Parte III: Controlo de perdas de água - Autenticação 12... · medição zonada Gestão de ......
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Gestão Avançada de SistemasGestão Avançada de Sistemasde Abastecimento de Águade Abastecimento de Água
1
Tema 5 - Gestão da eficiência dos sistemas
Parte III: Controlo de perdas de água
Dídia [email protected]
[email protected])IST, 16 de Junho de 2008
Gestão Avançada de Sistemas de Abastecimento de Água
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Conteúdo
Vias para a abordagem do problema
Nível económico de perdas
Exemplos de metodologias para o controlo de perdas reais
Simulação matemática de perdas reais
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Gestão Avançada de Sistemas de Abastecimento de Água
Controlo de perdas reaisAbordagem do problema (Guia nº3 do IRAR)
Avaliação da dimensão do problema
Definição de uma estratégia de controlo de perdas
Implementação de sistema de medição zonada
Gestão de pressões
Localização
Reparação
Avaliação de resultados
Gestão Avançada de Sistemas de Abastecimento de Água
Controlo de perdas reaisAbordagem do problema
Avaliação da dimensão do problema
Definição de uma estratégia de controlo de perdas
Implementação de sistema de medição zonada
Gestão de pressões
Localização
Reparação
Avaliação de resultados
Cálculo do balanço hídrico
Cálculo de indicadores de desempenho relativos a perdas e a água não facturada
Levantamento de: Contexto externo global
(reguladores, políticos) Contexto externo dos
intervenientes directos Contexto interno (recursos
disponíveis)
Avaliação: Se vale a pena definir estratégia
de controlo activo de perdas ou, definir uma estratégia de
manutenção do sistema (controlo passivo)
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Gestão Avançada de Sistemas de Abastecimento de Água
Controlo de perdas reaisAbordagem do problema
Avaliação da dimensão do problema
Definição de uma estratégia de controlo de perdas
Implementação de sistema de medição zonada
Gestão de pressões
Localização
Reparação
Avaliação de resultados
Caso se opte por controlo activo
Caracterização do sistema
Definição de objectivos
Cálculo do custo de produção da água e do nível de perdas
Identificação de métodos de controlo activo de perdas e respectivos custos
Cálculo do nível económico de perdas
Gestão Avançada de Sistemas de Abastecimento de Água
Controlo de perdas reaisAbordagem do problema
Avaliação da dimensão do problema
Definição de uma estratégia de controlo de perdas
Implementação de sistema de medição zonada
Gestão de pressões
Localização
Reparação
Avaliação de resultados
Planeamento preliminar Simulação do funcionamento Estabelecimento de ZMC Levantamento das condições
locais Selecção de pontos medição Selecção de equipamentos de
medição e dataloggers Realização de obras e
instalação de medidores Verificação
Captação e tratamento
Medidor da água tratada
Condutas principais
Medidor à entrada da rede de distribuição
abastecimento
Medidor à entrada de uma zona com 1000-3000
contadores
Medidor à entrada de uma
zona com 500 contadores
rio AduçãoCondutas principais
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Gestão Avançada de Sistemas de Abastecimento de Água
Controlo de perdas reaisAbordagem do problema
Avaliação da dimensão do problema
Definição de uma estratégia de controlo de perdas
Implementação de sistema de medição zonada
Gestão de pressões
Localização
Reparação
Avaliação de resultados
Avaliação níveis actuais de pressão, perdas e roturas
Identificação alternativas possíveis para controlo de pressões (geral e sectorial)
Avaliação das alternativas e selecção dos esquemas a implementar
Dimensionamento detalhado dos esquemas e definição do programa de implementação
Implementação e estabelecimento dos programas de operação e manutenção
Gestão Avançada de Sistemas de Abastecimento de Água
Controlo de perdas reaisAbordagem do problema
Avaliação da dimensão do problema
Definição de uma estratégia de controlo de perdas
Implementação de sistema de medição zonada
Gestão de pressões
Localização
Reparação
Avaliação de resultados
Localização Localização Aproximada
• Sub-zonamento: consiste na divisão temporária da ZMC em zonas mais restritas
• Step-testing: fechamento progressivo de válvulas de, caminhando no sentido de um medidor de caudal existente
Localização exacta• Equipamento acústico
Reparação Reparação pontual Reabilitação de:
• várias condutas• sector • sistema em geral
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Gestão Avançada de Sistemas de Abastecimento de Água
Controlo de perdas reaisAbordagem do problema
Avaliação da dimensão do problema
Definição de uma estratégia de controlo de perdas
Implementação de sistema de medição zonada
Gestão de pressões
Localização
Reparação
Avaliação de resultados
Para o novo cenário (após implementação de controlo activo) Monitorização
Cálculo de balanços hídricos
Cálculo de indicadores de desempenho
Avaliação Comparação com o
cenário inicial Concluir quanto a
eficácia da estratégia Revisão
Eventualmente, rever a estratégia (retomando aos passos iniciais)
Gestão Avançada de Sistemas de Abastecimento de Água
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Vias para a abordagem do problema
Nível económico de perdas
Exemplos de metodologias para o controlo de perdas reais
Simulação matemática de perdas reais
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Gestão Avançada de Sistemas de Abastecimento de Água
Nível económico de perdas
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Nível económico de perdas (NEP) corresponde à situação em que o custo de redução de
perdas em uma unidade de volume é igual ao custo de produção dessa unidade de volume de água
Ou seja, o custo marginal do controlo activo de perdas equilibra o custo marginal da água perdida
Custo marginal
Corresponde à variação de custo total decorrente da variação da quantidade produzida em uma unidade
Matematicamente, a função de custo marginal (Cm) é expressa como a derivadada função de custo total (Ctotal) sobre a quantidade total produzida (Q)
Num gráfico, a curva que represente a evolução do custo marginal é de uma parábola concava. O ponto mínimo de curva corresponde à quantidade que deve ser produzidos para que os custos sejam mínimos.
dQdC
dQdC
dQdCC perdas_controloproduçãototal
m
Gestão Avançada de Sistemas de Abastecimento de Água
Nível económico de perdas (reais)
12(ELL – Economic Level of Leakage)
)m1(C
)m1(C
3perdas_redução
3produção
NEP: quando as derivadas das duas curvas se igualam (em módulo)
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Gestão Avançada de Sistemas de Abastecimento de Água
Nível económico de perdas (reais)
13(ELL – Economic Level of Leakage)
A operação de um sistema de distribuição de água no nível económico resulta na mais baixa combinação possível entre o custo das acções de controlo de perdas e o preço da água perdida (ponto mínimo)
Gestão Avançada de Sistemas de Abastecimento de Água
Nível económico de perdas
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Conceito aplica-se tanto às perdas reais como às aparentes
Para ter nível económico de perdas é necessário estar-se simultaneamente perante o nível económico de perdas reais (NEPr) e o de perdas aparentes (NEPa) uma vez que estas perdas têm origens diferentes e os
procedimentos para as minimizar também diferentes e independentes
Em termos técnicos, o controlo de perdas reais é mais complexo que o das perdas aparentes. No caso das perdas aparentes, a estratégia assenta na análise
do balanço custo / benefício entre o investimento necessário para as reduzir e os benefícios financeiros daí decorrentes.
No caso das perdas reais, há quen definir toda uma estratégia de controlo bastante mais complexa (ver Guia nº3 do IRAR)
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Gestão Avançada de Sistemas de Abastecimento de ÁguaEstratégia de controlo de perdas reais
Avaliação da dimensão do problema
Definição de uma estratégia de controlo de perdas
Implementação de sistema de medição zonada
Gestão de pressões
Localização
Reparação
Avaliação de resultados
Caracterização do sistema Definição de objectivos estratégicos Cálculo do custo de produção da água
e do nível actual de perdas Identificação de métodos de controlo
activo de perdas (actualmente utilizados e alternativos) e seus custos
Cálculo do nível económico de perdas para o método de controlo de perdas praticado
Análise da possibilidade de proceder a campanhas de redução de pressões
Revisão das alternativas disponíveis em termos de métodos de controlo e identificação da opção que eventualmente seja preferível à actual
Implementação da opção escolhida; Avaliação do desempenho da
metodologia.
Gestão Avançada de Sistemas de Abastecimento de Água
Perdas reais correntes, com potencial de recuperação e inevitáveis
Existem as perdas reais correntes correspondentes às existentes num sistema
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Perdas reais inevitáveis
Perdas reais potencial-mente recuperáveis
Perdas reais potencialmente recuperáveis =a diferença entre as Perdas Reais Correntes Médias (PRCM) e as Perdas Reais Inevitáveis Médias (PRIM)
Perdas reais inevitáveis = perdas de água reais que não conseguem ser eliminadas totalmente dos sistemas de abastecimento de água
Perdas reais correntes
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Gestão Avançada de Sistemas de Abastecimento de Água
Perdas reais inevitáveis
Perdas reais potencial-mente recuperáveis
Perdas reais correntes
Nível económico de perdas reais
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NEPr NEPr situa-se entre o volume de perdas reais correntes e volume de perdas reais inevitáveis, não sendo económico operar os sistemas com perdas ao nível das inevitáveis
Não existe um valor de referência para o NEPr, dependendo de: zona em questão custo da mão-de-obra custo de produção da água Pressão idade e estado de conservação das infra-estruturas tipologia das roturas método(s) utilizado(s) para controlo de fugas
Gestão Avançada de Sistemas de Abastecimento de Água
Perdas reais potencial-mente recuperáveis
Perdas reais correntes NEPr
Nível base de perdas (reais)
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Nível base de perdas reais (NBPr)É um nível de referência que corresponde ao nível de perdas obtido após reparação de todas as roturas e avarias detectáveis em função da tecnologia e recursos que a entidade decida utilizar.
Perdas efectivamente recuperáveis na prática = à diferença entre o nível-base e o nível real de perdas (perdas reais correntes), ou seja, a poupança de água que seria possível efectuar por detecção, localização e reparação
NBPrPerdas reais inevitáveis
O nível-base não coincide habitualmente com o nível económico de perdas reais (NEPr), definido por critérios essencialmente técnico-económicos (NEPr pode ser mais elevado)
O nível-base é uma quantidade definida de modo empírico.
Depende de rede para rede, e poderá mesmo ser diferente de zona para zona dentro da mesma rede.
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Gestão Avançada de Sistemas de Abastecimento de Água
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Vias para a abordagem do problema
Nível económico de perdas
Exemplos de metodologias para o controlo de perdas reais
Simulação matemática de perdas reais
Gestão Avançada de Sistemas de Abastecimento de Água
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Metodologias para o controlo de perdas
Perdas Reais Reparações (Controlo Passivo) Política de Controlo Activo de Fugas Plano de reabilitação da rede Gestão de Pressões
Consumo Autorizado não Facturado Instalação de contadores em zonas de consumo autorizado não
facturado (rega de jardins, lavagem de ruas)
Perdas Aparentes Verificação periódica de ligações ilícitas Programas de substituição de medidores e contadores Telemetria Estimulação de auto-leituras
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Gestão Avançada de Sistemas de Abastecimento de Água
Metodologias para o controlo de perdas reais (de acordo com IWA e Guia n.3 IRAR)
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Gestão deinfra-
estruturas(reabilitação)
Perdas reais inevitáveis
Perdas reais potencial-mente recuperáveis
Controlo Activo(Campanhas de detecção de fugas)
Velocidade e modo de reparação
Gestão de
Pressões
Mais frequente
Redução da pressãoRápida e
eficiente
Planeada eestratégica
Perdas reais correntes
Nível Económico de Perdas Reais
Rep
araç
ão
Reabilitação
Gestão de pressões
Gestão Avançada de Sistemas de Abastecimento de Água
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Exemplos de aplicações
Metodologias para o controlo de perdas reais
Reparação
Controlo Activo de Fugas
Reabilitação da rede
Gestão da Pressão
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Gestão Avançada de Sistemas de Abastecimento de Água
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Controlo Activo de FugasSectorização da rede
Sectorização Consiste na divisão da rede de
distribuição em sectores de fronteiras conhecidas e bem delimitadas, onde se controlam rigorosamente todas as entradas e saídas de caudal. Zonas de Medição e Controlo
(ZMC) Cada zona poderá ter 500 a
5000 ramais.
Estabelecimento ZMC permanentes ou temporárias
Instalação de um sistema integrado de medição Contínuo ou temporário Medição de pressão e de caudal
Captação e tratamento
Medidor da água tratada
Condutas principais
Medidor à entrada da rede de distribuição
abastecimento
Medidor à entrada de uma zona com 1000-3000 contadores
Medidor à entrada de uma zona com
500 contadores
rio AduçãoCondutas principais
Gestão Avançada de Sistemas de Abastecimento de Água
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Controlo Activo de FugasRealização de campanhas de detecção e localização
Campanhas de detecção e localização Realizadas em cada ZMC com uma dada
periodicidade
Diferentes fases da campanha1ª fase (se ZMC temporária) Isolamento da ZMC
Instalação de medidores de caudal e pressão à entrada
Medições de caudal e pressão2ª fase Detecção, localização e reparação de
problemas de perdas de água 3ª fase Repetição das medições de caudal e pressão
Determinação do volume de perdas e do ganho obtido com a campanha
13
Gestão Avançada de Sistemas de Abastecimento de Água
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Controlo Activo de FugasMétodos de Localização aproximada
Sub-zonamentoconsiste na divisão temporária da ZMC em zonas mais restritas
Medidor de caudal da ZMC
Válvula fechada da ZMC
Válvula sequencialmente fechadadurante o teste
4º3º
2º
1º
Ponto de medição do “Step Testing”
V.F.
M.C.
V.F. ou M.C.
ZMCSubzona 1 Subzona 2
Step-testingfechamento progressivo de válvulas de, caminhando no sentido de um medidor de caudal existente
Gestão Avançada de Sistemas de Abastecimento de Água
Controlo Activo de FugasMétodos de localização exacta
Técnicas não acústicas Observação directa Inspecção por câmara de vídeo Tecnologia com sensores térmicos Fotografia de infravermelhos Injecção de gás Injecção de água com corantes
Técnicas acústicas Análise contínua de variância de sinal Sensores acústicos Equipamento de escuta Estetoscópio acústico Correlação acústica
Sahara
CCTV
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Gestão Avançada de Sistemas de Abastecimento de Água
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Controlo Activo de FugasMétodos de localização exacta:Técnicas acústicas
Instalação de detectores acústicos de fugasMedições dos Permalogs em 23/10/04
0
10
20
30
40
50
60
70
NF NF NF NF NF NF NF NF NF NF NF NF NF NF NF NF NF NF NF NF NF F F F F F F F F F F F F F F
Indicação de fuga (F) e não fuga (NF)
Ruíd
o (dB
)
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
Disp
ersã
o (dB
)
RuídoRuídoDispersãoDispersão
Equipamento acústico Correlação acústica
Existência de Fugas
Gestão Avançada de Sistemas de Abastecimento de Água
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Controlo Activo de FugasCampanha de Detecção de FugasAvaliação de perdas antes/após
ZMC 320ZMC 320
► Zona Norte
►► Zona SulZona Sul
Carnide
N. S. de Fátima
Campo Grande
Campolide Benfica
Lumiar
M3
M2
M1
Zona Sul
Zona Norte
CP
15
Gestão Avançada de Sistemas de Abastecimento de Água
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►► ZMC320 temporária ZMC320 temporária (isolada através do fechamento de 10 válvulas)
• 9.4 km de condutas
• 589 ramais
• Predominantemente residencial(6200 habitantes)
• 1 grande consumidor não residencial(Jardim Zoológico) – um terço do consumo facturado
3
456
78910
111213
14151617
18
1920
21
2223
24
25262728
293031
32
3334
3536
37
3839
40
4142
4344
45
4647
4849
50 51
52
535455
5657 58
59 60
61
62 636465 66
67
6869
70
71
7273
747576
777879
80
82
8384
85 8687
8889
90
91
92
9394
95
9697
98 99
100
101102103
104105
106
107108109
110111
112113114115
116117
118
119120121
122123
124125
126127
128
129
131132
133134
135
136137
138
139140141
142143
144
145
146
147148
149
150
151152
153
154
155
156
157158
159
160
161
(RNF)
81
Nó de Entradana ZMC
ZOOZOO
ZONAZONANORTENORTE
ZONA ZONA SULSUL
Controlo Activo de FugasCampanha de Detecção de FugasAvaliação de perdas antes/após
Gestão Avançada de Sistemas de Abastecimento de Água
30
Caudal Médio Nocturno Mínimo na ZMC 320
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
0 1 2 3 4 5 6 7
Tempo (h)
Cau
dal (
m3 /h
)
Caudal mínimo nocturno absoluto - CMNA (83.2 m³/h)Consumo facturado (21 m³/h)
Consumo autorizado não facturado (23.9 m³/h)
Perdas reais (58.1 m³/h)
Perdas aparentes (4 m³/h)
Caudal médio nocturno mínimo - CMNM (107 m³/h)
3
456
78
91 0
11
1 2131 4
151 6
1 7
1 8
1920
21
2 2
23
24
2 5
2 62 72 8
2 93 03 1
3 2
3 33 4
353 6
3 7
3 83 9
4 0
4 14 2
4 34 4
4 5
464 7
4 84 9
5 0 5 1
5 2
535 4
5 5
565 75 85 9 60
6 1
6 2 6 3 64
6 5 6 66 7
6 8
6 97 0
7 1
7 27 3
7 47 57 6
7 77 87 9
8081
8 2
83
8 4
85 8 687
8 88 9
90
9 1
9 2
9 3
9 49 5
9 6
9 7
9 8 9 9
10 0
1 01
1 0 21 0 3
10 410 5
1 06
1 0 710 8
1 0 911 0
1 1 111 21 1 3
1 141 15
11 6
1 17
11 8
11 9
1 2 01 211 22
1 2 3
12 41 2 5
12 61 27
1 28
1 2 9
1 3 01 311 3 2
1 3 3
1 341 35
1 361 3 7
13 8
1 39
1 401 41
1 42 1 4 3
1 4 4
1 4 5
1 4 6
1 4 71 48
1 49
1 5 0
1 5 1
1 5 2
1 5 3
1 54
1 55
15 6
15 715 8
15 9
16 0
1 6 1
1 (RN F)
0.81
0.45
0.34 0.36
0.35 0.
52
0.76
1.14
1.70
1.55
1.37
1.23 1.
32 1.39
1.27
1.15
0.91
0.93 1.
00 1.05
0.99
0.89 0.91
1.60
0.0
0.3
0.6
0.9
1.2
1.5
1.8
2.1
0 - 1
1 - 2
2 -
3
3 -
4
4 -
5
5 - 6
6 -
7
7 -
8
8 - 9
9 - 1
0
10 -
11
11 -
12
12 -
13
13 -
14
14 -
15
15 -
16
16 -
17
17 -
18
18 -
19
19 -
20
20 -
21
21 -
22
22 -
23
23 -
24
Intervalo de Tempo (h)
Coe
ficie
nte
de C
onsu
mo
(-)
Avaliação de perdas
► Abordagem Top-down• Balanço Hídrico Anual
metodologia proposta pela IWA
► Abordagem Bottom-up• Análise do caudal mínimo nocturno
metodologia Report F (WRC, 1994)
• Simulações hidráulicas dinâmicas do sistema (EPANET)
0306090
120150180210240270300
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
Tempo (h)
Cau
dal (
m3 /h
)
Água Entrada Sistema
Consumo Facturado
Perdas Aparentes + CANF
Perdas Reais
0306090
120150180210240270300
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
Tempo (h)
Cau
dal (
m3 /h
)
Água Entrada SistemaÁgua Entrada Sistema
Consumo FacturadoConsumo Facturado
Perdas Aparentes + CANFPerdas Aparentes + CANF
Perdas ReaisPerdas Reais
EPANET
Curvas diárias de consumoCurvas diárias de consumo
Controlo Activo de FugasCampanha de Detecção de FugasAvaliação de perdas antes/após
16
Gestão Avançada de Sistemas de Abastecimento de Água
31
Controlo Activo de FugasCampanha de Detecção de FugasAvaliação do ganho com a campanha
Comparação dos resultados da abordagem bottom-up – antes e depois das reparações
► Água Entrada no Sistema• Ganho da campanha e
sazonalidade (8 semanas)
► Consumo Facturado• Sazonalidade• Incertezas associadas ao
processo de facturação► Perdas Aparentes
• Sazonalidade (uso ilegal e erros de medição)
• Campanha (verificação de ligações ilegais)
► Perdas Reais• Campanha
(detecção localização e reparação de fugas)
• Pressões 15% superiores depois das reparações
- Variação linear p-Q- Redução 40%
Gestão Avançada de Sistemas de Abastecimento de Água
32
Exemplos de aplicações
Metodologias para o controlo de perdas reais
Reparação
Controlo Activo de Fugas
Reabilitação da rede
Gestão da Pressão
17
Gestão Avançada de Sistemas de Abastecimento de Água
33
Gestão da Pressão
O efeito da redução de pressão sobre as perdas reais
Qfinal caudal de perdas após redução da pressão (m3/s)Qinicial caudal de perdas antes da redução da pressão (m3/s)Pfinal pressão final após redução (m)Pinicial pressão inicial anterior à redução (m)n expoente (-)
n
inicial
final
inicial
final
pp
Gestão Avançada de Sistemas de Abastecimento de Água
34
Gestão da Pressão
O efeito da redução de pressão sobre as perdas reais
O expoente n varia com: o material da conduta o tipo de fugas
Pode ser determinado experimentalmente através: Isolamento de sectores e suspendendo o abastecimento aos
consumidores servidos Testes nocturnos em sectores, incluindo o consumo nocturno
os sector devem ser homogéneos em termos de materiais/idade); deve medir-se o caudal para diferentes valores de pressão estimativa de n para esse sector (se existir consumo nocturno este
deve ser deduzido ao caudal mínimo nocturno)
n
inicial
final
inicial
final
pp
18
Gestão Avançada de Sistemas de Abastecimento de Água
35
Gestão da Pressão
O efeito da redução de pressão sobre as perdas reais
n = 0.5
n = 1n = 1.15 n = 1.5
n = 2.5
0.00
0.10
0.20
0.30
0.40
0.50
0.60
0.70
0.80
0.90
1.00
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1Pfinal / Pinicial
Qfin
al /
Qin
icia
l
Valor de n Descrição
0,5*Fugas significativas, detectáveiscondutas de materiais metálicos (fugas em orifícios de área fixa)
1,0 Em caso de desconhecimento do material ou nível de perdas reais
1,5
Pequenas fugas, indetectáveis, em juntas e ligações (background leakage) independentemente do tipo de material
1,5Fugas significativas, detectáveiscondutas de materiais plásticos(fugas em orifícios de área variável)
Lambert (2001)
n= 0,5Lei de vazão dos pequenos orifícios
n=1,18Muito usado para redes reais (Alonso et al., 2000)
n
inicial
final
inicial
final
pp
Gestão Avançada de Sistemas de Abastecimento de Água
36
Gestão da Pressão
Benefícios da redução de pressões:
Redução do caudal de perdas reais• Reduz o caudal perdido (variação crescente com a pressão)• Reduz a frequência de ocorrência de fugas e roturas
Redução do consumo em dispositivos domiciliários • uso eficiente da água
Aumento do nível de serviço aos consumidores • com uma pressão mais estável ao longo do dia
Protecção do estado estrutural da rede• Redução do número de novas roturas
Redução as interrupções do abastecimento • Redução do número de novas roturas
19
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37
Gestão da Pressão
Potenciais problemas:
Se não forem devidamente dimensionados, instalados, operados e mantidos, a gestão da pressão pode causar problemas:
Perda de facturação
Enchimento deficiente dos reservatórios em período nocturno
Funcionamento deficiente das válvulas redutoras de pressão
Limitações em edifícios altos
Gestão Avançada de Sistemas de Abastecimento de Água
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Gestão da Pressão
Alternativas para a gestão de pressões
SectorizaçãoVálvulas redutoras de pressãoSobrepressorasReservatórios e instalações elevatórias
A decisão depende: Número de pontos de abastecimento ao sector Topografia Topologia do sistema
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Gestão Avançada de Sistemas de Abastecimento de Água
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Gestão da Pressão
Alternativas para a gestão de pressões
Sectorização Estabelecimento de zonas com pressão diferenciada
(Zonas de Gestão da Pressão, ZGP) com recurso a operação de válvulas
Limites das ZGP compatíveis com as ZMC (minimização do fecho de válvulas, tirando partido de fronteiras existentes)
Zonas homogéneas em termos das características hidráulicas, estado de conservação da rede e tipologia dos padrões de consumo
Gestão Avançada de Sistemas de Abastecimento de Água
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Gestão da Pressão
Alternativas para a gestão de pressões
Válvulas redutoras de pressão
Composição (duas componentes) Corpo da válvula Circuito(s) piloto de controlo
Muitas vezes a mesma válvula (corpo mecânico) é usada comdiferentes circuitos pilotos consoante a função pretendida
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Gestão da Pressão
Alternativas para a gestão de pressões
Válvulas redutoras de pressão Modo de funcionamento
1. Estado activo - sempre que a pressão a jusante for demasiado elevada é accionado o dispositivo de obturação da válvula, reduzindo o valor da pressão a jusante até ao HVRP (carga de definição da válvula redutora de pressão), caso contrário abre;
2. Estado passivo - se a pressão a montante for insuficiente e inferior à carga de definição da VRP, a válvula abre totalmente, mantendo a mesma pressão;
3. Válvula fechada – se a pressão a jusante for superior à pressão a montante, a válvula fecha totalmente funcionando como uma válvula de retenção
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Gestão da Pressão
Alternativas para a gestão de pressões
Válvulas redutoras de pressão Tipos de funcionamento pressão constante a jusante perda de carga constante pressão a jusante definida em função do tempo:
análoga à VRP com pressão constante a jusante, mas variando no tempo;
pressão a jusante definida em função do caudal
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Hji+1
Hmi+1
Hmi
L.E.
L.E.Hj
iH
H
VRP
L.E.
HVRP
Hmi
Hmi+1
VRPVRP
Hmi+1
Hji+1(ti+1)
Hmi
L.E.
Hmi+1
L.E. Hji(ti)
VRP
Hji+1(Qi+1)
Hmi
L.E.Hm
i+1L.E.
Hji(Qi))
VRP
Hji+2(Qi+2)
Hmi+2
L.E.
00:0 0 0 2:0 0 04 :00 06 :00 08: 00 1 0:0 0 1 2:00 14 :00 16: 00 18:0 0 2 0:0 0 22 :00 00 :00
Tempo (horas)
Pre
ssão
Pinf
Psup
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Instalação de válvula redutora de pressão com circuito de by-pass
Ramal de descarga
Válvula de secciona-
mento
Filtro
Junta de montagem
Válvula redutora
de pressãoVálvula
de secciona-
mento
Válvula de
secciona-mento
Gestão da Pressão
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Gestão da Pressão
Alternativas para a gestão de pressões
SobrepressorasReservatórios e instalações elevatórias permitem elevar a pressão localmente sem aumentar
noutros sectores da rede
para zonas da rede de distribuição em que se verifiquem pressões deficientes (e.g. durante picos de consumo)
devem ser usadas bombas de velocidade variável para esta finalidade - maior flexibilidade na gestão de pressões e na resposta às variações de consumo
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Gestão Avançada de Sistemas de Abastecimento de Água
45
Gestão da Pressão
Alternativas para a gestão de pressões
Reservatórios e instalações elevatórias potencial para controlo da pressão a um custo baixo
níveis operacionais dos reservatórios estabelecido para evitar extravasamentos
escolha de períodos de bombeamento que não impliquem um aumento significativo das pressões nas redes
controlo dos níveis nos reservatórios de modo a minimizar as pressões elevadas
Gestão Avançada de Sistemas de Abastecimento de Água
Gestão da PressãoEfeito a pressão na redução das perdasCaso de estudo
Zona A
Zona B
Objectivos Mostrar o efeito da pressão na redução de perdas através de um
caso de estudo Duas zonas altimétricas Zona A Cotas elevadas
45 -100m Abastecida por
torre de pressão (RNV1)
Zone B Cotas baixas
5 - 45 m Abastecida por
adutoraentre reservatório e umapequena câmara (RNV2)
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Gestão Avançada de Sistemas de Abastecimento de Água
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Gestão da PressãoEfeito a pressão na redução das perdasCaso de estudo
Simulações com um período de 24 horas EPANET Padrão de consumos
Objectivos Comparar o volumes de perdas em diferentes cenários alternativos
Cenários analisados sem válvula redutora de pressão (VRP) com três tipos de VRP
Perda de Carga Constante Pressão a Jusante Constante Pressão Variável no Tempo
0.61
1
0.60
1
0.46
6
0.37
8
0.40
9 0.52
4
0.57
9
1.04
0
1.44
1
1.51
4
1.75
0
1.58
6
1.27
3
1.29
2
1.34
0
1.16
2
1.35
3
1.08
9
1.09
5
1.03
9
1.05
1
0.97
8
0.77
3
0.65
4
0.00
0.50
1.00
1.50
2.00
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
Tempo (h)
Fact
or d
e C
onsu
mo
.
Gestão Avançada de Sistemas de Abastecimento de Água
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Gestão da PressãoEfeito a pressão na redução das perdasCaso de estudo
Isolinhas de pressão no sistema de distribuição
Sem VRP, 50% do sistema é abastecido com pressões superiores a 45 m
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Gestão Avançada de Sistemas de Abastecimento de Água
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Gestão da PressãoEfeito a pressão na redução das perdasCaso de estudo
As perdas de água
Perdas de Água do Sistema
0
5
10
15
20
25
30
35
40
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
Tempo (h)
Cau
dal (
l/s)
.
0
20
40
60
80
Caudal Total Caudal Consumido Perdas de Água Percentagem de Perdas
Perdas de Água do Sistema
0
5
10
15
20
25
30
35
40
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
Tempo (h)
0
15
30
45
60
% P
erda
s
Caudal Total Caudal Consumido Perdas de Água Percentagem de Perdas
Gestão Avançada de Sistemas de Abastecimento de Água
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Gestão da PressãoEfeito a pressão na redução das perdasCaso de estudo
Analisados três tipos de válvulas redutoras de pressão
Qualquer tipo de VRP reduz as perdas em cerca de 29%
VRP mais eficiente: com Perda de pressão variável no tempo
29.1%
20.9%
28.2%
21.7%
25.4%
20.7%
28.9%-30.0%
-20.0%
-10.0%
0.0%
10.0%
20.0%
30.0%
Sist
ema
Sem
VR
P
VRP
Car
gaJu
sant
eC
onst
ante
VRP
Perd
aC
arga
Con
stan
te
VRP
Perd
aC
arga
Variá
vel
Nível de Perdasde ÁguaVariaçãoRelativa
29 %
26
Gestão Avançada de Sistemas de Abastecimento de Água
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Vias para a abordagem do problema
Nível económico de perdas
Exemplos de metodologias para o controlo de perdas reais
Simulação matemática de perdas reais
Gestão Avançada de Sistemas de Abastecimento de Água
Simulação matemática de perdas reais
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Matematicamente, as fugas podem ser descritas pela lei de vazão dos orifícios (Alonso et al., 2000):
q : caudal através do orifício (l/s);C : coeficiente do orifício dependente da forma e dimensões do
orifício e das características do meio envolvente (l/s/mβ);p1 : pressão à entrada do orifício (m);p0 : pressão à saída do orifício (m), tipicamente assumida igual à
pressão atmosférica (em termos de pressões relativas é nula);β : expoente da pressão (-).
)pp(Cq 01 pCq p0 = patm = 0; p = p1
Vários investigadores modificaram esta equação, propondo diversos valores e fórmulas para C e β: Jowitt e Xu (1990), Vairavamoorthy e Lumbers (1998), Martinez et al. (1999) e Alonso et al. (2000).
27
Gestão Avançada de Sistemas de Abastecimento de Água
Simulação matemática de perdas reais
53
O simulador do modelo EPANET 2.0:
Dispõe de dispositivos emissores associados aos nós
Os emissores descrevem as fugas através de orifícios com descarga directa para atmosfera
Estes dispositivos são indicados para modelar consumos que dependam da pressão: sistemas com aspersores ou redes de rega
o caudal de combate a incêndio;
o caudal através de fugas em tubagens
Os coeficientes K e β devem ser convenientemente estimados.
Gestão Avançada de Sistemas de Abastecimento de Água
Simulação matemática de perdas reais
54
Os caudais de perdas em cada nó i para cada hora (Alonso et al., 2000; Rossman, 2000):
Qfi : caudal de fuga no nó i (l/s);
Kfi : coeficiente de fuga no nó i, específico de cada nó (l/s/m);
pi : pressão no nó i (m);
: expoente da pressão (igual para toda a rede).
ififi pKq
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Gestão Avançada de Sistemas de Abastecimento de Água
Simulação matemática de perdas reais
55
Mi
1j
jifi 2
LcK Nó i
Conduta j=1
Conduta j=3
Conduta j=2
O coeficiente de fuga associado a cada nó (Kfi) é determinado pelo produto do coeficiente fixo de fuga (c), igual para toda a rede, pela semi-soma do comprimento de todas as condutas ligadas ao referido nó (Araujo et al., 2004):
Kfi : coeficiente de fuga do nó i (l/s/m);
c : coeficiente de vazão fixo de fuga que depende das características do sistema de distribuição, por exemplo, idade e estado de conservação das condutas, e propriedades do solo; valor da ordem de 10-5 l/s/m/m
(Jowitt e Xu, 1990; Araujo et al., 2004a).
Mi : número de condutas ligadas ao nó i (-);
Lji : comprimento de cada conduta j ligada ao troço i (m).
Gestão Avançada de Sistemas de Abastecimento de Água
Simulação matemática de perdas reais
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Expoente da pressão (β) Lambert et al. (1998) e Thornton (2003) recomendam uma
relação linear (β = 1.0) para sistemas de distribuição de água relativamente grandes
National Water Council (1980) apresentou uma curva que relaciona um índice de fuga com a pressão média na zona
Germanopoulos (1985) aproximou uma função exponencial à referida curva empírica e propôs β = 1,18.
Desde então, este valor de β=1,18 tem sido adoptado por diversos autores: Jowitt e Xu (1990), Vaiaravamoortht e Lumbers (1998), Alonso et al. (2000) e Araujo et al. (2004a).
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Referências
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Alonso, J.M., Fernando, A., Guerrero, D., Hernández, V., Ruiz, P. A., Vidal, A. M., Martinez, F., Vercher, J., e Ulanicki, B. (2000). Parallel Computing in Water Network Analysisand Leakage Minimization. In Jounal of Water Resources Planning and Management, ASCE, July/August.
Araújo, L. S., Coelho, S. T., e Ramos, H. (2004). Estimativa de Fugas e Consumos nas Redes de Distribuição de Água em Função da Pressão. In XI Silubesa, Brasil 29 a 2 Abril.
Jowitt, P. W. e Xu, C. (1990). Optimal Valve Control in Water-Distribution Networks. In Journal of Water Resources Planning and Management, Vol. 116, Nº 4, Julho/Agosto, pp. 455-472, ISSN 0733-9496.
Germanopoulos, G. (1995). A technical note on the inclusion of pressure dependent demand and leakage terms in water supply network models. Civil Engineering Systems, Vol. 2, Setembro, pp. 171-179.
National Water Council Department of the Environment (1980) – Standing Technical Committee Report 26: Leakage Control Policy and Practice.
Rossman, L. A. (2000). EPANET 2.0 Users Manual. Water Supply and Water Resources Division, National Risk Management Research Laboratory, Cincinnati.
Vairavamoorthy, K. e Lumbers, J. (1998). Leakage Reduction in Water Distribution Systems: Optimal Valve Control. In Journal of Hydraulic Engineering, Vol. 124, Nº 11, pp. 1146-1154, ISSN 0733-9429.