Estabilidade da geração de energia em usinas hidrelétricas com turbinas Francis reversíveis: estudo de caso UHE Tucuruí

Projetos de usinas hidrelétricas reversíveis estão consolidados no cenário energético internacional desde a década de 70, sendo cada vez mais recorrentes, como solução em serviços ancilares para integração com fontes de energia intermitente (FEI) nos horários de ponta. No Brasil, a vultuosa base de geração hidrelétrica, permitiu adiar essa necessidade por longo período. A UHE Tucuruí, última usina hidrelétrica da cascata do Rio Tocantins é um marco da Engenharia nacional. Dotada de duas casas de força com potência instalada de 8.535 MW, tem sido grande responsável pela regulação das FEI no Brasil em especial as eólicas da região nordeste. Suas turbinas Francis da Casa de força 1 possuem potência nominal de 350 MW cada uma, vazões máximas de 600 m3/s, rotores Francis com diâmetro de 8,15m com 12 pás e velocidade específica de 86,9 rpm.m3/4 são máquinas de considerável capacidade e vem sendo utilizadas vastamente pelo ONS para regulação de potência. Contudo, o modelo usado para o de despacho de carga apresenta evidentes sinais de esgotamento, quando se analisa o crescimento do acúmulo de danos eletromecânicos nas unidades geradoras. Uma possibilidade de atenuação da severidade de danos e aumento da estabilidade da geração é a conversão parcial de unidades geradoras para TR (Turbina Reversível) funcionando em curto-circuito hidráulico, com fins de estabilização de potência despachada e consequente redução da frequência de partidas e paradas. Este trabalho apresenta a elaboração de uma metodologia para prever o comportamento hidromecânico de turbinas Francis convertidas em turbinas reversíveis em usinas hidrelétricas. É utilizado, preliminarmente, um modelo matemático unidimensional baseado na aplicação da equação de Euler para os modos turbina e bomba. É formado o triângulo de velocidades à entrada e saída do rotor, para uma análise preliminar de do escoamento no rotor Francis. São produzidas curvas características de vazão, torque e potência das turbinas reversíveis, baseada em correlações estatísticas de máquinas existentes, obtidas na literatura. Ao final, o modelo hidro energético é validado e um estudo de caso é apresentado na UHE Tucuruí. Os resultados indicam uma viabilidade técnica de estabilidade da operação com redução de partidas e paradas de unidades geradoras não convertidas. Nas curvas adimensionais geradas, não foi possível obter a condição ótima de rendimento em modo bomba, com adoção do mesmo rotor Francis existente. Desta forma, modificações de projeto mecânico e elétrico das unidades geradoras devem ser realizados para alcance de uma operação mais estável e segura. O uso de turbinas reversíveis neste trabalho não se presta para fim de aumento de armazenamento energético, mas sim para fins de estabilidade da operação das máquinas e redução de danos eletromecânicos, o que para este fim se apresenta viável tecnicamente.