Braz. J. of Develop., Curitiba, v. 6, n. 7, p. 51063-51080 jul. 2020. ISSN 2525-8761
Avaliação do sistema de bombeamento e reservação como suporte para a
melhoria de sistemas públicos de abastecimento de água na Amazônia
Evaluation of the pumping and reservation system as a support for improving
public water supply systems in the Amazon
DOI:10.34117/bjdv6n7-667
Recebimento dos originais: 03/06/2020 Aceitação para publicação: 24/07/2020
Áurea Camila Muniz Soares
Engenheira Sanitarista e Ambiental pela Universidade Federal do Pará Instituição: Universidade Federal do Amazonas
Endereço: Av. Gen. Rodrigo Oct. Jordão Ramos, 1200 - Coroado I, Manaus - AM, 69067-005 E-mail: aurea-muniz@hotmail.com
Francisco Carlos Lira Pessoa
Doutor em Engenharia de Recursos Naturais pela Universidade Federal do Pará Instituição: Universidade Federal do Pará
Endereço: R. Augusto Corrêa, 01 - Guamá, Belém - PA, 66075-110 E-mail: flcpessoa@ufpa.br
Carlos Eduardo Aguiar de Souza Costa
Mestre em Engenharia Civil pela Universidade Federal do Pará Instituição: Universidade Federal do Pará
Endereço: R. Augusto Corrêa, 01 - Guamá, Belém - PA, 66075-110 E-mail: eduardoaguiarsc@hotmail.com
Antonio Jorge Silva Araújo Junior
Mestre em Engenharia Civil pela Universidade Federal do Pará Instituição: Universidade Federal do Pará
Endereço: R. Augusto Corrêa, 01 - Guamá, Belém - PA, 66075-110 E-mail: ajorgejunior@live.com
RESUMO
Para uma gestão eficiente em sistemas de abastecimento de água, diversos fatores são considerados, entre os principais estão as demandas energéticas, reservação, períodos de funcionamento e modelos tarifários. Assim, este trabalho objetivou avaliar os sistemas de bombeamento e reservação no setor de abastecimento de água Benjamin Sodré, em Belém (PA). Primeiramente, realizou-se o levantamento de informações dos sistemas de bombeamento operantes. Em seguida, constatou-se a viabilidade de implantação de medidas nos custos com energia elétrica, através de uma nova concepção de projeto, redimensionamento dos conjuntos motor-bomba e os volumes ideais de reservação. Ocorreram sub/superdimensionamentos nos diâmetros e no sistema de bombeamento, gerando consumos e custos desproporcionais, quando comparados aos reais potenciais gerados, e a reservação encontra-se subdimensionada. Os consumos pelo bombeamento no princípio e no final do estudo, diferiram em 80%. Com relação ao custo ideal, a diferença é de 90% do custo atual.
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ABSTRACT
For an efficient management in water supply systems, several factors are considered, among the main ones are the energy demands, reservation, periods of operation and tariff models. Thus, this work aimed to evaluate the pumping and reserving systems in the water supply sector Benjamin Sodré, in Belém (PA). First, information was collected on the operating pumping systems. Then, the feasibility of implementing measures in electricity costs was verified, through a new project design, resizing of the motor-pump assemblies and the ideal reserve volumes. There were under/overdimensioning in the diameters and in the pumping system, generating disproportionate consumption and costs, when compared to the actual potential generated, and the reserve is undersized. Pumping consumption at the beginning and end of the study differed by 80%. Regarding the ideal cost, the difference is 90% of the current cost.
Keywords: Efficient Performance, Demands, Costs.
1 INTRODUÇÃO
Para um sistema de abastecimento de água é extremamente relevante o estudo de concepção de projeto, o qual deve compreender as mais diversas necessidades, apresentando-se de forma satisfatória e eficaz para a população (Alves et al., 2019). Segundo Tsutiya (2006), a concepção refere-se ao conjunto de estudos, diretrizes e parâmetros necessários para a caracterização completa do sistema, considerando a situação atual e futura da área de estudo para a escolha da alternativa mais adequada, mediante comparações que comprovem sua viabilidade e completo atendimento aos requisitos necessários.
No Brasil, diversos sistemas de abastecimento vêm sofrendo com a concepção errônea, bem como com um mau dimensionamento, principalmente em seu sistema de bombeamento, levando a altos consumos de energia elétrica. Os conjuntos motor-bomba (CMBs), que de acordo com Gomes (2012) representam cerca de 90 a 95% do consumo total de energia elétrica no sistema, possivelmente irão levar aos maiores gastos com energia, da mesma maneira que na manutenção. Esse fato torna necessário a busca de uma forma mais eficiente para deslocar o fluido desde ser captado, passando pelas diversas unidades de um sistema de abastecimento até ser distribuído a população.
O dimensionamento correto dos reservatórios é outro ponto importante a ser analisado durante a concepção, já que os cuidados voltados para este tipo de estrutura são necessários e indispensáveis por atingir direta ou indiretamente toda a população (Kumpel e Nelson, 2013). A água constitui meio para diversas reações químicas que podem comprometer os meios de reservação, além do que, estes devem ser executados de modo a garantir estanqueidade. As infiltrações em reservatórios constituem uma das mais frequentes manifestações patológicas incidentes em estruturas mal dimensionadas, podendo levar a corrosão da armadura quando associada à exposição da mesma (Borges, 2008).
Vilanova e Balestierio (2015) realizaram testes em uma estação de bombeamento de água em Minas Gerais. Verificaram que o padrão de bombeamento atuante não era o ideal, assim como o
Braz. J. of Develop., Curitiba, v. 6, n. 7, p. 51063-51080 jul. 2020. ISSN 2525-8761 reservatório não estava sendo operado de acordo com as relações desejadas entre bombeamento, armazenamento e consumo, as quais impossibilitavam a significativa economia de energia, realizável por meio da operação adequada e associação ao ótimo perfil de bombeamento. Ramos et al. (2011) destacam a otimização dos cronogramas operacionais da bomba de acordo os padrões de demanda de água e com as tarifas de eletricidade para a melhoria do sistema.
Desde a década de 90 a preocupação com otimizações de sistemas ficou mais forte. Exemplo disso foi o estudo de Crawley e Dandy (1993) em Adelaide - Austrália, onde os autores por meio de um modelo de planejamento, objetivaram determinar sequências ótimas de bombeamento e transferências para o sistema, minimizando o custo de bombeamento, mantendo um nível satisfatório de confiabilidade também para a reservação, o que resultou em uma economia de 5% a 10% dos custos totais de bombeamento.
Nesse sentido, a otimização energética e a análise de estruturas mostram-se como grandes oportunidades para redução de custos, sem diminuir qualidade, produtividade e segurança do serviço, somente por intermédio do melhor aproveitamento dos equipamentos e a busca pelo máximo rendimento deles, evitando-se os desperdícios ou o uso inadequado. De acordo Bolognesi et al. (2014), os custos devem ser lembrados enquanto tenta-se encontrar a maneira mais apropriada para avaliar (ou melhorar) um determinado sistema de abastecimento de água, porque por um lado há a energia real consumida, por outro lado, há o caminho que a energia é gasta.
O consumo e a grande quantidade de energia elétrica desperdiçada em sistemas de bombeamento de água vêm despertando grande interesse nos gestores públicos de companhias de saneamento em investir em ações de eficiência energética (Pereira et al., 2018). Entre os diversos fatores que influenciam no modo de operação de um sistema de bombeamento, a energia elétrica destaca-se por conta de sua excessiva demanda e ao mesmo tempo por seu enorme desperdício, poucas vezes observado.
Segundo o Programa Nacional de Conservação de Energia para o setor de saneamento (PROCEL SANEAR, 2008), no Brasil cerca de 2 a 3% do consumo de energia é destinado ao setor de abastecimento de água e tratamento de esgoto. Diante disto, este trabalho tem por objetivo avaliar a atual situação do setor de abastecimento de água Benjamin Sodré, na cidade de Belém – Pará - Brasil, por meio de levantamento de dados referentes ao sistema de bombeamento operante nos poços e estações elevatórias, a reservação atual e aos valores de consumos/custos com energia elétrica.
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2 PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS
2.1 ÁREA DE ESTUDO
O setor Benjamin Sodré foi escolhido para a realização deste estudo, sendo o mesmo gerenciado pela Companhia de Saneamento do Pará (COSANPA). Segundo Viégas (2009), o Conjunto Benjamin Sodré teve sua origem no ano de 1980 com a construção das casas, de um clube, do sistema de abastecimento de água (SAA) e infraestrutura básica. Posteriormente, no ano de 2001 a COSANPA assumiu a administração do SAA.
Através da Figura 1 é possível localizar, primeiramente, o bairro Parque Verde, o qual apresenta uma área de 5.096 Km² segundo a Companhia Desenvolvimento e Administração da Área Metropolitana de Belém (CODEM, 2011), abrangendo o setor de abastecimento de água em questão.
Figura 1. Localização da Área de Estudo
Costa e Corrêa (2009) afirmam que o crescimento horizontal de Belém foi iniciado na década de 80, tendo como uma de suas direções a Rodovia Augusto Montenegro, considerada uma área de expansão urbana e um dos principais vetores de ocupação. A partir disto ocorreram diversas apropriações do solo na área de estudo, principalmente para fins residenciais, constatado pela construção de conjuntos habitacionais populares e condomínios residenciais horizontais, além dos assentamentos ilegais. De acordo com Reis (2017), a infraestrutura existente pode não ser suficiente para abastecer as necessidades da população, pois além ocorre grandes disparidades sociais com a elitização de espaços, através da construção de condomínios fechados em contraste com a produção
Braz. J. of Develop., Curitiba, v. 6, n. 7, p. 51063-51080 jul. 2020. ISSN 2525-8761 de favelas, forçando o deslocamento da população de baixa renda para áreas periféricas e mais distantes das infraestruturas básicas.
2.2 LEVANTAMENTO DE DADOS E ANÁLISE DO SETOR
O setor possui coordenadas geográficas de 1°21'28"S e 48°26'52"W, contando atualmente com uma área de aproximadamente 1000 m², sendo operado pela Unidade de Negócios Augusto Montenegro (UNAM-COSANPA). Pode-se observar na Figura 2 uma esquematização do layout da área.
Figura 2. Desenho esquemático da área de captação, tratamento e reservação
Para a identificação dos elementos existentes no sistema de abastecimento atual, recolhimento de informações técnicas, operacionais e administrativas foram realizadas visitas técnicas ao setor. O abastecimento do setor é realizado pela extração de água subterrânea de três poços tubulares denominados pela companhia de 5, 7 e 8, utilizando-se três conjuntos motor-bomba trabalhando simultaneamente.
O regime de bombeamento é contínuo, funcionando durante 24 horas, isso não permite, em parte, a execução dos testes de vazão e medidas de nível d’água, principalmente naqueles poços que funcionam com bomba de controle automático, que neste caso facilita a oscilação constante dos níveis d’água. Na Tabela 1 pode-se observar as especificações de cada conjunto em operação.
Braz. J. of Develop., Curitiba, v. 6, n. 7, p. 51063-51080 jul. 2020. ISSN 2525-8761 Tabela 1 - Informações sobre os sistemas de bombeamento operantes nos poços
Fonte: Elaborado a partir de COSANPA (2017)
A principal estação elevatória (Tabela 2) é composta por duas bombas horizontais idênticas, as quais recalcam a água tratada para ser armazenada no reservatório elevado situado na parte alta do setor operacional e, a partir deste, é distribuída à população.
Tabela 2. Informações sobre o sistema de bombeamento operante na estação elevatória
Fonte: Elaborado a partir de COSANPA (2017)
Os conjuntos funcionam por rodízio de operação, onde cada conjunto é programado para funcionar em um período de 24 horas. Primeiramente, há o desligamento de um conjunto, para que após ocorra o acionamento do outro, sendo proibida pela concessionária de energia elétrica seu funcionamento simultâneo, por conta da enorme demanda de energia exigida.
2.3 DIAGNÓSTICO DO BOMBEAMENTO E RESERVAÇÃO
O setor é responsável pelo abastecimento de 36.260 habitantes, através de uma rede de 34.840 Km de extensão, compreendendo os conjuntos Benjamim Sodré e Eneias Resque, bem como o bairro do Sideral e parte do bairro da Cabanagem (COSANPA, 2018). Considera-se o índice de atendimento de água para a cidade de Belém, fornecido pela COSANPA (2012), com valor de 61,8 %. As Figuras 3a e 3b, referem-se, de forma respectiva, aos reservatórios elevado e apoiado utilizados para o armazenamento e posterior distribuição da água tratada:
Braz. J. of Develop., Curitiba, v. 6, n. 7, p. 51063-51080 jul. 2020. ISSN 2525-8761 Figura 3. a) Reservatório Elevado; b) Reservatório Apoiado
É importante a constatação de valores exatos sobre a reservação, pois a partir desta é possível modificar-se a operação do sistema de bombeamento para manter a segurança no abastecimento. Por meio do volume consumido diariamente é possível determinara vazão mínima de operação e o volume útil que requer o setor. Na Tabela 3 são apresentados os dados dos reservatórios.
Tabela 3. Capacidade de armazenamento dos reservatórios
Fonte: Elaborado a partir de COSANPA (2017)
Para complementar o estudo realizou-se também o redimensionamento de linhas adutoras dos poços e da estação elevatória por intermédio da fórmula de Bresse (Equação 1), com a intensão de verificar possíveis desconformidades.
D = K x √Q (1)
Onde: D = Diâmetro econômico (m); K = Coeficiente variável; Q = Vazão de bombeamento, em m³/s.
Segundo Martins e Gukovas (2010) o valor do coeficiente K pode variar de 0,75 a 1,40. A escolha deste valor deve ser realizada baseando-se em aspectos econômicos para se obter o menor custo. Optou-se pela utilização de 1 para o coeficiente citado, de acordo com Carvalho e Silva (2008), os quais afirmam que para a ocorrência de um balanço econômico entre o custo da tubulação e o custo da manutenção do sistema este valor é o recomendado. De acordo com Lima et al. (2009), aumentando-se o diâmetro da tubulação, a potência do conjunto elevatório e o custo operacional de
Braz. J. of Develop., Curitiba, v. 6, n. 7, p. 51063-51080 jul. 2020. ISSN 2525-8761 energia elétrica serão menores, podendo tornar-se economicamente viável ao longo da vida útil dos equipamentos.
Já com relação aos gastos energéticos, a Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL) permite a contratação da energia e da demanda de potência diferenciada ao longo do dia, conforme as diversas modalidades tarifárias. Com relação aos horários de consumo, dispõe-se do horário de ponta, referente ao período composto por três horas diárias consecutivas definidas pela distribuidora, com exceção feita aos sábados, domingos, e feriados nacionais. E o horário fora de ponta, sendo o período composto pelo conjunto das horas diárias consecutivas e complementares àquelas definidas no horário de ponta e intermediário.
As Centrais Elétricas do Pará (CELPA) é energia responsável por fornecer energia elétrica ao setor Benjamin Sodré. São utilizados pela distribuidora os horários definidos como: ponta (18h30 às 21h29), fora de ponta (22h30 às 17h29) e intermediários (17h30 às 18h29 e das 21h30 às 22h29).
2.4 REDIMENSIONAMENTO DO SISTEMA PARA ANÁLISE DAS EFICIÊNCIAS
Para a determinação do desempenho do sistema tornou-se necessária a construção de uma nova concepção baseando-se no estudo de Tsutiya (2006), com a realização do redimensionamento de unidades constituintes do sistema. Com essas análises, é possível conhecer os pontos de melhorias e falhas por meio cálculos de verificação, abordagens dos desempenhos, dificuldades operacionais, verificando o que já foi alcançado e o que precisa ser ajustado.
Como o setor Benjamin Sodré teve sua origem no ano de 1980, o projeto levou em consideração este ano como ano inicial. Com base em um relatório técnico realizado em 1998, pela Companhia de Habitação do Estado do Pará (COHAB), o qual considerou 3.835 habitantes como sendo a população de projeto. Sendo assim, para o redimensionamento do sistema, foi utilizado o ano de 2017 como sendo o ano de projeção final, levando também em consideração sua população, neste mesmo ano, de 36.260 habitantes. Portanto, as constatações futuras serão baseadas no princípio de construção do setor.
O atendimento será calculado para 100% da população, visando abastecer o setor de forma padronizada e com total confiabilidade no atendimento. A demanda de consumo é tida como a quantidade de água exigida pelos consumidores, horária e diariamente, determinando assim os volumes necessários a serem alcançados pelo sistema.
Para a determinação do consumo per capita adotou-se 200L/hab.dia, recomendada no Plano Diretor da Região Metropolitana de Belém. Para os coeficientes de máxima variação diária (K1) e horária (K2) adotaram-se os valores de 1,2 e 1,5, respectivamente, utilizados pela Fundação Nacional
Braz. J. of Develop., Curitiba, v. 6, n. 7, p. 51063-51080 jul. 2020. ISSN 2525-8761 de Saúde (FUNASA). Para a realização dos cálculos foram utilizadas as fórmulas das vazões média, média de consumo, máxima horária, máxima diária e distribuição, apresentadas na Tabela 4.
Tabela 4. Fórmulas para a verificação dos desempenhos do sistema
Componentes do Sistema Equações Numeração
Vazão de Adução de Água Bruta (Captação) Qcap = Pop x K1 x Qpc
T 2
Vazão Média de Consumo
QMéd = Pop x Qpc 3
Vazão Média QMéd = Pop x Qpc
86400 4
Vazão Máxima Horária QMáx = Pop x K1 x K2 x Qpc
86400 5
Vazão Máxima Diária QMáx = Pop x K1 x Qpc
86400 6
Vazão de Distribuição
QDist = Pop x K1 x K2 x Qpc 86400
7
Variáveis: QCap – Vazão de captação (m³); Pop – População (habitantes); K1 – Coeficiente do dia de maior consumo; Qpc – Consumo per capta (L/hab.dia); T – Tempo de funcionamento do Conj. Moto-Bomba (Horas).
Fonte: Elaborado a partir de Tsutiya (2006)
Como o volume consumido está diretamente relacionado aos horários de funcionamento do bombeamento, torna-se necessário o conhecimento real deste. O setor Benjamin Sodré já conta com a presença de reservatórios (inferior e superior) e consequentemente com seus valores de reservação, portanto, os cálculos realizados na concepção serão comparados com esses, e posteriormente verificadas as diferenças existentes. A Tabela 5 mostra as fórmulas utilizadas para esses cálculos.
Tabela 5. Fórmulas para a verificação das capacidades dos reservatórios
Componentes do Sistema Equações Numeração
Volume de Reservação
VRes = Pop x K1 x Qpc3
1000
8
Volume do Reservatório Inferior (23)
VInf = VRes x 2 3
9
Volume do Reservatório Superior (1
3) VSup =
VRes
3 10
Braz. J. of Develop., Curitiba, v. 6, n. 7, p. 51063-51080 jul. 2020. ISSN 2525-8761 Variáveis: VRes - Volume de reservação necessário (m³); Pop – População (habitantes); K1 – Coeficiente do dia de maior consumo; Qpc – Consumo per capta (L/hab.dia); VInf - Volume Reservatório Inferior (m³); VSup - Volume Reservatório superior (m³); VTotal - Volume Total (m³).
Fonte: Elaborado a partir de Tsutiya (2006)
Nas visitas técnicas foram realizadas análises e verificação de croquis de localização para a obtenção de informações mais precisas sobre a real operação do bombeamento, tais como: alturas geométrica e manométrica, tipos e quantidades de conexões existentes para os cálculos de perda de carga. As Equações apresentadas na Tabela 6 foram utilizadas para a obtenção da altura manométrica e das potências.
Tabela 6. Fórmulas para os cálculos de altura manométrica e potência útil
Componentes do Sistema Equações Numeração
Altura Manométrica Hman = HGs + HGr + Hfs + Hfr 12
Potência Útil Pot =γ x (
Q
3600) x Hman
75 x R 13
Variáveis: Hman: altura manométrica (m); HGs: altura geométrica de sucção (m); HGr altura geométrica de recalque (m); PCs: perda de carga na sucção (m); PCr: perda de carga no recalque (m).
Variáveis: Potência em cv (cavalo vapor); Y: peso específico do líquido (1000 kgf/m³); Q: vazão necessária (m³/h); Hman: altura manométrica (m); R: rendimento adotado (para o estudo, R = 75%, ou seja, 0,75).
Fonte: Elaborado a partir de Tsutiya (2006)
Como a potência (Equação 13) é dada em cv (cavalo vapor) tornou-se necessária novamente a conversão de unidade de potência. Para as comparações sobre os valores de consumo e custo, foram necessárias as transformações de unidade de potência de Hp (Horse Power) para Kw, baseadas nas transformações utilizadas pelos catálogos dos fornecedores dos equipamentos de bombeamento. Estão presentes na Tabela 7, as fórmulas utilizadas para as transformações de unidade de potências necessárias para calcular os custos existentes.
Tabela 7. Fórmulas para as conversões de unidades de potências
Conversão de Unidade de Potência Equações Numeração
Cavalo Vapor em Horse Power Hp = cv x 0,9863 14
Horse Power em Quilowatts kW = hp
1,341 15
Braz. J. of Develop., Curitiba, v. 6, n. 7, p. 51063-51080 jul. 2020. ISSN 2525-8761 Para que haja a determinação da quantidade de energia é necessária uma análise entre as tarifas elétricas, sendo estas o preço cobrado por unidade de energia (R$/kWh). Para a obtenção dos consumos e custos, foi necessária a utilização da Equação 16 envolvendo o consumo em Kw, a tarifação utilizada pela prestadora de energia elétrica, as horas de consumo na “ponta” e fora de “ponta” e o total de dias do mês:
Custo = Potência x Tarifa x Horário de (Fora) Ponta x Total de dias do mês (16)
Onde: Custo é dado em reais (R$); Potência em (Kw); tarifa indicada pela concessionária; Horário de ponta (3 horas); horário fora ponta (21 horas); total de dias do mês de dezembro (31 Dias).
3 ANÁLISE E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS
3.1 ANÁLISE DO SISTEMA ATUAL X IDEAL
Com subsidio da COSANPA, obtiveram-se os valores reais de consumos e custos (Figura 4) com energia elétrica no referido setor, para a verificação mensal destes valores e para que houvesse a constatação do mês de maior consumo, sendo este o mês de dezembro, com 155.626 KWh e custo de R$ 73.858,45 apresentando-se, portanto, como o mais desfavorável do ano de 2017.
Figura 4. Consumo de energia elétrica do setor Benjamin Sodré
Fonte: Elaborado a partir de COSANPA (2017)
Ainda no mês de dezembro, verificou-se que os custos com o bombeamento foram de R$: 44.130,18, ou seja, aproximadamente 59,75 % do consumo total de energia do setor. A presença dos poços faz com que a etapa de captação tenha destaque entre as maiores consumidoras de energia
0.00 10,000.00 20,000.00 30,000.00 40,000.00 50,000.00 60,000.00 70,000.00 80,000.00 0 20,000 40,000 60,000 80,000 100,000 120,000 140,000 160,000 180,000 C u st o s (R $ ) C o n su m o d e En e rg ia (k W/h ) Meses
Braz. J. of Develop., Curitiba, v. 6, n. 7, p. 51063-51080 jul. 2020. ISSN 2525-8761 elétrica no sistema de abastecimento. Do ponto de vista de vazões na captação, foram realizados cálculos utilizando os horários de funcionamento do bombeamento para 16h e 24h (a usual), sendo descartada a hipótese de mudança do funcionamento da bomba para 16h por conta da necessidade de aumento considerável da vazão captada, indo de 362,6 m³/h para 543,9 m³/h tornando-se inviável por conta de a captação dos poços já possuir limites definidos no estudo. A vazão calculada (362,6 m³/h) aproximou-se da real vazão de 361,0 m³/h captada pelos três poços (5, 7 e 8).
No que concerne a reservação, reduções significativas de custos nos sistemas de abastecimento de água podem ser obtidas pela otimização da capacidade de armazenamento dos reservatórios em conjunto com o controle das estações de bombeamento e com taxas de eletricidade variáveis. A reservação ideal calculada para o setor, apresentada na Tabela 8, difere da existente apresentando valores de 2900,8 m³ quando feita a divisão por um terço. Para título de comparação, foi feita a divisão por um quinto do total, resultando em 1740,48 m³, estando também acima da existente de 1336,0 m³ (reservatórios inferior e superior).
Tabela 8. Dados de vazão, produção e reservação do setor Ano Vazão de Captação (m³) (16h) Vazão de Captação (m³) (24h) Produção Necessária 16h (m³/h) Necessária 24h (m³/h) Reservação (m3) (1/3) Reservação (m3) (1/5) 2017 543,9 362,6 543,9 362,6 2.900,80 1.740,48
A reservação atual encontra-se subdimensionada, ou seja, o volume de água necessário para suprir adequadamente a necessidade do sistema não é alcançado, resultado em um armazenamento aproximadamente 110% menor do que o indicado quando comparado a um terço, e 30% menor quando comparado a um quinto, baseando-se nos valores apresentados na Tabela acima.
Pilar (2014) chama atenção para a implantação de um plano de eficiência energética, visando também a viabilidade de implantação de outro reservatório para ser abastecido durante as horas de menor demanda propiciando a parada dos equipamentos nos horários de ponta, visando a redução do consumo de energia, sem prejudicar o abastecimento de água nestes horários, pois seriam atendidas pelo reservatório implantado. Para o estudo em questão, a construção de mais um reservatório seria viável, visto que a área de operação é considerável e suficiente. Também evitaria os problemas de falta de água que vem, segundo a COSANPA, ocorrendo frequentemente.
Na última etapa da comparação, realizou-se a verificação real dos diâmetros das tubulações instaladas entre os poços 5, 7 e 8, e na estação elevatória. A Tabela 9 traz os valores calculados, valores adotados, e a atual situação das tubulações:
Braz. J. of Develop., Curitiba, v. 6, n. 7, p. 51063-51080 jul. 2020. ISSN 2525-8761 Tabela 9. Comparação de diâmetros instalados e os calculados pela Fórmula de Bresse
Notou-se que os diâmetros utilizados nos poços 7 e 8 ultrapassam os valores necessários, fazendo ocorra o superdimensionamento e consequentemente, o aumento dos custos atuais. De acordo com Baptista e Coelho (2003), todo o sistema de bombeamento deve ser projetado levando em conta critérios econômicos, por conta da interligação existente entre o diâmetro da tubulação, a potência do sistema de bombeamento e as despesas operacionais existentes. Vale ressaltar que o mantimento de diâmetros mau dimensionados pode acarretar transtornos, tornando o bombeamento suscetível a soluções improvisadas e onerosas por conta da realização de reparos indesejáveis. Outro ponto, é a capacidade do abastecimento, a qual fica limitada, e consequentemente impede que, neste caso, a vazão necessária seja transportada corretamente até o reservatório e posteriormente a população. Além da grande possibilidade de ocorrência de reparos cada vez mais frequentes, gerando prejuízos futuros.
3.2 REDIMENSIONAMENTO DAS BOMBAS E PROPOSTA PARA OTIMIZAÇÃO
Após os redimensionamentos dos CMBs operantes na estação elevatória e nos poços do setor Benjamin Sodré, foi possível realizar a simulação do consumo de energia elétrica para o novo sistema, juntamente com os novos gastos, sendo viável uma comparação entre o sistema proposto e o atual, conforme os resultados apresentados na Tabela 10.
Braz. J. of Develop., Curitiba, v. 6, n. 7, p. 51063-51080 jul. 2020. ISSN 2525-8761 Pode-se verificar que o setor opera com bomba superdimensionada no poço 8, ou seja, há a utilização de um bombeamento que requer uma maior demanda de energia elétrica, porém a necessidade do poço requer uma quantidade menor, pois opera com valor definido, causando perdas de eficiência no sistema. Neste caso, a instalação de equipamentos “menores” torna-se viável para a redução dos custos.
As bombas nos poços 5, 7 e na estação elevatória estão subdimensionadas, operando com cargas superiores, se forem comparadas aos valores para os quais foram dimensionadas, trazendo gastos por conta de necessidade de manutenção constante, maior período de “trabalho” para suprimento das necessidades, menor quantidade de produção (disponibilidade de água) e acarretando a diminuição da vida útil dos equipamentos, por conta dos desgastes de seus componentes. Além do grande consumo energético, para os dois casos. (Pilar, 2014).
Um ponto a ser destacado são as bombas da estação elevatórias, as quais trabalham em rodízio de funcionamento, porém apresentam valores de altura manométrica e de potência diferentes uma da outra. Sendo assim, os consumos e custos também se diferenciam conforme sua combinação. Como o mês de dezembro apresenta 31 dias, adotou-se 16 dias de funcionamento para o CMB 01 e 15 dias para o CMB 02 da estação elevatória, para a constatação da diferença entre seus funcionamentos no mês. Com relação ao horário de ponta e fora de ponta, os reais consumos com o funcionamento do sistema com a bomba 1 diferem em 25% do valor calculado de 148, 42 kW. Com a bomba 2 ocorre a diferença de aproximadamente 35% do valor calculado de 160,88 kW.
O novo custo total obtido para os 31 dias (realizada a somatória de 16 dias e 15 dias), com a alternância das bombas, para o horário de ponta, é igual a R$ 12.720,21, sendo necessário um investimento aproximado 130%. Tratando-se do horário fora de ponta, os custos, com a mesma alternância, são de R$ 61.644,08 com a necessidade de investimento de aproximadamente 60% maior que o atual.
Com essa constatação foram feitas pesquisas para a obtenção de sistemas mais direcionados e que consigam produzir as quantidades de vazão de captação, produção e distribuição necessária. Com a verificação do catálogo de bombas dos fabricantes mais utilizados pela COSANPA (Ebara, Leão e KSB). A Tabela 11 apresenta as características do bombeamento ideal para as vazões e alturas manométricas dos poços e da estação elevatória.
Braz. J. of Develop., Curitiba, v. 6, n. 7, p. 51063-51080 jul. 2020. ISSN 2525-8761 Tabela 11. Características das bombas sugeridas para as unidades do sistema proposto
Destaca-se que a escolha do mesmo modelo de bombeamento para a estação elevatória foi feita para o mantimento do padrão existente. Os valores adotados foram baseados nas variáveis (altura manométrica, potência e vazão) da bomba 2, tida como a mais “desfavorável” por apresentar os maiores valores, visto que o alcance de suas necessidades, consequentemente, seria viável também para a bomba 1. Na verificação dos catálogos foi constatada que a escolha por um modelo de bombeamento diferente traria maiores consumos e custos, não sendo indicado para o estudo, sendo então descartada essa possibilidade.
A partir das potências das novas bombas foram calculados os novos consumos de energia, feita relação com o custo em reais, e a comparação com os gastos efetivos, conforme a fatura de energia do setor Benjamin Sodré referente ao mês de dezembro de 2017. Através dos cálculos para a obtenção dos consumos e custos com o sistema de bombeamento atual, ideal calculado e com o ideal encontrado, por meio da verificação dos catálogos dos fornecedores, pode-se finalmente realizar as comparações necessárias entre os consumos pelo bombeamento no princípio e no final do estudo, com 218,49 kW e 394,41 kW, respectivamente, diferindo em 80%. Com relação aos custos, inicialmente de R$ 44.130,18 e posteriormente de R$ 83.630,70, diferindo em mais de 90% do custo atual.
Os consumos e custos constatados no estudo mostram que o bombeamento opera de maneira desproporcional quando comparada ao seu real potencial, acarretando diminuição da capacidade de
Braz. J. of Develop., Curitiba, v. 6, n. 7, p. 51063-51080 jul. 2020. ISSN 2525-8761 operação do sistema. Para utilização de conjuntos de bombeamento mais eficientes, são necessários investimentos consideráveis. Todas as etapas necessitam de execuções bem alinhadas para um desempenho satisfatório, caso contrário, há a possibilidade de ocorrência de condições precárias aclaradas através de desperdícios gigantescos, interrupções dos sistemas e, consequentemente, com a exposição dos usufrutuários a ocorrências constrangedoras de ausência parcial ou total de água por horas, dias e até meses.
4 CONSIDERAÇÕES FINAIS
O subdimensionamento verificado no sistema de bombeamento do setor Benjamin Sodré passa da ordem de 80%, necessitando de uma maior demanda de energia para que o desempenho do bombeamento seja realizado da maneira ideal. Tratando-se de custos a disparidade é ainda maior, mais de 90% do valor inicial precisa ser investido no setor. Vale ressaltar que apesar de apresentar aparente economia relacionada a consumos e custos, a realidade é preocupante, pois o bombeamento trabalha em sua capacidade máxima necessitando de maior trabalho para o suprimento “eficiente”, além de uma maior frequência de manutenção.
Deve-se ainda levar em consideração que o caso de um episódio de superdimensionamento, é um dos maiores motivos de desperdício de energia, ou seja, necessita-se de mais energia para uma dada aplicação. As principais consequências deste são um maior consumo energético, maior volume e redução do rendimento, acarretando maior custo da instalação. Vale ressaltar também que a escolha por diâmetros inapropriados pode gerar perdas de cargas desproporcionais, sendo assim o sistema de bombeamento fica impedido de desenvolver suas funções acertadamente, como foi observado neste estudo. Com relação a reservação, o dimensionamento errôneo pode trazer, além de prejuízos estruturais, como as fissuras, causadas por conta da carga elevada e não suportada, o não aproveitamento das reais condições de operação, impossibilitando que haja uma relação com o sistema de bombeamento, a qual busca a redução do consumo de energia elétrica, visto que a possibilidade desta integração pode deslocar o consumo de energia para horários em que ela seja mais barata, evitando os horários de pico de energia.
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