Título:
Sistemas complexos de chaminés de equlíbrio em aproveitamentos hidroeléctricos
Resumo:
A produção hidroeléctrica é um dos sectores onde as energias renováveis desempenham um papel muito importante no controlo dos problemas ambientais, numa perspectiva de reduzir as emissões gasosas, visando cumprir o protocolo de Quioto. De igual modo deve ser equacionada a sua contribuição para a resolução de outras questões e os correspondentes benefícios sociais e económicos. Nesse sentido, tem-se verificado um acentuado desenvolvimento na implementação de aproveitamentos hidroeléctricos, que apresentam, comparativamente a outras fontes de produção de energia, a vantagem de aproveitar um recurso energético renovável, ainda que limitado, aliado a um relativamente reduzido impacto ambiental. Refira-se neste contexto a actual posição da Comunidade Europeia sobre estas temáticas, que fixam a meta de 12% da produção energética em 2010 ser proveniente de recursos renováveis. Para cumprir a directiva comunitária 2001/77/CE que estabelece para Portugal que 39% da produção de electricidade tenha como origem fontes renováveis, será necessário incrementar fortemente a produção hidroeléctrica, sendo que, actualmente os grandes e médios aproveitamentos hidroeléctricos produzem em ano médio cerca de 30% da energia total consumida. Por outro lado, deve salientar-se que no benefício económico resultante da produção de energia hidroeléctrica, deve incluir-se a valia ambiental como consequência da redução das emissões de poluentes, inerentes à produção de energia eléctrica sob a forma térmica. Para o aproveitamento da energia potencial gravítica resultante de desníveis nos cursos de água é fundamental conjugar a minimização dos impactos ambientais com critérios económicos e de segurança dos empreendimentos resultantes. Os aproveitamentos hidroeléctricos integram sistemas e circuitos hidráulicos sendo que os caudais a ele afluentes evoluem aleatoriamente no tempo e, muito embora em grande parte do seu período de funcionamento se possa considerar que estes funcionam e são operados em condições de regime permanente, estão sujeitos à ocorrência de regimes transitórios. A configuração do circuito hidráulico assume um papel fundamental no projecto, operação e manutenção dos circuitos hidráulicos de um aproveitamento hidroeléctrico nomeadamente quando se manifesta uma brusca alteração do caudal turbinado a qual tem como consequência a ocorrência de um regime de escoamento em que a pressão e a velocidade são variáveis. Assim, para que um sistema possa funcionar de uma forma fiável, eficaz e segura, é necessário um estudo adequado do seu comportamento, de modo a controlar a ocorrência destes regimes transitórios, sejam eles inerentes ao funcionamento do aproveitamento ou acidentais. O controlo da ocorrência destes regimes, pode revelar a necessidade de adoptar um dispositivo de protecção ao circuito hidráulico que permita assegurar a necessária fiabilidade de exploração da central e condicionar características e condições de operação dos equipamentos. Um desses dispositivos é a chaminé de equilíbrio que, idealmente deverá localizar-se o mais próximo possível da central, de modo a reduzir as sobrepressões que tendem a desenvolver-se na conduta forçada. Em termos de funcionamento, a chaminé de equilíbrio absorverá ou libertará, temporariamente, qualquer alteração da energia cinética da água na galeria, ocasionada pela modificação do regime de funcionamento das turbinas, a qual se manifesta por elevação ou abaixamento no seu nível de água. Deste modo, a oscilação em massa que ocorre na chaminé de equilíbrio, é amortecida pelo efeito do atrito no sistema, pelo que é fundamental uma determinação tão próxima quanto possível da situação real, do valor das perdas de carga provocadas pelo atrito na conduta e da água em movimento. Para isso, a modelação matemática, como suporte para a análise do comportamento do circuito hidráulico e para a simulação do regime de escoamento inerente à operação e ao funcionamento do sistema, revelam-se indispensáveis, podendo confirmar a necessidade de adopção de dispositivos de protecção ou de outro tipo de medidas. Um dos métodos de integração das equações que regem o comportamento dos regimes variáveis é o método das características (MOC). Contudo, algumas das simplificações referidas são questionáveis, nomeadamente a consideração do factor de atrito f constante ao longo dos regimes transitórios que, segundo estudos teóricos e experimentais, pode conduzir a discrepâncias, mais ou menos significativas, entre os resultados numéricos e a realidade física do fenómeno. A simulação do fenómeno do choque hidráulico, considerando o efeito do factor de atrito não constante ao longo dos transitórios, pode conseguir-se introduzindo uma pequena alteração nas equações de compatibilidade do método das características, com um desprezável acréscimo do esforço de cálculo, o que levará a resultados mais próximos dos reais. Para a simulação do efeito do factor de atrito variável foram consideradas as formulações BRUNONE et al. (1991a) e de VITKOVSKY et al. (2000) que, de entre as formulações sugeridas por vários autores e aplicáveis a regime laminar e turbulento, se afiguram ser as que melhor se ajustam ao estudo dos problemas de transitórios hidráulicos considerando o efeito do factor de atrito variável. Assim, e dado que o estudo de uma chaminé de equilíbrio para protecção e controlo dos regimes transitórios sequentes a variações do caudal turbinado deve ser efectuado de modo a reduzir a amplitude máxima das oscilações no seu nível de água (resposta mais rápida e eficaz do dispositivo de protecção), é analisada a influência do factor de atrito variável em circuitos hidráulicos de aproveitamentos hidroeléctricos com chaminés de equilíbrio em série a montante da central, situação que se pode revelar favorável quando se pretende incrementar a potência da central verificando que a chaminé existente é insuficiente para permitir a ampliação do aproveitamento, podendo ainda adoptarse uma solução deste tipo quando, para minimizar o impacto ambiental, se opte pela construção de mais do que uma chaminé se o diâmetro equivalente de uma só for muito grande ou outras circunstâncias que o estudo técnico e económico da sistema mostre ser essa a solução mais adequada.
Autores:
José Alfeu A. Sá Marques, Helena M. Martins Simão, Jorge M. Pascoal Amado