E STAÇÃO DE T RATAMENTO DE Á GUA DE A REIAS DE V ILAR

A Estação de Tratamento de Água (ETA) de Areias de Vilar destinada a tratar a água captada no rio Cávado, situada em Areias de Vilar, município de Barcelos, distrito de Braga, foi uma das infraestruturas construídas no âmbito do plano de investimentos dos primeiros sistemas multimunicipais, tendo entrado em funcionamento em 1999.

A ETA de Areias de Vilar faz parte do Subsistema do Cávado abrange os municípios de Barcelos, Esposende, Maia (norte), Póvoa de Varzim, Santo Tirso, Trofa, Vila do Conde e Vila Nova de Famalicão. Está dimensionado para produzir um caudal máximo diário de 230 000 m3 _{de água tratada,} atendendo em quantidade e qualidade uma população estimada de 900 000 de habitantes prevista para o ano horizonte de 2025.

Nesta infraestrutura estão incluídas a Captação de água, a Estação de tratamento de água, reservatório de regularização RR1 e a Estação Elevatória EE1 como se pode visualizar na Figura 16.

Figura 16 - Estação de Tratamento de Água de Areias de Vilar: 1. Captação; 2. Estação Elevatória EE2; 3. Reservatório água bruta; 4. Reservatória de água tratada; 5. Estação Elevatória EE1)

O processo de tratamento inicia-se com a tomada de água superficial, diretamente do rio Cavado, em Areias de Vilar. A tomada de água está dimensionada para um caudal de 3,8 m3_{/s (três grupos} elevatórios, 0,95m3_{/s cada, e um quarto grupo elevatório de igual capacidade que constitui uma reserva} ativa) sendo esse volume de água transportado através da ponte de acesso até ao reservatório de água bruta (constituído por duas células com capacidade total de 160 mil m3 _{correspondendo a uma reserva} de água de aproximadamente a 48 horas). A capacidade de armazenamento do reservatório de água bruta garante a manutenção do funcionamento da ETA durante períodos críticos.

Seguidamente, a água é tratada e encaminhada para o Reservatório RR1, primeiro reservatório de regularização de água tratada. Este reservatório tem como funcionalidade servir de primeira e maior reserva de água tratada que será lançada no sistema de adução de forma a garantir a conservação de qualidade da mesma. Com capacidade de 20000 m3 _{de água (duas células de iguais dimensões em betão} armado), esta estrutura insere-se no perímetro da ETA.

A estação elevatória EE1, a jusante do reservatório RR1, transporta a água desse mesmo reservatório até outro, RR2 (Figura 17). O edifício da EE1 (57 m de comprimento por 13 m de largura) está dividido em 3 pisos. No primeiro encontram-se os grupos eletrobomba, as condutas e acessórios de aspiração e de compressão dos grupos e outros equipamentos auxiliares como o sistema de drenagem, a ventilação e os compressores de ar dos reservatórios hidropneumáticos. No segundo encontram-se as celas de 15 kV, o transformador de baixa tensão (400 V), os quadros de baixa pressão e automatismo e o grupo gerador de emergência. A sala de controlo encontra-se no terceiro piso.

Figura 17 - Reservatório de Adães (RR2)

Equipada com três grupos eletrobomba centrífugos idênticos de eixo horizontal (350-LNN-725 da marca IDP), instalados em paralelo e com potência de 1600 kW cada, em que é apenas possível o funcionamento de um máximo de duas eletrobombas em simultâneo, sendo o terceiro uma reserva ativa dos anteriores. Se necessário, pode vir a ser instalado um quarto grupo eletrobomba. A capacidade unitária de elevação de cada grupo é de 0,92m3_{/s, a diferença de cotas até ao reservatório RR2 é de 136} m. O funcionamento dos grupos é controlado pelos níveis mínimos e máximos pré-estabelecidos para o reservatório RR2, havendo um sinal de arranque quando atinge um nível mínimo e um sinal de paragem quando atinge um nível máximo.

Para assegurar boas condições de operação da EE1 é necessário estabelecer um conjunto de restrições adicionais ao funcionamento dos grupos. Não podem arrancar quando a cota do reservatório RR1 é inferior a 14,2 m (correspondente à altura de água de 1,2 m) ou quando as células se encontram fora de serviço. Quanto aos grupos da câmara de aspiração, não é admitido o seu funcionamento se não estiverem pelo menos duas válvulas abertas. A entrada em serviço não deverá ser efetuada em simultâneo e terá que ser realizada com a válvula de seccionamento de compressão fechada, até se atingir a altura de elevação correspondente ao caudal nulo; a partir desse momento a válvula poderá abrir. Outra restrição está relacionada com os arranques consecutivos do sistema sendo que o intervalo mínimo entre arranque e paragem do grupo seja fixado em pelo menos 10 minutos, para garantir que não existe uma ordem de paragem seguida imediatamente de uma ordem de arranque ou vice-versa. O intervalo de

Como já referido, o sistema de bombagem da EE1 destina-se à alimentação do reservatório RR2. Esta é feita através de uma conduta de 3000 metros de comprimento com o diâmetro de 1200 milímetros no troço inicial aumentando depois para 1400 milímetros. O caudal de dimensionamento da conduta adutora é de 2,70 m3_/s.

O reservatório RR2 (Figura 17), ou reservatório de Adães, é um reservatório de água tratada que se localiza a jusante da ETA, na Freguesia de Adães. Com capacidade para 5000 metros cúbicos de água (dividido em duas células circulares idênticas), este reservatório tem como função encaminhar água proveniente da EE1 (ETA de Areias do Vilar) para as populações de Moure, Adães, Pousa e também para a rede principal por adução gravítica.

O presente estudo tem por base dados reais de operação, no período entre 14 de novembro de 2016 e 14 de novembro de 2017 fornecidos pela empresa Águas do Norte, S.A., designadamente características grupos elevatórios (marca, potência, rendimento), características do local e dados de caudais/volumes relacionados com o reservatório a jusante da estação elevatória, RR2. Os dados foram organizados e pré-processados.

Conforme já referido, o nível do reservatório de jusante RR2 condiciona o arranque e a paragem dos grupos elevatórios. Esta condição foi imposta como restrição através das variáveis volume máximo e volume mínimo.

Embora não exista nenhum valor regulamentado, definiu-se um valor de 15 arranques por hora como máximo número de arranques por hora dos grupos elevatórios com base no Decreto Regulamentar n.º 23/95, no seu artigo n.º 174, que "Na definição e caracterização dos grupos eletrobomba deve ter-se em consideração os seguintes aspetos: a) Número máximo de arranques por hora admissível para o equipamento a instalar".

A aplicação da metodologia de otimização desenvolvida obrigou à definição de algumas variáveis e à assunção de algumas premissas e simplificações que conduzem a certos valores, que a seguir se apresentam.

Com a necessidade de estabilizar o nível de água no reservatório RR1, assumindo assim que o volume de água tratada disponível será sempre suficiente em relação ao pedido pela rede de distribuição. Por isso, como simplificação, definiu-se que a cota de superfície livre do reservatório de montante, RR1, é constante e igual a 19 m. Não sabendo com fiabilidade a cota a que se encontra o eixo de cada grupo elevatório, foi adotada a cota da soleira do reservatório RR1 no cálculo da altura geométrica. Sabe-se à priori que, com estas simplificações, obtêm-se resultados ligeiramente mais otimistas.

Além das já referidas alturas de água máxima e mínima, respetivamente, 4,7 e 0,5 m, o nível de água no reservatório de jusante RR2 estes mantiveram-se livres de outras restrições. A cota de entrada de água neste reservatório foi fixada em 148,7 m, ou seja, 0,3 m acima do nível máximo de água permitido (5 metros em relação à base do reservatório).

Através dos dados fornecidos sabe-se que o caudal de distribuição corresponde ao somatório dos caudais de abastecimento às redes de distribuição a Adães, Pousa e Moure e ao sistema adutor que irá alimentar a rede principal.

Com base nas premissas anteriores e nos dados fornecidos foi possível definir a curva característica da instalação, as curvas caraterísticas das bombas e as respetivas curvas de rendimento. Na definição das constantes, viscosidade cinemática da água (ν) e rugosidade equivalente da conduta (k), foram feitas análises de sensibilidade.

Relativamente à viscosidade cinemática foram testados os valores da viscosidade cinemática da água 1,01x10-6_m2_{/s e 1,31x10}-6_m2_{/s, respetivamente, a 20°C e a 4°C. Verificou-se que este parâmetro tinha} um impacto limitado na curva característica da instalação, assim sendo, adotou-se o valor da viscosidade cinemática da água a 20°C, 1,01x10-6_m2_{/s, nos cálculos efetuados.}

Para o caso do impacto da rugosidade equivalente da conduta (k), foram testados três valores de rugosidade, 2, 1 e 0,15 mm (Figura 22). Para o mesmo caudal elevado, a altura manométrica aumenta com o aumento da rugosidade equivalente, rugosidade esta que aumenta ao longo do tempo. Posto isto, foi o adotado o valor de 1 mm para a rugosidade equivalente da conduta (k) por ser o valor intermédio dos valores testados e por se considerar que será um valor próximo da rugosidade equivalente atual da conduta.

Figura 18 - Curva Característica da Instalação (ETA Areias de Vilar)

A Equação 4.1 apresenta a curva característica de instalação genérica com os parâmetros adimensionais A1, B1 e C1. Os valores correspondentes para a rugosidade equivalente da conduta escolhida (k), 1 mm, são apresentados no Quadro 9.

CCI: Hman = A1 + B1 Q + C1 Q² (m; m³/h) (4.1)

Quadro 9 - Parâmetros da equação da Curva Característica da Instalação (ETA Areias de Vilar)

A1 B1 C1 135,7 1,01x10-5 _1,15x10-7 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 H m a n ( m ) Caudal (m³/h) K=2mm K=1mm K=0.15mm

Segundo os dados fornecidos, os grupos elevatórios em estudo são da marca IDP, funcionando com uma rotação (N) de 1485 RPM com potência de 1600 kW. A Equação 4.2 apresenta a curva característica da bomba genérica cujos parâmetros adimensionais, A2, B2 e C2 e velocidade de rotação da bomba (N), são os apresentados no

Quadro 10, resultando na CCB apresentada na Figura 19, valores estes provenientes de ensaios independentes.

CCB: Hman = A2 N² + B2 N Q + C2 Q² (m; RPM, m3/h) (4.2)

Quadro 10 - Parâmetros da equação da Curva Característica da Bomba (ETA Areias de Vilar)

A2 B2 C2 N (RPM)

7.5140E-05 3.9057E-06 -4.2903E-06 1485

Figura 19 - Curva Característica da Bomba (ETA Areias de Vilar)

O rendimento das bombas (η), assim como no caso da curva característica da bomba, provém de ensaios realizados, sendo a curva de rendimento apresentada na Figura 20, cujos parâmetros adimensionais, A3, B3, C3 e D3, da equação 4.3 são os indicados no Quadro 11.

100.00 110.00 120.00 130.00 140.00 150.00 160.00 170.00 180.00 0.00 500.00 1000.00 1500.00 2000.00 2500.00 3000.00 3500.00 4000.00 H m a n ( m ) Caudal (m³/h)

Figura 20 - Curva de Rendimento dos grupos eletrobomba (ETA Areias de Vilar)

η = A3 + B3 Q + C3 Q2 + D3 Q3 (%; m3/h) (4.3)

Quadro 11 - Parâmetros da equação da Curva de Rendimento (ETA Areias de Vilar)

A3 B3 C3 D3

-5.02E-03 7.90E-02 -2.26E-05 2.10E-09

De acordo com a configuração atual, o máximo número de grupos eletrobomba a funcionar em simultâneo é de dois, constituindo o terceiro uma reserva ativa.