modernizaÇÃo e otimizaÇÃo de sistema de...
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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)
dataconstrução
prof. total(m) prof. NE (m)
câmara bombeamentoprof. 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: PAMTQ××
=8,9η
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/m 3 ) nº do poço nome
vazão média (m 3 /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.