21º congresso brasileiro de engenharia sanitária e ambiental · causa das perdas físicas de...
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21º Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental
ABES – Trabalhos 1
I-081 – REDUÇÃO DE PRESSÃO – UMA ALTERNATIVA TÉCNICA PARAMELHORAR A EFICIÊNCIA OPERACIONAL.
José Vilmar Viegas(1)
Engenheiro Civil pela Pontifícia Universidade Católica do RS, Especialista emSaneamento Ambiental pela PUC-RS, Mestrando em Engenharia de RecursosHídricos e Saneamento Ambiental pela UFSM e Chefe do Coordenadoria Operacionalde Santa Maria – SURCEN/CORSAN.
Endereço(1): Rua Solon Enéas Flores, 09 – Vila Rolim – Santa Maria – RS – CEP:97650-530 - Brasil - Tel: (55) 222-2493 - e-mail: [email protected]
RESUMO
O presente trabalho tem o objetivo de demonstrar os efeitos que a pressão dinâmica produz nasredes de distribuição de água, e relatar as ações de modelação de pressão que foram implantadaspara enfrentar dois dos principais problemas operacionais em redes de distribuição que são as perdaselevadas de água e a qualidade do atendimento da prestação dos serviços de manutenção.O projeto foi implantado no sistema de Santa Maria - RS , operado pela CORSAN, e atua na principalcausa das perdas físicas de água e da incidência de rompimentos nas tubulações que é o excesso depressão dinâmica na rede de distribuição ao longo de todo o tempo ou nos períodos de baixoconsumo.A motivação inicial da implantação deste projeto de redução e controle de pressão foi de enfrentaro alto índice de rompimentos de tubulações no setor leste da cidade onde predominam canalizaçõesde Fibro-Cimento implantadas na década de 70 e que após a execução de uma nova adutora deágua tratada de 500 mm e de um reservatório apoiado alterou-se as condições operacionais desta zonaocorrendo um incremento de pressão gerando um aumento da quantidade de rompimentos dastubulações comprometendo a regularidade do abastecimento, a queda de qualidade de serviços além deelevar as perdas de água e de aumentar os custos de manutenção.A alternativa técnica adotada para a solução dos problemas relatados foi de redução de pressãoatravés da implantação de um conjunto de Válvulas Redutoras de Pressão com modulação temporalatravés de unidade controladora e em alguns casos com modulação fixa de pressão.Portanto, nosso trabalho demonstrará a forma como desenvolvemos esta atividade desde a elaboraçãodos diagnósticos, seleção dos pontos de implantação das VRPs(Válvulas Redutoras de Pressão), instalação,manutenção, operação e apresentaremos um relato dos resultados obtidos tanto do ponto de vista demelhoria operacional como também dos benefícios financeiros ao longo destes dois anos de operação.
PALAVRAS-CHAVE: Redução de Pressão, Redução de Perdas, Pressão, Rompimento de Tubulações,Válvula Redutora.
INTRODUÇÃO
A cidade de Santa Maria-RS está localizada na região central, distante 300 Km de Porto Alegre e éabastecida pelos rios Ibicuí-Mirim e Vacacaí-Mirim que são os seus mananciais supridores de água. Osprincipais indicadores que caracterizam o sistema de distribuição de água são os seguintes:⇒ População Urbana = 236.000 habitantes⇒ Economias Ligadas = 80.118 economias⇒ Nível de Atendimento = 97 %⇒ Vazão de Operação = 830 l/s⇒ Extensão de Rede = 760 Km
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O sistema de abastecimento de água foi implantado na década de 30 e sofreu sucessivas ampliaçõessendo que a rede de distribuição existente contém uma diversidade no tipo de material existindo,atualmente, redes de ferro fundido na zona central, fibro-cimento e pvc nas zonas periféricas.
As redes existentes em fibro-cimento, implantadas nas décadas de 60 e 70, totalizam uma extensão de273.900 metros em diâmetros variando entre 60 mm e 450 mm sendo este tipo de material o alvoprincipal do projeto de controle de pressão devido ao alto índice de rompimentos e de perdas de águanestas tubulações.
A incidência de rompimentos está relacionada a diversos fatores tais como tipo de material, de solo,forma de operação, porém, a principal causa são as pressões de serviços e as suas variaçõesprincipalmente nos períodos noturnos quando reduz-se os consumos e ocorre a elevação da pressão.
As alterações de pressão na rede de distribuição produzem mudanças nas dimensões das áreas dasfissuras e dos orifícios das tubulações e consequentemente alterando as vazões de vazamentos, portanto,a redução e o monitoramento de pressão torna-se importante instrumento de gestão operacional.
A operação das VRPs propiciaram, de imediato, dois importantes benefícios nas áreas de influencia comcontrole de pressão conforme exposto a seguir:
⇒ Redução das vazões diárias de operação provocada pelo rebaixamento da pressão a níveisoperacionais que evitem a falta de água nos pontos críticos, porém, reduzindo a pressão excedente.
⇒ Redução brusca da incidência de rompimentos de tubulações melhorando a qualidade doatendimento e reduzindo os custos de manutenção.
⇒ Operação do sistema de abastecimento de água com pressões mais estabilizadas e de intensidadeadequada reduzindo a ocorrência de danos às instalações internas.
O projeto de gerenciamento de pressões através de VRPs foi implantado com o objetivo de minimizaras pressões do sistema e a faixa de duração de pressões máximas, enquanto assegura os padrões mínimos depressão para os consumidores. Esta etapa foi implantada após conclusão da setorização da rede dedistribuição que definiu os padrões de pressão a serem reduzidos pela introdução de válvulas redutorasde pressão.
A etapa implantada permitiu o controle de pressão em sete setores de abastecimento que representam41% das economias ligadas, 46,5% da extensão de rede de distribuição e 44,6% dos ramaisdomiciliares conforme demonstrado na tabela1 e na figura 1:
Setor Economias Ligadas Ramais Ligados Rede de Abastecimento Tipo – extensão metrosFoCo PVC FoFo Total
1-Oeste 11964 10103 86500 69900 0 1564002-Camobi 6894 5728 14300 74300 0 886003-Centro 9754 4067 24900 16500 9700 511004-Carolina 794 688 9600 4000 900 145005-Medianeira 908 691 10300 6150 0 164506-Itararé 1095 895 7800 3800 2000 136007- F. Ilha 1438 1201 8600 6750 0 15350Total 80118 52404 273900 425000 66500 765400
Tabela 1 : Demonstrativo dos setores de operação com modelação por VRPs.
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Figura 1 – Demonstrativo das áreas de influência dos setores com controle de pressão
METODOLOGIA
A aplicação de uma metodologia adequada para definir as diversas fases para a implantação doprojeto de redução de pressão e a definição clara dos resultados esperados tornou-se importanteferramenta para garantir o êxito do projeto . A seguir iremos demonstrar a descrição do métodoempregado que tinha como objetivo garantir o pleno funcionamento do sistema com as alteraçõespropostas.
SELEÇÃO DOS SETORES DE ABASTECIMENTO
O método adotado neste projeto para selecionar áreas de implantação de válvulas redutoras depressão obedeceram aos seguintes critérios prévios:
1- Analise dos relatórios das séries históricas dos rompimentos de redes de distribuição do sistemaidentificando e quantificando os setores mais críticos ocorridos no ano de 1997.
2- Identificação de setores com pressões dinâmicas excedentes e com capacidade de redução semprovocar o desabastecimento dos usuários nos pontos críticos. Estes setores foram identificados atravésde campanha de coleta de dados de pressão nos pontos considerados críticos usando registradoresgráficos de pressão em período contínuo de 48 horas. A pressão mínima de referencia usada para osconsumidores é de 10 m.c.a.
3- Seleção dos trechos da rede de distribuição que predominam tubulações de fibro-cimento e comprevisão de substituição das tubulações à curto e médio prazo.
4- Elaboração de diagnóstico técnico que tem como objetivo identificar o ponto de instalação dasVRPs e quantificar o potencial de redução de vazamentos e de perdas de água nos setoresprojetados. A metodologia adotada na elaboração deste diagnóstico obedeceu as seguintes etapas:
4.1- Escolha prévia do ponto de instalação da VRP que deve ser selecionado na rede principal emlocalização que permita uma influência mais ampla possível no setor de distribuição. Este ponto
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também servirá de estação de medição de vazão e pressão tanto para o diagnóstico como tambémpara o monitoramento após o inicio da operação.4.2- Avaliação e verificação da setorização da área garantindo a estanqueidade hidráulica através dofechamento de válvulas e do seccionamento da tubulação. Foram executados serviços e instalação deválvulas para garantir estanqueidade hidráulica e que todo o suprimento de água para o setor sejaatravés do ponto de localização da VRP.
4.3- Promoção de uma campanha de coleta de dados de vazão e pressão nos pontos de previsão deinstalação das VRPs e de pressão nos pontos críticos para identificar o potencial de redução depressão, de vazão noturna e de vazão média. O período de coleta de dados foi de 03 dias consecutivospara identificar um perfil de consumo e de pressão com relativa segurança. As pressões dos pontoscríticos foram monitoradas simultaneamente com as medidas de vazão x pressão do ponto da instalaçãoda VRP. (Entende-se por pontos críticos os mais distantes e os de altimetria mais elevada).
4.4- A interpretação dos dados coletados levou em consideração a influência da sazonalidade paraevitar erros no dimensionamento das VRPs provocado por crescimento das demandas nos períodos deverão.
Os sete setores de abastecimento que foram selecionados através da analise dos dados e pelainterpretação dos registros de vazão e pressão referidos acima foram considerados pelo potencial previstode redução de rompimentos e de perdas de água.
DIMENSIONAMENTO DAS VÁLVULAS REDUTORAS DE PRESSÃO
O método de dimensionamento do diâmetro e da escolha da forma de modulação das VRPs que foraminstaladas nos setores selecionados exigiram um conjunto de informações do sistema de abastecimentoconforme listados a seguir:
⇒ Pressões máxima e mínima de montante da VRP;⇒ Pressão projetada de jusante da VRP para operar com sustentação mínima de 10 m.c.a. no pontocrítico;⇒ Vazão máxima horária;⇒ Vazão mínima horária;⇒ Velocidades mínimas e máximas na VRP de 1,2 m/s e 7,5 m/s respectivamente para operar comsegurança operacional;
O dimensionamento do diâmetro e da quantidade de VRP selecionada atendeu as condições extremas demáxima vazão horária, de mínima vazão horária e a modulação por tempo foi adotada nos setores emque ocorreram variações significativas de pressão e de vazão possibilitando a implantação em doisperíodos. As válvulas redutoras de pressão projetadas estão demonstradas a seguir:
Setor Válvula – diâmetro Tubulação –diâmetro Forma de Modelação1-Oeste 250 mm 400 mm Temporal2-Camobi 250 mm
200 mm250 mm200 mm
TemporalTemporal
3-Centro 250 mm 300 mm Temporal4-Carolina 150 mm 200 mm Temporal5-Medianeira 150 mm 200 mm Temporal6-Itararé 150 mm
75 mm150 mm100 mm
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7-F. Ilha 100 mm75 mm
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TotalTabela 2- Demonstrativo da distribuição das VRPs nos setores de distribuição
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INSTALAÇÃO
A instalação das VRPs na rede de distribuição exigem a adoção de procedimentos que tenham comoobjetivo a proteção do equipamento e a boa condição de efetuar manutenção e testes operacionaiscom rapidez e eficiência. Os principais procedimentos adotados foram os seguintes:
⇒ Execução das caixas de proteção com dispositivo de drenagem para manter o ambiente seco eespaço suficiente para executar serviços de manutenção.
⇒ Instalação da VRP diretamente na rede de distribuição constando de filtro de proteção e de doisregistros gaveta instalados à montante e jusante da instalação para permitir paradas rápidas paramanutenção.
Figura 2 – Detalhes da instalação padrão da VRP.
OPERAÇÃO
A etapa do ajuste da operação iniciada após a instalação da válvula obedeceu aos seguintesprocedimentos conforme metodologia descrita a seguir:
⇒ Efetuar medições de vazão e pressão com a Válvula aberta pelo período de 48 horas consecutivasgerando perfis de vazão e pressão junto à VRP e de pressão nos pontos críticos.
⇒ Regulagem da VRP para os padrões estabelecidos pelo projeto e em conformidade com osdados coletados com a válvula aberta buscando minimizar as pressões na rede sem causar problemasde abastecimento nos pontos críticos.
⇒ Medições de vazão e pressão à montante e jusante da válvula regulada bem como de pressão noponto crítico pelo período de 48 horas onde deve-se observar o ajuste alcançado no ponto crítico.
A operação adequada da rede de abastecimento nas áreas de influência da redução de pressãoexigiu que se implantasse um sistema de monitoramento periódico conforme descrito a seguir :
⇒ Medições periódicas e simultâneas de vazão e pressão nos pontos à montante e jusante das VRPs;
⇒ Revisões periódicas da pressão nos pontos críticos para monitoramento o funcionamento daválvula;
⇒ Acompanhamento permanente da incidência de rompimentos das tubulações pertencente às áreasde influencia com controle de pressão;
RESULTADOS
Os resultados consolidados até o presente momento demonstram o sucesso no procedimento adotadode redução de pressão da rede de distribuição pois atuando na causa que produz as perdas de águao resultado mais significativo é a manutenção dos padrões de operação no que se refere a vazão epressão minimizando o nível de vazão de vazamentos e do índice de rompimentos. Os resultadosalcançados que iremos demonstrar com a implantação deste projeto nestes sete setores foram bastante
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significativos para a melhoria das atividades da manutenção, qualidade do atendimento e dodesempenho operacional no que se refere a redução de perdas físicas de água.
MANUTENÇÃO DE REDE DE DISTRIBUIÇÃO
Na atividade de manutenção a redução de rompimentos de tubulações resultaram em uma diminuiçãomuito significativa dos custos de manutenção e de volumes de perdas de água neste intervalo dedois anos de operação. A evolução da incidência de rompimentos de redes e de ramais que ocorreramapós a implantação do projeto de controle de pressão está demonstrada conforme segue:
Setor Numero De Rompimentos Índice De Redução1998 1999 2000 1999 2000
1-Oeste 212 173 104 18,4 50,92-Camobi 256 141 161 44,9 37,13-Centro 362 222 199 38,7 45,04-Carolina 32 15 19 53,1 40,65-Medianeira 41 14 19 65,8 53,66-Itararé 154 95 88 38,3 42,87- F. Ilha 175 83 77 52,6 56,0Total 1232 743 667 39,7 45,8
Tabela 3- Demonstração da evolução do índice de rompimentos
O método adotado foi de comparar os rompimentos de rede, nas áreas de influência das VRPs,considerando os períodos anteriores à instalação das VRP com os períodos posteriores a calibraçãodefinitiva. O período anterior adotado foi de Janeiro/98 – Junho/98 e os período posteriores dejaneiro/99 – junho/99 e janeiro/2000-Junho/2000. Os rompimentos considerados foram os de redes dedistribuição desde 60 mm até 500 mm e de ramais prediais permitindo concluir que a ocorrênciamédia de rompimentos entre 01/98 – 06/98 foi de 205,3 / mês e após a redução de pressão aincidência reduziu para 123,8 / mês em 1999 e de 111,2 /mês em 2000.
REDUÇÃO DE PERDAS DE ÁGUA
Os resultados demonstrados através dos dados produzidos pelo monitoramento da vazão nos setesetores de abastecimento com controle de pressão mostrou a redução do volume de água distribuídapara o sistema e associado a outros testes de perfil de pressão nos pontos críticos confirmando aregularidade do abastecimento nos permite afirmar que toda a redução do volume de águarepresentava perda física e desperdício refletindo diretamente na redução de custos operacionais demaneira especial em energia elétrica e produtos químicos.
A redução de vazão e pressão observada através da medição em registradores gráficos numaseqüência de testes simultâneos mostra os efeitos e a alteração do perfil de operação provocadopela modelação da pressão. As medições foram realizadas com o objetivo de monitorar o perfil devazão e pressão nestes sete setores comparando-se a situação anterior à implantação do projeto deredução de pressão em 1999, a situação imediatamente posterior a regulagem das VRP em 1999 e asituação atual em 2001.
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Setor Vazão Diária – L/S Vazão Noturna L/S1999-VrpLivre
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1999-VrpLivre
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2001-VrpRegulada
1-Oeste 132,7 99,6 108,9 53,1 35,7 27,92-Camobi 59,3 45,3 52,6 39,2 21,7 25,63-Centro 79,5 67,2 67,1 43,26 24,8 25,54-Carolina 10,7 7,6 9,84 6,34 3,24 4,295-Medianeira 9,7 8,0 8,3 3,6 2,4 1,96-Itararé 12,6 9,9 11,4 4,8 2,8 3,57-F. Ilha 16,6 11,6 12,9 5,9 4,4 3,8Total 321,10 249,20 271,04 156,20 95,04 92,49
Tabela 4 – Demonstrativo de vazões de operação nos setores com controle de pressão
Os perfis de vazão e pressão dos quatro principais setores são demonstradas conforme segue:
Figura 3 - Perfil de vazão do setor Oeste comparando três situações operacionais.
Figura 4 - Perfil de pressão do setor Oeste
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Figura 5 - Perfil de vazão do setor Camobi comparando três situações operacionais.
Figura 6 - Perfil de pressão do setor Camobi
Figura 7 - Perfil de vazão do setor Centro comparando três situações operacionais.
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Figura 8 - Perfil de pressão do setor Centro
Figura 9 - Perfil de vazão do setor Centro comparando três situações operacionais
Figura 10 - Perfil de pressão do setor Centro
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A interpretação dos dados de Vazão e Pressão obtidas através de medições realizadas nos setesetores nos mostram relevantes redução de vazão ocorridas no período e estão sintetizadas conformesegue abaixo:
A vazão total diária nos sete setores reduziu de 321,10 l/s para 249,20 l/s em 1999 e para 271,04l/s em 2001 proporcionando uma redução de vazão diária que representa queda de 28,8 % em 1999 e18,4 % em 2001 respectivamente proporcionando uma redução de perda de água média de 23,46l/s noperíodo de 1999 até 2001.
A vazão noturna (2 h – 4 h) reduziu de 156,20 l/s para 95,04 l/s em 1999 e para 92,49 l/s em 2001indicando uma melhora significativa no desempenho do consumo noturno refletindo na redução deperda física de água e que mantém-se constante até o presente momento.
BENEFÍCIOS FINANCEIROS
Os benefícios financeiros que foram gerados devido a diminuição dos rompimentos nos setores com reduçãode pressão permitiram uma redução nos custos de manutenção e de perdas de água no sistema e indicamque esta opção técnica constitui-se importante ferramenta de redução de custo operacional conformedescrito a seguir:
1 MELHORIA DA MANUTENÇÃO
A melhoria da performance da atividade de manutenção de redes do sistema de abastecimento ocorreudevido a redução da incidência de rompimentos de tubulações gerando uma diminuição nos custos que sãosignificativos em função do elevado valor dos materiais de consertos, mão de obra especializada e dosserviços de repavimentações e reaterro de valas.
A componente dos custos que iremos demonstrar refere-se a redução dos serviços de repavimentações e dereaterro de valas que tiveram grande impacto financeiro devido ao alto custo dos contratos de execuçãodestes serviços.
PERÍODO REPAV – P REGULAR – M2 REPAV-ASFALTO–M2 REATERRO - M3
M2/MÊS UNID M2/UN M2/MÊS UNID M2/UN M3/MÊS UNID M2/UN
1998 1475 179 8,38 465 76 6,11 1890 265 7,131999 745 115 6,47 311 56 5,55 1287 215 5,982000 864 123 7,02 277 49 5,65 1150 229 5,02
Tabela 5 – Demonstrativo de serviços operacionais – média anual
A observação dos dados constantes na tabela 5 nos indicam que a redução da atividade de execução derompimentos resultou na diminuição nos custos de repavimentações de ruas e reaterro de valas. Aredução da atividade de repavimentações em pedra irregular foi de 49% em 1999 e de 41,4% em 2000;repavimentação asfáltica em 33,0 em 1999 e 40,0% em 2000; reaterro de valas foi de 31,9 % em 1999 ede 40,1 em 2000.
Cabe lembrar que a redução de necessidade de mão de obra especializada, melhoria na qualidade noatendimento, diminuição de custos em materiais são fatores importantes apesar de não terem sidoabordados e mensurado a sua melhoria de performance.
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2 REDUÇÃO DE PERDAS FÍSICAS DE ÁGUA
Nesta abordagem, iremos demonstrar os benefícios financeiros alcançados devido a redução das vazõesde operação e de maneira especial as reduções de perdas físicas de água provocada pela redução econtrole da pressão.A redução de vazão que foi demonstrada nos sete setores de influência de operação das VRPsproporcionaram o benefício da diminuição direta nos custos de energia elétrica e de produtos químicosconforme demonstrados a seguir:
Setor Consumo Energia Elétrica Kwh1999 2000 Média
1-Oeste 156576 112584 1345802-Camobi 58184 57711 579473-Centro 66226 31694 489604-Carolina 14664 4257 94615-Medianeira 23652 17502 205776-Itararé 12772 5676 92247- F. Ilha 8042 6623 7332Total 340116 236047 288081
Tabela 6 – Demonstrativo da redução de consumo anual de energia elétrica - KWH
Setor Sulfato Cloro Fluor Cal1999 2000 1999 2000 1999 2000 1999 2000
1-Oeste 21064 15146 2690 2680 1275 917 418 3002-Camobi 7827 7764 996 996 474 470 175 154
3-Centro 8909 4263 1134 1134 539 258 177 854-Carolina 3181 2354 251 251 119 35 39 115-Medianeira 1081 890 405 405 193 142 63 476-Itararé 1972 572 219 219 104 46 34 157- F. Ilha 1718 763 138 138 65 54 21 18Total 45757 31757 4822 4041 2769 1922 907 630
Tabela 7 – Demonstrativo da redução de Produtos Químicos - KG/ M3*1000/ANO
A metodologia adotada para identificar a redução dos consumos de energia elétrica e produtosquímicos na área de influência dos setores com controle de pressão foi de adotar as taxas médiasanuais praticadas pelo sistema de abastecimento ocorridas nos anos de 1999 e 2000 e multiplicadaspelo volume estimado de redução de vazão divulgados na tabela 4.
Os benefícios relatados acima referem-se a redução de custos diretos e de fácil mensuração, porém, háum benefício adicional muito importante que é o aumento da vida útil das redes de distribuiçãoresultando em diminuição das necessidades de substituição reduzindo a necessidade de custos deinvestimentos nesta atividade.
CONCLUSÕES
O acompanhamento do desenvolvimento deste projeto tem demonstrado que é importante adotarmedidas que atuem na causa que produz perdas de água através de rompimentos de tubulação. Osresultados mostrados neste trabalho permitem garantir que a redução de pressão nas redes é umaação importante para melhorar o desempenho operacional.
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A implantação um programa que tem como objetivo melhorar a qualidade dos serviços prestados àcomunidade e de operar com eficiência operacional deve contemplar um conjunto de ações queadotadas em conjunto convergem para um resultado almejado e neste contexto a redução de pressãoé ação fundamental para o sucesso destes objetivos .É necessário entender que o controle de pressão é uma das atividades no combate às perdas físicas quedevem ser implantada em conjunto com outras ações para que o resultado seja sustentado ao longodo tempo.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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Sanitária Ambiental, Porto Seguro, 20003. LAMBERT, A. Managing Leakage–REPORT E–Interpreting measured night flows. Water Research
Centre / Water Services Association / Water Companies Association, 1994.4. LAMBERT, A.; MYERS, S.; TROW, S. Managing Water Leakage . Financial Times Business
Limited , London , 1998.