ANÁLISE DE CONSUMO E ESTIMATIVA DE PERDAS EM SISTEMA SUJEITO À INTERMITÊNCIA DE ABASTECIMENTO

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Transcrição:

ANÁLISE DE CONSUMO E ESTIMATIVA DE PERDAS EM SISTEMA SUJEITO À INTERMITÊNCIA DE ABASTECIMENTO Alberto José Moitta Pinto da Costa (1) Engenheiro Químico formado pela Universidade Federal do Pará. Mestre em Engenharia Civil pela Universidade Federal da Paraíba. Doutorando em Engenharia Hidráulica e Sanitária pela Escola FOTOGRAFIA Politécnica da Universidade de São Paulo. Pesquisador do Instituto de NÃO Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo - IPT. Jorge Gomez Sanchez DISPONÍVEL Engenheiro Mecânico formado pela Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, pesquisador do Laboratório de Vazão do IPT. Possui diversos trabalhos publicados na área de medição de fluidos, micromedição e sistemas de distribuição de água. Sócio da ABES, da AWWA 2 e da ISA. Coordena projeto IPT - SABESP de parametrização de consumo de água na Região Metropolitana de São Paulo. Wolney Castilho Alves Engenheiro Civil formado pela Universidade de São Paulo. Engenheiro Sanitarista formado pela da Universidade de São Paulo. MPhil e PhD pela Heriot-Watt University - Edimburgo, Escócia. Pesquisador do IPT. Responsável pela Seção de Saneamento Ambiental do Agrupamento de Instalações Prediais Saneamento Ambiental e Segurança ao Fogo, do Departamento de Engenharia Civil do IPT. Noemi Christina Hernandez Engenheira Química formada pela Escola de Engenharia Mauá. Pesquisadora do Laboratório de Vazão do Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo. Endereço (1) : IPT - Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo - Av. Prof. Almeida Prado, 532 - Cidade Universitária - DEC/AISF - São Paulo - SP - Caixa Postal 1105508-901 - Brasil - e-mail: acosta@ipt.br RESUMO O presente trabalho apresenta a metodologia e os resultados alcançados na avaliação da submedição de hidrômetros instalados num setor de distribuição do município de Mauá, estado de São Paulo, objetivando a estimativa de um fator de submedição (k sm ) e discussão da aplicabilidade da metodologia e dos resultados a outras áreas de abastecimento. Os resultados foram também interpretados considerando-se a condição de intermitência no abastecimento observada no sistema estudado, fator esse muito complexo limitando as possibilidades de conclusão. PALAVRAS-CHAVE: Consumo, Perdas, Intermitência, Micromedição, Macromedição, Coeficiente de Submedição. 20 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 1656

INTRODUÇÃO A implementação de programas de conservação de água em diversas cidades brasileiras renova e enfatiza a necessidade de estabelecer metodologias e procedimentos de medição de vazões e volumes, bem como de índices uniformes que ofereçam bases seguras para a elaboração de diretrizes de ação, controle do desenvolvimento das mesmas e avaliação de resultados. A estimativa do consumo de água é um dos parâmetros básicos no dimensionamento de redes distribuidoras, reservatórios, sistemas de recalque e do próprio hidrômetro instalado no ponto de consumo. Atualmente, esse dimensionamento é baseado em consumos médios estimados, a partir da medição mensal feita rotineiramente e em estudos de hábitos de consumo. Ultimamente, também tem sido difundida a prática do levantamento do perfil de consumo ao longo do tempo - hidrogramas de consumo - com a aplicação de registradores (data loggers), principalmente em grandes consumidores. Como os dados de consumo obtidos a partir das leituras mensais incorporam os erros de medição dos medidores prediais, um dado importante na correta estimativa das vazões de trabalho e volumes consumidos é o índice de submedição do sistema. Esse índice pode ser calculado a partir da comparação dos volumes macro e micromedidos e de hipóteses a respeito do comportamento e da vazão de trabalho dos medidores. O Índice de Perdas de Água Tratada na Distribuição (IDP) ou Águas não Contabilizadas (ANC) proposto pela AESBE e ASSEMAE (1) é dado por: IDP = Ou como: IDP = IDP = Ou ainda, IDP = Volume Produzido - Volume Utilizado Volume Produzido Volume aduzido ao sistema Σ Volumes fornecidos para consumo Volume aduzido ao sistema Volume aduzido ao sistema (Σ Volumes medidos + volume não medido) Volume aduzido ao sistema Volume aduzido ao sistema (k sm (Σ Volumes medidos) + outros volumes) Volume aduzido ao sistema (1) * 100 (2) * 100 (3) * 100 (4) Na equação (1), o Volume Produzido corresponde ao volume de água tratada disponibilizada para consumo, medido na saída das ETA s ou Unidades de Tratamento Simplificado. O Volume Utilizado (VU) corresponde ao somatório de uma série de parcelas: o Volume Micromedido, volume registrado nas ligações providas de medidores; Volume Estimado, obtido através de estimativas aplicadas a áreas não medidas com base em projeções sobre áreas medidas compatíveis ou natureza de atividade comercial, industrial, etc.; Volume Recuperado, referente ao volume recuperado em decorrência da detecção de ligações clandestinas e de fraudes; Volume Operacional, correspondente à água utilizada como insumo operacional e Volume Especial, referente ao uso pelo Corpo de Bombeiros, suprimentos sociais para favelas e chafarizes, etc.(equação 2). 20 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 1657

O volume utilizado pode, então, ser também subdividido em duas parcelas: o volume medido e o volume não medido (equação 3). O volume não medido tem diversas fontes e pode ser estimado enquanto que o volume medido corresponde à somatória dos volumes totalizados pelos hidrômetros (volume micromedido). Pressupõe-se que os programas de conservação de água devem se assentar sobre bases confiáveis de medições, no caso, a correção do volume micromedido no qual incide a submedição de volumes em hidrômetros em função de algumas características já identificadas: domicílios dotados de reservatórios, impondo condições de alimentação sob baixas vazões; características do medidor e seu tempo de instalação e características da água de abastecimento, entre outros. Recomenda-se o desenvolvimento de pesquisas que permitam estabelecer um fator de correção da submedição designado por k sm, o que permitirá estabelecer valores do volume micromedido mais precisos. A partir dessas premissas, torna-se possível a adoção de índices confiáveis. METODOLOGIA O trabalho foi executado em um setor de abastecimento da rede pública isolado e com apenas uma entrada de alimentação, combinando duas vertentes de trabalho: a) Comparação do volume total micromedido com o total aduzido ao setor, monitorado através de macromedidor instalado na entrada do setor. Os hidrômetros originalmente instalados, de várias idades, marcas e classes metrológicas, foram posteriormente substituídos por hidrômetros novos, e os resultados comparados; b) Calibração (verificação dos erros de indicação) de uma amostra de doze hidrômetros antigos retirados do referido setor instalados sob vazões de operação freqüentes em instalações prediais residenciais, procurando estimar o volume submedido frente a um perfil de consumo estimado. No procedimento de campo trabalhou-se com o pressuposto de que os eventuais vazamentos na rede de distribuição a jusante do macromedidor não se alteraram com a substituição dos hidrômetros antigos. Procurou-se também obter um registro da pressão de operação de diversos pontos da linha, de modo a justificar possíveis alterações no perfil de consumo em função da pressão ou problemas de abastecimento no período de teste. DESCRIÇÃO DO SETOR EM ESTUDO O setor eleito para o estudo foi um trecho de três quarteirões, com aproximadamente 200 pontos de consumo residenciais e comerciais, com um desnível de 20 metros entre a parte mais alta e a mais baixa. O setor foi totalmente isolado do resto do sistema, mantendo apenas um ponto de alimentação na parte baixa, onde foi instalado um macromedidor tipo multijato de transmissão magnética, classe metrológica B (ISO 4064 7 / NBR 8193 5 ), de 50mm de diâmetro nominal em caixa especialmente preparada. 20 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 1658

Os hidrômetros instalados no sistema foram substituídos antes do início do estudo por modelos monojato de 1,5 m 3 /h de vazão máxima, novos. Dos dados históricos de macro e micromedição, avaliou-se que perdas físicas (vazamentos) seriam pouco significativas no setor de estudo e estimáveis a partir de dados obtidos no estudo. DESENVOLVIMENTO DO TRABALHO Estando o sistema estudado isolado com apenas uma entrada, o volume aduzido ao sistema foi determinado a partir das leituras do macromedidor, instalado na entrada do mesmo. Como a vazão mínima de operação desse medidor (Qn 15 m3/h) é de 300 L/h e há cerca de 200 consumidores após o medidor, pode-se assumir que a operação desse medidor ocorre na maioria absoluta das vezes em vazões superiores à mínima e que, portanto, todo o volume escoado para o sistema é corretamente medido pelo macromedidor. Na determinação do volume fornecido aos pontos de consumo os problemas são maiores, pois os hidrômetros instalados não são capazes de medir todo o volume fornecido, pois uma parte desse volume escoa a uma vazão inferior à mínima de operação dos medidores, principalmente considerando que todos os consumidores do setor instalado possuíam pelo menos um reservatório elevado com bóia na entrada. A isso, adiciona-se o fato de que alguns medidores já estavam instalados há vários anos e poderiam estar indicando erros maiores que os esperados nas vazões de operação mais baixas. Essa diferença entre a somatória dos volumes medidos pelos hidrômetros e o volume real fornecido é denominada submedição e não pode ser considerada perda física, pois a água foi realmente fornecida ao consumidor, apenas não foi medida. Essa submedição pode também ser expressa na forma de um coeficiente de submedição - k sm, na equação (4) - que multiplica o volume total medido. Para a determinação da submedição do sistema são necessárias duas informações: o perfil de consumo dos consumidores (as vazões com que o hidrômetro instalado no mesmo irá operar e o volume totalizado em cada faixa de vazão) e os erros de indicação dos hidrômetros nessa faixa de trabalho. Como estimativa de perfil de consumo típico, inicialmente foram escolhidos os dados apresentados em um estudo sobre perfil de consumo na região metropolitana de São Paulo. Para diluir a questão dos erros de indicação dos medidores instalados nos pontos de consumo, todos os medidores do sistema foram substituídos por medidores novos de vazão máxima 1,5 m 3 /h, cujos erros de indicação esperados podem ser melhor estabelecidos. Em paralelo, uma amostra de doze medidores colhidos de modo aleatório, mantendo a proporção entre modelos multijatos e monojatos existentes no sistema, foi calibrada em diversas vazões na faixa de trabalho verificadas no estudo realizado por Montenegro (3) para se fazer uma estimativa dos erros de micromedição nos meses anteriores à substituição dos medidores. 20 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 1659

A partir dos perfis de consumo levantados por Montenegro (3), foi elaborada uma equação representativa do hidrograma de consumo residencial da faixa de 10 m 3 a 20 m 3. Essa equação fornece o percentual de consumo por faixa de vazão. Dado um certo erro de medição de um hidrômetro numa dada vazão é possível, portanto, avaliar qual o percentual de erro no consumo engendrado por tal hidrômetro. Em outras palavras, medido o erro em laboratório de um dado hidrômetro à uma certa vazão pode-se, através da equação do hidrograma do consumo estimar qual o efeito daquele erro no consumo total. Isto é importante pois os hidrômetros apresentam grandes erros em vazões baixas. No entanto, a participação percentual das vazões baixas na alimentação predial é pequena. Por exemplo, neste caso, o consumo das edificações estudadas situava-se entre 10 m 3 a 20 m 3. No levantamento efetuado por Montenegro (3) observa-se que na faixa de vazão entre 0 e 20 L/h o percentual de consumo é de apenas 12,7%. O erro do hidrômetro nessa faixa de vazão, no entanto, pode chegar a cerca de 90% a 100%. Em resumo, o erro percentual em termos de consumo foi calculado multiplicando-se o erro de calibração de cada hidrômetro por seu respectivo consumo percentual. Como os perfis de vazão utilizados como referência foram tomados a uma pressão constante e o sistema estudado apresentava um desnível de até 20 m, foi solicitado um levantamento das pressões de trabalho do sistema. A intenção foi que, considerando que as instalações eram similares, seria possível atribuir um coeficiente de correção proporcional à raiz quadrada da pressão, nos pontos de pressão média diferentes de 35 metros de coluna de água, considerada como pressão de referência. Essa pressão de referência foi determinada após avaliação do diagrama de registro de pressão do setor. No entanto, os resultados do registro de pressão no setor demonstraram uma grande intermitência no abastecimento, o que, juntamente com os problemas verificados nas leituras de macromedição, acarretaram em modificações nos objetivos e a necessidade na complementação do estudo inicialmente proposto. RESULTADOS Pressão no sistema O registro de pressão no sistema foi feito durante cinco dias consecutivos, a partir de uma sexta-feira, realizado junto ao macromedidor (ponto baixo do sistema ). O diagrama, apresentado na figura 1, mostra momentos em que a pressão no ponto inferior da rede supera 20 metros de coluna de água, ou seja, períodos onde mesmo a parte mais alta do sistema está sendo abastecida. Mas, o sistema estudado está sujeito a uma grande intermitência de abastecimento, sendo que nos pontos altos só ocorre pressão disponível para encher os reservatórios em algumas horas durante a noite. Este fato não havia sido considerado no momento de preparação da pesquisa e praticamente, impossibilitou a utilização dos perfis de consumo levantados por Montenegro (3), conforme havia sido previsto originalmente. 20 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 1660

Figura 1: Pressão no ponto de alimentação do setor. escala: circular 2h/divisão radial 1mca/divisão Calibração de amostra de medidores Foram coletados oito medidores tipo multijato de 3 m 3 /h de vazão e quatro do tipo monojato de 1,5 m 3 /h de vazão máxima. Todos os multijatos tinham originalmente mais de 18 anos de fabricação, mas haviam sido reparados com componentes internos novos em oficinas próprias há menos de 10 anos, enquanto que os monojatos eram originais, fabricados há menos de dez anos. Os medidores multijatos apresentaram erros negativos muito elevados (os medidores marcaram menos que o volume de água que passou por eles) em vazões mais baixas e erros positivos (os medidores marcaram mais que o volume de água que passa por eles) em vazões intermediárias, enquanto que os monojatos apresentaram erros dentro dos padrões esperados para medidores novos, exceto nas vazões mais altas, quando alguns deles apresentaram problemas na transmissão interna (a turbina girava rapidamente mas o totalizador deslocava-se devagar). Como a maioria das instalações originais era constituída de multijatos, os resultados obtidos indicaram que dependendo das vazões de operação do sistema, os volumes medidos podem tornar-se superiores aos reais fornecidos (coeficiente de perdas por submedição inferior a 1). Esse quadro não corresponde às expectativas geralmente encontradas em estudos desta natureza, possivelmente devido às condições dos hidrômetros utilizados nos ensaios, com a verificação de entupimentos e obstruções na tubulação de entrada de alguns deles. A verificação dessas ocorrências, pode ter induzido a erros de medição durante as leituras de consumo mensal, além de contribuir para a deterioração mais rápida da vida útil de funcionamento dos medidores. Outra causa provável dos valores obtidos é o fenômeno da intermitência no abastecimento alterando o funcionamento dos medidores. 20 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 1661

Regime de operação do sistema e avaliação dos erros de submedição Observa-se das leituras integrais de onze meses antes e três meses após a instalação dos medidores novos, que a variação total no setor do consumo médio medido, antes e após a instalação dos medidores novos, foi inferior a 10% e ainda menor se considerarmos o volume faturado, já que se considera na cidade estudada, um volume mínimo faturado para ligações que indicam menos que 10 m 3 por mês. O resultado se manteve mesmo após o expurgo de leituras consideradas discrepantes em relação à média. Vale destacar que, apesar da diferença média não ser muito elevada, ocorreram casos isolados em que a variação no consumo médio foi elevada, chegando a superar 80%. Por outro lado, houve também diversos pontos onde, ao contrário do esperado, o consumo médio medido se reduziu após a substituição por medidores novos, o que fez com que a média da variação fosse inferior a 10%. No faturamento total a variação foi até menos significativa, pois ela acaba por expurgar os muito pequenos consumidores (abaixo de 10 m 3 /mês) deixando todos com o mesmo faturamento mínimo, e é justamente nesta faixa de consumidores que os medidores novos são mais significativos. Com relação à substituição dos monojatos, nota-se que a troca dos medidores resultou em um aumento do volume medido no setor de 12,7%. Caso fossem considerados os perfis de consumo citados por Montenegro (3), esperava-se que a vazão de operação dos medidores ocorresse principalmente em vazões abaixo de 75 L/h, vazões nas quais os medidores anteriormente instalados, especialmente os multijatos, apresentam erros elevados de indicação. Como os volumes medidos com medidores novos foram pouco diferentes que com os medidores mais antigos, tendo ocorrido inclusive em diversos casos uma redução no consumo com medidores novos, pode-se concluir que o sistema estudado, devido à grande intermitência no abastecimento e às características de relevo (mais de 20m entre as cotas das partes baixa e alta), possui características peculiares que tornam inadequado a utilização de perfis de consumo extraídos de trabalhos anteriores (como os de Montenegro (33 ) para a estimativa do volume ou índice de submedição. Essa hipótese deve, no entanto, ser ponderada com a possibilidade de ocorrência de registros de volumes não consumidos, ou seja, situações de acionamento das turbinas dos hidrômetros pela passagem de ar, dada a intermitência do funcionamento da rede. A variação nas características de consumo em cada ponto, causada pelas elevadas diferenças de pressão de abastecimento e pela existência de consumidores comerciais de porte diverso no sistema estudado, indica que os medidores monojatos de 1,5m 3 /h de vazão máxima podem não ter sido adequadamente escolhidos. Hidrômetros dessa capacidade quando submetidos a vazões elevadas poderiam ter funcionado por períodos em vazões além de sua capacidade e se danificado, podendo acarretar submedição nas vazões mais baixas. Para alcançar um resultado conclusivo em relação à perda por submedição, dentro dos objetivos propostos, seria então necessário a complementação do trabalho com um levantamento do perfil de consumo típico no setor, com a aplicação de instrumentos de registro contínuo (data loggers) de vazão e pressão. 20 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 1662

Comparação dos resultados da MACROMEDIÇÃO X MICROMEDIÇÃO Comparando-se as leituras do macromedidor com a somatória das leituras dos hidrômetros, nota-se uma grande discrepância. Enquanto a média de consumo mensal micromedido no setor supera os 3.000m 3 /mês, a leitura do macromedidor para o mesmo período não chega a atingir 500 m 3 /mês. Tabela 1: Volume total aduzido ao sistema, medido pelo macromedidor. Data Leitura Considerando 1 mês: 26/06/98 6647 03/07/98 6755 Volume total medido no macromedidor = 405 m 3 10/07/98 6844 17/07/98 6908 Média de consumo micromedido no setor = 3 220 m 3 26/07/98 7052 31/07/98 7146 07/08/98 7273 Três hipóteses podem explicar essa diferença : a) Defeito no macromedidor, que estaria marcando muito menos que a água realmente escoada pelo sistema; b) Os micromedidores estariam indicando muito acima do volume por eles escoado; c) Entrada de água no sistema por outros pontos não identificados, ou seja, o sistema não estaria isolado com apenas uma entrada onde está instalado o macromedidor. Inicialmente a primeira hipótese foi considerada mais provável, pois já havia ocorrido a substituição do macromedidor instalado por duas vezes por motivos de quebra. Com objetivo de eliminar essa hipótese, o macromedidor foi retirado de campo e calibrado em laboratório. Os resultados demonstram que o macromedidor está em perfeitas condições de funcionamento não podendo então ser a razão da discrepância observada. Como o volume escoado indicado pela soma dos volumes totalizados pelos hidrômetros é elevada (mais de 3.000 m 3 /mês), foi considerada pouco provável a hipótese de que as vazões de operação do macromedidor ocorram abaixo da vazão mínima de indicação do mesmo, o que também seria um fator para a indicação incorreta do volume macromedido. Considera-se difícil também que a diferença entre os volumes macro e micromedidos possa ser atribuída apenas a erros de indicação por defeito dos micromedidores, por ser extremamente improvável que 200 medidores novos apresentem simultaneamente erros de indicação positivos tão elevados, exceto pela hipótese de influência não conhecida da intermitência elevada do abastecimento no sistema, devido à presença de ar nas linhas. Tal efeito ainda não foi suficientemente estudado para que se possa ter uma posição conclusiva a respeito e poderia ser melhor avaliado com o levantamento do regime de funcionamento dos medidores instalados no sistema. A existência de pontos não identificados de entrada de água no sistema, ou a possibilidade de que os pontos de corte nos extremos do setor não estivessem totalmente fechados, foi considerada pouco provável pelos técnicos da empresa de saneamento público do local, que executaram o fechamento do sistema. 20 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 1663

Em virtude do setor escolhido apresentar uma interrupção do abastecimento por várias horas durante o dia, torna-se bastante razoável afirmar que os erros verificados entre as leituras dos volumes micro e macromedidos estão relacionados ao efeito da intermitência no setor, pois um volume considerável de água retorna pelo macromedidor, durante o esvaziamento da rede de distribuição quando do corte do abastecimento, fazendo com que o macromedidor trabalhe de forma inversa com água, enquanto que os micromedidores trabalham com ar. CONSIDERAÇÕES FINAIS Conclui-se que para alcançar plenamente os objetivos iniciais do presente trabalho, serão necessárias informações referentes ao perfil de vazão dos consumidores e a verificação do volume realmente aduzido ao sistema. Para tanto são propostas as seguintes recomendações: instalar um macromedidor, previamente calibrado, dotado de registrador contínuo de pressão e vazão com a finalidade de verificar as vazões que ocorrem na alimentação do sistema, assim como a ocorrência de vazão noturna indicativa de algum vazamento; levantar o perfil de consumo (volume consumido por faixa de vazão) dos pontos de consumo do sistema, através da instalação de medidores com registradores (data loggers) por períodos característicos, para os diversos tipos de consumidores e pressões de abastecimento que ocorrem no sistema; retirar e calibrar os medidores novos instalados no sistema e verificar suas condições de funcionamento, avaliando os erros de medição no perfil de vazão levantado com os registradores e possível danos devido à intermitência do funcionamento; efetuar a campanha de medições em área isolada de abastecimento livre do problema de intermitência, ou corrigir os problemas de abastecimento no setor e repetir o estudo. É conveniente ressaltar que os resultados observados de aumento no faturamento mensal da ordem de 10%, com a substituição dos medidores por novos, não pode ser extrapolado para outros setores, devido às características de intermitência observadas e relativamente pequeno período de medição tomado para análise. Finalmente, deve ser observado com bastante ênfase, que os problemas de intermitência contribuem de forma decisiva para a complexidade da análise de submedição em medidores. Não existem estudos mais aprofundados do funcionamento de macro e micromedidores em regime intermitente, inverso e com ar, mas, pelos resultados apresentados, avalia-se que a hipótese freqüentemente levantada de que o volume medido inversamente quando do corte da água é compensado quando do retorno da mesma, não se mostrou correta para o sistema estudado. 20 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 1664

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