BOMBAS PARA CENTRAIS HIDRELÉTRICAS DE ACUMULAÇÃO

GENERALIDADES

À medida que, em muitas regiões, os recursos hidráulicos para utilização da energia elétrica se aproximam de uma situação de esgotamento, parecendo indicar a necessidade de optar pelo emprego de outras formas de energia, torna-se interessante examinar a possibilidade de “armazenar energia hidráulica” aproveitando condições topográficas e hidrológicas favoráveis ou criando artificialmente as mesmas.
Uma usina termelétrica moderna, usando combustíveis fósseis ou energia originada por reação nuclear, deve trabalhar continuamente em regime próximo do de “plena carga”.

Haverá horas ou mesmo dias inteiros em que a potencia gerada nas termoelétricas será superior a demanda da rede consumidora.
Imaginou se então utilizar a energia hidráulica como complemento da energia do sistema servido pelas termelétricas.
Para isso constrói se um reservatório de acumulação em nível elevado, represando, se possível, um curso de água, que pode ser de pequeno porte. De um riu ou lago natural ou artificial, em cota inferior e mais próximo possível do reservatório superior, a água e bombeada para o reservatório superior. Assim, a água e acumulada no reservatório vá ter a ele diretamente, e essa água poderá ser utilizada no acionamento de turbinas hidráulicas nas horas de maior demanda de energia pela rede.
Sendo o preço de KWh fornecido nas horas de ponta mais elevado que o fornecido durante as horas de fraca demanda, há uma grande vantagem na utilização da energia sob a forma indicada.

MODALIDADES DE USINAS DE ACUMULAÇÃO

Desde o início do século têm sido empregadas bombas para a acumulação de água para ser aproveitada em turbinas. O grupo bomba motor nas primeiras instalações era totalmente independente do grupo turbina-gerador.
Com a demanda crescente de energia foram experimentadas novas soluções. Aparecem os grupos ternários, em que a bomba e a turbina separadamente são acopladas a uma mesma máquina elétrica que funciona como motor ou gerador.
A experiência, a evolução da pesquisa, a ciência e a tecnologia das máquinas hidráulicas conduziram à fabricação de máquinas reversíveis, capazes de operar ora como turbina ora como bomba. Uma das primeiras unidades do gênero no mundo, foi instalada na usina de Jaguari, em Pedreira.
Nas turbinas-bombas reversíveis a passagem de uma operação para a inversa importa na mudança do sentido de rotação de árvore.
O desenvolvimento de projeto e a construção de bombas, turbinas e turbinas-bombas para usinas de potências cada vez maiores.

TIPOS DE MAQUINAS

A escolha de melhor tipo de máquina para a central de acumulação depende da análise de um conjunto de fatores, entre os quais sobressaem:
- condições topográficas, hidrográficas e geológicas da região;
- custo do empreendimento;
-regime da rede de energia elétrica.
- máquinas reversíveis axiais de pás ajustáveis. O bombeamento se realiza nos dois sentidos de escoamento e o turbinamento apenas em um sentido.

INDICAÇÕES SOBRE O EMPREGO DAS MAQUINAS NAS CENTRAIS DE ACUMULAÇÃO

Utilização de um ou mais grupos “motor-bomba” numa usina hidrelétrica.
É a chamada instalação com quatro máquinas.
Uma usina desse tipo, onde devido á queda elevada, são usadas turbinas Pelton e as bombas são de múltiplos estágios. As máquinas só têm em comum as tubulações forçadas.
Esse tipo quaternário de máquinas é o mais caro, mas é o mais favorável quanto aos problemas de demarragem, mudança de operação e disponibilidade.
Emprego de um grupo ternário, isto é, uma turbina e uma bomba ligadas na mesma árvore a um motor-gerador.
É a solução que se encontra na maior parte das centrais de acumulação da Europa. A principal vantagem é a rapidez da inversão de operação.

CASO 1: A bomba e a turbina são ligadas rigidamente ao motor-gerador, havendo uma arvore comum sem acoplamentos
Funcionando como turbina o rotor da bomba trabalha “em seco”, com ar comprimido, devendo os interstícios de o labirinto ser refrigerados. O mesmo deve ser feito com o rotor da turbina, quando grupo opera como motor-bomba.

CASO 2: A turbina e ligada rigidamente ao eixo do motor-gerador e a bomba e ligada por um acoplamento especial mecânico dentado (embreagem de dentes).
Para acionar a turbina desacopla-se a bomba, mas para ligar a bomba tem-se que esvaziar a turbina.
Quando se passa do bombeamento para o turbinamento pode ocorres uma das seguintes hipóteses:
- a bomba ainda está com água;
- se a água tiver removida da bomba não há, necessidade de desligar o motor-gerador da rede elétrica.
Na passagem do turbinamento ao bombeamento deve-se desligar a carga de rede. Em seguida liga-se o acoplamento mecânico de dentes.

CASO 3: A turbina e ligada rigidamente ao motor-gerador e, por meio de um acoplamento mecânico de dentes, a bomba, combinado com uma turbina auxiliar para arranque.
A passagem do turbinamento para o bombeamento pode ser feito com a bomba aerada adicionada pela turbina auxiliar, o que reduz muito o tempo de conversão.
O grupo motor-gerador deve permanecer ligado à rede durante as operações de troca de turbinamento por bombeamento e vice-versa. Com isso o tempo de manobra para passagem de um tipo a outro de máquina fica reduzido e o desgaste é menor.


CASO 4: A turbina e ligada rigidamente ao motor-gerador e a bomba e ligada ao mesmo por acoplamento mecânico de dentes e conversores hidrodinâmicos de torque.
O emprego de conversor hidrodinâmico de torque substitui a turbina auxiliar de arranque e permite que a bomba atinja a velocidade nominal antes da ligação do acoplamento mecânico.
Durante qualquer das mudanças o motor-gerador deve permanecer ligado à rede de energia elétrica.
Com esse sistema consegue-se obter o menor tempo para passagem de uma condição para a outra.


CASO 5: A turbina e ligada ao motor-gerador e a bomba e ligada a arvore com o mesmo tipo de acoplamento.
Com esse arranjo não há necessidade de arear a bomba ou a turbina para a demarragem ou troca de operação.


Emprego de grupo binário, isto é, maquina reversível turbina-bomba ligada ao motor-gerador.
De um modo geral são mais simples e de menor custo que os grupos ternários.
A turbina-bomba e acoplada rigidamente ao motor gerador
A passagem do turbinamento para bombeamento se realiza parando a máquina.

Grupo com motor de arranque ( de partida) auxiliar
Um motro auxiliar de partida colocado em cima do motor-gerador e ligado rigidamente ao eixo do mesmo dá a partida no bombeamento. A potência do motor de partida é da ordem de 6 a 8 % da potência nominal do motor-gerador principal.

Grupo com turbina de arranque
Uma turbina hidráulica tem sido usada para dar partida ao grupo. Quando se prevê a partida com motor aerado a turbina de arranque tem uma potência de cerca de 8 a 12% da potência nominal do grupo.
Para simplificar a operação de partida prefere-se que a turbina-bomba trabalhe cheia de água

Grupo com conversor de torque hidrodinâmico para demarragem e acoplamento mecânico de dentes
Quando o grupo tem rotação nominal elevada intercala-se um conversor de torque entre o motor-gerador e a turbina-bomba, dispensa a aeração do rotor na inversão da operação mesmo quando o grupo funciona como compensador síncrono.

NPSH NAS USINAS DE ACUMULAÇÃO
Um dos pontos importantes a considerar na instalação da turbina-bomba e evitar que a unidade funcionando como bomba venha a operar com o NPSHdisponivel inferior ao NPSHrequerido e que como turbina trabalhe com uma contrapressão menor que]a altura de sucção necessária.
O NPSHdisponivel na instalação de bombeamento e a energia residual a entrada da bomba acima da pressão de vapor do liquido.

NPSHdisp. =ha+Hb-(Ja + hv)
Sendo: ha altura estática de aspiração da bomba;
Ja a soma das perdas de carga na linha de aspiração da bomba;
hv a pressão de vapor da água na temperatura ambiente.

O NPSHrequerido pela bomba para funcionar sem os riscos da cavitação e determinado em ensaios realizados pelos fabricantes e depende de uma grandeza representada por ө ou σ , denominado “coeficiente de cavitação”. O coeficiente de cavitação e função da velocidade especifica da bomba. Quanto maior a velocidade especifica maior o valor de
ө e maior o NPSHrequerido.
O continuo aperfeiçoamento dos projetos das bombas e a melhor compreensão do fenômeno de cavitação de como minimizá-lo permitiram que no espaço de 20 anos se chegasse a valores da relação NPSHdisp /H cada vez menores, e portanto, menores valores de ha e de H.
A tecnologia das turbo-bomas evoluiu também no sentido de se poder empregar turbinas-bombas com as bombas com um só estágio trabalhando com alturas de elevação surpreendentemente elevadas.
A maior parte das centrais de acumulação tem valores de queda compreendidos entre 100 a 400m. hoje projetam-se em certos casos, instalações de grupos reversíveis com contrapressão Hs inferior a 15 metros, graças aos aperfeiçoamentos na unidades de elevado valor de ns.