ESTAÇÕES ELEVATÓRIAS

(1)

ESTAÇÕES

(2)

COMPONENTES E SUBCOMPONENTES DO SISTEMA DE ABASTECIMENTO DE ÁGUA

(3)

COMPONENTES DE UMA ESTAÇÃO ELEVATÓRIA

•

Equipamento eletro-mecânico

–

Bomba

–

Motor

•

Tubulações

–

Sucção

–

Barrilete

–

Recalque

•

Construção civil

–

Poço de sucção

–

Casa de bomba

(4)

CLASSIFICAÇÃO DAS BOMBAS

Bombas cinéticas Ar comprimido Carneiro hidráulico Centrífugas Periféricas Especiais Bombas de deslocamento positivo Pistão Êmbolo Diafragma Alternativas Rotativas Palheta Pistão Elemento flexível Parafuso Fluxo radial Fluxo misto Fluxo axial Estágio único Estágios múltiplos Ejetor Engrenagem Rotor lobular Pistão oscilatório Parafuso Rotor Simples Rotor múltiplo

(5)

PRINCIPAIS COMPONENTES DAS BOMBAS CENTRÍFUGAS

Corte de uma bomba centrífuga horizontal de simples estágio

• Carcaça

• Rotor

• Vedação

• Mancal

Corte de uma bomba centrífuga de simples estágio com rotor de dupla sucção

(6)

BOMBAS CENTRÍFUGAS – CARCAÇA

Quanto ao formato

Bomba centrífuga com carcaça tipo voluta com rotor radial fechado de sucção simples

Quanto a partição

Bomba centrífuga bipartida axialmente com rotor radial de dupla sucção

(7)

BOMBAS CENTRÍFUGAS – ROTOR

• Quanto à admissão de líquido

– Rotor de simples sucção

– Rotor de dupla sucção

• Quanto às paredes

– Rotor aberto

– Rotor semi-aberto

– Rotor fechado

• Quanto à direção de saída do líquido

– Rotor de fluxo axial

– Rotor de fluxo radial

– Rotor de fluxo misto

TIPOS DE ROTOR

Fechado Semiaberto Aberto

(8)

BOMBAS CENTRÍFUGAS – VEDAÇÃO

(9)

BOMBAS CENTRÍFUGAS

Classificação segundo a trajetória do líquido no rotor

(10)

Classificação em função da rotação específica (N_q)

onde: N = rotação da bomba, rpm Q = vazão, m3_/s H = altura manométrica, m q 3 4 N Q N H 

Formas do rotor e rendimento da bomba em função da rotação específica

(11)

Classificação de acordo com a disposição do

conjunto motor-bomba

•

Conjunto de eixo horizontal

•

Conjunto de eixo vertical (bombas não submersas e bombas submersas)

(12)

INSTALAÇÃO DAS BOMBAS CENTRÍFUGAS

Eixo horizontal de sucção simples

Bipartida com base única para bomba e motor

(13)

MOTORES ELÉTRICOS

• Motor elétrico  equipamento destinada a transformar energia elétrica em

energia mecânica

• Tipos de motores elétricos

– Motor de corrente contínua

– Motor de corrente alternada

 Motor síncrono  rotação constante em função da freqüência e

número de pólos

 Motor de indução  rotação não coincide com a rotação síncrona

 Monofásico  Trifásico s 120f N p 

onde: N_S = rotação síncrona, rpm

f = freqüência, Hz p = número de pólos

(14)

MOTOR DE INDUÇÃO TRIFÁSICO

Tipos de motor de indução

•

Rotor em gaiola

(15)

MÉTODOS DE COMANDO DE MOTORES DE INDUÇÃO

•

Partida direta

•

Partida estrela-triângulo

•

Partida eletrônica (soft-starter)

(16)

FORMAS DE FRENAGEM DE MOTORES ELÉTRICOS

• Frenagem por contra-corrente

• Frenagem por injeção de corrente

contínua

(17)

CARACTERÍSTICAS ELETROMECÂNICAS DE MOTORES ELÉTRICOS

•

Potência do motor

–

Potência mecânica

–

Potência nominal

–

Potência admissível

–

Potência elétrica absorvida da rede

•

Rendimento m m e P P  

•

Fator de potência ativa aparente P FP cos P   

(18)

•

Potência do motor

–

Motores de baixa tensão: 220 V, 380 V, 440 V

–

Motores de média tensão: 600V a 13.800 V

•

Conjugado

(19)

•

Variação da rotação

•

Limitação da corrente de partida

r s 120f (1 s) N N (1 s) p    

onde: N_r = rotação do motor, rpm N_s = rotação síncrona, rpm f = freqüência, Hz

p = número de pólos s = escorregamento soft-starter

(20)

CARACTERÍSTICAS ELETROMECÂNICAS DE MOTORES ELÉTRICOS Inversores de freqüência

–

Corrente nominal

–

Tensão nominal

–

Geração de harmônicas

(21)

LOCALIZAÇÃO DA BOMBA EM RELAÇÃO AO NÍVEL DE ÁGUA

Bomba afogada

(22)

BOMBAS CENTRÍFUGAS – ESQUEMA HIDRÁULICO

Bomba horizontal não afogada Bomba vertical afogada

(23)

CURVAS CARACTERÍSTICAS ESQUEMÁTICAS DE UMA BOMBA CENTRÍFUGA

(24)

Curvas características de uma bomba centrífuga fornecida

(25)

CURVA CARACTERÍSTICA DO SISTEMA ELEVATÓRIO

(26)

RELAÇÕES CARACTERÍSTICAS NAS BOMBAS CENTRÍFUGAS

Variação da rotação da bomba

1 1 2 2 Q N Q  N 2 1 1 2 2 H N H N        3 1 1 2 2 P N P N       

Variação do diâmetro do rotor

1 1 2 2 Q Dr Q  Dr 2 1 1 2 2 H Dr H Dr        3 1 1 2 2 P Dr P Dr       

(27)

Variação nas características da bomba pela variação da rotação

(28)

CAVITAÇÃO DE CONJUNTOS ELEVATÓRIOS

Detalhes da erosão do rotor de uma bomba centrífuga

Erosão do rotor da bomba causado pela cavitação

(29)

CAVITAÇÃO DE CONJUNTOS ELEVATÓRIOS vapor atm d P P NPSH  Hg,s  Hs    

Pressão de vapor da água em função da temperatura T (°C) Pv/ (m H2O) Observações 0 0,062 2 0,072 4 0,083 6 0,095 8 0,109 10 0,125 15 0,174 20 0,238 25 0,323 30 0,433 40 0,752 50 1,258 60 2,031 80 4,827 100 10,332 T = temperatura Pv/ = altura equivalentede coluna de água Pressão atmosférica em função da altitude h (m) Patm/ (m H2O) Observações 0 10,33 300 9,96 600 9,59 900 9,22 1200 8,88 1500 8,54 1800 8,20 2100 7,89 2400 7,58 2700 7,31 3000 7,03 h = altitude Patm/ = altura de coluna de água equivalente a pressão atmosférica

(30)

Coeficiente de Thoma (s)

•

Bomba de fluxo radial, sucção simples r NPSH H s  s = 12,2 x 10–4 (N_q)4/3 s = 7,7 x 10–4 (N_q)4/3 s = K(N_q)4/3 NPSH requerido (NPSH_r)

•

Bomba de fluxo misto, sucção dupla

(31)

NPSH_d > NPSH_r

(32)

(33)

(34)

OPERAÇÃO DE BOMBAS

Operação com bombas em paralelo

Operação com bombas em série

(35)

Associação da curva da bomba com a curva característica do sistema para vários tipos de recalque

(36)

SELEÇÃO DE MOTORES

•

Aspectos técnicos

•

Aspectos econômicos

Curva característica do motor de indução em função da carga acionada

(37)

NÚMERO DE CONJUNTOS ELEVATÓRIOS

• Pequena elevatória: 2 bombas (1 + 1 reserva)

• Média elevatória: 3 bombas (2 + 1 reserva)

(38)

SISTEMA DE CONTROLE DE OPERAÇÃO DAS BOMBAS

• Bóia

• Pneumáticos

• Elétricos

(39)

PAINEL DE COMANDO ELÉTRICO

•

Painel de comando elétrico  opera e supervisiona todo o sistema de bombeamento

•

Partes constituintes

– Comando liga-desliga das bombas

– Chave seletora automático-manual

– Chave seletora de bombas

– Alarme e sinalização de defeitos

– Sinalização de operação

– Indicador de corrente (amperímetro)

– Indicador de tensão (voltímetro)

– Relês auxiliares

– Controle de rotação do motor

– Supervisão do sistema

(40)

PAINEL DE COMANDO ELÉTRICO

(41)

PROJETO DE ESTAÇÕES ELEVATÓRIAS DE ÁGUA

•

Próxima ao manancial

•

No meio do manancial

•

Junto ou próximas às estações de tratamento de água

•

Junto ou próximas aos reservatórios de distribuição

de água

•

Para reforço na adução ou na rede de distribuição de água

(42)

•

As dimensões do terreno deverão satisfazer às necessidades presentes e à expansão futura

•

Baixo custo e facilidades de desapropriação do terreno

•

Disponibilidade de energia elétrica

•

Topografia da área

•

Sondagens do terreno

•

Facilidades de acesso

•

Estabilidade contra erosão

•

Menor desnível geométrico

•

Trajeto mais curto da tubulação de recalque

•

Mínimo remanejamento de interferências

•

Menor movimento de terra

•

Segurança contra assoreamento

•

Harmonização da obra com o ambiente circunvizinho

(43)

(44)

Vazões de projeto

• Concepção do sistema

• Período de projeto

• Etapas de implantação

• Regime de operação

(45)

Tipos de estações elevatórias

• Estação elevatória de água bruta

(46)

•

Poço seco

–

Conjunto motor-bomba de eixo horizontal

–

Conjunto vertical de eixo prolongado, bomba não submersa

–

Conjunto motor-bomba de eixo vertical, bomba não submersa

–

Conjunto motor-bomba auto escorvante.

•

Poço úmido

–

Conjunto vertical de eixo prolongado, bomba submersa

–

Conjunto motor-bomba submerso.

•

Estação pressurizadora ou “booster”

–

Podem ser utilizados vários tipos de conjuntos motor-bomba.

(47)

Estação elevatória de poço seco com conjunto motor-bomba de eixo horizontal. Estação elevatória EE-1 da cidade de Jales

(48)

Estação elevatória de poço seco com conjunto motor-bomba de eixo horizontal. Estação elevatória de água bruta EE-1 da cidade de Franca

Planta

(49)

Estação elevatória de poço úmido com conjunto vertical de eixo prolongado com bomba submersa. Estação elevatória de água bruta no rio Paraíba para abastecimento de água da cidade de Taubaté

(50)

PROJETO DE ESTAÇÕES

ELEVATÓRIAS DE ÁGUA

Estação elevatória de poço úmido com conjunto vertical de eixo prolongado com bomba submersa. Estação elevatória de água

bruta no rio Paraíba para abastecimento de água da cidade de Taubaté

(51)

PROJETO DE ESTAÇÕES ELEVATÓRIAS

DE ÁGUA

Estação elevatória de poço úmido circular com conjunto motor-bomba submerso

(52)

Estação elevatória de poço úmido circular com conjunto motor-bomba submerso

(53)

(54)

Estação elevatória de água tratada da cidade de Lins

Estação elevatória de recalque dos poções I e III da cidade de Fernandópolis

Estação elevatória da cidade de Fernandópolis

Estação elevatória do poção I da cidade de Jales

(55)

Estação elevatória da cidade de Monte Alto

Casa de bomba da elevatória EE-1 Canoas da cidade de Franca

Estação elevatória de água tratada da cidade de Riolândia

(56)

Casa de bomba da elevatória de água tratada de Taiaçupeba, RMSP

Casa de bomba de uma elevatória da cidade de Franca

Estação elevatória de água tratada do Sistema Alto Tietê, RMSP

Estação elevatória de água bruta da cidade de Taubaté

(57)

ESTAÇÕES ELEVATÓRIAS – BOOSTER

Booster para recalque da água proveniente de um reservatório

(58)

Booster utilizado para aumentar a vazão de adução

(59)

Estação pressurizadora Aeroporto da cidade de Franca

(60)

BOOSTER OU ESTAÇÃO

PRESSURIZADORA COM BOMBA DE EIXO HORIZONTAL

(61)

BOOSTER OU ESTAÇÃO PRESSURIZADORA COM BOMBA DE EIXO HORIZONTAL

(62)

BOOSTER OU ESTAÇÃO PRESSURIZADORA

COM BOMBA

(63)

BOOSTER OU ESTAÇÃO PRESSURIZADORA COM BOMBA SUBMERSA, TIPO “Q”

(64)

BOOSTER OU ESTAÇÃO PRESSURIZADOR A COM BOMBA SUBMERSA, TIPO “Q1”

(65)

BOOSTER OU ESTAÇÃO PRESSURIZADORA COM BOMBA SUBMERSA, TIPO “Q1”

(66)

BOOSTER OU

ESTAÇÃO

PRESSURIZADORA

COM BOMBA

SUBMERSA, TIPO

“Q2”

(67)

BOOSTER OU

ESTAÇÃO

PRESSURIZADORA

COM BOMBA

SUBMERSA, TIPO

“Q2”

(68)

(1) Bomba centrífuga (2) Motor elétrico

(3) Variador hidrocinético

(4) Base metálico para o conjunto (5) Painel de comando

(6) Pressostatos para operação automática (7) Registros

(8) Proteção metálica, com tratamento especial anticorrosivo, resistente para trabalhar ao tempo

Componentes de um booster com variador de rotação hidrocinético

(1) Bomba centrífuga (2) Motor elétrico

(3) Base metálica para o conjunto

(4) Painel de comando, incluindo inversor de freqüência

(5) Painel de controle automático de pressão (6) Registros

(7) Proteção metálica, com tratamento especial anticorrosivo, resistente para trabalhar ao tempo

Componentes de um booster com inversor de freqüência

(69)

(70)

Detalhes da instalação da estação elevatória com duas bombas utilizando o variador hidrocinético

(71)

Booster com variador hidrocinético instalado na Conceição, RMSP.

Booster com inversor de freqüência instalado no Portal D‘Oeste, RMSP

Instalações do booster Vitápolis com inversor de freqüência, RMSP

Instalações do booster Munhoz Junior no passeio, RMSP

(72)

POÇO DE SUCÇÃO

Determinação do volume do poço de sucção

Sistema com duas bombas (1 bomba + 1 reserva)

Q T V

4

(73)

Vórtices em poço de sucção

Configurações do poço de sucção não recomendadas e

(74)

Configurações do poço de sucção não recomendadas e

(75)

Recomendações para poço com várias bombas

(76)

Aparelhos típicos para supressão de vórtice superficial

(77)

Métodos para supressão do vórtice subsuperficial

Alteração do espaço livre junto à parede

(78)

Métodos para supressão do vórtice subsuperficial

Detalhes da instalação da placa Detalhes da instalação do cone

(79)

Detalhes da instalação do cone para conjuntos motor-bomba submersíveis

•

HC = 0,45 H

(80)

PROJETO DO POÇO DE SUCÇÃO

(81)

Poço com uma bomba

Dimensões do poço para uma bomba de sucção vertical

(82)

(83)

Poço com várias bombas

(84)

Poço com várias bombas, incluindo o canal de aproximação do poço de sucção

(85)

Formas e dimensões do poço de sucção

(86)

(87)

(88)

(89)

(90)

Detalhes do poço de sucção para bombas em linha

Tipo de

líquido Parâmetro Dimensão

A A ³ 2,5 D. Usualmente cerca de 4,5 D para possibilitar a instalação de bombas e motores B B ³ 2D S (1+ 2,3F) D, onde F = v(gD)-0,5 W

O menor possível, mas com V £ 0,3 m/s para qualquer vazão e nível de água

C 0,5 D. Para a última bomba C ³ 0,25D R1 2,33 h, onde h é a altura de água na comporta R2 0,67 R1 a a³ 45° para revestimento de plástico; a³ 60° para superfície de concreto C 0,25 D £ C £ 0,5 D. Utilizar sempre o cone com C < 0,5 D

a

a³ 0° , sendo

recomendado por alguns

consultores a = 45° Qualquer água Esgoto Água limpa

Dimensões recomendadas para poço de sucção com bombas em linha

(91)

PROJETO DO POÇO DE SUCÇÃO

Antes do ressalto

Ressalto inicial

Ressalto na última bomba

Autolimpeza do poço de sucção

(92)

(93)

(94)

POSIÇÕES RECOMENDADAS E NÃO RECOMENDADAS PARA A SUCÇÃO DE BOMBAS

(95)

BARRILETE

(96)

DISPOSIÇÕES DAS TUBULAÇÕES DO BARRILETE PARA BOMBAS CENTRÍFUGAS

Bombas centrífugas de eixo horizontal

Bombas verticai

(97)

ÓRGÃOS ACESSÓRIOS

•

Válvulas de bloqueio

•

Válvulas de retenção

•

Válvula de pé

•

Manômetros e vacuômetros

(98)

VÁLVULAS DE BLOQUEIO

Válvula borboleta Válvula de gaveta

(99)

VÁLVULA DE RETENÇÃO

Válvula de retenção tipo portinhola dupla

Válvula de retenção tipo portinhola única

(100)

MANÔMETROS

(101)

VÁLVULA DE PÉ

Localização da válvula de pé na tubulação de sucção

(102)

SISTEMAS DE ESCORVA DE BOMBAS

• Válvula de pé • Ejetor

• Bomba a vácuo Bomba afogada

(103)

ESCORVA DE BOMBAS

Instalação com ejetor para escorva de bomba

Sistema de escorva com bomba de vácuo

(104)

SISTEMAS DE AUTOMAÇÃO DE ESTAÇÕES ELEVATÓRIAS DE ÁGUA

(105)

PROJETO DE SISTEMAS DE AUTOMAÇÃO DE ESTAÇÕES ELEVATÓRIAS

(106)

AUTOMAÇÃO DE ESTAÇÕES ELEVATÓRIAS

(107)

Sistema de selagem

(108)

AUTOMAÇÃO DE ESTAÇÕES ELEVATÓRIAS Painéis Painel de comando de motores Painel de comando da estação Painel de entrada de energia

(109)

(110)

Interface homem-máquina de supervisão

(111)

AVALIAÇÃO DO CUSTO DE SISTEMAS DE BOMBEAMENTO

Custo de Ciclo de Vida (CCV)

(112)

TRANSITÓRIOS HIDRÁULICOS EM ESTAÇÕES ELEVATÓRIAS Esquema ilustrativo do fenômeno

(113)

TRANSITÓRIOS HIDRÁULICOS EM ESTAÇÕES ELEVATÓRIAS

(114)

TRANSITÓRIOS HIDRÁULICOS EM ESTAÇÕES ELEVATÓRIAS

(115)

TRANSITÓRIOS HIDRÁULICOS

(116)

Velocidade de propagação das ondas de pressão (a)

(117)

Análise das equações

Interpretação física das funções e F t x

a  _      x f t a  _     

(118)

Método das características

Esquema do método das características

2 2 H Q Q 1 Q f Q Q g 0 x A x A t 2gDA  _  _  _  _    2 H Q Q a Q 0 t A x gA x  _  _  _   

• Equações da quantidade de movimento

• Equações da quantidade de conservação de massa • Características positivas (C+₎ • Características negativas (C–) 2 g dH 1 dQ f Q Q 0 a dt A dt 2DA dx a dt      2 g dH 1 dQ f Q Q 0 a dt A dt 2DA dx a dt x t a         

(119)

Separação de coluna

(120)

Separação de colunas por operação de fechamento de uma válvula

(121)

(122)

(123)

Esquema de propagação das ondas de pressão por ocasião de queda no funcionamento de um conjunto motor-bomba

(124)

(125)

Esquema de ondas de pressão após o desligamento de um conjunto motor-bomba, com e sem volante de inércia

(126)

Envoltórias de pressões máximas e mínimas após desligamento acidental de uma bomba, com e sem volante de inércia

(127)

(128)

Tanque Alimentador

Unidirecional (TAU) _{mínimas após o desligamento acidental}Envoltórias das pressões máximas e de um conjunto motor-bomba, com e

(129)

(130)

Chaminé de Equilíbrio

Envoltórias das pressões máximas e mínimas após o desligamento acidental de um conjunto motor-bomba, com e sem chaminé de equilíbrio

(131)

TRANSITÓRIOS HIDRÁULICOS

(132)

Reservatório de Ar Comprimido ou Hidropneumático (RHO)

Envoltórias das pressões máximas e mínimas após o desligamento acidental de um conjunto motor-bomba, com e sem RHO

(133)

TRANSITÓRIOS HIDRÁULICOS

(134)

(135)

REDUÇÃO DO CUSTO DE ENERGIA

ELÉTRICA: AÇÕES ADMINISTRATIVAS

E OPERACIONAIS

Ações Administrativas e

Operacionais

(136)

CUSTO DE ENERGIA ELÉTRICA EM SISTEMAS DE ABASTECIMENTO DE ÁGUA

(137)

CONSUMO DE ENERGIA ELÉTRICA NA SABESP

• Distribuição no consumo de energia elétrica

Motores elétricos ... 90% Utilidades ... 7% Iluminação ... 3%

• Indicador do uso de energia: 0,6 kWh/m3_de

água produzida

• Consumo de energia na Sabesp: 3% da energia

(138)

ALTERNATIVAS PARA REDUÇÃO DO CUSTO DE ENERGIA ELÉTRICA

Ações Administrativas – 1ª fase

Correção da classe de faturamento Regularização da demanda contratada Alteração da estrutura tarifária

Desativação das instalações sem utilização

Conferência de leitura da conta de energia elétrica

Entendimentos com as companhias energéticas para redução de tarifas Ações Operacionais – 2ª fase

(A) Ajuste dos equipamentos

(B) Diminuição da potência dos equipamentos (C) Controle operacional (D) Automação do sistema de abastecimento de água      

(E) Alternativas para geração de energia elétrica



 Alteração da tensão de alimentação Correção do fator de potência

    

Melhoria no rendimento do conjunto motor-bomba Redução das perdas de carga nas tubulações

Melhoria do fator de carga nas instalações Redução do índice de perdas de água Uso racional da água



 Alteração no sistema de bombeamento-reservação Utilização do inversor de freqüência

 Alteração nos procedimentos operacionais de ETAs



(139)

AÇÕES ADMINISTRATIVAS PARA REDUÇÃO DO CUSTO DE ENERGIA ELÉTRICA

• Classificação

• Regularização da demanda contratada

• Alteração da estrutura tarifária

• Desativação

• Erro de leitura

• Negociação com as companhias energéticas para a redução de tarifas e operações emergenciais

Ações administrativas

-

Redução do custo sem investimento

-

Redução do custo sem diminuição do consumo de energia

(140)

AÇÕES OPERACIONAIS PARA REDUÇÃO DO CUSTO DE ENERGIA ELÉTRICA

• Correção do fator de potência

• Alteração da tensão de alimentação

• Melhoria do fator de carga

Redução do custo sem diminuição do consumo de energia elétrica

•

Diminuição da potência dos equipamentos

•

Controle operacional

•

Automação

•

Alternativas para geração de energia elétrica Redução do custo pela diminuição do

(141)

REDUÇÃO DO CUSTO PELA DIMINUIÇÃO DO CONSUMO DE ENERGIA ELÉTRICA

onde: E = energia consumida, kWh

H = altura manométrica de bombeamento, m V = volume de água bombeada, m3

h = rendimento dos conjuntos motor-bomba

HV E  0,00273   

Redução da altura geométricaRedução das perdas de carga Escolha adequadado diâmetro

Limpeza ou revestimento da tubulação Eliminação de ar em conduto forçado Disposição da tubulação naelevatória e na entradado reservatório

Vórtice no poço de sucção de elevatória Vórtice em reservatório de distribuição de água



 Controle de perdas de água Uso racional da água



 Rendimento do motor Rendimento da bomba Redução do custo pela diminuição do consumo energia elétrica Redução da altura manométrica Redução no volume de água Aumento no rendimento dos conjuntos motor-bomba

(142)

REDUÇÃO DO CUSTO PELA ALTERAÇÃO DO SISTEMA OPERACIONAL

• Alteração do sistema

bombeamento-reservação

• Utilização de variadores de rotação

nos conjuntos motor-bomba

• Alteração nos procedimentos

operacionais de estações de

tratamento de água

(143)

ALTERNATIVAS PARA GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA

• Aproveitamento de potenciais

energéticos

– Auto produção de energia

elétrica por fonte hidráulica

– Auto produção de energia

elétrica utilizando gás de esgoto