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18ªAudiência de Inovação

TEMA: EFICIÊNCIA ENERGÉTICA NO SANEAMENTO

UTILIZAÇÃO DE ACIONAMENTOS EM ROTAÇÃO VARIÁVEL EM ELEVATÓRIAS DE

ESGOTOS

Engº Paulo Rangel

REF: CONTRATO Nº 20.277/08

Grupo de Energia do Departamento de Engenharia de Energia e Automação Elétricas da USP


Introdução

O emprego de conversores de frequência para alterar a rotação de motores e bombas vem sendo progressivamente difundido em diversas aplicações.A opção por seu uso em EEE, entretanto, não é trivial e requer alguns cuidados


ABRANGÊNCIA DO ESTUDO

Relatório 1: Identificação de Bombas Hidráulicas de FluxoCurvas características das BHFCurvas de dissipação das instalaçõesPonto de FuncionamentoRegulagem de Operação das BHF



Relatório 2: Estudos de CasosEEE TamanduateíEEE Parque D. PedroEEE Bela Vista



Relatório 3:Variadores de VelocidadeOtimização da Operação das EEEConclusões e RecomendaçõesApêndice I: Medições em campoApêndice II: Análises Tarifárias



Relatório 4:Treinamento3 turmas8 horas aula53 treinandosDisponibilização de planilha para análise do comportamento das BHF em diferentes rotações


Medições Realizadas

Unidades:EEE TAMANDUATEÍ

EEE DOM PEDROEEE GUARAPIRANGAEEE JUNDIAPEBA

Instrumento:– Analisador de Energia MARH-21;

» Potência ativa, reativa e aparente;» Correntes e Tensões;» Energias;» DHT de corrente e tensão;» Frequência;



Curvas de CargaEEE TAMANDUATEÍ

Consumo 4540 kWh

Demanda Média

189 kW

Pico de Potência 270 kW



Curvas de CargaEEE DOM PEDRO



Curvas de CargaEEE GUARAPIRANGA

Consumo 130,3 kWh

Demanda Média

5,43 kW


CONVERSORES DE FREQUÊNCIA VARIÁVEL

Tensões e Correntes de Saída das três fases do Conversor

0.0 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 30.00Time (ms)

0.0

-20.00

-40.00

20.00

40.00

I(RLa) I(RLb) I(RLc)


CONVERSORES DE FREQUÊNCIA VARIÁVEL

Curva U x f de saída de Conversores


Vantagens do Uso de Conversores de Frequência

Limitar as correntes de partida dos motores elétricos, contribuindo para o aumento de sua vida útil;Melhorar a sensibilidade a eventuais obstruções na bomba que levem ao aumento da corrente do motor, desligando-o preventivamente;Ajudar a melhorar o fator de potênciaPermitir a operação com nível mais elevado de líquido no poço de modo a reduzir a altura geométrica a ser vencida e, consequentemente, a energia necessária para tanto


Problemas Potenciais dos CF

Produz interferências na rede elétrica de alimentação (harmônicas) devido à alta frequência de chaveamento de seus componentes internos, necessitando o uso de filtros de correção;Possibilidade de correntes parasitas que acarretem perdas e riscos para o pessoal com acesso ao equipamento;Introduz uma perda da ordem de 5% no consumo;Risco potencial para equipamentos submersos


Diferenças entre EEE e EEA

i) Carga do sistema

ii) Perfil da Demanda a ser atendida

iii) Capacidade do Reservatório a

Montante


Eficiência Energética

Em termos energéticos, o trabalho útil a ser executado pela bomba consiste em elevar uma determinada quantidade de líquido em um certo período de tempo. Esse trabalho não se altera em função da velocidade com que esse material étransportado.



Desprezadas as perdas no processo, a soma das áreas sob as curvas referentes àoperação liga / desliga em rotação normal éequivalente à área sob a curva pontilhada referente à operação contínua com rotação reduzida

Pot

Tempo

Operação em

rotação nominal

Operação em

rotação reduzida

Pot

Tempo

Operação em

rotação nominal

Operação em

rotação reduzida



A diferença entre as duas formas de operação reside na maior ou menor eficiência da bomba operando nas duas situações e da variação das perdas por atrito na tubulação em função da velocidade.A relação entre a energia necessária para bombear o esgoto, vencendo o desnível, e a energia perdida por atrito é que determina a viabilidade do uso dos conversores de frequência do ponto de vista de redução do consumo de energia


Requisitos para Implantação de CF

Análise do projeto hidro-dinâmico da bomba e da instalação, para garantir que a variação de frequência mantenha a bomba em sua faixa recomendada de operação e que não haja perda de eficiência;Instalação de sensor contínuo de nível do poçoInstalação de medidor de vazão


Viabilidade de Implantação de CFA decisão de se implantar variadores de velocidade em uma EEE deve ser precedida de estudos hidro-dinâmicos de modo a estimar, por meio de simulações e medições em campo, os ganhos de eficiência potencialmente decorrentes dessa ação.O valor da economia em kWh deve ser contabilizado mensalmente, convertido em reais pelo valor da tarifa vigente e comparado com os custos decorrentes da implantação, de modo a calcular o tempo de retorno do investimento.Esses custos devem incluir, além do preço do equipamento, os estudos de engenharia, os sensores necessários, os equipamentos de controle e teletransmissão, além dos custos operacionais decorrentes.


Viabilidade de Implantação de CF

Os pontos P1, P2, P3 e P4 de interseção entre as curvas da bomba para as rotações n1 e n2 (Hn1 e Hn2) e as curvas de dissipação extremas da instalação (Dhmin e Dhmax) definem a região onde deve trabalhar bomba, respeitadas as vazões limites Qn1min e Qn1max para a rotação n1 e Qn2min e Qn2max, para a rotação n2.

0

5

10

15

20

25

30

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

H (m

); D

h (

m)

Q (m3/h)

Hn1

Hn2

Dhmin

P1

P2

P3

P4

Dhmax

Qn2min

Qn1min

Qn2max

Qn1max

Bomba submetida a um regime de Bomba submetida a um regime de Bomba submetida a um regime de variavariavariaççção de rotaão de rotaão de rotaçççãoãoão

A viabilidade econômica dessa operaA viabilidade econômica dessa operaA viabilidade econômica dessa operaççção serão serão serááá condicionada aos condicionada aos condicionada aos valores de energia efetiva (Pvalores de energia efetiva (Pvalores de energia efetiva (Puuu/Q) nos pontos P3 e P4 forem /Q) nos pontos P3 e P4 forem /Q) nos pontos P3 e P4 forem

inferiores aos dos pontos P1 e P2, respectivamenteinferiores aos dos pontos P1 e P2, respectivamenteinferiores aos dos pontos P1 e P2, respectivamente


Viabilidade - Tamanduateí

Esta EEE possui um consumo médio mensal de 114.880 kWh a um custo de R$ 20.434,00 (não considerada a demanda)Está equipada com bombas diferentes: quatro do modelo AFP 400-8 150 e uma do modelo ABS AF 1100-8W4 GB401


Condições extremas de operação da Bomba ABS AF 1100-8W4 da EEE Tamanduateí

Bomba ABS AF 1100-8W4

Hgmín= 8,38 m Hgmáx= 9,58 m

Grandeza n1= 880 rpm n1= 650 rpm n1= 880 rpm n1= 650 rpm

Qpmáx (m3/h) 2120 1200 xxx xxx

ηQpmáx (%) 81 85,2 xxx xxx

PuQpmáx (kW) 96 38 xxx xxx

(Pu/Q)Qpmáx (kWh/m3) 0,045 0,033 xxx xxx

Qpmín (m3/h) xxx xxx 2050 1100

ηQpmín (%) xxx xxx 82 84,8

PuQpmin (kW) xxx xxx 96 38

(Pu/Q)Qpmin (kWh/m3) xxx xxx 0,045 0,033

Tabela 2.4 Condições extremas de operação da bomba ABS AF 1100-8W4



A partir dos valores de energia específica da tabela anterior (Pu/Q), observa-se que existe potencial para a implantação de variadores de velocidade;A redução de cerca de 26% no valor de Pu/Q, deve acarretar uma economia média de 10 a 13% no consumo;Descontando a perda no CF, teremos uma economia potencial de 5 a 8% no consumo



A partir da análise tarifária executada nessa EEE, observou-se que o consumo médio mensal é da ordem de 114.880 kWh, a um custo de R$20.434,00 (não considerando o custo da demanda, considerada não variável em função da implantação do conversor de frequência).Estimando-se um custo de R$40.000,00 para essa implantação, é possível obter um pay back simples de cerca de 2 anos.


Condições extremas de operação das Bombas da EEE Pq D. Pedro

Bomba ABS 300-675

Hg

(m) grandeza

n1= 1150

rpm

n2= 850

rpm

Qmáx (m3/h) 1000 350

Qmáx (l/s) 277,8 97,2

ηQmáx (%) 73 60,5

PuQmáx (kW) 40 14,2

9,70

(Pu/Q)Qmáx (kWh/m3) 0,040 0,042

Qmín (m3/h) 900 250

Qmín (l/s) 250,0 69,4

ηQmín (%) 71,1 59

PuQmin (kW) 39 14,6

11,2

(Pu/Q)Qmin (kWh/m3) 0,045 0,060


Viabilidade – Pq D. Pedro

Esta EEE possui um consumo médio mensal de 50.720 kWh a um custo de R$ 14.894,00 (não considerada a demanda)Tem instaladas cinco bombas ABS AFP 300-675, com rotor de D= 350 mm e rotação de 1150 rpm.


Viabilidade – Pq D. Pedro

A partir dos valores de energia específica da tabela anterior (Pu/Q), observa-se que parece não existir potencial para a implantação de variadores de velocidade nesta EEE.


Viabilidade – EEE Guarapiranga

Esta EEE possui um consumo médio mensal de 5.592 kWh a um custo de R$ 1.714,00 (não considerada a demanda)Esses valores, do ponto de vista de eficiência energética, não viabilizam a implantação de variadores de velocidade


Medição com Frequência Variável

Unidade EEE Jundiapeba – Comando CF 60 Hz

Demanda Média

2,66 kW

Pico de Potência 8,52 kW


Medição com Frequência Variável

Demanda Média

5,3 kW

Pico de Potência 6,2 kW


Medição com Frequência Fixa

Demanda Média

2,79 kW

Pico de Potência

8 kW


Resultados

Unidade EEE Jundiapeba


Recomendações

A implantação de controladores de velocidade das bombas consiste em um refinamento no controle da EEE.Para ser efetivo, do ponto de vista da redução dos gastos com energia, as ações a seguir devem ser consideradas


Manutenção Preventiva: as bombas devem ser revisadas periodicamente e substituídas ao término de sua vida útil;Manter estoque de bombas e motores para promover um programa de substituição programada de equipamentos e/ou no caso de avarias;Novos Projetos: Devem considerar, além dos aspectos hidro-dinâmicos clássicos, o atendimento de requisitos de desempenho do sistema em termos de energia específica (Pu/Q).Monitoração Remota de bombasAuditorias energéticas periódicasTreinamento de pessoal


O Que NÃO Se Deve Fazer

Substituir bombas por outras com características diferentes;Implantar medidas visando à eficiência energética de uma instalação apenas com base em experiências realizadas em outras instalações; cada caso deve ser analisado individualmente.


AGRADECIMENTOS

Américo Sampaio Airton David ChaconLuiz ItoJosé Wilson

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