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UNIVERSIDADE FEDERAL DE CAMPINA GRANDE
CENTRO DE TECNOLOGIA E RECURSOS NATURAIS
PROGRAMA DE PS-GRADUAO EM ENGENHARIA CIVIL E AMBIENTAL
REA DE CONCENTRAO: ENGENHARIA DE RECURSOS HDRICOS E SANITRIA
RONALDO AMNCIO MENESES
DIAGNSTICO OPERACIONAL DE SISTEMAS DE
ABASTECIMENTO DE GUA: O CASO DE CAMPINA GRANDE
CAMPINA GRANDE
Maio de 2011
RONALDO AMNCIO MENESES
DIAGNSTICO OPERACIONAL DE SISTEMAS DE
ABASTECIMENTO DE GUA: O CASO DE CAMPINA GRANDE
Dissertao apresentada ao Programa de Ps-
Graduao em Engenharia Civil e Ambiental
da Universidade Federal de Campina Grande,
como parte dos requisitos necessrios para a
obteno do grau de Mestre.
rea de Concentrao: Engenharia de Recursos Hdricos e Sanitria
Orientadores: Prof. Dr. Carlos de Oliveira Galvo
Prof. Dr. Kennedy Flvio Meira de Lucena
Campina Grande, maio de 2011.
RONALDO AMNCIO MENESES
DIAGNSTICO OPERACIONAL DE SISTEMAS DE
ABASTECIMENTO DE GUA: O CASO DE CAMPINA GRANDE
Dissertao aprovada em 27 de maio de 2011.
COMISSO EXAMINADORA:
__________________________________________________
Dr. Kennedy Flvio Meira de Lucena (Orientador)
Instituto Federal de Educao, Cincia e Tecnologia IFPB
__________________________________________________
Dr. Saulo de Tarso Marques Bezerra (Examinador Externo)
Universidade Federal de Pernambuco - UFPE
__________________________________________________
Dra. Andrea Carla Lima Rodrigues (Examinador Interno)
Universidade Federal de Campina Grande - UFCG
DEDICATRIA
minha me Madalena Amncio (Mad).
Ao meu pai Pedro Meneses, in memorian.
Ao meu irmo Romero Meneses, in memorian.
AGRADECIMENTOS
A Deus, pela vida de paz e harmonia, pela oportunidade de evoluo espiritual, e pelo
amparo nos instantes de dificuldades.
A meus pais, pelo apoio constante, pela educao moral e por sempre me mostrarem
que a retido sempre o melhor caminho a seguir.
A meus irmos, Rosivaldo, Rogrio, Rivaldo, Rosngela, Romero (in memorian),
Rose, Rubens e Maria, pelo companheirismo, apoio e incentivo constantes.
Rose, Geraldo, Philipe e Eduardo, pelo amparo material, moral e espiritual nos
momentos mais difceis.
Plvia, pela inundao de amor, afeto, serenidade e compreenso nos ltimos
meses, quando declinar parecia o bvio. Ao pequeno Henry, por tantos momentos de alegria.
Ao meu orientador Carlos Galvo, pela acolhida no mestrado, disponibilidade, apoio
e confiana constantes e pelos ensinamentos ao longo do desenvolvimento do trabalho.
Ao meu orientador Kennedy Flvio, pelo apoio, ensinamentos valiosos,
disponibilidade e pela humildade, ao longo da convivncia e no direcionar dos caminhos, ao
longo do trabalho.
CAGEPA, pela liberao para os estudos e permisso para coleta de dados, em
especial, ao Engenheiro Carlos Potiguara, que acreditou e apoiou o meu desejo de evoluo
profissional. Aos colegas Fred e Souzinha, pelo incentivo e apoio, substituindo-me nas
muitas ausncias. Ao colega Giordan, pelo apoio e pelo pontap inicial na elaborao do
modelo do sistema. Ao colega Expedito Honorio, pelo incentivo e pelas discusses
enriquecedoras. arquiteta Alba Dornellas e ao tcnico Barbosa pela grande ajuda na coleta
dos dados cadastrais.
minha equipe da Subgerncia de Controle Operacional, por todo o apoio,
encorajamento, compreenso e contribuio; fizeram-me estar presente, quando estava
ausente em muitas oportunidades. Minha sincera gratido a Lourdinha, Winston, Lirianny,
Aprgio, Anglica, Manoel Honorio, Marcelino, Dalcira, Edson, Joo de Deus, Sandoval
e Diego.
Aos colegas Gonzaga e Ruy, pela convivncia harmoniosa e crescimento mtuo em
todos os momentos do curso.
turma do mestrado, Rony, Alan, Priscila, Daniel, Isaas, Jos Guimares e
Zacarias, pela oportunidade de aprendizado com as vivncias de cada um.
A todos os professores, pelo ensino e dedicao.
Aos funcionrios dos laboratrios I e II pela constante disponibilidade, em especial, a
Josete, Alrezinha e Valdomiro.
Aos colegas do Laboratrio de Hidrulica II, Marlia, Zezineto, Rodolfo, Mnica,
Samilly, Ester, Itamara, Barbara, John, Anderson, Renato e Heber, pela alegria da
convivncia.
A todos os amigos e colegas pelo incentivo constante, em especial a Srgio Espnola,
Bondia, Clediana, Roberto Evaristo, Constncia, Laurindo, Ariosto e ngela.
Aos professores Luciano Azevedo e Gledsnelli Lins, pela recomendao ao
programa.
E por fim, a todos que, de alguma forma, contriburam para o desenvolvimento deste
trabalho.
RESUMO
Fatores como crescimento urbano desordenado, ausncia de controle de perdas,
envelhecimento dos sistemas, alteraes e expanses no previstas, elevados custos
operacionais, alm das incertezas associadas dificultam a operao dos sistemas de
abastecimento de gua, tornando-a um conjunto de processos cada vez mais complexo e
problemtico, resultando no no atendimento da demanda em quantidade e qualidade, no no
cumprimento das presses mnimas e no abastecimento sem eficincia operacional e
energtica. Neste trabalho, foi elaborado um diagnstico do sistema de abastecimento da
cidade de Campina Grande (SACG), com o objetivo de subsidiar a melhoria da gesto do
sistema. Essa melhoria compreende: atender demanda de abastecimento, reduzir o custo
operacional energtico, reduzir o nmero de acionamentos/desligamentos das bombas e
vlvulas, reduzir as perdas de gua e buscar procedimentos operacionais eficientes. O trabalho
consistiu no levantamento minucioso de informaes operacionais e dados cadastrais de todo
o sistema e modelagem computacional, atravs do software EPANET. Constatou-se a
necessidade de implantao de plano de reabilitao de rede e de manuteno preditiva e
preventiva para as unidades operacionais. Verificou-se que possvel definir um
agendamento operacional dirio para o SACG, atendendo aos critrios hidrulicos e com
reduo dos custos de energia. Percebeu-se que, atualmente, no se permite operacionalizar o
sistema sem o funcionamento da estao elevatria de Gravat no horrio de ponta (17:30
horas s 20:30 horas), mas isso seria possvel com a reduo da demanda a partir de 5%, com
prticas de reduo de perdas fsicas e melhorias na micromedio. As atividades de
manuteno preventiva podero ser realizadas pela manh e se durarem duas horas, no
prejudicaro o sistema. Verificou-se ainda que, mesmo o sistema sendo operado nas suas
condies limites de atendimento da demanda, com base no diagnstico operacional, podem-
se definir procedimentos para que a operao torne-se mais eficiente e mais econmica.
Palavras chave: sistema de abastecimento de gua; gesto da operao; EPANET; eficincia
energtica; demanda.
ABSTRACT
Factors such as urban sprawl, lack of damage control, aging systems, modifications and
expansions not covered, high operating costs, in addition to uncertainties associated with
difficult operating conditions, making it a set of processes increasingly complex and
problematic, resulting in unmet demand in quantity and quality, non-compliance with
minimum pressures of supply and operational efficiency and without energy. In this paper,
diagnosis system was developed to supply the city of Campina Grande (SACG), with the aim
of supporting the improvement of management system. This improvement comprises:
satisfying the demand of supply, reduce operating cost energy, reduce the number of on / off
power for pumps and valves, reducing water losses and seek efficient operational
procedures. The research consisted of examining detailed operational information and
registration data of the whole system and computational modeling, by EPANET. It was noted
the need to implement the rehabilitation plan and network of predictive and preventive
maintenance for the operational units. It was found that you can set schedule for the daily
operational SACG, given the criteria and reducing the hydraulic energy costs. It was felt that
currently are not allowed to operate the system without the operation of the lift station
Gravat at peak hours (17:30 PM to 20:30 PM), but it would be possible with reduced demand
from 5% with practices to reduce physical loss and improvements in micro-measurement. The
preventive maintenance activities can be carried out in the morning and last for two hours,
will not harm the system. It was found that even the system being operated in its extremes to
meet demand, operating through the diagnostic procedures can be defined so that the
operation becomes more efficient and more economical
Keywords: water distribution system; operations management; EPANET; energy efficiency,
demand.
LISTA DE ILUSTRAES
LISTA DE FIGURAS
Figura 2.1 Unidades operacionais de um SAA 5
Figura 2.2 Nveis operacionais de reservatrios e clculo da velocidade de
subida do nvel da gua (Adaptado de Ohara e Lacerda, 2002) 13
Figura 2.3 Distribuio percentual dos gastos com energia eltrica na
CAGEPA (TEIXEIRA, 2010). 34
Figura 3.1 Manancial e estao de tratamento do SACG e algumas
localidades atendidas (adaptado de CAGEPA, 2010). 40
Figura 3.2 Unidades operacionais do SACG (adaptado de CAGEPA, 2010). 41
Figura 3.3 Zonas de presso do SACG. 48
Figura 3.4 Planilha para o controle operacional do SACG. 59
Figura 4.1 Fluxo de etapas metodolgicas. 61
Figura 4.2 Planilha do controle operacional do SACG. Em destaque, estado
das bombas (F: em funcionamento; P: desligada). 66
Figura 4.3 Planilha do controle. Em destaque, nvel de reservatrios. 66
Figura 4.4 Modelagem para o sistema EEAT-Gravat 75
Figura 5.1 Evoluo mensal do volume armazenado no aude Boqueiro em
12 meses (adaptado de AESA, 2011). 78
Figura 5.2 Evoluo do volume armazenado no aude Boqueiro na ltima
dcada (adaptado de AESA, 2011). 79
Figura 5.3 Estao elevatria do R-09 para o R-05 (adaptado de Cavalcanti,
2006). 81
Figura 5.4 Expanso das zonas de abastecimento da cidade de Campina
Grande (adaptado de CAGEPA, 2010). 86
Figura 5.5 Identificao de necessidade de ponto de macromedio de vazo
no R-05. 89
Figura 5.6 Identificao de necessidade de ponto de macromedio de vazo
no R-04. 90
Figura 5.7 Identificao de necessidade de ponto de macromedio de vazo
no R-09. 93
Figura 5.8 Quantitativos dos servios de retirada de vazamentos na cidade de
Campina Grande (CAGEPA, 2010). 94
Figura 5.9 Variao mdia do consumo x produo para o ano de 2009. 100
Figura 5.10 Padro de consumo para o SACG. 102
Figura 5.11 Comportamento dos nveis dos reservatrios na simulao 3. 104
Figura 5.12 Comportamento dos nveis dos reservatrios na simulao 14. 106
Figura 5.13 Funcionamento dos conjuntos motobombas na simulao 2. 107
Figura 5.14 Funcionamento dos conjuntos motobombas na simulao 3. 108
Figura 5.15 Variao dos nveis dos reservatrios na simulao 10. 111
Figura 5.16 Funcionamento dos conjuntos motobombas na simulao 14. 112
Figura 5.17 Comportamento dos nveis dos reservatrios na simulao 15 112
Figura 5.18 Comportamento dos nveis dos reservatrios na simulao 18. 116
Figura 5.19 Funcionamento dos conjuntos motobombas na simulao 18. 118
Figura 5.20 Comportamento dos nveis dos reservatrios na simulao 19. 119
Figura 5.21 Funcionamento dos conjuntos motobombas na simulao 19. 120
Figura 5.22 Comportamento dos nveis dos reservatrios na simulao 20. 121
Figura 5.23 Comportamento dos nveis dos reservatrios na simulao 24. 121
Figura 5.24 Comportamento dos nveis dos reservatrios, operando fora do
horrio de ponta (simulao 26). 127
Figura 5.25 Funcionamento dos conjuntos motobombas operando fora de
ponta (simulao 26). 127
Figura 5.26 Comportamento dos nveis dos reservatrios na simulao 28. 130
Figura 5.27 Funcionamento dos conjuntos motobombas operando fora de
ponta na simulao 28. 130
Figura 5.28 Comportamento dos nveis dos reservatrios, com aumento de 5%
na demanda 132
LISTA DE QUADROS E TABELAS
LISTA DE QUADROS
Quadro 3.1 Quadro resumo do sistema de reservao do SACG. 57
Quadro 3.2 Quadro resumo das estaes elevatrias do SACG. 58
Quadro 5.1 Localidades abastecidas atualmente pelo aude Boqueiro 79
Quadro 5.2 reas do SACG com dificuldades no abastecimento de gua 98
Quadro 5.3 Descrio das condies adotadas nas simulaes da EEAT-
Gravat
103
Quadro 5.4 Horrio da manuteno preventiva nas simulaes da EEAT-
Gravat
115
Quadro 5.5 Condies gerais para simulao com operao fora do horrio de
ponta
125
LISTA DE TABELAS
Tabela 3.1 Caractersticas da EEAB Boqueiro (CAGEPA, 2010) 42
Tabela 3.2 Caractersticas da ETA-Gravat (CAGEPA, 2011) 43
Tabela 3.3 Caractersticas da EEAT-Gravat e das adutoras de gua tratada 44
Tabela 3.4 Localidades atendidas pelo SACG (com informaes da CAGEPA,
2010 e IBGE, 2010) 45
Tabela 3.5 Zonas de presso do SACG 47
Tabela 3.6 Comprimento por dimetro nominal (adaptado de CAGEPA, 2010) 48
Tabela 3.7 Reservatrios da zona urbana e distritos de Campina Grande
(adaptado de CAGEPA, 2010) 50
Tabela 3.8 Reservatrios abastecidos das cidades a partir da rede de
distribuio de Campina Grande (adaptado de CAGEPA, 2010). 51
Tabela 3.9 Volume distribudo para o SACG no ano de 2009 (adaptado de
CAGEPA, 2010) 51
Tabela 3.10 ndice de perdas dos prestadores de servios do Nordeste do Brasil
(SNIS, 2007) 52
Tabela 3.11 Estudos com informaes referentes ao perfil de consumo de gua
do SACG 53
Tabela 3.12 Funcionamento da EEAB- Boqueiro (adaptado de CAGEPA, 2010) 54
Tabela 3.13 Vazes da EEAB Boqueiro (adaptado de CAGEPA, 2010 55
Tabela 3.14 Vazes da EEAT-Gravat (adutoras DN 500, DN 700 e DN 800)
(adaptado de CAGEPA, 2010) 55
Tabela 4.1 Planilha para determinao dos volumes produzidos e consumidos
para o dia 12 de maro de 2009 67
Tabela 4.2 Caractersticas das adutoras de gua tratada (adaptado de CAGEPA,
2010) 73
Tabela 5.1 Crescimento da rede de distribuio de gua (CAGEPA, 2011). 84
Tabela 5.2 Crescimento dos trechos de menor dimetro (CAGEPA, 2011). 85
Tabela 5.3 Levantamento da necessidade da macromedio para a zona de
presso A. 89
Tabela 5.4 Levantamento da necessidade de macromedio para as zonas de
presso atendidas diretamente das adutoras 90
Tabela 5.5 Levantamento da necessidade da macromedio para as zonas de
presso B e C 91
Tabela 5.6 Levantamento da necessidade da macromedio para a zona de
presso D 92
Tabela 5.7 Comportamento do crescimento das ligaes de gua do SACG
(CAGEPA, 2011) 93
Tabela 5.8 Vazamentos retirados da rede de distribuio no ano de 2009
(CAGEPA, 2011) 95
Tabela 5.9 Resultados das simulaes para definio do agendamento
operacional dirio 105
Tabela 5.10 Custo dirio com consumo de energia eltrica para as simulaes 113
Tabela 5.11 Resultados das simulaes para as paradas programadas na EEAT-
Gravat. 117
Tabela 5.12 Custo dirio de energia eltrica para as simulaes 3 e 5 (adaptado
de ENERGISA, 2010) 122
Tabela 5.13 Valores do contrato de uso de energia eltrica no perodo de um
ms. 123
Tabela 5.14 Economia mxima com energia eltrica no horrio de ponta, no
perodo de um ms (adaptado de CAGEPA, 2010). 124
Tabela 5.15 Despesa com energia eltrica no horrio de ponta, no perodo de 12
meses (CAGEPA, 2010) 125
Tabela 5.16 Resultado da simulao com operao fora do horrio de ponta 126
Tabela 5.17 Resultado da simulao com operao fora do horrio de ponta,
considerando reduo de demanda. 130
Tabela 5.18 Anlise da simulao 3 com o aumento da demanda para a operao
do item 5.3.2.1 (agendamento operacional dirio) 132
Tabela 5.19 Resultados das simulaes com o aumento da demanda para a
operao do item 5.3.2.1 (agendamento operacional dirio) 133
Tabela 5.20 Resultados das simulaes com o aumento da demanda para a
operao do item 5.3.2.2 (agendamento para manuteno
programada) 135
SUMRIO
1 INTRODUO 1
1.1 Caracterizao do problema 1
1.2 Objetivo geral 3
1.3 Objetivos especficos 3
2 SISTEMAS DE ABASTECIMENTO DE GUA (SAA) 4
2.1 Sistemas de abastecimento de gua 4
2.2 Operao de SAA 8
2.2.1 Operao de sistemas de reservao 12
2.3 Automao e Sistemas SCADA 15
2.4 Modelagem 19
2.4.1 Estado da arte em modelagem de SAA 23
2.5 Previso de demanda 32
2.6 Eficincia energtica em SAA 33
3 O SISTEMA DE ABASTECIMENTO DE CAMPINA
GRANDE (SACG) 35
3.1 Estrutura de gesto da CAGEPA 35
3.2 Descrio do sistema 35
3.2.1 Breve histrico 35
3.2.2 Unidades operacionais 39
3.2.2.1 O manancial 39
3.2.2.2 A captao 42
3.2.2.3 A estao elevatria de gua bruta 42
3.2.2.4 Adutoras de gua bruta 42
3.2.2.5 Estao de tratamento de gua (ETA-Gravat) 43
3.2.2.6 A estao elevatria de gua tratada (EEAT-Gravat) e adutoras de gua
tratada
43
3.2.2.7 Localidades atendidas 45
3.2.2.8 Rede de distribuio 46
3.2.2.9 Sistemas de reservao 49
3.2.2.10 Macromedio, micromedio, perdas e perfil do consumo 51
3.2.3 Descrio da operao 54
3.2.3.1 A EEAB-Boqueiro 54
3.2.3.2 A EEAT-Gravat 54
3.2.3.3 Sistema de reservao e outras estaes elevatrias 56
3.3 O sistema de controle operacional 56
3.4 O sistema de automao 59
4 METODOLOGIA 61
4.1 Levantamento de informaes cadastrais do sistema 62
4.2 Levantamento de dados operacionais 63
4.3 Elaborao da curva de demanda 64
4.4 Diagnstico do sistema 68
4.4.1 Diagnstico das unidades operacionais 68
4.4.2 Diagnstico da operao 69
4.5 Modelagem do sistema 70
4.5.1 Descrio do modelo EPANET 2 71
4.5.2 Modelagem do SACG 72
4.5.2.1 Estimativa do consumo para os ns 72
4.5.2.2 Modelagem das unidades operacionais 72
4.5.2.3 Modelagem e simulao para o sistema adutor EEAT-Gravat 74
4.5.3 Elaborao de regras operacionais 74
4.5.4 Anlise da robustez das regras 77
5 RESULTADOS E DISCUSSES 78
5.1 Diagnstico das unidades operacionais do SACG 78
5.1.1 Manancial 78
5.1.2 Captao 80
5.1.3 Adutoras de gua tratada 80
5.1.3.1 Estaes elevatrias 82
5.1.3.2 Tubulaes 82
5.1.4 Rede de distribuio 83
5.1.4.1 Sistemas de reservao 83
5.1.4.2 Estaes elevatrias 83
5.1.4.3 Rede de tubulaes e acessrios 84
5.1.4.4 Macromedio e micromedio 87
5.1.4.5 Manuteno preventiva e corretiva 94
5.2 Diagnstico da operao 96
5.2.1 Regime operacional atual 96
5.2.2 Controle operacional 96
5.2.3 reas com falhas no abastecimento 97
5.3 Simulao da operao do sistema adutor EEAT-Gravat 100
5.3.1 Curva de demanda 100
5.3.2 Simulaes 102
5.3.2.1 Agendamento operacional dirio 103
5.3.2.2 Agendamento para execuo de manuteno programada 114
5.3.2.3 Operao com funcionamento apenas no horrio fora de ponta 123
5.3.2.4 Operao com funcionamento apenas no horrio fora de ponta e com
reduo de demanda 129
5.4 Regras operacionais 131
5.4.1 Agendamento operacional dirio 131
5.4.2 Agendamento para execuo de manuteno programada 134
6 CONCLUSES E RECOMENDAES 136
6.1 Concluses 136
6.2 Recomendaes 137
7 REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS 138
1
1 INTRODUO
1.1 Caracterizao do problema
Para que um sistema pblico urbano de abastecimento de gua possa atender
determinada populao, diversas etapas devem ser previamente estabelecidas e cumpridas. De
modo geral, as principais so: elaborao do projeto, implantao e operao. As duas
primeiras fases consistem nos estudos tcnicos de concepo, dimensionamento e execuo,
observando-se prioritariamente o que est consubstanciado nas normas tcnicas e nas anlises
econmicas de custo benefcio.
A operao consiste no conjunto de atividades e aes que permitam o funcionamento
das unidades componentes do sistema, de modo que todos os pontos de consumo sejam
plenamente abastecidos, de acordo, tambm, com parmetros tcnicos e econmicos. Porm,
devido s grandes dificuldades de gesto do processo operacional, estas exigem estudos e
anlises detalhadas, pois grande o nmero de incertezas intervenientes.
Assim, a rotina operacional de um sistema de abastecimento de gua (SAA) pode
apresentar diversas dificuldades. Entre elas: alto ndice de perdas fsicas, elevados custos com
energia eltrica, capacidades inadequadas dos reservatrios de distribuio, reas atendidas
no previstas em projeto, realizao de constantes manobras na rede de distribuio para
servios de manuteno, tubulaes antigas em avanado estgio de deteriorao,
equipamentos das estaes elevatrias com elevado grau de desgaste, cadastros tcnicos
desatualizados, alterao de parmetros de qualidade ao longo da rede de distribuio.
Este cenrio dificulta a operao, tornando-a um conjunto de processos cada vez mais
complexo e problemtico. Diante disso, Carrijo (2004) considera que a operao de um SAA
no pode ser entendida apenas como uma mera sequncia de comandos exercidos sobre os
equipamentos, que tm como objetivo o atendimento da demanda. Na realidade, o problema
muito mais amplo e multidisciplinar, envolvendo aspectos de planejamento, controle e
superviso, servios de infra-estrutura de apoio e de atendimento ao usurio, todos
considerados simultaneamente e interdependentes entre si.
Vicente (2005) afirma que as dificuldades operacionais dos sistemas so provenientes,
principalmente, da carncia de tcnicas de engenharia operacional e de mtodos modernos de
gesto de pessoas.
2
Paralelamente ao desenvolvimento socioeconmico do pas em diversas reas, novos
cenrios descortinam-se e avanam rapidamente. Na seara jurdica, os instrumentos de
proteo do cidado evoluem a passos largos, de modo que a legislao e os institutos de
defesa e proteo do consumidor encontram-se consolidados, exigindo que as prestadoras de
servios pblicos, por exemplo, adaptem-se s novas realidades. Na esfera dos recursos
hdricos, instrumentos e normas so implantados, indicando que o uso racional da gua o
paradigma a seguir. No cenrio tecnolgico, o desenvolvimento dos computadores ocorre
rapidamente e permite ao homem desenvolver tcnicas de simulao de sistemas reais e criar
mecanismos que possam melhorar e controlar continuamente os processos de produo,
tratamento e distribuio de gua.
As ferramentas computacionais atingiram avanado grau de aperfeioamento e esto
tornando-se cada vez mais acessveis, com a existncia de softwares livres e de cdigo aberto
de boa qualidade e muito utilizados em diversos pases. Equipamentos que tornam a operao
mais eficiente so desenvolvidos e aperfeioados, como vlvulas, conversores de frequncia e
sensores. A automao comea a ser implantada nos sistemas mais complexos, de modo que
os sistemas supervisrios passam a ser ferramentas de grande utilidade.
Pesquisadores empenham-se na realizao de novos estudos visando eficincia da
operao. Os modelos hidrulicos assumem papel fundamental nesse contexto, tornando-se
ferramenta essencial no realizar das pesquisas.
A urbanizao em elevados ndices (com o ainda crescente xodo rural), traduzida no
crescimento das cidades, com a construo civil, atingindo altos nveis, principalmente na
edificao vertical e de conjuntos habitacionais populares, vem exigindo respostas urgentes
dos sistemas de abastecimento, numa poca em que a escassez de gua potvel j uma
realidade, de tal modo que, em determinados locais, a realizao do atendimento torna-se
difcil.
Assim, as concessionrias responsveis pelo servio de abastecimento de gua devem
adotar medidas que se adaptem s necessidades atuais e utilizem novas ferramentas
tecnolgicas e de gesto, de modo que os processos operacionais sejam realizados mais
eficientemente.
Porm, percebe-se, ainda, que, na maioria dos sistemas brasileiros, tcnicas e
tecnologias de gesto da operao ainda no foram implementadas, sinalizando que ainda
muitas aes de planejamento devero ser estudadas ao longo dos prximos anos, exigindo
elevados investimentos econmicos.
3
De modo geral, com a crescente complexidade dos SAA, com as condies de
escassez de gua, com o volume de reservao restrito, com a capacidade de aduo limitada
pelas dimenses das tubulaes, pelas caractersticas fsicas da topografia, pela ausncia de
equipamentos de controle adequados necessria, cada vez mais, a existncia de um conjunto
bem definido de subsdios para a gesto do processo operacional de distribuio de gua.
Neste trabalho apresenta-se um estudo que visa ao diagnstico da operao do Sistema
de Abastecimento de Campina Grande (SACG), considerada etapa fundamental para subsidiar
qualquer programa de melhoria dos servios de fornecimento de gua populao, de reduo
de perdas, de eficientizao energtica, de reabilitao e de expanso do sistema.
1.2 Objetivo geral
A proposta deste trabalho a elaborao de diagnstico operacional de SAA e o
desenvolvimento de um conjunto de regras ou procedimentos que sirvam como suporte para a
tomada de deciso dos processos operacionais.
1.3 Objetivos especficos
Os objetivos especficos desse trabalho so:
Elaborao de diagnstico da situao das unidades operacionais do SAA.
Elaborao de diagnstico da operao do SAA.
Elaborar perfil de consumo do sistema.
Definio de agendamento operacional para estaes elevatrias de gua tratada
(EEAT) e para reservatrios.
Definio de horrio para a execuo de servios de manuteno preventiva em
EEATs e adutoras de gua tratada.
Verificar se o SAA permite a suspenso do funcionamento de EEATs no horrio de
ponta.
Verificar cenrios operacionais considerando a reduo e o aumento de consumo do
sistema.
4
2 SISTEMAS DE ABASTECIMENTO DE GUA (SAA)
2.1 Sistemas de abastecimento de gua
Para que o homem viva em comunidade, torna-se primordial a existncia de um
conjunto de sistemas de infra-estrutura nos aglomerados populacionais que objetive atender a
todas s suas necessidades. Entre eles, pode-se citar o sistema de drenagem de guas pluviais,
os arruamentos, as vias pblicas e pavimentao, o servio de coleta e destino de resduos
slidos, o sistema de coleta e tratamento de esgoto e o de transporte coletivo. Porm, um dos
mais essenciais refere-se ao abastecimento de gua potvel, suprindo os diversos consumos
suscitados pela sociedade (uso domstico, comercial, industrial e pblico).
Assim, o conjunto de obras, instalaes, equipamentos e servios, que constitui um
complexo de sistemas hidrulicos, destinado a produzir e distribuir gua a uma comunidade,
em quantidade e qualidade compatveis com as necessidades da populao denominado de
sistema de abastecimento pblico de gua (FUNASA, 2006).
De modo geral, um sistema de abastecimento constitudo pelas seguintes unidades: o
manancial, a captao, as adutoras, as estaes elevatrias, a estao de tratamento, os
reservatrios e a rede de distribuio. A Figura 2.1 apresenta uma configurao geral para um
SAA.
O manancial o corpo de gua superficial ou subterrneo, de onde retirada a gua
para o abastecimento da comunidade. Alm de dispor de vazo suficiente, a qualidade da gua
(do ponto de vista fsico, qumico, biolgico e bacteriolgico) deve atender aos critrios de
potabilidade estabelecidos na Portaria N 518/2004 do Ministrio da Sade. Assim, medidas
de controle devem ser tomadas tendo em vista degradao sofrida pelos mananciais devido a
fatores como urbanizao, eroso e assoreamento, indstrias, crregos e guas pluviais,
resduos slidos e agrcolas e esgotos domsticos.
A captao o conjunto de estruturas e acessrios responsveis pela retirada da gua
do manancial a ser destinada para a etapa de tratamento.
As adutoras permitem a conduo da gua para as unidades que esto localizadas a
montante da rede de distribuio. Podem ser de gua bruta ou tratada. So por gravidade ou
recalque.
5
NA
NA
NA
EEAT
Relev
Legenda
Relev - Reservatrio Elevado
Rap - Reservatrio apoiado
Rsemi - Reservatrio semi enterrado
EEAB - Estao Elevatria de gua Bruta
EEAT - Estao Elevatria de gua Tratada
Macromedidor
ETA - Estao de Tratamento de gua
ETA
EEAB
EEAT
Manancial
Captao
ADAT
ADAB
ADAB - Adutora de gua Bruta
ADAT - Adutora de gua Tratada
Rap
Rsemi
Rede de distribuio
Rede de distribuio
Booster
ADAT
Rede de distribuio
Figura 2.1 - Unidades operacionais de um SAA.
6
As estaes elevatrias ou de recalque so as instalaes de bombeamento destinadas
a transportar gua a pontos mais distantes ou mais elevados, aumentar a vazo das adutoras e
alimentao direta da rede de distribuio atravs de boosters. So as unidades onde
normalmente ocorrem os maiores gastos com energia eltrica.
A estao de tratamento (ETA) possibilita que a gua a ser distribuda esteja adequada
ao consumo. O tipo de tratamento escolhido vai depender principalmente das condies
qualitativas em que se encontra a gua do manancial.
Os reservatrios so os elementos destinados a regularizar as variaes entre as vazes
de aduo e de distribuio e condicionar as presses na rede de distribuio. So unidades
importantes para o controle do abastecimento. Com o objetivo de melhorar a distribuio de
gua, aproveitar ao mximo a capacidade de acumulao e dar segurana operacional ao
sistema, necessrio estabelecer regras e nveis operacionais de segurana.
A rede de distribuio a parte do sistema, constituda por tubulaes e rgos
acessrios, destinada a suprir a necessidade dos consumidores por gua potvel, de forma
contnua, em quantidade, qualidade e presso adequadas. Geralmente h trechos ramificados e
malhados. Devido expanso natural do sistema, requer uma constante atualizao cadastral,
uma vez que o processo de modificao (instalao e retirada de vlvulas, interligaes,
extenses de rede, etc.) de suas unidades dinmico.
As ligaes prediais ou domiciliares so os pontos de consumo da rede. Devem ser
dotadas de hidrmetros, para a realizao da micromedio. H ainda os hidrantes, que so
unidades que disponibilizam gua na rede para combate emergencial a incndios.
Alm disso, nas diversas unidades h um grande nmero de dispositivos e acessrios
que possibilitam o controle da operao do sistema, como vlvulas de bloqueio (gaveta e
esfera), vlvulas de regulagem (globo, borboleta, agulha, diafragma), vlvulas de proteo
(por exemplo, alvio e segurana), vlvulas de controle de presso (redutora, sustentadora),
vlvulas de controle de vazo, tanques de acumulao unidirecional, quadros de comando
eltrico, sensores, medidores de vazo, etc.
Os sistemas tm arranjos muito diversos. Podem atender pequenas ou grandes
comunidades, e suas estruturas podem ter baixo ou alto grau de complexidade. A concepo
depende de muitos fatores, entre eles, porte da cidade, topografia, sua posio em relao aos
mananciais, etc. (TSUTIYA, 2001). Portanto, devem-se considerar as diversas variveis
intervenientes para que se procure a soluo mais adequada (HELLER, 2006). De acordo com
a UNICEF (1978), a tecnologia apropriada para o saneamento deveria ser aquela
7
higienicamente segura, tcnica e cientificamente satisfatria, social e culturalmente aceitvel,
incua ao ambiente e economicamente vivel. H uma tendncia atual da escolha por sistemas
integrados, ou seja, aqueles que dispem de um nico manancial, uma nica ETA e vrias
localidades atendidas.
Grandes quantias de recursos financeiros so destinadas para o projeto, a implantao,
a operao e a manuteno dos sistemas de abastecimento. Ainda h os impactos ambientais
causados e a necessidade de criao de uma estrutura de gerenciamento que se adapte s
caractersticas intrnsecas da soluo escolhida. Por outro lado, devem ser previstas as
ampliaes ao longo do alcance do projeto. Diante disso, estudos detalhados
multidisciplinares devem ser realizados logo no incio da escolha da concepo. Os projetos
devem priorizar medidas que facilitem as aes operacionais.
Nesse sentido, devido preocupao com a escassez de recursos hdricos e o grande
crescimento das cidades, a gesto dos processos operacionais surge como atividade essencial
a ser desempenhada pelas concessionrias dos servios de saneamento. primordial a
implantao de um planejamento que contemple aes de controle das perdas, eficincia
energtica e melhoria dos procedimentos de operao e manuteno. So medidas que
estabelecem como prioridade o uso racional da gua.
O aumento nos nveis de urbanizao e consequentemente na demanda por gua
potvel tornou a operao dos sistemas de distribuio uma tarefa bastante complexa
(ORMSBEE E REDDY, 1995).
A gesto da operao dos SAA uma atividade que deve ser assumida como
prioritria pelo corpo gerencial. Atravs dela, melhora-se a eficincia energtica e hidrulica,
reduzem-se as perdas de gua e prorroga-se a execuo de obras para ampliao do sistema.
Dessa forma, a anlise econmica e financeira imprescindvel para qualquer projeto
de engenharia, principalmente, os de sistemas de abastecimento de gua, que envolvem custos
bastante elevados, no que se refere aos investimentos para a implantao do projeto, como
tambm na operao e manuteno destes sistemas (GOMES, 2009).
De acordo com Gomes (2009), a metodologia mais adequada para o problema da
indeterminao hidrulica no dimensionamento dos condutos de recalque aquela que se
utiliza da introduo do critrio econmico para se alcanar a alternativa de projeto que
minimize o custo total do sistema, composto pelos custos de implantao e de operao.
Porm, aps a implantao, todo sistema de abastecimento susceptvel ao surgimento
de falhas (qualquer fenmeno que ocasione uma deficincia em termos de presso e vazo nas
8
redes hidrulicas). Cullinane et al. (1992) classificam essas falhas em mecnicas ou
hidrulicas. As falhas hidrulicas so decorrentes de fatores como o aumento na demanda dos
ns (crescimento populacional), o aumento da rugosidade das tubulaes (idade das redes), os
vazamentos distribudos (construo, trfego, solo, dentre outros) e a falta de energia eltrica.
Por outro lado, as falhas mecnicas so decorrentes de quebras de componentes hidrulicos
como bombas, vlvulas e tubulaes. As causas mais comuns so as presses elevadas
(interrupes da rede e transientes hidrulicos), os eventos catastrficos, defeitos nos
componentes e ainda tenses elevadas, como por exemplo, aquelas ocasionadas pelo trfego
sob o sistema. Muitos destes problemas ocorrem devido aplicao de prticas inadequadas
de gesto operacional de todo o processo, desde a produo at a distribuio da gua.
A operao eficiente de um SAA fundamental para que sua vida til se prolongue o
mximo possvel, garantindo o atendimento aos consumidores, alm de manter os custos de
energia eltrica e manuteno dentro dos padres aceitveis (CARRIJO, 2004).
2.2 Operao de SAA
Aps a implantao de um SAA, independente de sua complexidade, imprescindvel
a utilizao de critrios e regras para se definirem os procedimentos de funcionamento do
mesmo.
A gesto do processo de operao do sistema torna-se fundamental para um bom
funcionamento durante o perodo de alcance do projeto. Para Carrijo (2004), a operao vem
recebendo ateno especial por parte de pesquisadores e outros profissionais da rea, devido
necessidade de se garantir confiabilidade no atendimento dos servios, economia de energia
eltrica no uso dos equipamentos, atendimento das demandas, com presses desejadas e,
retardamento de investimento para a expanso de suas unidades.
Barbosa et al. (1999) distinguiram, em dois grandes grupos, os objetivos a serem
atingidos pelos sistemas de abastecimento de gua: objetivos tcnicos e econmicos. Os
primeiros esto ligados ao desempenho hidrulico, tais como a garantia das presses mnimas
e mximas1, a garantia de gua suficiente para proteo contra incndio, confiabilidade
operacional, etc. No segundo grupo configura-se a minimizao dos custos associados aos
componentes do sistema e aos custos operacionais.
1 De acordo com a NBR 12 218/1994, que trata de projeto de rede de distribuio de gua para abastecimento
pblico, a presso dinmica disponvel mnima deve ser de 10 mca e a mxima esttica, 50 mca.
9
O conceito de controle operacional de sistemas de abastecimento envolve o
entendimento da inter-relao de variveis importantes. Mas Luvizotto Jnior (1995) nos
alerta que o conceito de operao de sistemas entendido por leigos como uma mera
sequncia de comandos de equipamentos, que tem como objetivo o atendimento da demanda.
Nesse entendimento, Carrijo (2004) assegura que o problema muito mais amplo,
envolvendo aspectos de planejamento, controle e superviso, servios de infraestrutura de
apoio e atendimento ao usurio, todos, considerados de forma simultnea e interdependentes
entre si.
Francato (2002) enumerou, em trs categorias, os principais problemas que desafiam a
operao: problemas de gesto administrativa das empresas em que se inclui a baixa
qualificao profissional dos funcionrios, a falta de responsabilidade dos servios
executados; problemas poltico-institucionais, resultantes da falta de continuidade das aes
de uma administrao pblica para outra e da falta de competio entre empresas; problemas
tcnicos e operacionais que resultam numa operao inadequada do sistema.
Em muitos sistemas, ainda durante o perodo de alcance, h o aumento da demanda,
extrapolando a sua capacidade de produo. muito comum, em determinada regio, haver
uma expanso populacional que no estava prevista, principalmente, no projeto do sistema de
abastecimento. Diante disso, as concessionrias tm que encontrar uma resposta para o
atendimento da populao e o sistema passa a ser operacionalizado em situaes totalmente
diversas daquelas em que foi projetado. Dessa forma, Luvizoto Jnior (1995) ressaltou que a
falta de dados operacionais e as deficincias no atendimento enfatizam a necessidade da
utilizao de um controle operacional mais rgido para o sistema.
A existncia de falhas mecnicas ou hidrulicas pode vir a prejudicar o funcionamento
da distribuio de gua. Assim, o objetivo bsico da operao garantir o atendimento ao
consumidor com eficincia e confiabilidade. As atividades ligadas ao abastecimento so as
que compem a operao propriamente dita, de carter permanente e ininterrupto, visando a
manter o sistema em funcionamento e atendendo s demandas. Estas atividades envolvem,
dentre outras, o controle do abastecimento, a manuteno corretiva, o atendimento ao pblico,
a gerao de dados operacionais e relatrios de operao. A confiabilidade mecnica o
principal suporte da operao, pois envolve a inspeo e a manuteno preventiva das
instalaes, a anlise dos dados operacionais e a anlise do desempenho.
Carrijo (2004) afirma que as formas de se operar um sistema de abastecimento de gua
so muito variadas e dependem de vrios fatores, tais como a dimenso e complexidade do
10
sistema, a experincia dos operadores, a disponibilidade de equipamentos apropriados para
comunicao, para comando de estruturas de controle e para clculos e a disponibilidade de
modelos matemticos para anlises das informaes. Ele acrescenta ainda que no se devem
esquecer outros aspectos igualmente importantes: a segurana, a confiabilidade e os custos
operacionais.
H ainda outros aspectos a considerar. O consumo (demanda) que varia de forma
aleatria, possveis falhas ou remoo do servio de um ou mais componentes
eletromecnicos do sistema (tubulaes, bombas, vlvulas, etc.), quantidade de gua
disponvel nos reservatrios para suprir o aumento dirio ou semanal das demandas e a
qualidade da gua a ser distribuda ao consumidor.
Para atingir-se um estgio de excelncia operacional, a concessionria dos servios
deve promover a adoo de diversas medidas estruturais e institucionais adequadas. E isso
no tarefa fcil. H necessidade de equipamentos tecnologicamente apropriados e pessoal
tcnico devidamente capacitado. O organograma administrativo deve permitir o perfeito
funcionamento dos setores de operao e manuteno e sua inter-relao satisfatria entre os
nveis hierrquicos, bem como com outras reas da gesto, como a comercial e a de
tratamento. Neste ltimo aspecto, como bem assinala Francato (2002), alguns pontos podem
ser notados. No h uma interao maior entre as reas de projeto e as de manuteno e
operao, de modo que muitos problemas poderiam ser solucionados. Acrescenta que no h
cuidado tcnico com as atividades de manuteno, de modo que, so realizadas, por exemplo,
reabilitaes e no h o devido cadastro nem consulta prvia a respeito das consequncias
operao. O ltimo ponto e no menos importante refere-se falta de condies tcnicas de
trabalho para a rea de manuteno, que muitas vezes limita-se a receber informaes de
usurios e tentar solucionar a falta de gua e no agir na elaborao de normas e regras
operacionais.
Um dos grandes empecilhos para a gesto operacional a falta de informao tcnica
a respeito das unidades operacionais. Ainda quando a mesma existe, na maioria das vezes, no
h um fluxo satisfatrio de comunicao, permitindo a sua atualizao constante e a sua
disponibilizao multilateral pelos vrios setores usurios. Assim, diversas alteraes
(expanso de rede de distribuio, mudana de dimetros de redes, substituio de tubos,
instalao de vlvulas, substituio de motores com melhor rendimento, interligao de zonas
de presso, etc.) so realizadas no sistema e muitas vezes no se sabe como disponibilizar essa
informao. Como exemplifica Francato (2002), em sistemas de pequeno porte, comum
11
algum servidor ter memorizado em sua mente determinadas informaes referentes aos
sistemas que no h em qualquer outro lugar.
Na operao de SAA, sempre se trabalha com previses. A deciso atual tomada
para um momento futuro. Assim, quanto maior for o nvel de informao sobre o sistema,
melhor dar-se- o processo operacional. Verifica-se que o trabalho, no setor de operaes, em
um sistema de abastecimento, requer decises eficientes e em tempo real. A aplicao de uma
regra operacional inadequada pode ser desastrosa para a operao do sistema.
De acordo com Carrijo (2004), o controle das vrias unidades integrantes de um
sistema de distribuio de gua pode ser feito isoladamente ou atravs de uma central
(controle local). Para Tardelli (1987), o controle isolado pode ser feito de trs formas
diferentes: manual, automtica no programada e automtica programada. Na primeira, o
operador maneja a estrutura de controle em funo do estado local do equipamento e anota os
dados operacionais e de consumo. A segunda forma acontece, por exemplo, nos casos de
reservatrios controlados por bias e elevatrias comandadas por pressostatos, exigindo a
necessidade de parmetros definidos pelos planejadores para acionamento dos dispositivos de
controle. Na terceira forma, o comando do controle efetuado atravs de redes ou de
controladores lgicos programveis (CLPs) que contm microprocessadores capazes de
adquirir e analisar dados e comandar um processo de emisso desses, permitindo uma maior
complexidade de regras operacionais, que podem incluir critrios mais flexveis, alm de
limites mximos e mnimos adotveis.
J no controle centralizado, as decises so emitidas por uma unidade central
especfica, geralmente denominada de centro de controle operacional. A forma mais simples
aquela em que o operador de uma unidade do sistema obedece a comandos do centro de
controle e transmite os dados operacionais a este centro (CARRIJO, 2004).
A elaborao e a implantao de um sistema de suporte para tomada de decises no
controle operacional de sistemas de abastecimento de gua apresentam-se como etapas
necessrias a serem adotadas pela concessionria. A operao exige uma metodologia. Regras
devem existir. Apenas a experincia dos operadores no suficiente para os critrios de
deciso. Atualmente, existem diversas ferramentas que so usadas como apoio elaborao
das regras decisrias. Uma delas a modelagem hidrulica computacional seguida da
simulao. Outra a automao das unidades do sistema controlada por um sistema
supervisrio.
12
Quanto mais complexo for o sistema de abastecimento, mais sofisticado dever ser o
sistema de suporte deciso (SSD). Porm, independente do porte, possvel a elaborao de
um plano operacional com regras bsicas, adaptadas realidade local.
Outro ponto a considerar, refere-se ao sistema de informaes geogrficas (SIG), que
se apresenta como uma boa ferramenta complementar para o gerenciamento e operao de
SAA. Porm, seu uso tem sido restrito pela falta de informao histrica dos sistemas. A
maioria dos cadastros de sistemas de gua no conta com informaes tcnico-comerciais
digitalizadas e acopladas a uma base de dados. Em funo disto, a utilizao ainda bastante
limitada, particularmente, para propsitos operacionais.
Alm das ferramentas adequadas montagem do plano operacional, necessita-se que,
dentro do organograma administrativo da concessionria, existam instrumentos
organizacionais que permitam e possibilitem a implantao de medidas que alterem as
prticas gerenciais.
2.2.1 Operao de sistemas de reservao
Normalmente, a operao de reservatrios em sistemas de abastecimento reduz-se
abertura ou fechamento de vlvulas de controle e partida ou desligamento de bombas,
variando as vazes aduzidas. s vezes, altera-se tambm, atravs do manuseio de vlvulas, a
vazo de distribuio, com o intuito do controle de nvel, geralmente objetivando-se aument-
lo. Assim, o controle dos reservatrios, nesses casos, no efetuado com base em dados on
line e na previso de consumo do perodo seguinte, hora ou dia, mas decididas pelos
operadores face s demandas correntes e esto sujeitas aos riscos de extravaso e
esvaziamento dos reservatrios. (TSUTIYA, 2006).
De acordo com Tsutiya (2006), com o objetivo de melhorar a distribuio de gua,
aproveitar ao mximo a capacidade de reservao e dar segurana operacional ao sistema, faz-
se necessrio estabelecer limites operacionais de segurana e regras operacionais para os
reservatrios de distribuio. Assim, sero indicadas as condies que so consideradas ideais
para a operao, cuja variabilidade ocorre tanto na sua amplitude quanto na posio dentro da
dimenso do reservatrio ao longo do ciclo operacional, observando-se o comportamento da
demanda de abastecimento.
Os principais parmetros operacionais dos reservatrios esto indicados na Figura 2.2.
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A determinao dos limites operacionais consiste no clculo da folga, que a altura
correspondente diferena entre o limite da bia e o limite alto, e corresponde ao acrscimo
de volume entre a emisso do alarme de limite alto e o total do fechamento da vlvula de
controle. O volume nominal a capacidade de armazenamento do reservatrio. J o volume
til a quantidade de gua que realmente se pode utilizar na operao, uma vez que o limite
baixo o nvel mnimo do reservatrio para que no haja, por exemplo, formao de vrtice e
entrada de ar na tubulao de sada.
Figura 2.2 Nveis operacionais de reservatrios e clculo da velocidade de subida do nvel da gua (Adaptado de Ohara e Lacerda, 2002).
O limite alto assume papel fundamental na operao. Ele representa o nvel mximo
do reservatrio para que haja tempo hbil de manobra, evitando que a gua atinja o extravasor
ou que a bia de segurana seja acionada.
De acordo com Ohara e Lacerda (2002), a folga pode ser determinada atravs da
Equao 2.1:
h = Vel * Ttotal (2.1)
Onde:
h folga de segurana;
Vel Velocidade de subida da lmina dgua;
Ttotal = Trec + Tfech * P (%) (2.2)
Onde:
Trec Tempo de reconhecimento do alarme;
Limite Baixo
Limite da Bia
Limite de extravasamento
Limite Alto
Volume
Nominal
Folga t
NA2
NA1
Volume
til
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Tfech Tempo total de fechamento da vlvula de controle;
P (%) Posio da vlvula de controle.
Para obteno das velocidades de subida do nvel de gua, obtm-se os dados dos
registros da operao. So calculadas em funo da variao do nvel de gua e o intervalo de
tempo em que se deu esta variao. A Figura 2.2 ilustra tal clculo. Naturalmente, a
quantidade e a qualidade das informaes existentes vo interferir no resultado final.
Assim, a velocidade de subida calculada atravs da equao:
Vs = (NA2- NA1)/t (2.3)
Onde:
Vs Velocidade de subida da lmina de gua;
t Intervalo de tempo.
Nos sistemas da Regio Metropolitana de So Paulo (RMSP), operados pela SABESP,
o intervalo de tempo entre o reconhecimento do alarme de limite alto e o incio da atuao da
vlvula foi de 5 minutos (OHARA E LACERDA, 2002).
Em qualquer sistema, a anlise da definio dos limites operacionais deve ser muito
criteriosa e especfica para cada reservatrio. Por exemplo, em algumas situaes, o limite
baixo no vai ser escolhido a partir dos critrios de segurana (surgimento de vrtice,
acumulao de ar), mas, sim, a partir da cota topogrfica mnima a atender, uma vez que pode
ter havido expanso desordenada do sistema e o nvel mnimo no mais atender a
determinadas regies.
Portanto, para a implantao de regras operacionais, inicialmente a metodologia deve
definir quais os objetivos a atingir. Para Secco (2006), a base para definio das regras
operacionais a maximizao da utilizao da capacidade de reservao de cada setor.
Naturalmente, deve-se considerar a sazonibilidade da demanda e identificar-se o histrico de
consumo da regio.
Para a RMSP, por exemplo, os objetivos principais foram: reduo do custo com
energia eltrica do sistema bombeamento-reservao; regularizao da vazo de aduo e
aumento da confiabilidade do sistema (SECCO, 2006).
15
2.3 Automao e sistemas SCADA
Buscando adaptar-se a uma nova realidade tecnolgica, h uma tendncia de que o
controle de sistemas de abastecimento seja a partir de um centro de controle, sem a
participao de operador local. Isso ocorre com a utilizao de mecanismos automticos tanto
no auxlio de controle de processos simples como no controle de grandes sistemas.
Para Bezerra e Silva (2009), esse processo ocorre atravs da automao, de modo que
se torna possvel a monitorao, o controle e a interferncia nas diversas unidades do sistema,
em tempo real, possibilitando uma melhoria no desempenho operacional, a mensurao de
todas as atividades e a reduo dos custos. De acordo com Tsutiya (2006), a automao em
saneamento bsico consiste em coletar e concentrar as informaes e process-las com o uso
da tecnologia de informao e, com base nos resultados obtidos, atuar, de uma forma
autnoma, sobre os estados e as grandezas para obteno dos resultados desejados.
A automao permite a integrao com diversos outros sistemas como: apoio
manuteno, controle estatstico de processos, gerenciamento da produo e informaes
geogrficas (SIG).
Afirma-se que o principal motivo pelo investimento em automao reside na melhoria
da qualidade do tratamento da gua, na reduo de custos operacionais e controle de perdas
reais e aparentes, alm do aumento da confiabilidade do processo (BEZERRA E SILVA,
2009).
Em qualquer unidade operacional do sistema, pode-se aplicar a automao e com
diversas funes. Por exemplo, na ETA, pode-se realizar a medio contnua de turbidez,
cloro residual, flor, PH e potencial de coagulao. Em redes de distribuio, realiza-se a
medio de nveis de reservatrios, vazes e presses na linha e telecomando de vlvulas de
manobra. Assim, todo o sistema pode ser automatizado ou apenas parte dele.
O processo de implantao da automao depende de altos custos, exigindo da
concessionria um planejamento detalhado, envolvendo estimativa de custos, benefcios,
retorno do investimento, prazos e cronograma. O seu funcionamento exigir uma srie de
recursos: materiais, humanos, financeiros e/ou tecnolgicos.
No controle automtico, classificam-se os seus principais componentes em primrio,
controlador e atuador ou elemento final. O componente primrio converte uma grandeza fsica
como nvel, presso em sinal eltrico padronizado (corrente, tenso, etc.). O controlador
assume a funo de tomador de deciso (exemplo: controlador lgico programvel). J o
16
atuador o dispositivo que altera o processo de acordo com o controlador (por exemplo:
bomba e vlvula).
Dentro do processo de automao, os sistemas de controle normalmente so do tipo
SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) Sistema de Superviso e Aquisio de
Dados, que so constitudos pelos seguintes subsistemas (BEZERRA e SILVA, 2009):
Instrumentao (sensores e atuadores): Os sensores so um conjunto de equipamentos
destinados medio de grandezas fsicas ou qumicas e converso dessas informaes em
sinais eltricos ou digitais que possam ser interpretados pelos controladores lgicos
programveis (CLPs) e outros dispositivos de controle. Constitui-se de sensores digitais
(como pressostatos ou chaves de nvel) ou analgicos (como medidores de presso, vazo e
nvel). J os atuadores so equipamentos destinados a agir no processo para mant-lo sob
controle. Inclui uma diversidade de equipamentos como vlvulas, bombas, agitadores,
dosadores e aquecedores, entre outros;
Estaes remotas (aquisio e controle): So as unidades responsveis pela coleta e
transmisso de dados a distncia e so instaladas prximas s instalaes ou equipamentos
monitorados e controlados. Podem ser compostas por uma unidade terminal remota (UTR)
e/ou CLPs. So responsveis pela interface entre o sistema de superviso e controle e os
equipamentos/sensores de campo. O processo de controle e aquisio de dados se inicia nas
estaes remotas (CLP/UTR), com a leitura dos valores dos dispositivos que esto associados
e seu respectivo controle. O CLP um dispositivo fsico eletrnico, baseado em um
microcomputador que desempenha funes de controle de diversos tipos e nveis de
complexidade, dotado de memria programvel capaz de armazenar programas
implementados por um usurio com o objetivo de determinar o estado das sadas, de forma a
controlar um determinado processo, baseado no estado de suas entradas. Quando no sistema
h grande quantidade de controladores ou quando o controlador est muito distante do centro
de controle operacional, necessrio algum meio de comunicao entre o operador e o
controlador. Nestes casos, comumente utilizam-se interfaces homem/mquina locais (IHM),
permitindo a superviso atravs de um display ou monitor de vdeo, com a possibilidade de
modificao de parmetros de controle localmente.
Rede de comunicao: o conjunto de equipamentos e programas utilizados para
propiciar o trnsito de informaes entre os diversos nveis hierrquicos e participantes de um
sistema. O gerenciamento remoto ou acompanhamento de um sistema SCADA geralmente
17
chamado de telemetria. Os meios para trfegos de informaes de um local para outro podem
ser via linha telefnica, ondas de rdio, cabos condutores eltricos, fibras ticas entre outros.
Assim, a rede de comunicao a plataforma por onde as informaes fluem, podendo estas
circularem entre estaes remotas e das unidades remotas aos centros de controle. um
componente de grande importncia para o processo de automao.
Sistema de superviso e controle: um software especializado no controle de
processos que permite apresentar aos profissionais de operao e manuteno, os estados e
valores de variveis de processo, bem como executar comandos e operao distncia por
meio de uma interface visual e simples. Incluem telas de superviso, alarmes, histricos de
operao, grficos e diversas outras ferramentas de operao e anlise do processo.
Normalmente este software chamado de supervisrio, sistema supervisrio, sistema
computacional SCADA, sendo localizado no centro de controle operacional que supervisiona
o sistema.
Assim, a automao de SAA j uma realidade no Brasil, embora haja muito a se
avanar na forma como as concessionrias tratam do assunto. Para Seixas Filho (2006), o
objetivo principal que justifica a automao a gesto. Afirma ainda que, atravs de um
centro de controle operacional, podemos visualizar o histrico de qualquer varivel do
processo. possvel a investigao de um problema ocorrido em uma rea, atravs de um
sintico do historiador, voltando at uma data prxima a um acontecimento de interesse.
Pode-se comparar a energia especfica (kWh por m3) gasta para bombear gua em dois
sistemas semelhantes, mas geograficamente no relacionados, pode-se descobrir quais os
sistemas com maior disponibilidade, que consomem menos energia, que gastam menos
reagentes, enfim que otimizem algum aspecto interessante de sua operao e da gerar
melhores prticas para toda a corporao. Um bom resultado obtido por uma rea deve sofrer
rollout para as demais plantas. O mal resultado deve forar um realinhamento da unidade com
as unidades de referncia (SEIXAS FILHO, 2006).
Atualmente, um dos fatores que contribui para tornar a automao mais acessvel
que o mercado fornecedor de equipamentos para o setor de saneamento est evoluindo
tecnologicamente. Por exemplo, foi substituda a lgica mecnica pela eletrnica, com
aumento de preciso e novas funes que agregam valor aos equipamentos e aos clientes, com
progressiva reduo de preos.
Uma contribuio adicional dos processos de automao a conexo do sistema de
superviso e controle com sistemas corporativos de administrao das empresas. Esta
18
conectividade permite o compartilhamento de informaes importantes da operao diria,
contribuindo para dar maior agilidade e confiabilidade aos dados no momento da tomada de
deciso das empresas, isso sem contar a ampliao da capacidade de planejar melhor todas as
aes das companhias.
Observa-se que diversos sistemas de abastecimento de gua implantados pelo Governo
Federal, (por exemplo, atravs de programas como o Pr-gua na Paraba, h os sistemas
adutores do Cariri e do Congo) so dotados de sistema de automao. Porm, o que se
percebe que muitas das companhias de saneamento no esto preparadas devidamente para
assimilar a automao. No h tcnicos habilitados para atuar no gerenciamento e
manuteno. O pessoal da operao tambm necessita de melhor treinamento. H falta de
equipamentos. Alm disso, no houve reestruturao do organograma administrativo, e o
setor responsvel por esta nova rea, geralmente, aquele responsvel pela manuteno
eletro-mecnica das estaes elevatrias e suas instalaes convencionais. Portanto, h uma
tendncia de subutilizao e at mesmo de inutilizao das estruturas.
Trojan e Kovaleski (2005) elaboraram estudo indicando que a automao pode ser
uma boa ferramenta no combate s perdas fsicas e na melhoria das condies de trabalho nos
sistemas de abastecimento. Analisaram o sistema de abastecimento da cidade de Ponta
Grossa, Paran, com aproximadamente 280 mil habitantes e sob a responsabilidade da
SANEPAR. Eles constataram que com a automao, houve a reduo da presso mdia nas
tubulaes, aumento da rapidez e qualidade nos reparos dessas tubulaes, formao de uma
base de informaes para a criao de programas para novas instalaes e para melhorias no
sistema.
Desta forma, mesmo que o sistema no disponha de automao, qualquer
planejamento para a gesto operacional deve estar preparado para uma adaptao, caso venha
a ser implantada, pois os processos automatizados necessitam de regras bem definidas para
atingirem seus objetivos, independente da existncia ou no de uma ferramenta
computacional que permita a interligao das informaes do SSD, tambm de forma
automtica.
Atualmente, o SACG, objeto do estudo de caso desse trabalho, est passando pelos
servios de implantao do sistema de automao de suas unidades operacionais.
19
2.4 Modelagem
Um modelo a representao de um sistema real. Atravs dele, espera-se simplificar
todos os processos de uma determinada realidade, de modo a extrair informaes e alter-la
posteriormente. Para Tucci (1998), essa representao de um objeto ou sistema deve ser de
fcil acesso e uso. Nos mais diversos campos da engenharia, eles so usados largamente como
ferramentas de apoio deciso. A simulao refere-se ao uso de um modelo para a avaliao
de respostas do sistema submetido a eventos sob um grande nmero de condies e restries.
Muitos dos modelos matemticos elaborados tm sido sugeridos para a soluo de
problemas de abastecimento, tendo como compromisso uma execuo em tempo aceitvel e
que apresente uma acurcia razovel do sistema (JARRIGE, 1993).
Bem assinalando Francato (2002), somente nas ltimas dcadas, perceptvel a
preocupao com a operao de sistemas, especificamente a operao em condies
particulares como o caso de emergncias, situaes de dficit, panes nos sistemas,
racionamento de energia, etc.
Ormsbee e Reddy (1995) relatam que, nos ltimos anos, a modelagem de SAA tem
dado nfase para o uso integrado on-line de computadores e tecnologias de controle para
impor operaes em tempo real. Entretanto, verifica-se que a modelagem dessa operao (em
tempo real) ainda acompanhada de uma modelagem previamente executada.
Assim, os modelos de simulao hidrulica de SAA so ferramentas computacionais
que buscam reproduzir o comportamento real do sistema atravs de equaes matemticas
que representam os processos fsicos ocorrentes, com maior exatido possvel. Eles fazem
uma representao de um sistema para prever os possveis resultados de sua operao sob um
dado conjunto de condies iniciais e de regras operativas.
A modelagem uma ferramenta que tem evoludo ao longo do tempo para ajudar os
projetistas, operadores e gestores na tarefa de oferecer gua com mais qualidade,
confiabilidade operacional e baixo custo operacional.
De acordo com Taha (1987), o sucesso das simulaes em modelagens devido aos
expressivos avanos dos computadores digitais, sendo difcil imaginar o sucesso da simulao
sem o uso do computador.
Os modelos de simulao hidrulica so utilizados para uma grande variedade de
objetivos. Para Walski (2003), as aplicaes so: elaborao de plano diretor a longo prazo,
incluindo previses para desenvolvimento e reabilitao; estudos de combate a incndio,
20
investigaes de qualidade da gua, gesto energtica, projeto de sistemas e operao diria,
com treinamento de operadores e respostas a emergncias e soluo de problemas.
Gaio (2006) classifica em dois grupos as principais aplicaes: planejamento
(incluindo as atividades de elaborao de planos diretores e projetos) e operao propriamente
dita dos sistemas. Na condio de planejamento, podemos relacionar as seguintes aplicaes:
Anlises para preveno do colapso dos sistemas;
Estudos das alteraes necessrias no sistema, quando da introduo de um consumo
significativo;
Avaliaes do perodo de vida til de unidade do sistema existente;
Diviso do projeto em obras e etapas, otimizando-se a aplicao dos recursos
financeiros para investimento;
Estudo da circulao da gua na rede, evitando problemas de qualidade, devido a
pontos mortos no sistema e elaborao dos planos diretores da macro-distribuio dos
sistemas de abastecimento de gua.
No ponto de vista da operao, os modelos so aplicados em diversas anlises, entre
elas:
Anlises hidrulicas como objetivo de identificarem-se problemas de abastecimento;
Anlises hidrulicas como objetivo de identificarem-se problemas de qualidade;
Estudos de eficincia energtica;
Identificao de perdas;
Treinamento dos tcnicos das unidades e anlise hidrulica dos efeitos, na rede de
distribuio, da operao de vlvulas para a interveno de rotina.
Para Francato (2002), a modelagem da operao dos sistemas de abastecimento de
gua visa obter uma poltica operacional. Esta poltica, na viso de Ormsbee e Lansey (1994)
um grupo de regras que agendam e indicam quando os conjuntos motor-bomba devem ser
ligados; quais as porcentagens de abertura das respectivas vlvulas de controle; qual a poltica
de esvaziamento e enchimento dos reservatrios, etc. Desse modo, tais regras so formuladas
para um dado horizonte de planejamento, subdividido em intervalos discretos de operao.
Venturini (1997) acrescenta que a tendncia de se procurar modelos computacionais
para resolver o problema de operao e distribuio devido : complexidade dos sistemas
devido crescente demanda, tornando difcil atend-la com confiabilidade, exigindo assim
uma abordagem sistmica na definio dos planos de operao; altos custos operacionais;
21
investimento em pesquisa nos ltimos anos, especialmente no desenvolvimento de modelos
matemticos de otimizao e simulao, colocando disposio novos recursos de anlise e
apoio deciso; risco de falhas no sistema, induzindo os operadores a tomar decises
operacionais sob tenso; e a perda de conhecimento causado principalmente pela perda de
operadores experientes.
Nesse sentido, Carrijo (2004) afirma que um modelo, reproduzindo o comportamento
do sistema de maneira adequada e possibilitando a definio de estratgias operacionais
timas, mostra-se de grande valia, medida que permite a tomada de deciso pautada em
solues mais analisadas.
No que se refere ao tempo, existem duas possibilidades de trabalho no modelo
simulador. Na primeira, o tempo determinado, ou seja, num instante fixo, quando se dispe
de dados necessrios em um momento, para simular, geralmente, uma condio limite
mxima ou de mnima horria. A segunda trata de um perodo extensivo, ou seja, quando esse
requer a alimentao de dados por uma sucesso de momentos consecutivos.
No uso em sistema de suporte deciso, o modelo simulador trabalha sob as
condies de um perodo extensivo.
So muitas as vantagens e benefcios da utilizao de modelos de simulao.
Apresentam-se as seguintes (ROSSMAN, 2000):
Possibilidade de organizao sistemtica, edio e verificao de erro dos dados de
entrada, exigidos pelo modelo;
Possibilidade de ajuda e visualizao do modo de sada do modelo, como mapas
codificados com cores, lote de sries temporais, histogramas, grficos de contorno e
consultas de meta especfica;
Opo de vinculao com outros softwares, banco de dados, sistemas CAD e SIG;
Capacidade de realizar outros tipos de anlises de rede, tais como o dimensionamento
timo de tubulaes, programao tima de operao de bombas, calibrao
automtica e modelagem da qualidade da gua.
Dessa forma, Barbosa et al. (1999) afirmam que alm dos objetivos econmicos, que
podem ser transferidos como benefcios ao consumidor final na forma de menores tarifas, o
estudo da modelagem da operao de sistemas de distribuio justifica-se por:
a) Contribuir para o adiamento das necessidades de ampliao dos componentes
da rede e/ou do suprimento energtico;
22
b) Permitir um melhor conhecimento sobre as interaes entre os componentes do
sistema, o que pode ser de grande valia para identificar pontos frgeis em termos operativos
ou para definir manobras especiais em condies de emergncia;
c) Contribuir, em longo prazo, para o alcance de uma melhor poltica de uso de
recursos hdricos e energticos, evitando situaes de conflito quando tais recursos se
tornarem escassos.
A simulao difere da otimizao por no apresentar natureza otimizante, mas sim
descritiva.
Todavia, de se pensar que, com um modelo bem construdo, no se exige mo-de-
obra qualificada para manuse-lo. Pelo contrrio, ao adotar-se a utilizao da simulao,
necessita-se cada vez mais de aperfeioamento tcnico de seus operadores para melhor
entender a ferramenta e executar alteraes, principalmente, quando houver ampliaes no
sistema de abastecimento.
Nesse sentido, Vicente (2005) afirma que, embora todos os dados requeridos tenham
sido coletados e inseridos no software de simulao hidrulica, no se pode presumir que o
modelo matemtico uma representao realstica do sistema. O software de simulao
simplesmente resolve equaes de continuidade e energia, utilizando os dados fornecidos, a
qualidade dos dados de entrada determina a qualidade dos resultados.
De acordo com Walski (1983), nos modelos de sistemas de abastecimento de gua, h
duas partes estruturais a considerar: o software responsvel pelos clculos e os dados que
descrevem as caractersticas dos componentes fsicos do sistema, demandas de consumo e
caractersticas operacionais.
Para a construo de um modelo de simulao, diversas etapas devem ser cumpridas.
Rossman (2000) enumera como bsicas as seguintes:
1. Determinao dos questionamentos a serem respondidos pelo modelo. A modelagem
s obter xito se os objetivos a serem atingidos estiverem bem definidos;
2. Representao dos componentes do sistema de abastecimento nos termos adequados
para o modelo computacional funcionar. O modelo s conseguir reproduzir a
realidade se a sua forma de trabalho for plenamente conhecida;
3. Reunio de dados necessrios para caracterizar os componentes includos no modelo.
O modelo s conseguir reproduzir a realidade se todas as unidades operacionais e
seus acessrios forem representados adequadamente. Nem sempre o cadastro tcnico
da redes atualizado;
23
4. Determinao da demanda de gua em toda a rede, dentro de cada perodo de tempo
considerado. Quanto melhor a informao da vazo de consumo, melhores sero os
resultados da modelagem;
5. Caracterizao da forma como o sistema de distribuio operado ao longo do
perodo de tempo analisado. Faz-se necessrio um certo conhecimento prvio da
operao do sistema. Muitas vezes no h regras bem definidas e a experincia do
operador quem define a forma de operar. Assim, preciso transferir tal experincia
para o modelo;
6. Calibraes do modelo com observaes feitas em campo;
7. Execuo do modelo para responder s questes identificadas na etapa 1.
As ferramentas computacionais de modelagem tornam-se indispensveis no dia a dia
da empresa de saneamento, pois auxiliam a gesto dos processos de tomada de deciso atravs
do fornecimento de informaes para os nveis institucional e operacional. Entretanto, muito
importante que esses modelos sejam aplicados criteriosamente para que representem uma
aproximao adequada do comportamento real do sistema (CHEUNG e REIS, 2007).
Porm, a complexidade pode representar quanto esforo necessrio para construir
um modelo especfico (ONEIL e EDWARDS, 1994). Quanto mais complexo o modelo,
maior o tempo e maiores os custos requeridos para a sua construo (SIQUEIRA, 2003).
importante ressaltar que os resultados obtidos por um modelo mais complexo no sero
necessariamente mais prximos da realidade do que as respostas calculadas por outro modelo
mais simples.
2.4.1 Estado da arte em modelagem de SAA
Nos ltimos anos, h uma grande variedade de estudos tcnicos cujos objetivos so o
desenvolvimento de ferramentas de apoio gesto operacional de SAA. Para isso, a
modelagem hidrulica assume importante papel. Todavia, ainda percebe-se que a maioria das
pesquisas ainda no foi implementada, principalmente nos sistemas das cidades de pequeno
porte. Alm disso, a maioria dos modelos desenvolvidos foi aplicada a casos especficos
(COSTA et al., 2010).
H uma tendncia nos trabalhos de modo geral, de utilizar-se um modelo simulador
em conjunto com um modelo otimizador, objetivando a eficincia hidrulica e, na maioria das
vezes, a eficincia energtica (reduo dos custos).
24
Vicente (2005) props um modelo de operao para centros de abastecimento de gua
sustentado por um sistema de suporte deciso para operar a distribuio em tempo real
atendendo a condies / restries hidrulicas com o mnimo custo de energia eltrica. Tal
modelo cria uma interface entre as ferramentas de simulao hidrulica (WATERCAD), de
otimizao (proposto com programao linear), de previso de demanda (baseado em srie de
Fourier) e um sistema SCADA (com o supervisrio SCOA). A interface foi testada e avaliada
a partir de um estudo de caso, aplicado no Sistema Adutor Metropolitano de So Paulo, sob a
responsabilidade da SABESP. Os resultados apresentados na pesquisa atestam a eficincia da
metodologia.
Machell et al. (2010) desenvolveram um estudo com modelagem on-line de sistemas
de abastecimento de gua, utilizando o software Aquis 147. O local de estudo inclui uma rea
de uma cidade de 160.000 pessoas no Reino Unido. Os dados de vazo e presso coletados
(atravs de tecnologias de comunicao GPRS) so enviados com um intervalo de
amostragem de 15 minutos a cada 30 minutos atravs de um sistema SCADA. O modelo on-
line leva apenas um minuto ou dois para executar um ciclo de tempo real em um PC comum.
Um sistema de gerenciamento de dados verifica o status de dados e faz o pr-processamento
antes do uso no modelo. Para demonstrar-se a capacidade do modelo, simulou-se um evento
imprevisto (um hidrante foi aberto) e este foi confirmado por um sistema de alerta de
inteligncia artificial. De acordo com os autores, o modelo permite a identificao de
problemas na rede, de modo a poder solucion-los em tempo hbil e melhor informar os
usurios. Nos modelos on-line, exige-se uma alimentao contnua da vazo e dados de
presso da rede real que est sendo simulada. Alm disso, h grandes investimentos em
tecnologias adequadas.
Devido preocupao atual com a qualidade da gua (inclusive com a atualizao das
normas e legislaes sanitrias) e sabendo-se que ela afetada por diversos fatores na
operao dos sistemas (estado das tubulaes, nveis dos reservatrios, manuteno, perda de
gua, etc.), Sakarya e Mays (2000) incorporaram as funes de qualidade da gua presentes
no Toolkit do EPANET 2 ao mtodo de otimizao do gradiente reduzido generalizado,
GRG2, para encontrar uma combinao horria de uma bomba instalada numa rede hipottica
que viesse minimizar trs diferentes funes objetivo: 1) desvio dos valores de concentrao
das substncias qumicas presentes na gua em relao a valores tolerados de concentrao; 2)
tempo de funcionamento das bombas; 3) custo total de energia eltrica. As restries do
problema foram tratadas pelo Mtodo Langrangiano. A eficincia e a tarifa de energia foram
25
consideradas constantes no modelo. Com essa metodologia, no s as restries hidrulicas
so levadas em considerao, mas tambm as restries de qualidade da gua reguladas pelos
rgos governamentais.
Montenegro (2009) elaborou estudo com o objetivo de apresentar alternativas de
controle operacional na estao de bombeamento de abastecimento de gua do bairro de
Mangabeira em Joo Pessoa (gesto da CAGEPA), proporcionando uma maior eficincia
energtica e hidrulica e a reduo dos custos com energia eltrica. Primeiramente, foi
realizado um diagnstico da configurao atual do sistema, em que se analisou o atendimento
da demanda, o levantamento das instalaes e as condies de operao. A modelagem da
situao atual e das alternativas propostas foram realizadas com o software EPANET 2, de
maneira a comparar as diversas configuraes. Os resultados alcanados mostram que
possvel utilizar apenas uma estao elevatria para a demanda existente, com eficincia
energtica, necessitando apenas o acionamento de mais uma bomba em paralelo no horrio de
pico de consumo.
Pedrosa Filho (2006) desenvolveu um modelo computacional de apoio tomada de
deciso com vistas definio da melhor estratgia diria dos estados das bombas e vlvulas
de um sistema adutor, de forma que resulte na minimizao dos gastos com energia eltrica
(consumo e demanda) e que seja operacionalmente vivel. A metodologia empregada na
busca do timo operacional ao longo de 24 horas, fundamenta-se na tcnica estocstica dos
Algoritmos Genticos Simples, acoplados ao simulador hidrulico EPANET 2. A
aplicabilidade da metodologia proposta foi avaliada por meio de simulaes realizadas no
sistema adutor Mars, responsvel pelo abastecimento de grande parte da cidade de Joo
Pessoa Paraba, considerando diferentes estruturas tarifrias de energia eltrica. O trabalho
apresenta resultados que comprovam a eficcia do modelo proposto em encontrar estratgias
de operao viveis de serem aplicadas a um sistema adutor real com mltiplas estaes de
bombeamento e reservatrios, mesmo sem atender totalidade das restries fsicas e
operacionais inerentes ao sistema.
Barbosa (2001) determinou estratgias simples para operao de bombas em sistemas
de abastecimento de gua, buscando minimizar os custos com o bombeamento, assim como
oferecer diretrizes para o desenvolvimento de um Sistema de Apoio Deciso na operao de
bombas. Foi analisado o comportamento em parte do sistema de abastecimento de Campina
Grande, cujo modelo computacional foi elaborado no software WADISO. Estratgias de
operao foram definidas na forma de nveis de reservatrios de distribuio que determinam
26
os momentos de ligar e desligar cada bomba, durante um perodo de 24 horas. Os resultados
obtidos comprovaram que possvel reduzir os custos com o bombeamento de gua atravs
de estratgias simples de operao, atendendo s restries de vazes e presses mnimas e
mximas, alm das restries operacionais das bombas.
Costa et al. (2010) elaboraram trabalho apresentando um algoritmo gentico hbrido
(AGH) que permite determinar as estratgias de operao para estaes elevatrias com o
objetivo de reduzir os custos energticos. Para isso, props-se a juno entre o Algoritmo
Gentico Simples (AGS), o EPANET (para a simulao da operao) e o AGH. O AGH
(algoritmos reparadores + operadores genticos) teve como objetivo atuar diretamente sobre
as solues infactveis geradas pelo AGS na tentativa de torn-las factveis. A avaliao do
modelo teve, como estudo de caso, o sistema da cidade de Ourm (Portugal). Os resultados
indicam que o modelo AGH-EPANET convergiu cinco vezes mais rapidamente quando
comparado ao AGS- EPANET.
Hernandez et al. (1999) demonstraram a preocupao de considerar as perdas do
sistema na formulao de um modelo de simulao hidrulica. Utilizando o simulador
hidrulico EPANET, os autores desenvolveram um modelo denominado HIPERWATER que
buscava atingir dois objetivos: minimizao de perdas e melhoria no tempo de simulao. O
modelo foi implementado atravs de computao de alta performance (atravs de computao
paralela) e de um modelo de perdas com um modulo paralelo de otimizao visando a reduo
de perdas atravs do controle de presso no sistema. O modelo de minimizao de perdas no
representou grandes contribuies em termos de eficcia hidrulica, porm ficou demonstrado
que, para este tipo de implementao, a computao paralela representava uma eficiente
ferramenta em termos de tempo de processamento.
Com o objetivo de apresentar uma metodologia para a operao tima de sistemas de
abastecimento, Righetto (2002) elaborou modelo computacional composto de modelos
hidrulico e de otimizao.
Almejando a melhoria da operao de um sistema de abastecimento de gua, perante o
alto grau de complexidade imposto pelas restries envolvidas e os objetivos conflitantes,
Lacerda et al. (2008) organizaram um conjunto de regras operacionais simples, baseado no
conhecimento funcional do sistema, para dar suporte operao do Sistema Adutor de Mars,
responsvel pelo abastecimento de gua de grande parte da regio central da cidade brasileira
de Joo Pessoa PB. O conjunto de regras foi desenvolvido de forma a sugerir estratgias de
operao sub-otimizadas as quais foram simuladas no EPANET 2. Os resultados obtidos
27
mostram que o conjunto de regras capaz de sugerir alternativas de operao eficientes para o
sistema e pode ser usado tanto como ferramenta de apoio gesto da operao atual quanto
para anlise de um possvel aumento futuro da demanda.
Lacerda (2009) elaborou metodologia genrica para construo de regras de operao
multiobjetivo de sistemas de abastecimento de gua. Como objetivos da operao foram
definidos: atender demanda de abastecimento, reduzir o custo operacional energtico,
reduzir o nmero de acionamentos/desligamentos das bombas e vlvulas, reduzir as perdas de
gua e recuperar as condies iniciais do sistema ao final de um ciclo de operao. As regras
construdas sugeriram rotinas operacionais estabelecidas de acordo com as caractersticas
topolgicas dos sistemas, seus limites fsicos e hidrulicos, a demanda de abastecimento e os
objetivos de operao envolvidos. A metodologia foi aplicada ao Sistema integrado Adutor do
Cariri, operacionalizado pela CAGEPA, no Estado da Paraba, e os resultados obtidos
mostram que as regras construdas fornecem alternativas de operao consistentes e eficientes
e pode ser usada como uma ferramenta de apoio gesto operacional desse tipo de sistema.
Albuquerque (2007) desenvolveu trabalho onde foram realizados diferentes testes da
aplicao de mtodos de otimizao ao problema de acionamento (horrio timo) dos
conjuntos motobombas do sistema principal de abastecimento de gua da cidade de Campina
Grande, PB. Numa primeira anlise de desempenho, fez-se uso de programaes linear (PL) e
no linear (PNL) e algoritmos genticos (AG), em que foi considerado que as variveis de
deciso pudessem assumir valores fracionrios. Alm de grandes diferenas no tempo
computacional requerido, verificaram-se que mudanas nos valores iniciais atribudos as
variveis de deciso geraram diferentes solues. Numa segunda anlise, voltada apreciao
de mtodos que gerassem variveis de deciso inteiras e binrias, utilizou-se da combinao
de tcnicas de PL e programao linear inteira e o seu desempenho foi comparado com uma
regra de simulao padro. Nesta anlise observou-se uma economia financeira de 20,27% e
de consumo energtico de 16,86% da aplicao do mtodo de otimizao comparado com o
mtodo de simulao padro
Com o objetivo de encontrar estados timos de operao de bombas e analisar os
estados hidrulicos e de qualidade em rede de distribuio de gua, Tomovic et al. (2010)
elaboraram sistema de apoio deciso para o funcionamento do sistema da cidade de Budva,
Montenegro. Para isso, a rede de distribuio do sub-sistema de Podgor-Przno foi modelada
atravs do EPANET e a otimizao realizada atravs do modelo OPREZ e algoritmos
genticos. Os autores criaram metodologia para regime de operao de bombas e
28
reservatrios, principalmente no perodo do vero (estao turstica), quando a demanda
aumenta consideravelmente.
Farmani et al. (2007) apresentaram a experincia de desenvolver um SSD para o plano
mestre do sudoeste de Moravia - Repblica Tcheca. O sistema englobou a modelagem
hidrulica, a qualidade da gua e a programao tima de bombas e vlvulas. Um programa
de modelagem on-line foi desenvolvido e instalado no centro de controle operacional, sendo
calibrado para simulaes estticas e de perodos estendidos. O objetivo principal do modelo
on-line proposto a diminuio do custo operacional atravs da otimizao da operao dos
conjuntos motor-bomba.
Ingeduld (2007) desenvolveu estudo de modelagem on-line, com a utilizao do
EPANET e de um sistema SCADA, objetivando obter um sistema de resposta de emergncia,
confirmao de desempenho, resoluo de problemas, melhoria da operao e criao de
cenrios. O estudo de caso foi realizado para a regio sudoeste da Morvia, Repblica Tcheca.
Os principais objetivos da modelagem foram: 1) avaliao do estado operacional do SAA no
presente (ano 2002) e elaborao de cenrios futuros (ano 2015); 2) avaliao do SAA, no
aspecto qualidade; 3) otimizao de melhorias dos mananciais e operao de estaes
elevatrias; 4) avaliao de programa de reabilitao; 5) distribuio principal durante
condies excepcionais. De acordo com o autor, a abordagem adotada permite ao operador
visualizar a operao de todo o sistema, em vez de confiar apenas no feedback de alguns
sensores SCADA instalados na rede, permitindo assim, a identificao de falhas na rede
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