UNIVERSIDADE ESTADUAL DE FEIRA DE SANTANA DEPARTAMENTO DE TECNOLOGIA CURSO DE ENGENHARIA CIVIL ELVILSON PIRES SÁ TELES

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1 UNIVERSIDADE ESTADUAL DE FEIRA DE SANTANA DEPARTAMENTO DE TECNOLOGIA CURSO DE ENGENHARIA CIVIL ELVILSON PIRES SÁ TELES ESTUDO DE OTIMIZAÇÃO DO SISTEMA DE ABASTECIMENTO DE ÁGUA DE SÃO CRISTOVÃO / OVO DA EMA COM O EPANET FEIRA DE SANTANA, BA, BRASIL SETEMBRO / 2008

2 ii ELVILSON PIRES SÁ TELES ESTUDO DE OTIMIZAÇÃO DO SISTEMA DE ABASTECIMENTO DE ÁGUA DE SÃO CRISTOVÃO / OVO DA EMA COM O EPANET Trabalho de Conclusão de Curso da Universidade Estadual de Feira de Santana, apresentado à disciplina Projeto Final II como requisito parcial para obtenção de título de Bacharel em Engenharia Civil. Orientador: Prof. Dr. Roque Angélico Araújo FEIRA DE SANTANA, BA, BRASIL SETEMBRO / 2008

3 iii ELVILSON PIRES SÁ TELES ESTUDO DE OTIMIZAÇÃO DO SISTEMA DE ABASTECIMENTO DE ÁGUA DE SÃO CRISTOVÃO / OVO DA EMA COM O EPANET TERMO DE APROVAÇÃO Monografia aprovada como requisito parcial para obtenção do título de Bacharel em Engenharia Civil, Universidade Estadual de Feira de Santana, pela seguinte banca examinadora. Data da Aprovação: / /. Banca Examinadora: Prof. Dr. Roque Angélico Araújo (Orientador) Universidade Estadual de Feira de Santana Prof a. Drª. Selma Cristina da Silva Universidade Estadual de Feira de Santana Profª Drª Sandra Maria Furian Dias Universidade Estadual de Feira de Santana FEIRA DE SANTANA, BA, BRASIL SETEMBRO / 2008

4 iv AGRADECIMENTOS Agradeço a Deus, pela vida. Ao orientador Eng. Roque Angélico Araújo, pela sua competência como profissional e professor, pelo conhecimento transmitido e por toda dedicação empenhada. Ao setor de expansão da EMBASA de Feira de Santana, principalmente ao Eng. Humberto Mário e o Técnico Blénio, pela grande contribuição no desenvolvimento do trabalho, através do fornecimento dos dados e orientações. Meu pai, Elvilson Cláudio Sá Teles (in memorian) pela educação e por sua cobrança constante de caráter e honestidade. Minha Mãe, Maria da Paz Pires, pelo incentivo e pela a grande preocupação com a formação dos seus filhos. difíceis. A minha noiva, Jeane, pelo apoio, compressão e paciência nos momentos trabalho. Aos amigos e a todos que colaboraram para a concretização deste

5 v RESUMO O aumento populacional, acompanhado da intensificação das atividades socioeconômicas, tem tornado a distribuição de água, em quantidade e qualidade adequada, um dos grandes desafios para as companhias de saneamento. Constantemente surgem novas ampliações nas redes de distribuição já existentes, havendo a necessidade da tomada de decisão buscando uma forma mais econômica para garantir o abastecimento com vazão e pressão suficientes em todos os pontos de consumo. Este trabalho apresenta o estudo de um sistema com problemas no abastecimento com água tratada. Inicialmente é feita a caracterização da situação atual e a partir dos problemas diagnosticados, foram propostas alternativas para regularizar o abastecimento, equilibrar as pressões e otimizar o consumo com energia elétrica. Para modelagem do comportamento hidráulico do sistema em estudo utilizou-se o modelo EPANET, de domínio público desenvolvido pela Agência de Proteção Ambiental Americana. Com a utilização deste programa foi possível modelar a situação atual e diagnosticar as alternativas para otimizar o sistema de abastecimento de São Cristovão/Ovo da Ema. A seleção da melhor alternativa foi obtida de acordo com a análise econômica das alternativas propostas. Palavras-chaves: Otimização, Análise Econômica, Modelagem Hidráulica, Eficiência energética.

6 vi ABSTRACT Increasing population, accompanied by the intensification of socioeconomic activities, has made the distribution of water in adequate quantity and quality, one of the major challenges for companies of sanitation. We constantly are new enhancements in distribution networks already in existence, will need a decision seeking a more economical way to ensure the supply with sufficient flow and pressure at all points of consumption. This paper presents the study of a system with problems in supply with treated water. Initially it made the characterization of the current situation and from the identified problems, alternatives were proposed to regulate the supply, the pressure balance and optimize the consumption with electric energy. For modeling the behavior of the hydraulic system under study is the model used EPANET, public domain developed by the U.S. Environmental Protection Agency. With the use of this programmed was possible model the current situation and diagnose the alternatives to optimize the supply of Saint Kitts / Egg's Ema. The selection of the best alternative was obtained in accordance with the economic analysis of the proposed alternatives. Keywords: Optimization, the Economic Analysis, Modeling Hydro, energy efficiency.

7 vii LISTA DE FIGURAS Figura Esquema de instalação padrão de uma VRP. 22 Figura Curva de Funcionamento da Bomba para diferentes rotações. 23 Figura Diagrama de Blocos de um inversor de freqüência. Fonte: Capelli Figura EEAT São Cristovão. 28 Figura Booster de Ovo da Ema. 28 Figura Layout do SAA São Cristovão / Ovo da Ema. 30 Figura Modelagem do sistema de distribuição de água Situação atual. 40 Figura Modelagem do sistema de distribuição de água - Alternativa Figura Modelagem do sistema de distribuição de água - Alternativa Figura Modelagem do sistema de distribuição de água - Alternativa

8 viii LISTA DE TABELAS Tabela Demandas de água, cotas e distâncias entre nós. 34 Tabela Diâmetros, comprimentos e rugosidades dos tubos. 35 Tabela Resumo da Simulação Situação Atual. 38 Tabela 6.4 Planilha de custos e consumo com energia elétrica do Booster de Ovo da Ema. 43 Tabela 6.5 Planilha de custos e consumo com energia elétrica do Booster da EEAT São Cristovão. 44

9 ix LISTAS DE SIGLAS, SÍMBOLOS E ABREVIATURAS A C Total EEAT F i a..m. i a.a IPD K 1, K 2 L m.c.a N 1, N 2 NBR P P 1, P 2 P POT Q Q 1, Q 2 q m SAA SIAA T 1, T 2 VRP Parcelas com amortização de capital (mês) Custo Total mensal Estação Elevatória de Água Tratada Freqüência Taxa de juros ao mês Taxa de juros anuais Índice de Perdas na Distribuição Coeficiente do dia de maior consumo e da hora de maior demanda Comprimento de rede Metros de coluna d água Rotação Inicial e final Norma Brasileira Valor presente Potência inicial e final Potência Per Capta Vazão inicial e final Vazão específica Sistema de Abastecimento de Água Sistema Integrado de Abastecimento de Água Torque Inicial e final Válvula Redutora de Pressão

10 10 SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO JUSTIFICATIVA OBJETIVOS Objetivos Gerais Objetivos Específicos REVISÃO BIBLIOGRAFICA Dimensionamento de redes Válvulas Redutoras de Pressão (VRP s) características e importância Variação de rotação de bombas por inversor de freqüência Modelos utilizados para simulação hidráulica Calibração dos modelos de Simulação das Redes de Distribuição Análise econômica de projetos METODOLOGIA Levantamento de dados Levantamento bibliográfico Descrição e local do sistema em estudo Análise dos parâmetros hidráulicos a) Propriedades dos nós da rede b) Propriedades das tubulações dos trechos da rede: c) Propriedades do conjunto motor-bomba Análise dos parâmetros energéticos Análise econômica RESULTADOS DIAGNÓSTICO E SIMULAÇÃO REFERENTE À SITUAÇÃO ATUAL Análise dos parâmetros energéticos da situação atual ESTUDO DAS ALTERNATIVAS ALTERNATIVA Custo estimado com energia elétrica Análise econômica referente à alternativa ALTERNATIVA Custo estimado com energia elétrica Análise econômica referente à alternativa ALTERNATIVA Custo estimado com energia elétrica Análise econômica referente à alternativa RESUMO DA ANÁLISE ECONÔMICA DAS ALTERNATIVAS CONCLUSÃO E RECOMENDAÇÕES REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ANEXOS... 56

11 11 1. INTRODUÇÃO O sistema de abastecimento de água da comunidade de São Cristóvão / Ovo da Ema, em análise, pertencente ao sistema de abastecimento integrado de Feira de Santana, apresenta regiões com freqüentes problemas de desabastecimento e, segundo o balanço hídrico do ano de 2007, o índice de Perdas na Distribuição anual (IPD 12 ) é de 57,64%, estando muito acima do normal para a região de Feira de Santana (IPD 12 = 36%), além de possuir comunidades sem acesso a água tratada. Tendo em vista esses problemas apresentados pelo Sistema São Cristóvão/Ovo da Ema, o presente estudo desenvolve uma análise dos parâmetros hidráulicos, energéticos e econômicos, tendo como objetivo propor intervenções para melhoria na operação do mesmo, a fim de regularizar o abastecimento no referido Sistema, reduzir perdas de água e energia, e possibilitar o abastecimento das comunidades sem acesso à água tratada. Para análise dos parâmetros hidráulicos foram feitas modelações com o programa EPANET, a fim de caracterizar a situação atual do sistema, identificando as regiões com problemas de desabastecimento de água, e efetuar simulações com as possíveis intervenções a serem realizadas visando otimizar a operação do referido sistema. No que se refere à análise dos parâmetros energéticos foi feito um estudo do custo médio mensal da energia elétrica, referente à situação atual, seguido de uma estimativa do custo do consumo futuro, após as intervenções propostas pelo estudo. Para a análise econômica foi avaliado o custo mensal das alternativas propostas, considerando um horizonte de projeto de dez anos. O custo se refere ao investimento, com amortização de capital, somado ao custo de energia elétrica.

12 12 2. JUSTIFICATIVA O Sistema de abastecimento de água de São Cristóvão/Ovo da Ema, em análise, é composto por uma estação elevatória de água tratada, implantada em 1992, e um booster, implantado em 2000, ambos projetados para um horizonte de 10 anos. Tendo em vista o período de operação desse sistema, percebe-se claramente que o mesmo encontra-se já em final de plano, demonstrando problemas que geram o desabastecimento de algumas regiões enquadradas na área do Sistema o que, por si só, justifica a elaboração de um projeto para propor intervenções, como redimensionamento do sistema em questão. Esse sistema, além de possuir deficiência no abastecimento, está apresentando custo elevado com energia elétrica em função da tarifa contratada no Booster de Ovo da Ema. Portando esse custo elevado e a variação de demanda apresentado pelo sistema, justificam a desativação do booster e a utilização do inversor de freqüência para acionamento do conjunto motor-bomba, propostos neste projeto. Essas intervenções irão contribuir para a utilização eficiente da energia elétrica, e para o equilíbrio das pressões do sistema em relação à situação atual. Além disso, a partir do redimensionamento do sistema o projeto se destina a abastecer a comunidade Lagoa Salgada, sem acesso a água tratada, de forma regular. O aumento da demanda por serviços de abastecimento de água e, conseqüentemente por energia elétrica, a competição pelos recursos hídricos no âmbito das bacias hidrográficas, a necessidade de cumprimento de acordos internacionais na área ambiental, o aumento do custo de energia elétrica e a escassez de recursos para viabilizar novos investimentos que aumentem a oferta de água e energia no médio e longo prazo, também podem ser apresentadas como justificativas para a elaboração de um estudo que vise à otimização de um sistema de abastecimento de água.

13 13 3. OBJETIVOS 3.1 Objetivos Gerais Otimizar o abastecimento de água de São Cristóvão/Ovo da Ema através de modelagem operacional com o EPANET. 3.2 Objetivos Específicos Avaliar a condição atual do abastecimento de água de São Cristóvão/Ovo da Ema com o EPANET; Propor alternativas para regularizar o abastecimento com água tratada da comunidade de São Cristóvão/Ovo da Ema; Estabelecer medidas para equilibrar as pressões na rede de distribuição de acordo exigências da NBR NB 594; Propor alternativas para otimizar o consumo com energia elétrica; Possibilitar o acesso à água tratada para comunidade de Lagoa Salgada;

14 14 4. REVISÃO BIBLIOGRAFICA Os fundamentos teóricos deste trabalho estão subdivididos em cinco seções. Na primeira, apresenta-se um método de dimensionamento de redes de abastecimento de água. A segunda aborda algumas características e importância das válvulas redutoras de pressão (VRP s). Na terceira é apresentado o principio de funcionamento e função do inversor de freqüência. Na quarta, citam-se alguns modelos de simulação hidráulica. Na quinta, são apresentadas algumas técnicas de calibração de redes de distribuição, além dos níveis de aceitabilidade. E na sexta seção relata a importância da análise econômica de projetos.

15 Dimensionamento de redes Na elaboração de projeto de rede de distribuição de água para abastecimento público deve-se seguir as condições exigíveis de acordo com a NBR (1994). Essa norma descreve as definições, fixa condições para o dimensionamento das tubulações, para criação de setores de medição, aborda disposições construtivas, entre outras. O Dimensionamento de redes de abastecimento de água pode ser realizado pelo Método Pimentel Gomes, que equilibra hidraulicamente a rede de abastecimento, em escoamento permanente, proporcionando, como resposta, os diâmetros dos trechos, as pressões disponíveis nos nós e altura manométrica na alimentação do sistema de distribuição de água. O método pode ser considerado uma alternativa à metodologia de Hardy Cross. O método de Pimetel Gomes, se divide em duas etapas. Na primeira fazse um pré-dimensionamento do sistema, no qual os diâmetros, as vazões nos trechos e a altura manométrica de alimentação são variáveis continuas a serem determinadas pelo processo de busca de uma solução hidraulicamente viável, ou seja, que cumpra as leis de conservação de massa nos nós e de conservação de energia nos anéis e que atenda á demais restrições hidráulicas impostas ao dimensionamento (Gomes, 2004). Os resultados da variáveis obtidas nesta etapa atendem às restrições hidráulicas impostas ao dimensionamento, resultando numa alternativa de cálculo que necessita ser ajustada, já que os valores contínuos obtidos para os diâmetros dos trechos não coincidem com os valores nominais disponíveis no mercado. Portando, deve-se executar uma segunda etapa de cálculo para ajustar a solução obtida inicialmente. Na segunda, etapa os valores dos diâmentros encontrados inicialmente para os trechos devem se aproximados para os valores nominais vizinhos. Sendo assim, os diâmetros não mais serão variáveis na segunda etapa de busca de uma solução para o dimensionamento da rede, que atenda a todas as restrições impostas. As vazões nos trechos da rede continuam como variáveis (na segunda etapa), equanto a altura manométrica de alimentação poderá ser fixa ou variável, dependendo das simulações a serem efetuadas pelo projetista.

16 Válvulas Redutoras de Pressão (VRP s) características e importância As válvulas redutoras de pressão representam uma solução para ajuste de pressões em um sistema de distribuição de água de forma confiável. Na maioria dos casos Não é dada devida atenção à importância das válvulas e suas disposições nos sistemas de distribuição, conforme (WALSKI, 2001) De acordo com SILVA (1998) a instalação de uma VRP, dimensionada para reduzir as cargas em 60 % (por exemplo, de 100mH 2 O para 40mH 2 O.), em um setor com perdas físicas conhecidas de 50%, acarretará uma redução de 37% nas perdas existentes, as quais passarão de 50% para 31,5%, com uma redução efetiva de 18,5%. Portanto, é possível quantificar previamente as reduções de perdas esperadas por meio de reduções de pressões e, com isso, avaliar economicamente o retorno dos investimentos a realizar para atingir os objetivos. Segundo BARROSO (2005), as variações topográficas aliadas às perdas de carga dentro de uma zona de pressão favorecem a utilização de válvulas redutoras de pressão, visando manter pressões na rede inferiores a 30mH 2 O. O princípio básico da VRP é a manutenção de uma pressão fixa na sua saída. Em locais onde se verificam consideráveis variações de pressão, decorrentes de perdas de carga no sistema, torna-se interessante à utilização de controladores eletrônicos, que são equipamentos dotados de circuito eletrônico com armazenador de dados e válvulas solenóides, alimentados através de bateria de lítio, com uma vida útil de aproximadamente 5 anos. Assim, há três tipos básicos de controle de pressão com utilização de VRP: Pressão de Saída Fixa (VRP sem controlador): é usada quando o sistema a ser controlado não tem mudanças significativas de demanda, e as perdas de carga são relativamente pequenas (menores do que 10mH 2 O, sob quaisquer condições de operação). Modulação por Tempo: é usada para controlar um sistema que apresenta grande perda de carga (superior a 10m H 2 O), porém de perfil regular de consumo. Assim, a válvula irá trabalhar com patamares de pressão de saída, ajustados no tempo.

17 17 Modulação por Vazão: é usada para controle em sistemas que apresentam grande perda de carga (grandes áreas) e mudanças no perfil de consumo, tanto no tipo de uso, como na sazonalidade ou na população (como no caso de cidades turísticas). Apesar de ser o tipo de controle mais eficiente, necessita de controlador mais caro, e de um medidor de pulso de vazão. Para dimensionar corretamente a VRP e escolher o método de controle ou modulação (pressão de saída fixa, modulada pelo tempo ou pela vazão) é importante considerar o impacto das flutuações sazonais na demanda e o tipo de área que está sendo suprida. A maior parte das áreas tem alguma forma de macromedição (parcial ou total). Geralmente a VRP deve controlar somente uma parte do setor, no entanto, as leituras de um macromedidor são boas indicações do tipo de mudança que pode ocorrer devido ao efeito da sazonalidade. É recomendável a realização de uma pesquisa de vazamentos e o reparo de todos os vazamentos encontrados na área de influência da futura válvula antes da realização das medições de vazão, pois a tendência é haver uma redução na vazão do sistema após a implantação da VRP (redução dos vazamentos). As vazões medidas serão utilizadas para o dimensionamento da válvula (isso evitará um possível superdimensionamento da VRP). Para WALSK (2001) a quantidade de vazamento em um sistema de distribuição de água está relacionada à pressão do sistema, portanto, reduzindo as pressões durante as horas de menor consumo pode-se reduzir os vazamentos. A redução da pressão é alcançada através da operação de válvula. Além do mais, o gerenciamento da pressão da água e o controle ativo de vazamentos envolvem a setorização de grandes redes em áreas menores (chamados Distritos Hidrométricos) que são melhor monitorados. Assim, a modelagem é usada para ajudar a gerenciar a redução de vazamentos pela determinação dos efeitos que cada setorização de redes em áreas menores ou a regulação dos controles de válvulas sobre pressão e vazão através do sistema. Os benefícios da operação das VRP nas áreas de influência com controle de pressão, segundo VIEGAS (2001) são:

18 18 redução das vazões diárias de operação provocada pelo rebaixamento da pressão a níveis operacionais que evitem a falta de água nos pontos críticos, porém, reduzindo a pressão excedente; redução brusca da incidência de rompimentos de tubulações melhorando a qualidade do atendimento e reduzindo os custos de manutenção; operação do sistema de abastecimento de água com pressões mais estabilizadas e de intensidade adequada reduzindo a ocorrência de danos inclusive às instalações hidrossanitárias prediais. A maioria dos fabricantes trabalha com uma válvula do tipo globo ou angular, operada hidraulicamente, controlada pelo acionamento direto de mola, diafragma e válvula piloto. O circuito piloto permite um total auto-ajuste da válvula, e assegura um controle extremamente preciso da pressão reduzida, dentro de extensas variações de vazão. A válvula fica normalmente aberta quando a pressão da linha é aplicada na entrada da válvula. Quando essa mesma pressão é aplicada na cabeça da válvula, a válvula se fecha, porque a área do diafragma ou pistão é maior que a área da sede da válvula. É o controle da pressão acima do diafragma ou pistão que determina a posição da válvula principal ou seja, aberta, fechada ou em uma posição intermediária (Figura 4.1). Figura Esquema de Funcionamento de uma VRP.

19 19 O controle piloto é um acionamento direto, ajustável, projetado para permitir o fluxo quando a pressão a jusante fica abaixo da ajustada pela mola. Com o incremento na demanda, tem-se como resultado a queda na pressão de jusante (controlada). A válvula piloto detecta esta queda na pressão e a mola causa uma abertura na válvula. Como a válvula piloto abre, a pressão é sangrada da cabeça da válvula principal, permitindo a linha de pressão principal abrir a válvula principal. Que continua abrindo até que a pressão a jusante tenha retornado ao valor correspondente ao ajustado na válvula piloto. O reverso acontecerá num incremento na pressão controlada resultante de uma redução da demanda. As válvulas redutoras de pressão normalmente são instaladas em uma derivação da tubulação principal, chamada "by pass", guarnecidos por registros de bloqueio a montante e a jusante para as manutenções. Na tubulação principal também é instalado um registro para trabalhar normalmente fechado, que é aberto em situações de manutenção ou alguma emergência operacional a jusante. A Figura 4.2 apresenta um esquema da instalação padrão de uma VRP em rede de distribuição de água. Figura Esquema de instalação padrão de uma VRP. Em resumo, uma VRP permite o controle do consumo e a redução de pressão nos encanamentos, diminuindo o número de vazamentos e aumentando a vida útil das tubulações; desde que bem operadas e localizadas nos sistema de distribuição de água. Com a diminuição das perdas de água, as companhias de saneamento e a população economizam, além de diminuir a quantidade de água retirada dos mananciais, contribuindo para a preservação do meio ambiente.

20 Variação de rotação de bombas por inversor de freqüência Os inversores de freqüência são equipamentos eletrônicos acoplados aos conjuntos motor-bombas, cuja função é o controle da velocidade de rotação dos motores elétricos a corrente alternada (AC). Com a alteração da rotação, observada as leis de semelhança física das máquinas hidráulicas rotativas, equações 1 a 4, as curvas de funcionamento da bomba (altura manométrica x vazão, etc) são alteradas, mudando assim o ponto de operação do sistema (Figura 4.3). Figura Curva de Funcionamento da Bomba para Diferentes Rotações

21 21 Existem dois tipos de inversores de freqüência disponíveis no mercado: o escalar e o vetorial. A diferença entre inversor escalar e vetorial está basicamente na curva torque x rotação. No inversor escalar, por ser uma função de V/F (tensão/freqüência), este não oferece altos torques em baixas rotações, pois o torque é função direta da corrente de alimentação. A curva V/F pode ser parametrizada no inversor escalar. O inversor vetorial não possui uma curva parametrizada, na verdade essa curva varia de acordo com a solicitação de torque, portanto este possui circuitos que variam a tensão e a freqüência do motor, através do controle das correntes de magnetização (IM) e do rotor (IR). O inversor vetorial é indicado para torque elevado com baixa rotação, controle preciso de velocidade e torque regulável. Já o escalar é indicado para partidas suaves, operação acima da velocidade nominal do motor e operação com constantes reversões. Conforme (Capelli, 2002), a função de um inversor de freqüência não se limita a controlar a velocidade de um motor AC. Ele precisa manter o torque constante para que não haja alteração na rotação. Também segundo (Capelli, 2002), os inversores são classificados em quatro blocos (Figura 4.4): 1º bloco CPU (unidade central de processamento) é formada por um microprocessador ou um CLP. Neste bloco todos os parâmetros e dados do sistema são armazenados. Executa ainda funções vitais como: geração de pulsos de disparos dos IGBT s, que nada mais são que transistores que fazem a conexão do circuito, alterando o sentido da corrente que circula no motor; 2º bloco IHM (interface homem máquina). Esse dispositivo permite visualizar de forma o inversor está parametrizado e se necessário ser alterado; 3º bloco Interfaces. O comando pode ser analógico ou digital. Normalmente para controle da velocidade de rotação utiliza-se tensão analógica (situada entre 0 e 10 Vcc), sendo que essa velocidade será proporcional ao seu valor;

22 22 4º bloco Etapa de Potência. É constituída por um circuito retificador que alimenta através de um barramento de corrente contínua (DC), o módulo IGBT. FIGURA 4.4 Diagrama de Blocos de um inversor de freqüência. Fonte: Capelli O inversor também altera a tensão oriunda do barramento DC através da modulação por largura de pulso (PWM). Quando a tensão tem que aumentar, os pulsos são alargados, quando precisa diminuir, os pulsos são estreitados. Para exemplificar o controle exercido pela variação da rotação sobre as características do bombeamento, com base nas leis de semelhança fornecidas anteriormente, seja a curva carga x vazão (H x Q), para a rotação nominal (ou de referência NR), dada por um ajuste polinomial de segunda ordem da curva do fabricante:

23 23 sendo, a, b e c coeficientes de ajuste da curva. A dependência da rotação N com a freqüência f dada pela relação: onde P é o numero de pólos do motor AC. Tomando a rotação nominal para a freqüência de 60 Hz, então a equação 6 pode ser posta na dependência da freqüência como: As demais curvas características da bomba, como as curvas de torque e de potência, podem ser obtidas de forma análoga a apresentada para a curva de carga, no caso particular da potência: com c, d e e, coeficientes de ajuste da curva de potência. Como descrito anteriormente, no caso do inversor escalar é mantida a relação V/F, assim para os valores nominais de tensão de 240 V, na freqüência de 60 Hz, V/F = 4, podendo ser construído o gráfico tensão de alimentação x freqüência. (Figura 3) e, observar sua relação direta com as equações (8) e (9). Cabe observar que para valores de freqüência superiores a 60 Hz (bomba trabalhando acima de sua rotação nominal), a relação V/F não se mantém constante, assim, como torque é função da corrente de alimentação, assim ao abaixá-la, devido a redução da relação tensão/freqüência, o torque cai, podendo produzir sobressaltos no motor.

24 Modelos utilizados para simulação hidráulica Existem diversos modelos que podem ser utilizados para efetuar simulações hidráulicas. A seguir estão descritos alguns programas com as suas respectivas características A Agência de Proteção Ambiental Americana (US EPA) desenvolveu o modelo EPANET que permite executar simulações estáticas e dinâmicas do comportamento hidráulico e de qualidade da água de sistemas de distribuição sob pressão. Uma rede é constituída por tubulações, bombas, válvulas, reservatórios de nível fixo e/ou reservatórios de nível variável. O modelo EPANET permite obter os valores da vazão em cada tubulação, da pressão em cada nó, da altura de água em cada reservatório de nível variável e da concentração de espécies químicas através da rede, durante um período de simulação, subdividido em múltiplos passos de cálculo. (ROSMAN, 2000) Segundo (ROSSMAN, 2000), O modelo EPANET contém um conjunto de ferramentas de cálculo para apoio à simulação hidráulica, dentre estas a modelação da relação entre pressão e vazão de dispositivos emissores do tipo orifício, os quais fazem com que a vazão efluente dependa da pressão. Esses dispositivos também podem ser utilizados para simular perdas em tubulações (se o coeficiente de perdas e o expoente do emissor forem estimados). O EPANET modela os dispositivos emissores como uma propriedade do nó e não como um componente separado. (ROSSMAN, 2000) O MIKE NET usa o mecanismo numérico do EPANET e é aplicável para simulações de: demandas nodais, análises de hidrante/vazão de incêndio, curvas de perda de carga do sistema, características do reservatório, idade da água, decaimento/concentração de cloro, percurso e concentração de poluentes, modelagem on-line baseada em SCADA. O MIKE NET foi desenvolvido em cooperação com BOSS Internacional, EUA. (Barroso, 2005) O WaterCAD foi desenvolvido pela Haestad Methods, é um sistema de gerenciamento de informações geográficas completo para: análise da qualidade da água, determinação da vazão de incêndio exigida, calibração de grandes redes de distribuição, entre outros. O WaterCAD é uma ferramenta sofisticada que

25 25 permite a engenheiros e responsáveis pelas decisões analisar e gerenciar as redes de distribuição com exatidão e eficiência sem precedência. (Barroso, 2005) O FINESSE, software de modelagem da Water Software Systems, Reino Unido, é um pacote completamente integrado de simulação hidráulica, programação ótima de bomba e gerenciamento de vazamentos. O FINESSE é usado atualmente nos países Britânicos e Europeus. O software é compatível com pacotes de simulação hidráulica (EPANET, GINAS, WATNET) e pode ser ligado a GIS e SCADA. (Barroso, 2005) O SCAnet é uma aplicação de apoio para operação de redes de abastecimento de água, que interliga um sistema SCADA com a ferramenta de simulação hidráulica EPANET. Esta integração permite a simulação de ações de controle sobre a situação real da rede, assim como reprodução e simulação de registros passados pelo sistema. O SCAnet foi desenvolvido pelo grupo GRyCAP para o caso da rede de Valência, demonstrando as vantagens da conexão modelo-scada. (Barroso, 2005) Dentre os modelos citados de simulação hidráulica foi escolhido o EPANET, por ser um software de domínio público, bem elaborado e utilizado em vários trabalhos da literatura (ARIMA & CYBIS (1999), ALONSO et al. (2000), DIAS et al. (2000), SOARES (2003), VIEGAS (2003), apresentando desempenho satisfatório. (Barroso, 2005) 4.5. Calibração dos modelos de Simulação das Redes de Distribuição A calibração é, segundo CESARIO & DAVIS (1984) o processo de ajuste fino de um modelo até a simulação das condições reais com um grau de exatidão estabelecido, para um horizonte de tempo específico. Para WALSKI (2001) calibração é o processo de comparação entre os resultados simulados e as observações de campo. O processo de calibração inclui mudanças nas demandas do sistema, ajuste fino da rugosidade das tubulações, alteração de características de operação de bombas e outros ajustes dos dados de entrada do modelo que afetem os resultados simulados.

26 26 Os principais objetivos da calibração, segundo DIAS (2000), são: Estabelecer um modelo credível; Criar um termo de comparação; Estabelecer um instrumento de previsão; Adquirir conhecimentos e compreender o funcionamento do sistema; Descobrir erros de construção, ou outros, no sistema. A calibração de um modelo deve seguir várias etapas definidas previamente, tendo em vista alcançar os objetivos pretendidos. Dias (2000) enumera sete passos para calibração de um modelo: 1. Identificação do uso pretendido para o modelo; 2. Determinação das estimativas iniciais dos parâmetros do modelo; 3. Coleta dos dados para calibração; 4. Avaliação dos resultados do modelo; 5. Execução da macro-calibração; 6. Realização da análise de sensibilidade; 7. Execução da micro-calibração. Os autores citam que as diferenças entre os resultados da aplicação do modelo e as observações de campo podem ser causadas por diversos fatores: Erros na modelação dos parâmetros (valores de rugosidade de tubulações e distribuição de demandas nodais); Geometria incorreta da rede (tubos conectados aos nós errados); Definição incorreta dos limites das zonas de pressão; Dados incorretos da rede (diâmetro dos tubos, comprimento, etc.); Erros nas condições de contorno (ou seja, incorreções nos dados de válvulas redutoras de pressão, nível d água nos reservatórios, curvas de bomba, etc.); Erros em registros da operação do sistema (por exemplo, bombas partindo e parando em períodos incorretos); Incorreções no equipamento de medição; Erros de leitura nos instrumentos.

27 Análise econômica de projetos As ações de combate às perdas de água e de energia nos sistemas de abastecimento de água e de esgotamento sanitário são, atualmente, medidas imprescindíveis e inadiáveis para garantir a sustentação econômica da grande maioria das empresas de saneamento existentes no Brasil e no mundo. Qualquer conjunto de ações a executar em um sistema de saneamento, visando melhorar sua eficiência, em termos de redução das perdas de água e energia, necessita de um estudo técnico, ambiental e econômico para verificar sua viabilidade. A viabilidade técnica e ambiental das ações físicas e operacionais, com vistas a melhorar a eficiência dos sistemas no setor de saneamento, é necessária, mas não é suficiente. Além da viabilidade técnica e ambiental é necessário que haja um estudo de viabilidade econômica que demonstre que os custos de investimentos e operação aplicados para melhorar a eficiência do sistema, gerem benefícios que possam garantir a sustentabilidade econômica da sua exploração (GOMES, 2004).

28 28 5. METODOLOGIA 5.1. LEVANTAMENTO DE DADOS Todos os dados necessários para a realização do estudo, diâmetro e comprimento da tubulação, cotas do terreno, nº de ligações, dados característicos dos equipamentos instalados, foram obtidos através do levantamento em campo e consulta ao cadastro (técnico, comercial, cartográfico) no setor de geoprocessamento da EMBASA LEVANTAMENTO BIBLIOGRÁFICO Inicialmente foi efetuado o estudo sobre eficiência energética e operacional em sistemas de abastecimento de água. Observou-se em destaque, pelos autores, a utilização do EPANET como ferramenta para permitir simular e diagnosticar as alternativas a serem empregadas para o melhoramento da eficiência dos sistemas de abastecimento. Foi necessário, portanto, pesquisar e estudar o programa EPANET, a fim de utilizar como ferramenta para otimizar o sistema de abastecimento de água em estudo DESCRIÇÃO E LOCAL DO SISTEMA EM ESTUDO O Sistema em estudo é composto pelo Booster de Ovo da Ema (Figura 5.1) e pela EEAT São Cristóvão (Figura 5.2), localizados na zona rural, pertencente ao SIAA de Feira de Santana. A EEAT - São Cristovão foi implantada em 1992 e o Booster de Ovo da Ema implantado em 2000, ambos projetados para um horizonte de 10 anos. Atualmente o sistema opera com 697 ligações domiciliares. Segundo informações obtidas em campo e no setor de operações da EMBASA, o sistema apresenta regiões com problemas de desabastecimento, necessitando que sejam efetuadas manobras diárias, através de válvulas manuais, para possibilitar o abastecimento dessas regiões.

29 29 l Figura Booster de Ovo da Ema Figura EEAT São Cristovão

30 ANÁLISE DOS PARÂMETROS HIDRÁULICOS Foi modelado inicialmente no EPANET à situação atual, a fim de caracterizar e constatar os problemas geradores de desabastecimento de água. Com o modelo implantado no EPANET referente à situação atual, foi efetuado intervenções buscando diagnosticar as alternativas para regularizar o abastecimento e otimizar o consumo com energia elétrica do sistema. Foi feita avaliação de três alternativas, descritas no capitulo 6.0. Para efetuar as simulações no EPANET, foi necessário definir os dados de entrada descritos abaixo, de acordo com as informações levantadas no setor de geoprocessamento da EMBASA (cadastros técnico, comercial, cartográfico). a) PROPRIEDADES DOS NÓS DA REDE Descritivo do cálculo da demanda dos nós: DADOS: Consumo per capta: q = 120 l/hab/dia Nº. de habitantes por residência = 05 Coeficiente do dia de maior consumo: K1 = 1,20 Coeficiente da hora de maior consumo: K2 = 1,50 Nº Horas de Operação = 24h/d Calculo da vazão específica : ( Ligações 5) k1 k 2 q q m = l / s. m L Setor 01: 325 Ligações (São Critovão, Genipapo, entrocamento de tanquinho) Setor 02: 372 Ligações (Ovo da ema, Garapa, Formiga, Lagoa Salgada) Ligações = 697 Extenção total da rede: L = m ( 697 5) 1,2 1, q m = 2,80 10 l / s. m

31 31 Tabela Demandas de água, cotas e distâncias entre nós NÓ Demanda (l/s) COTA l(m) 5 0, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , Qt= 7,9778 Setor 01: São Critovão, Genipapo, entrocamento de tanquinho 325 ligações Setor 02: Ovo da ema, Garapa, Formiga, Lagoa Salgada 372 ligações

32 32 b) 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. Para as propriedades das tubulações Foram utilizados os dados da Tabela 6.2, levantados através de consulta ao cadastro no setor de geoprocessamento da EMBASA. Tabela Diâmetros, comprimentos e rugosidades dos tubos Trecho Comprimento (m) DN Material Diâmetro interno ( mm) Rugosidade(mm) 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

33 33 c) PROPRIEDADES DO CONJUNTO MOTOR-BOMBA As Curvas das bombas foram obtidas através de consulta nos Manuais de Bombas Centrífugas dos fabricantes KSB e DACOR, de acordo com os modelos das bombas instaladas no Booster de Ovo da Ema e na EEAT São Cristovão. Para calibrar o modelo no EPANET foi efetuado o levantamento das curvas reais no campo, com o apoio da equipe de pitometria da EMBASA. Os dados de entrada para propriedades das curvas estão descritos na Figura 6.3 e na Figura 6.4. Figura 6.3 Curva Característica da bomba instalada no Booster de Ovo da Ema Figura Curva Característica da bomba instalada na EEAT- São Cristovão

34 ANÁLISE DOS PARÂMETROS ENERGÉTICOS Para a análise dos parâmetros energéticos, foi feito levantamento de dados no setor de controle energético da EMBASA em Feira de Santana, referentes ao custo atual com energia elétrica do sistema. A seguir foi estimado o custo do consumo futuro referente às alternativas propostas pelo estudo ANÁLISE ECONÔMICA Para a análise econômica foi avaliado o custo mensal, referente ao investimento, com amortização de capital, somado ao custo de energia elétrica consumida pelo Sistema, considerando um horizonte de projeto de dez anos. Esta análise permitiu comparar as alternativas propostas para otimização do sistema e identificar a mais vantajosa economicamente para a empresa. O procedimento de cálculo utilizado para obter o custo total mensal está descrito abaixo. A P i (1 + i a. m a. m = n (1 + ia. m ) ) 1 n (1 + i + n( meses) n( anos) a. a ) = (1 ia. m ) C = A + Total C energia P: Valor presente (investimento de acordo orçamento alternativa proposta); A: Valor das parcelas com amortização de capital (mês); i a.m : Taxa de juros ao mês; i a.a: Taxa de juros anual = 12 % a.a; C : Custo mensal com energia elétrica; energia C Total = Custo Total mensal de Investimento e Operacional.;

35 35 6. RESULTADOS 6.1. DIAGNÓSTICO E SIMULAÇÃO REFERENTE À SITUAÇÃO ATUAL O modelo implementado no EPANET encontra-se em processo de calibração através de ajustes com os levantamentos e ensaios no campo, com o intuito de obter uma simulação confiável. Porém, de acordo com a modelagem e simulação efetuadas do sistema em análise no EPANET, já foi possível constatar regiões com pressões negativas e pontos com pressões dinâmicas abaixo do limite estabelecido pela NBR (Figura 6.2), que é de 10mH 2 O. O que caracteriza regiões com problemas de desabastecimento com água tratada. A tabela 6.3 apresenta o resumo da simulação.

36 FIGURA Modelagem do Sistema de abastecimento de água São Cristovão / Ovo da Ema Situação atual 36

37 37 TABELA Resumo da Simulação - Situação Atual Nós às 17:00 Horas D do Nó Cota(m) Consumo(LPS) Carga Hidráulica(m) Pressão(mH2O) 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

38 ANÁLISE DOS PARÂMETROS ENERGÉTICOS DA SITUAÇÃO ATUAL A EEAT - São Cristovão possui a tarifa contratada (A4: horosazonal-verde) no valor de 0,15233 R$/kWh e o Booster Ovo da Ema uma Tarifa Contratada no valor 0,44228 R$/kWh referente ao contrato Bifásico B3. Os Custos mensais com energia elétrica da EEAT de São Cristovão e do Booster de Ovo da Ema foram levantados no setor de controle energético da EMBASA em Feira de Santana. A EEAT São Cristóvão apresentou um custo médio, em 2007, de R$ 1.779,32 e o Booster de Ovo da Ema um custo médio de R$ 1.226,84. O custo anual do Sistema com energia elétrica nesse mesmo ano foi de R$ ,01. As Tabelas 6.4 e 6.5 descrevem os custos. Verifica-se, Portanto, um alto valor da tarifa contratada no Booster de Ovo da Ema, quando comparado com a tarifa da EEAT de São Cristovão.

39 39 UNIDADE DE NEGÓCIO: UNF Nº DO CONSUMIDOR: DADOS DO CONTRATO POTENCIA INST CV ,4 DEMANDA SISTEMA: F. SANTANA UNID. CONSUMIDORA: PERÍODO SECO PERÍODO UMIDO GRUPO : B3-2 BOOSTER- OVO DA EMA NA PONTA F. PONTA NA PONTA FORA DE PONTA MÉDIA : 1300 KW MÉDIA : 4000 KW MÊS ANO CONSUMO DEMANDA DEMANDA DEMANDA CONSUMO REATIVO DIFERENÇA ENCARGO (Kwh/R$) (Kw/R$) ULTRAPASSAGEM REATIVA EXECEDENTE TIP DEVOLUÇÃO DE ICMS CAPACIDADE TOTAL DIAS (Kw/R$) (Kvar/R$) (Kvrh/R$) (R$) RESOLUÇÃO DECRETO EMERGENCIAL (R$) FAT. NP FP NP FP NP FP NP FP NP FP 24/ANEEL (R$) Jan./ , , , ,28 Fev./ , , ,63 557,63 Mar./ , , , ,89 Abr./ , , , ,66 Mai./ , , , ,88 Jun./ , , , ,98 Jul./ , , , ,06 Ago./ , , , ,08 Set./ , , , ,04 Out./ , , , ,51 Nov./ , , , ,93 Dez./ , , , ,18 NO ANO 0, ,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0, ,00 0, ,12 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0, ,12 Tabela 6.4 Planilha de custos e consumo com energia elétrica do Booster de Ovo da Ema. Custo Médio(R$) 1.226,84

40 40 UNIDADE DE NEGÓCIO: UNF Nº DO CONSUMIDOR: DADOS DO CONTRATO POTENCIA INST CV ,96 Nº DO CONSUMIDOR ATUAL: DEMANDA=30 kw-05/nov/98 MÊS/ ANO: NOVEMBRO/98 SISTEMA: F. SANTANA UNID. CONSUMIDORA: EEAT-SÃO CRISTOVÃO PERÍODO SECO PERÍODO UMIDO GRUPO : A4PRIMÁRIA NA PONTA F. PONTA NA PONTA FORA DE PONTA Mudança de terifa para HORO VERDE em outubro de 02 MÉDIA : 5900 KW MÉDIA : 5600 KW 30 KW 30 KW nº contrato=459,070300,1/98 MÊS ANO CONSUMO DEMANDA DEMANDA DEMANDA CONSUMO REATIVO DIFERENÇA ENCARGO (Kwh/R$) (Kw/R$) ULTRAPASSAGEM REATIVA EXECEDENTE TIP DEVOLUÇÃO DE ICMS CAPACIDADE TOTAL DIAS (Kw/R$) (Kvar/R$) (Kvrh/R$) (R$) RESOLUÇÃO DECRETO EMERGENCIAL (R$) FAT. NP FP NP FP NP FP NP FP NP FP 24/ANEEL (R$) Jan./ , ,77 30, , ,93 452,93 555, ,33 Fev./ , ,99 30,00 0, , ,82 602,78 552,92 0, ,53 Mar./ , ,13 30, , ,73 606,59 553, ,47 Abr./ , ,48 30, , ,74 619,80 565, ,65 Mai./ , ,81 30,00 0, , ,27 682,71 612,89 0, ,91 Jun./ , ,11 30, , ,22 706,40 613, ,58 Jul./ , ,72 30, , ,17 709,30 616, ,42 Ago./ , ,99 30, , ,16 717,47 614, ,09 Set./ , ,52 30, , ,50 805,35 608, ,64 Out./ , ,33 30, , ,00 794,11 607, ,85 Nov./ , ,23 30, , ,36 843,27 611, ,61 Dez./ , ,81 30, , ,46 617,13 608, ,81 NO ANO 4.701, ,89 0,00 360,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,04 0,00 0,00 0,00 0,00 0, , , ,84 0, ,64 0,00 0,00 0,00 0,00 0,05 0,00 0,00 0,00 0,00 0, ,89 Tabela 6.5 Planilha de custos e consumo com energia elétrica da EEAT São Cristovão. Custo Médio (R$) 1.779,32

41 ESTUDO DAS ALTERNATIVAS Esse capítulo apresenta as alternativas possíveis, diagnosticadas através das simulações com o EPANET, para regularizar o abastecimento com água tratada, equilibrar as pressões e melhorar a eficiência do consumo com energia elétrica do sistema de abastecimento de água São Cristovão/Ovo da Ema ALTERNATIVA 01 Essa alternativa tem como proposta integrar o sistema de Ovo da Ema e São Cristóvão a partir do redimensionamento da EEAT de São Cristovão. Ela foi obtida através da modelagem (Figura 6.3) e simulações (Relatório completo - anexo 04) com o EPANET, efetuando intervenções no modelo referente a situação atual. As intervenções necessárias para otimizar o sistema de abastecimento São Cristovão/Ovo da ema para a alternativa estão descritas a seguir: - Implantar 1.300m de rede de distribuição interligando a rede alimentadora de Ovo da Ema a Lagoa Salgada; - Substituir tubulação (trecho 12-13: DN 75 para DN 100); - Instalar válvula redutora de pressão (trecho 1-5); - Implantar 1.700m de rede de distribuição DN 100 mm, interligando a EEAT São Cristóvão a rede alimentadora de Ovo da Ema; - Executar 110 novas ligações domiciliares; - Instalar novo conjunto motor-bomba (KSB mm 15cv); - Instalar painel de comando elétrico com inversor de freqüência para acionamento do novo conjunto motor-bomba.

42 FIGURA Modelagem do Sistema Integrado São Cristovão / Ovo da Ema Alternativa 01 42

43 43 Para executar a simulação dinâmica foi criada a curva de modulação (Figura 6.4), para representar a variação periódica dos consumos nos nós ao longo do tempo. Figura 6.4 Curva de Variação de Consumo nos nós Para equilibrar hidraulicamente o sistema diante das variações de consumo foi inserido o gráfico de variação de velocidade do motor elétrico (Figura 6.5), representando a utilização do inversor de freqüência. O intervalo em aberto das 18 às 21 horas significa que a unidade ficará fora de operação durante o horário de ponta da concessionária de energia elétrica. Figura 6.5 Curva de Variação de Velocidade

44 CUSTO ESTIMADO COM ENERGIA ELÉTRICA REFERENTE À ALTERNATIVA 01 Essa alternativa tem como proposta redimensionar e integrar o sistema na EEAT de São Cristovão, que possui uma tarifa contrata de 0,15233 R$/kWh, desativar o Booster de Ovo da Ema, com tarifa contratada no valor 0,44228 R$/kWh, e utilizar o inversor de freqüência para acionar o motor elétrico. Para análise energética do SIAA São Cristóvão foram verificadas as limitações do contrato (Nº ) junto à concessionária de energia elétrica (Coelba). Com as informações obtidas constatou-se que o contrato existente contempla as mudanças da alternativa analisada. O cálculo do consumo com energia elétrica foi determinado a partir da seguinte formula: C = ( P N p) + Demanda = 11, , (30 20,43) R$1692,5 energia b = C anual = 12x1692,5 = R$20.310,00 C energia : Custo mensal com energia da alternativa I, em unidades monetária ( R $ ); P OT : Potência dimensionada na alternativa I (11,25 KW); N b = Número de horas de bombeamento por mês (21x30=630 h / mês; p: custo da energia, de acordo com o contrato (Nº ), tarifa: A4-HV= 0,15233 R $ /kwh.