ESCOLA POLITÉCNICA
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ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE ENERGIA AUTOMAÇÃO ELÉTRICAS Estudo e Análise de Sistemas de Automação para Gestão de Recursos Hídricos André Granziera Miyake André Godoi de Bueno PROJETO DE FORMATURA/2006 ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE ENERGIA AUTOMAÇÃO ELÉTRICAS PROJETO DE FORMATURA / 2006 Estudo e Análise de Sistemas de Automação para Gestão de Recursos Hídricos ALUNOS: André Granziera Miyake André de Godoi Bueno ORIENTADOR: Sergio Pereira COORDENADOR: Dorel Ramos Soares SUMÁRIO 1. OBJETIVOS............................................................................................................................................... 2. METODOLOGIA UTILIZADA ............................................................................................................. 3. RESULTADOS OBTIDOS....................................................................................................................... 4. DIFICULDADES ENCONTRADAS....................................................................................................... 5. BIBLIOGRAFIA........................................................................................................................................ ANEXO A – ................................................................................................................................................... Objetivo O objetivo desse trabalho é analisar o sistema de distribuição de água da cidade de São Paulo para encontrar alguns pontos passíveis de melhora em relação ao aproveitamento dos recursos hídricos. E propor, assim, uma solução automatizada para a otimização da distribuição de forma que se diminuam as perdas sem atrapalhar no abastecimento da população. Importância do Projeto Sabendo que recursos hídricos são um bem esgotável, estes apresentam uma crescente tendência a se tornarem de enorme importância econômica e política. Uma vez que estes recursos são essenciais para a vida humana em qualquer sociedade, é de extrema importância que quaisquer desperdícios sejam minimizados de forma a otimizar o sistema de utilização dos mesmos. A Sabesp, empresa responsável pelo abastecimento de água no Estado de São Paulo, fornece estatísticas estimadas sobre essas perdas. Estimadas, pois é muito difícil de obter medições ao longo da linha de distribuição. Assim, esse projeto visa analisar soluções e equipamentos que possam ser usados pela Sabesp na supervisão da distribuição de água. A redução dessas perdas traz benefícios não apenas ambientais como também econômicos. O tratamento da água é um processo caro e parte dessa água tratada é perdida na distribuição. Se houvesse uma forma de descobrir trechos da rede com problemas de vazamento, por exemplo, criar-se-ia um sistema que diminuísse a distribuição de água por esse ramo e utilizar-se-ia de um outro para o abastecimento da região afetada. De forma análoga ao que é feito com a distribuição de energia elétrica. Metodologias O trabalho será realizado por meio de intensa pesquisa bibliográfica e também por meio de visitas técnicas às instalações da Sabesp. Soluções de outros países também serão pesquisadas e estudadas para uma possível implementação na cidade de São Paulo. Na segunda parte do projeto será elaborada uma solução automatizada da distribuição de água utilizando-se os dados obtidos com a Sabesp e com instrumentações encontradas na pesquisa bibliográfica. 3.2 – Distribuição de Água A água é um bem essencial a todas as pessoas, assim o abastecimento de água é uma das principais prioridades dos governos, em especial de países emergentes, onde a situação é menos favorável. No Brasil houve um imenso progresso na implantação de sistemas de abastecimento de água nas décadas de 1970 e 1980 com a implantação do PLANASA – Plano Nacional de Saneamento – que permitiu atingir níveis de atendimento de 90% da população urbana. Hoje se observa, nos centros urbanos, uma deterioração dos sistemas antigos, em especial na parte de distribuição com tubulações antigas que apresentam freqüentes problemas de rompimentos e vazamentos de água, ou mesmo uma saturação (limite de capacidade) em regiões que apresentam um rápido e desordenado crescimento. A distribuição de água é constituída de várias partes, são elas: Manancial: lugar de onde é retirada a água para abastecimento, deve fornecer vazão suficiente para atender a demanda de água e a qualidade dessa água deve ser adequada sob o ponto de vista sanitário. Captação: sistema (estruturas e dispositivos) construído junto ao manancial para a retirada de água destinada ao sistema de abastecimento. Estação Elevatória: conjunto de obras e equipamentos destinados a recalcar a água para a unidade seguinte. Geralmente existem várias estações elevatórias nos sistemas de abastecimento de água, tanto para recalque de água bruta como para recalque de água tratada. Adutora: canalização que se destina a conduzir água entre as unidades que precedem a rede de distribuição. Não distribuem água aos consumidores, mas podem existir derivações, as sub-adutoras. Estação de Tratamento de Água: conjunto de unidades destinadas a tratar a água de modo a adequar as suas características aos padrões de potabilidade. Reservatório: o elemento de distribuição de água destinado a regularizar as variações entre as vazões de adução e de distribuição e condicionar as pressões na rede de distribuição. Rede de distribuição: parte do sistema de abastecimento de água é formada de tubulações e sistemas de apoio, destinadas a colocar água potável à disposição dos consumidores, de forma contínua, em quantidade e pressão recomendadas. Essa é a parte da distribuição de especial interesse para esse trabalho. Figura 1 – Sistema de abastecimento de água da região metropolitana de São Paulo (Fonte: Sabesp 1995) As redes de distribuição são, em geral, o componente de maior custo do sistema de abastecimento de água, cerca de 50 a 75% do custo total de todas as obras do abastecimento. Em um sistema público de abastecimento de água, as redes de distribuição e as ligações prediais são as partes que normalmente não estão sob constante vigilância. As obras de captação, adução, tratamento e reserva, por encontrarem-se concentradas, e mesmo por seus portes, usualmente maiores, são contempladas pelas equipes de operação com uma atenção ininterrupta, pois são as obras visíveis e visitáveis permanentemente. O mesmo, entretanto, não ocorre com relação às redes de distribuição. Estas são obras enterradas, as quais se distribuem sob as vias públicas, sendo o acesso às mesmas bem mais difícil e, às vezes, extremamente complexo. Isto não quer dizer que as redes não possam ser operadas. Muito pelo contrário, pelo fato de ser a parte do sistema de abastecimento que se encontra mais próxima do consumidor, deve merecer especial atenção, principalmente no que se refere à qualidade e perdas da água. Esses dois aspectos devem ser preocupações contínuas dos responsáveis pelo sistema de abastecimento de água. Desde a captação no manancial até a entrega da água tratada ao consumidor final ocorrem perdas, de vários tipos, que em grande parte são causadas por operação e manutenção deficientes das tubulações e inadequada gestão comercial das companhias de saneamento. Contudo, isso não quer dizer que é possível contar com perda zero nos sistemas de abastecimento de água, onde a existência de tubulações enterradas pressurizadas e medidores de volumes ou vazões com certo grau de imprecisão inerente levam naturalmente a se trabalhar com um nível de perdas que será aceitável, tanto sob os pontos de vista econômico e operacional, como sob a ótica de conservação de recursos hídricos. Desta forma, a vinculação entre o nível de perdas em uma companhia de saneamento e sua eficiência operacional é total, ou seja, é de se esperar que os sistemas de abastecimento de água bem operados e mantidos (em outras palavras, bem gerenciados) possuam baixos índices de perdas. O sucesso das ações contínuas para a redução de perdas nas companhias de saneamento leva a uma melhor performance econômica da companhia, revertendo tal benefício em tarifas mais baixas aos clientes e à uma postergação de novos investimentos na amplificação dos sistemas de produção, adução e reserva de água. A conscientização do problema de perdas, o conhecimento das técnicas e o envolvimento de todos os profissionais da companhia são fundamentais para reverter o preocupante quadro hoje ocorrente na maioria dos sistemas de abastecimento, com perdas elevadas e uma má imagem perante os seus clientes. A primeira noção que vem à mente é a de que “perda” é toda a água tratada que foi produzida e se perdeu no caminho, não se chegando ao uso final pelos clientes da companhia de saneamento. Essa noção, no entanto, trata a perda como algo físico, um volume de água perdido em um vazamento, por exemplo. Efetivamente tem-se aqui um caso concreto de um produto industrializado que se perde no transporte até o consumidor. O conceito de perdas, no entanto, é mais abrangente. Do ponto de vista empresarial, se o produto for entregue e, por alguma ineficiência, não for faturado, tem-se um volume de produto onde foram incorporados todos os custos intrínsecos de produção industrial e transporte, mas que não está sendo contabilizado como receita da companhia, ou seja, uma perda também com conotação diferente em relação ao caso anterior, sendo mais ligada ao aspecto comercial do serviço prestado. 3.3 – Automação na Distribuição de Água Nas últimas décadas, com o avanço na engenharia eletrônica, foi possível o desenvolvimento de computadores e equipamentos sofisticados para serem utilizados em automação dos sistemas de abastecimento de água e de esgoto sanitário. Embora esses equipamentos aumentem os custos do sistema, a comparação técnicaeconômica entre a sua utilização ou não, normalmente leva a optar pelo uso desses equipamentos, pois diminui os custos de pessoal, reduz o consumo de energia elétrica e de produtos químicos, melhora a eficiência dos processos, aumenta a segurança na operação do sistema etc. Como a automação consiste na substituição da ação humana pela mecânica ou por outro dispositivo criado pelo homem, é de fundamental importância o conhecimento detalhado do funcionamento do sistema (hidráulico, processos, etc.) e dos equipamentos eletromecânicos. Há várias formas de controle dos sistemas de abastecimento de água. Controle por módulos (Figura 2) e sistema integrado de controle de água (Figura 3). Figura 2 – Controle do sistema de abastecimento de água por módulos Figura 3 – Controle integrado do sistema de abastecimento de água Conforme se observa na figura seguinte, o controle dos sistemas de abastecimento de água pode ser feito através de diferentes níveis de automação. Figura 4 – Níveis de automação As principais funções da automação na adução e distribuição de água são: Medição de níveis de reservatórios, vazões e pressões nas linhas; Macro e micromedição de volumes; Controle automático das pressões nas linhas; Controle nos níveis dos reservatórios; Centralização operacional; Integração dos sistemas de controle de ETAs, elevatórias, boosters e poços; Telecomando e telemonitoração das bombas de elevatórias e de poços; Telecomando de válvulas de manobra; Modelamento matemático previsional, de controle e simulação da rede; Controle otimizado da rede; Integração com GIS; Integração com sistema de gestão de manutenção. A automação e o controle da distribuição de água é feita usando-se controladores lógico programáveis (CLPs), vários tipos de instrumentos de medida e vários tipos de atuadores ou acionamentos. Os instrumentos de medida são os elementos primários do controle, ou seja, os responsáveis pela entrada de informações no controlador. De acordo com o sinal elétrico de saída podem-se classificar os instrumentos como digitais ou analógicos. Instrumentação Digital: Nos instrumentos digitais o sinal de saída só pode adquirir dois estados (ligado ou desligado, aberto ou fechado, verdadeiro ou falso, etc.) caracterizando, portanto, uma variável digital. Exemplos de instrumentos digitais: Pressostato Chave de nível Chave de fluxo Termostato Chave de fim-de-curso Fotocélula Instrumentação Analógica: Nos instrumentos analógicos o sinal de saída pode adquirir infinitos estados dentro de uma faixa pré-determinada caracterizando, portanto, uma variável analógica. Exemplos de instrumentos analógicos: Transmissor de nível Transmissor de vazão Transmissor de pressão Transmissor de posição Transmissor de vibração Medidor de pH Turbidímetro Atuadores ou acionamentos são equipamentos que convertem os sinais elétricos vindos do controle em ações físicas no processo. Os atuadores são os elementos finais do controle, ou seja, aqueles que vão realmente alterar as variáveis de saída do processo e os acionamentos são os equipamentos que vão acionar os atuadores. Exemplo de atuadores ou elementos finais: Bombas Ventiladores Agitadores Aquecedores Lâmpadas Válvulas Robôs Nos sistemas de abastecimento de água, verifica-se que o segundo maior custo com a operação é o consumo de energia elétrica. Sendo os sistemas de bombeamento os maiores responsáveis por esse custo, a maioria das intervenções realizadas com a tecnologia de automação tem o propósito de otimizar a operação desses sistemas.
