XI ESTUDO PARA OTIMIZAÇÃO DO SISTEMA DE ABASTECIMENTO DE ÁGUA DE SÃO CRISTOVÃO COM O EPANET

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1 XI ESTUDO PARA OTIMIZAÇÃO DO SISTEMA DE ABASTECIMENTO DE ÁGUA DE SÃO CRISTOVÃO COM O EPANET Elvilson Pires Sá Teles (1) Engenheira Civil pela Universidade Estadual de Feira de Santana. Especialista e Engenharia de Saneaento Básico e Abiental pela Universidade Paulista, UNIP/INBEC. Endereço (1) : Rua Petrolândia, 66 Jardi Acácia Feira de Santana -BA - CEP: Brasil - Tel: (75) e-ail: elvilson.teles@ebasa.ba.gov.br RESUMO O auento populacional, acopanhado da intensificação das atividades socioeconôicas, te tornado a distribuição de água, e quantidade e qualidade adequada, u dos grandes desafios para as copanhias de saneaento. Constanteente surge novas apliações nas redes de distribuição já existentes, havendo a necessidade da toada de decisão buscando ua fora ais econôica para garantir o abasteciento co vazão e pressão suficientes e todos os pontos de consuo. Este trabalho apresenta u estudo de u sistea co probleas no abasteciento co água tratada. Inicialente é feita a caracterização da situação atual e a partir dos probleas diagnosticados, fora propostas alternativas para regularizar o abasteciento, equilibrar as pressões e otiizar o consuo co energia elétrica. O sistea de abasteciento de água de São Cristóvão, e análise, pertencente ao sistea de abasteciento integrado de Feira de Santana, apresenta regiões co frequentes probleas de desabasteciento e, segundo o balanço hídrico do ano de 2010, o índice de Perdas na Distribuição anual (IPD12) é de 57,64%, estando uito acia do noral para a região de Feira de Santana (IPD12= 36%), alé de possuir counidades se acesso a água tratada. Tendo e vista esses probleas apresentados pelo Sistea São Cristóvão, o presente estudo desenvolve ua análise dos parâetros hidráulicos, energéticos e econôicos, tendo coo objetivo propor intervenções para elhoria na operação do eso, a fi de regularizar o abasteciento no referido Sistea, reduzir perdas de água e energia, e possibilitar o abasteciento das counidades se acesso a água tratada. PALAVRAS-CHAVE: Epanet, Inversor de frequência, Eficiência Energéticas. INTRODUÇÃO O sistea de abasteciento de água de São Cristóvão, e análise, pertencente ao sistea de abasteciento integrado de Feira de Santana, apresenta regiões co freqüentes probleas de desabasteciento e, segundo o balanço hídrico do ano de 2010, o índice de Perdas na Distribuição anual (IPD12) é de 57,64%, estando uito acia do noral para a região de Feira de Santana (IPD12= 36%), alé de possuir counidades se acesso à água tratada. Tendo e vista esses probleas apresentados pelo Sistea São Cristóvão, o presente estudo desenvolve ua análise dos parâetros hidráulicos, energéticos e econôicos, tendo coo objetivo propor intervenções para elhoria na operação do eso, a fi de regularizar o abasteciento no referido Sistea, reduzir perdas de água e energia, e possibilitar o abasteciento das counidades se acesso a água tratada. MATERIAIS E MÉTODOS LEVANTAMENTO DE DADOS Todos os dados necessários para a realização do estudo, Diâetro e copriento da tubulação, cotas do terreno, nº de ligações, dados característicos dos equipaentos instalados, fora obtidos através do levantaento e capo e consulta ao cadastro (cadastro técnico, coercial, cartográfico) no setor de geoprocessaento da EMBASA. 1

2 LEVANTAMENTO BIBLIOGRÁFICO Inicialente foi efetuado o estudo sobre eficiência energética e operacional e sisteas de abasteciento de água, sendo destacada pelos autores a utilização do EPANET coo ferraenta para peritir siular e diagnosticar as alternativas a sere epregadas para o elhoraento da eficiência dos sisteas de abasteciento. Portanto foi necessário pesquisar e estudar sobre o prograa EPANET, a fi de utilizar coo ferraenta para otiizar o sistea de abasteciento de água e estudo. Segundo GOMES (2006), o processo de toada de decisão, e projetos de sisteas de abasteciento de água, pode ser dividido e duas fases: diagnóstico e iplantação de edidas corretivas. A elaboração prévia de u diagnóstico é iprescindível e qualquer etodologia epregada na análise de redes hidráulicas, devendo este apresentar todas as características físicas e hidráulicas do sistea, indicando assi, os dados que irão alientar o odelo. Tais dados pode ser divididos e dados cadastrais e dados experientais. Os dados cadastrais envolve os estudos referentes à siplificação do sistea: consuos deandados nos nós; características topográficas da rede; inclusão de coponentes da rede (válvulas, acessórios, hidrantes, eleentos de edição, eleentos de controle, etc.); dentre outros. Os dados experientais são aqueles coletados in loco e são obtidos através de instruentação (por exeplo, através de edidores de vazão e pressão). DESCRIÇÃO E LOCAL DO SISTEMA EM ESTUDO O Sistea e estudo, é coposto pelo Booster de Ovo da Ea e pela EEAT São Cristóvão, localizados na zona rural, pertencente ao SIAA de Feira de Santana. OBSERVAÇÕES DE CAMPO Segundo inforações obtidas e capo e no setor de operações da EMBASA, o sistea apresenta regiões co probleas de desabasteciento, necessitando que seja efetuadas anobras diárias, através de válvulas anuais, para possibilitar o abasteciento dessas regiões. ANÁLISE DOS PARÂMETROS HIDRÁULICOS Foi odelado inicialente no EPANET à situação atual, a fi de caracterizar e constatar os probleas geradores de desabasteciento de água. Co o odelo iplantado no EPANET referente à situação atual, foi efetuado intervenções buscando diagnosticar as alternativas para regularizar o abasteciento e otiizar o consuo co energia elétrica do sistea. Foi feita avaliação de três alternativas, descritas no capitulo 6.0. ANÁLISE DOS PARÂMETROS ENERGÉTICOS Para a análise dos parâetros energéticos, foi feito levantaento de dados no setor de controle energético da EMBASA e Feira de Santana, referentes ao custo atual co energia elétrica do sistea. A seguir foi estiado o custo do consuo futuro referente às alternativas propostas pelo estudo. ANÁLISE ECONÔMICA Para a análise econôica foi avaliado o custo ensal, referente ao investiento, co aortização de capital, soado ao custo de energia elétrica consuida pelo Sistea, considerando u horizonte de projeto de dez anos. Esta análise peritiu coparar as alternativas propostas para otiização do sistea e identificar a ais vantajosa econoicaente para a epresa. 2

3 RESULTADOS ANÁLISE DA SITUAÇÃO ATUAL Este capítulo descreve os procedientos utilizados para caracterizar a situação atual do sistea de abasteciento de água tratada da EEAT São Cristovão e do Booster de Ovo da Ea através da odelage no EPANET, que peritirão identificar as regiões co probleas no abasteciento de água. MODELAGEM HIDRÁULICA NO EPANET Para siular no EPANET a situação atual do Booster de Ovo da Ea e da EEAT São Cristovão foi necessário definir os dados descritos abaixo, de acordo co as inforações levantadas no setor de geoprocessaento da EMBASA (cadastro técnico, coercial, cartográfico). A Figura 6.1 apresenta o Layout do sistea. 3

4 FIGURA Modelage do Sistea de abasteciento de água São Cristovão / Ovo da Ea Situação atual 4

5 DADOS: Consuo per capta: q = 120 l/hab/dia Nº. de habitantes por residência = 05 Coeficiente do dia de aior consuo: K1 = 1,20 Coeficiente da hora de aior consuo: K2 = 1,50 Nº Horas de Operação = 24h/d Calculo da vazão específica : ( Ligações 5) k1 k2 q q = l / s L Setor 01: 325 Ligações (São Critovão, Genipapo, entrocaento de tanquinho) Setor 02: 372 Ligações (Ovo da ea, Garapa, Foriga, Lagoa Salgada) Ligações = 697 Extenção total da rede: L = ( 697 5) 1,2 1, q = 2,80 10 l / s

6 PROPRIEDADES DOS NÓS DA REDE: Tabela Deandas de água, cotas e distâncias entre nós NÓ Deanda (l/s) COTA l() 5 0, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , Qt= 7,9778 Setor 01: São Critovão, Genipapo, entrocaento de tanquinho 325 ligações Setor 02: Ovo da ea, Garapa, Foriga, Lagoa Salgada 372 ligações 6

7 PROPRIEDADES DAS TUBULAÇÕES DOS TRECHOS DA REDE: Para o cálculo de perda de carga continua foi utilizado a Opção Darcy-Weisbach (D-W), selecionada no EPANET. Tabela Diâetros, coprientos e rugosidades dos tubos Trecho Copriento () DN Material Diâetro interno ( ) Rugosidade() PVC , PVC , PVC , PVC , PVC , PVC , PVC , PVC , PVC , PVC , PVC , PVC , PVC , PVC , PVC , PVC , PVC , PVC , PVC , PVC , PVC , PVC , PVC , PVC , PVC , PVC , PVC , PVC , PVC , PVC , PVC , PVC , PVC , PVC , PVC , PVC ,01 7

8 PROPRIEDADES DO CONJUNTO MOTOR-BOMBA As Curvas das bobas fora obtidas através de consulta nos Manuais de Bobas Centrífugas dos fabricantes KSB e DACOR, de acordo co os odelos das bobas instaladas no Booster de Ovo da Ea e na EEAT São Cristovão. Para calibrar o odelo no EPANET foi efetuado o levantaento das curvas reais no capo, através da equipe de pitoetria da EMBASA. 8

9 TABELA Resuo da Siulação - Situação Atual Nós às 17:00 Horas Cota Consuo Carga Hidráulica Pressão ID do Nó LPS Nó Nó Nó Nó Nó Nó Nó Nó Nó Nó Nó Nó Nó Nó Nó 1-EEAT Nó Nó Nó Nó Nó Nó Nó Nó Nó Nó Nó Nó Nó Nó Nó Nó Nó Nó Nó Nó Nó Nó Nó Nó Nó d RNF CXR RNF

10 DIAGNÓSTICO E SIMULAÇÃO REFERENTE À SITUAÇÃO ATUAL: O odelo ipleentado no EPANET encontra-se e processo de calibração através de ajustes co os levantaentos e ensaios no capo, co o intuito de obter ua siulação confiável. Mas de acordo co a odelage e siulação efetuadas do sistea e análise no EPANET, já foi possível constatar regiões co pressões negativas e pontos co pressões dinâicas abaixo da preconizada pela NBR de 10.c.a, identificadas na figura 6.2, o que caracteriza regiões co probleas de desabasteciento co água tratada. A tabela 6.3 apresenta o resuo da siulação. ESTUDO DAS ALTERNATIVAS Esse capítulo apresenta as alternativas possíveis, diagnosticadas através das siulações co o EPANET, para regularizar o abasteciento co água tratada, equilibrar as pressões e elhorar a eficiência do consuo co energia elétrica do sistea de abasteciento de água São Cristovão / Ovo da Ea. ALTERNATIVA 01 Essa alternativa te coo proposta integrar o sistea na EEAT- São Cristovão. Ela foi obtida através da odelage (Figura 6.3) e siulações (Relatório copleto - anexo 04) co o EPANET, efetuando intervenções no odelo referente a situação atual. As intervenções necessárias para otiizar o sistea de abasteciento São Cristovão / Ovo da ea estão descritas abaixo: - Iplantar de rede de distribuição interligando a rede alientadora de Ovo da Ea a Lagoa Salgada; - Substituir tubulação ( trecho 12-13: DN 75 para DN 100 ); - Instalar válvula redutora de pressão (trecho 1-5); - Iplantar 1.700, DN 100, de rede de distribuição interligando a EEAT São Cristóvão a rede alientadora de Ovo da Ea ; - Execução de 110 ligações doiciliares; - Instalar novo conjunto otor-boba (KSB cv ); - Instalação do painel de coando elétrico co inversor de freqüência para acionaento do novo conjunto otor-boba. 10

11 Para equilibrar hidraulicaente o sistea diante das variações de consuo foi inserido o gráfico de variação de velocidade do otor elétrico, representando a utilização do inversor de freqüência. Para executar a siulação dinâica foi criada a curva de odulação, para representar a variação periódica dos consuos nos nós ao longo do tepo. 11

12 FIGURA Modelage do Sistea Integrado São Cristovão / Ovo da Ea Alternativa 01 12

13 CUSTO ESTIMADO COM ENERGIA ELÉTRICA REFERENTE A ALTERNATIVA 01 Essa alternativa te coo proposta rediensionar e integrar o sistea na EEAT São Cristovão, que possui ua tarifa contrata de 0,15233 $/KWh, desativar o Booster de Ovo da Ea, co tarifa contratada no valor 0,44228 $/kwh, e utilizar o inversor de freqüência para acionar o otor elétrico. Para análise energética do SIAA São Cristóvão fora verificadas as liitações do contrato (Nº ) junto à concessionária de energia elétrica (Coelba). Co as inforações obtidas constatou-se que o contrato existente contepla as udanças da alternativa analisada. O cálculo do consuo co energia elétrica foi deterinado a partir da seguinte forula: C energia = ( P N p) + Deanda = 11, , (30 20,43) = $1692,5 b C anual = 12 x1692,5 = $20.310,00 Cenergia: Custo ensal co energia da alternativa I, e unidades onetária ( $ ); POT: Potência diensionada na alternativa I (11,25 KW ); Nb = Núero de horas de bobeaento por ês (21x30=630 h / ês ); p: custo da energia, de acordo co o contrato (Nº ), tarifa: A4-HV= 0,15233 $/kwh. ANÁLISE ECONÔMICA REFERENTE À ALTERNATIVA 01 O Custo ensal para o horizonte de projeto de 10 anos da Alternativa I, foi deterinado de acordo co o investiento referente às intervenções necessárias para a Alternativa analisada, discriinadas no orçaento da alternativa I (anexo 01), soado ao custo ensal de energia elétrica. Os cálculos estão descritos a seguir: n P ia. (1 + ia. ) A = A = $1.888,99 n (1 + i ) 1 a ( 1 0,12) = (1 + i ) i = 121,12 1 = 0,949% + a. a. C Total = A + Cenergia = 1.888,99 + 1,692,5 = $3.581,49 P: Valor presente (investiento de acordo orçaento alternativa I) = $ ,03; A: Valor das parcelas co aortização de capital (ês); i a.: Taxa de juros ao ês; i a.a: Taxa de juros anual = 12 % a.a; CTotal = Custo Total ensal; ALTERNATIVA 02 Essa alternativa te coo proposta rediensionar o booster de Ovo da Ea. Ela foi obtida através da odelage (Figura 6.4) e siulações co o EPANET, efetuando intervenções no odelo referente a situação atual. As intervenções necessárias para otiizar o sistea de abasteciento São Cristovão / Ovo da ea estão descritas abaixo: - Iplantar de rede de distribuição interligando a rede alientadora de Ovo da Ea a Lagoa Salgada; - Substituir tubulação ( trecho 12-13: DN 75 para DN 100 ); 13

14 - Instalar válvula redutora de pressão (trecho 1-5); - Execução de 110 ligações doiciliares; - Instalar novo conjunto otor-boba no booster (KSB cv ); - Instalação de painéis de coando elétrico co inversor de freqüência para acionaento dos conjuntos otor-boba, na EEAT São Cristovão e no Booster Ovo da Ea. 14

15 FIGURA Modelage do sistea de distribuição de água - Alternativa 02 15

16 CUSTO ESTIMADO COM ENERGIA ELÉTRICA REFERENTE À ALTERNATIVA 02 Para análise energética do Booster Ovo da Ea foi verificado as liitações do contrato (Nº ) junto à concessionária de energia elétrica (Coelba). Co as inforações obtidas constatou-se que o contrato existente contepla as udanças da alternativa analisada. O cálculo do consuo de energia elétrica foi deterinado de acordo co a seguinte forula: C energia = P N p = 7, ,44228 = 2.050,76 b Cenergia: Custo ensal co energia da alternativa II, e unidades onetária ( $ ); POT: Potência diensionada na alternativa II ( 7,36 KW ); Nb = Núero de horas de bobeaento por ês (21x30=630 h / ês ); p: custo da energia, de acordo co o contrato ( Nº ), tarifa: B3 = 0,44228 $/kwh ANÁLISE ECONÔMICA REFERENTE À ALTERNATIVA 02 O Custo ensal para o horizonte de projeto de 10 anos da Alternativa II, foi deterinado de acordo co o investiento referente as intervenções necessárias para a Alternativa analisada, descriinadas no orçaento da alternativa II (anexo 02), soado co o custo ensal de energia elétrica. Os cálculos estão descritos a seguir: n P ia (1 + ia. ) A = A n (1 + i ) 1. = a. $1.337, ( 1 0,12) = (1 + i 12 ) i = 1,12 1 = 0,949% + a. a. C Total A + C = energia = 1.337, , ,76 = $5.167,37 P: Valor presente (investiento de acordo orçaento alternativa II) = $ ,40; A: Valor das parcelas co aortização de capital (ês); i a.: Taxa de juros ao ês; i a.a: Taxa de juros anual = 12 % a.a; CTotal = Custo Total ensal; ALTERNATIVA 03 Essa alternativa te coo proposta integrar o sistea na EEAT- São Cristovão, co o diensionaento de equipaentos independentes para o sistea de Ovo da Ea e São Cristovão. Ela foi obtida através da odelage (Figura 6.5) e siulações co o EPANET, efetuando intervenções no odelo referente a situação atual. As intervenções necessárias para otiizar o sistea de abasteciento São Cristovão / O da ea estão descritas abaixo: - Iplantar de rede de distribuição interligando a rede alientadora de Ovo da Ea a Lagoa Salgada; - Substituir tubulação ( trecho 12-13: DN 75 para DN 100 ); - Instalar válvula redutora de pressão (trecho 1-5); - Iplantar 1.700, DN 100, de rede de distribuição interligando a EEAT São Cristóvão a rede alientadora de Ovo da Ea ; - Execução de 110 ligações doiciliares; - Instalar novo conjunto otor-boba (KSB ,5cv); - Instalação do painel de coando elétrico co inversor de freqüência para acionaento dos conjuntos otor-boba. 16

17 FIGURA Modelage do sistea de distribuição de água - Alternativa 03 17

18 CUSTO ESTIMADO COM ENERGIA ELÉTRICA REFERENTE À ALTERNATIVA 03 Essa alternativa te coo proposta rediensionar equipaentos independentes para o Sistea de Ovo da Ea e São Cristovão instalados na EEAT São Cristovão, que possui ua tarifa contrata de 0,15233 $/kwh, desativar o Booster de Ovo da Ea co tarifa contratada no valor 0,44228 $/kwh, e utilizar o inversor de freqüência para acionar o otor elétrico. O cálculo do consuo de energia elétrica foi deterinado de acordo co a seguinte forula: C energia = ( P N p) + Deanda = 11, , (30 20,43) = $1692,5 b Cenergia: Consuo de energia da alternativa I, e unidades onetária ( $ ); P0T: Potência diensionada na alternativa I ( 11,25 KW ); Nb = Núero de horas de bobeaento por ês (21x30=630 h / ês); p: custo da energia, de acordo co o contrato (Nº ), tarifa: A4-HV= 0,15233 $/kwh, Deanda = 20,43$/KW. ANÁLISE ECONÔMICA REFERENTE À ALTERNATIVA 03 O Custo ensal para o horizonte de projeto de 10 anos da Alternativa 03, foi deterinado de acordo co o investiento referente às intervenções necessárias para a Alternativa analisada, discriinadas no orçaento da alternativa 03 (anexo 03), soado ao custo ensal de energia elétrica. Os cálculos estão descritos a seguir: n P ia. (1 + ia. ) A = A = $1.959,00 n (1 + i ) 1 a. ( = ,12) = (1 + i a. ) ia. 1,12 1 = 0,949% C Total = A + Cenergia = 1.959,00 + 1,692,5 = $3.651,60 P: Valor presente (investiento de acordo orçaento alternativa I) = $ ,04; A: Valor das parcelas co aortização de capital (ês); i a.: Taxa de juros ao ês; i a.a: Taxa de juros anual = 12 % a.a; CTotal = Custo Total ensal; CONCLUSÃO E RECOMENDAÇÕES De acordo co avaliação das alternativas propostas foi constatado que a alternativa I é ais vantajosa econoicaente, apresentando para o horizonte de projeto de 10 anos u custo ensal enor. A questão energética foi o principal fator para deonstrar a econoia da alternativa I, caracterizada co sistea trifásico 380V e tarifa contratada (A4: horosazonal - verde) no valor de 0,15233 $/kwh, enquanto a alternativa II possui ua tarifa contratada no valor 0,44228 $/kwh referente ao contrato Bifásico B3. Coo edida e curto prazo a Ebasa executou iplantação de rede paralela ao trecho crítico, diagnosticado na odelage co o EPANET. Co essa intervenção já foi possível regularizar o abasteciento da região. A etodologia apresentada neste trabalho representa ua iportante alternativa para a toada de decisão sobre sisteas de distribuição de água que se encontra co deficiência de vazão e pressão nos pontos de consuo, de aneira que a solução encontrada proporcione o enor custo possível de investiento e operação. 18

19 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. BARROSO, Lidiane Bittencourt. Estudo da iniização das perdas físicas e sistea de distribuição de água utilizando o odelo EPANET p. Dissertação (Mestrado e recursos Hidricos e Saneaento abiental) Faculdade de Engenharia Civil, Universidade Federal de Santa Maria, Rio Grande do Sul, CAPELLI, A., Inversores de Freqüência Vetorial, Revista Saber Eletrônico nº 337, Fevereiro de CAPELLI, A., Inversores de Freqüência, Revista Mecatrônica Atual nº 2, Fevereiro de CESARIO, A. L. & DAVIS, J. O. Calibrating Water Syste Models. Journal of the Aerican Water Works Association, v. 76, n. 7, p , July Apud Barroso, DIAS, M. C. B. F.; VIEIRA, J. M. P.; VALENTE, J. C. T.; COELHO, S. T. Calibração de Modelos de Siulação de Quantidade e Qualidade de Água e Redes de Distribuição: O Caso da Zona Oeste da Cidade de Bragança. In: 9º Encontro Nacional de Saneaento Básico, Loures, Portugal Apud Barroso, GOMES, H. P. Eficiência Hidráulica e Energética e Saneaento: Análise Econôica de Projetos. 112p. Editora Universitária da UFPB, João Pessoa, GOMES, H. P. Sistea de abasteciento de água: diensionaento econôico e operação de redes e elevatórias. 242p. Editora Universitária da UFPB, João Pessoa, GOMES, H. P.. Otiização Econôica para a Reabilitação De Rede De Distribuição, Considerando A Instalação De Boosters. VI SEREA - Seinário Iberoaericano sobre Sisteas de Abasteciento Urbano de Água, 15p. JOÃO PESSOA, NBR Projeto de Rede de Distribuição de Água para Abasteciento Público NETTO, Azevedo - FERNANDEZ, Miguel F. Manual de Hidráulica. Editor Edgard Blücher Ltda São Paulo. 11. ROSSMAN, L. A. EPANET 2 - Users anual. U. S. Environental Protection Agency, Cincinnati, Ohio, Tradução e Adaptação pelo Laboratório Nacional de Engenharia Civil, Lisboa, Portugal. 12. SILVA, F. G. B.; GRATÃO, U.; PORTO, R. M.; CHAUDHRY, F. H. Avaliação de Parâetros do Modelo Pressão-Vazaento para Sub-Setor da Cidade de São Carlos, SP. In: IX SILUBESA - Sipósio Luso-brasileiro de Engenharia Sanitária e Abiental, Porto Seguro, BA Anais. Apud Barroso, TSUTYIA, M. T. Redução do Custo de Energia Elétrica e Sisteas de Abasteciento de Água. São Paulo: ABES/SP, p. 14. VIEGAS, J. V. Redução de Pressão ua alternativa técnica para elhorar a eficiência operacional. In: 21º Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Abiental, João Pessoa, PB Anais... Apud Barroso,