TECNOLOGIA E QUALIDADE DOS PRODUTOS
MODERNIZAÇÃO E OTIMIZAÇÃO DE SISTEMA
DE BOMBEAMENTO DE POÇO PROFUNDO
ESTUDO DE CASO
DEPARTAMENTO AUTÔNOMO DE ÁGUA E ESGOTO DAAE
ARARAQUARA – SP
2004
MODERNIZAÇÃO E OTIMIZAÇÃO DE SISTEMA DE BOMBEAMENTO DE POÇO PROFUNDO EM ARARAQUARA - SP
INTRODUÇÃO
Com “apagão” rondando o setor de geração de energia, medidas governamentais de racionamento foram adotadas, distribuindo-se cotas de consumo de energia elétrica, aplicação de sobretaxa e corte de energia para o excesso de consumo, etc. Assim as atenções se voltaram para os desperdícios de energia elétrica. A nova palavra de ordem é economia de energia.
A partir de então, se tornaram perceptíveis os valores com que os desperdícios de energia oneravam as contas. Concluiu-se portanto, que a energia elétrica constitui uma despesa de valor considerável que pode consumir uma parte significativa dos recursos financeiros das empresas.
Os principais fatores que contribuem para as despesas com energia elétrica em um sistema de bombeamento, são:
1) Multas por exceder a demanda contratada ;
2) Consumo de energia reativa, devido a baixo valor do fator de potência indutivo ;
3) Tarifas elevadas para o
funcionamento em horários de pico ;
4) Equipamentos ultrapassados, antigos ou não mais fabricados, sem adequada manutenção ou inadequados aos novos padrões tecnológicos e normas existente;
5) Equipamentos trabalhando com baixos rendimentos ou inadequados ao trabalho, promovendo maior consumo de energia elétrica .
Nos últimos anos tem-se aumentada a busca por contínuas melhorias para obtenção da excelência nos serviços de abastecimento de água. Assim com a perspectiva de economia de energia e melhor aplicação dos recursos financeiros, procura-se a realização de projetos que possam proporcionar, dentro de um prazo determinado, o retorno dos recursos financeiros investidos e após este prazo, possam disponibilizar recursos para outros investimentos.
No projeto de modernização de um sistema de bombeamento existente, por
exemplo, quanto maior o rendimento do novo equipamento em relação ao anterior, aliado a modernização das instalações, menor será o consumo de energia. Assim o retorno do capital investido na modernização do referido sistema, será proporcionado pela economia de energia obtida com operação do novo equipamento em novas instalações e, após o retorno do capital, proporcionará recursos para outros investimentos.
No presente trabalho são apresentados os resultados obtidos do relatório técnico elaborado, em 2003, por
uma empresa especializada, que analisou as condições de instalação e os custos operacionais de 13 poços profundos que abastecem a cidade de Araraquara, (interior do Estado de São Paulo) e propôs a modernização dos sistemas de bombeamento dos poços, com a substituição das bombas verticais de eixo prolongado tipo turbina por conjuntos motobombas submersos de melhor rendimento e performance.
A aplicabilidade prática do projeto é aqui demonstrada após a sua aplicação, realizada pela KSB, em um dos poços.
CARACTERÍSTICAS GERAIS DO ABASTECIMENTO DE ÁGUA DE ARARAQUARA
A cidade de Araraquara – SP, está localizada no planalto central do Estado de São Paulo e possui uma população de 190.000 habitantes aproximadamente.
O sistema público de abastecimento de água da cidade é de responsabilidade do Departamento Autônomo de Água e Esgotos – DAAE.
A produção média mensal de água é de 2.000.000 m3, dos quais 53% são provenientes de 13 poços tubulares profundos que captam água do Sistema Aqüífero Guarani – SAG.
A utilização da água subterrânea do
SAG teve início na década de 1970 e desde então, o DAAE possui 18 poços, dos quais 13 são operados atualmente (5 estão desativados) com profundidades que variam de 250 a 450 metros, diâmetros que variam de 250 a 387 mm e produção média total 1.500 m3/h.
A profundidade do nível potenciométrico nos poços, em 2002, variava de 50 a 200 metros, o nível dinâmico entre 85 e 250 metros (abaixo da superfície) e a vazão de 100 a 400 m3/h (~55 a 110 L/s) (Tabela 01).
Inicialmente, todos os poços foram
equipados com bombas verticais de eixo prolongado tipo turbina, no comprimento necessário para atingir o nível dinâmico do poço. Na superfície é instalado o motor elétrico vertical, para o acionamento da bomba.
Esse tipo de equipamento foi instalado nos poços por ser considerado uma solução técnica usualmente aceita para este tipo de aplicação e era praticamente a única solução disponível no mercado nacional, capaz de extrair grandes vazões, com níveis dinâmicos profundos.
Contudo, com o avanço tecnológico, crescimento das modernas técnicas construtivas, rígidos controles de fabricação, testes de qualidade e etc, os conjuntos motobombas tipo submersos substituem com vantagens de desempenho e manutenção as bombas verticais de eixo prolongado tipo turbina, fornecendo melhores rendimentos, comprovada economia de energia elétrica e facilidades na montagem e reparos.
Propiciando, não só uma real redução das despesas com energia elétrica, como também, redução das despesas de manutenção, e ainda, uma considerável
redução do tempo de parada da produção do poço, para manutenção.
Propiciando, não só uma real redução das despesas com energia elétrica, como também, redução das despesas de manutenção, e ainda, uma considerável redução do tempo de parada da produção do poço, para manutenção.
Assim em três poços as bombas originais foram substituídas por motobombas submersas. O resultado obtido foi bastante positivo que em um dos poços novos, o sistema de bombeamento opera, desde o início, com um conjunto motobomba submerso KSB.
Dos 13 poços operando, agora (2004) são 08 poços que estão equipados com bombas de eixo prolongado.
A tensão elétrica de alimentação em todos os poços é 440 V. À medida que novas tecnologias foram se tornando disponíveis no mercado, foram sendo adotadas nos novos poços, passando-se a usar autotransformadores e sistema partida suave (soft start).
Tabela 01: Poços do DAAE
prof. (m) diâmetro (mm)
1 Santana I 1.974 300
2 Santa Lúcia I 1.976 250
3 Standard I 1.978 296
4 Paiva 1.980 356
5 Ouro 1.982 256 184 250 52 85 83
6 Santa Lúcia II 1.983 340 156 305 110 140 192
7 São Paulo 1.985 378
8 Paiol 1.985 385 173 305 96 117 163
9 Standard II 1.990 331 201 305 116 160 189
10 Selmi Dei 1.992 405 242 308 158 208 180
11 Gramado 1.992 413 290 250 162 198 146
12 Pinheirinho 1.992 380 271 336 196 237 175
13 Iguatemi 1.994 337 237 336 92 159 329
14 Fonte 1.995 448 320 318 200 253 257
15 Rodovia 1.998 409 282 336 160 226 223
16 Aldo Lupo 1.998 360 318 330 69 126 400
17 Flora 1.999 453 318 387 161 247 294
18 Santana II 2.002 390 277 336 96 148 250
nº do poço nome do poço Vazão
(m3/h) data
construção
prof. total
(m) prof. NE (m)
câmara bombeamento
prof. ND (m)
VALIAÇÃO DOS DESPERDÍCIOS DE ENERGIA AINDA EXISTENTES
Os dados gerais dos equipamentos de bombeamento antigos que se encontram em operação nos poços do DAAE, são apresentados na Tabela 02.
Os dados de vazão e potência com- sumida, apresentados na tabela se referem a valores médios do ano de 2002, equivalentes ao volume total pro- duzido (m3) e ao consumo total (kWh), respectivamente, divididos pelo período de funcionamento (h).
O valor do rendimento (eletro- mecânico) foi calculado pela seguinte
equação:
P AMT Q×
=9,8× η
onde:
Q= vazão (m3/s)
AMT= altura manométrica total (m) P= potência consumida (kW)
Os valores de rendimento assim calculados equivalem ao rendimento eletro-mecânico global de cada sistema de bombeamento.
Tabela 02: Bombas dos poços do DAAE
1 Santana I 2 Santa Lúcia I 3 Standard I 4 Paiva
5 Ouro 83 100 50 176 13% 2,13 6 Santa Lúcia II 192 170 180 135 66% 0,70 7 São Paulo
8 Paiol 163 197 200 156 56% 0,96 9 Standard II 189 187 300 235 41% 1,25 10 Selmi Dei 180 294 450 343 42% 1,91 11 Gramado 146 205 280 121 67% 0,83 12 Pinheirinho 175 313 500 317 47% 1,81 13 Iguatemi 329 190 500 412 41% 1,25 14 Fonte 257 317 600 408 54% 1,59 15 Rodovia 223 349 750 390 54% 1,75 16 Aldo Lupo 400 175 350 313 61% 0,78 17 Flora 294 400 700 585 55% 1,99 18 Santana II 250 234 450 350 46% 1,40
potência nominal (cv) AMT (m)
potência consumida média (kW)
rendimento
consumo unitário (kWh/m3) nº do
poço nome vazão média
(m3/h)
Com base nos resultados obtidos de rendimento eletro-mecânico efetivo, os sistemas de bombeamento foram classificados em 3 grupos como segue:
1. Poços nº 09, 10 e 13, que são equipados com bomba de eixo prolongado, cujo valor médio de rendimento é de apenas 41% e o valor médio do consumo unitário varia de 1,25 a 1,91 kWh/m3;
2. Poços nº 08, 12, 14, 15, 17 e 18 que também são equipados com bomba de eixo prolongado, porém o rendimento é um pouco superior ao item anterior, com valor médio de 52% e com consumo unitário
variando de 0,96 a 1,99 kWh/m3; 3. Poços nº 05, 06, 11 e 16, que são
equipados com bomba submersa e apresentam os melhores valores de rendimento, chegando a 67% e consumo unitário variando de 0,70 a 0,83 kWh/m3. Exceto o poço nº 05 (antigo) por estar produzindo areia e deverá ser substituído.
Os estudos indicaram que a principal causa do desperdício de energia se deve aos baixos valores do rendimento eletro-mecânico dos conjuntos motobombas verticais de eixo prolongado tipo turbina, devido a sua forma construtiva.
FIGURA 03: Fotos de mancais e flanges da bomba de eixo prolongado com marcas do revestimento do Poço Pinheirinho – DAAE
DESVANTAGENS DO USO DE BOMBAS DE EIXO PROLONGADO
Além do desperdício de energia, foi constatado que a utilização de bombas de eixo prolongado tipo turbina apresenta ainda os seguintes inconvenientes:
1. Desgaste no revestimento do poço, provocado pelo atrito dos flanges da coluna edutora da bomba de eixo prolongado (Figura 03 e 04), que pode ter sido a causa da perda
de cinco poços;
2. Longa interrupção do abaste- cimento durante a manutenção da bomba e dos poços, devido sua forma construtiva;
3. Ruído ambiental causado pelo motor elétrico vertical, instalado na superfície, é causa de reclamações dos moradores vizinhos ao poço.
FIGURA 04: Fotos de filtros danificados por flanges da coluna edutora de bomba de eixo prolongado no Poço Pinheirinho – DAAE
PROGRAMA DE MODERNIZAÇÃO DOS SISTEMAS DE BOMBEAMENTO DOS POÇOS DO DAAE
O DAAE – Araraquara, possui um programa de modernização dos sistemas de bombeamento dos poços, que foi implantado baseado nos estudos realizados por empresa especializada, cujos principais objetivos seguem abaixo:
1. Redimensionamento dos equipa- mentos de bombeamento, de forma a atender às atuais condições operacionais dos poços e, com flexibilidade necessária para compensar as alterações previstas destas condições operacionais ao longo da vida útil do poço;
2. Aquisição de equipamentos ade- quados e confiáveis, de compro- vada qualidade tecnológica que apresentem melhores rendimentos eletro-mecânicos;
3. Aquisição de sistemas com possibilidade de variar a vazão bombeada, adaptando-a à deman- da requerida ou mantendo-a constante, interagindo automati- camente com as variações de níveis da água no poço;
4. Redução do período de tempo com os trabalhos de retirada e
reinstalação do conjunto de bombeamento;
5. Implementar um sistema de automação, com gerenciamento remoto da operação.
A primeira aplicação do programa de modernização foi realizada em 2003, no poço Selmi Dei, a partir da quebra da bomba antiga (bomba vertical de eixo prolongado tipo turbina).
Através de licitação, A KSB Bombas foi responsável pelo fornecimento e instalação dos equipamentos eletro- mecânicos, sistema de alimentação elétrica, integração do sistema de automação e gerenciamento e partida inicial do sistema de bombeamento.
CARACTERÍSTICAS CONSTRUTIVAS DO POÇO SELMI DEI
O poço abastece um grande setor localizado ao norte da cidade, constituído por treze conjuntos habitacionais populares com 5.000 ligações de água .
O poço profundo Selmi Dei, foi construído em 1992 e tem 400 m de profundidade.
A câmara de bombeamento tem 242m de profundidade, e é revestida com tubos de aço carbono, com intercalações de filtros espiralados galvanizados, ambos com diâmetro nominal de 12 ¾”, união por solda. Na parte inferior, o poço é revestido com tubos de aço carbono, com intercalações de filtros espiralados galvanizados, ambos com diâmetro nominal de 8 5/8”, união por solda.
As zonas produtoras revestidas com filtros, situam-se entre as profundidades de 189,78 a 206,85 m (total de 32 m) e de 213,42 a 229,03 m (total de 99 m) e o espaço anular ao redor dos filtros é preenchido com pré-filtro.
Os dados dos testes de bombeamento realizados logo após a conclusão do poço, indicaram a profundidade do NE (nível estático) de 140,7 m e a profundidade do ND (nível dinâmico) de 174,2 m, após 24 horas de bombeamento, com a vazão de 183 m3/h. O valor do coeficiente de transmissividade obtido foi de 230 m2/dia (27 cm2/s).
FIGURA 06: Perfil construtivo do Poço Selmi Dei
SISTEMA DE BOMBEAMENTO ORIGINAL DO POÇO SELMI DEI
O equipamento de bombeamento original era um conjunto de bomba vertical de eixo prolongado tipo turbina, com motor elétrico normal na vertical de 450 cv, 440 V . Motor elétrico instalado na superfície.
A bomba foi instalada, em 1992, à profundidade de 211,20 m, bombeando através de uma sub adutora de ferro fundido, com diâmetro de 250 mm.
Verificou-se que o sistema de bombeamento estava fornecendo 256 m3/h e consumo total de 296 kW (402cv).
O acionamento era feito por chave autocompensadora, a qual foi substituída posteriormente por sistema de partida suave.
HISTÓRICO DE OPERAÇÃO E
MANUTENÇÃO DO POÇO SELMI DEI
Em 1994, a bomba travou e foi retirada para conserto, constatando-se que alguns flanges apresentavam marcas dos filtros do poço. As séries históricas de medidas efetuadas no poço indicam que ao longo de 11 anos houve um aumento
da profundidade do nível estático e no nível dinâmico.
A queda do nível estático foi interpretada como efeito do alívio de pressão do aqüífero, ao passo que a queda do nível dinâmico foi considerada como uma indicação da redução da eficiência do poço.
Como conseqüência da queda do nível da água foi constada uma redução progressiva da vazão, chegando a 183 m3/h.
DIMENSIONAMENTO DO NOVO SISTEMA DE BOMBEAMENTO DO POÇO SELMI DEI
O lay-out geral do novo sistema de bombeamento é apresentado na Figura 07. O dimensionamento do novo sistema de bombeamento do Poço Selmi Dei foi baseado nos seguintes parâmetros:
1. prof. NE: 158 m 2. prof. ND: 208 m 3. vazão: 200 m3/h 4. funcionamento: 20 h/dia 5. AMT no poço: 235 m 6. AMT em superfície: 85 m 7. AMT Total: 320 m
DESCRIÇÃO GERAL DO NOVO SISTEMA DE BOMBEAMENTO
Os equipamentos fornecidos e instalados pela KSB foram os seguintes:
1. Um conjunto motobomba
submerso KSB UPA250B-150/5 + UMA250B160/22, motor de 192kW, 440 V;
Um conj. motobomba horizontal
“booster” (em série), instalado na superfície, motor de 75kW, 440V;
2. Inversores de freqüência, variando a rotação da bomba em função das
mudanças de nível dinâmico no poço e sensor de nível da água.
3. 235 m de coluna edutora de tubos de aço preto, diâmetro 8”, forne- cidos pelo DAAE, e reformados nas oficinas da KSB, que incluiu o corte de flanges, galvanização e abertura de rosca trapezoidais tipo
“flush joint” (Figura 08);
4. 260 m de cabo elétrico submersível trifásico;
5. Uma central de acionamento e controle de motores para 2 inversores de freqüência e sensor FIGURA 07: Lay-out do novo
sistema de bombeamento do Poço Selmi Dei
de nível da água (transdutor de pressão) com interface de comunicação.
6. instalações elétricas e hidráulicas, partida do sistema, aregulagens e teste de performance (Figura 10).
FIGURA 08: Rosca tipo flush joint em tubos de aço SCH 40, diâmetro 8 pol.
PERFORMANCE DE PRODUÇÃO E CONSUMO DOS EQUIPAMENTOS
Para permitir uma comparação das performances de produção e de consumo antes e após a troca do sistema de bom- beamento, foram comparados os dados de consumo e produção, relativos aos meses de abril, maio e junho de 2002 e de 2004. Os valores médios obtidos são apresentados na Tabela 03. Para facilitar a comparação, os dados de consumo de
energia elétrica apresentados na Tabela 03 equivalem à estimativa proporcional ao volume de produção atual (75.000m3), ou seja, se o sistema antigo tivesse a mesma produção atual o consumo de energia seria de 143 MWh/mês.
Com o sistema operando com motobomba submersa KSB, verifica-se que a redução efetiva do consumo total foi de 42%. As economias de consumo e de demanda somadas representam R$
78.000,00 por ano (tarifa de julho/2004).
Tabela 03: Performance do sistema de bombeamento do Poço Selmi Dei
antes depois demanda (kW) 370 280 consumo (kWh) 143.007 82.737 produção (m3) 75.000 75.000 funcionamento (h) 417 341 vazão (m3/h) 180 220 consumo específico (kWh/m3) 1,907 1,103
rendimento eletro-mecãnico (%) 42% 73%
médias mensais
PROJEÇÃO DA ECONOMIA COM ENERGIA ELÉTRICA
Adotando-se o mesmo valor de 73%
para o rendimento eletromecânico dos novos sistemas de bombeamento dos demais poços do DAAE, a redução do consumo global de energia irá gerar uma economia nas despesas operacionais de mais de R$ 700.000,00 por ano.
Considerando essa economia de custo operacional e adotando-se uma taxa de juros de 15% ao ano, o prazo para amortização dos investimentos para implementar a substituição dos sistemas de bombeamento será de 4 a 5 anos aproximadamente.
CONCLUSÕES
1. Os tempos gastos com a retirada, reparo e reinstalação das bombas de eixo prolongado tipo turbina são
muito longos e apresentam custos elevados;
2. Os equipamentos de bombeamento antigos apresentam desperdícios significativos de energia elétrica;
3. A principal causa do desperdício de energia é o baixo rendimento eletro- mecânico dos equipamentos;
4. O acionamento do motor por inversor de freqüência permite otimizar o rendimento do sistema de bombeamento, com a variação da vazão bombeada através da mudança da rotação do motor em substituição ao uso de válvulas que estrangulam do fluxo, aumentando as perdas;
5. A substituição dos equipamentos de bombeamento por equipamentos modernos e de alto rendimento eletro- mecânico é autofinanciável, pois permitem amortização através da economia em energia elétrica.
REFERÊNCIAS
BAHIA S.R., 1998. Eficiência energética nos sistemas de saneamento, IBAM, PROCEL/ELETROBRÁS, Rio de Janeiro, (76 pg).
HIRATA, R., 2004. Relatório de Avaliação Hidrogeológica. In: LATIN CONSULT, Revisão e atualização do plano diretor do sistema de abastecimento de água de Araraquara. Meio digital. São Paulo. 2004.
JORBA, A.F. & ROCHA, G.A.,1982. Manual de operação e manutenção de poços, DAEE – Departamento de águas e Energia Elétrica, São Paulo. (2ª. Edição – 90 pg).
PERRONI, et al (1994). Avaliação dos poços tubulares profundos do município de Araraquara. In: CORNER PERFURAÇÃO DE POÇOS LTDA. Relatório ao DAAE. Araraquara - SP, 4 vol. 1994.
PERRONI, J. C. A. (2003). Otimização dos sistemas de bombeamento dos poços tubulares profundos do DAAE – Araraquara. Relatório técnico. Araraquara - SP. Geowater. 2003.
PERRONI, J. C. A. e RODRIGUES, J.M. (2004). Otimização de custos de bombeamento de poços profundos em Araraquara – SP. In: XIII Congresso da Associação Brasileira de Águas Subterrâneas. Cuiabá – MT. 2004, Anais... no prelo.
RIBEIRO, G.P., 2000. Custos de produção de águas subterrâneas com operação otimizada via algoritmos genéticos para o abastecimento urbano de Araraquara – SP. Dissertação de Mestrado, Depto de Hidráulica e Saneamento EESC – USP, São Carlos – SP. (220 pg).
2000.
AGRADECIMENTOS
A KSB agradece a todos que colaboraram na preparação e edição desse documento, em especial:
ao DAAE de Araraquara que gentilmente autorizou o acesso a seus bancos de dados operacionais, relatórios técnicos e gerenciais; e
ao Hidrogeólogo Julio Cesar Arantes Perroni da Geowater, que presta serviços de consultoria ao DAAE, pelas relevantes informações e dados fornecidos.
