Bombeamento Com Inversor

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VI SEREA - Seminrio Iberoamericano sobre Sistemas de Abastecimento Urbano de gua Joo Pessoa (Brasil), 5 a 7 de junho de 2006

ASPECTOS IMPORTANTES NA UTILIZAO DE BOMBAS CENTRFUGAS EM VELOCIDADE VARIVEL PARA A REDUO DO CONSUMO DE ENERGIA Andr L. Amarante Mesquita1; Lzaro J. S. da Silva1; Otvio Abrahim Jnior1; Jos Almir R. Pereira2; Aldo Cezar P. Silva3

Resumo Com a crescente necessidade de se aperfeioar a operao dos sistemas de abastecimento de gua, visando, entre outros, a reduo do consumo de energia, tem conduzido implantao de sistemas de bombeamento em velocidade varivel, que permite uma soluo eficaz para este problema. O presente trabalho apresenta uma anlise sobre diversos aspectos importantes sobre a aplicao de sistemas em velocidade varivel, abordando tanto os princpios fundamentais, quanto os aspectos tecnolgicos, quanto questo de viabilidade econmica. Como exemplos de aplicao dos conceitos so apresentados dois casos de estudo, um tratando da operao de bombas associadas em paralelo, e outros de bomba operando com controle de nvel.

Abstract With the growing need to improve the water distribution systems, aiming energy saving, has conducted to use of variable speed pumping systems that allows a good solution for this problem. This work presents an analysis on several important aspects of the variable speed pumping systems application, discussing the basic principles as well the technological aspects as the economical viability question. As demonstration of these concepts two cases were presented, one about the parallel pumping system operation and other on level control mode pump operation.

Palavras-Chave: bomba centrfuga, velocidade varivel, inversor de freqncia.

Universidade Federal do Par GTDEM - Grupo de Turbomquinas Depto. de Eng. Mecnica - Centro Tecnolgico Belm - PA CEP: 66.075-900 Fone: 0xx91-32017960 Fax: 0xx91-32017325 E-mail: andream@ufpa.br ; lazarojs@ufpa.br 2 Universidade Federal do Par GPHS - Grupo de Pesquisa em Hidrulica e Saneamento Depto. de Hidrulica e Saneamento - Centro Tecnolgico Belm - PA CEP: 66.075-900 Fone: 0xx91-32017960 Fax: 0xx91-32017325 Email: rpereira@ufpa.br 3 Solve Engenharia Coordenao de Tecnologia e Servios Belm PA CEP 66.110-010 Fone 0xx91-32573301 Fax 0xx91-325760225 E-mail: aldo.cezar@solveengenharia.com.br

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INTRODUO O crescimento acelerado da populao e a expanso do setor industrial vm demandando gua em quantidades maiores e com qualidade em padres bastante restritivos. A gua disponvel na natureza no atende essas exigncias, o que obriga as empresas de saneamento a encontrarem alternativas tcnicas que sejam viveis economicamente para o abastecimento de gua de reas urbanas. Como as reservas de gua so distantes dos pontos de consumo e existe a necessidade de elevao da gua entre diferentes cotas das unidades de tratamento e reservao, nos sistemas de abastecimento de gua so utilizados equipamentos eletromecnicos, como os conjuntos motor e bomba para recalque de gua bruta, de gua de lavagem dos filtros, de gua tratada etc. Apesar da permanente utilizao desses equipamentos garantir a confiabilidade do abastecimento de gua, o grande consumo de energia eltrica dificulta a manuteno do equilbrio financeiro, j que essa a segunda maior despesa das empresas de saneamento, perdendo apenas para a despesa com pessoal. Segundo Tsutiya (2004), o consumo de energia eltrica em sistema de abastecimento de gua da ordem de 0,6 kWh por m3 de gua produzida, ocorrendo 90% dessa despesa nos motores eltricos utilizados nas estaes elevatrias de gua. Essa situao tem motivado os gestores a implementarem programas de eficincia hidrulica e energtica em sistemas de saneamento, o que, alm de melhorar a rotina de operao e manuteno, reduz o repasse dos custos com energia eltrica na tarifa encaminhada aos usurios. Gomes (2005) comenta que deve ser procurado o uso eficiente de energia eltrica nos sistemas elevatrios, enfatizando que as perdas de energia ocorrem, principalmente, por conta da baixa eficincia dos equipamentos eletromecnicos, por procedimentos operacionais inadequados e por falhas na concepo de projetos. Nesse sentido, o uso de inversores de freqncia uma alternativa para a operao das bombas em velocidade varivel, o que, alm de possibilitar a reduo do consumo de energia eltrica em elevatrias de gua, facilita a adequao do volume bombeado com o de gua demandado pela populao. O presente trabalho faz uma reviso nos princpios bsicos para a compreenso e utilizao de sistema de bombeamento em velocidade varivel, analisando os seus principais aspectos. Como aplicao, dois casos so analisados e discutidos em detalhes.

PRINCPIOS BSICOS Abaixo so apresentados os princpios bsicos da operao de bombas centrfugas em velocidade, da reduo do consumo de energia em sistemas de bombeamento e das formas de implementao utilizando inversores de freqncia. Operao de Bombas Centrfugas em Velocidade Varivel A operao de bombas em velocidade varivel obedece ao princpio da semelhana, onde uma bomba sempre homloga a ela prpria em velocidades de rotao distintas. Neste caso, as leis de similaridade, que governam as relaes entre a velocidade, N, a vazo, Q, a altura manomtrica, H, e a potncia hidrulica, P. podem ser expressas por

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Q1 N 1 = Q2 N 2

(1)

H 1 N1 = H2 N2 P1 N 1 = P2 N 2

3

2

(2)

(3)

onde os subscritos 1 e 2 referem-se s condies inicial e final. Entretanto, para a determinao do ponto de operao, deve-se empregar essas leis sempre em conjunto com da curva do sistema (evoluo da perda de carga da tubulao e componentes com a vazo). A no considerao da curva do sistema conduz a valores incorretos da velocidade (Carlson, 2000; Mircevski et al., 1998), como ser mostrado a seguir. Reduo do Consumo de Energia em Sistemas de Bombeamento em Velocidade Varivel A figura 1 ilustra um exemplo de como se obtm a reduo do consumo de energia em um sistema em velocidade varivel. Nesta figura o ponto de operao 1 representa a condio do sistema operando com a vlvula de controle totalmente aberta, estando a bomba em sua velocidade nominal. Na necessidade de uma reduo de vazo, a vlvula de controle fechada parcialmente at se atingir o ponto desejado, no caso o ponto de operao 2. Este mesmo valor de vazo pode ser obtido atravs da reduo da velocidade da bomba, mantendo-se a vlvula de controle totalmente aberta, atingindo-se o ponto de operao 3. Esta diminuio de velocidade implica em uma reduo de potncia hidrulica, conforme equao (3). importante ressaltar que a altura manomtrica tambm ser reduzida, entretanto as condies hidrulicas para se atingir a vazo desejada sero sempre satisfeitas.40Ponto de Operao 2

35 30Ponto de Operao 3

Ponto de Operao 1

H (mca)

25 20 15 10 5 0 0,4 0,9 1,4 1,9 2,4 2,9 Q (m3/s) 3,4 3,9 4,4 4,9 5,4Curva da Bomba, 1175 rpm Sistema - Vlv. Semi-Aberta Sistema - Vlv. Aberta Curva da Bomba, 1000 rpm

Figura 1 Controle do ponto de operao vlvula de controle x velocidade da bomba.

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Implementao Atravs de Inversores de Freqncia A figura 2 apresenta o esquema bsico da configurao de um sistema utilizando-se um inversor de freqncia dedicado ao acionamento de bombas, com o respectivo diagrama de interligao eltrica de fora e controle. A figura mostra um sensor de presso na linha de recalque, que tambm poderia um sensor de vazo, ou mesmo um sensor de nvel de um reservatrio de montante, que envia um sinal de controle para o inversor. Este sinal representa o feedback para um controlador do tipo PID built-in, portanto sem precisar de um hardware extra, como um PLC. Assim, por exemplo, o sinal de 0-10 bar da linha de recalque corresponderia a um sinal, por exemplo, de 4-20 mA do sensor de presso. O set-point seria, neste exemplo, um valor de presso especificado pelo usurio. O controlador ao perceber um aumento de presso na rede, reduz automaticamente a velocidade do motor para manter o valor desejado de presso. Nos inversores modernos, a programao do controlado PID rapidamente realizada, bastando-se ajustar poucos parmetros via IHM do inversor.Inversor Sensor de Presso Rede Eltrica

Sensor de Presso Bomb Motor Inversor

Motor

Figura 2 - Esquema do sistema de controle para uma bomba acionada por um inversor. importante observar, durante a seleo de um inversor de freqncia, para acionamento especfico de bombas centrfugas, se o mesmo permite a operao com cargas chamadas de quadrticas (torque variando com o quadrado da rotao) e se esta operao automtica e otimizada, possibilitando uma reduo ainda maior de energia. Outra caracterstica importante a possibilidade do inversor parar a bomba, sem desligar o motor eltrico, quando se atinge um valor mnimo do sinal de feedback. Este sinal ao atingir um nvel pr-estabelecido para operao, coloca a bomba novamente em regime de velocidade varivel. Tambm, com conhecimento da curva da bomba, existem inversores que possibilitam a operao do tipo sensorless, ou seja, pode operar atravs de controle PID sem necessidade de um sensor de presso, por exemplo (Danfoss, 2006)..

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DETERMINAO DA VELOCIDADE DE OPERAO A determinao da velocidade de operao em um sistema em velocidade varivel importante para a anlise de viabilidade econmica. O clculo relizado com o auxlio das leis similaridade, ou afinidade. Para ilustrar este clculo, a figura 3 apresenta um sistema operando em u