Cálculos de engenharia das instalações elevatórias de água: contributos para a conceção e a gestão otimizadas de sistemas de abastecimento de água

Abstract

Esta publicação é dedicada aos cálculos de Engenharia necessários à fundamentação de decisões relacionadas com o dimensionamento e a gestão de estações elevatórias de água onde sejam instaladas eletrobombas centrífugas.

Para a conceção e a gestão otimizadas de instalações elevatórias de sistemas de abastecimento de água é necessário dispor: 1. Modelos de projeção (a longo prazo) e de previsão (a curto prazo) das solicitações de água; 2. Modelos de custos que reflitam os encargos reais, em especial que, preferencialmente, incluam todas as parcelas da fatura mensal de energia elétrica ou, em alternativa, as parcelas relevantes que influenciam o preço unitário médio da energia em função do tempo de funcionamento; 3. Ferramentas matemáticas-numéricas para a adequada modelação das curvas caraterísticas dos grupos de eletrobombas (GEB) e das diversas condutas e respetivos acessórios (condutas de aspiração, de compressão individual e conduta elevatória); 4. Modelos que regem o funcionamento dos GEB, incluindo quando associados em paralelo e/ou em série e quando sujeitos à regulação por variadores de frequência que lhes impõem variação da velocidade de rotação; 5. Técnicas de otimização que sejam capazes de procurar e convergir para o ponto de custo mínimo.

Começa-se pela divulgação duma metodologia para a caraterização, modelação e projeção das solicitações de água que inclui os efeitos da gestão racional da procura e das medidas de gestão para a redução das perdas. Esta tarefa permite a projeção das solicitações de água às estações elevatórias ao longo do tempo e a quantificação de caudais de projeto.

Propõe-se um procedimento para a modelação do custo unitário médio da energia elétrica que reflete todas as parcelas incluídas na fatura mensal e cujos resultados se aproximam dos respetivos valores reais. Este modelo evidencia o ponto de custo unitário médio mínimo da energia elétrica em função do tempo de bombagem e a influência da eventual parcela da potência de ponta. Propõe-se, também, uma função de custo modificada que considera uma penalização por tempos de funcionamento elevados para que, assim, fique disponível tempo para operações de manutenção preventiva e para eventuais reparações.

Descrevem-se os procedimentos para a seleção dos equipamentos disponíveis no mercado e para a modelação das suas curvas caraterísticas e faz-se referência a software de seleção de GEB que os fabricantes, em geral, disponibilizam.

Na modelação das curvas caraterísticas da instalação consideram-se, para além da conduta elevatória, as condutas de aspiração e de compressão individual. É nestes trechos que são instaladas as válvulas antirretorno e de seccionamento e os acessórios de ligação entre condutas e destas às bombas. Estas condutas e equipamentos podem ser responsáveis pela introdução de perdas de carga com valores consideráveis, pelo que devem ser objeto de atenção especial e, subsequentemente, não devem ser desprezadas, sob pena, da modelação do sistema elevatório apresentar resultados que se afastam dos valores observados nos sistemas reais. A introdução destas condutas na análise do funcionamento de sistemas elevatórios aumenta um pouco a complexidade dos sistemas de equações a resolver, no entanto, o fácil acesso a ferramentas numéricas e de otimização que hoje temos à nossa disposição já não justifica a exclusão daquelas condutas dos cálculos.

Descrevem-se os fundamentos do funcionamento das bombas centrífugas quando operam isoladamente ou associadas em paralelo ou em série e as leis que regem a operação a diferentes velocidades de rotação.

Apresenta-se o procedimento para o dimensionamento de impulsores para que uma bomba se ajuste a aplicações específicas, designadamente ao ponto de melhor rendimento. Apresentam-se algumas considerações para os equipamentos eletromecânicos poderem operar no ponto de custo mínimo, nomeadamente por alteração da velocidade de rotação.

Apresenta-se um procedimento para gestão otimizada das estações elevatórias.

Divulgam-se e aplicam-se algumas ferramentas matemáticas / numéricas, designadamente as funções implícitas de cálculo matricial e iterativo, bem como as ferramentas de otimização disponibilizadas em software tipo plataforma de cálculo, como o MSExcel, o Google Sheets ou o OpenOffice Calc. Estas ferramentas permitem a resolução de vários problemas de caraterização do funcionamento e de gestão de instalações elevatórias. A divulgação da utilização das ferramentas de otimização de fácil acesso, como é o caso do Solver da Frontline disponibilizado no MSExcel, contribui para facilitar a execução de procedimentos de procura das melhores soluções de gestão das estações elevatórias de água, ou seja, para a gestão otimizada e sustentável dos sistemas de abastecimento de água.