20 o CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA SANITÁRIA E AMBIENTAL

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1 A AUTOMAÇÃO DE PROCESSOS EM INSTALAÇÕES DE SANEAMENTO BÁSICO OTIMIZANDO PROCEDIMENTOS DE OPERAÇÃO PARA REDUÇÃO DOS GASTOS COM ENERGIA ELÉTRICA, OPERAÇÃO E MANUTENÇÃO Antonio Carlos Bacic Kravosac (1) Gilberto Scopiato Zacharias Elias Filho Sebastião de Paula Coura Celso Haguiuda Engenheiros do Departamento de Manutenção Elétrica e Instrumentação da Superintendência de Manutenção da Vice Presidência Metropolitana de Produção da SABESP. FOTOGRAFIA NÃO DISPONÍVEL Endereço (1) : Rua Adib Miguel Haddad, São Paulo - SP - CEP: Brasil - bacic@netpoint.com.br RESUMO A SABESP possui na Região Metropolitana de São Paulo, cerca de 825 instalações operacionais e administrativas, com uma demanda de energia elétrica de 180 MW e consumo de MWh/ano. São motores elétricos em operação, atuando sistemas que exigem freqüentes manobras de revezamento, paradas pôr produção e intervenções de manutenção. Os procedimentos para essas operações sempre visavam a garantia da continuidade dos serviços, a qualquer custo. A implantação de projetos para redução de despesas têm demonstrado que a otimização e automação desses procedimentos operacionais resultam em ganhos financeiros significativos, além do aumento de qualidade no processo. Nesse enfoque, o presente trabalho pretende mostrar que na SABESP o desenvolvimento de programas de baixo custo, enfocando as ações de otimização e automação de procedimentos operacionais, além do ganho de qualidade no processo, resultam em uma redução dos gastos com energia elétrica e dos custos de operação pela possibilidade de se evitar perdas ou gastos adicionais por manobras desnecessárias ou impróprias. Além dos planos de ações para implementar e perenizar projetos de redução de gastos que não necessitam e/ou demandam pouco recursos são identificadas também oportunidades para desenvolver projetos que necessitem aplicação de investimentos. Nesse foco a SABESP está estruturando modelos de parceria com a iniciativa privada, na forma de contratos de risco ou desempenho, onde o parceiro contratado será remunerado pelos investimentos efetuados, baseado nos ganhos obtidos com a redução de gastos com energia elétrica. PALAVRAS-CHAVE: Automação, Otimização, Energia Elétrica, Redução de Custos. 20 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 2117

2 INTRODUÇÃO Situações rotineiras na operação e manutenção de instalações de sistemas de saneamento básico ou industriais, conforme procedimentos executados podem gerar maior ou menor gasto, acarretando um prejuízo por esse custo adicional desnecessário. Para tais situações a SABESP está desenvolvendo projetos para otimização, modernização e automação de procedimentos de operação que, além do objetivo de reduzir custos operacionais, contribuirão para a conservação de mananciais e energia elétrica. Sendo assim, procurando trazer uma contribuição prática e tomando como referência instalações operacionais da SABESP, serão relatadas situações reais, mostrando a redução dos gastos com energia elétrica, operação e manutenção como resultado da otimização e automação de procedimentos operacionais e de manutenção. Para algumas situações rotineiras, são analisadas e contabilizadas as variações de gastos conforme procedimentos adotados, mostrando o quanto pode custar a mais uma simples operação não programada e cuja automação e otimização dos procedimentos operacionais sempre propiciam redução de custos: Otimização de procedimentos de manutenção, testes, ensaios, comissionamento de instalações e equipamentos ( principalmente no horário de ponta); Revezamento na operação de motores elétricos e equipamentos que consomem energia elétrica (optar pela operação dos motores de menor potência no horário de ponta e garantir que não ocorra simultaneidade de operação no revezamento de motores e equipamentos); Operação de reservatórios (otimização dos níveis operacionais de reservatórios, no escalonamento de operação dos conjuntos moto-bombas, da lâmina e níveis de segurança, nível mínimo operacional e extravasão); Operação dos sistemas de lavagem de filtros e recuperação da água de lavagem em uma Estação de Tratamento de Água (otimizar a operação interdependente principalmente no horário de ponta); Operação dos sistemas de filtros prensas em uma Estação de Tratamento de Esgoto (otimizar a operação interdependente, prensagem e carregamento, principalmente no horário de ponta); Operação de reservatórios torres elevadas ( adequar o sistema para atuar como sobra, otimizando a operação das moto-bombas ); Operação de reservatórios interligados (otimizar níveis utilizando a interdependência operacional desses reservatórios e otimizar continuamente a operação das bombas em relação a situação do abastecimento); Manutenção preventiva e preditiva (manter um nível de manutenção adequado, evitando perdas elétricas e hidráulicas ): manter limpo o sistema de refrigeração dos motores e manter correta lubrificação dos mancais de equipamentos, eliminar qualquer sobreaquecimento de equipamentos, conexões elétricas, etc, eliminar vazamentos, manter buchas e guarnições e refrigeração adequadamente; Operação de transformadores e motores (otimizar carregamento); Operação de bancos de capacitores ( inspecionar e manter em perfeitas condições); Operação de utilidades (otimizar operação das bombas para consumo próprio de água, equipamentos de refeitórios, iluminação de pátios, galerias, etc; 20 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 2118

3 Além dessas situações rotineiras de manobras, merecem análises outros situações e procedimentos operacionais, que podem propiciar uma redução nos custos operacionais: Redução desperdícios e gastos com energia elétrica atuando pelo lado do consumidor, otimizando a capacidade de reservação interna do consumidor; Redução perdas de água e desperdícios de energia elétrica pelo controle da pressão na rede através das válvulas redutoras de pressão, revertendo em ganhos para programas de uso racional da água e energia. Implantação de PCH (Pequenas Centrais Hidrelétricas) para geração de energia elétrica. aproveitando a energia hidráulica disponível no Sistema Adutor e em locais que atualmente se utilizam dispositivos para dissipação dessa energia tais como válvulas dissipadoras de energia, rampa dentada, etc. Aproveitamento do gás disponível nas Estações de Tratamento de Esgoto para geração de energia elétrica e calor para o processo, otimizando procedimentos de operação e reduzindo custos. Aproveitamento dos grupos geradores diesel, para emergências, para a geração própria de energia nos horários de ponta, reduzindo a energia solicitada da concessionária. AÇÕES QUE NÃO NECESSITAM E/OU DEMANDAM POUCOS RECURSOS: Um dos objetivos dessas ações é eliminar desperdícios, principalmente no horário de ponta, conforme legislação de energia elétrica (das 17:30 às 20:30 horas, de 2ª a 6ª feiras) otimizando ciclo de operação dos sistemas de ar condicionado, elevadores, aquecedores, chuveiros, iluminação nas instalações administrativas, operacionais, galerias e pátios. Outro objetivo, principal, visa a otimização e automação de procedimentos operacionais de subprocessos, que analisamos alguns em instalações de saneamento básico para tratamento de água e esgoto, elevatórias, reservatórios e infra-estruturas. CASOS TÍPICOS a) AUTOMAÇÃO E OTIMIZAÇÃO DO REVEZAMENTO NA OPERAÇÃO DE MOTORES ELÉTRICOS Instalação com 4 motores de 800 cv, sendo três operativos e um reserva, situação que demanda uma potência de 2400 cv, com tarifas do subgrupo A4, Tarifa Horo Sazonal - THS azul. Periodicamente é feito o revezamento de operação entre os motores. No entanto esse revezamento feito manualmente e de maneira que os quatros motores operem simultaneamente por um tempo suficiente para integralizar a potência dos quatros, demandando até 3200 cv e ultrapassando a demanda contratada, refletirá em um custo adicional, por multa de ultrapassagem da demanda na conta de energia elétrica. Conforme o horário dessa operação, as conseqüências são: Acréscimo de R$ 9.500,00/mes na conta, com essa operação no horário fora de ponta, e/ou R$ ,00/mês no horário de ponta. Ocorrendo essa operação, uma vez no mês, tanto no horário de ponta como no horário fora de ponta, o custo adicional atinge a R$ ,00 / mês ou R$ ,00 /ano. 20 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 2119

4 Comentários: com a otimização e automação desse procedimento, evitando a operação simultânea dos 4 motores no revezamento, com um sistema de R$ 2.500,00, reduz-se o gasto adicional de um valor mínimo de R$ ,00 / ano à um valor máximo de até R$ ,00 / ano. b) AUTOMAÇÃO E OTIMIZAÇÃO DE PROCEDIMENTOS DE OPERAÇÃO Em uma Estação de Tratamento de Água, a automação e otimização da operação interdependente entre sistemas de lavagem dos filtros e recuperação da água dessa lavagem, utilizando a capacidade de um reservatório da água de lavagem, de maneira que os dois sistemas não operem simultaneamente, propicia um redução significativa nos gastos com energia elétrica, conforme mostrado no presente caso: Dois motores de 250 cv operando na lavagem de filtros e dois de 250 cv operando na recuperação da água de lavagem. A operação simultânea desses sistemas demanda uma potência de cv e a operação intercalada e não simultânea dos dois sistemas demanda uma potência de 500 cv, com tarifas do subgrupo A4, Tarifa Horo Sazonal - THS azul. Isto implica que a operação simultânea dos dois sistemas tem um gasto maior com energia elétrica de R$5.000,00/mes no horário de ponta e de R$1.700,00/mes fora de ponta, e ocorrendo essa operação simultânea tanto no horário de ponta como fora de ponta acarretará um maior gasto com energia elétrica de até R$ 6.700,00/mês. Em conjunto com a otimização e automação para que os sistemas de lavagem e recuperação da água de lavagem não operem simultaneamente, se automatizar também o sistema de recuperação para que o mesmo não opere no horário de ponta, a redução dos gastos com energia elétrica será de R$13.600,00 / mês, mantida a mesma modalidade tarifária Comentários: a otimização e automação da operação interdependente desses dois sistemas, em uma ETA, por um sistema da ordem de R$ ,00, evita um gasto adicional com energia elétrica de um valor mínimo de R$ ,00 /ano à um valor máximo de R$ ,00 / ano. c) AUTOMAÇÃO E OTIMIZAÇÃO DE PROCEDIMENTOS OPERACIONAIS Uma instalação com 3 conjuntos motor bomba, potência 500 cv cada um, operativos, demandando uma potência de cv, subgrupo A4, THS azul, bombeando água para um reservatório elevado. Otimizando a capacidade do reservatório e a capacidade da elevatória à curva do consumo de água, foi possível otimizar a operação com dois motores no horário de ponta, demandando uma potência de cv. Essa otimização de procedimentos propicia uma redução nos gastos mensais com a conta de energia elétrica em R$ 7.500,00 / mês. 20 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 2120

5 Comentários: a otimização e automação desse procedimento de operação, seletivo entre os horários de ponta e fora de ponta, com um sistema de R$15.000,00, propicia uma redução nos gastos com energia elétrica em R$90.000,00 /ano. d) AUTOMAÇÃO NA OPERAÇÃO DE SISTEMAS ISOLADOS, OTIMIZANDO OS PROCEDIMENTOS OPERACIONAIS INTERDEPENDENTES ENTRE POÇOS PROFUNDOS E ELEVATÓRIAS COM RESERVATÓRIOS REMOTOS Para a maioria desses casos, otimizando as capacidades dos reservatórios remotos e a capacidade dos conjuntos motor bomba à curva do consumo de água, a automação desses procedimentos propiciam uma redução dos custos, evitando perda de água por extravasamento e desperdícios com energia elétrica. Em uma instalação típica, o controle entre o nível do reservatório e a operação do poço, era feita visualmente por um operador que deveria ligar ou desligar a moto bomba do poço, e pelas distâncias e condições de acesso, considerando ainda que o mesmo teria que controlar 15 outras instalações, era freqüente a ocorrência de extravasamento acarretando perdas ou esvaziamento do reservatório causando falta de água na região. Para 16 instalações típicas, recebendo energia elétrica em baixa tensão, 50 CV, 78 m³/h, 112 mca, com uma média de 2,5 horas/mês de extravasamento, por instalação, resultavam em prejuízo de R$ 1.500,00 / mês em desperdícios de água e energia elétrica, sem contabilizar as perdas com produtos químicos e os prejuízos inerentes nas situações de falta de água à população. Comentários: uma simples automação do intertravamento operacional, utilizando um cabo de sinais com um par, dois quadros elétricos para transmissão e recebimento de sinais e alugando postes da concessionária de energia para passagem desses cabos, além de melhorar a qualidade no abastecimento, evita-se um prejuízo de R$ ,00 / ano, a um custo de R$9.600,00 para instalação do sistema e um gasto pelo aluguel de 320 postes de R$742,40 / mês ou R$8.908,80 / ano; ou seja: paga-se o pequeno investimento em 12 meses e obtém-se um ganho de R$9.000,00/ano. Cabe ressaltar que para essas aplicações, a SABESP está desenvolvendo a automação com aplicação de sistema de transmissão de dados via rádio, que além de melhorar as condições operacionais, elimina a manutenção de linhas de transmissão, limita a necessidade de proteção contra interferências externas aos pontos de transmissão e recepção de sinais e permitem ainda, além da transmissão de dados do processo, a inclusão de funções e comando e controle. e) UTILIZAÇÃO DE GRUPOS GERADORES DIESEL NO HORÁRIO DE PONTA Os grupos geradores Diesel, para fornecimento de energia elétrica em situações de emergência, que praticamente permanecem quase todo tempo parado, com uma capacidade de geração ociosa, podem ser melhor aproveitados, entrando em operação no horário de ponta. Os estudos mostram que a operação dos mesmos, gerando energia elétrica nesse horário, tem custo menor que a energia fornecida pela concessionária. 20 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 2121

6 Avaliação de um sistema com duas instalações, uma elevatória e uma ETA, que recebem energia elétrica com tarifas do subgrupo A4, THS azul e Convencional respectivamente e possui um grupo gerador Diesel de 1800 KVA, para acionar dois motores de 500 cv e a ETA. A avaliação é feita em um modelo matemático, considerando as tarifas e impostos que incidem na conta de energia elétrica e o custo de operação do grupo gerador Diesel com todos os gastos previsíveis. Dados atuais da conta de energia elétrica, da Elevatória, para a avaliação Subgrupo tarifário A4; Modalidade THS azul; Período sazonal: seco; Demanda contratada no horário de ponta / fora de ponta = 470 kw / 470 kw Demanda registrada no horário de ponta / fora de ponta = 423 kw / 436 kw Ultrapassagem de demanda no horário de ponta / fora de ponta = zero kw / zero kw Consumo de energia no horário de ponta = kwh Consumo de energia no horário fora de ponta = kwh Fator de carga ponta / fora de ponta = 0,937 / 0,883 Maior demanda registrada últimos 11 meses ponta / fora ponta = 471,40 kw / 499,50 kw Dados da conta de energia elétrica, da ETA, para a avaliação Período sazonal: seco; Subgrupo tarifário: A4; Modalidade: Convencional Demanda contratada = 430 kw Demanda registrada = 420 kw Ultrapassagem demanda = zero kw Consumo total = kwh Fator de carga = 0,849 Maior demanda registrada últimos 11 meses = 451,50 kw Dados do grupo gerador Diesel Potência nominal, regime intermitente (kva) = 1.800,00 Potência líquida disponível - máxima (kw ) = 1.250,00 Quantidade de grupos geradores Diesel = 1,00 Potência máxima disponível (kw ) = 1.250,00 Custo total da operação + manut. (R$/MWh) = R$120,40 Dados da carga alimentadas pelo grupo gerador Diesel Demanda máxima / consumo total ponta = 843 kw / kwh (*) (*)Nota: somadas as demandas máximas e consumos das duas instalações. Resultados da simulação operando o gerador diesel no horário de ponta Condição de operação tarifa convencional THS azul THS verde operando com o gerador na - 14,61 % - 3,74 % 25,65 % na ponta, mas não alterando (prejuízo) (prejuízo) (redução) a demanda contratada operando com o gerador na - 14,61 % 25,33 % 25,65 % na ponta, mas alterando (prejuízo) (redução) (redução) a demanda contratada Ocorrendo ultrapassagem - 14,36 % - 70,73 % 24,12 % da demanda contratada (*) (prejuízo) (prejuízo) (redução) (*) considerado falha no gerador em um dia no mês e utilizando energia elétrica da rede elétrica nas três horas de ponta, desse dia. 20 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 2122

7 Comentários: o aproveitamento da ociosidade dos grupos Geradores Diesel, para gerar energia elétrica no horário de ponta, substituindo a fornecida pela concessionária, pode propiciar uma redução nos gastos de até 25 % (R$ ,00/ano) em relação ao valor atual da conta, com um grupo Gerador Diesel de R$ ,00. f) otimização e automação de procedimentos operacionais: Um sistema de filtro prensa, em uma ETE, com três filtros acionados por dois motores de 200 cv cada um, operando os três simultaneamente sendo um em operação efetiva e os outros dois em processo de carregamento, demandando uma potência de 1200 cv. A otimização possibilita automatizar o sistema de tal maneira que somente no horário de ponta se mantenha um filtro em operação e outro em carregamento, demandando uma potência de 800 cv, ou seja reduzindo 400 cv na demanda. Isto implica em uma redução de R$3.300,00/mês nos gastos. Comentários: a otimização e automação desse processo, no horário de ponta com um sistema de R$6.000,00, possibilita uma redução nos gastos de R$ ,00 / ano. g) otimização de procedimentos de manutenção: É um procedimento de toda equipe de manutenção, logo após a intervenção, colocar o equipamento em operação, mesmo sem carga, para teste, numa ansiedade natural para conclusão e constatação do sucesso da intervenção. Esse procedimento, sem observar as condições operacionais otimizadas da instalação ou do processo, pode acarretar um custo adicional, conforme mostramos a seguir, para uma instalação típica com 3 conjuntos motor bomba de 300 cv, sendo um reserva, acionando bombas para 250 l/s: procedimento operacional da perda de custo adicional ( R$) Total R$) equipe de manutenção produção energia elétrica ocorrendo na R$ ponta fora pta pta e fora pta desligando 1 motor operativo R$ 90,00 R$0,00 R$ 0,00 R$ 90,00 p/ teste do reserva, sem carga, por cerca de 15 minutos não desligando nenhum motor R$ 0,00 R$10.500,00 R$3.500,0 R$14.000,00 operativo, e testando o motor reserva em carga por 15 min. não desligando nenhum motor R$ 0,00 R$ 3.000,00 R$1.000,00 R$ 4.000,00 operativo, e testando o motor reserva sem carga por 15 min desligando 1 motor operativo R$ 0,00 R$0,00 R$ 0,00 R$ 0,00 p/ teste do reserva, com carga, por cerca de 15 minutos 20 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 2123

8 Comentários: nessa instalação, um simples procedimento de manutenção, pode acarretar um custo adicional de R$ 0,00 à R$ ,00, que poderá ser evitado automatizando o sistema de comando a um custo de R$2.500,00. COMENTÁRIOS É de notória importância otimizar e automatizar os procedimentos operacionais, quer em instalações de processo ou administrativas. Conforme apresentado nesse trabalho, os procedimentos de operação e manutenção em equipamentos e instalações, quando otimizados e automatizados propiciam ganhos significativos. Um único caso relatado nesse trabalho para um procedimento de manutenção que pode gerar um custo adicional de R$ ,00, pode ser evitado por um simples sistema de automação a um custo de R$2.500,00. Para apenas os seis casos de otimização de procedimentos operacionais apresentados nesse trabalho, a otimização e automatização podem propiciar uma redução de gastos de um mínimo de R$ ,00 / ano à R$ ,00 / ano a um custo de implantação, da automação e grupo gerador diesel, de R$ ,00, ou seja um retorno simples de no máximo 10 meses. Não considerando os casos da utilização do grupo gerador diesel no horário de ponta, com retorno em 2,5 anos, as outra cinco situações de automação, que apresentam um ganho mínimo de R$ ,00 / ano, com um custo para automação de R$ ,00 terá um retorno simples em 2 meses. RECOMENDAÇÕES A otimização de procedimentos operacionais, na maioria dos casos, estabelece condições de operações próximas aos limites de projetos e contratos, que, se desrespeitadas acarretarão prejuízos, ao invés de ganhos previstos e nessa situação, a automação do processo é imprescindível, evitando assim, intervenções aleatórias que acarretarão perdas financeiras. A automação deve trazer velocidade aos processos, não importando a tecnologia aplicada, quer eletromecânica ou digital, local ou remoto, sinais por linha telefônica, rádio freqüência ou satélite, eliminando aleatoriedade de ações e etapas desnecessárias e principalmente otimizando as etapas necessárias dentro dos limites de segurança. Nesse enfoque serão ilustradas situações práticas de variação do custo da operação conforme procedimento operacional executado em instalações e equipamentos para saneamento básico, embora sejam situações também típicas na maioria das empresas do setor industrial. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. SABESP Programa para Racionalização do Uso e Redução dos Gastos com Energia Elétrica 1997/ STEMAC Grupos Geradores Diesel 20 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 2124