvel a outras PCH(s) ou SAA,

o que o torna de grande relevncia em projetos desta natureza.

15

1.2 OBJETIVOS

1.2.1 Objetivo Geral

Desenvolver um estudo de viabilidade hidrulica para instalao de uma

PCH na adutora de gua bruta que alimenta a ETA.

1.2.2 Objetivos Especficos

Identificar os mtodos utilizados na captao de gua bruta para alimentar a

ETA;

Identificar a carga disponvel na adutora de gua bruta;

Identificar os mtodos implementados para a auto-suficincia de energia da

ETA;

Identificar a viabilidade fsica para implantao de uma PCH;

Avaliar o resultado obtido com a gerao de energia no tocante a auto-

suficincia da ETA;

Desenvolver um modelo energtico de empreendimento hidroeltrico que

possibilite visualizar a potencialidade energtica da captao;

Identificar as perdas de carga ao longo do percurso;

Selecionar a mquina mais adequada para o volume de vazo apresentado

neste modelo energtico.

1.3 PROBLEMATIZAO

A ETA Jos Pedro Horstmann, localizada no Morro dos Quadros no

municpio de Palhoa, faz sua aduo no rio Vargem do Brao nos perodos de

16

cheias. Nos meses de maior estiagem a captao complementada com a vazo

proveniente do rio Cubato do Sul e esta captao realizada atravs de

bombeamento.

A instalao de uma PCH poderia minimizar o problema de bombeamento

e ainda gerar lucro para a empresa operadora do sistema, pois a energia excedente

poderia ser vendida para a concessionria de energia do estado de Santa Catarina e

assim distribuda para a populao.

Uma vez que a PCH entre em operao, haveria um maior controle das

atividades geradas na captao do SAA.

Devido as suas caractersticas construtivas ser relativamente pequenas,

h a possibilidade de construo deste sistema em vrias ETA(s), os quais podero

tornar-se grandes fontes do setor de energia hidreltrica nacional.

1.4 PROPOSTAS DA SOLUO

O sistema de captao da ETA Jos Pedro Horstmann apresenta

algumas caractersticas que viabilizam a instalao de uma PCH.

Neste trabalho busca-se estabelecer alternativas para a instalao de

uma PCH buscando a auto-suficincia da ETA.

Hoje a ETA opera com trs tubulaes que captam a gua do reservatrio

no rio Vargem do Brao e atravs destas, a gua conduzida at a estao de

tratamento.

A soluo apresentada neste trabalho prope a interrupo da tubulao

antes da subida a ETA e assim descarregando a gua no canal de aduo da

ERAB. Esta por sua vez far o bombeamento total necessrio para o tratamento da

gua na ETA.

O consumo mdio dirio do SAA da ETA Cubato de 43,10 KW/h,

sendo que a maior parte deste consumo na ERAB onde esto instaladas as quatro

moto-bombas de 600 CV cada.

Com a instalao das turbinas busca-se minimizar o gasto de energia da

ETA.

17

1.5 DELIMITAO

Tendo em vista o pouco tempo para implementao do estudo, algumas

delimitaes devem ser adotadas para garantir que o estudo seja concludo e possa

atender as reais necessidades:

Conduzir a avaliao da viabilidade at o ponto da disponibilizao de

energia.

Avaliao da possibilidade de gerao de energia na ETA.

A anlise deste estudo ser restrita ao sistema hidrulico que compe o

sistema, avaliando o volume de entrada versus o volume de sada.

1.6 ESTRUTURAS DA MONOGRAFIA

Este projeto est subdividido em cinco captulos. A seguir,

apresentaremos a estrutura deste trabalho:

o primeiro captulo da monografia apresenta uma idia geral da

concepo do trabalho com introduo, justificativa, objetivos, delimitao,

problemas e a soluo proposta;

no captulo 2 foram vistos uma contextualizao de Estudos Hidrulicos

e de Estudos Energticos no Brasil e na Companhia Catarinense de gua e

Saneamento (CASAN), que se tornaram fundamentais ao desenvolvimento deste

projeto;

no captulo 3 sero abordados os procedimentos da pesquisa utilizada,

envolvendo a densidade demogrfica, caracterizao fisiogrfica das bacias

envolvidas, sistema de aduo, projetos, grficos e descries necessrias para a

compreenso do sistema;

no captulo 4 sero descritos os passos que tornaro possvel a

implementao do prottipo bem como os resultados de sua validao;

o captulo 5 apresenta-se a concluso obtida com a pesquisa no

decorrer do trabalho e trabalhos futuros.

18

2 REFERENCIAL TERICO

Tendo em vista a relevncia da reviso de literatura, buscou-se estruturar

este captulo de forma a fornecer fundamentos bsicos e significativos para a

compreenso e aquisio de conhecimentos que sero indispensveis no decorrer

deste trabalho. A seguir apresentamos os tpicos que julgamos essenciais:

2.1 SISTEMA DE ABASTECIMENTO DE GUA (SAA)

De acordo com a Portaria n. 1469 (2000) do Ministrio da Sade, o

Sistema de Abastecimento de gua para consumo humano constitudo de

instalao composta por um conjunto de obras civis de materiais e equipamentos,

destinados produo e distribuio canalizada de gua potvel para populaes,

sob a responsabilidade do poder pblico, mesmo que administrada em regime de

concesso ou permisso.

Segundo Tsutiya (2006) entende-se por concepo de SAA, o conjunto de

estudos e concluses referentes ao estabelecimento de todas as diretrizes,

parmetros e definies necessrias e suficientes para a caracterizao completa do

sistema a projetar.

No conjunto de atividades que constitui a elaborao do projeto de um

SAA, a concepo elaborada na fase inicial do projeto. O estudo de concepo

pode, s vezes, ser precedido por um diagnstico tcnico e ambiental da rea em

estudo ou, at mesmo, de um Plano Diretor da bacia hidrogrfica. (TSUTIYA, 2006,

p.9).

Tsutiya (2006, p.10) menciona que o objetivo principal do SAA fornecer

ao usurio uma gua de boa qualidade para seu uso, quantidade adequada e

presso suficiente.

19

2.1.1 Partes de um SAA

Segundo Gomes (2004, p.11), os sistemas de abastecimento urbano de

gua so compostos, de maneira geral, pelas unidades de: captao, tratamento,

estao elevatria, aduo, reservatrios, rede de distribuio e ligaes prediais.

A concepo de um SAA dever estender-se aos diversos componentes:

manancial, captao, estao elevatria, adutora, estao de tratamento de gua,

reservatrio e rede de distribuio (TSUTIYA, 2006, p.10).

2.1.1.1 Mananciais

O manancial o corpo de gua superficial ou subterrneo, de onde

retirada a gua bruta para o abastecimento. De um modo geral, as concepes de

sistemas de abastecimento dependem principalmente do tipo de manancial, da

topografia da rea e da populao a ser atendida (TSUTIYA, 2006, p.9).

Os mananciais podem ser classificados em:

Manancial Superficial: Os mananciais superficiais so geralmente constitudos

pelos crregos, rios, lagos e represas (Figura 1 e Figura 2). As guas desses

mananciais devero preencher requisitos mnimos no que se refere aos

aspectos quantitativos, como tambm quanto aos aspectos da qualidade do

ponto de vista fsico, qumico, biolgico e bacteriolgico (TSUTIYA, 2006,

p.67).

Figura 1: Manancial Superficial dos Piles Fonte: Autores

Figura 2: Manancial Superficial de So Bento Fonte: CASAN

20

Manancial Subterrneo: De acordo com Oliveira (1984, p.136),

gua subterrnea para abastecimento pblico apresenta-se notvel recurso em muitas regies onde existem condies favorveis para seu aproveitamento (Figura 3 e Figura 4). As vantagens do aproveitamento de gua subterrnea podem ser resumidas nos seguintes pontos: Possibilidade de ocorrncia prxima do consumo; Qualidade da gua, geralmente satisfatria para fins potveis; Relativa facilidade de extrao da gua; Quanto qualidade, as guas de lenis subterrneos apresentam geralmente caractersticas fsicas perfeitamente compatveis com os padres de qualidade.

Figura 3: Manancial Subterrneo Fonte: CASAN

Figura 4: Manancial Subterrneo Fonte: CASAN

A gua subterrnea formada pela gua que infiltra e se movimenta

abaixo da superfcie do solo, ou seja, no interior da crosta terrestre, e manifesta-se

por meio de nascentes, poos rasos, poos profundos, drenos, etc. (Figura 5). Pode

pertencer ao lenol no confinado ou confinado, onde a gua est sob presso,

entre camadas impermeveis do subsolo (BRASIL, 2006, p.36).

Figura 5: guas Subterrneas

Fonte: SOS Rios do Brasil

21

2.2 CAPTAO DE GUA

Costuma-se afirmar, com muita propriedade, que:

O tratamento da gua comea na sua captao.

Captao de gua um conjunto de estruturas e dispositivos, construdos

ou montados junto a um manancial, para a retirada de gua destinada a um sistema

de abastecimento (TSUTIYA, 2006, p.67).

As estruturas de captao, sobretudo em mananciais de superfcie, em

geral se localizam junto e em alguns casos at sobre os cursos de gua, que, no

regime climtico brasileiro, quase sempre sofrem grandes variaes de vazo, de

velocidade, de nvel ao longo do ano (BRASIL, 2006, p.48).

A captao tem funo crucial no abastecimento, em vista dos riscos de

acidente que enfrenta e, em conseqncia, dos possveis colapsos no fornecimento

de gua (BRASIL, 2006, p.48).

Conforme Tsutiya (2006, p.67),

as obras de captao devem ser projetadas e construdas de modo a: Funcionar ininterruptamente em qualquer poca do ano; Permitir a retirada de gua para o sistema de abastecimento em quantidade suficiente ao abastecimento e com melhor qualidade possvel; Facilitar o acesso para a operao e manuteno do sistema.

Segundo Brasil (2006, p.48),

Quando o manancial encontra-se em cota inferior da ETA, haver a necessidade de uma estao elevatria, e nesse caso, as obras de captao so associadas s obras de uma estao elevatria. De um modo geral, as captaes de gua para abastecimento pblico so realizadas em: Cursos de gua; Lagos e represas.

2.3 HIDRULICA DOS CONDUTOS PARA TRANSPORTE DE GUA

Basicamente, o transporte da gua, seja bruta ou tratada, ocorre por meio

de combinaes entre adutoras e tubulaes (condutos) ou canais e estaes

elevatrias.

22

Adutoras so canalizaes (condutos) dos sistemas de abastecimento de

gua que conduzem a gua para as unidades que precedem a rede de distribuio

(TSUTIYA, 2006, p.155).

2.3.1 Escoamento em Condutos Forados

Segundo QUINTELA (1981), entende-se por conduto forado aquele no

qual o fluido escoa plena seo e sob presso. Muitas vezes os condutos de

seo circular so chamados de tubos ou tubulaes. Um conduto dito uniforme

quando a sua seo transversal no varia com o seu comprimento.

Segundo Cirilo et. al. (2001, p. 83),

O lquido ao escoar por um conduto submetido a foras resistentes exercidas pelas paredes da tubulao e por uma regio do prprio lquido. Assim, o lquido ao escoar dissipa parte de sua energia, principalmente na forma de calor. Essa energia no mais recuperada como energia cintica e / ou potencial e, por isso, denomina-se perda de carga (Figura 6).

Figura 6: Perda de Carga num Conduto

Fonte: DEC (2011)

De acordo com Tsutiya (2006, p. 161), das frmulas empricas mais

utilizadas na engenharia, encontra-se a de Hazen-Willians, cuja expresso :

23

4.

2DVAVQp

== (01)

87,485,185,165,10 -- = DCQJ (02)

54,063,2279,0 JDCQ = (03)

54,063,0355,0 JDCV = (04)

onde: J = perda de carga unitria, m/m;

Q = vazo, m3/s;

D = dimetro, m;

C = coeficiente de rugosidade;

V = velocidade, m/s;

A = rea, m2.

2.3.2 Escoamento em Condutos Livres

Segundo Cirilo et. al. (2001, p. 199), o escoamento livre, ou escoamento

em canais abertos, caracterizado pela presena de uma superfcie em contato com

a atmosfera, submetida, portanto, presso atmosfrica.

De acordo com Tsutiya (2006, p. 160), as frmulas estabelecidas para o

escoamento dos condutos livres, baseiam-se na prpria expresso de Chzy.

IRCV H= (05)

onde: V = velocidade mdia do escoamento, m/s;

RH = raio hidrulico, m;

I = declividade da linha de energia, m/m;

C = coeficiente de Chzy.

24

A partir da equao de Chzy, Manning obtm-se um coeficiente de

resistncia, dependente tambm do raio hidrulico.

nH

RC

6/1

= (06)

onde:

n = coeficiente de rugosidade de Manning

Substituindo a equao de Manning na equao de Chzy resulta:

2/13/21 IRn

V H= ou 3/21

HRnI

V= (07)

3/2

HARI

nQ= ou

3/21HAR

nI

Q= (08)

2.3.3 Classificao das Adutoras

Quanto natureza da gua transportada, as adutoras classificam-se em:

adutoras de gua bruta;

adutoras de gua tratada.

As adutoras de gua bruta so tubulaes que transportam a gua sem

tratamento, enquanto que, as tubulaes que transportam a gua tratada, so

denominadas adutoras de gua tratada (TSUTIYA, 2006, p.156).

Para Vianna (2002, p.47), define-se gua bruta como sendo a gua encontrada na natureza. O termo bruta designa apenas que ela no foi trabalhada pelo homem, no significando que ela no preste para consumo. claro que, na

25

maioria dos casos, ela imprpria para esse fim, por haver estado exposta s

intempries e, portanto, poluio.

gua Tratada a gua que foi submetida a algum tipo de tratamento,

buscando torn-la adequada para o consumo (VIANNA, 2002, p.47).

J quanto energia para a movimentao da gua as adutoras

classificam-se em:

adutoras por gravidade: so aquelas que transportam a gua de uma cota

mais elevada para a cota mais baixa.

Conforme (TSUTIYA, 2006, p.156),

a aduo por gravidade pode ser feita em: Conduto forado: a gua est sob presso maior que a atmosfera; Conduto livre: a gua permanece sob presso atmosfrica. Tambm, as adutoras por gravidade podem ter trechos em condutos forado e trechos em conduto livre. Adutoras por recalque: transportam a gua de um ponto a outro com cota mais elevada, atravs de estaes elevatrias. Adutoras mistas: compem de trechos por recalque e de trechos por gravidade.

2.4 ESTAO DE TRATAMENTO DE GUA (ETA)

A Estao de Tratamento de gua o local onde feita a potabilizao

da gua captada na natureza para posteriormente ser distribuda para a populao

(DI BERNARDO, 2005, p.32).

Conforme Di Bernardo (2005, p. 32), existe tecnologias especficas para

que o tratamento de gua seja eficientemente realizado. Esta tecnologia est

relacionada em funo da qualidade da gua de determinado manancial e suas

relaes com o meio ambiente. As tecnologias de tratamento de gua podem ser

resumidas em dois grupos, sem coagulao qumica e com coagulao qumica.

Dependendo da qualidade da gua bruta, ambas podem ou no ser precedida de

pr-tratamento. A gua quimicamente coagulada pode seguir caminhos at chegar

aos filtros, uma vez que a qualidade da gua deve ser o fator decisivo na escolha da

tecnologia de tratamento.

26

Atualmente, segundo Vianna (2002, p. 382), as estaes que realizam,

em unidades separadas, a mistura rpida, a floculao, a decantao e a filtrao

so denominadas estaes clssicas de tratamento de gua. Os filtros que recebem

gua coagulada ou floculada, sem passar, portanto, pelo decantador, compe uma

estao de tratamento do tipo filtrao direta. A ETA Cubato composta de tcnica

simplificada de filtrao direta ascendente (figura corrigir). Esse tipo de filtrao

remove da gua em tratamento as partculas em suspenso que no foram retidas

na decantao. O tratamento de guas de abastecimento pode ser definido como o

conjunto de processos e operaes realizados com a finalidade de adequar as

caractersticas fsico-qumicas e biolgicas da gua bruta, encontrada no curso

dgua ao padro de potabilidade requerido, quer dizer, que seja organolepticamente agradvel e no oferea riscos sade humana. O padro determinado por

rgos competentes, por intermdio de legislao especfica. No Brasil, a qualidade

da gua para consumo humano especificada na Portaria 1469 de Dezembro de

2000 do Ministrio da Sade.

De acordo com Di Bernardo (2005, p. 34),

O processo de potabilizao passa pelas seguintes fases: 1) Aerao: na qual o contato da gua e o ar aumentam para facilitar a troca de gases e substncias volteis; 2) Coagulao: a qual captura as impurezas que se encontram em suspenses finas e as separa por decantao ou flotao e filtrao; 3) Floculao: processo normalmente simultneo a coagulao e tem como caracterstica fundamental a formao de flocos gelatinosos resultantes da reao qumica da coagulao. 4) Filtrao: A filtrao da gua consiste em faz-la passar atravs de materiais porosos capazes de reter ou remover impurezas. Em geral os constituintes dos filtros so: seixos, areia, carvo antracitoso.

A seguir na Figura 7, a seqncia de um processo de tratamento de gua.

27

Figura 7: Processo de Tratamento de gua

Fonte: UNIAGUA (2011)

2.5 SISTEMA DE RESERVAO

Os reservatrios constituem em elementos importantes em SAA, pois

alm de atenderem s diversas finalidades, so elementos visveis e de maior

destaque no sistema de distribuio de gua.

Conforme Tsutiya (2006, p.337), as principais finalidades dos

reservatrios de distribuio de gua so:

regularizar a vazo: receber uma vazo constante, igual demanda mdia do dia de maior consumo de sua rea de influncia, acumular gua durante as horas em que a demanda inferior mdia; segurana ao abastecimento: fornecer gua por ocasio de interrupes no funcionamento normal da aduo, como conseqncia da ruptura da adutora, paralisao da captao ou estao de tratamento, falta de energia eltrica, etc.; reserva de gua para incndio: suprir vazes extras para o combate a incndio; regularizar presses: a localizao dos reservatrios de distribuio pode influir nas condies de presso da rede, principalmente, reduzindo as variaes de presses.

De acordo com Tsutiya (2006, p.338),

A localizao do reservatrio no sistema pode ser classificada em:

28

reservatrio de montante: localiza-se a montante da rede de distribuio; reservatrio de jusante: localiza-se a jusante da rede de distribuio; reservatrio de posio intermediria: consiste em reservatrio intercalado no sistema de aduo e tem a funo servir de volante de regularizao;

De acordo com a sua posio em relao ao terreno, os reservatrios

podem ser classificados em:

reservatrio enterrado situa-se em cota inferior a do terreno onde est

localizado;

reservatrio semi-enterrado aquele que apresenta pelo menos um tero

de sua altura total, situada abaixo do nvel do terreno onde se encontra;

reservatrio apoiado o reservatrio cujo fundo se encontra a uma

profundidade correspondente a menos que um tero de sua altura total abaixo

do nvel do terreno;

reservatrio elevado o reservatrio cuja cota de fundo superior cota do

terreno onde se localiza.

2.6 EMPREENDIMENTOS HIDROELTRICOS

Um empreendimento hidroeltrico um complexo arquitetnico, um

conjunto de obras e de equipamentos, que tem por finalidade produzir energia

atravs do aproveitamento do potencial hidrulico existente em um rio. Admite, para

isso, nveis normais dgua de montante e jusante, sendo o desnvel entre eles a queda bruta. Ao final do circuito adutor h uma turbina hidrulica acoplada a um

gerador (Figura 8).

29

Figura 8: UHE Estreito

Fonte: David Alvarez (2011)

O termo potencial hidrulico significa a energia cintica ou potencial da gua dos rios e lagos que se concentra nos aproveitamentos hidroeltricos e

transformada em energia mecnica e, finalmente, em energia eltrica. (SCHREIBER, 1977, p.9).

Os aproveitamentos hidroeltricos se distinguem segundo a potncia

disponvel, queda, capacidade de regularizao e sistema de aduo.

Quanto capacidade de regularizao do reservatrio, os

empreendimentos hidroeltricos podem ser de:

fio dgua (vazo natural); acumulao, com regularizao diria do reservatrio;

acumulao, com regularizao mensal do reservatrio;

Quanto ao sistema de aduo, so considerados dois tipos;

aduo em baixa presso com escoamento livre em canal/alta presso em

conduto forado;

aduo em baixa presso por meio de tubulao/alta presso em conduto

forado.

A escolha de um ou outro tipo depender das condies topogrficas e

geolgicas que apresente o local do aproveitamento, bem como de estudo

econmico comparativo.

O tema de estudo deste trabalho diretamente voltado para a instalao

de uma PCH em uma ETA.

30

2.7 PEQUENA CENTRAL HIDRELTRICA (PCH)

Uma Pequena Central Hidreltrica (PCH), segundo a ANEEL Agncia

Nacional de Energia Eltrica na resoluo no 652 de 09 de dezembro de 2003,

toda usina hidreltrica de pequeno porte cuja a potncia instalada seja superior a 1

MW e inferior a 30 MW e seu reservatrio tem que apresentar uma rea inferior a 3

km (Figura 9).

As PCH(s) podem ser classificadas quanto potncia instalada e quanto

queda bruta de projeto, como mostrado no Quadro 1, considerando-se os dois

parmetros conjuntamente, uma vez que um ou outro isoladamente no permite

uma classificao adequada.

Quadro 1: Classificao das PCH(s) quanto potncia instalada e quanto queda bruta de projeto. Fonte: Brasil (2000, p. 2-7).

Classificao das

Centrais

Potncia P Queda bruta de projeto H (m)

kW Baixo Mdio Alto

Micro P < 100 H < 15 15 < H < 100 H > 50

Mini 100 < P < 1000 H < 20 20 < H < 100 H > 100

Pequenas 1000 < P < 30000 H < 25 25 < H < 130 H > 130

Este tipo de instalao normalmente opera a fio dgua. Este sistema no permite a regularizao das vazes e em pocas de estiagem a vazo disponvel

pode ser menor que a capacidade de gerao das turbinas, causando ociosidade.

Quando as vazes so maiores que a capacidade de engolimento das mquinas o

excesso de gua do reservatrio extravasa pelo vertedouro.

Devido a este fato, o custo da energia produzida em uma PCH maior

que o de uma usina hidreltrica de grande porte, em que o reservatrio pode ser

operado de forma a reduzir o desperdcio de gua e a ociosidade das mquinas.

Os rios de pequeno e mdio portem com desnveis significativos que

geram boa potncia hidrulica ao longo de seu curso so os ideais para a instalao

deste tipo de empreendimento.

31

Figura 9: PCH Foz do Chapec

Fonte: David Alvarez (2011)

2.7.1. Processo de Gerao de Energia Eltrica

O processo de gerao de energia eltrica bastante amplo e complexo,

envolvendo vrios campos de engenharia. Atravs de estudos geolgicos possvel

detectar na natureza locais que forneam condies para a implantao de uma

usina hidreltrica (CERRI e AMARAL, 1998).

Uma usina hidreltrica, dependendo do local de sua instalao, poder

aproveitar a energia sob as formas de vazo e/ou queda. As usinas de vazo so

instaladas em pontos de grande fluxo e velocidade, possuindo pequena variao no

reservatrio e sem grandes extenses inundadas, visto no haver necessidade de

acmulo. As usinas de reservatrio aproveitam quedas e necessitam de grandes

reservatrios, havendo a inundao de grandes pores de terra. Estas instalaes

regularizam a vazo dos rios sendo responsveis por parte da energia que ser

utilizada futuramente em caso de necessidade, pois suas reservas so suficientes

para vrios meses (ELETROBRS, 2009).

Nas pequenas centrais, at mesmo pelo porte dos equipamentos, no se

faz necessrio tamanho aparato sendo suficientes sistemas bastante simplificados.

Sistemas de medio, de troca trmica e de proteo e regulao muitas vezes

tratam-se de sistemas montados at de forma primitiva e arcaica embora funcionais.

Pequenas Centrais Hidreltricas (PCH(s)), que no passado foram responsveis por

grande parte do suprimento de energia, foram desativadas ao longo das ltimas

dcadas dando lugar a grandes instalaes eltricas devido economia de escala

32

que tais empreendimentos oferecem (FORTUNATO et. al., 1990). Porm, o

panorama do sistema eltrico brasileiro, face crise energtica, indica uma

tendncia de reativao, construo e modernizao de PCH(s), a fim de aumentar

o suprimento de energia de forma rpida e com baixos custos financeiros e

ambientais.

2.7.2 Instalaes Hidreltricas

Segundo Cirilo et. al. (2001, p. 525), as instalaes hidreltricas

dependem, basicamente, das caractersticas topogrficas e geolgicas locais, da

vazo mxima turbinada e da queda dgua disponvel (Figura 10). Dentre os principais componentes do circuito hidrulico destacam-se:

barragem que permite a regularizao das vazes afluentes do curso

dgua, a formao do desnvel necessrio ao funcionamento das turbinas e o desvio das guas do rio;

tomada dgua destinada captao da vazo a ser turbinada, podendo estar integrada a uma barragem ou vinculada a um canal de derivao,

simplesmente;

conduto forado tubulao que funciona sobre presso, destinado

conduo da gua desde a tomada dgua at as turbinas, no interior da casa de fora;

casa de fora destinada ao abrigo das turbinas, geradores e acessrios

hidrulicos e eltricos;

conduto de fuga que visa restituio da vazo que passa pela turbina a

ETA.

33

Figura 10: Instalao Hidreltrica Fonte: Quanta Gerao (2011)

2.7.3 Converso de Energia

A gua captada no lago formado pela barragem conduzida at a casa

de fora atravs de canais, tneis e/ou condutos metlicos. Aps passar pela turbina

hidrulica, na casa de fora, a gua restituda ao leito natural do rio, atravs do

canal de fuga (Figura 11).

Dessa forma, a potncia hidrulica transformada em potncia mecnica

quando a gua passa pela turbina, fazendo com que esta gire, e, no gerador - que

tambm gira acoplada mecanicamente turbina - a potncia mecnica

transformada em potncia eltrica.

A eletricidade produzida nas usinas transmitida pelos fios at as

grandes cidades. essa mesma eletricidade que acende os postes de luz e passeia

escondida pelos fios nas ruas.

A turbina hidrulica de impulso til para aproveitar quedas d'gua. A

fora da gua que bate contra a roda faz com que esta gire. Os tubos de presso

conduzem a gua at a turbina.

34

Figura 11: Converso de Energia

Fonte: UNIAGUA (2011)

2.7.4 Estudos Hidroenergticos

Segundo Souza et. al. (2009), o volume til de um reservatrio serve de

armazenamento de gua para que esta seja usada em perodos de carncia ou

segundo o ciclo de interesse. Com isso pode-se adotar os ciclos mais conhecidos

conforme descrito abaixo:

ciclos de carga: Regularizao diria ou semanal;

ciclos Hidrolgicos: Regularizao anual ou plurianual.

Este dados pode ser obtidos atravs do chamado Tempo de

Regularizao (tr) e Tempo de Enchimento (te) segundo as equaes abaixo (Figura

12).

P

Et ar = (09)

Q

Vt ue = (10)

Onde:

Ea (kWh) Capacidade Energtica de armazenamento do ciclo de carga;

P (kW) Potncia mdia do ciclo de carga;

Vu (m) Volume til do reservatrio do ciclo hidrolgico;

Q (m/s) Vazo mdia do ciclo hidrolgico ou vazo mdia de longo tempo.

35

Figura 12: Tempo de Regularizao (tr) X Tempo de Enchimento (te)

Fonte: Souza (2009)

Para a determinao das potncias energticas, a estimativa de gerao

ou estudos energticos baseia-se no Manual de Inventrio da Eletrobrs e na

bibliografia apresentada, alm de atender a Lei n 9.074/95, Art. 5, 3, que dispe

sobre o aproveitamento timo do potencial das bacias hidrogrficas:

Considera-se aproveitamento timo todo potencial definido em sua concepo global pelo melhor eixo do barramento, arranjo fsico geral,

nveis dgua operativos, reservatrio e potncia, integrante da alternativa escolhida para diviso de quedas de uma bacia hidrogrfica.

A partir da equao da potncia (equao 11) e do conhecimento na

gerao de energia eltrica, foi elaborado um modelo energtico, no qual o resultado

obtido refere-se potncia instalada e energia mdia gerada, de acordo com os

critrios e parmetros adotados.

A equao base nos estudos energticos, retirada do Manual de PCH

(Brasil, 1985, p.323) apresentada abaixo:

36

[ ])(1000

...MWMegaWatts

nhgQP TGi == (11)

Em que:

P = Potncia Instalada disponvel no eixo da turbina (MW);

g = gravidade (m/s2);

hi = queda lquida (m);

nTG = rendimento do conjunto turbina-gerador;

Q = vazo (m3/s).

A Figura 13 e a Figura 14 mostram modelos de uma PCH.

Figura 13: PCH com Cmara de Carga Fonte: Portal PCH (2009)

Figura 14: PCH com Conduto Forado Fonte: Portal PCH (2009)

A deduo da equao 11 por:

A energia potencial Ep da massa m dgua, devido altura h, obtida por:

hgmEp ..= (12)

Em que g representa a gravidade no local da instalao. Considerando que a energia potencial gravitacional Ep convertida em

energia eltrica Ee com rendimento da turbina e do gerador nTG, tem-se:

hgmnEpnEc TGTG .... == (13)

Sabendo-se que a potncia eltrica P desenvolvida a energia gerada por unidade de tempo T, obtm-se:

t

hgmn

t

EeP TG

...== (14)

37

Considerando que a massa dgua m funo de sua densidade d e volume V, escreve-se:

,V

md = logo: dvm .= (15)

Portanto, tem-se:

t

hgdVnP TG

....= (16)

Ainda, o volume dgua V relaciona-se vazo Q, expressa-se por:

tQVt

VP ..: == (17)

Logo,

hgdQnt

hgdtQnP TG

TG .........== (18)

Considerando-se que a densidade dgua constante e igual a d = 1000 kg/m3, tem-se:

hgQnP TG ....1000= (19)

Como todos os parmetros esto expressos no sistema internacional (SI),

a unidade de P ser W (Fames Watts); portanto, dividindo-se a equao pelo termo 106, obtm-se:

[ ]WhgQn

P TG610

....1000=

(20)

Portanto, tem-se a deduo da equao (11) apresentada:

[ ]MWnhgQ

P TG ==1000

... (11)

A Eletrobrs recomenda na falta de elementos adicionais para o estudo

de inventrio conforme descrito no Manual de Inventrio Hidreltrico de Bacias

Hidrogrficas a utilizao de dados adicionais, como a energia firme gerada no

Perodo Crtico (PC) pela CH-Ef (kW).

38

Segundo Souza et. al. (2009) a energia firme de um aproveitamento a

energia obtida pela expresso:

( )mdioslmlmf kWQHE = 8,8 (21)

Coeficiente 8,8 o produto da massa da gua, 1000 kg/m pelo

rendimento da Turbina Hidrulica (TH) 0,93 e do Gerador Eltrico 0,97, pela

acelerao da gravidade 9,81m/s e pelo fator 10- que permite expressar a energia

em (kW)mdios; Hlm (m), a queda lquida do aproveitamento no perodo crtico; Q Hlm

(m/s), descarga lquida mdia do aproveitamento no perodo crtico. A energia firme

na realidade uma potncia firme.

Onde:

Potncia de referencia Pr (kW)

cp

f

rf

EP = (22)

Potncia instalada P (kW)

a

=

2

1

H

HPP r (23)

H1 (m) Queda lquida mxima;

H2 (m) Queda lquida mdia;

1,5 para Francis e Pelton.

Segundo a ABNT (NBR - 6412), as TH so classificadas em dois tipos:

TH de ao, escoamento atravs de um rotor, sem a variao da presso

esttica;

TH de reao, escoamento atravs de um rotor, com a variao da presso

esttica.

Dentro das TH de ao enquadra-se a turbina Pelton e a Michell-Banki, e

nas TH de reao enquadra-se a Francis e a Kaplan.

39

Turbinas Pelton, operam em quedas relativamente altas e pequenas

vazes, podem ser de um ou dois jatos para turbinas de eixo horizontal (Figura 15 e

a Figura 16) e trs a seis jatos para turbinas de eixo vertical, este tipo de turbina

pode alcanar potncias de 150MW por unidade e quedas da ordem de 1900 m

(SOUZA et. al., 2009).

Figura 15: Desenho esquemtico da TH Pelton

de Dois Jatos de Eixo Horizontal Fonte: Portal PCH (2009)

Figura 16: TH Pelton de Dois Jatos de Eixo Horizontal

Fonte: Portal PCH (2009)

Souza et. al. (2009), a turbina Michell-Banki de eixo horizontal pode

alcanar potncias mximas de 2 MW por unidade, quando for composto por trs

setores (Figura 17).

Figura 17: TH Michell-Banki Fonte: Portal PCH (2009)

Souza et. al. (2009), a turbina Francis pode ser:

eixo horizontal - normalmente utilizada para 8 < Hb (m) < 600 e pode

alcanar uma potncia de 800 MW (Figura 18 e Figura 19).

eixo vertical muito utilizada para quedas mdias e altas.

40

Figura 18: TH Francis Simples de Eixo

Horizontal (Vista Montante) Fonte: Portal PCH (2009)

Figura 19: TH Francis Simples de Eixo

Horizontal (Vista Jusante) Fonte: Portal PCH (2009)

As Turbinas Kaplan tambm so conhecidas como TH hlices so

aplicadas em quedas 20 < Hb (m) < 70 utiliza-se um rotor axial (Figura 20 e Figura

21). Para as quedas menores do que 20 m usam-se as Turbinas Tubulares (SOUZA

et. al., 2009).

Figura 20: TH Kaplan detalhe da hlice Fonte: Portal PCH (2009)

Figura 21: TH Kaplan Tubo de Suco Fonte: Portal PCH (2009)

Para a escolha dos tipos de turbinas (TH) incrustante considerar:

Segundo Souza et. al. (2009),

41

O aumento da rotao do Grupo Gerador (GG) de aclopamento direto

inversamente proporcional ao seu volume e diretamente proporcional a

distncia entre o nvel mnimo de gua no canal de fuga da TH e uma linha

horizontal de referencia que passa pelo centro do distribuidor da TH, nos

GG de eixo vertical, e coincide com a linha de eixo nos GG de eixo

horizontal, distncia esta denominada altura de suco - Hsu.

Onde:

( )smnD

u /60

=

p

(24)

u velocidade tangencial

Segundo Souza et. al. (2009), a tomada dgua destina-se a captar a gua necessria para o funcionamento da TH e ainda a sua proteo contra

possveis detritos que possam vir a danificar o sistema da TH.

As tomadas dguas podem ser de superfcie e afogadas. A Figura 22 mostra a nomeao dos principais componentes da tomada

dgua de superfcie sendo que seu dimensionamento preliminar pode ser obtido a partir da equao:

( )smvkBQ dd /= (25)

Bd - Largura da Tomada dgua kd Constante da Tomada dgua com 5 kd 10 v Velocidade 1,0 m/s

Figura 22: Seo Longitudinal em uma Tomada dgua de Superfcie

42

Fonte: Souza (2009)

A Figura 23 apresenta uma seo tpica de Tomada dgua afogada, neste caso a Tomada dgua da usina hidreltrica de Itaip (UHE Itaip).

Para a locao deste tipo de tomada dgua deve-se considerar: Escoamento isenta de perturbaes casa isso seja possvel e baixa

velocidade;

Transportar o mnimo de material tanto submerso quanto de superfcie;

Facilidade de acesso para manuteno peridica;

Garantir o afogamento total do conduto fora a fim de eliminar a

possibilidade de aerao externa durante o escoamento.

Em tomadas dgua afogada com cargas at 30 m deve-se determinar a velocidade mdia na seo bruta das grades entre 1,0 e 1,5 m/s. Para cargas

maiores 1,5 a 2,5 m/s.

Segundo a frmula de Gordon o afogamento mnimo (haf) pode ser assim

avaliado:

( )mhvkh vaf5,0

= (26)

Onde;

haf Afogamento mnimo;

k (s/m) Constante de queda; constante em geral; com valor de 0,545 em

condies simtricas de fluxo e de 0,725 para assimtricas;

hv (m) mnima dimenso vertical da seo longitudinal da tomada da

gua;

v (m/s) velocidade mdia da seo

43

Figura 23: Seo Longitudinal na Tomada dgua Afogada de GG da CH Itaipu Brasil/Paraguai.

Fonte: Souza (2009)

2.8 ORAMENTO E PREOS UNITRIOS

O oramento para Pequenas Centrais Hidroeltricas padronizado pela

ELETROBRS. Sua metodologia apresentada na Manual de Inventrio

Hidroeltrico de Bacias Hidrogrficas (edio 2007), do Ministrio de Minas e

Energia (MME). A mesma deve ser realizada segundo as contas principais,

obedecendo s relaes resumidas (Quadro 2), que abrangem todas as estruturas e

equipamentos de aproveitamento hidroenergticos, incluindo tambm os custos

indiretos e juros durante a construo.

hv

44

Quadro 2: Descrio das Principais Contas do Oramento Padro Eletrobrs. Fonte: Brasil (2000, p.154).

Conta Descrio 10. Terrenos, realocaes e outras aes 11. Estruturas e benfeitorias 12.16. Desvio do rio 12.17. Barragens e diques 12.18. Vertedouro 12.19. Tomada de gua e adufas 13. Turbinas e geradores 14. Equipamentos eltricos e acessrios 15. Diversos equipamentos da usina 16. Estradas de rodagem, de ferro e pontes 17. Custos indiretos 18. Juros durante a construo

A partir das contas apresentadas (Quadro 2) e de acordo com o

dimensionamento do empreendimento possvel obter o oramento global da obra.

O custo final do empreendimento deve partir de um projeto executivo, o

qual engloba uma fase de reviso e otimizao do projeto bsico.

45

3 METODOLOGIA E MODELAGEM DO PROJETO

O estudo desenvolvido neste projeto considerado do ponto de vista da

sua natureza, uma aplicao prtica dirigida soluo de um problema especfico.

Sob o ponto de vista da forma de abordagem do problema classifica-se como uma

pesquisa qualitativa, sendo o pesquisador o instrumento chave da pesquisa.

Observando-se aspectos relacionados aos objetivos exploratrio tendo em vista a

utilizao de estudos de caso e pesquisa bibliogrfica. Do ponto de vista dos

procedimentos tcnicos classifica-se como uma pesquisa bibliogrfica. E, como

visto, o objetivo geral deste trabalho propor uma anlise de viabilidade para a

instalao de PCH em uma ETA.

Quanto aos procedimentos e ao objeto este projeto pode ser classificado

como pesquisa bibliogrfica, que definida por Gil (1991, p. 48) como sendo aquela

que desenvolvida a partir de material j elaborado, construdo principalmente de livros e artigos cientficos.

Para Silva & Menezes (2005, p. 21) uma pesquisa bibliogrfica pode ser

assim caracterizada, atualmente, no s quando desenvolvida a partir de material

j publicado, como livros ou artigos cientficos, mas tambm de material disponvel

na Internet. Alm disso, Andrade (2007, p. 106) afirma que todo trabalho cientfico pressupe uma pesquisa bibliogrfica preliminar.

3.1 ESTUDO DE CASO

No atual sistema a gua captada na barragem do Rio Vargem do Brao

e transportada por tubulao at a ETA (Anexo 01)

Propem-se neste estudo a interrupo desta tubulao na altura da

estao elevatria do rio Cubato (Anexo 02) e a instalao de uma casa de fora

composta por duas turbinas a serem escolhidas conforme o resultado do estudo

energtico (Anexo 03).

Aps o aproveitamento da gua para a gerao de energia, esta gua

ser descarregada em um canal que far a captao da gua dos dois Rios.

46

A gua ser conduzida para a ETA atravs de bombeamento fazendo a

estao de tratamento do Rio Cubato se comportar como uma estao elevatria

at a ETA.

Na ETA a gua ser descarregada em um floco-decantador e partir para

o tratamento de potabilizao.

3.2 ANLISE EXPLORATRIA

A aquisio de novas tecnologias e um maior aproveitamento dos

recursos hdricos propicia a compatibilizao de dois seguimentos (Tratamento de

gua e Gerao de Energia Hidrulica) que at ento no caminhavam em paralelo.

3.3 CARACTERIZAO DO LOCAL DE PESQUISA

Este estudo de caso dar-se- na regio da Grande Florianpolis no

municpio de Santo Amaro da Imperatriz, envolvendo os rios Vargem do Brao que

tem sua nascente na Serra do Tabuleiro e o Rio Cubato do Sul que tem sua

nascente na Serra da Boa Vista e na Serra da Garganta, no municpio de guas

Mornas.

A regio da Grande Florianpolis abrange os municpios de Bigua,

Florianpolis, Palhoa, Santo Amaro da Imperatriz e So Jos, conforme descrito na

Tabela 1, que apresenta a densidade populacional por municpio, fornecendo a base

para previso de abastecimento, parte da ETA.

47

Tabela 1: Densidade Populacional da Regio Fonte: CASAN (2011)

Densidade Populacional

Municpio Mesorregio Populao rea total Densidade demogrfica

(Hab./Km)

Biguau

Grande Florianpolis

56.395 325,3 173,36

Florianpolis 408.161 439 929,75

Palhoa 130.878 326,9 400,36

Santo Amaro da Imperatriz

18.436 311,4 59,2

So Jos 201.746 113,6 1.775,93 Total

Populacional 815.616 1.516 3.339

A Figura 24 e a Figura 25 apresentam as caractersticas das bacias

hidrogrficas do Rio Vargem do Brao e do Rio Cubato do Sul.

Figura 24: Bacia Hidrogrfica do Rio Vargem do Brao Fonte: FATMA (2003)

48

Figura 25: Bacia Hidrogrfica do Rio Cubato do Sul

Fonte: FATMA (2003).

3.3.1 Vazes Mnimas

Foram analisados para o clculo da Q7 os dados das vazes dirias no

local da barragem dos Piles, abrangendo o perodo de janeiro de 1951 at junho de

2010. O Quadro 3 apresenta as vazes mnimas mdias anuais para o perodo de

sete dias consecutivos neste local.

49

Quadro 3: Vazes Mnimas Anuais com Mdia de Sete Dias na barragem dos Piles. Fonte: CASAN (2011)

Ano Q7,mn (m

3/s)

Ano Q7,mn (m

3/s)

Ano Q7,mn (m

3/s)

Ano Q7,mn (m

3/s)

1951 0,8 1966 2,0 1981 1,6 1996 1,6

1952 0,9 1967 2,0 1982 1,7 1997 1,4

1953 0,9 1968 0,9 1983 2,8 1998 2,3

1954 2,3 1969 1,6 1984 2,8 1999 2,4

1955 1,7 1970 2,0 1985 1,6 2000 2,0

1956 2,0 1971 1,5 1986 1,0 2001 2,7

1957 2,4 1972 1,4 1987 1,9 2002 1,9

1958 2,7 1973 2,3 1988 0,7 2003 1,0

1959 1,5 1974 1,5 1989 1,5 2004 1,1

1960 2,1 1975 1,6 1990 1,7 2005 1,9

1961 1,6 1976 1,9 1991 1,3 2006 0,1

1962 2,0 1977 1,8 1992 1,4 2007 1,4

1963 1,8 1978 1,7 1993 1,9 2008 1,5

1964 1,6 1979 1,4 1994 1,5 2009 2,2

1965 1,4 1980 1,7 1995 0,7 2010 2,5

3.4 DADOS PARA ELABORAO DO PROJETO

O sistema composto por um canal de 1.695,907 m que leva a gua at

uma caixa de passagem. Neste local existem 4 tubulaes com os seguintes

dimetros nominais: DN 800 mm, DN 600 mm, DN 500 mm e DN 450 mm, sendo

que somente as trs primeiras esto em operao. Estas trs tubulaes com

comprimento de 7.111,886 m cada uma e com um desnvel de 100 m (Elevao (El.)

230,506 at a El. 129,50) transportam aproximadamente 2.500 l/s.

O Rio Vargem do Brao nasce na Serra do Tabuleiro na EL. 991 m no

municpio de Santo Amaro da Imperatriz e percorrem 24 km at a EL. 240 m onde

encontra a barragem do sistema de captao de gua de Salto Piles.

50

A bacia hidrogrfica deste rio at o sistema de captao apresenta as

seguintes caractersticas:

Extenso do curso principal (L) 24,00 km

rea de drenagem (A) 136,60 km

Permetro (P) 67,50 km

Diferena de cota (H) 751,00 m

Comprimento axial da bacia (LA) 18,80 km

Comprimento dos cursos dgua que compem a bacia (LT) 293,00 km

O sistema a ser estudado neste trabalho prope a instalao de uma PCH

6.320 m (Figura 26).

A gua ser captada na antiga caixa de passagem localizada na El.

230,506 m (Figura 30) e ser conduzida atravs de condutos forados at a casa de

fora que ficar instalada na El. 10,00 m, aumentando assim o desnvel de

aproximadamente 100 m para 220 m.

Figura 26: Perfil Esquemtico do Circuito de Gerao

Fonte: Autores (2011)

51

A gua aduzida ser turbinada e descarregada em um canal que vai at a

estao elevatria do rio Cubato, de onde ser bombeada at a ETA, onde far o

processo normal de tratamento para depois ser distribuda populao.

3.4.1 Estudos Energticos

Os estudos visam avaliar energeticamente e economicamente a

implantao do aproveitamento hidreltrico nas instalaes j existentes do sistema

de captao de gua bruta de Piles da Companhia Catarinense de guas e

Saneamento (CASAN), estado de Santa Catarina. Esta avaliao foi efetuada com

base em conceitos econmico-energticos de hidrogerao de base mensal.

Desta forma, foi escolhida a melhor alternativa que propiciasse a mxima

gerao de energia mdia histrica com custos reduzidos.

3.4.2 Metodologia Empregada

O local de instalao das unidades geradoras da PCH Morro dos Quadros

apresenta alguns aspectos caractersticos quanto s alternativas possveis de

instalao, dentre os quais cita-se a existncia de trs condutos adutores da caixa

de passagem at a ETA.

A vazo utilizada neste clculo est disponvel no Quadro 3.

A partir destes dados obtiveram-se os valores das vazes mdias para

cada conduto conforme descrito abaixo:

* Dimetro de 800 mm (DN800) e vazo mdia de 1,63 m/s;

* Dimetro de 600 mm (DN600) e vazo mdia de 0,54 m/s;

* Dimetro de 500 mm (DN500) e vazo mdia de 0,33 m/s.

Os dados acima foram obtidos junto equipe tcnica da CASAN. Para as

simulaes energticas foram fixados os seguintes parmetros:

- em turbinas do tipo Pelton ou Francis, o despacho mnimo igual a 50% da

vazo mxima nominal para cada unidade geradora;

52

- conforme dados analisados em nossa proposta, a queda de 220 m, sendo

do final do canal de aduo a 1600 m a jusante da barragem at a 500 m a

montante da Estao de Recalque de gua Bruta (ERAB) onde ser instalada

a Casa de Fora do novo sistema na EL. 10 m (Figura 26);

- para a condio de operao nominal da UG#1, a vazo turbinada de 3,67

m/s, o rendimento da turbina de 90% e do gerador de 95,5%;

- para a condio de operao da UG#2 com vazo turbinada de 2,32 m/s, o

rendimento da turbina de 87% e do gerador de 93,5% (Tabela 2 e Figura

27).

Tabela 2: Rendimento da Turbina Francis Fonte: Autores (2011).

%Q n (%) 44% 64,3 50% 70,1 56% 75,5 61% 80,0 67% 84,0 72% 87,1 78% 89,5 83% 91,3 89% 92,3 93% 92,8 94% 92,6 100% 91,8

Figura 27: Rendimento da Turbina Francis.

Fonte: Autores (2011).

y = -114,861x2 + 216,830x - 11,340

R = 1,000

60,0

65,0

70,0

75,0

80,0

85,0

90,0

95,0

100,0

30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%

Re

nd

ime

nto

(%

)

% da vazo mxima de engolimento

Curva de rendimento da turbina

53

4 DESENVOLVIMENTO E VALIDAO

4.1 - CLCULOS DA PERDA DE CARGA

As perdas hidrulicas foram estimadas pela equao de Hazen-Williams:

87,485,1

85,1

65,10.DC

QLhp = (27)

Onde:

hp a perda de carga ;

L comprimento do conduto forado (m);

Q a vazo (m/s);

D o dimetro do tubo (m);

C o coeficiente de rugosidade que depende da natureza e estado das paredes do

tubo (neste caso fixado em 100 m0,367/s)1.

Adutora DN800 mm

Dados:

L = 6320 m

Q = 1,63 m/s

D = 800 mm = 0,80 m

C = 100 m0,367/s

87,485,1

85,1

65,10.DC

QLhp =

87,485,1

85,1

80,0100

63,165,10.6320=hp

mhp mmDN 30,98800 =

1 PORTO R.M. (1999). Hidrulica Bsica. So Carlos (SP), 2 edio. Editora EESC.

54

Adutora DN600 mm

Dados:

L = 6320 m

Q = 0,54 m/s

D = 600 mm = 0,60 m

C = 100 m0,367/s

87,485,1

85,1

65,10.DC

QLhp =

87,485,1

85,1

60,0100

54,065,10.6320=hp

mhp mmDN 69,51600 =

Adutora DN500 mm

Dados:

L = 6320 m

Q = 0,33 m/s

D = 500 mm = 0,50 m

C = 100 m0,367/s

87,485,1

85,1

65,10.DC

QLhp =

87,485,1

85,1

50,0100

33,065,10.6320=hp

mhp mmDN 50,50500 =

Com o comprimento de 6320 m, para as trs tubulaes DN800, DN600 e

DN500 mm), apresentada uma elevada perda de carga quando h uma elevao

na vazo conforme Figura 28.

Na figura citada, tambm se encontram plotadas as medies

pitomtricas nas tubulaes de aduo na Chegada da ETA Cubato do sistema

Piles, realizadas pelo corpo tcnico da CASAN em Abril/2011.

55

Figura 28: Perda de carga na chegada da ETA Cubato em funo da vazo.


A perda de carga mxima terica na tubulao de dimetro 800 mm foi

fixada em 98,30 m, para a vazo de 1,63 m/s, resultando numa queda lquida de

referncia de 121,70 m para a UG#1. Considerando que as tubulaes de dimetro

600 mm e 500 mm alimentaro conjuntamente a Unidade Geradora 2, a perda de

carga mxima terica, nesta condio foi fixada como sendo a maior perda

comparando-se as vazes mdias nestas tubulaes, resultando numa perda de

carga de 51,09 m para o conjunto destas tubulaes, resultando numa queda lquida

de referncia de 168,90 m para a UG#2.

Em face da necessidade da comprovao das perdas de cargas tericas

nas tubulaes de dimetro 500, 600 e 800 mm, necessrio verificar e confirmar a

efetiva perda de carga por meio de medies manomtricas nas tubulaes

adutoras de dimetro 500 mm, 600 mm e 800 mm inclusive.

Para os ensaios de perda de carga das tubulaes adutoras, no mnimo

as seguintes premissas devem ser seguidas:

1. A presso nas tubulaes devem ser medidas e computadas considerando

um aumento gradativo de 10% na vazo de aduo, a partir de vazo nula at

a vazo mxima operativa para a respectiva tubulao;

hp= 98,30 m

hp= 51,69 mhp= 50,50 m

0

20

40

60

80

100

120

140

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0

Pe

rda

de

Ca

rga

(m

)

Vazo (m/s)

DN 800 DN 600 DN 500

56

2. Para as tubulaes de dimetro 500, 600 e 800 mm, as medies devem ser

realizadas em pelo menos nos seguintes locais do circuito: Sada da Caixa de

Passagem, Reta de Piles Arapongas (Xumixung) e Chegada na ETA

Cubato;

3. Todos os medidores de vazo, manmetros, e/ou outros equipamentos de

medio de presso, devem estar calibrados e certificados por instituio

metrolgica competente, de acordo com as normas vigentes para a calibrao

dos instrumentos de medio conforme Instituto Nacional de Metrologia

(INMETRO);

4. A realizao dos ensaios de perda de carga deve ser realizada por equipe

competente para tal e com a respectiva emisso da ART (Anotao de

Responsabilidade Tcnica), em face da importncia da consistncia destes

ensaios.

Caso os valores de perda de carga obtidos por meio de medio, sejam

divergentes dos valores adotados em mais de 5% comparado aos valores tericos

calculados neste projeto, o dimensionamento energtico e a instalao das unidades

geradoras devero ser revisados e consolidados considerando as perdas de carga

efetivamente medidas.

Considerando os estudos tericos deste projeto, conclui-se:

Para reduzir a perda de carga e maximizar a gerao efetiva na UG#1, deve

ser utilizado o tubo de 800 mm para aduzir 1,63 m/s;

Para reduzir a perda de carga e maximizar a gerao efetiva na UG#2, devem

ser utilizados o tubo de 500 mm para aduzir 0,33 m/s e o tubo de 600 mm

para aduzir a vazo de 0,54 m/s;

Caso a vazo aduzida nas tubulaes seja maior que 1,63 m/s, 0,54 m/s e

0,33 m/s, respectivamente para os tubos de 800, 600 e 500 mm de dimetro,

a perda de carga resultante ser elevada conforme indicado na Figura 28,

resultando em maiores perdas de cargas e conseqentes redues das

quedas lquidas, o que no permitir a operao das turbinas indicadas.

57

4.2 - CLCULOS DA POTNCIA INSTALADA

A equao (11) base nos estudos energticos, retirada do Manual de

PCH (Brasil, 1985, p.323) apresentada abaixo:

[ ])(1000

...MWMegaWatts

nhgQP TGi == (11)

Em que:

P = Potncia Instalada disponvel no eixo da turbina (MW);

g = gravidade (m/s2);

hi = queda lquida (m);

nTG = rendimento do conjunto turbina-gerador;

Q = vazo (m3/s).

Unidade Geradora 1 (UG#1)

Dados:

Q = 1,63 m/s

g = 9,81 m/s2

hi = 121,70 m

nTG = 95,00%

1000

... TGi nhgQP =

1000

95,0.70,121.81,9.63,1=P

MWP 850,1=

58

Unidade Geradora 2 (UG#2)

Dados:

Q = 0,87 m/s

g = 9,81 m/s2

hi = 168,90 m

nTG = 97,00%

1000

... TGi nhgQP =

1000

97,0.90,168.81,9.87,0=P

MWP 400,1=

O clculo da tabela 3 foi feito a partir das mdias das potncias mensais

geradas nas turbinas, que por sua vez est ligada as vazes mdias mensais num

perodo de 60 anos.

Baseado nestes valores recomenda-se a instalao de duas mquinas de

6.500 MW com um fator de capacidade de energia mdia de 50% (ANNEL).

Conforme a portaria MME n463 a energia assegurada de 3,250 MW

que equivale a 50% da potncia instalada.

Considerando a vazo de 1,63 m/s e queda lquida de 121,70 m, a

potncia da UG#1 ser de 1,850 MW.

Considerando a vazo atual disponvel para a UG#2 de 0,87 m/s e queda

lquida de 168,90 m, a potncia instalada indicada seria de 1,400 MW.

Neste projeto foram consideradas as seguintes simulaes energticas

(Anexo 04):

Simulao A Operao apenas da UG#1, com vazo nominal de 1,63 m/s e

1,850 MW de potncia instalada;

Simulao B Operao apenas da UG#2, com vazo nominal de 0,87 m/s e

1,400 MW de potncia instalada;

59

4.2.1 Definio das Simulaes

As unidades geradoras foram aqui denominadas de UG#1 que ser

abastecida com a vazo proveniente do conduto de 800 mm e UG#2 que ser

abastecida com a vazo proveniente dos condutos 600 e 500 mm que sero unidos

na chegada casa de fora. Foi considerada a instalao de mquinas do tipo

Francis de eixo horizontal simples. Este tipo de turbina nestas condies requer a

utilizao de uma chamin de equilbrio de aproximadamente 10 m (Tabela 3).

Para um melhor aproveitamento do sistema e uma possvel reduo de

custos para implantao, recomenda-se a instalao de TH Pelton com dois jatos

injetores, ideal para altas quedas lquidas. Outro fator importante neste tipo de

turbina a no necessidade de chamin de equilbrio.

Tabela 3: Estudo Energtico para Perodo Integral

Fonte: Autores (2011)

Rendimento nominal da turbina 0,918 Rendimento nominal do gerador 0,92

Rendimento nominal do conjunto turbina/gerador 0,845 Vazo sanitria - Qjus (m/s) 0,18

NA mont. correspondente a queda Bruta (m) 239,80 NA jusante correspondente a queda Bruta (m) 10,00

Perda de carga mxima (m) 95,00 Constante de perda de carga (K = hp/Q) 2,80463

Queda bruta (m) 229,80 Queda de referncia (m) 134,80 Potencia instalada (kW) 6.500

Nmero de unidades 2 Vazo turbinada mxima (m/s) 5,82

% Q nominal para gerao 50% Gerao mdia (MWmdio) 5,188

Disponibilidade geral 95,00% Perdas eltricas at o ponto de conexo/Consumo Interno 33,85%

Energia Assegurada (MWmdio) 3,260 Gerao anual de energia (MWh/ano) 28.559 Fator de capacidade (energia mdia) 0,50

Disponibilidade para gerao 82,8%

60

4.3 ESTUDOS HIDRULICOS

As vazes caractersticas do rio Vargem do Brao e a sobre-elevao da

barragem quando da passagem das cheias est apresentada no Quadro 4.

A equao utilizada nos clculos de cota foi:

= !" . $%& '( + 238,09

onde: L o comprimento da barragem que tem 49,0 m;

c o coeficiente de vazo que foi estimado em 2;

Q a vazo m3/s;

238,09 m corresponde cota da soleira da barragem vertente, segundo

informado pela CASAN.

Quadro 4: Cotas para mximas calculadas. Fonte: CASAN (2011)

Tempo de

Recorrncia (anos)

Vazo de Cheia (m/s)

Cota (m)

2 70 238,89

5 105 239,14

10 128 239,28

25 156 239,46

50 178 239,58

100 199 239,69

1.000 269 240,05

Observa-se que a cota de proteo da barragem vertente para uma

recorrncia de 1.000 anos situa-se na El. 240,05 (Figura 29). A tomada de gua

encontra-se protegida para esta cota, entretanto o muro direito deve ser elevado at

esta mesma cota, ou seja, a El. 240,609 (Figura 30).

61

Figura 29: Barragem Vertente (Vertedouro de Soleira Livre) El. 240,05 m


Figura 30: Caixa de Areia (Tomada dgua)


4.4 CONEXO DA PCH MORRO DOS QUADROS AO SISTEMA CELESC

A ETA Morro dos Quadros tem disponvel uma rede de distribuio de

energia de 13,8 kV alimentada pela Subestao Palhoa de CELESC.

Esta de rede alimenta tambm a ERAB localizada a 500 m a montante da

ETA. A ERAB opera com 13,8 kV e a ETA com 380 V.

A Figura 31 apresenta a traado da linha de 13,8 kV que alimenta o SAA.

62

Figura 31: Rede 13,8V CELESC

Fonte: CASAN (2011).

Havendo a conexo da central geradora com a rede de distribuio da

CELESC, o ponto de conexo dever seguir as recomendaes da concessionria

contida nos Requisitos Gerais Para Conexo de Autoprodutor e Produtor

Independente de Energia Rede da CELESC I - 432.003.

O item 5.2.7 dos Requisitos Gerais Para Conexo de Autoprodutor e

Produtor Independente de Energia Rede da CELESC I - 432.003, permite que

usinas de pequeno porte se conectem dentro das linhas de distribuio da Celesc, este trabalho considera que o ponto de conexo ser na ERAB, junto a linha de

distribuio que alimenta a ETA.

Para a implantao da PCH, a CASAN deve ter um retorno da consulta de

acesso junto a CELESC, para confirmar o ponto de conexo.

63

4.5 DESCRITIVOS DO ARRANJO GERAL

4.5.1 Obras Civis

Para fazer a implantao das unidades de gerao hidreltrica, faz-se

necessrio realizar algumas obras civis, citadas abaixo:

Na barragem de captao: reforma do sistema adutor com vias a eliminar

a incorporao de ar excessiva existente no sistema.

Conduto forado: faz-se necessria a verificao da tubulao e das

juntas da adutora, assim como nos beros de apoios a fim de identificar peas com

problemas de desgaste por causa do tempo.

Casa de Fora - ERAB: na casa de fora ser instalada duas unidades

hidrogeradoras, a primeira de 1,850 MW utilizando o conduto de DN800mm e a

segunda com 1,400 MW fazendo a juno dos dois condutos de DN500 e

DN600mm.

Para a execuo das edificaes devero ser feitas duas sondagens no

local da instalao da casa de fora a fim de verificar o topo de rocha. As estruturas

sero executadas em concreto armado com fechamento em alvenaria.

A interligao eltrica entre as duas unidades geradoras dever ser

executada atravs de uma canaleta de cabos.

A casa de fora deve ter espao suficiente para a instalao das duas

mquinas com seus devidos equipamentos e sistemas auxiliares, junto com a rea

de montagem e galerias mecnicas e eltricas. A cobertura da casa de fora deve

ser feita com cobertura metlica.

4.5.2 Sistema de Captao da gua

A captao de gua do sistema Piles realizada na barragem dos Piles

por meio de duas tubulaes paralelas com 800 e 1.000 mm de dimetro com

aproximadamente 1.730 m de comprimento que levam gua a partir do canal de

tomada de gua na barragem at a caixa de passagem (antiga casa de clorao).

64

Da caixa de passagem emergem as adutoras de 500, 600 e 800 mm de

dimetro em ferro fundido e juntas tipo ponta e bolsa, que levam gua por gravidade

at a Estao de Tratamento de gua (ETA). A descarga da gua na ETA

efetuada atravs de vertedor no interior de uma caixa dgua. Uma quarta adutora de 450 mm de dimetro (com juntas de chumbo) e que fazia parte do sistema est

atualmente desativada e utilizada com fluxo inverso para reforar o transporte da

gua tratada na ETA a alguns dos setores de consumo situados a montante.

4.6 ORAMENTO DAS ESTIMATIVAS DE GERAO

O oramento do projeto da PCH Morro dos Quadros seguiu o padro

ELETROBRS. Os custos foram realizados para a potncia instalada a 3,25 MW.

Os preos apresentados no projeto de viabilidade foram baseados na

planilha de custos da ELETROBRS usados pela Eletrosul, Estelar Engenharia

entre outros (maio de 2011).

Os juros aplicados so os juros do mercado segundo o (Anexo 05), sendo

corrigidos conforme o IGP-M.

De acordo com Reis (2003, p.226),

o custo de uma usina hidroeltrica composta por duas partes: a) uma parcela fixa, praticamente independente da potncia instalada, incluindo custo de barragem, vertedouro, estruturas principais, terrenos, entre outros; b) uma parcela varivel, dependendo do nvel de motorizao (ou seja, potncia instalada), incluindo os custos de casa de fora, tomada dgua, equipamentos eletromecnicos, entre outros (Anexo 06).

Existe uma dificuldade em obter todos os dados da parcela varivel do

oramento em uma motorizao, tendo em conta que na elaborao de um projeto

bsico h necessidade de atuao de uma equipe de engenheiros (civil, mecnico,

entre outros). A parcela varivel composta, neste trabalho, apenas pelo conjunto

de turbina-gerador e pelos condutos forados, os quais representam a maior parte

do oramento.

No Quadro 5, a seguir, apresenta-se o resumo de conta do oramento

(maio de 2011) da PCH Morro dos Quadros.

65

Pelos custos estimados apresentados neste trabalho a CASAN demoraria

aproximadamente de 3 a 4 anos, conforme o financiamento a ser adotado para ter

um retorno do seu investimento.

Quadro 5: Oramento da PCH Morro dos Quadros. Fonte: Autores (2011).

Arranjo/Alt.: NA mximo normal = 310,20 m Piles

Queda Lquida: 134,8 Rio Piles

Potncia Instalada: 6,5 SC

Tipo de Turbina: Francis Horizontal Dupla Leste

Potncia Unitaria: 1,63 MW (mdio) Jun/11

Rotao: 800 rpm 1,80 R$/US$

CONTA ITEM UN.

.10. TERRENOS, RELOCAES E OUTRAS AES SCIO-AMBIENTAIS 105.000

.11. ESTRUTURAS E OUTRAS BENFEITORIAS 1.914.129

.11.12 BENFEITORIAS NA REA DA USINA gl 1 200.000,00 200.000

.11.13 CASA DE FORA 1.622.980

.13. TURBINAS E GERADORES 8.379.711

.13.13.00.23.28 Turbinas gl 2 1.281.580,00 2.563.160

.13.13.00.23.17 Comporta ensecadeira gl 2 26.758,60 53.517

.13.13.00.23.20 Guindaste gl 1 3.000.000,00 3.000.000

.13.13.00.23.29 Geradores gl 2 1.182.000,00 2.364.000

Subtotal da conta .13 7.980.677

.13.27 EVENTUAIS DA CONTA .13 % 5 7.980.677,20 399.034

.14. EQUIPAMENTO ELTRICO ACESSRIO 3.071.826

.15. DIVERSOS EQUIPAMENTOS DA USINA 751.003

CUSTO DIRETO

Custo direto total equivalente em R$ 14.221.669

Custo direto total equivalente em US$ 7.900.927

.17. CUSTOS INDIRETOS 2.362.500

CUSTO TOTAL SEM JUROS R$ 16.584.169

.18. % 6,00 16.584.168,82 995.050

.18.23 SOBRE O CAPITAL PRPRIO

CUSTO TOTAL R$ 17.579.219

POTNCIA INSTALADA kW 6.500

CUSTO EM R$/kW (sem juros) 2.551

CUSTO EM R$/kW (com juros) 2.704

JUROS DE MERCADO (IGP-M OU IPCA)

10 ORAMENTO PADRO ELETROBRS

Rio:

Bacia:

Estado:

Regio:

Data Ref.:

Cmbio

QUANT.PREO UNIT.

R$CUSTO R$

66

5 CONCLUSO E RECOMENDAO

Tendo em vista que o objetivo deste estudo foi avaliao da viabilidade

hidrulica dos condutos que transportam a gua bruta at a ETA para a instalao

de uma PCH e assim gerar a auto-suficincia do SAA, possvel concluir que:

- Atravs dos resultados obtidos pelo clculo da perda de carga e do clculo do

estudo energtico, a implantao deste sistema torna-se vivel;

- Mesmo apresentando uma elevada perda de carga os resultados obtidos

ficaram acima do esperado;

- Com a instalao destas turbinas tipo Francis, o sistema de gerao ter um

potencial para gerar uma energia assegurada de 3,250 MW mdio, que

equivale a um fator de capacidade (energia mdia) de 0,5 (Padro ANEEL);

- Para que se atenda a demanda necessria de gua na ETA ser necessria

a instalao de mais 3 moto-bombas de 600 CV cada, totalizando 7 moto-

bombas. Durante o

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