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Este documento analisa diferentes cenários com alterações na rede de distribuição de água, tais como a inserção de válvulas e bombas em diferentes trechos e a alteração do nível do reservatório. Os efeitos de cada cenário em termos de pressão média e perdas na rede são discutidos, bem como a eficiência do sistema de distribuição. A análise é baseada em cenários que variam de 01 a 35, com foco em duas regiões específicas.
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Tipologia: Notas de aula
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Avaliação de Estratégias Operacionais Visando a Sustentabilidade Hídrica e Energética de Rede de Distribuição de Água Real do Sul de Minas Gerais
João Paulo Gonçalves
Itajubá (MG) 2019
João Paulo Gonçalves
Avaliação de Estratégias Operacionais Visando a Sustentabilidade Hídrica e Energética de Rede de Distribuição de Água Real do Sul de Minas Gerais
Dissertação submetida ao Programa de Pós- Graduação em Engenharia Hídrica como parte dos requisitos para obtenção do título de Mestre em Engenharia Hídrica. Área de Concentração: Gestão de Sistemas Hídricos Orientador: Prof. Dr. Fernando das Graças Braga da Silva
Itajubá (MG) 2019
Agradeço primeiramente a Deus por ter me dado saúde pela oportunidade de enfrentar cada desafio em minha vida, guiando meus passos ao longo de todo esta pesquisa, além de prover o sentimento de dedicação a esse trabalho. A minha família que sempre foi minha base e amparo nos momentos de dúvidas e dificuldades, por compreenderem minha decisão, dando-me força para jamais desistir. Agradeço ao professor e Dr. Fernando das Graças Braga da Silva, pelos ensinamentos, pela orientação, conselhos por possibilitar a pesquisa nessa área de concentração, cuja em sua ausência não seria possível realizar os estudos voltados a esse tema. Obrigado por toda atenção, dedicação e conhecimento compartilhados. Agradeço a todos os professores que ministraram as disciplinas durante o curso de mestrado, agregando informações de ótima qualidade e ensinamentos. Propondo informações de forma diretas ou indiretamente na construção desse trabalho. Agradeço ao Projeto Redecope Finep – MCT (Ref. 0983/10) - Ministério da Ciência e Tecnologia intitulado “Desenvolvimento de tecnologias eficientes para a gestão hidro energética em sistemas de abastecimento de água” e Programa Pesquisador Mineiro da Fapemig pelo PPM - 00755-16 além de ser grato ao NUMMARH- Núcleo de Modelagem em Simulação em Meio Ambiente e Recursos e Sistemas Hidricos da UNIFEI. A todas as pessoas que contribuíram para esse trabalho direto ou indiretamente, sendo impossível agradecer a todos.
A conservação e a boa gestão hídrica são fundamentais para o desenvolvimento sustentável, qualidade e transporte de um bem cada vez mais precioso que é a água, que torna-se cada vez mais escassa. A conservação desse recurso hídrico é uma tarefa complexa quando relacionada com a demanda, que aumenta com o crescimento populacional, desta maneira uma boa gestão é fundamental para realizar determinadas análises das possíveis situações que ocasionam a diminuição desse recurso. O trabalho aqui proposto é subsidiado por informações obtidas em estudos anteriores do grupo NUMMARH – Núcleo de Modelagem e Simulação em Meio Ambiente e Recursos e Sistemas Hídricos obtidas a partir de companhias distribuidoras de água de sistema real, com o objetivo de fundamentar um procedimento de análise operacional de uma rede de distribuição de água com o intuito de estabelecimento de melhoria do custo x benefício através da utilização de proposta de operação de dispositivos hidromecânicos no sistema. O trabalho foi realizado em seis etapas: seleção da rede real para o estudo, estudo da ferramenta EPANET, levantamento de dados para o desenvolvimento do estudo, modelagem da rede, simulações computacionais usando o EPANET e análise dos resultados. As simulações são feitas com o uso do software EPANET onde são propostos cenários com diferentes combinações focando, principalmente a questão de redução de pressões à luz de norma técnicas associadas a perdas de água e custos financeiros. Os resultados demostraram que ocorreram melhorias nas pressões nos cenários com atribuição de válvulas e bombas, e através destas informações estabeleceu-se um melhor custo benefício em uma rede existente. Avalia-se que o trabalho contribui na aquisição de conhecimentos para procedimentos de análise aplicada a rede real, pois a maior parte dos estudos encontrados na literatura, mesmo com análises computacionais mais complexas, são aplicadas em redes teóricas de tamanho reduzido.
Palavras-chave: Rede de distribuição. Análise operacional. Redução de pressão.
Figura 1 – Setor de abastecimento típico.................................................................................. 18 Figura 2 – Sistema das ações de perdas reais ........................................................................... 21 Figura 3 – Etapas desenvolvidas no trabalho ........................................................................... 31 Figura 4 – Rede em estudo pertencente a um setor de abastecimento em Minas Gerais ......... 33 Figura 5 – (a) Rede em estudo sem alteração; (b) Gráfico de isolinhas sem controle de pressão .................................................................................................................................................. 37 Figura 6 – Gráfico de pressão da rede no cenário 01 ............................................................... 37 Figura 7 – (a) Sem inserção de válvula; (b) Com inserção de uma válvula ............................. 38 Figura 8 – Gráfico de comparação de pressão entre cenário 01 e 02 com inserção de uma válvula .................................................................................................................................................. 39 Figura 9 – (a) Cenário sem alteração de válvula; (b) Inserção de duas válvulas ..................... 40 Figura 10 – Gráfico de comparação de pressão entre cenário 01 e 03 com inserções de duas válvulas ..................................................................................................................................... 40 Figura 11 – (a) Sem inserção de válvula; (b) Com inserção de três válvulas........................... 41 Figura 12 – Gráfico de comparação de pressão entre cenário 01 e 04 com inserções de três válvulas ..................................................................................................................................... 42 Figura 13 – (a) Sem inserção de válvula; (b) Com inserção de quatro válvulas ...................... 43 Figura 14 – Gráfico de comparação de pressão entre cenário 01 e 05 com inserção de quatro válvulas ..................................................................................................................................... 44 Figura 15 – Instalação de bomba na região com maiores altitudes no trecho 96 com o RNF= 957 metros ................................................................................................................................ 45 Figura 16 – Gráfico de comparação de pressão entre cenário 01 e 06 com inserção de bomba .................................................................................................................................................. 46 Figura 17 – Instalação de uma válvula associado a rede com bomba com o RNF= 957 metros .................................................................................................................................................. 47 Figura 18 – Gráfico de comparação de pressão entre cenário 01 e 07 com inserção de bomba .................................................................................................................................................. 48 Figura 19 – Instalação de duas válvulas a rede com uma bomba com o RNF=957 metros ..... 49 Figura 20 – Gráfico comparativo de pressão entre cenário 01 e 08 com inserção de bomba .. 50 Figura 21 – Instalação de três válvulas a rede com bomba com o RNF= 957 metros ............. 50 Figura 22 – Gráfico de comparação de pressão entre cenário 01 e 09 com inserção de bomba .................................................................................................................................................. 51
Figura 23 – Instalação de quatro válvulas a rede com bomba no trecho 96 com o RNF = 957 metros ....................................................................................................................................... 52 Figura 24 – Gráfico de comparação de pressão entre cenário 01 e 10 com inserção de uma bomba ....................................................................................................................................... 53 Figura 25 – (a) Sem alteração do RNF; (b) Com alteração RNF = 957 para RNF = 954 metros .................................................................................................................................................. 54 Figura 26 – Gráfico de comparação de pressão entre cenário 01 e 11 ..................................... 55 Figura 27 – Colocação de válvula redutora de pressão e alteração do reservatório a 954 metros .................................................................................................................................................. 56 Figura 28 – Gráfico de comparação de pressão entre cenário 01 e 09 com inserção de uma válvula ...................................................................................................................................... 57 Figura 29 – Colocação de duas válvulas redutoras de pressão e alteração do RNF= 954 metros .................................................................................................................................................. 57 Figura 30 – Gráfico de comparação de pressão entre cenário 01 e 13 com inserção de duas válvulas ..................................................................................................................................... 58 Figura 31 – Colocação de três válvulas redutoras de pressão e alteração do reservatório a 954 metros ....................................................................................................................................... 59 Figura 32 – Gráfico de comparação de pressão entre cenário 01 e 14 com inserção de três válvulas ..................................................................................................................................... 60 Figura 33 – Colocação de quatro válvulas redutoras de pressão e alteração do reservatório a 954 metros ....................................................................................................................................... 61 Figura 34 – Gráfico de comparação de pressão entre cenário 01 e 15 com inserção de quatro válvulas ..................................................................................................................................... 62 Figura 35 – Instalação de uma bomba na região com maiores no trecho 96 com o RNF= 954 metros ....................................................................................................................................... 63 Figura 36 – Gráfico de comparação de pressão entre cenário 01 e 16 com inserção de bomba .................................................................................................................................................. 63 Figura 37 – (a) Sem alteração da altura do RNF= 957 metros; (b) Alterando para RNF = 949 metros ....................................................................................................................................... 64 Figura 38 – Gráfico de comparação de pressão entre cenário 01 e 17 ..................................... 65 Figura 39 – Colocação de válvula redutora de pressão e alteração do RNF = 949 metros ...... 66 Figura 40 – Gráfico de comparação de pressão entre cenário 01 e 18 com inserção de uma válvula ...................................................................................................................................... 67
Figura 59 – Instalação de bomba na região com maiores altitudes no trecho 96 com o RNF= 944 metros ................................................................................................................................ 84 Figura 60 – Gráfico de comparação de pressão entre cenário 01 e 28 com inserção de bomba .................................................................................................................................................. 85 Figura 61 – Instalação de uma válvula e uma bomba com o RNF=944 metros ....................... 86 Figura 62 – Gráfico de comparação de pressão entre cenário 01 e 29 com inserção de uma bomba ....................................................................................................................................... 87 Figura 63 – Instalação de duas válvulas e uma bomba na trecho 96 com o RNF= 944 metros .................................................................................................................................................. 88 Figura 64 – Gráfico de comparação de pressão entre cenário 01 e 30 com inserção de bomba .................................................................................................................................................. 89 Figura 65 – Instalação de três válvulas com uma bomba no trecho 96 com RNF= 944 metros .................................................................................................................................................. 90 Figura 66 – Gráfico de comparação de pressão entre cenário 01 e 31 com inserção de bomba .................................................................................................................................................. 90 Figura 67 – Instalação de quatro válvulas, e uma bomba no trecho 96 com o RNF= 944 metros .................................................................................................................................................. 91 Figura 68 – Gráfico de comparação de pressão entre cenário 01 e 32 com inserção de bomba .................................................................................................................................................. 92 Figura 69 – Instalação de quatro válvulas com bombas nó trecho 96 e 13 com o RNF= metros ....................................................................................................................................... 93 Figura 70 – Gráfico de comparação de pressão entre cenário 01 e 33 com inserção duas bombas .................................................................................................................................................. 94 Figura 71 – Instalação de três válvulas com bomba no trecho 96 e 13 com o RNF = 940 metros .................................................................................................................................................. 95 Figura 72 – Gráfico de comparação de pressão entre cenário 01 e 34 com inserção de duas bombas ...................................................................................................................................... 96 Figura 73 – Instalação de quatro válvulas e uma bomba no trecho 96 com o RNF= 940 metros .................................................................................................................................................. 97 Figura 74 – Gráfico de comparação de pressão entre cenário 01 e 35 com inserção de bomba .................................................................................................................................................. 98 Figura 75 – Investimento estimado para melhoria de rede de distribuição com relação a cada cenário ...................................................................................................................................... 99 Figura 76 – Rede com os devidos equipamentos e aplicação da reabilitação ........................ 107
Figura 77 – Gráfico comparativo de pressão entre cenário 35 utilizando técnica de reabilitação da rede..................................................................................................................................... 108 Figura 78 – Rede com os devidos equipamentos e aplicação da reabilitação ........................ 109 Figura 79 – Gráfico comparativo de pressão entre cenário 35 utilizando técnica de reabilitação da rede..................................................................................................................................... 109
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máximo pré-estabelecidos conforme a topografia aproximadamente 10 a 50 metros de coluna d’água (m.c.a). Importante salientar que essas pressões são os limites, podendo as pressões de trabalho adequar-se a cada situação. Estes cenários foram avaliados com auxílio de uma ferramenta computacional (EPANET) na estratégia de minimizar as pressões em uma rede real na busca que estes cenários atendam a pressão recomendada, serão alterados a altura do reservatório principal, instalações de válvulas e bombas e troca de tubulações com os respectivos diâmetros. O procedimento foi testado em sistema de distribuição de água real do sul de Minas Gerais e os cenários testados a luz de análise de pressões que se relacionam com perdas e custo de investimento nas estruturas.
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2.1 Objetivo geral
O objetivo deste trabalho é avaliar o comportamento de uma rede de distribuição de água real, visando eficiência e sustentabilidade hídrica e energética através de cenários com auxílio do Software EPANET propondo melhorias através modelagem e otimização.
2.2 Objetivos específicos
Os principais desenvolvimentos para o objetivo especifico deste trabalho são: a) Adquirir conhecimento sobre a rede real em estudo; b) Estabelecer critérios para estruturação de cenários de simulação; c) Sintetizar conhecimentos para melhoria de operação do sistema como um todo, desenvolvendo proposto de procedimento metodológico para melhoria de eficiência hidroenergética de redes de distribuição de água.
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Um sistema de distribuição de água é formado por um conjunto de tubulações, acessórios (conexões), reservatórios, bombas hidráulicas, segundo Justino e Nogueira (2013) para garantir o atendimento dentro de condições sanitárias, de vazão e pressão apropriadas, a cada um dos diversos pontos de consumo de uma cidade ou setor. A partir desta rede são alimentados, por meio de ramais de ligação que assegura o abastecimento por tubulações predial de água, desde a rede pública até ao limite da propriedade a servir, os diversos edifícios ou instalações utilizando uma metodologia de solução do dimensionamento de um sistema de distribuição de água em malhas. No entanto, um dos principais desafios segundo Fontana e Morais (2015), para os gestores de abastecimento de água é o controle de perdas causadas por vazamentos, pressões e cargas hidráulicas nos nós, além de ocorrência devido a incrustações e mudança da rugosidade em virtude do envelhecimento dos tubos. O controle de perdas tem se tornado de grande interesse mundial devido à crescente tendência internacional para a sustentabilidade, eficiência econômica e a proteção do ambiente. O modelo de setorização desenvolvido por Fontana e Morais (2015) para controles que é capaz de minimizar o número de válvulas de fechamento, e ao mesmo tempo maximizar os benefícios gerados aos usuários pela setorização das redes de distribuição para a realização de manutenção necessária. A setorização da rede torna mais fácil qualquer atividade de manutenção, além de atingir um número menor de unidades de consumo e quanto menor o setor de manobras, menores serão as chances da ocorrência de interrupções no abastecimento, porém a demasiada utilização de válvulas de fechamento pode encarecer o sistema, seja por sua implantação, seja por sua manutenção. As redes de distribuição de água são sistemas que constituem, segundo os estudos realizados por Pinnto et al. (2017) condutos, junções e outros equipamentos específicos para viabilizar o transporte de água entre uma fonte ou reservatório e os pontos de consumo em residências, comércio e indústrias. Em seu trabalho foi utilizado o algoritmo MINPGA (Multiscale Island Injection Genetic Algorithm) que constituiu aplicado ao problema de otimização de RDA (Rede de distribuição de Água). O MINPGA utiliza a técnica de nichos de Pareto em conjunto com a técnica de múltiplas ilhas. Os nichos de Pareto são avaliados a fim de se resolver situações de conflito entre duas soluções para decidir qual delas será considerada melhor. As soluções descritas por Pinnto et al. (2017) com funções matemáticas e mostraram que o MINPGA é um algoritmo acurado e preciso. Acurado no sentido de que as soluções encontradas em dada geração se mostraram cada vez mais próximas das soluções obtidas na
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geração subsequente. Preciso, pois, foi verificada uma pequena magnitude da diferença entre a solução sub-ótima dada pelo algoritmo e a solução ótima analítica do problema-teste, tendo em alguns casos convergido para a solução ótima.
3.2 Técnicas de detecção de perdas de água em sistemas de distribuição
Os vazamentos nas redes de distribuição de água podem ser divididas segundo Misiunas (2008) em vazamentos não aparentes, que incluem vazamentos em juntas hidrantes; e os vazamentos correspondentes aos rompimentos informados e não informados ao responsável pelos serviços de distribuição. A análise de redes de distribuição de água consiste na forma mais eficiente de prevenção, Formigo e Chaudhry (2008) demonstram que o comportamento das vazões e perdas de carga nos trechos, pressões e cargas hidráulicas nos nós quando ocorrem modificações devido a incrustações, mudança da rugosidade comprometem a vida útil da tubulação, vazamentos e quebras, entre outras situações comuns às redes. Segundo os estudos de Formigo e Chaudhry (2008) compararou-se os métodos Newton- Raphson, Teoria Linear, Híbrido e Gradiente. O método Newton-Raphson depende principalmente dos valores iniciais para que apresente uma convergência rápida, a falta desses valores pode ser crítica em sistemas mais complexos. O método da Teoria Linear emprega aproximações lineares sucessivas da equação de perda de carga nos trechos, produzindo bons resultados. Estes requisitos são ainda mais importantes em estudos mais específicos da rede, como análise de perdas por vazamentos e avaliação da confiabilidade do sistema. O método Híbrido são resultados da união de dois ou mais métodos citados. O Método do Gradiente efetua a união de técnicas de minimização numérica com o método Newton-Raphson, que resultou em um algoritmo muito eficiente e que resulta na utilização em quase todos os pacotes de simuladores hidráulicos atualmente disponíveis como: EPANET, WATERCAD, SARA, MIKENET, PIPENET. Segundo Orellana (2011) no processo de distribuição, as tubulações com o passar do tempo, acabam por apresentar um alto grau de tuberculização, aumentando a rugosidade interna e reduzindo o diâmetro hidráulico, ocasionando frequentes problemas de qualidade da água e pressões abaixo da mínima recomendada. Assim a satisfação dos clientes com o serviço diminui, e os custos de manutenção e operação do sistema aumentam. A detecção de vazamento tornou-se trabalho rotineiro para as indústrias de abastecimento de água Xu et al (2014) afirmam que pode ser significativamente melhorada se
