Definição de linha base otimizada aplicada a diagnósticos hidroenergéticos de sistemas de bombeamento de água com velocidade rotacional constante

Abstract

Com a evolução, a sociedade transformou a energia elétrica em um recurso vital, tornando o setor energético em um fator importante de crescimento e um elemento fundamental para o desenvolvimento sustentável. No saneamento, estações de bombeamento são amplamente utilizadas em sistemas de abastecimento de água e a alimentação das suas bombas e motores representa cerca de 90% da energia consumida por este setor no Brasil. Estudos que visem nortear a adequação destes sistemas às condições e rotinas operacionais que conduzam a uma maior eficiência energética devem ser encarados com prioridade. Neste contexto, construiu-se uma metodologia para análise geral da eficiência e definição de uma Linha Base Otimizada para utilização em diagnósticos hidroenergéticos de bombeamentos com velocidade rotacional constante, baseada na aplicação dos conceitos de energia mínima e operação em máximo rendimento. Nesta pesquisa, foi desenvolvido modelo de simulação para representar o custo global associado às 255 soluções compostas pelas combinações das variáveis de decisão adotadas: número de bombas operativas associadas; volume útil do reservatório superior; e, coeficiente α (alfa), que determina o espaço de busca das vazões de bombeamento candidatas. Para a otimização das variáveis, adotou-se como função objetivo o custo global (operação e implantação) e, para minimizá-lo, empregou-se um algoritmo mono objetivo de busca exaustiva. Aplicou-se a metodologia a dois estudos de caso, cujas características e informações de input no modelo foram obtidas a partir de medições e monitoramento em sistemas reais, denominados Norte e Nordeste. A partir dos resultados, foi possível conhecer o perfil energético dos sistemas, além de indicar a solução ótima e, consequentemente, as condições operacionais, que resultaram em uma redução no consumo de energia de 31,9% e 62,9% e economia de custo de 32,3% e 72,8%, para os sistemas Norte e Nordeste, respectivamente. A metodologia e o algoritmo desenvolvidos se mostraram úteis para identificar as intervenções necessárias em favor da eficiência energética, permitindo avaliar o benefício da otimização dos sistemas em relação à operação corrente através da análise de indicadores.

Over the course of its evolution, society has transformed electricity into a vital resource, making the energy sector an important factor for economic growth and a fundamental element for sustainable development. In sanitation, pumping stations are a widely used in water supply systems and the power to their pumps and motors represents around 90% of the energy consumed by this sector in Brazil. Studies that aim to guide the adequacy of these systems to operating conditions and routines that lead to greater energy efficiency must be considered as a priority. In this context, a methodology was built for the general analysis of efficiency and definition of an Optimized Baseline for use in hydro-energy diagnostics of pumping systems with constant rotational speed, based on the application of the minimum energy concepts and operation at maximum efficiency. In this research, a simulation model was developed to represent the global cost associated with the 255 solutions composed by the adopted decision variables combinations: number of operating pumps; useful volume of the upper reservoir; and, coefficient α (alpha), which determines the search space of the candidate pumping flows. For the variables’ optimization, the global cost (operation and implementation) was adopted as the objective function and, to minimize it, an exhaustive search algorithm was used. The methodology was applied to two case studies, whose characteristics and model input information were obtained from real systems measurements and monitoring, called North and Northeast. From the results, it was possible to know the systems energy profile, in addition to indicating the optimal solution and, consequently, the operating conditions, that resulted in energy reduction of 31.9% and 62.9% and cost savings of 32.3% and 72.8% for the North and Northeast systems, respectively. The developed methodology and algorithm proved to be useful to identify the necessary interventions in favor of energy efficiency, allowing to evaluate the benefit of the systems optimization in relation to the current operation through the indicator analysis.