I SERVIÇOS DE ENGENHARIA PARA CONTROLE DE PRESSÃO E VAZÃO COM IMPLANTAÇÃO DE VÁLVULAS REDUTORAS DE PRESSÃO (VRP) CONTROLADAS POR TELEMETRIA

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1 I SERVIÇOS DE ENGENHARIA PARA CONTROLE DE PRESSÃO E VAZÃO COM IMPLANTAÇÃO DE VÁLVULAS REDUTORAS DE PRESSÃO (VRP) CONTROLADAS POR TELEMETRIA Fabio Luiz Denapoli Engenheiro Chefe de Divisão de Controle de Perdas da Unidade de Negócio Centro da SABESP, trabalhando desde 1976 em Saneamento Básico e atualmente é o Coordenador dos Contratos de Prestação de Serviços de Engenharia para Controle de Pressões através da implantação de Válvulas Redutoras de Pressão controladas por telemetria para toda a Unidade de Negócio Centro da SABESP. Isabel Cristina Parreira Oshiro Engenheira Civil e Tecnóloga, trabalha desde 1997 na Companhia de Saneamento Básico do Estado de S. Paulo SABESP. Atualmente é assistente do Eng. Fábio Luiz Denapoli na Divisão de Controle de Perdas da Unidade de Negócio Centro onde coordena a implantação das VRP s e do Centro de Controle de VRP s por telemetria. Hélio Hasegawa Engenheiro Civil com 22 anos de experiência em projetos de Redução e Controle de Perdas, tendo coordenado diversos trabalhos em Empresas de Saneamento do Brasil e do exterior. Atualmente é o Coordenador do Contrato de Prestação de Serviços de Engenharia para Controle de Pressões, com implantação de VRP s controladas por telemetria, para a Unidade de Negócio Centro da SABESP. Carlos José Botelho Berenhauser Engenheiro com 30 anos de experiência em Saneamento no Brasil e no Exterior, com destaque para o período em que trabalhou na SABESP (1969/1984) coordenando os trabalhos de desenvolvimento e implantação do Projeto SCOA e do Programa de Controle de Perdas de Água. Após 1984 desenvolveu e coordenou diversos trabalhos na Área de Controle de perdas de Água em diferentes Empresas de Saneamento. Endereço: Rua Dona Eponina Afonseca, 168, Granja Julieta, CEP , São Paulo, SP, Brasil - Tel: (11) cjtb@enops.com.br RESUMO A instalação de válvulas redutoras de pressão VRP em sistemas de distribuição de água já se mostrou um eficiente fator para redução de perdas físicas, pois controlando-se as pressões do sistema reduz-se uma das principais causas de surgimento de vazamentos (pressão elevada), além de reduzir-se as vazões dos vazamentos. A utilização de controladores nestas válvulas potencializa o ganho das VRP s pois permite uma modulação da pressão em função da demanda, reduzindo ainda mais a pressão em horários de menor consumo. O sistema de monitoramento e telemetria instalado na Unidade de Negócio Centro permite o monitoramento e controle destas válvulas a distancia de uma forma bastante simples e especialmente desenvolvida para sistemas de distribuição de água realizando não só a coleta de dados, gerenciamento de alarmes e alteração das programações como também a análise dos dados obtidos quanto às vazões mínimas noturnas e priorisações de pesquisa de vazamentos. PALAVRAS-CHAVE: VRP, VRP com telemetria, controle operacional, controle de pressão, redução de perdas físicas. INTRODUÇÃO Historicamente no Brasil, as redes de distribuição são projetadas para operarem automaticamente, isto é, não dispõem de órgãos de controle interno. As válvulas projetadas e instaladas têm como objetivo permitir fechamentos parciais da rede para fins de reparos. ABES Trabalhos Técnicos 1

2 Do ponto de vista operacional, parte-se do principio de que estando o reservatório de montante com nível adequado, a rede está também adequadamente pressurizada e em condições normais de funcionamento. Em sistemas de abastecimentos complexos e com crescimento explosivo como no caso da RMSP, tornou-se, quase impossível manter as características originais de projeto dos setores de abastecimentos e consequentemente as condições operacionais desejáveis. A falta de controle interno aos setores de abastecimento além de impedir que os responsáveis pela operação obtenham informações imprescindíveis para o tomar decisões e desencadear ações que garantam a normalidade do abastecimento, em condições topográficas desfavoráveis como as da RMSP, geram pressões excessivas na tubulação, resultando em alto nível de perdas e desperdícios. A deficiência de controle na rede distribuidora é gritante, se comparada com o sistema adutor. As variáveis operacionais do SAM- Sistema Adutor Metropolitano, com cerca de Km, são monitoradas e controladas em mais de 130 locais ao longo de sua extensão. Em contrapartida na distribuição, cerca de Km de tubulações, compreendendo rede e ramais não possuem monitoração sistemática de suas variáveis básicas, como vazão e pressão Conseqüências da falta de monitoração e controle da rede distribuidora: a) Pressões excessivas ou insuficientes b) Dificuldade em identificar sistematicamente as áreas de maior incidência de fugas, tornando necessário desenvolvimento de campanhas extensivas de pesquisa de vazamentos, ao invés de seletivas, que são mais econômicas. c) Dificuldade de identificar áreas com maior reincidência de vazamentos, para eliminação de causas e/ou estabelecimento de cronograma racional de campanhas de pesquisa de vazamentos. Vantagens da compartimentação da rede em zonas de controle: a) Limitação da pressão à níveis compatíveis com o material e idade da rede e ligações, agindo consequentemente sobre este agente causador de fugas e desperdícios. b) Monitoração da vazão mínima noturna c) Eliminação de áreas com pressão deficiente d) Monitoração comparativa dos volumes macro e micromedidos para avaliação das perdas totais, permitindo orientar programas de redução de agentes causadores; A SITUAÇÃO ESPECÍFICA DA UNIDADE DE NEGÓCIO CENTRO: O programa de instalação de válvulas redutoras de pressão- VRP- com o objetivo de controlar pressões em 40% da rede a médio prazo poderá ser um passo de significativa importância no sentido de se atingir o controle pleno da rede distribuidora, conforme preconizado acima. Isto porque, para a instalação de VRP é necessário segregar uma parte da rede em sua área de influencia. As características principais da Unidade de Negócio Centro são: População Atendida: habitantes Extensão de Rede de Distribuição: Km Extensão de Ramais Prediais: Km Total de Ligações de Água: ABES Trabalhos Técnicos

3 Total de Economias Atendidas: Volume Médio Fornecido: m3/mês Vazão Média: 15,50 m3/mês Idade da Rede de Distribuição: Antes de 1974: 60 % Depois de 1974: 40 % Pressões incidentes na Rede de Distribuição Pressão < 30 mca = 11 % da Área = 612 Km Pressão entre 30 mca e 60 mca = 61% da Área = Km Pressão > 60 mca = 28% da Área = Km DESCRIÇÃO DO SISTEMA IMPLANTADO Conforme a experiência internacional comprovada, a diminuição das áreas com redes submetidas a pressões elevadas conduz a diminuição de ocorrências de vazamentos e arrebentamentos, trazendo com isso significativa redução das perdas físicas de água. Além disso, a eliminação de pressões elevadas acarreta o uso mais eficiente de água pois diminui os vazamentos nas instalações domiciliares, extravazamentos nas caixas de água por falhas nas válvulas de bóia de controle de nível das caixas de água e o desperdício por parte dos usuários que são alimentados diretamente pela rede (sem caixa de água domiciliar), permitindo, com a mesma capacidade de produção, atender um universo maior de consumidores. O dispositivo largamente utilizado para esta função é a válvula redutora de pressão VRP, que através de um circuito de pilotagem hidraúlico-mecanico, mantém a pressão de jusante constante independente da pressão de montante ou da vazão. É importante ressaltar que tal controle se dá sem a necessidade de nenhuma fonte externa de energia, tanto elétrica ou mecanica, desta forma podendo sua instalação ser realizada em caixas sujeitas a inundações. Mesmo que a VRP garanta a pressão estabelecida a jusante para qualquer condição de vazão, ou de pressão de montante, pode-se obter um melhor resultado instalando-se um controlador desta VRP, o controlador Terá a função de modular a pressão de jusante em função do consumo. Esta modulação pode ser através de horário ou de uma forma mais precisa por vazão. Para definir os parâmetros de controle deve-se levar em consideração as características próprias de cada local instalado (porte do equipamento, perdas de carga na rede, vazões, áreas estratégicas, pontos críticos, etc.). Estas condições devem ser criteriosamente levantadas nos projetos através de medições de pressões e vazões com data-loggers (armazenadores de dados). Em todos os casos a definição dos valores de controle da válvula serão definidos por medições de pressão nos Pontos críticos da área de influencia da válvula, uma vez que será necessário manter uma pressão mínima em toda a rede e ramais abastecidos. É importante ressaltar que os controladores utilizados neste sistema de controle de pressão são fabricados unicamente para esta função, e desta forma apresentam características peculiares e próprias para esta função, que o diferenciam de outros CLP s utilizados no saneamento básico sendo as de maiores destaques as seguintes: Proteção IP 68: podem ficar submersíveis até uma profundidade de 2 metros, condição bastante recorrente em sistemas de distribuição de água. Baterias internas de 5 anos: baterias internas com vida útil estimada em 5 anos, podendo ser substituídas após o seu término, não necessitando de nenhuma fonte externa de energia, o que reduz os custos de instalação e manutenção, além de agilizar sua instalação e troca do ponto de controle. ABES Trabalhos Técnicos 3

4 Armazenadores de dados (data-loggers): possuem armazenadores de dados (data-loggers) das pressões de montante e jusante, e da vazão, o que possibilita a armazenagem de dados local, possibilitando que se obtenha todas as informações necessárias para análise e avaliação do controle. Independência de central de supervisão: os controladores inteligentes possuem independência de CCO, uma vez que existe armazenagem de dados e inteligência local, todo o controle é realizado localmente pelo Controlador, com base nos parâmetros definidos pelo operador para modulação através de horário ou vazão. Nas VRPs de maior importância em função da vazão e da complexidade da área de influencia viu-se a necessidade de manter-se um monitoramento constante da sua atividade inclusive com possibilidade de alteração de seus parâmetros de controle com uma maior agilidade, além disto tendo em vista que as válvulas instaladas na realidade funcionavam também como distritos de medições uma vez que possuíam medidores de vazão em sua entrada, decidiu-se pela realização de um sistema de controle e monitoramento a distancia. Desta forma foram instalados modems nos controladores de VRP instalados, e dataloggers (armazenadores de dados) de pressão com modem interno nos pontos críticos das áreas de influência das VRP s monitoradas. O sistema de controle e monitoramento foi desenvolvido baseado nas necessidades de controle da rede de distribuição com características distintas de um centro de controle tradicional, o sistema proposto é um sistema concebido com base em conceito de automação e armazenagem de dados local, programavel a distancia por telemetria/telecomando. Esta solução está um passo a frente, em termos de filosofia de controle de processo, de um sistema tipo SCADA tradicional, pois permite, além da aquisiçao de dados e controle em tempo real, a completa automação local do processo com supervisão a distancia. Esta solução é o estado da arte em termos de controle de processo, pois no caso específico de sistema de distribuição de água, possui a grande vantagem de operar mesmo em casos de falta de comunicação, falta de energia elétrica, e de inundações, além de ambientes agressivos (grau de proteção IP68). Os equipamentos, incluindo CLP, sensores de pressão, micro solenóides de controle, sensores de status e armazenadores de dados ( data logger), são alimentados através de banco interno de baterias com vida útil superior a 5 (cinco) anos de operação, substituíveis após este período, mesmo tendo comunicação telefônica e supervisão. O nível de carga das baterias pode ser medido de forma a sua substituição poder ser efetuada preventivamente, sem perda de dados ou controle. Esta forma de alimentação autônoma do conjunto de medição e controle tem a vantagem de garantir a manutenção plena de todos os parâmetros de controle mesmo no caso de falta de energia elétrica, de comunicação, ou de ambas. No caso de falta de comunicação por falha da concessionária de telefonia não haverá perda de informações e controle pois os equipamentos possuem armazenador de dados (data-logger) e inteligência local para manutenção dos loops de controle conforme programação pré-estabelecida. Os meios de comunicação utilizados são: linha telefonica discada (comum), linha telefonica celular pré-pago e radio. Seguindo esta seqüência de escolha caso a caso. Foi priorizado a utilização de linha telefonica comum por terem custos de investimento e manutenção inferiores às linhas privativas (LP). Por possuirem alarmes programáveis com valores máximos e mínimos os equipamentos (Controladores e data-loggers) não necessitam de comunicação ininterrupta com a central de supervisão, pois caso ocorra alterações os equipamentos entram em contato com a central de supervisão, da mesma forma que, a central de supervisão é programada para entrar em contato e receber dados dos equipamentos, em certos dias da semana ou diariamente. 4 ABES Trabalhos Técnicos

5 Os dados obtidos dos controladores e data-loggers são analizados automaticamente pelo sistema, para detectar diferenças quanto aos seus parâmetros de programação, e quanto a sua série histórica, desta forma por exemplo se a vazão mínima noturna da área de controle da VRP aumentar em função de sua série histórica, o sistema automaticamente gerará um alarme avisando o operador de tal condição permitindo ao mesmo realizar alguma ação corretiva como por exemplo pesquisa de vazamentos invisíveis dentro da área desta VRP, desta forma priorizando áreas para pesquisa com maior potencialidade de vazamentos. O sistema instalado também realiza análises dos distritos de medição (VRPs) quanto a comparação de vazões mínimas noturnas por número de economias, ou vazões mínimas noturnas por Km de rede entre áreas de VRP, desta forma permite detectar entre as válvulas controladas a área que apresenta potencialmente maior índice de vazamentos proporcionalmente ao seu tamanho, permitindo desta forma realizar uma lista das áreas a serem realizadas pesquisas de vazamentos em ordem de prioridades. O sistema instalado também monitora as condições dos pontos críticos das áreas instaladas, desta forma quando um dos parâmetros de pressão máxima ou mínima for atingido o logger liga para a central de supervisão, e o sistema então receberá este alarme gerando um relatório de alarme com todos os dados necessários para o operador. Este mesmo sistema pode ser instalado em outros distritos de medição que não de VRP como booster de tal forma que será controlado também a distancia suas pressões e sua vazão, realizando todas as análises e relatórios já descritos anteriormente. Figura 01 Esquema de instalação do Controlador por telemetria Linha Telefônica Caixa de Solenóide Controlador Dados do Hidrômetro (pulso) Piloto + Atuador ABES Trabalhos Técnicos 5

6 Figura 2 Esquema do Sistema Instalado RESULTADOS OBTIDOS Com a implantação de 30 sistemas de Controle de Pressão com VRPs e controladores na Unidade de Negócio Centro (até Julho/2000), os principais resultados obtidos foram: - Redução do Volume Total Aduzido aos Sub-Setores = 463,20 L/s = ,40 m3/mês - Percentual de Redução do Volume Total Aduzido = 25,1 % - Valor Total do Custo de Economia de Água = R$ ,20 (custo de 0,36 R$/m3) - Retorno do Investimento Total = 3,5 meses - Valor Total Gasto na Implantação dos 30 Sistemas de Pressão = R$ ,60 CONCLUSÕES Pode-se concluir que a instalação de sistemas de controle de pressão através de VRPs com controladores efetivamente reduzem as perdas físicas em sistemas de distribuição de água, de tal forma que sua instalação não só se justifica, como também demonstra que deve ser realizada o quanto antes possível pois suas recuperações são extremamente significativas. Um sistema de supervisão e controle também se justifica pois o mesmo é que garantirá a permanencia do funcionamento do sistema de controle de pressões na melhor condição possível, pois a experiência tem mostrado que uma vez que a rede de distribuição altera-se ao longo do tempo as válvulas instaladas com saída fixa ou com controladores sem sistema de telemetria podem Ter seu by-pass aberto inutilizando-a. Tal acontecimento não ocorre com um sistema de supervisão, pois quando um by-pass de uma válvula com sistema de telemetria é aberto automaticamente é gerado um alarme, e mesmo quando isto ocorre fora do horário comercial, por possuírem armazenadores de dados será possível identificar o momento exato da abertura da válvula. 6 ABES Trabalhos Técnicos

7 O sistema instalado permite ainda o monitoramento automático das perdas físicas dentro da área de influência das válvulas, uma vez que o mesmo analisa constantemente e automaticamente as vazões mínimas noturnas das válvulas, determinando quando deve ser realizada pesquisa de vazamentos na área. ABES Trabalhos Técnicos 7