Análise hidroenergética da rotina operacional de sistema de

Universidade Federal do Pará
Instituto de Tecnologia
Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil
Linha de Pesquisa: Saneamento Ambiental e Sistemas de Infraestrutura
Urbana
José Cláudio Ferreira dos Reis Junior
Análise hidroenergética da rotina operacional de sistema de
bombeamento utilizado em abastecimento público de água
Belém
2012
José Cláudio Ferreira dos Reis Junior
Análise hidroenergética da rotina operacional de sistema de
bombeamento utilizado em abastecimento público de água
Dissertação apresentada para obtenção do
grau de Mestre em Engenharia Civil, ao
Programa de Pós-Graduação em Engenharia
Civil, Instituto de Tecnologia, Universidade
Federal do Pará.
Área de concentração: Recursos hídricos e
Saneamento Ambiental.
Linha de pesquisa: Saneamento e sistemas de
infraestrutura urbana.
Orientador: Prof. Dr. José Almir Rodrigues
Pereira.
Belém
2012
Dados Internacionais de Catalogação-na-Publicação (CIP)
Biblioteca Central/UFPA, Belém-PA
Reis Junior, José Cláudio Ferreira dos
Análise hidroenergética da rotina operacional de sistema de
bombeamento utilizado em abastecimento público de água / José
Cláudio Ferreira dos Reis Júnior. — 2012
Orientador: José Almir Rodrigues Pereira
Dissertação (Mestrado) - Universidade Federal do Pará, Instituto
de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil,
Linha de Pesquisa: Saneamento Ambiental e Sistema de Infraestrutura
Urbana, Belém, 2012.
1. Abastecimento de água – Custos. 2. Bombas hidráulicas
elétricas. 3. Estações de bombeamento. I. Título.
CDD - 22. ed. 628.1
José Cláudio Ferreira dos Reis Junior
Análise hidroenergética da rotina operacional de sistema de
bombeamento utilizado em abastecimento público de água
Dissertação apresentada para obtenção do
grau de Mestre em Engenharia Civil, ao
Programa de Pós-Graduação em Engenharia
Civil, Instituto de Tecnologia, Universidade
Federal do Pará.
Área de concentração: Recursos hídricos e
Saneamento Ambiental.
Linha de pesquisa: Saneamento e sistemas de
infraestrutura urbana.
Orientador: Prof. Dr. José Almir Rodrigues
Pereira.
Data de aprovação: ______ / ______ / 2012.
Banca Examinadora:
___________________________________________
Prof. Dr. José Almir Rodrigues Pereira – Orientador
Doutor em Hidráulica e Saneamento
Universidade Federal do Pará
___________________________________________
Prof. Dr. Lindemberg Lima Fernandes – Membro
Doutor em Desenvolvimento Sustentável do Trópico Úmido
Universidade Federal do Pará
___________________________________________
Prof. Dr.Valdinei Mendes da Silva – Membro
Doutor em Geociências
Instituto Federal de Educação e Tecnologia do Pará
Para minha mãe (avó)
Nazaré de Souza
Meu exemplo de vida.
AGRADECIMENTOS
A Deus o criador de tudo.
Aos meus avós Nazaré de Souza Santa Brígida e Valdemir Casseb de
Souza Santa Brígida, pelo apoio incondicional em todas as decisões de minha vida
e pela excelente educação e lição de vida.
A minha família em especial a minha mãe Maria Ivete Souza dos Reis e
minhas irmãs Caroline de Souza Santa Brígida e Glauce Souza dos Reis, pela
força nos momentos de dificuldade. A minha tia Ivaneide de Souza Santa Brígida,
pelo total apoio fornecido em todos os momentos de minha vida.
Ao meu orientador, Profº. Dr. José Almir Rodrigues Pereira, pela
orientação, pela confiança em mim depositada, e pelo apoio e incentivo em minhas
atividades acadêmicas.
Aos membros (amigos) do Grupo de Pesquisa Hidráulica e Saneamento
(GPHS) Karina Ferreira Castro, Jairo dos Passos Corrêa, Heitor Capela Sanjad,
Yasmin Coelho Ribeiro da Silva, Aline Christian Pimentel Almeida Santos, Davi
Edson Sales de Souza, Arnaldo Jorge Sá Lima, Laís Rodrigues Carvalho de
Siqueira e Ananda Cristina Froes Alves, pelo convívio e momentos de aprendizado
e pura descontração.
Ao amigo Augusto da Gama Rêgo, e ao Laboratório de Eficiência
Energética e Hidráulica (LENHS) da
Universidade Federal do Pará, por toda
infraestrutura fornecida para o desenvolvimento da pesquisa.
A minha grande parceira acadêmica Gleiciane Costa Moraes, pelos
grandes momentos de superação enfrentados nesta empreitada.
Aos amigos Beatriz Barbosa de Brito, e Diego José Barros pelos
conselhos e por dividirem todos os momentos de felicidade e dificuldades.
Aos meus parceiros, colaboradores, amigos e irmãos de coração
Raynner Menezes Lopes, João Henrique Macedo Sá e Luciano Louzada do Couto
pela incondicional colaboração em todas as atividades deste trabalho.
A Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior
(CAPES) pelo financiamento da bolsa de estudo.
SUMÁRIO
LISTA DE QUADROS
LISTA DE GRÁFICOS
LISTA DE FLUXOGRAMAS
LISTA DE TABELAS
LISTA DE SIGLAS
RESUMO
ABSTRACT
1. INTRODUÇÃO ...................................................................................................... 19
2. OBJETIVOS.......................................................................................................... 22
2.1 OBJETIVO GERAL ....................................................................................... 22
2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ........................................................................ 22
3. REVISÃO DE LITERATURA ................................................................................ 23
3.1 COMPONENTES DE ESTAÇÃO ELEVATÓRIA DE ÁGUA ......................... 24
3.1.1
3.1.2
3.1.3
Poço Úmido (ou de Sucção) e Poço Seco ......................................... 24
Conjunto Motor e Bomba (CMB) ........................................................ 26
Tubulação (sucção e recalque) .......................................................... 27
3.2 PROJETO DE ESTAÇÃO ELEVATÓRIA DE ÁGUA .................................... 29
3.2.1
3.2.2
3.2.3
3.2.4
3.2.5
3.2.6
3.2.7
Vazão ................................................................................................. 30
Tubulações (sucção e recalque) e Perdas de Carga ......................... 32
Altura Manométrica ............................................................................ 36
Potência Hidráulica ............................................................................ 37
Conjunto Motor e Bomba (CMB) ........................................................ 37
Rendimento ........................................................................................ 41
Poço de sucção .................................................................................. 43
3.3 OPERAÇÃO E CONTROLE ......................................................................... 43
3.4 PARÂMETROS DE CONTROLE OPERACIONAL ....................................... 46
3.4.1
3.4.2
3.4.3
3.4.4
3.4.5
3.4.6
Vazão de bombeamento .................................................................... 46
Níveis de operação do poço úmido .................................................... 48
Período de operação .......................................................................... 50
Horários de Ponta e Fora de Ponta .................................................... 50
Pressão .............................................................................................. 52
Parâmetros elétricos........................................................................... 54
3.5 CONSUMO DE ENERGIA ELÉTRICA EM ESTAÇÃO ELEVATÓRIA DE
ÁGUA ........................................................................................................... 58
3.6 CUSTO DE ENERGIA ELÉTRICA EM ESTAÇÃO ELEVATÓRIA DE ÁGUA
63
3.7 TARIFAS EM ENERGIA ELÉTRICA............................................................. 68
3.8 SIMULAÇÃO HIDRÁULICA .......................................................................... 69
4. METODOLOGIA ................................................................................................... 73
ETAPAS DA PESQUISA ...................................................................................... 76
4.1 ETAPA 1 – AVALIAÇÃO DA OPERAÇÃO DAS ESTAÇÕES ELEVATÓRIAS
1 E 2 DO SISTEMA DE BOMBEAMENTO DO SETOR BÁSICO. ................ 77
4.1.1 Fase 1 – Determinação teórica das condições de operação do
Sistema de Bombeamento do Setor Básico. ................................................ 77
4.1.2 Fase 2 – Monitoramento dos parâmetros hidráulicos e elétricos. ...... 77
4.1.3 Fase 3 - Simulação Computacional do Sistema de Bombeamento em
operação do Setor Básico. ........................................................................... 86
4.2 ETAPA 2 – PROPOSTAS DE AÇÕES DE EFICIÊNCIA ENERGÉTICA E
HIDRÁULICA DO SISTEMA DE BOMBEAMENTO DO SETOR BÁSICO.... 88
4.2.1 Fase 1 – Desenvolvimento de cenários de simulação computacional
para o Sistema de Bombeamento do Setor Básico. ..................................... 88
4.2.2 Fase 2 – Ações para melhorar o desempenho Hidroenergético do
sistema de bombeamento do setor básico ................................................... 90
5. RESULTADOS E DISCUSSÕES.......................................................................... 91
5.1 AVALIAÇÃO DA OPERAÇÃO DAS ESTAÇÕES ELEVATÓRIAS 1 E 2 DO
SISTEMA DE BOMBEAMENTO DO SETOR BÁSICO................................. 91
5.1.1 Determinação teórica das condições de operação do sistema de
bombeamento do Setor Básico. ................................................................... 91
5.1.2 Diagnóstico das condições de operação do sistema de bombeamento
do setor básico. ............................................................................................ 94
5.2 MONITORAMENTO DOS PARÂMETROS HIDRÁULICOS. ........................ 96
5.2.1
5.2.2
Medição de vazão EEAT 1. ................................................................ 96
Medição de vazão EEAT 2. ................................................................ 99
5.3 MONITORAMENTO DOS PARÂMETROS ELÉTRICOS ........................... 101
5.3.1
5.3.2
Tensão e Intensidade de Corrente Elétrica ...................................... 101
Fator de Potência e Fator de Carga ................................................. 103
5.4 ANÁLISE HIDROENERGÉTICA DO SISTEMA DE BOMBEAMENTO DO
SETOR BÁSICO. ........................................................................................ 104
5.4.1
5.4.2
Análise Hidroenergética da EEAT 1 ................................................. 104
Análise Hidroenergética da EEAT 2. ................................................ 110
5.4.3 Resultados da simulação computacional do Sistema de Bombeamento
em operação do Setor Básico. ................................................................... 115
5.5 PROPOSTAS DE AÇÕES DE EFICIÊNCIA ENERGÉTICA E HIDRÁULICA
DO SISTEMA DE BOMBEAMENTO DO SETOR BÁSICO ........................ 118
5.5.1 Fase 1 – Desenvolvimento de cenários de simulação computacional
para o Sistema de Bombeamento do Setor Básico. ................................... 118
5.5.2 Fase 2 - Ações para melhorar o desempenho Hidroenergético do
sistema de bombeamento do Setor Básico. ............................................... 123
6. CONSIDERAÇÕES FINAIS ................................................................................ 127
REFERÊNCIAS ....................................................................................................... 129
LISTA DE QUADROS
Quadro 1 – Válvulas utilizadas em Sistemas de Abastecimento de Água. ............... 29
Quadro 2 - Valor do coeficiente C sugerido para a fórmula de Hazen-Williams. ....... 34
Quadro 3 - Valores aproximados de K (perdas localizadas). .................................... 35
Quadro 4 – Efeito de alterações em conjuntos elevatórios. ...................................... 36
Quadro 5 – Classificação do fator de carga. ............................................................. 57
Quadro 6 - Alternativas para redução do custo de energia elétrica........................... 61
Quadro 7 – Vazão média obtida. ............................................................................... 92
Quadro 8 – base de cálculo para a determinação das perdas de carga localizadas. 92
Quadro 9 – Perda de carga localizada na EEAT 1. ................................................... 92
Quadro 10 – Perda de carga localizada na EEAT 2. ................................................. 93
Quadro 11 – Perda de carga total nas EEAT 1 e na EEAT 2. ................................... 93
Quadro 12 – Perda de carga total nas elevatórias 1 e 2. .......................................... 93
Quadro 13 – NPSH (disponível e requerido) e potência dos CMB’s. ........................ 93
Quadro 14 – Resumo das variáveis hidráulicas determinadas teoricamente. ........... 94
Quadro 15 – Resultados do monitoramento hidroenergético da EEAT 1 e da EEAT 2.
................................................................................................................................ 114
Quadro 16 – Consumo e custo com energia elétrica na EEAT 1 e na EEAT 2. ...... 114
Quadro 17 – Consumo de energia elétrica na EEAT 1 e na EEAT 2. ..................... 122
Quadro 18 – Custo com energia elétrica na EEAT 1 e na EEAT 2. ........................ 123
Quadro 19 – Parâmetros para monitoramento hidráulico e elétrico de EEA. .......... 124
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Localização de
Estação Elevatória em sistema de abastecimento de
água. ........................................................................................................................................ 24
Figura 2 – Conjunto motor e bomba instalado submerso no poço úmido. ................... 25
Figura 3 – CMB instalado acima (a) e abaixo do nível de água do poço úmido (b). .. 25
Figura 4 – Conjunto motor e bomba. .................................................................................. 26
Figura 5 – Componentes de uma bomba. ......................................................................... 27
Figura 6 – Peças e conexões na tubulação de sucção e recalque. .............................. 28
Figura 7 – Linhas de carga em um sistema de elevação de água. ............................... 33
Figura 8 – Seleção de conjunto motor e bomba (CMB). ................................................. 38
Figura 9 – Curva característica do sistema. ...................................................................... 39
Figura 10 – Gráfico de cobertura das bombas. ................................................................ 40
Figura 11 – Curva do sistema para operação de conjuntos motor e bomba em
paralelo. ................................................................................................................................... 41
Figura 12 – Curva do sistema para operação de conjuntos motor e bomba em série.
.................................................................................................................................................. 41
Figura 13 – Tipos de medidores de vazão em conduto fechado. .................................. 46
Figura 14 – Medidor eletromagnético instalado................................................................ 47
Figura 15 – Medidor de vazão ultrassônico instalado. .................................................... 47
Figura 16 – 1 CMB em operação e 1 CMB em reserva (1+1). ....................................... 48
Figura 17 – 2 CMB’s em operação e 1 CMB em reserva (2+1). .................................... 49
Figura 18 – Volumes de Operação do poço úmido.......................................................... 49
Figura 19 – Horário de ponta e fora de ponta ................................................................... 51
Figura 20 – Unidades consumidoras de energia elétrica em SAA. ............................... 59
Figura 21 – Diagrama de balanço de energia com as perdas do sistema. .................. 61
Figura 22 – Diagrama de balanço de energia com as perdas do sistema. .................. 62
Figura 23 – Sistema de Abastecimento da Cidade Universitária Prof.º José da
Silveira Netto. ......................................................................................................................... 73
Figura 24 – Sistema de Bombeamento de água do setor básico. ................................. 74
Figura 25- Etapas e fases da pesquisa.............................................................................. 76
Figura 26 – Medidor de vazão ultrassônico Portátil. ........................................................ 78
Figura 27 – Medidor de vazão instalado. ........................................................................... 79
Figura 28 – Procedimentos de medição de vazão. .......................................................... 79
Figura 29 – Definição do ponto de medição de vazão. ................................................... 80
Figura 30 – Medidor de espessura ultrassônico portátil.................................................. 80
Figura 31 – Analisador de Qualidade de Energia. ........................................................... 82
Figura 32 - Quadro de comando elétrico. .......................................................................... 83
Figura 33 – Procedimento de instalação e medição de parâmetros elétricos. ............ 83
Figura 34 – Acoplamento das Braçadeiras vermelhas e Garras azuis. ........................ 84
Figura 35 - Analisador de Qualidade de Energia. ............................................................ 85
Figura 36 – Simulação Computacional do Sistema de Bombeamento em operação
do Setor Básico. ..................................................................................................................... 86
Figura 37 – Metodologia utilizada na simulação hidráulica utilizando o software
EPANET 2.0. .......................................................................................................................... 87
Figura 38 – Cenário 1 de simulação computacional. ....................................................... 89
Figura 39 – Cenário 2 de simulação computacional ........................................................ 89
Figura 40 – Instalações físicas da EEAT 1........................................................................ 94
Figura 41 – Quadro de comando elétrico da EEAT 1. ..................................................... 95
Figura 42 – Instalações físicas da EEAT 2........................................................................ 95
Figura 43 – Quadro de comando elétrico dos conjuntos motor e bomba da EEAT 02.
.................................................................................................................................................. 96
Figura 44 – Cenário de simulação computacional. ........................................................ 115
Figura 45 – Cenário de simulação computacional. ........................................................ 115
Figura 46 – Cenário 2 de simulação computacional. ..................................................... 121
Figura 47 – Proposta de pontos de medição em sistemas de bombeamento de água
para abastecimento público. .............................................................................................. 125
LISTA DE GRÁFICOS
Gráfico 1 – Participação percentual com energia elétrica no total das despesas de
exploração no ano de 2009 por prestadora de serviço. .................................................. 64
Gráfico 2 – Custo médio com energia elétrica por prestadora de serviço em 2009... 64
Gráfico 3 – Desempenho Hidráulico da EEAT 1. ............................................................. 97
Gráfico 4 – Volume bombeado pela EEAT 1. ................................................................... 98
Gráfico 5 – Desempenho Hidráulico da EEAT 2. ............................................................. 99
Gráfico 6 – Volume bombeado pela EEAT 2. ................................................................. 100
Gráfico 7 – Custo percentual com energia elétrica na EEAT 1.................................... 109
Gráfico 8 – Custo percentual com energia elétrica na EEAT 2.................................... 113
Gráfico 9 – Resultados de pressão nos trechos da rede simulada. ............................ 117
Gráfico 10 – Resultados de pressão na simulação computacional 1. ........................ 120
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Valores de consumo e demanda nos horários de ponta e fora de ponta
sem o desligamento das elevatórias. ........................................................................ 65
Tabela 2 - Consumo da Estação elevatória de Boqueirão. ....................................... 66
Tabela 3 - Consumo da Estação Elevatória e ETA de Gravatá................................. 66
Tabela 4 – Tabela modelo utilizada no monitoramento. ............................................ 78
Tabela 5 – Velocidade do som de acordo com o tipo de material. ............................ 81
Tabela 6 – Análise estatística descritiva da medição de vazão da EEAT 1. ............. 97
Tabela 7 – Análise estatística descritiva dos resultados de volume da EEAT 1. ...... 99
Tabela 8 – Análise estatística descritiva da medição de vazão da EEAT 2. ........... 100
Tabela 9 – Análise estatística descritiva dos resultados de volume da EEAT 2. .... 101
Tabela 10 – Monitoramento da tensão na EEAT 1.................................................. 101
Tabela 11 – Monitoramento da tensão na EEAT 2.................................................. 102
Tabela 12 – Monitoramento da corrente elétrica na EEAT 1. .................................. 102
Tabela 13 – Monitoramento da intensidade de corrente elétrica na EEAT 2. ......... 103
Tabela 14 – Consumo diário de energia elétrica na EEAT 1. .................................. 107
Tabela 15 – Custo diário de energia elétrica na EEAT 1......................................... 107
Tabela 16 – Análise hidroenergética da EEAT 1. .................................................... 108
Tabela 17 – Consumo diário de energia elétrica na EEAT 2. .................................. 111
Tabela 18 – Custo diário de energia elétrica na EEAT 2......................................... 111
Tabela 19- Análise hidroenergética da EEAT 2....................................................... 112
Tabela 20 – Resultados da simulação hidráulica. ................................................... 116
Tabela 21 – Resultados de consumo e custo de energia elétrica da simulação
hidráulica no cenário 1. ........................................................................................... 117
Tabela 22 – Resultados da simulação hidráulica para o cenário 1. ........................ 118
Tabela 23 – Resultados de consumo e custo de energia elétrica da simulação
hidráulica no cenário 1. ........................................................................................... 120
Tabela 24 – Resultados da simulação computacional para o cenário 1.................. 121
Tabela 25 – Resultados de consumo e custo de energia elétrica da simulação
hidráulica no cenário 2. ........................................................................................... 122
Tabela 26 – Resultados de consumo e custo de energia elétrica nas simulações.. 122
LISTA DE SIGLAS
AGESPISA – PI
Águas e Esgotos do Piauí
ANEEL
Agencia Nacional de Energia Elétrica
AQE
Analisador de Qualidade de Energia
CAEMA – MA
Companhia de Águas e Esgotos do Maranhão
CAER – RR
Companhia de Águas e Esgoto de Roraima
CAERD – RO
Companhia de Saneamento de Rondônia
CAERN – RN
Companhia de Águas de esgoto do Rio Grande do Norte
CAESA – AP
Companhia de Água e Esgoto do Amapá
CAESB - DF
Companhia de Saneamento Ambiental do Distrito Federal
CAGECE – CE
Companhia de Saneamento do Ceará
CAGEPA – PB
Companhia de Água e Esgoto da Paraíba
CASAL – AL
Companhia de Saneamento de Alagoas
CASAN – SC
Companhia Catarinense de Água e Saneamento
CEC
Comissão de Energia da Califórnia
CEDAE – RJ
Companhia Estadual de Águas e Esgotos do Rio de Janeiro
CESAN – ES
Companhia Espírito-Santense de Saneamento
CII
Confederação das Indústrias da Índia
COMPESA – PE
Companhia Pernambucana de Saneamento
COPASA – MG
Companhia de Saneamento de Minas Gerais
CORSAN – RS
Companhia de Saneamento do Rio Grande do Sul
COSAMA – AM
Companhia de Saneamento do Amazonas
COSANPA – PA
Companhia de Saneamento do Pará
DEAS – AC
Departamento Estadual de Água e Saneamento do Acre
DESO – SE
Companhia de Saneamento de Sergipe
EE
Estação Elevatória
EMBASA – BA
Empresa Baiana de Águas e Saneamento
EPE
Empresa de Pesquisa Energética
ETA
Estação de Tratamento de Água
IWA
International Water Association
Kwh/m³
Kilowatts hora por metro cúbico
LENHS
Laboratório de Eficiência Energética e Hidráulica
NPSH
Net Positive Suction Head
PLC
Programador Lógico Controlável
PNCDA
Programa Nacional de Combate ao Desperdício de Água
PROCEL
Programa de Conservação de Energia Elétrica
PROCEL
Programa de Conservação de Energia Elétrica
PROSAB
Programa de Pesquisa em Saneamento Básico
RMB
Região Metropolitana de Belém
SAA
Sistema de Abastecimento de Água
SABESP – SP
Companhia de Saneamento Básico do Estado de São Paulo
SANEAGO – GO
Saneamento de Goiás
SANEATINS – TO
Companhia de Saneamento do Tocantins
SANEPAR – PR
Companhia de Saneamento do Paraná
SANESUL – MS
Empresa de Saneamento de Mato Grosso do Sul
SGE
Sistema de Gestão Energética
SNIS
Sistema Nacional de Informações de Saneamento
TWh
Terawats- hora
UNESCO
rganização das Nações Unidas para a Educação, à ciência e a cultura.
RESUMO
Avaliar o consumo e o custo de energia elétrica em sistema de
bombeamento de água para abastecimento público. A pesquisa foi dividida em
atividades teóricas, de investigação em campo e de simulação computacional no
sistema de abastecimento de água do Setor Básico da Universidade Federal do
Pará. Inicialmente, foi avaliada a atual rotina operacional das duas estações
elevatórias por meio de monitoramento hidráulico e elétrico e por simulação
computacional. Na segunda etapa foram realizadas simulações no software
EPANET com diferentes cenários de operação do sistema de bombeamento,
enfocando o consumo e o custo de energia elétrica como parâmetros para o controle
operacional. Com a pesquisa é recomendada a utilização de apenas uma elevatória,
para bombeamento direto de água do reservatório apoiado do setor profissional para
o reservatório elevado do setor básico.
Palavras-chave: Água, Energia elétrica, Bombeamento.
ABSTRACT
Evaluate the consumption and the cost of the electric power in water pump
systems to public supply. The research was divided in theoretical activities, of field
investigation and computational simulation of the water supply system of the basic
sectorial of the Federal University of Pará. Initially, the current operation routine of
the two lift stations by electrical and hydraulic monitoring and by computational
simulations was evaluated. In the second stage simulations in the EPANET software
with different sceneries of pump operation system was realized, focusing the
consumption and cost of the electric power as parameters for the operational control.
With the research is recommended the utilization of only one lift station, to the direct
pump of water to the ground storage tank of the professional sectorial to the lift
station of the basic sectorial.
Key words: Water, Electric Power, Pump.
19
Introdução
REIS JUNIOR. José Cláudio Ferreira dos. Análise hidroenergética da rotina operacional de sistema de bombeamento utilizado
em abastecimento publico de água
1.
INTRODUÇÃO
No atual cenário de alta competitividade de mercado, empresas que
desejem alcançar um bom patamar de desenvolvimento e tornarem-se mais
competitivas não podem admitir o desperdício ou usar a energia de forma ineficiente,
portanto, é necessário incentivar novas práticas de procedimentos técnicos
operacionais a todos os colaboradores da organização, de modo a obter o mesmo
produto ou serviço com menor consumo de energia, eliminando desperdícios e
assegurando a redução dos custos (MOURA, 2010).
Em alguns casos, economia significativa de energia elétrica pode ser
conseguida apenas com mudanças de procedimentos e hábitos. O consumo de
energia elétrica está presente em diversos setores, tais como, no setor de
iluminação das instalações, de serviços de escritório, de equipamentos de
monitoramento e controle, no acionamento de motores elétricos, dentre outros.
De acordo com dados de 2008 do Programa Nacional de Conservação de
Energia para o setor de Saneamento (PROCEL, 2005a), no Brasil cerca de 2 a 3%
do consumo total de energia elétrica é destinado ao setor de abastecimento de água
e de tratamento de esgoto, o equivalente a cerca de 10 bilhões de kWh/ano.
Gonçalves, Jordão, Januzzi (2009) comentam que mais de 90% desse total de
energia elétrica é destinado ao uso dos conjuntos motor e bomba utilizados nos
diversos processos de abastecimento de água e de esgotamento sanitário.
Esses equipamentos, muitas vezes dimensionados de forma inadequada
ou operando em condições obsoletas, são frequentemente utilizadas durante os
horários de pico, que somado as perdas de água verificadas nas companhias de
abastecimento, contribuem para onerar as tarifas de água (GONÇALVES, JORDÃO,
JANUZZI, 2009).
A energia consumida e os materiais utilizados no sistema dependem das
características da bomba, da instalação e do modo como o sistema irá operar.
Todos os componentes do sistema deveram ser cuidadosamente selecionados para
20
Introdução
REIS JUNIOR. José Cláudio Ferreira dos. Análise hidroenergética da rotina operacional de sistema de bombeamento utilizado
em abastecimento publico de água
combinarem entre si e manter em um conjunto confiável, assegurando os mais
baixos custos energéticos e de manutenção, bem como tendo longa durabilidade.
Codurú e Pereira (2010) comentam que é preciso considerar o
funcionamento dos equipamentos eletromecânicos de cada unidade nos horários de
ponta e fora de ponta e que o detalhamento dessa informação hidroenergética é
importante para a avaliação das despesas de exploração, já que o valor do horário
de ponta (3 horas no período noturno) é cerca de três vezes maior do que o dos
demais horários (fora de ponta).
Ainda segundo os autores a eficiência energética está relacionada com as
características de cada sistema de abastecimento de água, o que é relacionado pelo
controle operacional, eficiência da macromedição dos volumes, setorização da rede
de distribuição, micromedição do volume consumido nas instalações prediais,
qualidade e compatibilidade dos cadastros técnico e comercial, entre outras ações.
As informações de que programas de eficiência energética em sistemas
de bombeamento representam grande ganhos de melhorias já são bem
disseminadas no setor energético, com exemplo desses ganhos pode-se citar o caso
da Índia, onde a Confederação de Indústria da Índia (CII) estima que uma tradicional
companhia pública municipal indiana tem o potencial de melhorar a eficiência do
sistema de água em até 25 por cento, uma vez que as várias companhias de água
municipais na Índia gastam até 60 por cento do seu orçamento de energia com o
bombeamento de água (JAMES; GODLOVE; CAMPBELL, 2002).
Outro exemplo é o estudo de oportunidades de eficiêntização de água e
energia realizado no Texas, as companhias de água nos Estados Unidos poderiam
facilmente reduzir 15 por cento do uso total de energia, economizando quase 1
bilhão de dólares. Os americanos gastam de US$ 1 bilhão a US$ 1,5 bilhão,
anualmente, apenas para bombear água e esta nunca alcança o usuário final devido
aos vazamentos do sistema, furto e equipamentos defeituosos (CALIFORNIA, 2005).
A eficiência energética em sistemas de bombeamento de água é uma boa
alternativa para reduzir o custo efetivo com energia elétrica e melhorar os serviços
de distribuição, assim como, atender às necessidades das crescentes populações,
aumentando a capacidade de serviço do sistema. A redução e o desperdício
21
Introdução
REIS JUNIOR. José Cláudio Ferreira dos. Análise hidroenergética da rotina operacional de sistema de bombeamento utilizado
em abastecimento publico de água
energético representam ainda um papel importante em termos de benefícios
ambientais.
A elaboração de diagnósticos hidroenergéticos do funcionamento de
sistemas de bombeamento consiste na determinação de alternativas que
possibilitem ganhos por meio de ações que visem à eficiência energética tendo em
vista a redução do consumo de energia elétrica e redução da demanda de potência
no horário de ponta do sistema.
Nesse contexto, o termo hidroenergético pode ser entendido como a
relação de parâmetros hidráulicos e elétricos, como exemplo pode ser citado, o
consumo de energia elétrica por unidade de volume de água bombeado expresso
em
kwh/m³, indicador muito utilizado na gestão energética em companhias de
saneamento no Brasil.
Os indicadores hidroenergéticos assumem importante papel, no que diz
respeito às ferramentas de análise de informações referentes a gerencia e ao
controle operacional de sistemas de bombeamento, permitindo ao responsável na
tomada de decisão, avaliar o comportamento do sistema de maneira integrada,
possibilitando o estabelecimento de ações de resposta, contribuindo para o
crescimento do sistema como um todo.
Com o intuito de conhecer melhor e aperfeiçoar o uso de energia elétrica
nas unidades de bombeamento de água em sistemas de abastecimento de água,
este trabalho abordará o consumo de energia elétrica em estações elevatórias de
água tratada para abastecimento público, identificando as despesas com energia
elétrica nessas unidades em especial nos horários de ponta e fora de ponta.
A estrutura de apresentação do trabalho é composta de cinco itens
principais; sendo eles o objetivo geral e os específicos, a revisão de literatura onde
são abordados temas relacionados a eficiência energética em sistemas de
abastecimento de água com foco no sistema de bombeamento, a metodologia
adotada para o desenvolvimento das etapas e fases do trabalho, os resultados onde
foram sistematizados e analisados todos os dados e informações obtidos, as
considerações finais com as conclusões e por fim as referencias que serviram de
base teórica .
22
Objetivos
REIS JUNIOR. José Cláudio Ferreira dos. Análise hidroenergética da rotina operacional de sistema de bombeamento utilizado
em abastecimento publico de água
2. OBJETIVOS
2.1 OBJETIVO GERAL
Avaliar o consumo e o custo de energia elétrica em sistema de
bombeamento de água para abastecimento público.
2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Monitorar parâmetros hidráulicos e elétricos nos horários de ponta e
fora de ponta da rotina operacional do sistema de bombeamento de água
tratada do setor básico da cidade Universitária Pro. José da Silveira Netto;
Simular cenários de operação do bombeamento de água tratada no
setor básico da cidade Universitária Profº José da Silveira Netto;
Analisar e propor procedimentos técnicos operacionais para melhorar o
desempenho operacional do sistema de bombeamento de água.
23
Revisão de Literatura
REIS JUNIOR. José Cláudio Ferreira dos. Análise hidroenergética da rotina operacional de sistema de bombeamento utilizado
em abastecimento publico de água
3. REVISÃO DE LITERATURA
O conceito de Estação Elevatória (EE) pode ser entendido como o
conjunto de instalações e equipamentos necessários para o recalque de fluído, para
as demais unidades do sistema, de modo a vencer as distancias e a diferença entre
os níveis geométricos entre os diversos pontos do sistema, e são utilizadas para
pressurizar determinado fluído, até aos pontos de processamento ou de consumo,
superando desníveis topográficos e perdas de carga ao longo das tubulações.
Geralmente são utilizadas nos sistemas de abastecimento de água, de esgotamento
sanitário e de drenagem pluvial (GOMES, 2009a).
Azevedo Netto et al. (1998) observam que conjuntos motor e bomba de
estação elevatória devem vencer a diferença de nível entre os dois pontos mais as
perdas de carga em todo o percurso (perda por atrito ao longo da canalização e
perdas localizadas às peças especiais.) sendo, a bomba o dispositivo que converte
trabalho mecânico em energia ao fluido.
As Estações Elevatórias de Água Tratada (EEAT), são formadas por um
conjunto composto por tubulações de sucção e de recalque, válvulas, registros,
conexões, poço úmido e seco, motor e bomba hidráulica, que variam conforme o
porte do sistema, características da área, regime de trabalho entre outros fatores.
Em Sistemas de Abastecimento de Água (SAA), conjuntos motor e bomba
(CMB) podem ser instalados nas unidades de captação, tratamento e distribuição de
água, podendo ser o bombeamento de água direto para adutoras, reservatórios ou
rede de distribuição, conforme mostrado na Figura 1.
24
Revisão de Literatura
REIS JUNIOR. José Cláudio Ferreira dos. Análise hidroenergética da rotina operacional de sistema de bombeamento utilizado
em abastecimento publico de água
Figura 1 - Localização de Estação Elevatória em sistema de abastecimento de
água.
A maior parte do consumo de energia elétrica em Sistemas de
Abastecimento de Água (SAA) ocorre nas estações elevatórias, conforme já
explanado nos itens anteriores.
3.1 COMPONENTES DE ESTAÇÃO ELEVATÓRIA DE ÁGUA
A seguir são descritos as partes principais que compõem uma estação
elevatória de água, tais como; Poço úmido, poço seco, tubulações de sucção e
recalque, válvulas, conexões, e o conjunto motor e bomba.
3.1.1 Poço Úmido (ou de Sucção) e Poço Seco
Dependendo do arranjo dos componentes do sistema de bombeamento, e
das condições de instalação, pode ser necessária a utilização de um poço úmido,
cuja função é a de armazenar a água à ser bombeada.
O poço úmido ou poço de sucção é o compartimento da estação
elevatória destinado a acumulação da água a ser recalcada pelos conjuntos motor e
25
Revisão de Literatura
REIS JUNIOR. José Cláudio Ferreira dos. Análise hidroenergética da rotina operacional de sistema de bombeamento utilizado
em abastecimento publico de água
bomba, os quais, podem estar instalados no próprio poço úmido (submerso) (ver
Figura 2), acima do nível máximo e abaixo do nível de água, este último instalado na
parte externa do poço (ver Figura 3).
Figura 2 – Conjunto motor e bomba instalado submerso no poço úmido.
O poço seco é o local utilizado para abrigar os conjuntos motor e bomba,
o barrilete, o painel de comando e o gerador de energia elétrica (ver Figura 3 b)).
Figura 3 – CMB instalado acima (a) e abaixo do nível de água do poço
úmido (b).
Vale ressaltar que dependendo da localização em relação ao nível do
terreno o poço úmido pode ser classificado em: enterrado (quando abaixo do nível
26
Revisão de Literatura
REIS JUNIOR. José Cláudio Ferreira
erreira dos. Análise hidroenergética
hidroenergética da rotina operacional de sistema de bombeamento utilizado
em abastecimento publico de água
do terreno), semi enterrado (quando
(quando parcialmente abaixo do nível do terreno), e
apoiado (quando acima do nível
ní
do terreno).
3.1.2 Conjunto Motor e Bomba (CMB)
Os conjuntos motor e bomba utilizados no bombeamento de água, são
responsáveis por transformar a energia elétrica em energia mecânica nos motores e
em seguida, transformam a energia mecânica em energia hidráulica nas bombas,
possibilitando o deslocamento da
da água entre os níveis necessários. Na Figura 4 é
mostrado um exemplo de conjunto motor e bomba.
Figura 4 – Conjunto motor e bomba.
Fonte: KSB Bombas Hidráulicas S.A. (2011).
O trabalho realizado pelas bombas pode ser oriundo de diversas fontes,
porém, devido a sua eficiência, larga faixa de potência e praticidade o motor elétrico
predomina em estações de bombeamento de fluidos. Vale ressaltar que o termo
bomba, utilizado é referente ao deslocamento do fluido água, haja vista que,
que de
acordo como fluido os equipamento
equipament recebem denominações diferentes (GOMES,
2009a).
Ass bombas podem ser divididas em dois grandes grupos as Bombas
volumétricas que possuem uma ou mais câmaras, cujo interior o movimento de um
dispositivo propulsor comunica energia de pressão ao líquido, provocando
pro
o seu
escoamento e as Bombas
ombas Dinâmicas ou Turbobombas são caracterizadas por
possuírem um órgão rotatório dotado de pás (rotor) que, devido a sua aceleração,
exerce forças sobre o líquido.
27
Revisão de Literatura
REIS JUNIOR. José Cláudio Ferreira
erreira dos. Análise hidroenergética
hidroenergética da rotina operacional de sistema de bombeamento utilizado
em abastecimento publico de água
Em Sistemas de Abastecimento de Água é comum a utilização
u
de
bombas centrífugas, na Figura 5 são mostrados os principais componentes de uma
bomba.
Figura 5 – Componentes de uma bomba.
Fonte: Bomba imagens, 2011.
Uma maneira de controle da operação de conjuntos motor e bomba é a
automação, que dentre outras utilizações pode-se
pode
destacar:
•
o acionamento e desligamento dos
d
CMB’s,, evitando os picos de
consumo de energia elétrica;
•
a emissão de alertas em casos de pane no sistema, e;
•
a facilidade na operação e manutenção dos equipamentos.
3.1.3 Tubulação
ção (sucção e recalque)
Em SAA as tubulações de sucção e recalque são as responsáveis por
transportar a água entre os diversos pontos de consumo do sistema, na tubulação
de sucção, geralmente é instalada uma válvula de pé com crivo, que é utilizada para
evitar a entrada de materiais sólidos na tubulação e consequentemente na bomba
(ver Figura 6), enquanto que na tubulação de recalque é comum a instalação das
seguintes peças:
28
Revisão de Literatura
REIS JUNIOR. José Cláudio Ferreira dos. Análise hidroenergética da rotina operacional de sistema de bombeamento utilizado
em abastecimento publico de água
•
Válvula de retenção para evitar o retorno de água em casos de paralisação do
bombeamento;
•
Registro de gaveta, para isolamento do CMB durante atividades de inspeção
e manutenção;
•
Redução concêntrica e excêntrica, para melhor escoamento da água
bombeada;
Figura 6 – Peças e conexões na tubulação de sucção e recalque.
Entre os componentes de uma estação elevatória, vale destacar a grande
variedade de tipos e de combinações de válvulas, algumas até combinadas com
atuador elétrico. No Quadro 1 são mostrados os dois principais tipos utilizados no
bombeamento de água.
29
Revisão de Literatura
REIS JUNIOR. José Cláudio Ferreira dos. Análise hidroenergética da rotina operacional de sistema de bombeamento utilizado
em abastecimento publico de água
Quadro 1 – Válvulas utilizadas em Sistemas de Abastecimento de Água.
Tipo
Ilustração
Utilização
Muito utilizada para o bloqueio e liberação de fluxo, tendo com
principais vantagens, baixa perda de carga quando totalmente
Gaveta
abertas, custo reduzido quando comparado a outras válvulas, e
como desvantagem pode-se citar a dificuldade de manutenção.
Retenção
Normalmente utilizada para evitar a volta de fluxo em tubulações
Utilizada
Fonte: NEI.com.b; TUBOVAL (2011); Gomes (2009a).
Ramos; Covas; Araújo (2011) comentam a utilização de válvulas como a
principal alternativa para o controle de pressão em SAA, chamadas de Válvulas
Redutoras de Pressão, ou simplesmente, VRP que são utilizadas nos sistemas
hidráulicos como forma de uniformização e controle das pressões, dando origem a
uma perda de carga localizada, mediante a dissipação de energia hidráulica, através
do abaixamento dos valores de pressão a jusante.
3.2 PROJETO DE ESTAÇÃO ELEVATÓRIA DE ÁGUA
As Normas Brasileiras Regulamentadoras (NBR’s), que fixam as
condições exigíveis para estudos de concepção de sistemas públicos de
abastecimento de água, e as condições exigíveis para estudos de concepção de
sistemas públicos de abastecimento de água utilizadas no dimensionamento de
Estação Elevatória de Água, são descritas a seguir:
•
NBR 12211/1992 –“Estudos de concepção de sistemas públicos de
abastecimento de água”;
•
NBR 12214/1992 –“Projeto de sistema de bombeamento de água para
abastecimento público”;
30
Revisão de Literatura
REIS JUNIOR. José Cláudio Ferreira dos. Análise hidroenergética da rotina operacional de sistema de bombeamento utilizado
em abastecimento publico de água
•
NBR 12212/1992 –“Projeto de poço para captação de água subterrânea”;
•
NBR 12213/1992 –“Projeto de captação de água de superfície para
abastecimento publico”.
No estudo de concepção de projetos de estações elevatórias, é de
fundamental importância que sejam considerados fatores como topografia,
estabilidade do terreno quanto à erosão, enxurradas, disponibilidade de energia
elétrica, área disponível para instalações futuras, entre outros fatores, que podem
variar em função das condições técnicas e econômicas de cada projeto.
Na elaboração de projetos de Estação Elevatória de Água (EEAT), são
determinados alguns parâmetros hidráulicos e parâmetros elétricos.
Os parâmetros hidráulicos, utilizados para no dimensionamento das
unidades de uma estação elevatória, são basicamente a vazão, perdas de carga,
altura manométrica, e, por conseguinte as curvas características de desempenho do
sistema.
Os parâmetros elétricos são indicadores que expressam como a energia
elétrica está sendo utilizada. Esses números podem ser primitivos ou relacionados
com outras variáveis, devendo ser calculados a partir de algumas fórmulas. Entre os
principais parâmetros elétricos utilizados no dimensionamento de uma Estação
Elevatória de Água, estão a Potência e o Rendimento do conjunto motor e bomba
(GOMES, 2009).
3.2.1 Vazão
Para que o dimensionamento de um sistema de bombeamento de água
ocorra de forma eficiente, é necessário que se tenha conhecimento da quantidade
de água que entra e sai do sistema, ou seja, a vazão de adução e de bombeamento
para reservatórios e rede de distribuição.
31
Revisão de Literatura
REIS JUNIOR. José Cláudio Ferreira dos. Análise hidroenergética da rotina operacional de sistema de bombeamento utilizado
em abastecimento publico de água
A vazão de bombeamento é determinada a partir da concepção básica do
sistema de abastecimento de água, conforme recomendado na NBR 12211/1992,
que fixa as etapas de implantação das obras e do regime de operação previsto para
as elevatórias. A seguir são mostradas as fórmulas matemáticas utilizadas para o
cálculo das vazões média, do dia de maior consumo e a da hora de maior consumo.
A vazão média pode ser determinada com a utilização da equação 1.
Q =
(1)
onde:
Qd: vazão de consumo (l/s);
P: população a ser abastecida (hab);
q: consumo per capita (l/hab.dia);
h: número de horas de funcionamento da unidade (h).
No cálculo da vazão do dia de maior consumo é utilizada a equação 2.
=
(2)
onde:
K1: coeficiente do dia de maior consumo.
A vazão da hora do dia de maior consumo e calculada conforme a
equação 3.
=
(3)
onde:
K: K1 x K2 (coeficiente de retorno)
Vale ressaltar que, além da vazão à ser distribuída para a população,
deve-se considerar a vazão de bombeamento da estação elevatória, que consiste na
vazão total fornecida pelos conjuntos motor e bomba para distribuição. Na prática
para que o sistema funcione de forma eficiente é necessário que a seguinte
condição seja atendida:
Q ≥ Q
32
Revisão de Literatura
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em abastecimento publico de água
3.2.2 Tubulações (sucção e recalque) e Perdas de Carga
As tubulações de sucção, recalque e barrilete devem ser dimensionados
de modo que as condições de vazão e pressão no sistema sejam satisfatórias. Os
limites máximos de velocidade nas tubulações de sucção estabelecidos na NBR
12214/92 variam de acordo com diâmetro da estando compreendida entre 0,7m/s
para diâmetro de 50 mm e 1,5m/s para diâmetros maiores de 400mm. No recalque
este limite esta compreendido entre 0,6 e 3,0m/s.
Ainda segundo Azevedo Netto et al. (1998), a tubulação de sucção deve
ser a mais curta possível, evitando-se ao máximo peças especiais, como curvas,
cotovelos, etc. Ainda segundo os autores, devem ser sempre ascendente até atingir
a bomba e quando diversas bombas tiverem suas canalizações de sucção ligadas a
uma única tubulação (de maior diâmetro) as conexões deverão ser feitas através de
junções tipo “Y”, evitando-se o emprego de tês.
Um importante parâmetro de projeto de estações elevatórias, são as
perdas de carga que de forma geral consistem na perda de energia ao longo da
tubulação ocasionada pelo atrito do fluído com a parede da tubulação.
As perdas de carga na tubulação de sucção consiste no somatório de
todas as perdas entre os reservatórios de sucção e a boca de sucção da bomba. Na
tubulação de recalque as perdas de carga são contabilizadas desde a boca de
descarga da bomba até o ponto de descarga do líquido.
As perdas de carga podem ser entendidas analisando-se a Figura 7, onde
um líquido (no caso a água) flui de uma extremidade a outra, onde parte da energia
inicial se dissipa na forma de calor, a soma de cargas na extremidade final não se
iguala a carga total na extremidade inicial, a essa diferença de carga é o que se
pode entender como perda de carga.
33
Revisão de Literatura
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em abastecimento publico de água
Figura 7 – Linhas de carga em um sistema de elevação de água.
Fonte: Adaptado de Azevedo Neto et al.(1998).
Para Azevedo Netto et al. (1998), a resistência ao escoamento no caso de
regime laminar é inteiramente consequência da viscosidade e quando o regime do
escoamento é classificado como turbulento a resistência é o efeito combinado das
forças devidas a viscosidade e a inércia.
Na literatura técnica em engenharia, são consideradas dois tipos de
perdas de carga, sendo elas: perdas distribuídas e perdas localizadas, que
dependem de fatores como: tipo de fluido,
de escoamento, do material da
canalização, da presença de válvulas registros e acessórios.
A perda distribuída é ocasionada pelo atrito entre as partículas do líquido
com as paredes da tubulação. Existem várias expressões matemáticas que
permitem a determinação deste tipo de perdas, porém as mais utilizadas devido a
sua aplicabilidade e precisão são as fórmulas de Darcy - Weisback ou universal, e
a de Hazen Williams.
A fórmula de Darcy - Weisback é utilizada para diâmetros acima de 50
mm e é válida para fluidos incompressíveis (o volume não varia em função da
pressão), conforme mostrado na equação 5.
ℎ =
!
.
$%
" .&
(4)
34
Revisão de Literatura
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em abastecimento publico de água
onde:
hf: perda de carga distribuída (m);
f: coeficiente de atrito, função do número de Reynolds e da rugosidade relativa
(K/D);
L: comprimento da tubulação (m);
v: velocidade média(m/s);
g: aceleração da gravidade (m/s²);
D: diâmetro interno da tubulação(m).
Outra fórmula é a de Hazen-Williams, conforme mostrado a seguir:
' = 10,643 ∗ /0 ∗ 1 ,/0 ∗ 2 ∗ 345,/6 (5)
onde:
J:perda de carga distribuídaem relação ao comprimento do tubo (m/m);
Q: vazão (m³/s);
C: coeficiente de rugosidade do tubo (adimensional);
L: comprimento da tubulação (sucção e recalque) (m);
D: Diâmetro interno da tubulação (m).
O valor do coeficiente C para diferentes tipos de tubos e tempo de uso é
mostrado no Quadro 2.
Quadro 2 - Valor do coeficiente C sugerido para a fórmula de Hazen-Williams.
Tubos
Novos
Usados
(± 10 anos)
Usados
(± 20 anos)
Aço galvanizado roscado
Aço rebitado, novos
Aço soldado, comum (revestimento betuminoso)
Aço soldado com revestimento epóxico
Chumbo
Cimento-amianto
Cobre
Concreto, bom acabamento
Concreto, acabamento comum
Ferro fundido, revestimento epóxico
Ferro fundido, revestimento de argamassa de cimento
Grés cerâmico, vidrado (manilhas)
Latão
Madeira, em aduelas
Tijolos, condutos bem executados
Vidro
Plástico (PVC)
Fonte: Adaptado de Azevedo Netto et al (1998), pág. 150.
125
110
125
140
130
140
140
130
130
140
130
110
130
120
100
140
140
100
90
110
130
120
130
135
120
130
120
110
130
120
95
140
135
80
90
115
120
120
130
110
120
105
110
130
110
90
140
130
35
Revisão de Literatura
REIS JUNIOR. José Cláudio Ferreira dos. Análise hidroenergética da rotina operacional de sistema de bombeamento utilizado
em abastecimento publico de água
Quanto as perdas localizadas, estas são provocadas por peças especiais
e demais singularidades instaladas nas tubulações de sucção, recalque e barrilete,
que pode ser determinada de utilizando-se a equação mostrada a seguir:
9 = :.
$%
(6)
.&
onde:
hf: perda de carga localizada (m);
k: coeficiente;
v: velocidade média (m/s);
g: aceleração da gravidade (m/s²).
Quadro 3 - Valores aproximados de K (perdas localizadas).
PEÇA
Ampliação gradual
Bocais
Comporta aberta
Controlador de vazão
Cotovelo de 90°
Cotovelo de 45°
Crivo
Curva de 90°
Curva de 45°
Curva de 22,5°
Entrada normal em canalização
Entrada de borda
K
0,30
2,75
1,00
2,50
0,90
0,40
0,75
0,40
0,20
0,10
0,50
1,00
Existência de pequena derivação
0,03
PEÇA
Junção
Medidor Venturi
Redução gradual
Saída de canalização
Tê, passagem direta
Tê, saída de lado
Tê, saída bilateral
Válvula de ângulo aberta
Válvula de gaveta aberta
Válvula borboleta aberta
Válvula-de-pé
Válvula de retenção
Válvula de globo aberta
Velocidade
K
0,40
2,50
0,15
1,00
0,60
1,30
1,80
5,00
0,20
0,30
1,75
2,50
10,00
1,00
Fonte: Azevedo Netto et al (1998), pág. 122.
Outra maneira de determinação das perdas de carga localizadas é
conhecida como método dos comprimentos equivalentes, pois uma canalização que
possui ao longo de sua extensão diversas singularidades, equivale,sob o ponto de
vista de perda de carga, a um encanamento retilíneo de comprimento maior,sem
singularidades.
Este método consiste em adicionar à extensão da canalização retilínea,
(para efeito de cálculo) comprimentos que correspondam à mesma perda de carga
que causariam as singularidades existentes na canalização.
36
Revisão de Literatura
REIS JUNIOR. José Cláudio Ferreira dos. Análise hidroenergética da rotina operacional de sistema de bombeamento utilizado
em abastecimento publico de água
Com o passar dos anos e de muitos experimentos com o objetivo de
determinar as perdas localizadas, foram construídas tabelas que expressão
diretamente as perdas por tipo e diâmetro de conexão.
3.2.3 Altura Manométrica
Quando se considera bombeamento de água, é preciso vencer tanto a
altura geométrica (estática), quanto às perdas de carga que ocorrerão ao longo da
tubulação. A essa altura, dá-se o nome de “Altura Manométrica”, ou “Altura Total de
elevação”, que consiste na soma do desnível geométrico com as perdas de carga
total e distribuída, conforme mostrado a seguir:
9;<= = 9& + ∆92 + ∆93
(7)
sendo:
9& : Altura geométrica (m);
∆92: Perdas de cargas localizadas (m);
∆93: Perdas de Carga distribuídas (m).
No Quadro 4 são apresentadas algumas considerações de Tsutiya (2001)
quanto ao tipo de bomba relacionado com o aumento ou diminuição da altura
manométrica em sistemas de abastecimento de água.
Quadro 4 – Efeito de alterações em conjuntos elevatórios.
Tipo de bomba
Centrifuga
De Êmbolo ou
Diafragma
Redução da altura manométrica
Vazão
Força
Depende da
Aumenta
velocidade (rpm)
Nada
Fonte: Adaptado, Azevedo Netto, et al (1998).
Reduz
Aumento da altura manométrica
Vazão
Força
Depende da
Reduz
velocidade (rpm)
Nada
Aumenta
37
Revisão de Literatura
REIS JUNIOR. José Cláudio Ferreira dos. Análise hidroenergética da rotina operacional de sistema de bombeamento utilizado
em abastecimento publico de água
3.2.4 Potência Hidráulica
A potência ou potência útil da bomba pode ser entendida como a taxa de
energia consumida para transferir a água entre dois pontos, ou seja, é a relação
entre o trabalho (W) realizado e o correspondente intervalo de tempo (T).
Em sistemas de abastecimento de água, a força envolvida é o próprio
peso da água que deverá ser transferida entre os dois pontos, o qual é igual ao
produto do peso específico (γ) pelo volume (Vol), resultando na equação mostrada a
seguir:
@=
A
B
∴@=
D∗EFG∗HI
B
∴ @JK = L ∗ ∗ 9;
(8)
onde:
H : Altura Manométrica;
: Vazão de Bombeamento;
Como já foi descrito nos parâmetros hidráulicos no cálculo da altura
manométrica é considerado as perdas de carga totais nas tubulações. Dessa forma,
a potência total da bomba e do conjunto motor e bomba pode ser expresso conforme
a seguinte equação:
@JK =
D∗N∗HI
ηO ∗ηP
(9)
onde:
ηQ RηS : coeficientes de rendimento da bomba e do motor, respectivamente.
3.2.5 Conjunto Motor e Bomba (CMB)
Segundo a NBR 12214/1992, para a seleção dos conjuntos motor e
bomba, os seguintes fatores devem ser considerados: faixa de operação, decorrente
das interseções entre as curvas características do sistema e das bombas,
38
Revisão de Literatura
REIS JUNIOR. José Cláudio Ferreira
erreira dos. Análise hidroenergética
hidroenergética da rotina operacional de sistema de bombeamento utilizado
em abastecimento publico de água
consideradas as variações de vazão e dos níveis de água, ou cargas piezométricas,
de montante e de jusante, bem como o envelhecimento dos tubos.
Ainda segundo a referida norma, também devem ser considerados fatores
como: as características da água a ser recalcada, a disponibilidade de bombas no
mercado, a economia e facilidade de operação e manutenção e a padronização com
equipamentos de outras elevatórias existentes.
As seguintes condições devem ser observadas na escolha dos conjuntos
motor e bomba (NBR 12214/1992):
a) as curvas características devem ser do tipo estável,
está
para bombas
instaladas em paralelo;
b) em caso de grandes variações de vazão, pode ser utilizado sistema de
acionamento de velocidade variável;
c)) os pontos de operação das bombas, nas diversas situações possíveis,
devem estar situados na faixa adequada
adequa de rendimento (60% – 75%);
d) o NPSH disponível deve superar em 20% e no mínimo em 0,50 m o
NPSH requerido pela bomba em todos os pontos de operação.
Na Figura 8,, são apresentados os principais componentes e variáveis
envolvidos na seleção de uma bomba.
Figura 8 – Seleção de conjunto motor e bomba (CMB).
Fonte: Adaptado, Pereira (2010).
39
Revisão de Literatura
REIS JUNIOR. José Cláudio Ferreira dos. Análise hidroenergética da rotina operacional de sistema de bombeamento utilizado
em abastecimento publico de água
É recomendado que sejam previstas no mínimo duas bombas, sendo uma
de reserva, para que haja alternância no funcionamento das bombas. E que se
forem previstas três bombas iguais, cada uma deverá ter a capacidade de elevar
50% da vazão nominal do sistema. Os autores também recomendam que a
instalação dos conjuntos motor e bomba seja sempre que possível em local seco,
bem ventilado, acessível e ao abrigo de intempéries e de enxurradas, devem ser
fixados sobre fundações capazes de absorver os esforços (contínuos e transitórios)
e minimizar as vibrações geradas. Como forma de preparação para o funcionamento
dos conjuntos motor e bomba, deve-se encher a canalização de sucção com o
líquido a ser bombeado.
•
Curvas do sistema e da bomba
Uma bomba se caracteriza pelo par de valores, composto pela altura
manométrica e pela vazão a ser bombeada, que quando plotados em forma de
gráfico recebem a denominação de curva característica do sistema (ver Figura 9). A
esta curva pode-se agregar outras grandezas tais como rendimento e potência.
Quanto as curvas da bombas, estas são traçadas pelos fabricantes por meio de
ensaios que se constituem elemento fundamental para que o projetista possa
selecionar a melhor bomba que seja compatível com as necessidades de projeto(ver
Figura 10) (GOMES, 2009a).
Figura 9 – Curva característica do sistema.
40
Revisão de Literatura
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em abastecimento publico de água
Figura 10 – Gráfico de cobertura das bombas.
A curva de potência absorvida versus vazão por exemplo é obtida dos
ensaios no laboratório de hidráulica do fabricante. Representa a relação entre a
vazão bombeada e a potência necessária para tal.Aqui, vale uma observação sobre
essa potência: ela é denominada usualmente de BHP (Brake Horse Power, do
inglês) e quer dizer a potência hidráulica absorvida pela bomba é a potência que o
motor deve fornecer ao eixo da bomba.
A operação de conjuntos motor e bomba pode ocorrer em paralelo ou em
série. Considerando conjuntos de características semelhantes na operação em
paralelo, a vazão de bombeamento do sistema é igual à soma das vazões das duas
bombas, e que a altura manométrica é a mesma para ambas. Enquanto que na
operação em série a vazão de bombeamento é unitária, ou seja, igual à vazão de
uma bomba, enquanto que a altura manométrica é igual à soma das alturas
manométricas de cada bomba.
De acordo com a forma de operação (série e paralelo), pode-se obter as
um tipo de curva característica do sistema, conforme mostrado na Figura 11 e na
Figura 12. Vale ressaltar que as curvas mostradas é considerando conjuntos motor e
bombas iguais.
41
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Figura 11 – Curva do sistema para operação de conjuntos motor e
bomba em paralelo.
Fonte: Adaptado, Gomes (2009a).
Figura 12 – Curva do sistema para operação de conjuntos motor e
bomba em série.
Fonte: Adaptado, Gomes (2009a).
3.2.6 Rendimento
O rendimento de qualquer máquina pode ser definido como sendo o
quociente da energia por ela produzida pela energia por ela fornecida (“energia
ganha/energia paga”). No caso do rendimento de uma bomba, pode ser determinado
de acordo com a equação a seguir:
42
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TUV
ηQ =
IWX
(10)
onde:
@JK : Potência hidráulica;
@;FY : Potência motriz.
O rendimento do motor pode ser determinado utilizando a equação
mostrada a seguir:
ηS =
IWX
(11)
onde:
P : Potência motriz (“energia ganha”);
P: Potência elétrica (“energia paga”).
O rendimento global de um conjunto motor e bomba é o produto entre os
rendimentos da bomba e do motor, conforme mostrado a seguir:
η[SQ = ηQ ∗ ηS
(12)
Logo, o rendimento do conjunto poder ser expresso por:
η[SQ =
D∗N∗H
(13)
onde:
L: peso específico da água (xxx);
Q: vazão (m³/h);
H: altura manométrica (m.c.a.);
P: Potência (CV).
Os parâmetros hidráulicos e elétricos já descritos servem de base para o
projeto de dimensionamento das unidades seguintes como o poço de sucção,
tubulações de sucção e recalque, e os conjuntos motor e bomba.
43
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3.2.7 Poço de sucção
No dimensionamento do poço de sucção, o comprimento e a largura
devem ser compatíveis com a instalação dos conjuntos motor e bomba
selecionados, bem como com as tubulações de sucção e recalque e como seus
respectivos órgãos acessórios (NBR 12214/92). No projeto de poços de sucção é
importante que sejam observadas as seguintes condições:
•
De entrada de ar e vórtices: a entrada de ar e a formação de vórtices
em poços de sucção, geralmente são ocasionadas pelo arranjo
inadequado de peças, juntas e acessórios;
•
De dimensões de projeto: o comprimento e a largura devem ser
compatíveis com a instalação dos conjuntos motor e bomba a serem
instalados, assim como da tubulação de sucção e respectivos órgãos
acessórios, respeitando-se as folgas necessárias para a montagem,
instalações complementares e circulação de pessoal, deve haver
também completa independência das tomadas de sucção sem
interferência entre elas, observando sempre as recomendações
estipuladas pelo fabricante da bomba.
Para evitar a formação de vórtices, o poço úmido deve ter profundidade
mínima (h) de 1,5D, e valores de velocidade entre a faixa de 0,60 a 0,90m/s.
3.3 OPERAÇÃO E CONTROLE
A busca pela otimização de sistemas de bombeamento, pode ser
considerada como uma das principais ações operacionais para a redução das
perdas hidráulicas e energéticas, tendo em vista que é grande a quantidade de
variáveis envolvidas no processo (vazão, pressão, potência, entre outras) e que
estas podem ser modificadas a cada instante, o que torna mais complexo a atividade
de operar esses sistemas.
44
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Vale ressaltar que é importante que as medições desses parâmetros não
ocorram de forma isolada e mecânica, pois, de nada adianta os dados se não é
realizada a correta interpretação e análise dos mesmos.
Na medida em que um novo enfoque para o planejamento energético vai
sendo delineado, novas ferramentas de análise vão surgindo e metodologias vão
sendo aprimoradas no sentido de integrar opções de oferta, com opções da
demanda.
Cima (2006) comenta que o processo de planejamento deve contemplar
todos os diferentes aspectos relacionados com o uso da energia, dentro das
dimensões econômica, social e ambiental do desenvolvimento energético.
Segundo Moura (2010), o Sistema de Gestão Energética (SGE) oferece
uma estrutura de melhores práticas para as organizações desenvolverem objetivos
de eficiência energética, planos de intervenção, medidas e investimentos prioritários
de eficiência energética, monitorarem e documentarem resultados, e assegurar em
uma contínua e constante melhoria do desempenho da eficiência energética. Para a
implantação de um SGE, segundo United Nations Industrial Development
Organization (2009), algumas medidas são importantes:
• Um plano estratégico, que requer mensuração, gestão e documentação
para a melhoria contínua da eficiência energética;
• Uma equipe de gestores de vários departamentos internos da
organização liderados por um coordenador de energia, que responde diretamente
para a administração central e é responsável por acompanhar a implementação do
plano estratégico;
• Políticas e procedimentos para assegurar todos os aspectos da compra
de energia, uso e disposição;
• Projetos para demonstrar uma melhoria contínua na eficiência
energética;
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• A elaboração de um manual de energia: um documento que evolui com
o tempo à medida que projetos de conservação de energia e políticas são
empreendidos e documentados;
• A identificação de indicadores de desempenho chaves, únicos da
companhia, que são monitorados para medir os processos;
• Relatório periódico para a administração baseados nessas medidas.
Segundo Cunha (2009), a operação consiste basicamente em definir, em
um determinado instante, qual a melhor combinação do estado operacional das
bombas e coeficiente de abertura das válvulas, de forma a tornar o sistema mais
eficiente em termos energéticos. É importante ressaltar que sem o planejamento
estratégico, os sistemas continuarão a desperdiçar água e energia elétrica.
Ainda segundo Cunha (2009), pode ser entendido como operação de um
sistema de bombeamento como sendo uma sequência de manobras de válvulas,
bombas e equipamentos acessórios. Podendo esta operação ser realizadas de
forma manual, onde as manobras são realizadas pelos operadores dos sistemas que
na maioria das vezes possuem pouca ou nenhuma instrução adequada sobre o
funcionamento do sistema, ou de forma automatizada onde o controle é feito por
meio da utilização de eletro boias nos reservatórios, pressostatos nas elevatórias, ou
de maneira mais complexa, onde geralmente é baseado em Controladores Lógicos
Programados (PLC).
Os inversores de frequência são equipamentos eletrônicos acoplados aos
conjuntos motor e bomba, cuja função é o controle da velocidade de rotação dos
motores elétricos a corrente alternada (AC). A alteração da rotação altera as curvas
de funcionamento da bomba, assim como o ponto de operação do sistema.
46
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erreira dos. Análise hidroenergética
hidroenergética da rotina operacional de sistema de bombeamento utilizado
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3.4 PARÂMETROS DE CONTROLE OPERACIONAL
3.4.1 Vazão de bombeamento
Este parâmetro fornece informações importantes no que diz respeito a
operação do sistema, pois, por meio dele é possível determinar a vazão que esta
sendo bombeada para as unidades seguintes. No Figura 13 são mostrados os tipos
de medidores de vazão utilizados para medição em condutos fechados.
Figura 13 – Tipos de medidores de vazão em conduto fechado.
Medidores de vazão em conduto fechado
Pressão
Venturi
Bocais
Turbina
Orificios
Mono e
Multijato
Woltman
Eletrônicos
Depois
Eletroma
gnéticos
Ultrassô
nicos
Fonte: Adaptado, Programa
rograma nacional de Combate ao Desperdício de Água 2004.
Na categoria de medição por diferença de pressão, estão inseridos os
Tubos de Venturi, os bocais e as placas de orifício. Segundo Programa Nacional de
Combate ao Desperdício de Água (PNCDA,
(
2004) o primeiro
rimeiro tem sua aplicação mais
difundida para escoamento em grandes diâmetros e vazões, pois tem perda de
carga menor, enquanto que os dois últimos, são mais restritos a diâmetros e vazões
menores.
Os medidores tipo turbina, medem a vazão a partir do movimento
movim
de uma
turbina ou de um rotor, cuja a velocidade de rotação é função da vazão de
bombeamento (PNCDA 2004). Nos medidores eletrônicos a medição de vazão é
realizada a partir das propriedades do escamento, tais como a indução magnética e
a transmissão de
e ondas sonoras.
Os medidores eletromagnéticos que tem sem funcionamento baseado no
fato de que a água potável é um fluido condutor de eletricidade podendo ser
induzida
uma
corrente
eletromagnético instalado.
elétrica,
na
Figura
14
é
mostrado
um
medidor
47
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Figura 14 – Medidor eletromagnético instalado.
Fonte: Programa Nacional de Combate ao Desperdício de Água, 2004.
Os medidores ultrassônicos mais utilizados para medição de vazão, são
aqueles que tem como princípio de funcionamento o Efeito Doppler e o Tempo de
Transito. Os que operam por Efeito Doppler, possuem os eletrodos sensor e
receptor um do lado do outro, sendo que o receptor determina a velocidade média
do escoamento pela variação da frequência do sinal ultrassônico refletido nas
partículas em suspensa presentes na água, sendo mais indicado para medição em
água com elevadas ou médias concentrações de sólidos suspensos. Enquanto que
o medidor ultrassônico por Tempo de Transito é indicado para escoamento de água
limpa, ou com pequenas concentrações de sólidos em suspensão.
A
principal
vantagem
desse
tipo
de
medidor
em
relação
ao
eletromagnético é que estes não necessitam de trechos de tubos isolados para sua
instalação, podendo ser instalados na parte externa da tubulação, conforme
mostrado a na Figura 15.
Figura 15 – Medidor de vazão ultrassônico instalado.
48
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Uma das principais desvantagens deste tipo de medidor, consiste na
necessidade da perfeita calibração, pois como sua medição é baseada na
velocidade média, qualquer erro calibração pode, resultar em erros grosseiros de
medição de vazão.
3.4.2 Níveis de operação do poço úmido
De acordo com o número de conjuntos motor e bomba em funcionamento
e de reserva, é possível determinar o nível de operação do poço úmido. Na Figura
16 é mostrado a operação de dois CMB’s (sendo um de reserva), observa-se que,
quando os dois conjuntos encontram-se parados o nível é mínimo (N1) e com um
CMB em operação o nível é máximo (N2).
Figura 16 – 1 CMB em operação e 1 CMB em reserva
(1+1).
Outro arranjo operacional de conjuntos motor e bomba bastante utilizado
para o bombeamento de água para rede de distribuição é mostrado na Figura 17,
composto por três CMB’s (sendo um de reserva), quando todos os conjuntos
encontram-se parados o nível é mínimo (N1), com um CMB operando o nível é
médio (N2), e com dois CMBs em operação o nível é máximo (N3).
49
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Figura 17 – 2 CMB’s em operação e 1 CMB em reserva
(2+1).
De acordo com Pereira (2010), os volumes do poço de sucção podem ser
determinados com os níveis de água, conforme mostrado na Figura 18.
Figura 18 – Volumes de Operação do poço úmido.
Fonte: Adaptado, Pereira (2010).
•
Volume total: volume máximo que pode ser ocupado pela água,
compreendido entre o fundo do poço até o nível máximo próximo
da tubulação extravasora (ver Figura 18 a));
•
Volume útil: volume compreendido entre o nível mínimo e o nível
máximo de operação dos CMB’s (ver Figura 18 b));
50
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•
Volume efetivo: é o volume compreendido entre o fundo do poço e
o nível médio de operação dos CMB’s (ver Figura 18 c));
•
Volume de segurança: volume compreendido entre o fundo do
poço e o nível mínimo de operação (ver Figura 18 d)).
3.4.3 Período de operação
Este parâmetro é a base para a determinação de todos os demais, pois
quando analisados dissociados a ele perdem completamente o sentido. Por exemplo
pode-se citar os valores de vazão sempre devem estar associado a um período e
intervalo de tempo, seja em horas, minutos ou segundos.
3.4.4 Horários de Ponta e Fora de Ponta
Pode-se entender como horário de ponta o período em que as tarifas de
energia elétrica são mais caras em relação as demais horas, é um período de três
horas seguidas no intervalo compreendido entre as 17 e 22 horas. As
concessionárias frequentemente definem como horário de ponta o período de 17h30
até 20h30, mas isso não é uma regra geral, sendo aplicado somente para
consumidores de média e alta tensão (PNCDA, 2004).
Para a Rede Celpa, que é a concessionária responsável pelo
abastecimento com energia elétrica do estado do Pará, o horário de ponta é
compreendido entre o horário de 18:30 as 21:30h, sendo que neste intervalo o valor
cobrado é diferenciado (3 vezes o valor cobrado nos demais horários do dia).
Segundo Gomes (2009b), em muitos sistemas de abastecimento de água é possível
otimizar ou ampliar a reservação existente, permitindo que o bombeamento sejam
deslocados para fora do horário de ponta.
51
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O sistema de fornecimento de energia tem que ter capacidade de suprir o
pico de consumo neste horário, a carga média dos horários fora de ponta é
conhecida como carga base, e a carga média das horas do horário de ponta é
chamada de carga de ponta. Na Figura 19 é mostrado o desempenho típico de uma
elevatória nos horários de ponta e fora de ponta.
Figura 19 – Horário de ponta e fora de ponta
A utilização de energia elétrica por meio da redução do consumo de carga
ou paralisação nos horários de ponta, também pode ser uma alternativa de uso
racional e eficiente de energia elétrica, sem comprometer o desempenho dos
sistemas de cada uso final ou o nível de conforto proporcionado aos usuários.
Tsutiya (2001) propõe uma metodologia para o desligamento total ou
parcial dos conjuntos motor e bomba em horário de funcionamento de ponta, que
envolve as seguintes atividades:
•
Operação de reservatórios;
• Análise da evolução do consumo setorial;
•
Observação das características das bombas, formas de operação e
controle de estações elevatórias;
•
Estudo dos volumes de reservação e consumo.
Ainda segundo o autor, é necessário que as seguintes condições sejam
atendidas para a viabilização do desligamento das bombas no horário de ponta:
Condição necessária: Vp ≤ Vu
52
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onde:
Vp: volume necessário para atender a demanda no horário de ponta
Vu: volume útil do reservatório, obtido a partir dos dados de área e limites
operacionais do reservatório.
3.4.5 Pressão
O controle operacional desse parâmetro, é de fundamental importância no
que diz respeito ao gerenciamento de perdas de água causadas por vazamentos,
assim como o desperdício nas instalações hidráulicas.
Nos fluidos, só é possível aplicar forças através de superfícies, ao
contrário do que ocorre com os sólidos, nos quais se pode considerar a ação de uma
força pontual. Por isso, é conveniente estudar as forças que atuam nos líquidos a
partir do conceito de pressão,que pode ser entendida como uma força, por unidade
de superfície, aplicada perpendicularmente a essa superfície por um fluido com o
qual está em contato (GONÇALVES; JORDÃO ; JANUZZI, 2009).
@=
\
]
(16)
onde:
F: Força aplicada sobre a superfície;
S: Área da base.
A pressão total ou absoluta é dada por:
@<^_ = @<Y; + L ∗ ℎ
onde:
@<^_ : Pressão absoluta;
@<Y; : Pressão atmosférica;
L: peso específico do líquido;
: altura da coluna do líquido.
(17)
53
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Na expressão anterior, a primeira parcela do lado direito refere-se à
pressão quando a profundidade é igual a zero, isto é, na superfície livre do líquido. A
essa pressão dá-se o nome de “pressão atmosférica”. À pressão assim determinada
dá-se o nome de “pressão absoluta”.
Nos trabalhos de engenharia, principalmente no setor de saneamento, é
conveniente considerar o referencial de pressão igual à pressão atmosférica. Em
outras palavras deve-se fazê-la igual a zero. À pressão assim determinada dá-se o
nome de “pressão manométrica”ou “pressão relativa” (Pr).
@` = L ∗ ℎ
(18)
Assim, é comum encontrar a equação:
@<^_ = @<Y; + @`
(19)
O fato de a pressão atmosférica variar com a altitude não implica que se
incorre em erro quando a tomamos como referencial nos trabalhos de saneamento,
pois os sistemas de água normalmente estão restritos a uma área onde a pressão
atmosférica não varia significativamente. Além do que, como em todos os problemas
da física, o que interessa para se realizar trabalho é o diferencial de energia, e não a
energia absoluta.
O monitoramento da pressão pode proporcionar, entre outros fatores a
redução do desperdício e custos com o abastecimento de água. Segundo pesquisas
realizadas por Gonçalves; Jordão; Januzzi (2009), este controle contribui para a
diminuição da frequência d ruptura de tubulações e os consequentes danos que tem
reparos onerosos,minimizando também as interrupções de fornecimento e os
perigos causados ao publico usuário de ruas e estradas; um serviço com pressões
mais estabilizadas ao consumidor, baixando a ocorrência de danos as instalações
internas dos usuários; e a redução dos consumos relacionados com a pressão da
rede.
54
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3.4.6 Parâmetros elétricos
Para o monitoramento e controle do consumo de energia elétrica, e são
utilizado equipamentos conhecidos como Analisadores de Qualidade de Energia
(AQE), que dependendo do modelo e tipo, podem medir além do consumo, a
Energia ativa a intensidade de corrente, a Tensão, o Fator de Potência, o Fator de
carga.
Entre os parâmetros mais usuais utilizados na operação de sistemas de
bombeamento de água, pode-se destacar o Consumo Específico Normalizado de
Energia Elétrica (CEN), que é um indicador que leva em consideração as diferentes
configurações de sistema de abastecimento de água. Segundo Gonçalves; Jordão;
Januzzi (2009), a Internacional Water Association (IWA) tem adotado o CEN para
comparar o desempenho de sistemas de bombeamento.
Ainda segundo Gonçalves; Jordão; Januzzi (2009), este indicador reduz
as alturas manométricas (H) de diferentes instalações a uma altura única, de modo a
permitir a comparação do desempenho destas, sendo definido como “a quantidade
media de energia gasta para elevar 1 metro cúbico de água a 100 m de altura por
meio de instalações de bombeamento”.A determinação deste indicador pode ser
realizado utilizando a equação mostrada a seguir:
1ab =
c ∗Y
d
E∗ Ice
(20)
ff
onde:
@< : Potência consumida (KW);
t: tempo (h);
V: volume bombeado (m³);
Hman: altura manométrica
Segundo Alegre et al. (2006) o valor médio deste indicador e da ordem de
0,5 kWh.m³ para 100m de altura manométrica. Entretanto, analises sobre o emprego
desse indicador foram realizadas pelo PROSAB, e os resultados indicam que o
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mesmo não se mostrou adequado para avaliar a melhoria de eficiência de sistemas
de bombeamento.
Duarte et al.(2008) comentam que este indicador é útil para acompanhar
a evolução do desempenho de uma mesma instalação de bombeamento, embora
não seja recomendado para comparar o desempenho de instalações de
bombeamento distintas, pois não reflete o numero de horas de funcionamento dos
diferentes grupos elevatórios e nem a configuração do sistema de recalque.
Outro parâmetro elétrico que merece destaque é a energia ativa, ou seja
a energia que realmente realiza trabalho; isto é, transforma a energia elétrica em
outras formas de energia, tais como: energia luminosa (lâmpadas), energia
mecânica (motores elétricos) e energia térmica (fornos e fogões). O consumo ativo
(kWh) também aumenta com o acréscimo do número de horas trabalhadas (horas
extra).
O Fator de Potência
é um dos parâmetros operacionais que permite
determinar a quantidade de energia ativa que realmente esta sendo consumida, e
pode ser entendido como a razão entre a energia elétrica ativa e a raiz quadrada da
soma dos quadrados das energias elétricas ativa e reativa, consumidas num mesmo
período especificado (ANEEL, 2010).
Caso a instalação esteja com o fator de potência abaixo de 0,92, o que
significa que esta consumindo energia reativa além daquela permitida, serão
faturadas mais duas parcelas, referentes à energia reativa e á demanda reativa
excedente. A alternativa mais utilizada para esse tipo de correção é a instalação de
capacitores como fontes internas de energia reativa, sendo um investimento com
retorno de três a oito meses (ANEEL, 2010).
A Resolução 414 de 9 de setembro de 2010, da Agência Nacional de
Energia Elétrica – ANEEL regulamenta os critérios para fornecimento de energia
elétrica, estabelece que o fator de potência deve ser mantido acima de 0,92. Quando
o fator de potência for menor do que 0,92, a concessionária aplica multa à unidade
consumidora.
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Algumas das causas mais comuns do baixo FP são: motores operando
em vazio, isto é, máquinas que ficam ligadas sem estar trabalhando; motores e
transformadores superdimensionados; transformadores de muita potência para
atender pequenas cargas por muito tempo; grande quantidade de motores de
pequena potência; lâmpadas de descarga fluorescentes, vapor de mercúrio e vapor
de sódio sem reatores de alto teor de potência; excesso de energia capacitiva ou
excesso de capacitores na rede elétrica.
O baixo fator de potência mostra que a energia está sendo mal
aproveitada, o que como consequência, provoca problemas de ordem técnica nas
instalações, tais como: variação de tensão, que pode ocasionar a queima de
motores; maior perda de energia dentro da instalação; redução do aproveitamento
da capacidade dos transformadores e dos circuitos elétricos; aquecimento dos
condutores; e redução do aproveitamento do sistema elétrico (geração, transmissão
e distribuição).
Na Resolução 414 de 9 de setembro de 2010, da Agência Nacional de
Energia Elétrica (ANEEL), o fator de carga é conceituado como a razão da demanda
média pela demanda máxima da unidade consumidora, no mesmo intervalo de
tempo especificado.
g1 =
I
"Iái
(21)
onde:
FC: fator de carga;
Pm: energia média;
Dmáx: demanda de potência máxima.
Este parâmetro, demonstra como a potencia é solicitada ao longo do
tempo, e quanto mais próximo da unidade, mais constante tende a ser a forma de
usar a energia. Outra forma de calcular o fator de carga, segundo Programa de
Conservação de Energia Elétrica (2005a) é através do conhecimento da energia
total consumida e do tempo do período de medição, pois são informações
disponíveis na fatura mensal de consumo de energia elétrica.
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Revisão de Literatura
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j=
k=l`&J<XWXcm
(22)
HF`<_XWXcUn ∗"l;<=K<IáiUIc
Segundo o Programa de Conservação de Energia Elétrica (2005b) um
baixo fator de carga indica que houve concentração no consumo de energia elétrica
em um período curto de tempo, isto é, se a empresa ligar quase todas as máquinas,
luminárias e demais aparelhos por um pequeno intervalo de tempo, o fator de carga
será baixo. O ideal é trabalhar com a menor demanda (kW) no maior intervalo de
tempo.
Quanto mais alto for o fator de carga, menor será o preço médio. O custo
de energia elétrica decresce exponencialmente em relação ao crescimento do fator
de carga.
Também segundo Programa de Conservação de Energia Elétrica (2005b),
pode-se aumentar o fator de carga reduzindo-se a demanda e limitando-a ao mínimo
necessário, evitando a ligação simultânea de cargas de grande porte, programando
e
organizando
melhor
a
produção,
com
funcionamento
escalonado
dos
equipamentos ao longo da jornada.
Moura (2010) ressalta que o fator de carga é um importante índice que
pode ser utilizado como indicativo da racionalidade do uso da energia elétrica nos
SAA. Por exemplo, nas estações elevatórias indica o nível de utilização dos
conjuntos motor e bomba. Melhorar o fator de carga significa aumentar o número de
horas de utilização do conjunto motor e bomba o que requer, na maioria das vezes,
sua substituição.
Tsutiya (2001) classifica o fator de carga em intervalos de operação,
conforme mostrado no Quadro 5.
Quadro 5 – Classificação do fator de carga.
Classificação do fato de carga
Fator de carga
Classificação
0 – 0,35
Péssimo
0,35 – 0,55
Ruim
0,55 – 0,75
Regular
0,75 – 0,90
Bem
0,90 – 1,00
Ótimo
Fonte: Tsitiya, 2001.
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Outros dois parâmetros elétricos são a intensidade de corrente que é a
relação entre a quantidade de carga elétrica que passa por uma seção reta do
condutor e o respectivo intervalo de tempo gasto e a tensão de distribuição ou
alimentação dos sistemas de duas formas, primeiro tensão primária de distribuição
como sendo aquela disponibilizada com valores padronizados iguais ou superiores a
2,3 kV e tensão secundária de distribuição como sendo aquela com valores
padronizados inferiores a 2,3 kv (GONÇALVES; JORDÃO; JANUZZI, 2009).
3.5 CONSUMO DE ENERGIA ELÉTRICA EM ESTAÇÃO ELEVATÓRIA DE ÁGUA
Segundo o Programa de Conservação de Energia Elétrica (PROCEL)
(2005b), a energia consumida em todo o mundo para a distribuição de água é cerca
de 7% do total do consumo mundial sendo aproximadamente igual à quantidade
total de energia utilizada conjuntamente no Japão e Taiwan.
Os sistemas de abastecimento de água das companhias de saneamento
do Brasil consumiram 9,6 TWh de eletricidade, ou seja, 2% do total da eletricidade
gerada no Brasil neste ano, que foi de 483,4 TWh. Este consumo representou uma
despesa
de
R$
1,96
bilhão,
sendo que
as
despesas com
eletricidade
corresponderam a 17,4% do total das despesas destas companhias naquele ano.
Segundo a companhia de abastecimento de água Sydney Water (2011),
para o bombeamento e tratamento de água e esgoto é necessário a utilização de
muita energia, sendo que mais de 80% da eletricidade da companhia é usada na
operação desses processos
Cada etapa do ciclo de uso da água possui uma intensidade energética
específica, ou seja, uma quantidade de energia que é consumida por unidade de
água relacionada aos processos de captação, adução, tratamento e distribuição da
água. Na Figura 20 são mostradas as unidades de um sistema de abastecimento de
água onde há consumo de energia elétrica.
59
Revisão de Literatura
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Figura 20 – Unidades consumidoras de energia elétrica em SAA.
A forma de captação de água bruta para abastecimento público é
realizada de acordo com as características do manancial a ser utilizado, podendo
ser divida em dois grandes grupos: a superficial, e a subterrânea. A primeira ocorre
na tomada de água direta em rios, lagos, açudes e nascentes, a segunda consiste
na captação de águas profundas através de poços freáticos ou artesianos, na figura
a seguir são mostradas algumas destas formas de captação.
O consumo de energia elétrica nessas unidades ou etapas do ciclo de uso
da água é determinado considerando vários fatores, estando entre os principais; a
origem da água, o volume de água a ser aduzido, a distância de adução e a
topografia da região. Estudos realizados pela Califórnia Energy Comission - CEC –
no ano de 2005, sobre a intensidade energética na captação e transporte de água
bruta na Califórnia, mostraram que o consumo de energia elétrica variou de 0 a 3,7
kWh/m³.
Tsutyia (2001) comenta que na operação de estações de tratamento de
água são utilizados bombas para lavagem dos filtros, bombas para remoção de lodo,
bombas para a recuperação de água de lavagem dos filtros, bombas para a o
recalque de água para distribuição, e que estas representam grandes consumidores
de energia elétrica.
60
Revisão de Literatura
REIS JUNIOR. José Cláudio Ferreira dos. Análise hidroenergética da rotina operacional de sistema de bombeamento utilizado
em abastecimento publico de água
Entre os principais equipamentos consumidores de energia elétrica em
uma ETA também estão os conjuntos motor e bomba, sopradores de ar,
equipamentos de injeção, controles, iluminação e, em alguns casos, dependendo do
processo de desinfecção (por luz ultravioleta e ozonização), também há consumo de
energia elétrica
Moura (2010) comenta que na etapa de tratamento de água bruta o
consumo de energia elétrica pode variar de acordo com sua a origem, o volume e
processo de tratamento. Segundo esse autor, águas subterrâneas geralmente
demandam tratamento simples, logo, o consumo de energia é menor, enquanto
águas de outras fontes como subterrâneas, salobras ou água do mar, requerem
tratamentos mais avançados, resultando em maior consumo de energia elétrica.
Segundo a Califórnia Energy Commission (2005), o consumo de energia
elétrica no tratamento de água também pode variar com o destino da água tratada,
por exemplo, usuários agrícolas e industriais requerem pouco ou nenhum
tratamento, enquanto que, os usuários comerciais e residenciais, necessitam de
água potável, sendo necessário o seu tratamento.
No que diz respeito à distribuição de água, é necessário considerar
fatores como: existência de reservatórios de distribuição (apoiado ou elevado),
topografia do terreno, este último influenciará diretamente na determinação da altura
manométrica e na pressão disponível nos trechos da rede de distribuição.
O consumo e a grande quantidade de energia elétrica desperdiçada em
sistemas de bombeamento de água vêm despertando grande interesse nos gestores
públicos e municipais de companhias de saneamento em investir em ações de
eficiência energética. Entre os fatores que colaboram para tais iniciativas, estão os
fatores financeiros, visto que nenhuma instituição, seja ela pública ou privada,
mantém-se atuante no mercado sem um bom planejamento econômico.
Tsutyia (2001) apresenta as seguintes considerações quanto à redução
do consumo de energia elétrica em estações elevatórias, mostradas no Quadro 6.
61
Revisão de Literatura
REIS JUNIOR. José Cláudio Ferreira dos. Análise hidroenergética da rotina operacional de sistema de bombeamento utilizado
em abastecimento publico de água
Quadro 6 - Alternativas para redução do custo de energia elétrica
Alternativas para redução do custo de energia elétrica
Ações administrativas
Ações Operacionais
Ajuste dos equipamentos:
Correção da classe de faturamento
- correção do fator de potência;
- alteração da tensão de alimentação.
Diminuição da potência dos equipamentos:
- melhora no rendimento dos CMB’s;
- redução de perdas de carga nas
Regularização da demanda contratada
tubulações;
- Melhora do fator de carga;
- redução do índice de perdas;
- uso racional da água.
Controle operacional:
- alteração do sistema de bombeamento
reservação;
Alteração da estrutura tarifária
- utilização de inversor de freqüência;
- alterações nos procedimentos
operacionais de ETAS’s
Automação nos sistemas de abastecimento de
Desativação das instalações sem utilização
água.
Alternativas para geração de energia elétrica:
- aproveitamento de potenciais
Conferencia de leitura da conta de energia
energéticos;
elétrica
- uso de geradores nos horários de
ponta.
Entendimentos com as companhias energéticas
Automação dos sistemas de abastecimento de
para redução de tarifas
água.
Fonte: Adaptado, Tsutyia (2001).
Na Figura 21 é mostrado de forma sintetizada, um balanço típico do
consumo e perdas de energia elétrica em um conjunto motor e bomba, pode-se
observar que no final do fluxo de 100% da energia elétrica utilizada para o
acionamento do conjunto apenas 50% é realmente utilizada.
Figura 21 – Diagrama de balanço de energia
com as perdas do sistema.
Fonte: Monachesi e Monteiro (2009).
62
Revisão de Literatura
REIS JUNIOR. José Cláudio Ferreira dos. Análise hidroenergética da rotina operacional de sistema de bombeamento utilizado
em abastecimento publico de água
Vieira Júnior et al. (2010) apresenta na Figura 22 o consumo de energia
em sistemas de bombeamento de água, os autores utilizaram inversor de frequência
como componente do sistema.
Figura 22 – Diagrama de balanço de energia com as
perdas do sistema.
Fonte: Vieira et al. (2010).
onde:
Pel: Potência fornecida pela rede de alimentação (W);
Pel2: Potência elétrica fornecida pelo inversor, (W);
PM: Potência fornecida pelo motor ao eixo da bomba, (W);
PC:Potência hidráulica, (W);
PU: Potência aproveitada pelo líquido para seu escoamento fora da própria bomba,
(W);
P: Pressão, (m);
Q – vazão, (m3/s);
ηinv - rendimento do inversor;
ηm - rendimento do motor;
ηB - rendimento da bomba;
ηO - rendimento global.
Os autores constataram que o método de controlar a vazão a partir da
utilização de inversor de frequência permite uma grande economia de energia
elétrica e Observaram que variando a velocidade do conjunto motor/bomba é
possível manter um sistema eficiente a um custo menor.
Os autores ressaltam que o aumento da vida útil da bomba, mancais e
vedações pela diminuição do desgaste mecânico - como o sistema dotado de
63
Revisão de Literatura
REIS JUNIOR. José Cláudio Ferreira dos. Análise hidroenergética da rotina operacional de sistema de bombeamento utilizado
em abastecimento publico de água
inversor atua na medida exata das necessidades operacionais, e haverá uma
preservação maior dos equipamentos e acessórios aumentando a vida útil.
3.6 CUSTO DE ENERGIA ELÉTRICA EM ESTAÇÃO ELEVATÓRIA DE ÁGUA
Cada litro de água movimentado no sistema representa um custo
significativo com energia elétrica, geralmente expresso em R$/KWh (R$/kilowatthora).
A energia elétrica utilizada no bombeamento, transporte, tratamento e
distribuição de água em sistemas de abastecimento de água, representa cerca de
60% a 80% dos custos de distribuição e tratamento de água, e além de
representarem em média, 14% do total das despesas das companhias de água
(United Nations Educational Scientific and Cultural Organization, 2009).
Tsutyia (2001) também faz algumas recomendações sobre algumas
ações operacionais para a redução docusto de energia elétrica, conforme mostrado
a seguir:
•
Redução do custo sem diminuição do consumo de energia elétrica
a) Correção do fator de potência;
b) Alteração da tensão de alimentação;
c) Melhora do fator de carga.
•
Redução do custo pela diminuição do consumo de energia elétrica
d) Diminuição da potência dos equipamentos;
e) Controle operacional;
f) Automação;
g) Alternativas para geração de energia elétrica.
No Gráfico 1 são apresentados dados fornecidos por Brasil (2010b),
referentes à utilização de energia elétrica em sistemas de abastecimento de água.
64
Revisão de Literatura
REIS JUNIOR. José Cláudio Ferreira
erreira dos. Análise hidroenergética
hidroenergética da rotina operacional de sistema de bombeamento utilizado
em abastecimento publico de água
Gráfico 1 – Participação percentual
percentual com energia elétrica no total das despesas de
exploração no ano de 2009 por prestadora de serviço.
35
31,2
30
25
%
20 17,6
15
15,9
14,2
11,5
10,3
10
22,7
21,6 21
19
17,8
16,2
14,8
15
13
12,8
9,9
14,6
12,8 13
11,6
11,9
14 12,9
9,4
7,3
5
0
Fonte:Brasil (2010b).
Pode ser observado que a participação das despesas com eletricidade
em sistemas de abastecimento de água no Brasil tem aumentado constantemente
nos últimos anos.
No ano de 2008, a CAEMA – MA, foi a que apresentou maior percentual
de participação nas despesas de energia elétrica entre todas as concessionárias
analisadas, enquanto que a COSANPA – PA apresentou redução de cerca
cer de 2%
durante os anos de 2007 a 2008.
Gráfico 2 – Custo
usto médio com energia elétrica por prestadora de serviço em 2009.
0,8
0,8
0,7
R$/Kwh
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,41
0,330,31
0,29
0,24
0,24
0,21
0,2 0,18
0,1
0
Fonte: Brasil (2010b).
0,35
0,31
0,27
0,29
0,26
0,22
0,17
0,18
0
0,3
0,27 0,28 0,26
0,23
0,23
0,2
65
Revisão de Literatura
REIS JUNIOR. José Cláudio Ferreira dos. Análise hidroenergética da rotina operacional de sistema de bombeamento utilizado
em abastecimento publico de água
No ano de 2009, a média nacional do custo com energia elétrica nos
sistemas de abastecimento de água, foi de 0,28R$/KWh, a COSANPA apresentou
aumento, passando de 0,19 R$/KWh no ano de 2008 para 0,21R$/KWh no ano de
2009 conforme mostrado no Gráfico 2.
A seguir são descritos alguns estudos de caso da influencia do consumo
e custo de energia elétrica em estações elevatórias de água nos horários de ponta e
fora de ponta, de algumas companhias estaduais.
Eleotero (2008) estudou alternativas de operação visando à redução de
custos com energia elétrica no sistema de bombeamento do sistema de
abastecimento de água uma cidade. O autor realizou um levantamento para
quantificar o consumo e a demanda de energia elétrica nos horários de ponta e fora
de ponta, cujos resultados são mostrados na Tabela 1.
Tabela 1 - Valores de consumo e demanda nos horários de ponta e fora de ponta
sem o desligamento das elevatórias.
UNIDADE
CONSUMIDORA
CMB – 01
CMB – 02
CMB – 03
CMB – 04
CMB – 06
ETA
CMB – 07
CMB – 09
CMB – 10
CMB – 11
CMB – 12
CMB – 13
TOTAL
CONSUMO
FORA DE PONTA
PONTA
(KWh)
(KWh)
34.851
7.652
4.045
765
1.823
397
6.553
714
13.235
2.405
1.932
828
91
16
32.406
5.806
18.113
3.330
7.855
1.693
752
187
1.170
206
122.827
23.972
DEMANDA
UTILIZADA
109
20
7
43
55
13
3
70
35
40
4
12
411
Fonte: Adaptado, Eleotero (2010).
Pode-se verificar na tabela acima, que o consumo de energia no horário
de ponta foi de 23.972 kWh, 16% do total, e no horário fora de ponta 122.827 kWh,
representando 84% do consumo elétrico no período.
Albuquerque et al (2004) realizaram um estudo sobre o uso racional de
energia no bombeamento de água no sistemas de abastecimento de água
de
Campina Grande-PB, que é composto por cinco estações elevatórias e uma estação
66
Revisão de Literatura
REIS JUNIOR. José Cláudio Ferreira dos. Análise hidroenergética da rotina operacional de sistema de bombeamento utilizado
em abastecimento publico de água
de tratamento de água (ETA), via programação não linear, cujo objetivo consiste em
desenvolver um método de otimização, baseado em programação não linear, que
venha a controlar a operação das bombas das estações elevatórias e de tratamento,
buscando minimizar os custos de bombeamento durante o período de 24 horas,
atendendo as restrições de vazões, capacidade máxima e mínima dos reservatórios
de distribuição, demanda, sob determinado esquema tarifário da concessionária de
energia elétrica.
Os resultados do consumo de energia elétrica na estação elevatória do
município de Boqueirão, e o consumo de energia elétrica na Estação de Tratamento
de Água e estação elevatória do município de Gravatá no ano de 2004 são
mostrados na Tabela 2 e na Tabela 3 respectivamente.
Tabela 2 - Consumo da Estação elevatória de Boqueirão.
Mês
(kwh)
Consumo
de Ponta
Consumo
Fora de
Ponta
1.062,000
996.000
1.200,000
Janeiro
60.000
Fevereiro
54.000
Março
60.000
Média
1.912,09
35.802,000
diária
Fonte: Albuquerque et al (2004).
Demanda
Contratada
Ponta
3.100
3.100
3.100
Demanda
Contratada F
P
3.500
3.500
3.500
Demanda
medida na
Ponta
1.380
2.340
1.380
Demanda
medida F
P
2.940
2.940
2.760
3.500
-
1.700
2.880
Tabela 3 - Consumo da Estação Elevatória e ETA de Gravatá.
Mês
(kwh)
Consumo
de Ponta
Janeiro
102.000
Fevereiro
96.000
Março
108.000
Média diária
3.362,64
Fonte: Albuquerque et al (2004).
Consumo
Fora de
Ponta
1.410,000
1.380,000
1.668.000
48.949,01
Demanda
Contratada
Ponta
3.800
3.800
3.800
-
Demanda
Contratada
FP
4.000
4.000
4.000
-
Demanda
medida na
Ponta
1.680
3.420
1.620
2.240
Demanda
medida
FP
3.360
3.420
3.300
3.360
O horário de ponta para a Companhia de Energia Elétrica de Boqueirão
(CELB) é das 18 horas às 20 horas, totalizando três horas corridas. Assim,
analisando os resultados das Tabela 2 e da Tabela 3, verifica-seque o consumo
diário médio foi de 5.275 KWh no horário de ponta e 84.791 KWh no horário fora de
ponta, a tarifa aplicada pela CELB no horário de ponta foi de R$ 0,11324 por KWh e
de R$ 0,07338 por KWh no horário fora de ponta. Então o custo diário médio de R$
597,34 no horário de ponta é de R$ 6221,96 no horário fora de ponta, logo o custo
total de R$6819,30 por dia.
67
Revisão de Literatura
REIS JUNIOR. José Cláudio Ferreira dos. Análise hidroenergética da rotina operacional de sistema de bombeamento utilizado
em abastecimento publico de água
Uma alternativa para a redução dos gastos com energia elétrica é a
realização do correto enquadramento tarifário do sistema de bombeamento. Com a
criação das Leis nº 8.631 de 4 de Março 1993, que dispõe sobre a fixação dos níveis
das tarifas para o Serviço Público de Energia Elétrica, e extingue o regime de
remuneração garantida, a tarifa passou a ser fixada por concessionária, conforme
características específicas de cada área de concessão e da Lei nº 8.987 de 13 de
Fevereiro de 1993 que dispõe sobre o regime de concessão e permissão da
prestação de serviços previsto no art. 175 da Constituição Federal, foi atingido o
equilíbrio econômico-financeiro às concessões de distribuição de energia elétrica.
Gomes et al (2010)
estudaram os sistemas de Prata e o Jucazinho,
ambos abastecem da cidade de Caruaru no estado de Pernambuco. Os autores
estudaram esses sistemas porque possuem concepções e problemas semelhantes.
Estes recalcam água através de estações elevatórias em cascata, com vazões e
alturas manométricas muito elevadas, o que segundo os autores acarreta altíssimos
consumos de energia elétrica.
Ainda segundo Gomes et al. (2010) o valor médio faturado das tarifas de
energia elétrica (consumo mais demanda) das três elevatórias,nos meses de julho e
agosto de 2008, foi de R$ 634.962,44 com um valor médio mensal de multas de R$
294,85. Neste período, o consumo médio mensal de energia elétrica das três
elevatórias foi superior a 2 milhões de kWh, sendo 1.995.792 kWh no horário fora de
ponta e 122.870 kWh no horário de ponta.
Após a análise do funcionamento operacional de ambos os sistemas os
autores verificaram que a medida mais eficaz para a diminuição dos custos com
energia elétrica é a paralisação total dos bombeamentos no horário ponta (das 17:30
h às 20:30 h), pois a tarifa de energia neste horário é 7,5 vezes o valor da tarifa no
horário fora de ponta.
68
Revisão de Literatura
REIS JUNIOR. José Cláudio Ferreira dos. Análise hidroenergética da rotina operacional de sistema de bombeamento utilizado
em abastecimento publico de água
3.7 TARIFAS EM ENERGIA ELÉTRICA
As tarifas de energia refletem peculiaridades de cada região, como
número de consumidores, quilômetros e rede e tamanho do mercado (quantidade de
energia atendida por uma determinada infraestrutura), custo da energia comprada,
tributos estaduais e outros.
Segundo a resolução Normativa 414/2010 da Agência Nacional de
Energia elétrica (ANEEL) pode-se conceituar tarifa em energia elétrica como sendo
o valor monetário fixado em reais por unidade de energia elétrica ativa ou da
demanda de potência ativa. O sistema tarifário é dividido e dois grandes grupos,
conforme mostrado a a seguir:
•
Grupo A: grupamento composto de unidades consumidoras com
fornecimento em tensão igual ou superior a 2,3 kV, ou atendidas a partir
de
sistema
subterrâneo
de
distribuição
em
tensão
secundária,
caracterizado pela tarifa binômia e subdividido nos seguintes subgrupos:
a) subgrupo A1 – tensão de fornecimento igual ou superior a 230 kV;
b) subgrupo A2 – tensão de fornecimento de 88 kV a 138 kV;
c) subgrupo A3 – tensão de fornecimento de 69 kV;
d) subgrupo A3 a – tensão de fornecimento de 30 kV a 44 kV;
e) subgrupo A4 – tensão de fornecimento de 2,3 kV a 25 kV; e
f) subgrupo AS – tensão de fornecimento inferior a 2,3 kV, a partir de
sistema subterrâneo de distribuição.
•
Grupo B: grupamento composto de unidades consumidoras com
fornecimento em tensão inferior a 2,3 kV, caracterizado pela tarifa
monômia e subdividido nos seguintes subgrupos:
a) subgrupo B1 – residencial;
b) subgrupo B2 – rural;
c) subgrupo B3 – demais classes; e 5
d) subgrupo B4 – Iluminação Pública.
69
Revisão de Literatura
REIS JUNIOR. José Cláudio Ferreira dos. Análise hidroenergética da rotina operacional de sistema de bombeamento utilizado
em abastecimento publico de água
Quanto a modalidade tarifária, que consiste no conjunto de tarifas aplicáveis
às componentes de consumo de energia elétrica e demanda de potência ativas, temse estabelecido pela ANEEL, as seguintes modalidades:
•
Tarifa Convencional: modalidade caracterizada pela aplicação de tarifas
de
consumo
de
energia
elétrica
e
demanda
de
potência,
independentemente das horas de utilização do dia e dos períodos do ano
e;
•
Tarifa Horossazonal: modalidade caracterizada pela aplicação de tarifas
diferenciadas de consumo de energia elétrica e de demanda de potência,
de acordo com os postos horários, horas de utilização do dia, e os
períodos do ano.
3.8 SIMULAÇÃO HIDRÁULICA
Nas últimas décadas, os modelos de computador para sistemas de
distribuição de água têm sido notavelmente desenvolvidos (SARZEDAS, 2009),
sendo alguns usados para diminuir grande parte dos problemas ocorrentes em redes
de abastecimento de água.
O nível de confiabilidade alcançado pela modelagem hidráulica fez dela
uma valiosa ferramenta para execução e pesquisa destes sistemas.
O conhecimento da modelagem de sistemas de distribuição de água por
computador foi desenvolvido a partir do método numérico desenvolvido por
Hardy Cross nos anos 30 para análises de redes de água em anéis. O
primeiro programa de computador para a análise de sistemas de
distribuição de água apareceu na década de 60 e foi baseado nesse
método. Entretanto, brevemente eles foram substituídos por software que
utilizava o método de Newton-Raphson para solução de equações não
lineares de vazões na tubulação. Nos anos 70, Algoritmos de solução mais
poderosos foram descobertos e foram desenvolvidas técnicas para modelar
bombas e válvulas, além de ser feita a extensão de análise de período
estático para período estendido. Na década de 80 os modelos hidráulicos
70
Revisão de Literatura
REIS JUNIOR. José Cláudio Ferreira dos. Análise hidroenergética da rotina operacional de sistema de bombeamento utilizado
em abastecimento publico de água
começaram a ser usados em computadores pessoais. Também a análise da
qualidade da água na rede foi acrescentada (SARZEDAS, 2009).
O EPANET foi um modelo desenvolvido pelo National Risk Management
Research Laboratory, um dos laboratórios da U.S. Environmental Protection Agency
(EPA), e constitui a unidade principal para a pesquisa de técnicas e metodologias de
gestão que permite reduzir os riscos para a saúde humana e o ambiente (GOME,
2009c).
A EPA, agência estatal norte-americana criou o EPANET por ser
encarregada de conceber e implementar ações que conduzam a um balanço entre
as atividades humanas e a capacidade dos sistemas naturais de suportar e garantir
níveis ambientais aceitáveis no país LENHS-UFPB (2007).
O grande objetivo da EPA com a criação do EPANET era desenvolver e
aplicar tecnologias ambientais inovadoras e economicamente viáveis; desenvolver
informações científicas de engenharia; fornecer suporte técnico e propiciar a
transferência de informação que assegurasse a implementação eficaz de decisões e
regulamentações ambientais.
O EPANET é um programa de computador que permite executar
simulações estáticas e dinâmicas do comportamento hidráulico e de qualidade da
água em redes de distribuição pressurizada.
O software permite obter os valores de vazão, pressão, altura de água em
cada reservatório de nível variável e de concentração de espécies químicas na rede
durante o período de simulação, subdividido em múltiplos intervalos de cálculo. Além
de espécies químicas, o modelo pode simular a idade da água e o rastreio da origem
de água em qualquer ponto da rede. Desta forma, ajuda a compreender melhor os
movimentos e transformações que a água destinada ao consumo humano está
sujeita através dos sistemas de distribuição, permitindo simular o comportamento
hidráulico e de qualidade da água de um sistema de distribuição sujeito a diversas
condições operacionais, durante um determinado período de funcionamento.
O EPANET pode ajudar a analisar estratégias e alternativas de gestão, de
modo a melhorar a qualidade da água do sistema, através de, por exemplo: -
71
Revisão de Literatura
REIS JUNIOR. José Cláudio Ferreira dos. Análise hidroenergética da rotina operacional de sistema de bombeamento utilizado
em abastecimento publico de água
Alterações na utilização de origens da água num sistema com múltiplas origens; Utilização de tratamento adicional, tal como a recloragem; - Seleção de tubulações
para limpeza e substituição (reabilitação).
Uma rede completamente caracterizada (ou seja, incluindo todas as
tubulações, sem simplificações) e uma modelagem hidráulica confiável constituem
pré-requisitos essenciais para a correta modelagem de qualidade da água. O
EPANET 2.0 possui um conjunto de ferramentas de cálculo para apoio a simulação
hidráulica, onde se destacam como principais características:
•
Dimensão ilimitada do número de componentes da rede analisada;
•
Cálculo da perda de carga utilizando as formulas de HazenWilliams, Darcy-Weisbach ou Chezy-Manning;
•
Consideração das perdas de carga singulares em curvas,
alargamentos, estreitamentos, etc.;
•
Modelagem de bombas de velocidade constante ou variável;
•
Cálculo da energia de bombeamento e do respectivo custo;
•
Modelagem dos principais tipos de válvulas, incluindo válvulas de
retenção, reguladoras de pressão e de vazão;
•
Modelagem de reservatórios de armazenamento de nível variável
de formas diversas, através de curvas de volume em função da
altura de água;
•
Múltiplas categorias de consumo em cada nó, com um padrão
próprio de variação no tempo;
•
Modelagem da relação entre pressão e vazão efluente de
dispositivos emissores (por exemplo, aspersores de irrigação, ou
consumos dependentes da pressão);
•
Possibilidade de basear as condições de operação do sistema em
controles simples, dependentes de uma só condição (por exemplo,
altura de água num reservatório de nível variável, tempo), ou em
controles com condições múltiplas.
Para E. Timothy Oppelt (1997), diretor do National Risck Management
Research Laboratory:
72
Revisão de Literatura
REIS JUNIOR. José Cláudio Ferreira dos. Análise hidroenergética da rotina operacional de sistema de bombeamento utilizado
em abastecimento publico de água
[...] as entidades gestoras de sistemas de abastecimento de água sentem a
necessidade de compreender melhor os movimentos e transformações que a água
destinada ao consumo humano está sujeita através dos sistemas de distribuição. O
EPANET é um modelo automatizado de simulação que ajuda a atingir este objetivo.
• Experiências de simulações hidráulicas com utilização do software Epanet 2.0.
Para o LENHS-UFPB (2007) e BARROSO (2009), O EPANET é,
indiscutivelmente, o programa de modelagem hidráulica e de qualidade de água
mais empregado no mundo, sendo encontrado em versões nos principais idiomas e
seu número de usuários aumenta exponencialmente, devido, principalmente, a
facilidade de uso, ser programa disponibilizado gratuitamente, além de ter código
fonte aberto ao público e gerar resultados satisfatórios.
O EPANET é um software modelo no processo de simulação hidráulica e,
desde então, enquanto usado como ferramenta essencial para pesquisas em
sistemas de abastecimento de água, resultou alvo de estudos e pesquisas em que
serve de referência para a criação de novos programas relacionados.
Soares, et. al. (2009) combinou o EPANET com o Método das
características (MOC) para propor um modelo hidráulico para analise de sistemas de
distribuição de água sujeitos a eventos transitórios.
Barroso (2009) aplicou o EPANET a um setor (Jardim América) de uma
complexa rede de distribuição de água na Região Metropolitana de São Paulo,
abastecida pela Companhia de Saneamento Básico do Estado de São Paulo
(SABESP) para planejar a substituição das tubulações do sistema. As Figuras 20 e
21 mostram como deve ser montado o esquema hidráulico com os elementos
disponíveis no EPANET 2.0 com um relatório dos cálculos do consumo específico e
da potência consumida, em função dos dados de entrada editados no software, de
acordo com uma determinada bomba pré-selecionada.
73
Metodologia
REIS JUNIOR. José Cláudio Ferreira dos. Análise hidroenergética da rotina operacional de sistema de bombeamento utilizado
em abastecimento publico de água
4.
METODOLOGIA
A pesquisa foi dividida em atividades teóricas, de investigação em campo
e de simulação computacional, tendo como área de estudo o Sistema de
Abastecimento de Água da Cidade Universitária Professor José da Silveira Netto, da
Universidade Federal do Pará, localizado na cidade de Belém/PA.
Esse SAA é dividido nos setores: básico, profissional, saúde e educação
física conforme mostrado na Figura 23, tendo a água bruta captada em dois poços
profundos (250m e 184m), para tratamento na Estação de Tratamento de Água (tipo
desferrização). A água tratada é armazenada em reservatório apoiado (180m³), e
então bombeada, ,para o reservatório elevado do setor profissional e para o
reservatório enterrado do setor Básico.
Figura 23 – Sistema de Abastecimento da Cidade Universitária Prof.º José da
Silveira Netto.
48°27'30"W
48°27'0"W
48°26'30"W
Legenda
Município de Belém
1°27'30"S
1°27'30"S
SISTEMA DE BOMBEAMENTO DO SETOR BÁSICO
Localização de Belém
Limites da Cidade Universitária
Limites de Bairros
Adutora
#
Reservatório
Elevatória
Esc.: 1/15.000
1°28'0"S
1°28'0"S
Fonte da base cartográfica: IBGE (2008)
Educação
Fisica
Localização da Cidade
Universitária - UFPA
Saúde
Básico
#
#
48°27'30"W
48°27'0"W
®
48°26'30"W
1°28'30"S
1°28'30"S
Profissional
74
Metodologia
REIS JUNIOR. José Cláudio Ferreira dos. Análise hidroenergética da rotina operacional de sistema de bombeamento utilizado
em abastecimento publico de água
O objeto de estudo desta pesquisa foi o Sistema de Bombeamento de
Água Tratada que abastece o Setor Básico da Universidade Federal do Pará
(UFPA), composto por duas Estações Elevatórias de Água Tratada (EEAT), sendo:
a) EEAT 1 localizada no Setor Profissional (que bombeia água do
reservatório enterrado do profissional para o reservatório enterrado do
setor básico), e;
b) EEAT 2 localizada no Setor Básico (que bombeia água do reservatório
enterrado para o reservatório elevado de distribuição de água), e de
adutoras de água tratada, conforme apresentado na Figura 24.
Figura 24 – Sistema de Bombeamento de água do setor básico.
A EEAT 1 é comporta por 2 CMB’s com operação 1+1 (sendo um
reserva), o motor utilizado para fornecer energia para a bomba pressurizar água até
o reservatório enterrado no setor básico é do Tipo Indução Trifásico, Marca WEG,
Modelo 132S, as características técnicas operacionais são descritas a seguir e
mostradas na placa de identificação do motor.
•
Potência: 10CV;
•
Frequência: 60Hz;
•
Rotação nominal por minuto: 1730rpm;
•
Corrente nominal de operação: 28/16A;
75
Metodologia
REIS JUNIOR. José Cláudio Ferreira dos. Análise hidroenergética da rotina operacional de sistema de bombeamento utilizado
em abastecimento publico de água
•
Tensão nominal de operação: 220/380V;
•
Fator de serviço: 1,15;
•
Relação corrente de partida/corrente nominal: 7.1
A bomba utilizada na EEAT 1 é de execução horizontal, de estágio único
de sucção horizontal e recalque na posição vertical para cima, Marca KSB, Modelo
Meganorm, Diâmetro nominal do flange de recalque de 80mm, e Diâmetro nominal
do rotor de 200mm e segundo o fabricante foi projetada para operar nas seguintes
condições:
•
Vazões: até 700m³/h;
•
Elevação: até 140m;
•
Temperatura: até 105ºC;
•
Rotação: até 3500 rpm.
A EEAT 2 esta localizada no setor Básico, é composta de um reservatório
enterrado com capacidade de 80m³ (que armazena água tratada recalcada do
reservatório enterrado do setor profissional) de conjunto motor e bomba de 15 CV de
potência que recalca água para um reservatório elevado também com 80m³ de
capacidade de armazenamento.
O motor utilizado na EEAT 2 é do Tipo Indução Trifásico, Marca WEG,
Modelo 132S, as características técnicas operacionais são mostradas na placa de
identificação do motor.
•
Potência: 15CV;
•
Frequência: 60Hz;
•
Rotação nominal por minuto: 1755rpm;
•
Corrente nominal de operação: 39.3/22.8/19.7A;
•
Tensão nominal de operação: 220/380/440V;
•
Fator de serviço: 1,15;
•
Fator de Potência: 0,83
76
Metodologia
REIS JUNIOR. José Cláudio Ferreira dos. Análise hidroenergética da rotina operacional de sistema de bombeamento utilizado
em abastecimento publico de água
• ETAPAS DA PESQUISA
A pesquisa foi dividida em duas etapas, sendo a Etapa 1 destinada a
realização das atividades teóricas, de monitoramento em campo e de simulação
computacional do
sistema de bombeamento
existente
para
possibilitar o
conhecimento da atual situação e em seguida na Etapa 2 foram desenvolvidas
simulações computacionais de possíveis cenários de intervenções para melhorar o
desempenho do sistema de bombeamento. Na Figura 25 são apresentadas as
etapas e fases da pesquisa.
Figura 25- Etapas e fases da pesquisa.
Também foram realizadas visitas técnicas as instalações das unidades do
sistema de bombeamento, tais como, casa de bombas, tubulações de sucção e
recalque, reservatórios, algumas informações fornecidas pelos operadores foram de
forma verbal. Porém, vale ressaltar a importância destas, para o entendimento do
funcionamento do sistema de bombeamento, tendo em vista que todos os
operadores possuem vasta experiência na operação do sistema
77
Metodologia
REIS JUNIOR. José Cláudio Ferreira dos. Análise hidroenergética da rotina operacional de sistema de bombeamento utilizado
em abastecimento publico de água
4.1 ETAPA 1 – AVALIAÇÃO DA OPERAÇÃO DAS ESTAÇÕES ELEVATÓRIAS 1
E 2 DO SISTEMA DE BOMBEAMENTO DO SETOR BÁSICO.
Esta etapa foi realizada em três fases, sendo a primeira de
monitoramento dos parâmetros hidráulicos e parâmetros elétricos, a segunda de
determinação teórica das condições de operação do sistema de bombeamento do
setor básico, a terceira de simulação computacional do atual bombeamento de água
no SAA. Também foram realizadas visitas em campo, onde foi possível coletar
dados e informações das condições físicas e operacionais do Sistema de
Bombeamento do Setor Básico.
4.1.1 Fase 1 – Determinação teórica das condições de operação do Sistema
de Bombeamento do Setor Básico.
Nesta fase foram realizadas inspeções em campo e coletados dados e
informações da prefeitura do campus da UFPA , tais como, população, desníveis de
terreno, diâmetro das tubulações, etc. com isso foi realizado o dimensionamento que
atendesse as condições de demanda de água, de acordo com as equações
relacionadas no item de revisão de literatura.
4.1.2 Fase 2 – Monitoramento dos parâmetros hidráulicos e elétricos.
Para o desenvolvimento desta fase, foram definidos os seguintes pontos
para instalação dos medidores dos parâmetros hidráulicos e elétricos :
•
Medição de vazão: tubulação de recalque de cada EEAT;
•
Medição dos parâmetros elétricos: Instalações do quadro de
comando de cada EEAT.
78
Metodologia
REIS JUNIOR. José Cláudio Ferreira
erreira dos. Análise hidroenergética
hidroenergética da rotina operacional de sistema de bombeamento utilizado
em abastecimento publico de água
O monitoramento
toramento hidráulico e elétrico da EEAT 1
e da EEAT2 foi
realizado durante um período de 5 dias consecutivos e de forma concomitante. A
seguir é mostrado o modelo de tabela de acompanhamento do
monitoramento
hidráulico e elétrico utilizada para a coleta e analise de dados de medição.
Tabela 4 – Tabela modelo utilizada no monitoramento.
HORÁRIO DE
PONTA
HORÁRIO FORA DE PONTA
EE
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
HORÁRIO FORA
DE PONTA
21
22
23
24
EEPB
EEB
a)
Monitoramento
ento do parâmetros hidráulicos
O equipamento utilizado no monitoramento de vazão bombeada foi um
medidor
edidor de Vazão Ultrassônico de correlação por Tempo de Trânsito, Modelo 210210
Series, que é constituído por sensores
sensor de fluxo (dois ultra-transdutores),
transdutores), transmissor
de fluxo e Personal Digital Assistant (PDA),
(PDA), conforme mostrado na Figura 26.
Figura 26 – Medidor de vazão ultrassônico Portátil.
As principais funcionalidades do medidor de vazão utilizado na pesquisa são:
•
Medição vazão de qualquer líquido homogêneo;
homogêneo
•
Medição sem contato físico;
•
Princípio de medição de tempo de trânsito;
•
Utilizado em diversos tipos e diâmetros de tubo;
•
Fácil processamento dos dados.
79
Metodologia
REIS JUNIOR. José Cláudio Ferreira dos. Análise hidroenergética da rotina operacional de sistema de bombeamento utilizado
em abastecimento publico de água
Vale observar que esse equipamento foi adequado para obtenção e
armazenamento de dados de vazão, os quais foram utilizados na elaboração das
curvas das variações diárias da vazão bombeada na EEAT 1 e na EEAT 2.
Figura 27 – Medidor de vazão instalado.
A instalação do medidor de vazão, seguiu todas as instruções e
recomendações do fabricante do equipamento. Os procedimentos utilizados para a
instalação e medição de vazão, são apresentados na Figura 28 e descritos logo em
seguida.
Figura 28 – Procedimentos de medição de vazão.
80
Metodologia
REIS JUNIOR. José Cláudio Ferreira dos. Análise hidroenergética da rotina operacional de sistema de bombeamento utilizado
em abastecimento publico de água
•
1º Passo: Localização do ponto de medição.
Na definição do ponto de medição foram consideradas as recomendações
descritas no manual de instruções fornecido pelo fabricante do equipamento,
conforme mostrado na Figura 29.
Figura 29 – Definição do ponto de medição de vazão.
Fonte: Sierra instruments, (2010).
Na Figura 29 pode-se observar que o ponto ideal para instalação do
equipamento é sempre a distância mínima de 10 vezes o diâmetro da tubulação a
montante e de 5 vezes a jusante da conexão seguinte.
•
2º Passo: Medição da Espessura da Tubulação.
O segundo procedimento realizado para iniciar a medição de vazão, foi à
medição da espessura da tubulação onde foi instalado o medidor, para isso foi
utilizado um medidor de espessura ultrassônico Modelo TT 100, conforme mostrado
na Figura 30
Figura 30 – Medidor de espessura ultrassônico portátil.
81
Metodologia
REIS JUNIOR. José Cláudio Ferreira dos. Análise hidroenergética da rotina operacional de sistema de bombeamento utilizado
em abastecimento publico de água
Para a calibração do medidor de espessura, foram inseridos o valor da
velocidade do som de 6.300m/s e da espessura de calibração de 4,0 mm (ver Figura
30 ). Após a calibração do equipamento, foi realizado o ajuste da velocidade do som
de acordo com o material da tubulação (ver Tabela 5), para então medir a espessura
real da tubulação onde foi instalado o medidor de vazão.
Tabela 5 – Velocidade do som de acordo com o tipo de material.
Material do Tubo
Velocidade do som (m/s)
Aço
3206
Alumínio
3048
Cimento
4190
Ferro Fundido
2460
PVC
2540
Fonte: Sierra instruments, (2010).
•
3º Passo: Configuração dos dados de medição.
O terceiro procedimento realizado, foi a configuração dos
dados de
medição, tais como, espessura e diâmetro da tubulação, método de medição, tipo do
líquido, tempo total e intervalo de medição.
A configuração dos dados foi realizada utilizando um Palm, o qual possui
comunicação via Blueooth com o aparelho que armazena os dados da medição de
vazão. O software utilizado pelo equipamento para a coleta, armazenamento e
análise dos dados é o Sierra 210 InnovaSonics, que é fornecido pelo fabricante do
equipamento.
•
4º Passo: Medição, Coleta e sistematização dos dados
A medição de vazão foi realizada durante um período de cinco dias
consecutivos para cada estação elevatória durante o mês de outubro, em intervalos
82
Metodologia
REIS JUNIOR. José Cláudio Ferreira dos. Análise hidroenergética da rotina operacional de sistema de bombeamento utilizado
em abastecimento publico de água
de 2 segundos, os dados obtidos no monitoramento foram sistematizados em forma
de tabelas e gráficos, utilizando o Software UFMDATA fornecido pelo fabricante do
próprio equipamento medidor e o Software Microsoft Excel 2010.
Com os resultados obtidos foi possível a elaboração de hidrogramas de
vazão diária, e curvas de volumes bombeado para distribuição, para então analisar o
consumo de vazão nos horários de ponta e fora de ponta ao longo período de
monitoramento, o que contribuiu para a análise do desempenho operacional das
EEAT’s.
b) Monitoramento dos parâmetros Elétricos.
O equipamento utilizado na medição dos parâmetros elétricos, tais como
intensidade de corrente elétrica, tensão, potência ativa, fator de potência e fator de
carga, foi realizada com a utilização de um Analisador de Qualidade de Energia
(AQE) portátil para medição e análise de sistemas trifásicos de energia elétrica
modelo MI 2292, multifunção, composto por painel de controle e armazenamento de
dados, por braçadeiras vermelhas, que recebem informações sobre a voltagem, por
garras azuis, que coletam informações sobre a corrente elétrica que passa pelo
sistema e por braçadeiras pretas que tem a função de ser a base neutra do
equipamento, conforme mostrados na Figura 31.
Figura 31 – Analisador de Qualidade de Energia.
83
Metodologia
REIS JUNIOR. José Cláudio Ferreira dos. Análise hidroenergética da rotina operacional de sistema de bombeamento utilizado
em abastecimento publico de água
O AQE foi instalado nas instalações do quadro de comando elétrico que
fornece energia elétrica para acionar os conjuntos motor e bomba, Na Figura 32, é
mostrado o quadro de comando antes do inicio da instalação.
Figura 32 - Quadro de comando elétrico.
Além dos itens citados, o AQE também possui alguns acessórios, tais como
Cabo RS 232, software de coleta e análise de dados, e pilhas. Os procedimentos
utilizados para o monitoramento dos parâmetros elétricos são apresentados na
Figura 33, e descritos logo em seguida.
Figura 33 – Procedimento de instalação e medição de parâmetros elétricos.
84
Metodologia
REIS JUNIOR. José Cláudio Ferreira dos. Análise hidroenergética da rotina operacional de sistema de bombeamento utilizado
em abastecimento publico de água
•
1º Passo: Interrupção da alimentação de energia elétrica do quadro de
comando dos conjuntos motor e bomba.
Como procedimento preliminar e de segurança, foi desligada a chave geral
que fornece energia elétrica ao quadro de comando dos CMB’s, para então iniciar a
instalação das partes componentes do AQE.
•
2º Passo: Acoplamento das Braçadeiras e Garras de medição.
Após o desligamento do fornecimento de energia elétrica do quadro de
comando dos CMB’s, foram acopladas as Braçadeiras vermelhas, para medir a
tensão fornecida aos conjuntos motor e bomba, em seguida foram instaladas as
Garras azuis que mediram a intensidade de corrente elétrica. E por fim, foram
acopladas as braçadeiras pretas na fase neutra com a função ser a base neutra do
equipamento, conforme mostrado na Figura 34.
Figura 34 – Acoplamento das Braçadeiras vermelhas e Garras azuis.
•
3º Passo: Configuração da medição.
Instaladas as Garras e Braçadeiras nas instalações elétricas do quadro de
comando, foi realizada a configuração dos parâmetros à serem medidos tais como;
intervalo e tempo de medição, tensão, intensidade de corrente, potências e consumo
de energia elétrica. Na Figura 35 é mostrado o painel de controle de armazenamento
de dados do medidor.
85
Metodologia
REIS JUNIOR. José Cláudio Ferreira dos. Análise hidroenergética da rotina operacional de sistema de bombeamento utilizado
em abastecimento publico de água
Figura 35 - Analisador de Qualidade de Energia.
•
4º Passo: Medição, Coleta e Sistematização dos dados
A realização da medição ocorreu durante um período de sete dias
consecutivos para cada EEAT, com intervalo de medição de um minuto. Vale
ressaltar que, este intervalo não pode ser compatibilizado com o de medição de
vazão, porque o AQE não forneceu os mesmos intervalos de medição que o medidor
de vazão.
Os dados obtidos e registrados foram sistematizados e analisados, em
forma de tabelas e gráficos com a utilização do Software Power Link do próprio
equipamento fornecido pelo fabricante, assim com, os Softwares Microsoft Excel
2010.
Para a realização desta fase, foram verificadas todas as condições e
equipamentos necessários para a instalação e medição dos parâmetros hidráulicos.
A seguir são descritos todos os procedimentos realizados para cada tipo de
instalação.
Nessa fase foi realizada a sistematização de todos os resultados obtidos
nas fases anteriores desta etapa, de modo que possibilitaram diagnosticar os
principais problemas não somente operacionais, mais também de gestão do sistema
e a elaboração de propostas de controle operacional, tendo como foco a eficiência
energética do sistema.
86
Metodologia
REIS JUNIOR. José Cláudio Ferreira dos. Análise hidroenergética da rotina operacional de sistema de bombeamento utilizado
em abastecimento publico de água
4.1.3 Fase 3 - Simulação Computacional do Sistema de Bombeamento em
operação do Setor Básico.
Para a simulação computacional do sistema de bombeamento do setor
Básico foi utilizado o software EPANET 2.0, utilizado na análise do desempenho de
sistemas hidráulicos, principalmente nos de bombeamento de água para
abastecimento público.
Essa fase foi desenvolvida considerando as atuais dimensões e
características técnicas das instalações, assim como as condições de operação do
sistema, para que a simulação representasse o mais próximo possível da real
operação. Na Figura 36 é apresentado o layout utilizado na simulação.
Figura 36 – Simulação Computacional do Sistema de Bombeamento em operação
do Setor Básico.
Verificados os dados e as condições operacionais do sistema de
bombeamento, foi então,
utilizada a metodologia
de simulação computacional
indicada pelo manual do utilizador do software EPANET 2.0, conforme o mostrada
na Figura 37.
87
Metodologia
REIS JUNIOR. José Cláudio Ferreira dos. Análise hidroenergética da rotina operacional de sistema de bombeamento utilizado
em abastecimento publico de água
Figura 37 – Metodologia utilizada na simulação hidráulica utilizando o software
EPANET 2.0.
Os resultados desta fase, foram relacionados com indicadores de
desempenho operacional do sistema de bombeamento, para possibilitar a
mensuração do consumo e dos custos com energia elétrica, no bombeamento de
cada EEAT. A seguir são apresentados os indicadores utilizados nesta fase.
a) kWh/m³: relaciona a quantidade de energia necessária para o
bombeamento de um metro cúbico de água tratada;
b) R$/kWh: relaciona o custo pelo consumo de energia elétrica, utilizado
para indicar os custos mensais de energia elétrica.
Realizada a Etapa 1 da operação das estações elevatórias 1 e 2 do
sistema de bombeamento do setor básico, foi realizada a segunda etapa que
consiste no estudo de propostas de ações de eficiência energética e hidráulica do
sistema de bombeamento do Setor Básico.
88
Metodologia
REIS JUNIOR. José Cláudio Ferreira dos. Análise hidroenergética da rotina operacional de sistema de bombeamento utilizado
em abastecimento publico de água
4.2 ETAPA 2 – PROPOSTAS DE AÇÕES DE EFICIÊNCIA ENERGÉTICA E
HIDRÁULICA DO SISTEMA DE BOMBEAMENTO DO SETOR BÁSICO
Nesta
etapa
foi
desenvolvida
em
duas
fases,
a
primeira
de
desenvolvimento de cenários de simulação computacional e a segunda de
elaboração de propostas de ações de eficiência energética e hidráulica do sistema
de bombeamento do Setor Básico.
4.2.1 Fase 1 – Desenvolvimento de cenários de simulação computacional
para o Sistema de Bombeamento do Setor Básico.
Nesta fase foram elaborados dois cenários de simulação computacional
do sistema de bombeamento de água do setor básico, com diferentes com
diferentes condições de operação conforme descrito a seguir.
•
Cenário 1: Simulação Computacional do Sistema de Bombeamento
em operação do Setor Básico, com modificação da capacidade de
bombeamento dos conjuntos motor e bomba.
No cenário 1 de simulação computacional, foram utilizadas as atuais
características hidráulicas e operacionais, que é composta por duas estações
elevatórias de água tratada, adutora de água tratada (250mm), reservatório
enterrado (80m³) e reservatório elevado (80m³) (ver Figura 38), na Figura 40 é
mostrada a tela de inicio da simulação deste cenário.
Neste cenário 1 de simulação computacional, foram utilizadas as mesmas
condições e dados de operação utilizados na Fase 3 (Simulação Computacional do
Sistema de Bombeamento em operação do Setor Básico.) da etapa 1 do item
metodologia, com modificação apenas na capacidade de bombeamento dos
conjuntos motor e bomba da EEAT 1, conforme mostrado na Figura 38.
89
Metodologia
REIS JUNIOR. José Cláudio Ferreira dos. Análise hidroenergética da rotina operacional de sistema de bombeamento utilizado
em abastecimento publico de água
Figura 38 – Cenário 1 de simulação computacional.
•
Cenário 2: Simulação Computacional do Sistema de Bombeamento
do Setor Básico, com bombeamento de água direto da EEAT 1 para
o reservatório elevado do setor básico.
No cenário 2 de simulação computacional foi modificada a concepção do
SAA sendo utilizada apenas a EEAT 1 (com maior capacidade) para bombeamento
direto de água para o reservatório elevado do setor básico, conforme mostrado na
Figura 39.
Figura 39 – Cenário 2 de simulação computacional
Neste cenário 2, além do bombeamento de água direto da EEAT 1 para o
reservatório elevado do setor básico, foram realizadas modificações no diâmetro nas
tubulações de sucção e recalque. Realizada a fase 1, foram comparados os
resultados obtidos nos dois cenários de simulação computacional.
90
Metodologia
REIS JUNIOR. José Cláudio Ferreira dos. Análise hidroenergética da rotina operacional de sistema de bombeamento utilizado
em abastecimento publico de água
4.2.2 Fase 2 – Ações para melhorar o desempenho Hidroenergético do
sistema de bombeamento do setor básico
Nessa fase foi realizada a sistematização de todos os resultados obtidos
nas fases anteriores desta etapa, de modo que possibilitaram diagnosticar os
principais problemas não somente operacionais, mais também de gestão do sistema
e a elaboração de propostas de controle operacional, tendo como foco a eficiência
energética do sistema.
Os resultados das fases teórica, de monitoramento hidráulico e elétrico e
de simulação hidráulica foram relacionados de modo que proporcionaram a
avaliação do atual sistema de bombeamento do setor básico.
Por fim, foram estudadas alternativas de controle operacional do sistema
de bombeamento do setor básico, tendo como foco ações de eficiência
hidroenergética.
91
Resultados e Discussões
REIS JUNIOR. José Cláudio Ferreira dos. Análise hidroenergética da rotina operacional de sistema de bombeamento utilizado
em abastecimento publico de água
5.
RESULTADOS E DISCUSSÕES
No que diz respeito aos resultados gerais, obtidos e observados neste
trabalho, em específico à operação do sistema de bombeamento, pôde-se observar
que, os operadores necessitam de treinamentos técnicos, que os habilitem não
somente operar o sistema mecanicamente, mas também sistematicamente, no que
diz respeito a interpretação básica das variáveis envolvidas no processo.
Também vale observar que, a baixa qualificação, o pouco ou nenhum
investimento em atividades de treinamento e capacitação técnica dos operadores
do sistema, reflete diretamente na qualidade da operação, tendo impactos diretos no
custo e consumo de água e energia elétrica.
Nesse contexto, foi possível constatar a afirmação realizada por Cunha
(2005) de que a operação manual de sistemas de bombeamento é realizada por
operadores que na maioria das vezes possuem pouca ou nenhuma instrução
adequada sobre o funcionamento do sistema. A seguir são apresentados os
resultados obtidos nas etapas e fases de desenvolvimento deste trabalho.
5.1 AVALIAÇÃO DA OPERAÇÃO DAS ESTAÇÕES ELEVATÓRIAS 1 E 2 DO
SISTEMA DE BOMBEAMENTO DO SETOR BÁSICO.
5.1.1 Determinação teórica das condições de operação do sistema de
bombeamento do Setor Básico.
Para a dimensionamento da estação elevatória, foram considerados os
seguintes dados base:
•
•
•
•
•
•
Desnível Geométrico no Recalque: 16,2m
Desnível Geométrico na Sucção: 1,5m
Desnível Geométrico total: 17,7m
Coeficiente de Rugosidade do tubo, (C): 130
Comprimento da tubulação de recalque: 1.164,7m
Comprimento da tubulação de sucção: 6,05m
92
Resultados e Discussões
REIS JUNIOR. José Cláudio Ferreira dos. Análise hidroenergética da rotina operacional de sistema de bombeamento utilizado
em abastecimento publico de água
Vale ressaltar que, para a análise teórica das condições de operação da
EEAT1 e da EEAT 2 do sistema de bombeamento do setor básico, foram utilizados
os valores médios de vazões obtidos na fase de monitoramento dos parâmetros
hidráulicos de cada elevatória, conforme mostrado no Quadro 7.
Quadro 7 – Vazão média obtida.
EEAT
Vazão média (m³/h)
EEAT 1
149
EEAT 2
104
A seguir são apresentados os resultados obtidos nos cálculos das perdas
de carga (localizada e distribuída), altura monométrica, diâmetro das tubulações
(sucção e recalque) e potência requerida pelos conjuntos motor e bomba.
Para o cálculo das perdas de carga, foi utilizado para a equação 6 do item
de revisão de literatura, no Quadro 8 são apresentados os dados de entrada para o
cálculo das perdas de carga.
Quadro 8 – base de cálculo para a determinação das perdas de carga localizadas.
EEAT
1
2
Tubulação
D (mm)
A (m²)
V (m/s²)
Sucção
250
0,049
0,844
Recalque
200
0,031
1,318
Sucção
250
0,049
0,549
Recalque
200
0,031
0,929
Os resultados de perda de carga localizadas obtidos são mostrados no
Quadro 9 e no Quadro 10.
Quadro 9 – Perda de carga localizada na EEAT 1.
Sucção
PEÇA
Curva de 90
Curva de 45
Entrada normal
Redução gradual
Válvula de gaveta aberta
Sáida de canalização
Tê, passagem direta
Válvula de pé com crivo
Válvula de retenção
K
0,4
0,2
0,5
0,15
0,2
1
0,6
1,75
2,5
TOTAL
V²/2.g
0,04
0,04
0,04
0,04
0,04
0,04
0,04
0,04
0,04
Qtd
peças
1,0
1,0
1,0
Recalque
Total
V²/2.g
Qtd
peças
0,01
0,00
0,00
0,01
0,00
0,00
0,00
0,06
0,00
0,08
0,1
0,0
0,0
0,0
0,0
0,0
0,0
0,0
0,0
9,0
8,0
1,0
0,0
2,0
1,0
1,0
0,0
1,0
Total
0,32
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,32
93
Resultados e Discussões
REIS JUNIOR. José Cláudio Ferreira dos. Análise hidroenergética da rotina operacional de sistema de bombeamento utilizado
em abastecimento publico de água
Quadro 10 – Perda de carga localizada na EEAT 2.
K
PEÇA
Curva de 90
Curva de 45
Entrada normal
Redução gradual
Registro de gaveta aberto
Registro tipo globo aberto
Sáida de canalização
Válvula de pé com crivo
Válvula de retenção
0,4
0,2
0,5
0,15
0,2
1
0,6
1,75
2,5
TOTAL
V²/2.g
Sucção
Qtd
peças
0,018
0,018
0,018
0,018
0,018
0,018
0,018
0,018
0,018
1
1
1
Recalque
Qtd
peças
Total
V²/2.g
0,007
0,000
0,000
0,018
0,000
0,000
0,000
0,018
0,000
0,043
0,044
0,044
0,044
0,044
0,044
0,044
0,044
0,044
0,044
TOTAL
4
2
1
1
1
0
1
1
Total
0,070
0,018
0,022
0,007
0,009
0,000
0,026
0,000
0,110
0,262
Os resultados dos valores de perdas de carga localizada e distribuída e
de altura manométrica são apresentados no Quadro 11.
Quadro 11 – Perda de carga total nas EEAT 1 e na EEAT 2.
EEAT
EEAT 1
EEAT 1
Perdas de carga (m)
Localizada
0,40
Distribuída
10,51
Total
10,91
Localizada
0,30
Distribuída
0,10
Total
0,41
Altura Manométrica (m)
20,51
19,46
O diâmetro e a velocidade nas tubulações de sucção e de recalque são
mostrados no Quadro 12.
Quadro 12 – Perda de carga total nas elevatórias 1 e 2.
EEAT
EEAT 1
EEAT 2
Tubulação
Diâmetro
(m)
Velocidade
(m/s)
Sucção
Recalque¹
Sucção
Recalque¹
0,250
0,200
0,250
0,200
0,84
1,32
0,59
0,93
¹Diâmetro mais econômico no recalque segundo ABNT - NBR 5626/98
Os resultados do NPSH disponível e requerido e da potência dos
conjuntos motor e bomba, são mostrados no Quadro 13.
Quadro 13 – NPSH (disponível e requerido) e potência dos CMB’s.
EEAT
EEAT 1
EEAT 2
NPSH disponível
NPSH requerido
Potência CMB (CV)
7,73
7,80
3,5
3,5
13,80
9,6
94
Resultados e Discussões
REIS JUNIOR. José Cláudio Ferreira dos. Análise hidroenergética da rotina operacional de sistema de bombeamento utilizado
em abastecimento publico de água
A síntese dos resultados obtidos nesta fase teórica, são mostrados no
Quadro 14.
Quadro 14 – Resumo das variáveis hidráulicas determinadas teoricamente.
EEAT
Vazão
EEAT 1
149
EEAT 2
104
Tubulação
Sucção
Recalque
Sucção
Recalque
Perda de
carga
Total (m)
Altura
manométrica
(m)
10,91
20,51
0,41
19,46
Diâmetro
(mm)
Velocid
ade
(m/s)
0,250
0,200
0,250
0,200
0,84
1,32
0,59
0,93
Potência
(CV)
14,0
9,0
5.1.2 Diagnóstico das condições de operação do sistema de bombeamento
do setor básico.
Nesta fase foi possível diagnosticar as condições físicas das instalações
da EEAT 1 e da EEAT 2, e observou-se que são péssimas as condições das
instalações, como por exemplo no que se refere ao a proteção das instalações de
agentes físicos como a umidade e poeira.
Na Figura 40 pode ser observado que a fiação elétrica do motor esta
exposta, a base encontra-se permanentemente molhada e oxidada devido aos
vazamentos. Também foi observado que á área que deveria estar livre para vistoria
e manutenção esta ocupada por outros tipos de materiais como, caixas, tubulações
e conexões.
Figura 40 – Instalações físicas da EEAT 1.
O controle de partida dos CMB’s da EEAT 1 é realizado com a utilização
de um soft-starter, instrumento de partida eletrônica cuja função é fazer com que o
motor parta suavemente, sem provocar os picos de corrente ou quedas de tensão na
95
Resultados e Discussões
REIS JUNIOR. José Cláudio Ferreira
erreira dos. Análise hidroenergética
hidroenergética da rotina operacional de sistema de bombeamento utilizado
em abastecimento publico de água
rede elétrica, a partida com este tipo de instrumento trabalha com a tensão elétrica
reduzida aplicada diretamente nas bobinas, mas a vantagem é que a tensão vai
sendo elevada suavemente, conforme mostrado na Figura 41.
Figura 41 – Quadro
ro de comando elétrico da EEAT 1.
SOLFTSTATER
Nas instalações da EEAT 2 foi observado que a bomba utilizada é do
mesmo tipo e modelo da bomba instalada na EEAT 1, as condições das instalações
físicas desta unidade de elevação são mostradas na Figura 42.
Figura 42 – Instalações físicas da EEAT 2.
As instalações dos CMB’s encontram-se
se deterioradas, com vazamentos,
fiação elétrica exposta, eixo de rotação sem proteção, e péssimas condições de
conservação e manutenção.
Ao contrário das boas condições físicas e operacionais observadas no
quadro de comando dos CMB’s da EEAT
E
1 (ver Figura 43),
), o quadro de comando
96
Resultados e Discussões
REIS JUNIOR. José Cláudio Ferreira dos. Análise hidroenergética da rotina operacional de sistema de bombeamento utilizado
em abastecimento publico de água
dos CMB’s da EEAT 2 não oferece condições mínimas para o bom controle e
operação.
Figura 43 – Quadro de comando elétrico dos conjuntos motor e bomba da EEAT 02.
Em relação ao quadro de comando elétrico, observa-se na Figura 43, a
necessidade de intervenções urgentes no que diz respeito a manutenção.
5.2 MONITORAMENTO DOS PARÂMETROS HIDRÁULICOS.
Os resultados obtidos das medições em campo foram sistematizados com
utilização do Software Microsoft Excel 2010, em forma de planilhas e gráficos, o que
possibilitou a análise e de acordo com a necessidade do estudo de melhorias
hidráulicas e energéticas no sistema de bombeamento do Setor Básico, conforme
apresentado a seguir:
5.2.1 Medição de vazão EEAT 1.
Os resultados dos cinco dias de monitoramento da vazão da EEAT 1, possibilitaram a
elaboração de um hidrograma de vazão horária para os cinco dias de monitoramento,
conforme observado no
Gráfico 3Gráfico 3
97
Resultados e Discussões
REIS JUNIOR. José Cláudio Ferreira dos. Análise hidroenergética da rotina operacional de sistema de bombeamento utilizado
em abastecimento publico de água
Vazão (m³/h)
Gráfico 3 – Desempenho Hidráulico da EEAT 1.
160
155
150
145
140
135
130
125
120
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23
Tempo (horas)
1º dia
2º dia
3º dia
4º dia
5º dia
Média
É possível observar no Gráfico 3, que os resultados do desempenho
hidráulico (variação de vazão horária) do quinto dia de monitorado apresentou maior
variação em relação a média observada quando comparado com os resultados dos
demais de monitoramento.
Para verificação dos dados obtidos na medição, foi realizado uma analise
estatística, utilizando a estatística descritiva para verificação das seguintes variáveis;
DP (Desvio Padrão), E (Erro Percentual), Máx (Máximo) e Mín (Mínimo), cujos
resultados são apresentados Tabela 6.
Tabela 6 – Análise estatística descritiva da medição de vazão da EEAT 1.
DIA
N
Média
(m³/h)
DP
E
(%)
Máx
(m³/h)
Mín
(m³/h)
1
2
3
4
5
TOTAL
24
24
24
24
24
120
150
153
151
150
141
149
2,0
3,0
2,0
3,0
7,0
-
0,4
0,6
0,4
0,6
1,5
-
154
156
154
155
151
154
145
148
147
145
126
142
98
Resultados e Discussões
REIS JUNIOR. José Cláudio Ferreira dos. Análise hidroenergética da rotina operacional de sistema de bombeamento utilizado
em abastecimento publico de água
Ainda em relação aos resultados de vazão mostrados na tabela anterior,
pode-se observar que a variação dos valores médio de vazão foi de 150m³/h no
primeiro dia para 141m³/h no último dia de monitoramento. O erro calculado ficou
dentro da faixa aceitável de 2%, recomendada por Gomes (2009b) variando de 0,4 a
1,5%, assim como o Desvio Padrão que apresentou baixa variação, com exceção no
último dia onde este foi elevado, o que pode ser justificado por alguma falha de
medição, porém não invalidando o resultado pois o mesmo apresentou similaridade
ao restante dos dados.
Com base nos resultados de vazão, foram determinados os valores de
volume bombeado para cada dia de monitoramento, conforme mostrado no Gráfico
4.
Volume (m³)
Gráfico 4 – Volume bombeado pela EEAT 1.
40
35
30
25
20
15
10
5
0
0
1
2
3
4
5
6
7
1º dia
8
9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23
Tempo (horas)
2º dia
3º dia
4º dia
5º dia
Média
No Gráfico 4, pode-se observar que o 1º e o 5º dia de monitoramento
apresentaram consideráveis variações de Desvio Padrão (DP) e Erro Percentual em
relação aos demais dias monitorados. A analise estatística dos resultados de volume
são apresentados na Tabela 7.
99
Resultados e Discussões
REIS JUNIOR. José Cláudio Ferreira dos. Análise hidroenergética da rotina operacional de sistema de bombeamento utilizado
em abastecimento publico de água
Tabela 7 – Análise estatística descritiva dos resultados de volume da EEAT 1.
Média
E
Máx
Mín
DIA
N
horária
DP
(%)
(m³)
(m³)
(m³)
1
24
29
7,0
1,5
37
12
2
24
30
4,0
0,9
36
24
3
24
31
4,0
0,8
36
26
4
24
29
7,0
1,4
36
14
5
24
16
4,0
0,9
24
5
TOTAL
120
27
33,8
16,2
Analisando os resultados apresentados no Gráfico 4 e na Tabela 7 observase que os resultados do quinto dia de monitoramento similarmente aos resultados da
medição de vazão foram os que mais se distanciaram dos valores médios
observados.
5.2.2 Medição de vazão EEAT 2.
Os resultados de medição de vazão obtidos para esta elevatórias foram
tratados de forma similar a anterior, cujos resultados são mostrados no Gráfico 5.
Vazão (m³)
Gráfico 5 – Desempenho Hidráulico da EEAT 2.
140
130
120
110
100
90
80
70
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23
Tempo (horas)
1º dia
2º dia
3º dia
4º dia
5º dia
Média
Para validação dos resultados apresentados foi realizado tratamento
estatístico básico, por meio da estatística descritiva, onde observa-se que o Desvio
100
Resultados e Discussões
REIS JUNIOR. José Cláudio Ferreira dos. Análise hidroenergética da rotina operacional de sistema de bombeamento utilizado
em abastecimento publico de água
Padrão (DP) e do Erro Percentual (E) apresentaram maior variação em relação a
EEAT 1, o que pode ser explicado devido a diferença de consumo entre as EEAT’s.
A análise estatística dos resultados de vazão são apresentados na Tabela 8.
Tabela 8 – Análise estatística descritiva da medição de vazão da EEAT 2.
DIA
N
Média
(m³/h)
DP
E
(%)
Máx
(m³/h)
Mín
(m³/h)
1
2
3
4
5
TOTAL
24
24
24
24
24
120
109
110
106
108
104
107
8,0
12,0
12,0
12,0
14,0
-
3,0
2,0
3,0
2,0
4,0
-
118
125
124
128
123
123
97
88
84
88
87
88
No Gráfico 6, é mostrado a variação do volume bombeado, que foi
determinado com base nos resultados de vazão apresentados anteriormente. A
análise estatística destes resultados são mostrados na Tabela 9.
Volume (m³)
Gráfico 6 – Volume bombeado pela EEAT 2.
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23
Tempo (horas)
1º dia
2º dia
3º dia
4º dia
5º dia
Média
Vale observar que no segundo dia de monitoramento (ver Gráfico 6), houve
uma maior variação dos valores observados, o que pode ser justificado por fatores
como, possível falha de operação ou a ocorrência de algum evento temporário que
demandou maior volume de água bombeado.
101
Resultados e Discussões
REIS JUNIOR. José Cláudio Ferreira dos. Análise hidroenergética da rotina operacional de sistema de bombeamento utilizado
em abastecimento publico de água
Tabela 9 – Análise estatística descritiva dos resultados de volume da EEAT 2.
DIA
N
Média
(m³/h)
DP
E
(%)
Máx
(m³/h)
Mín
(m³/h)
1
2
3
4
5
TOTAL
24
24
24
24
24
120
37
31
31
30
29
31
4,0
8,0
3,0
3,0
1,0
-
1,3
1,6
0,6
0,5
0,4
-
42
46
37
36
31
38
32
22
26
27
26
26
Na Tabela 9 pode-se observar que similarmente aos resultados do
monitoramento de vazão, os valores de volume também apresentaram considerável
variação de Desvio Padrão e Erro Percentual.
5.3 MONITORAMENTO DOS PARÂMETROS ELÉTRICOS
Os resultados obtidos foram sistematizados com utilização do Software
Microsoft Excel 2010, onde foram realizadas analises estatísticas para então avaliar
os resultados obtidos. Para melhor compreensão desses resultados, os mesmos não
foram separados por estação elevatória (como nos resultados dos parâmetros
hidráulicos), e sim agrupados e relacionados conforme descrito a seguir.
5.3.1 Tensão e Intensidade de Corrente Elétrica
Os resultados da medições elétricas de tensão e corrente da EEAT 01 e
EEAT 02, são mostrados na Tabela 10 e na Tabela 11.
Tabela 10 – Monitoramento da tensão na EEAT 1.
DIA
N
Média
(V)
DP
E
(%)
Máx
(m³/h)
Mín
(m³/h)
1
2
3
4
24
24
24
24
224
225
223
224
1,9
2,6
3,2
2,8
0,6
0,5
0,7
0,6
226
229
230
230
220
220
217
219
102
Resultados e Discussões
REIS JUNIOR. José Cláudio Ferreira dos. Análise hidroenergética da rotina operacional de sistema de bombeamento utilizado
em abastecimento publico de água
5
24
224
3,6
1,2
TOTAL 120
224
Tabela 11 – Monitoramento da tensão na EEAT 2.
229
219
228
219
DIA
N
Média
(V)
DP
E
(%)
Máx
(m³/h)
Mín
(m³/h)
1
2
3
4
5
TOTAL
24
24
24
24
24
120
225
225
224
223
224
224
1,5
3,1
2,8
2,3
3,2
-
0,2
0,9
0,5
1,2
1,0
-
226
227
229
230
230
228
221
218
216
220
222
219
Na Tabela 10 é possível observar que apenas no primeiro dia de
monitoramento, o Desvio Padrão (desvio máximo da tensão média) ficou abaixo de
2,5, Gomes (2009b) observa que a NBR 17094/98 recomenda que desequilíbrios
acima desse valor devem ser investigados junto a concessionária, pois estes
desequilíbrios podem acarretar aumento das perdas de energia no motor, assim
como entre as correntes das fases.
Na Tabela 11 observa-se que no primeiro e no quarto dia de monitoramento o
valor médio registrado foram abaixo de 2,5 e que também houve uma considerável
variação de valores de desvio padrão, indicando também desequilíbrios
no
funcionamento e operação das instalações elétricas.
Os resultados de corrente elétrica nas elevatórias são apresentados na
Tabela 12 e na Tabela 13e comentadas posteriormente.
Tabela 12 – Monitoramento da corrente elétrica na EEAT 1.
Média
E
DIA
N
DP
(A)
(%)
1
24
12
0,6
0,4
2
24
13
1,4
0,8
3
24
13
2,3
1,2
4
24
12
0,7
0,2
5
24
13
0,5
0,2
TOTAL
120
12
-
Máx
(m³/h)
13
13
13
13
13
13
Mín
(m³/h)
12
12
12
12
12
12
103
Resultados e Discussões
REIS JUNIOR. José Cláudio Ferreira dos. Análise hidroenergética da rotina operacional de sistema de bombeamento utilizado
em abastecimento publico de água
Tabela 13 – Monitoramento da intensidade de corrente elétrica na EEAT 2.
Média
E
Máx
Mín
DIA
N
DP
(A)
(%)
(m³/h)
(m³/h)
1
24
12
0,2
0,1
13
12
2
24
12
2,2
0,5
13
12
3
24
13
5,0
1,0
36
12
4
24
12
0,3
0,1
13
12
5
24
12
0,3
0,1
13
12
TOTAL
120
12
15
12
Analisando os resultados da Tabela 12 e da Tabela 13, observa-se que o
segundo e o terceiro dia apresentaram maiores variações de Desvio Padrão e Erro
Percentual, que segundo Gomes (2009b) e Moura (2010) indica problemas com o
motor, tais como vibrações excessivas, falhas na partida. Vale ressaltar que nas
visitas in loco foram observados fortes ruídos e vibrações na operação dos conjuntos
motor e bomba confirmando a observação dos autores citados anteriormente.
Gomes (2009b) comenta que a vibração excessiva é causada por falhas que
comprometem a eficiência e podem levar a quebra definitiva dos mancais e danos
físicos no rotor do motor
5.3.2 Fator de Potência e Fator de Carga
Os valores do fator de potência obtidos foram de 0,82 e 0,81 na EEAT 1 e
na EEAT 2 respectivamente, de acordo como citado no item de revisão de literatura
este parâmetro operacional permite determinar a quantidade de energia ativa que
realmente esta sendo consumida, a resolução nº 414/2010 da ANEEL, estabelece
que o fator de potência deve ser mantido acima de 0,92.
O valor observado na EEAT 1 foi de 0,82, logo pode-se concluir que esta
havendo perda excessiva de energia elétrica e que como consequências pode-se
citar o aumento do consumo e custo com energia elétrica, assim como o aumento do
104
Resultados e Discussões
REIS JUNIOR. José Cláudio Ferreira dos. Análise hidroenergética da rotina operacional de sistema de bombeamento utilizado
em abastecimento publico de água
valor da corrente nos condutores sem corresponder ao trabalho efetivamente
realizado na instalação. Já na EEAT 2, o valor do Fator de Potência obtido 0,81 está
abaixo do valor nominal.
O valor obtido para o Fator de carga foi de 0,84 para a EEAT 1 e de 0,81
para a EEAT 2. Este parâmetro demonstra como a potencia é solicitada ao longo do
tempo, e quanto mais próximo da unidade, mais constante tende a ser a forma de
usar a energia.
Conforme também citado no item de revisão de literatura um baixo fator
de carga indica que houve concentração no consumo de energia elétrica em um
período curto de tempo, o ideal é trabalhar com a menor demanda (kW) no maior
intervalo de tempo e que quanto mais alto for o fator de carga (mais próximo da
unidade), menor será o preço médio. Ressaltando que custo de energia elétrica
decresce exponencialmente em relação ao crescimento do fator de carga.
Com base em todos os resultados apresentados, foram realizadas
análises hidroenergéticas das duas estações elevatórias que compõem o sistema d
bombeamento do setor básico, conforme apresentado a seguir.
5.4 ANÁLISE HIDROENERGÉTICA DO SISTEMA DE BOMBEAMENTO DO
SETOR BÁSICO.
Os resultados do monitoramento hidráulico e elétrico na EEAT 1 e na
EEAT 2, foram sistematizados e analisados de modo que permitiram a realização de
uma análise hidroenergética das condições operacionais, conforme mostrado a
seguir.
5.4.1 Análise Hidroenergética da EEAT 1
Para a análise hidroenergética da EEAT 1, foram utilizados indicadores
de desempenho operacional, tais como o Consumo Específico de Energia Elétrica
(CE), que conforme citado na revisão de literatura representa a quantidade de
energia requerida para elevar 1m³ de água por meio de instalações de
105
Resultados e Discussões
REIS JUNIOR. José Cláudio Ferreira dos. Análise hidroenergética da rotina operacional de sistema de bombeamento utilizado
em abastecimento publico de água
bombeamento expresso em KWh/m³, o Consumo Específico de Energia Elétrica
Normalizado (CEN) (também citado no item de revisão de literatura), que mede a
quantidade média de energia gasta para elevar um 1m³ de água a 100m de altura
manométrica
por
meio
de
instalações
de
bombeamento
expresso
em
KWh/m³*(1000/Hman).
Os resultados do consumo de energia elétrica por m³ bombeado da EEAT
1 (do primeiro ao último dia de monitoramento) representado pelo indicador de
desempenho KWh/m³, foram de 0,13, 0,09, 0,11, 0,11 e 0,13 KWh/m³, conforme
mostrados na Tabela 14.
Na Tabela 15 são mostrados os resultados do custo diário com energia
elétrica nesta elevatória nos horários de ponta e fora de ponta, que estão
compreendidos entre as 18 e 20 horas do dia.
Na Tabela 16 são apresentados os resultados da análise hidroenergética
da EEAT 1. Para o cálculo do CEN foi realizado uma adaptação na metodologia
utilizada por Gomes (2009b). Foi determinado um valor padrão desse indicador que
servisse de base para o cálculo do rendimento dos conjuntos motor e bomba,
conforme segue.
Primeiramente foi determinada a potência hidráulica necessária para
bombear 1m³ de água a 100m de altura manométrica em 1 hora, considerando
rendimento do conjunto motor e bomba de 75%, o resultado obtido foi o seguinte:
Considerando que Energia (E) é igual ao produto da força (F) pelo
deslocamento (D), que o Peso (P) é igual ao produto da massa pela aceleração da
gravidade, e Potência (P) como a divisão do trabalho (T) pelo tempo t tem-se:
a = go3 ∴ pRqrsR1t³sRávwxo100t
a = txqqxsR1t³sRávwxoxjRyRzxçãrsxvzx}~sxsRo100t
a = 1000:vo9,8t/q o100t
a = 9,8o100 '
Considerando 1 hora de trabalho, tem-se:
106
Resultados e Discussões
REIS JUNIOR. José Cláudio Ferreira dos. Análise hidroenergética da rotina operacional de sistema de bombeamento utilizado
em abastecimento publico de água
@=
‚ 9,8o100
∴
ƒ 3600'/„
@ = 0,2725ˆ10 ‰ ∴ @ = 0,272Š‰
@ = 0,272Š‰ℎ
Considerando ainda rendimento do conjunto motor e bomba de 75%, a
energia elétrica necessária será:
a‹Rzv~x‹RjRqqáz~x =
0,272
∴= 0,362Š‰ℎ ∴ 1ab = 0,362Š‰ℎ/t³
0,75
107
Resultados e Discussões
REIS JUNIOR. José Cláudio Ferreira dos. Análise hidroenergética da rotina operacional de sistema de bombeamento utilizado em abastecimento publico de água
Tabela 14 – Consumo diário de energia elétrica na EEAT 1.
KWh/m³
HORÁRIO FORA DE PONTA
HORÁRIO DE PONTA
HORÁRIO FORA DE PONTA
Tempo
(h)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
0
1º dia
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
0,31
0,10
0,10
0,10
0,10
0,11
0,12
0,14
0,12
0,12
0,12
0,13
0,14
0,13
2º dia
0,10
0,14
0,19
0,12
0,10
0,10
0,08
0,07
0,06
0,06
0,07
0,07
0,07
0,06
0,06
0,07
0,07
0,09
0,09
0,09
0,08
0,08
0,08
0,08
0,09
3º DIA
0,10
0,10
0,11
0,12
0,12
0,12
0,10
0,08
0,08
0,08
0,09
0,09
0,09
0,09
0,09
0,10
0,11
0,13
0,12
0,13
0,12
0,12
0,12
0,12
0,11
4º DIA
0,11
0,12
0,12
0,11
0,11
0,10
0,09
0,09
0,09
0,09
0,09
0,22
0,09
0,09
0,09
0,08
0,09
0,11
0,12
0,10
0,10
0,10
0,11
0,12
0,11
5º DIA
0,10
0,14
0,19
0,12
0,10
0,10
0,09
0,08
0,08
0,08
0,08
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
0,13
Média
Tabela 15 – Custo diário de energia elétrica na EEAT 1.
R$/KWh
HORÁRIO FORA DE PONTA
Tempo
(h)
1
2
3
4
1º dia
-
-
-
-
2º dia
0,51
0,37
0,37
0,37
0,37
0,37
0,37
0,35
0,34
0,32
3º dia
0,41
0,41
0,41
0,41
0,41
0,41
0,41
0,41
0,41
4º dia
0,42
0,43
0,43
0,43
0,43
0,43
0,43
0,43
5º dia
0,39
0,38
0,38
0,38
0,38
0,38
0,38
0,38
5
6
7
8
9
10
11
HORÁRIO DE PONTA HORÁRIO FORA DE PONTA
TOTAL
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
0
-
-
-
-
-
-
-
5,04
5,04
0,51
0,51
0,51
0,51
29,28
0,32
0,32
0,32
0,32
0,32
0,32
0,32
3,13
3,13
3,14
0,32
0,32
0,32
0,32
22,30
0,41
0,41
0,46
0,46
0,46
0,46
0,46
0,46
4,53
4,53
4,68
0,48
0,48
0,48
0,47
31,35
0,43
0,43
0,43
0,43
0,43
0,43
0,43
0,43
0,43
4,24
4,24
4,24
0,43
0,43
0,43
0,43
29,35
0,38
0,38
0,38
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
4,19
108
Resultados e Discussões
REIS JUNIOR. José Cláudio Ferreira dos. Análise hidroenergética da rotina operacional de sistema de bombeamento utilizado em abastecimento publico de água
Tabela 16 – Análise hidroenergética da EEAT 1.
ANÁLISE HIDROENERGÉTICA DA ESTAÇÃO ELEVATÓRIA 1
Dia
1
2
3
4
5
HORÁRIO FORA DE PONTA
HORÁRIO DE PONTA
HORÁRIO FORA DE PONTA
Parâmetro
m³
KWh
CE
R$/KWh
CEN
Rend
m³
KWh
CE
R$/KWh
CEN
Rend
m³
KWh
CE
R$/KWh
CEN
Rend
m³
KWh
CE
R$/KWh
CEN
Rend
m³
KWh
CE
R$/KWh
CEN
Rend
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
0
26,71
2,67
0,10
0,37
0,45
0,61
29,02
2,93
0,10
0,41
0,45
0,60
27,02
2,99
0,11
0,42
0,49
0,55
26,73
2,75
0,10
0,39
0,46
0,59
19,40
2,67
0,14
0,37
0,61
0,44
29,63
2,93
0,10
0,41
0,44
0,62
26,02
3,06
0,12
0,43
0,52
0,52
19,40
2,68
0,14
0,38
0,62
0,44
13,81
2,67
0,19
0,37
0,86
0,31
26,78
2,93
0,11
0,41
0,49
0,56
29,04
3,06
0,11
0,43
0,47
0,58
13,81
2,68
0,19
0,38
0,87
0,31
21,94
2,67
0,12
0,37
0,54
0,50
23,65
2,93
0,12
0,41
0,55
0,49
29,08
3,06
0,11
0,43
0,47
0,58
21,94
2,68
0,12
0,38
0,55
0,50
26,67
2,67
0,10
0,37
0,45
0,61
24,27
2,93
0,12
0,41
0,54
0,50
32,02
3,06
0,10
0,43
0,43
0,64
26,67
2,68
0,10
0,38
0,45
0,61
25,78
2,63
0,10
0,37
0,46
0,60
24,87
2,93
0,12
0,41
0,53
0,52
33,10
3,05
0,09
0,43
0,41
0,66
25,78
2,68
0,10
0,38
0,46
0,59
29,70
2,52
0,08
0,35
0,38
0,72
28,60
2,93
0,10
0,41
0,46
0,59
33,05
3,05
0,09
0,43
0,41
0,66
28,64
2,68
0,09
0,38
0,42
0,65
34,28
2,40
0,07
0,34
0,31
0,87
35,07
2,93
0,08
0,41
0,37
0,73
34,06
3,05
0,09
0,43
0,40
0,68
34,37
2,68
0,08
0,38
0,35
0,78
36,36
2,28
0,06
0,32
0,28
0,97
36,01
2,93
0,08
0,41
0,36
0,75
35,01
3,05
0,09
0,43
0,39
0,70
35,53
2,68
0,08
0,38
0,34
0,81
35,65
2,25
0,06
0,32
0,28
0,96
35,99
2,93
0,08
0,41
0,36
0,75
34,04
3,05
0,09
0,43
0,40
0,68
34,63
2,68
0,08
0,38
0,35
0,79
34,04
2,25
0,07
0,32
0,30
0,92
31,03
2,93
0,09
0,41
0,42
0,64
13,84
3,05
0,22
0,43
0,98
0,28
33,04
2,68
0,08
0,38
0,36
0,75
11,84
3,63
0,31
0,51
1,37
0,20
34,38
2,25
0,07
0,32
0,29
0,93
34,75
3,25
0,09
0,46
0,42
0,65
35,38
3,05
0,09
0,43
0,38
0,71
-
35,28
3,63
0,10
0,51
0,46
0,59
34,51
2,25
0,07
0,32
0,29
0,93
34,82
3,26
0,09
0,46
0,42
0,65
35,73
3,05
0,09
0,43
0,38
0,71
-
36,61
3,63
0,10
0,51
0,44
0,61
35,35
2,25
0,06
0,32
0,28
0,95
35,96
3,26
0,09
0,46
0,40
0,67
35,54
3,05
0,09
0,43
0,38
0,71
-
36,00
3,63
0,10
0,51
0,45
0,60
35,74
2,25
0,06
0,32
0,28
0,96
36,12
3,26
0,09
0,46
0,40
0,67
36,00
3,05
0,08
0,43
0,38
0,72
-
36,01
3,63
0,10
0,51
0,45
0,60
30,30
2,25
0,07
0,32
0,33
0,82
31,20
3,26
0,10
0,46
0,47
0,58
32,56
3,05
0,09
0,43
0,42
0,65
-
32,93
3,63
0,11
0,51
0,49
0,55
30,81
2,25
0,07
0,32
0,33
0,83
30,81
3,26
0,11
0,46
0,47
0,58
29,01
3,05
0,11
4,24
0,47
0,58
-
29,03
3,63
0,12
5,04
0,56
0,49
25,76
2,26
0,09
3,13
0,39
0,69
25,86
3,26
0,13
4,53
0,56
0,48
26,52
3,05
0,12
4,24
0,51
0,53
-
26,61
3,63
0,14
5,04
0,61
0,45
26,24
2,26
0,09
3,13
0,38
0,71
26,50
3,26
0,12
4,53
0,55
0,49
30,12
3,05
0,10
4,24
0,45
0,60
-
30,18
3,63
0,12
5,04
0,54
0,51
25,67
2,26
0,09
3,14
0,39
0,69
25,62
3,37
0,13
4,68
0,59
0,46
31,08
3,05
0,10
0,43
0,44
0,62
-
31,20
3,63
0,12
0,51
0,52
0,52
28,50
2,26
0,08
0,32
0,35
0,77
28,50
3,39
0,12
0,48
0,53
0,51
31,54
3,05
0,10
0,43
0,43
0,63
-
31,22
3,63
0,12
0,51
0,52
0,52
28,06
2,26
0,08
0,32
0,36
0,76
28,06
3,39
0,12
0,48
0,54
0,50
27,57
3,05
0,11
0,43
0,49
0,55
-
27,57
3,62
0,13
0,51
0,59
0,46
27,57
2,26
0,08
0,32
0,37
0,74
28,04
3,39
0,12
0,48
0,54
0,50
25,84
3,05
0,12
0,43
0,53
0,52
-
25,84
3,62
0,14
0,51
0,63
0,43
29,11
2,26
0,08
0,32
0,35
0,78
27,07
3,35
0,12
0,47
0,55
0,49
30,38
3,05
0,10
0,90
0,47
0,61
-
Média
30,02
3,63
0,13
1,55
0,59
0,50
29,02
2,38
0,09
0,69
0,39
0,75
29,93
3,13
0,11
0,95
0,48
0,58
27,02
2,99
0,11
0,42
0,49
0,55
-
109
Resultados e Discussões
REIS JUNIOR. José Cláudio Ferreira
erreira dos. Análise hidroenergética
hidroenergética da rotina operacional de sistema de bombeamento utilizado
em abastecimento publico de água
Com os resultados da Tabela 16, determinou-se
se que os valores do custo
com energia elétrica no
o horário de ponta é em média 62%
62 do custo com energia
elétrica,, conforme mostrado no Gráfico 7.
% de custo com energia elétrica
Gráfico 7 – Custo percentual com energia elétrica na EEAT 1.
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
25%
44%
40%
41%
38%
56%
60%
59%
62%
2
3
4
75%
1
Horário de Ponta (HP)
Horário Fora de Ponta (HFP)
5
Tempo (dia)
Média HP
Foi observado em média 1 acionamento por hora de bombeamento. Vale
observar que o valor da tarifa de energia
energia elétrica cobrado para a UFPA no horário
fora de ponta é de 0,14049,
0,14049, enquanto que no Horário de Ponta esse valor passa
para 1,389200,, ou seja, um aumento de 9 (nove) vezes no valor da tarifa de energia
elétrica cobrada.
Analisando os resultados do CEN e do Rendimento dos conjuntos motor e
bomba da EEAT 1, observa-se
observa se que o CEN varia de forma inversamente proporcional
ao Rendimento, ou seja na medida que o rendimento aumenta
aumenta o CEN diminui.
Vale ressaltar que o CEN é um indicador que serve é
muito útil na
avaliação do rendimento do conjunto motor e bomba, não sendo tão eficaz na
avaliação dos processos hidráulicos envolvidos no sistema de bombeamento
O rendimento do conjunto
conjunto motor e bomba com exceção do segundo e do
quinto de monitoramento apresentaram valores médios abaixo de 60%, tanto no
horário fora de ponta como no horário de ponta, indicando a necessidade de
manutenção e/ou troca dos mesmos.
110
Resultados e Discussões
REIS JUNIOR. José Cláudio Ferreira dos. Análise hidroenergética da rotina operacional de sistema de bombeamento utilizado
em abastecimento publico de água
5.4.2 Análise Hidroenergética da EEAT 2.
Para a análise hidroenergética desta elevatória, foram utilizadas as
mesmas considerações realizadas para a EEAT 1, na Tabela 17 são mostrados os
valores do consumo de energia elétrica por m³ bombeado pela EEAT 2, que foram
de 0,17, 0,12, 0,16, 0,16 e 0,15, superiores aos obtidos no monitoramento da EEAT
1, o que pode-se justificado pelo baixos valores do fator de potência e de carga
obtidos no monitoramento desta elevatória.
Na Tabela 18 são apresentados os resultados do custo com energia
elétrica na EEAT 2, onde pode-se observar que no horário de ponta os valores
obtidos apresentaram-se bem superiores aos demais horários do dia.
111
Resultados e Discussões
REIS JUNIOR. José Cláudio Ferreira dos. Análise hidroenergética da rotina operacional de sistema de bombeamento utilizado em abastecimento publico de água
Tabela 17 – Consumo diário de energia elétrica na EEAT 2.
KWh/m³
HORÁRIO FORA DE PONTA
Tempo
(h)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
HORÁIOR DE PONTA
11
12
13
14
HORÁRIO FORA DE PONTA
15
16
17
18
19
20
21
22
23
0
Média
1º dia
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
0,15
0,14
0,14
0,15
0,16
0,15
0,15
0,18
0,18
0,26
0,17
2º dia
0,20
0,19
0,19
0,18
0,15
0,14
0,09
0,08
0,08
0,08
0,08
0,10
0,10
0,11
0,11
0,11
0,12
0,12
0,12
0,12
0,14
0,13
0,12
0,12
0,12
3º dia
0,16
0,18
0,16
0,16
0,15
0,17
0,16
0,14
0,13
0,13
0,13
0,15
0,15
0,16
0,16
0,16
0,17
0,18
0,18
0,18
0,21
0,20
0,18
0,19
0,16
4º dia
0,16
0,17
0,17
0,18
0,17
0,16
0,17
0,15
0,13
0,15
0,14
0,14
0,14
0,16
0,15
0,17
0,15
0,16
0,17
0,16
0,18
0,16
0,16
0,17
0,16
5º dia
0,17
0,16
0,16
0,15
0,15
0,15
0,15
0,15
0,14
0,14
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
0,15
Tabela 18 – Custo diário de energia elétrica na EEAT 2.
R$/KWh
Tempo
(h)
HORÁRIO FORA DE PONTA
HORÁIOR DE PONTA
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
1º dia
2º dia
0,60 0,60 0,60 0,60 0,60 0,59 0,57 0,54 0,51 0,51 0,51 0,51 0,51 0,51 0,51 0,51 0,51
3º dia
0,66 0,66 0,66 0,66 0,66 0,66 0,66 0,66 0,66 0,66 0,66 0,73 0,73 0,73 0,73 0,73 0,73
7,25
7,25
7,49
0,76
0,76
0,76
0,75
36,65
4º dia
0,67 0,69 0,69 0,69 0,69 0,69 0,69 0,69 0,69 0,69 0,69 0,69 0,69 0,69 0,69 0,69 0,69
6,78
6,78
6,78
0,69
0,69
0,69
0,69
34,74
5º dia
0,62 0,60 0,60 0,60 0,60 0,60 0,60 0,60 0,60 0,60
-
-
-
-
-
-
-
6,04
-
-
-
16
17
TOTAL
18
8,06
5,01
-
15
HORÁRIO FORA DE PONTA
0,82 0,82 0,82
-
-
-
19
8,06
5,01
20
8,06
5,02
21
22
23
0
0,82
0,81
0,81
0,81
29,90
0,51
0,51
0,51
0,51
26,33
112
Resultados e Discussões
REIS JUNIOR. José Cláudio Ferreira dos. Análise hidroenergética da rotina operacional de sistema de bombeamento utilizado em abastecimento publico de água
Tabela 19- Análise hidroenergética da EEAT 2.
ANÁLISE HIDROENERGÉTICA DA ESTAÇÃO ELEVATÓRIA 2
HORÁRIO FORA DE PONTA
Dia
1
2
3
4
5
Parâmetros
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
HORÁRIO DE PONTA
12
13
HORÁRIO FORA DE PONTA
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
0
Média
m³
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
39,15
40,11
42,28
38,97
37,39
37,49
38,99
31,66
31,75
22,65
36,04
KWh
CE
R$/KWh
CEN
Rend
m³
KWh
CE
21,73
4,27
0,20
22,88
4,27
0,19
22,68
4,27
0,19
23,59
4,27
0,18
28,60
4,27
0,15
30,98
4,21
0,14
43,58
4,03
0,09
45,26
3,84
0,08
46,26
3,65
0,08
44,13
3,60
0,08
43,56
3,61
0,08
35,17
3,61
0,10
35,15
3,61
0,10
32,87
3,61
0,11
5,80
0,15
0,82
0,66
0,41
32,83
3,61
0,11
5,80
0,14
0,82
0,65
0,42
32,13
3,60
0,11
5,80
0,14
0,82
0,61
0,44
30,74
3,61
0,12
5,80
0,15
8,06
0,67
0,41
29,80
3,61
0,12
5,80
0,16
8,06
0,69
0,39
29,50
3,61
0,12
5,80
0,15
8,06
0,69
0,39
30,04
3,61
0,12
5,80
0,15
0,82
0,66
0,41
25,98
3,61
0,14
5,80
0,18
0,81
0,82
0,33
26,86
3,61
0,13
5,80
0,18
0,81
0,82
0,33
30,17
3,61
0,12
5,80
0,26
0,81
1,14
0,24
28,93
3,61
0,12
5,80
0,17
2,99
0,74
0,38
32,23
3,80
0,12
R$/KWh
0,60
0,88
0,31
28,49
4,68
0,16
0,60
0,83
0,33
26,58
4,68
0,18
0,60
0,84
0,32
30,14
4,68
0,16
0,60
0,81
0,34
29,25
4,68
0,16
0,60
0,67
0,41
30,21
4,68
0,15
0,59
0,61
0,45
27,00
4,68
0,17
0,57
0,41
0,66
30,20
4,68
0,16
0,54
0,38
0,72
32,75
4,68
0,14
0,51
0,35
0,77
34,99
4,68
0,13
0,51
0,36
0,74
37,04
4,68
0,13
0,51
0,37
0,73
35,24
4,68
0,13
0,51
0,46
0,59
35,17
5,21
0,15
0,51
0,46
0,59
35,15
5,21
0,15
0,51
0,49
0,55
32,87
5,21
0,16
0,51
0,49
0,55
32,83
5,21
0,16
0,51
0,50
0,54
32,13
5,21
0,16
0,51
0,52
0,52
30,74
5,21
0,17
5,01
0,54
0,50
29,80
5,22
0,18
5,01
0,55
0,50
29,50
5,22
0,18
5,02
0,54
0,51
30,04
5,39
0,18
0,51
0,62
0,44
25,98
5,42
0,21
0,51
0,60
0,45
26,86
5,42
0,20
0,51
0,53
0,51
30,17
5,42
0,18
0,51
0,56
0,49
28,91
5,36
0,19
1,10
0,56
0,52
30,92
5,01
0,16
0,66
0,73
0,37
0,66
0,79
0,35
0,66
0,69
0,39
0,66
0,71
0,38
0,66
0,69
0,39
0,66
0,77
0,35
0,66
0,69
0,39
0,66
0,64
0,43
0,66
0,60
0,45
0,66
0,56
0,48
0,66
0,59
0,46
0,73
0,66
0,41
0,73
0,66
0,41
0,73
0,71
0,38
0,73
0,71
0,38
0,73
0,72
0,37
0,73
0,76
0,36
7,25
0,78
0,35
7,25
0,79
0,34
7,49
0,80
0,34
0,76
0,93
0,29
0,76
0,90
0,30
0,76
0,80
0,34
0,75
0,83
0,33
1,53
0,73
0,38
29,78
4,78
0,16
0,67
0,72
0,38
25,96
4,40
0,17
0,62
0,76
0,36
28,46
4,88
0,17
0,69
0,77
0,35
27,05
4,29
0,16
0,60
0,71
0,38
27,93
4,89
0,17
0,69
0,78
0,35
27,14
4,29
0,16
0,60
0,71
0,39
27,14
4,89
0,18
0,69
0,80
0,34
28,72
4,29
0,15
0,60
0,67
0,41
28,26
4,89
0,17
0,69
0,77
0,35
28,75
4,28
0,15
0,60
0,67
0,41
30,02
4,89
0,16
0,69
0,73
0,37
28,70
4,28
0,15
0,60
0,67
0,41
28,82
4,89
0,17
0,69
0,76
0,36
29,20
4,28
0,15
0,60
0,65
0,41
32,31
4,89
0,15
0,69
0,68
0,40
29,19
4,28
0,15
0,60
0,65
0,41
36,45
4,89
0,13
0,69
0,60
0,45
30,63
4,28
0,14
0,60
0,62
0,44
33,60
4,88
0,15
0,69
0,65
0,42
29,94
4,28
0,14
0,60
0,64
0,43
34,78
4,88
0,14
0,69
0,63
0,43
-
34,65
4,88
0,14
0,69
0,63
0,43
-
34,40
4,88
0,14
0,69
0,63
0,43
-
31,14
4,88
0,16
0,69
0,70
0,39
-
33,22
4,88
0,15
0,69
0,66
0,41
-
28,64
4,88
0,17
0,69
0,76
0,36
-
31,99
4,88
0,15
0,69
0,68
0,40
-
30,43
4,88
0,16
6,78
0,72
0,38
-
29,48
4,88
0,17
6,78
0,74
0,37
-
30,00
4,88
0,16
6,78
0,73
0,37
-
27,29
4,88
0,18
0,69
0,80
0,34
-
30,89
4,88
0,16
0,69
0,71
0,38
-
30,23
4,88
0,16
0,69
0,72
0,38
-
28,43
4,88
0,17
0,69
0,77
0,35
-
30,76
4,88
0,16
1,45
0,71
0,38
-
CEN
Rend
m³
KWh
CE
R$/KWh
CEN
Rend
m³
KWh
CE
R$/KWh
CEN
Rend
m³
KWh
CE
R$/KWh
CEN
Rend
113
Resultados e Discussões
REIS JUNIOR. José Cláudio Ferreira dos. Análise hidroenergética da rotina operacional de sistema de bombeamento utilizado
em abastecimento publico de água
Com base nos resultados da Tabela 19 foi realizado a determinação do
percentual de custo diário com energia elétrica nos horários de ponta e fora de ponta
(ver Gráfico 8), observa-se que o custo com energia elétrica no Horário de ponta
representa em média cerca de 64% do custo total com energia elétrica no
bombeamento de água da EEAT 2, um fator que contribuiu para este elevado
percentual, foi o número de partida por hora que para esta elevatória foi em média
de 6.
Gráfico 8 – Custo percentual com energia elétrica na EEAT 2.
120
100
19
80
36
43
40
57
60
59
64
2
3
4
5
41
Média de 64%
60
40
81
20
0
1
Horário de Ponta (HP)
Horário Fora de Ponta (HFP)
Média HP
Comparando os resultados do custo com energia elétrica nas duas
estações elevatórias de água tratada, observa-se que a EEAT 2 apresentou maior
custo em relação a EEAT 1. Analisando os resultados do CEN e do Rendimento dos
conjuntos motor e bomba da EEAT 2 apresentados na Tabela 19, observa-se que o
rendimento do conjunto motor e bomba com exceção do segundo de monitoramento
apresentaram valores médios abaixo de 50%, tanto no horário fora de ponta como
no horário de ponta, indicando a necessidade de manutenção e/ou troca dos
mesmos.
Vale enfatizar que, os baixos valores de rendimentos obtidos refletem as
condições físicas e de operação desta elevatória conforme mostrado no inicio dos
resultados de monitoramento, foi a que apresentou as piores condições de
instalação e operação.
114
Resultados e Discussões
REIS JUNIOR. José Cláudio Ferreira dos. Análise hidroenergética da rotina operacional de sistema de bombeamento utilizado
em abastecimento publico de água
A síntese dos resultados do monitoramento hidroenergético são
mostrados no Quadro 15, onde observa-se que a EEAT 1 apresentou maior vazão e
volume bombeado em comparação com a EEAT 2. Em relação aos parâmetros
elétricos observa-se que os resultados de tensão e intensidade de corrente elétrica
foram os mesmos para as duas elevatórias, porém, os resultados do fator de
potência e fator de carga obtidos foram insatisfatórios no que diz respeito a
operação do sistema de bombeamento, sendo a pior situação na EEAT 2.
Quadro 15 – Resultados do monitoramento hidroenergético da EEAT 1 e da EEAT 2.
Parâmetros
Parâmetros Elétricos
Hidráulicos
EEAT
Intensidade de
Fator
Vazão
Volume
Tensão
Fator de
Corrente
de
(m³/h)
(m³/h)
(V)
Potência
Elétrica (A)
carga
EEAT 1
149
27
224
12
0,82
0,84
EEAT 2
107
31
224
12
0,81
0,81
Em relação aos resultados do consumo e custo com energia elétrica na
EEAT 1 e na EEAT 2 apresentados no Quadro 16, observa-se que a EEAT 2
apresentou todos os resultados superiores aos obtidos na EEAT 2.
Quadro 16 – Consumo e custo com energia elétrica na EEAT 1 e na EEAT 2.
Consumo médio
Custo médio*
(KWh/m³)
(R$/KWh)
EEAT
Horário de
Horário Fora
Horário de
Horário Fora de
Ponta
de Ponta
Ponta
Ponta
EEAT 1
0,11
0,09
4,38
0,43
EEAT 2
0,15
0,14
6,77
0,69
Analisando os resultados apresentados no Quadro 15 e no Quadro 16
demonstram que a EEAT 2 apresentou pior situação quando comparado com a
EEAT 1.
115
Resultados e Discussões
REIS JUNIOR. José Cláudio Ferreira dos. Análise hidroenergética da rotina operacional de sistema de bombeamento utilizado
em abastecimento publico de água
5.4.3 Resultados da simulação computacional do Sistema de Bombeamento
em operação do Setor Básico.
Na Figura 44 observa-se que o software EPANET 2.0 gerou mensagens
de advertência de que a vazão da bomba da EEAT 1 excedia a vazão máxima nas
24 horas de simulação hidráulica, o que indica que a mesma esta trabalhando além
de sua capacidade. Observa-se que para uma altura manométrica máxima de 15m
tem-se um valor de vazão máximo de 150m³/h, isto justifica as mensagens de
advertências geradas no inicio da simulação.
Figura 44 – Cenário de simulação computacional.
Na Figura 45 é mostrado a locação do ponto de inicio e final dos
resultados apresentados na Tabela 20.
Figura 45 – Cenário de simulação computacional.
1
2
116
Resultados e Discussões
REIS JUNIOR. José Cláudio Ferreira dos. Análise hidroenergética da rotina operacional de sistema de bombeamento utilizado
em abastecimento publico de água
Considerando a vazão média de 150 m³/h, o valor de altura manométrica
obtido foi de 21,32m, o que também justifica as mensagens de advertência geradas
pelo software EPANET 2.0. Na Tabela 20 são mostrados os resultados obtidos de
vazão, velocidade e perdas de carga na simulação hidráulica deste cenário, onde
pode ser observado elevados valores de perda de carga e vazão.
Tabela 20 – Resultados da simulação hidráulica.
Tempo
(horas)
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
Ponto
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
Vazão
(m³/h)
Velocidade
(m/s)
202.56
1.79
201.59
1.78
202.42
1.79
201.95
1.79
202.22
1.79
202.07
1.79
202.15
1.79
202.10
1.79
202.13
1.79
202.11
1.79
202.12
1.79
202.12
1.79
202.12
1.79
202.12
1.79
202.12
1.79
202.12
1.79
202.12
1.79
202.12
1.79
202.12
1.79
202.12
1.79
202.12
1.79
202.12
1.79
202.12
1.79
Perda de carga
(m/km)
15.97
25.95
15.82
25.72
15.95
25.92
15.88
25.81
15.91
25.87
15.89
25.84
15.91
25.86
15.90
25.84
15.90
25.85
15.90
25.85
15.90
25.85
15.90
25.85
15.90
25.85
15.90
25.85
15.90
25.85
7.81
2.81
15.90
25.85
15.90
25.85
15.90
25.85
7.81
2.81
15.90
15.90
25.85
15.90
25.85
117
Resultados e Discussões
REIS JUNIOR. José Cláudio Ferreira dos. Análise hidroenergética da rotina operacional de sistema de bombeamento utilizado
em abastecimento publico de água
2
1
2
23
202.12
15.90
25.85
15.90
1.79
Na Tabela 20, foi observado que os valores de perdas de carga obtidos
na simulação hidráulica foram elevados, fato que pode estar sendo ocasionado pela
grande quantidade de peças e conexões instaladas nas tubulações.
Em relação a distribuição dos valores de pressão nos trechos inicial e final
do cenário simulado são apresentados no Gráfico 9, onde observa-se que os valores
de pressão no final da tubulação é muito baixo, porém estando compatível com os
elevados resultados de perdas de carga apresentados anteriormente.
Pressão (m)
Gráfico 9 – Resultados de pressão nos trechos da rede simulada.
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
0
1
2 3
4
5 6
7 8
Trecho Final
9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23
Tempo (h)
Trecho Inicial
Distribuição Setor Básico
Os resultados de custo e consumo de energia elétrica são apresentados
na Tabela 21.
Tabela 21 – Resultados de consumo e custo de energia elétrica da simulação
hidráulica no cenário 1.
Bomba
Fator de
utilizaçã
o
Eficiência
(%)
EEEAT 01
100
EEEAT Básico
100
TOTAL
KWh/m³
KWh
médio
KWh
máximo
Custo
diário
(R$)
75
0,07
5,21
6,50
45,00
75
0,05
1,90
5,07
16,39
61,38
118
Resultados e Discussões
REIS JUNIOR. José Cláudio Ferreira dos. Análise hidroenergética da rotina operacional de sistema de bombeamento utilizado
em abastecimento publico de água
De acordo com os resultados do custo e consumo de energia elétrica
mostrados anteriormente, observa-se que a EEAT 02, tem custo mais elevado (R$
214.28) em relação a EEAT 01 (R$ 187.02), o que pode ser justificado pela EEAT 02
ter conjunto motor e bomba de maior potência (15CV).
5.5 PROPOSTAS DE AÇÕES DE EFICIÊNCIA ENERGÉTICA E HIDRÁULICA DO
SISTEMA DE BOMBEAMENTO DO SETOR BÁSICO
5.5.1 Fase 1 – Desenvolvimento de cenários de simulação computacional
para o Sistema de Bombeamento do Setor Básico.
•
Cenário 1 - Simulação Computacional do Sistema de Bombeamento em
operação do Setor Básico, com modificação da capacidade de
bombeamento dos conjuntos motor e bomba.
Na Tabela 22 são mostrados os resultados de vazão, velocidade e perdas
de carga obtida na simulação deste cenário.
Tabela 22 – Resultados da simulação hidráulica para o cenário 1.
Tempo (horas)
0
1
2
3
4
5
6
Ponto
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
Vazão (m³/h)
Velocidade (m/s)
197.41
1.75
197.65
197.79
197.87
197.12
196.67
196.24
1.75
1.75
1.75
1.74
1.74
1.74
(Continua)
Perda de carga (m/km)
5.40
5.40
3.91
3.91
5.15
5.15
5.03
5.03
5.08
5.08
5.06
5.06
5.07
5.07
(Conclusão)
119
Resultados e Discussões
REIS JUNIOR. José Cláudio Ferreira dos. Análise hidroenergética da rotina operacional de sistema de bombeamento utilizado
em abastecimento publico de água
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
196.14
1.73
202.09
1.73
202.00
202.00
202.00
1.73
1.75
1.77
204.00
3.21
204.00
3.21
202.91
2.98
196.00
196.00
196.00
2.92
2.92
2.92
194.00
2.79
194.00
2.79
194.00
2.79
198.00
2.93
198.00
2.93
198.00
2.93
5.06
5.06
5.06
5.06
5.07
5.07
5.06
5.06
5.08
5.08
5.07
5.07
5.07
5.07
5.08
5.08
5.08
5.08
5.08
5.08
5.06
5.06
5.07
5.07
5.06
5.06
5.06
5.06
5.06
5.06
5.07
5.07
5.07
5.07
Analisando os resultados da Tabela 23 em relação ao cenário atual de
operação, observa-se que neste cenário 1 os valores de perda de carga obtidos
foram bem menores. Vale ressaltar que neste cenário foi considerado condições de
peças, conexões e tubulações ideais para o bombeamento.
No Gráfico 10 é mostrado a distribuição da pressão nos trechos inicial,
final e de distribuição de água.
120
Resultados e Discussões
REIS JUNIOR. José Cláudio Ferreira dos. Análise hidroenergética da rotina operacional de sistema de bombeamento utilizado
em abastecimento publico de água
Pressão (m)
Gráfico 10 – Resultados de pressão na simulação computacional 1.
24
22
20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
0
1
2
3
4
5
6
7
Trecho Inicial
8
9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23
Trecho Funal
Tempo (h)
Distribuição Setor Básico
Observa-se no Gráfico 10 que assim como os resultados de perda de
carga, os de pressão também apresentaram melhores valores. Os resultados de
custo e consumo de energia elétrica são apresentados na Tabela 24.
Tabela 23 – Resultados de consumo e custo de energia elétrica da simulação
hidráulica no cenário 1.
Bomba
EEAT 1
EEAT 2
Fator de Eficiência
utilização
(%)
100
100
KWh/m³
KWh
médio
KWh
máximo
0,07
0,08
5,25
4,43
6,32
15,10
75
75
TOTAL
Custo
diário
(R$)
45,34
38,25
83,59
Os resultados obtidos neste cenário de simulação hidráulica, demonstram
que o valor do custo com energia elétrica de R$ 83,59 , maior que o valor obtido na
simulação do sistema em operação que foi de R$ 61,38.
• Cenário 2 - Simulação Computacional do Sistema de Bombeamento Setor
Básico, com bombeamento de água direto da EEAT 1 para o reservatório
elevado do setor básico.
Neste cenário de simulação computacional foi traçado um novo percurso
e diâmetro da adutora de água tratada (que transporta água do setor profissional
para o setor básico), as características dos conjuntos motor e bomba adotados
121
Resultados e Discussões
REIS JUNIOR. José Cláudio Ferreira dos. Análise hidroenergética da rotina operacional de sistema de bombeamento utilizado
em abastecimento publico de água
foram as mesmas utilizadas no cenário 2. Na Figura 45 é mostrado o layout deste
cenário
Figura 46 – Cenário 2 de simulação computacional.
Os resultados de vazão, velocidade e perdas de carga obtidas neste
cenário 2, são apresentados na Tabela 24.
Tabela 24 – Resultados da simulação computacional para o cenário 1.
Hora
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
Vazão (m³/h)
197,41
201,72
200,37
200,76
200,65
200,68
200,67
200,67
200,67
200,67
200,67
200,67
200,67
200,67
200,67
200,67
200,67
200,67
200,67
200,67
200,67
200,67
200,67
200,67
Velocidade (m/s)
1,75
1,78
1,77
1,78
1,77
1,77
1,77
1,77
1,77
1,77
1,77
1,77
1,77
1,77
1,77
1,77
1,77
1,77
1,77
1,77
1,77
1,77
1,77
1,77
Perda de carga (m/km)
15,22
15,84
15,65
15,70
15,69
15,69
15,69
15,69
15,69
15,69
15,69
15,69
15,69
15,69
15,69
15,69
15,69
15,69
15,69
15,69
15,69
15,69
15,69
15,69
122
Resultados e Discussões
REIS JUNIOR. José Cláudio Ferreira dos. Análise hidroenergética da rotina operacional de sistema de bombeamento utilizado
em abastecimento publico de água
Os resultados do consumo e custo de energia elétrica são apresentados
na Tabela 25.
Tabela 25 – Resultados de consumo e custo de energia elétrica da simulação
hidráulica no cenário 2.
Bomba
EEAT 1
TOTAL
•
Fator de Eficiência
utilização
(%)
100
-
KWh/m³
KWh
médio
KWh
máximo
Custo
diário
(R$)
0,04
-
4,69
-
19,02
-
40,49
40,49
75
-
Síntese dos resultados obtidos nas simulações do cenário 1 e do cenário 2.
A síntese dos resultados obtidos nas simulações computacionais dos
cenários 1 e 2 de operação do sistema de bombeamento do setor básico, são
mostrados na Tabela 26.
Tabela 26 – Resultados de consumo e custo de energia elétrica nas simulações.
Cenário
1
2
EEAT
EEAT 1
EEAT 2
EEAT 1
Vazão
(m³/h)
Eficiência
(%)
KWh/m³
198,00
75
75
75
0,08
0,07
0,07
200,67
KWh
médio
KWh
máximo
5,25
4,43
4,69
6,32
15,10
19,02
Custo diário
(R$)
(R$)
45,34
38,25
40,49
Total
83,59
40,49
Com base nos resultados apresentados na Tabela 27, observa-se que o
cenário 2, foi o que apresentou melhores valores de consumo e custo de energia
elétrica.
No Quadro 17 é apresentado uma síntese dos resultados de consumo
médio (KWh) no horário de ponta e fora de ponta, obtidos nas fases de
monitoramento e simulação computacional, observa-se que os resultados das
simulações foram bem abaixo dos observados no monitoramento.
Quadro 17 – Consumo de energia elétrica na EEAT 1 e na EEAT 2.
EEAT
EEAT 1
EEAT 2
Consumo médio (KWh/m³)
Monitorado
Simulado (valor médio)
Horário Fora de
Horário de Ponta
Cenário 1
Cenário 2
Ponta
0,11
0,09
0,07
0,07
0,15
0,14
0,08
123
Resultados e Discussões
REIS JUNIOR. José Cláudio Ferreira dos. Análise hidroenergética da rotina operacional de sistema de bombeamento utilizado
em abastecimento publico de água
Para a determinação do custo com energia elétrica nos cenários
simulados foi utilizado o percentual médio de consumo de energia elétrica nos
horários de ponta e fora de ponta obtidos na fase de monitoramento, sendo de
54,8% (horário de ponta) e 45,2% (horário fora de ponta) para a EEAT 1 e 64,2% e
35,8% para a EEAT 2.
No Quadro 18 são apresentados os resultados do custo com energia
elétrica
(R$/KWh) obtidos
nas fases
de
monitoramento e de
simulação
computacional.
Quadro 18 – Custo com energia elétrica na EEAT 1 e na EEAT 2.
Monitorado
EEAT
EEAT 1
EEAT 2
Horário de
Ponta
Horário
Fora de
Ponta
4,38
6,77
0,43
0,69
Custo médio* (R$/KWh)
Simulado (valor médio)
Cenário 1
Cenário 2
Horário
Horário
Horário
Horário
Fora de
Fora de
de Ponta
de Ponta
Ponta
Ponta
8,28
0,97
8,66
0,69
6,98
0,82
*considerando o consumo total (KWh) horário.
Analisando os resultados mostrados no Quadro 18, observa-se que os
resultados da simulação computacional foram menores em relação aos simulados.
Também foi observado que o cenário 2 apresenta-se como melhor alternativa de
operação quando comparados com os resultados obtidos no cenário 1.
5.5.2 Fase 2 - Ações para melhorar o desempenho Hidroenergético do
sistema de bombeamento do Setor Básico.
Nesta etapa final da pesquisa, são propostas algumas ações e
alternativas de controle operacional dos sistema de bombeamento do setor básico.
Vale ressaltar que as ações propostas nesta etapa sejam realizadas por uma equipe
composta por profissionais de várias áreas da engenharia, tais como hidráulica,
elétrica e mecânica, de modo que possibilite a melhor compreensão dos dados
obtidos e a correta tomada de decisões no que diz respeito a eficiência energética
do sistema de bombeamento, conforme descrito a seguir.
124
Resultados e Discussões
REIS JUNIOR. José Cláudio Ferreira dos. Análise hidroenergética da rotina operacional de sistema de bombeamento utilizado
em abastecimento publico de água
a) Configuração do sistema
Com base nos resultados obtidos nas etapas de monitoramento hidráulico
e elétrico e de simulação computacional do sistema de bombeamento do setor
básico, sugere-se como melhor alternativa de operação o bombeamento direto da
EEAT 1 para o reservatório elevado do setor básico.
b) Ações de monitoramento hidroenergético de sistema de bombeamento
No
Quadro
19
são
apresentadas
algumas
recomendações
de
monitoramento de variáveis hidráulicas e elétricas.
Quadro 19 – Parâmetros para monitoramento hidráulico e elétrico de EEA.
Hidráulicas
Vazão
Pressão
Volume
Níveis de operação dos reservatórios
Altura manométrica
Perdas de carga
Periodicidade
Permanente
Permanente
Permanente
Permanente
Permanente
Permanente
Elétricos
Potência
Tensão elétrica
Corrente elétrica
Fator de Potência
Fator de carga
-
Periodicidade
Mensal
Mensal
Mensal
Mensal
Mensal
-
A base para que se tenha o controle operacional de sistemas de elevação
de água é o conhecimento do desempenho das variáveis envolvidas no processo de
bombeamento de água, a medição simultânea das grandezas hidráulicas e elétricas
permite ao gestor que ele visualize a realidade operacional do sistema de
bombeamento. Na Figura 47 é apresentado um layout com proposta de pontos de
medição de parâmetros hidráulicos e elétricos.
125
Resultados e Discussões
REIS JUNIOR. José Cláudio Ferreira dos. Análise hidroenergética da rotina operacional de sistema de bombeamento utilizado
em abastecimento publico de água
Figura 47 – Proposta de pontos de medição em sistemas de bombeamento
de água para abastecimento público.
c) Ações de manutenção
Quanto as ações de manutenção do sistema de bombeamento, sugerese que estas não se resuam nos conjuntos motor e bomba, tendo em vista que os
demais componentes do sistema contribuem diretamente para o aumento ou
diminuição da eficiência energética do funcionamento do sistema, é recomendado
aqui as seguintes ações de manutenção:
a)
Verificação de níveis de vibração, aquecimento, lubrificação dos
conjuntos motor e bomba;
b)
Realizar inspeções rotineiras da ocorrência de vazamentos,
infiltrações, ruídos excessivos;
c)
Verificar as condições das válvulas instaladas nas tubulações de
sucção e recalque;
d)
Verificar
a
confiabilidade
dos
dados
apresentados
manômetros, vacuômetros, por meio da calibração dos mesmos;
e)
Elaboração de planos de manutenção preditiva e corretiva.
por
126
Resultados e Discussões
REIS JUNIOR. José Cláudio Ferreira dos. Análise hidroenergética da rotina operacional de sistema de bombeamento utilizado
em abastecimento publico de água
Vale ressaltar que, as ações de manutenção listadas anteriormente, são
apenas com o objetivo de frisar as principais ações em estações elevatórias e não
devem ser entendidas como as únicas recomendações.
d) Ações de treinamento e capacitação técnica
É de suma importância que sejam realizadas ações de planejamento
estratégico, para verificação dos pontos positivos e negativos de todos os
profissionais envolvidos na operação e controle do sistema de bombeamento.
Vale ressaltar a importância do treinamento e da capacitação técnica não
somente dos operadores do sistema de bombeamento, mas também dos gestores
responsáveis pelo gerenciamento dos serviços oferecidos a população, a seguir são
relacionados algumas necessidades observadas
127
Considerações Finais
REIS JUNIOR. José Cláudio Ferreira dos. Análise hidroenergética da rotina operacional de sistema de bombeamento utilizado
em abastecimento publico de água
6.
CONSIDERAÇÕES FINAIS
De acordo com os resultados obtidos nas etapas e fases propostas na
metodologia deste trabalho, foi possível constatar quais as atuais condições de
controle e operação do sistema de bombeamento do Setor Básico.
Nas instalações físicas do sistema de bombeamento, tais como casa de
bomba, conjuntos motor e bomba, tubulações (sucção e recalque), peças e
conexões, entre outras considerações ficou evidente a necessidade urgente de
intervenções por meio de ações de reestruturação das mesmas.
Em relação a forma de operação e controle das elevatórias estudadas,
ressalta-se a importância de profissionais técnicos habilitados e treinados para
executar serviços inerentes a operação de conjuntos motor e bombas assim como,
de válvulas e quadros de comando elétrico. Portanto, sugere-se que seja fornecido
treinamento específico não somente para os operadores, mas também para os
gestores responsáveis pelo sistema de bombeamento.
Na etapa de monitoramento dos parâmetros hidráulicos e elétricos, foi
obervado que não existe nenhum tipo de medição e/ou controle desses parâmetros.
Em relação aos parâmetros hidráulicos constatou-se que os horários de maior
consumo de água estão compreendidos nos períodos de 09 às 10h da manhã e de
18 às 21h, conforme apresentado no item de resultados dos parâmetros hidráulicos.
Quanto aos resultados dos parâmetros elétricos foi obervado que os
valores de Fator de Potência obtidos foram abaixo do estabelecido pela resolução
414/2010 que é de 0,92, contribuindo para o aumento do consumo e
consequentemente do custo com energia elétrica. Com base nos resultados de
tensão e corrente elétrica fornecida aos conjuntos motor e bomba, recomenda-se
que seja a concessionária responsável pelo fornecimento de energia elétrica, no
caso a Rede Celpa, seja acionada para verificar os desequilíbrio de fornecimento
observados.
Vale ressaltar que as análises estatísticas dos resultados dos parâmetros
elétricos, apresentaram pouca variações em relação aos valores médios
128
Considerações Finais
REIS JUNIOR. José Cláudio Ferreira dos. Análise hidroenergética da rotina operacional de sistema de bombeamento utilizado
em abastecimento publico de água
observados. Porém, ficou evidente a necessidade da elaboração e execução de um
plano de monitoramento dos parâmetros hidráulicos e elétricos.
Os resultados obtidos na etapa de simulação hidráulica (cenário 1 e
cenário 2), apontam que o cenário 2 onde foi simulado o bombeamento com apenas
uma estação elevatória apresentou melhores resultados no que diz respeito ao
consumo e ao custo de energia elétrica em relação ao cenário 1.
Com a finalidade de contribuir para a complementação da pesquisa
iniciada nesta dissertação de mestrado, sugere-se a elaboração de trabalhos
técnicos e acadêmicos na temática da eficiência energética e hidráulica em sistemas
de bombeamento em saneamento básico (abastecimento de água e esgotamento
sanitário), conforme mostrado a seguir:
a) Determinação da população e da demanda de água por setor de
abastecimento cidade universitária Prof. José da Silveira Netto;
b) Análise da aplicação de indicadores hidroenergéticos para a avaliação
do desempenho operacional de sistemas de bombeamento de água.
c) A importância do monitoramento de parâmetros hidráulicos e elétricos
em conjuntos motor e bomba de sistemas elevatórios;
Vale ressaltar que este trabalho não esgota as discussões e
considerações sobre eficiência hidroenergética em sistemas de bombeamento,
tendo em vista a sua importância para o bom desempenho não somente
operacional, mas também financeiro das entidades prestadoras deste tipo de
serviço.
129
Referências
REIS JUNIOR. José Cláudio Ferreira dos. Análise hidroenergética da rotina operacional de sistema de bombeamento utilizado
em abastecimento publico de água
REFERÊNCIAS
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Paraíba,
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AZEVEDO NETTO, J. M et al. Manual de Hidráulica, 4. ed. São Paulo: Edgard
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