22º Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 14 a 19 de Setembro 2003 - Joinville - Santa Catarina I-118 -METOLOGIA E APLICATIVO COMPUTACIONAL PARA DEFINIÇÃO DE LIMITES OPERACIONAIS DE SEGURANÇA DOS RESERVATÓRIOS DO SISTEMA ADUTOR METROPOLITANO DE SÃO PAULO Viviana Marli Nogueira de Aquino Borges (1) Engenheira Civil pela Escola de Engenharia da Universidade Mackenzie e mestranda em Engenharia Hidráulica na Escola Politécnica da USP. Engenheira da Divisão de Desenvolvimento Operacional da Unidade de Produção de Água SABESP. Endereço(1) SABESP Cia de Saneamento Básico do Estado de São Paulo Rua Costa Carvalho, 300 CEP 05429 010 Pinheiros São Paulo SP Tel.: 3388 8735 Fax : 3815 0143 e-mail: vmborges@sabesp.com.br Choji Ohara - Engenheiro civil formado pela Escola de Engenharia de São Carlos USP 1972. Na SABESP desde 1980 como engenheiro de obras, de projetos, de planejamento, e de desenvolvimento operacional. Fabiana Rorato de Lacerda Prado - Engenheira Civil pela Escola de Engenharia de São Carlos - USP e Mestranda em Engenheira Hidráulica pela Escola Politécnica da USP. Engenheira da Divisão de Planejamento Técnico de Água - SABESP, desde 1997. Guilherme da Costa Silva Engenheiro Civil formado pela Escola Politécnica da USP, 1998. Doutorando pelo Departamento de Engenharia Hidráulica e Sanitária da Escola Politécnica da USP. Consultor de Informática da VMN Consultoria e Desenvolvimento de Sistemas S/C LTDA.
Kamel Zahed Filho - Doutor em Engenheira Hidráulica Escola Politécnica da USP 1990 Engenheiro da Divisão de Desenvolvimento Operacional da Unidade de Produção de Água SABESP, desde 1985. Professor Doutor do Departamento de Engenharia Hidráulica e Sanitária da Escola Politécnica da USP, desde 1980. Waldir Geraldo da Silva Tecnólogo pela FATEC 1975 Encarregado do Centro de Controle do Abastecimento da RMSP desde 1976, atuou nos projetos de implantação e modernização do SCOA. RESUMO O objetivo deste trabalho foi desenvolver uma Metodologia e um aplicativo Computacional capaz de definir os Limites Operacionais Máximos de Segurança dos Reservatórios do Sistema Adutor Metropolitano de São Paulo procurando melhorar o aproveitamento da água tratada armazenada nos reservatórios, contemplando também aspectos de segurança operacional deste sistema. A importância deste projeto está associada a dois pontos primordiais: aumentar a capacidade de reservação do sistema atual e preservar a segurança do sistema adutor de forma a evitar extravasamentos nos reservatórios. Aumentar a capacidade do sistema de reservatórios esbarra em alguns problemas relacionados ao custo de construção de novos reservatórios e espaço urbano. As construções de novas instalações pressupõem a disponibilidade de locais estratégicos na cidade, de preferência mais elevados da região metropolitana. Além disso, existe o custo de desapropriação destes terrenos. Desta forma, a redefinição dos limites operacionais pode levar a ganhos nos volumes úteis de reservação de grande valia, garantindo-se a segurança operacional e não necessitando a construção de novos reservatórios. A definição dos Limites Operacionais de Segurança baseou-se em determinar a folga entre o limite operacional máximo e a bóia de segurança. Sabendo-se o intervalo de tempo que o controlador do sistema leva para reconhecer o alarme de Limite Alto e tomar alguma providência, o tempo de fechamento da válvula de controle e a velocidade de subida da lâmina d'água, é possível determinar a altura (folga) mínima necessária para que sejam feitas manobras nas válvulas de controle, de forma a manter o sistema em equilíbrio sem acionamento da bóia de segurança. Dois critérios foram pesquisados para determinar esta folga. O primeiro critério, denominado "critério da velocidade", determina a altura entre o Limite da Bóia e o Limite Alto baseado nos gráficos de velocidade em função da freqüência de excedência e de posição de abertura das válvulas. Para um dado risco assumido, a folga é obtida pela multiplicação da velocidade correspondente ao risco pela soma dos tempos de reconhecimento e de fechamento da válvula.
No segundo critério, para cada velocidade observada, foi anotada a correspondente abertura da válvula de controle. A folga é calculada para cada evento e se compõe uma curva de freqüências das folgas. Para um dado risco, a folga é obtida diretamente da curva. Para a automatização das análises, foi desenvolvido um aplicativo em linguagem VB, denominado SAFE (Sistema de Análise de Folgas de Extravasão) que permite a obtenção dos dados e a exportação dos resultados no ambiente SCOA PALAVRAS-CHAVE: Sistemas de Adução, Segurança Operacional, Otimização de Capacidades de Reservatórios, Operação de Reservatórios. INTRODUÇÃO O SAM conta com cerca de 150 centros de reservação, cujos volumes dos reservatórios são da ordem de 10.000m3, com variação entre 5.000m3 e 72.000m3. A operação dos reservatórios é feita com informações obtidas por telemetria e comandos à distância, através do Sistema de Controle Operacional da Adução (SCOA). A correta operação do conjunto de reservatórios procura otimizar o atendimento da demanda, considerando sempre a segurança do SAM. Os limites operacionais máximos são essenciais à segurança do sistema adutor, pois seus objetivos são evitar extravasamentos. As primeiras alterações e definições destes limites eram baseadas em experiências dos controladores do CCO (Centro de Controle da Operação). Em 1987, definiram-se critérios estatísticos para sua definição. Embora tenha sido um passo importante para melhorar a segurança do sistema, as atualizações destes limites não foram feitas de forma sistemática. Recentemente, foi feito um estudo para apresentar propostas de melhoria da utilização da reservação do SAM, em que são discutidos os ganhos de volumes úteis, com a alteração dos limites operacionais. Isto poderia reduzir a necessidade de construções de novas instalações ( com as dificuldades de escolha de locais estratégicos na cidade e custos de desapropriação). Este trabalho relata a criação de uma metodologia capaz de atualizar os Limites Altos de forma automática, a partir de uma conexão direta com o sistema SCOA, para otimizar o volume útil dos reservatórios e, ao mesmo tempo, garantir a segurança operacional do sistema adutor. CONSIDERAÇÕES GERAIS
A operação de reservatórios se resume na abertura ou fechamento de válvulas de controle e partidas ou desligamentos de bombas, variando as vazões aduzidas, para manter o abastecimento normal. As decisões operacionais do CCO são feitas com base nas medidas de estado do sistema (nível, pressão junto às válvulas etc) em tempo real. Quando o nível d'água ultrapassa um limite de segurança, é acionado um alarme de Limite Alto nos terminais de controle. O controlador age no sentido de reduzir o nível d'água. Se por algum motivo o nível continuar a subir, a bóia de segurança atua, fechando a válvula ou desligando a elevatória que aduz ao reservatório, para evitar o extravasamento. Os níveis operacionais de interesse para operação podem ser observados na Figura 1. Os níveis d água são medidos a partir de medidores ultra-sônicos instalados nas lajes de cobertura dos reservatórios e referenciados ao fundo do reservatório. Os limites de segurança de extravasamento são: Limite de Extravasamento (L.E): Lâmina d'água, a partir da qual começa a haver perda d'água pelo sistema de extravasamento. Limite da Bóia (L.Bóia): Nível d'água a partir do qual é acionado o mecanismo de uma bóia que atua localmente no fechamento da válvula de controle do reservatório, independente da atuação do controlador do CCO. A bóia é considerada um recurso de segurança extrema. Limite Alto (L.A) : Nível d água, onde é emitido um alarme visual nos monitores dos controladores, para que eles possam atuar no fechamento da válvula de controle ou desligamento de bomba em tempo hábil para que não haja extravasamento ou atuação da bóia de segurança. Folga (?h) : Altura correspondente à diferença entre o Limite da Bóia e o Limite Alto. Corresponde ao acréscimo de volume entre a emissão do alarme de Limite Alto e o total fechamento da válvula de controle. Figura 1 - Níveis operacionais dos reservatórios setoriais. CRITÉRIOS PARA DEFINIÇÃO DOS LIMITES OPERACIONAIS A definição dos Limites Operacionais de Segurança baseou-se em determinar a folga de segurança. A folga é calculada como sendo o produto do tempo que o controlador leva para
reconhecer o alarme e atuar na válvula somado ao tempo de fechamento da válvula de controle pela velocidade de subida da lâmina d'água. Dh = Vel * Ttotal onde Ttotal = Trec + Tfech * P (%) Dh : folga de segurança. Vel : Velocidade de subida da lâmina d'água. Ttotal : Tempo de reconhecimento do alarme (Trec) somado ao tempo de fechamento da válvula de controle ( proporcional à sua abertura ). Tfech : Tempo total de fechamento da válvula de controle. P(%) : Posição da válvula de controle. Com base nos registros históricos do SCOA, foi adotado o intervalo de tempo para percepção do alarme de Limite Alto e início de atuação da válvula como 5 minutos. As velocidades de subida do nível d' água foram obtidas dos registros da operação. São calculadas em função da variação do nível d'água e o intervalo de tempo em que se deu esta variação (Figura 2). Figura 2 Cálculo da Velocidade de subida do nível d água. A cada velocidade calculada foi atribuída uma freqüência amostral. Desta forma, é possível adotar uma velocidade em função de um risco que se pretende assumir na definição da folga. É possível observar dois comportamentos de operação do reservatório. Quando o nível d'água está baixo, a tendência é manter a válvula de controle totalmente aberta (a velocidade de subida da lâmina d água é elevada), já que a intenção é encher o reservatório o mais rápido possível ( operação de enchimento ). Atingida uma determinada lâmina, as válvulas são gradativamente fechadas, iniciando uma operação de segurança. Neste caso a intenção dos operadores é manter o nível do reservatório o mais elevado possível, porém, sem que haja extravasamento.
Foram analisadas as velocidades referentes aos níveis d água na faixa de operação de segurança. O limite inferior desta faixa foi definido como sendo 70% do volume do reservatório, avaliando-se o comportamento das velocidades em várias faixas de operação. Dois critérios foram pesquisados para determinar a folga. O primeiro critério, "da velocidade" utiliza os gráficos de freqüências das velocidades e das posições das válvulas de controle. A figura 3 mostra a determinação da velocidade de subida da lâmina d água e a posição da válvula de controle em função do risco que se deseja assumir. Admite-se que as ocorrências críticas de velocidades e aberturas sejam coincidentes. Figura 3 Cálculo da folga de extravasão pelo critério da velocidade Entretanto, a ocorrência simultânea dos dois fatores pode não ocorrer, o que poderá levar a resultados muito conservadores. No segundo critério, denominado "da altura", para cada velocidade observada, foi anotada a correspondente abertura da válvula de controle e calculada a folga necessária. Constrói--se, neste caso, diretamente, uma curva de freqüências de folgas históricas, permitindo também associar um risco ao valor do limite operacional adotado (Figura 4). Figura 4 Cálculo da folga de extravasão pelo critério da altura O critério da velocidade conduz a folgas superiores àquelas do critério da altura. A escolha depende da propensão maior ou menor inerente aos riscos do processo. CONSIDERAÇÕES SOBRE OS DADOS UTILIZADOS Os dados operacionais foram obtidos do SCOA referentes ao período de Dezembro de 2000 a Novembro de 2001. Foram determinadas as curvas de freqüência das velocidades, aberturas de válvulas e folgas, para cada mês e para o período total, para a verificação de possíveis sazonalidades nas regras operacionais. RESULTADOS OBTIDOS
A tabela 1 apresenta um resumo das variações dos volumes úteis, em função das folgas mínimas necessárias calculadas para os reservatórios analisados. Tabela 1: Resumo das variações dos volumes úteis, obtidas do estudo. Reservatórios Analisados Variação do Volume Útil 32-10910 m3 55 + 22680 m3 33 Sem variação Total : 120 Total : Ganho de 11770 m3 O volume total ganho apenas com estas alterações seria equivalente à construção de dois novos reservatórios. O APLICATIVO SAFE Para a automatização das análises, foi desenvolvido um aplicativo em linguagem VB, denominado SAFE (Sistema de Análise de Folgas de Extravasão) que permite a obtenção dos dados e a exportação dos resultados no ambiente SCOA. O aplicativo estará disponível pela Intranet da SABESP, para adaptações nas áreas interessadas. A figura 5 ilustra a tela de abertura e telas de operação do aplicativo. Figura 5 Telas do aplicativo SAFE
A figura 6 mostra a tela de operação do aplicativo, onde são mostrados os estados das análises (pendente, urgente..), as informações sobre as últimas datas de atualização dos limites altos e botões para efetuar os cálculos estatísticos e para efetuar a análise, que é de responsabilidade do usuário, baseada nos resultados dos cálculos. A etapa de cálculo pode ser feita para um único reservatório ou para um conjunto, bastando para isso, anotar quais reservatórios serão incluídos no processamento. Figura 6- Tela de operação do SAFE A análise dos resultados é efetuada com base em uma tela (Figura 7) que traz os resumos dos cálculos, conforma mostra a figura 6. Esta tela mostra os resultados obtidos pelos dois critérios de cálculo, adotando-se os parâmetros de cálculo pré-definidos pelo usuário, como tempo de fechamento total da válvula, risco admitido etc. Neste ponto, o analista pode aceitar ou não o resultado sugerido pelo aplicativo, mas caso opte em adotar um valor diferente, o aplicativo exige que seja preenchida uma justificativa, que é armazenada em banco de dados, para documentação. Figura 7- Tela de análise do SAFE O aplicativo considera oficial a implantação do novo limite definido, apenas após o registro feito em uma tela própria ( Figura 8). Ao acessar esta opção, o usuário já está identificado e as informações referentes ao valor implantado e à data da efetiva implantação no SCOA será registrada em banco de dados. Figura 7- Registro de implantação do novo limite Para a gestão do processo de atualização do processo de atualização dos níveis operacionais, estão disponíveis algumas ferramentas básicas, em telas já preparadas. Para aplicações especiais, pode-se acessar diretamente os bancos e elaborar pesquisas ou relatórios personalizados. A figura 8 mostra uma tela em que se apresentam os reservatórios que atendem a uma determinada situação ( por exemplo, com pendências de análises) Figura 8 Tela de situação de análises pendentes
Outra ferramenta de gestão disponível é o a análise da evolução do volume útil de um ou de um conjunto de reservatórios ao longo do tempo. Na figura 9, exemplifica-se a escolha dos reservatórios e um resultado gráfico da análise. CONCLUSÕES Para a grande maioria dos reservatórios, obtiveram-se folgas menores que as atuais, ou seja, a posição do limite operacional atual pode ser elevada, de forma a se obter ganhos de reservação. Em alguns casos, a folga calculada foi muito maior do que as atuais, em função de uma velocidade máxima observada extrema (alguma operação anômala), o que leva à adoção de folgas muito conservadoras. Nesses casos, pode-se adotar freqüências de excedência maiores, o que implica em assumir risco de extravasamentos maior. Para se evitar esses eventos extremos, sugere-se a introdução de regras de operação de segurança na Estações Remotas de Telemetria Inteligentes (URIT), que limitariam as velocidades de subida do nível d água. A adoção de riscos maiores, procurando reduzir as folgas que poderiam garantir um ganho de reservação útil, requer a garantia na transmissão de mensagens do Centro de Controle à estação remota e o bom funcionamento das válvulas e dos vertedores. O critério da velocidade conduz a folgas superiores do que o critério da altura. A escolha depende da propensão maior ou menor inerente aos riscos do processo. O volume total ganho apenas com estas alterações seria equivalente à construção de dois novos reservatórios de cerca de 10000 m3 de volume nominal, o que equivale a uma redução direta de investimento em construção da ordem de R$8 000 000,00. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS E DADOS UTILIZADOS Relatório DOC.242/87 -"Definição de Limites Operacionais Máximos de Reservatórios" Cadastro de Dados Operacionais - Versão 1.0-1987 - APDA. Tabela com tempos de fechamento das válvulas, fornecidas pela AG.
Banco de Dados do SCOA.