Sociedade de Abastecimento de Água e Saneamento S/A
Diretoria Técnica – Gerência de Controle de Perdas e Sistemas
TÍTULO: UTILIZAÇÃO DE INVERSOR DE FREQUÊNCIA EM REDES COM
DISTRIBUIÇÃO EM MARCHA VISANDO A REDUÇÃO DO CONSUMO DE
ENERGIA ELÉTRICA
ESTUDO DE CASO – VIABILIDADE TÉCNICA E ECONÔMICA
AUTORES:
•
Claudio Luiz Tiozzi Rubio
Cargo Atual: Coordenador Macromedição e Pesquisas
Formação: Engenharia Mecânica
Área de Atuação: Controle de Perdas, Macromedição, Pesquisas de Vazamentos e
Válvulas de Controle
•
Ricardo Danieli Zanin
Cargo Atual: Coordenador Manutenção Elétrica
Formação: Engenharia Elétrica
Área de Atuação: Projetos e manutenção elétrica
PALAVRAS CHAVE:
-
INVERSOR DE FREQUÊNCIA
-
ECONOMIA ENERGIA ELETRICA;
-
BOMBEAMENTO;
-
AUTOMAÇÃO;
-
RECALQUE
Endereço para Correspondência:
Av. Dr. Jesuino Marcondes Machado 930 – Nova Campinas – Campinas \ SP
Cep 13 092 108
Fone/Fax: 019 3251 5569
[email protected]
_______________________
___________________________
Engº Claudio Luiz Tiozzi Rubio
Ricardo Danieli Zanin
CREA: 0682334523
CREA: 601152093
1
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1) Objetivo:
Estudo e implantação de inversores de freqüência em conjunto motobomba para
distribuição em marcha, variando as pressões e vazões de recalque de acordo com
a demanda do sistema, visando reduzir o consumo de energia elétrica.
2) Metodologia e/ou Desenvolvimento:
Local: Estação Elevatória de Água Tratada (EEAT) PULMÃO- LESTE
Descrição do sistema:
O Setor Leste possui 7181 ligações, 10.300 economias, com aproximadamente
36.000 habitantes, 171,0 Km de redes (Referência Fevereiro 2005) sendo 18,16 Km
de Ferro Fundido (10,63 %), 4,46 Km de Aço (2,61 %), 75,27 Km de Cimento
amianto (44,02%), 66,91 Km de PVC (39,13 %), 0,88 Km de Ferro galvanizado
(0,05%) e 6,08 Km de outros materiais (3,56%), sendo a rede principal em ferro
fundido DN 500 mm. FIGURA 1
Opera por gravidade e recalque, sendo a distribuição em marcha e abastece outro
Centro de Reservação e Distribuição.
Possui dois conjuntos moto bomba de 300 cv/224 kW trabalhando alternadamente.
A pressão de recalque requerida pelo sistema é variável durante todo o período de
funcionamento. A pressão de recalque é disponibilizada pela bomba, em quase todo
o período de operação, maior que a necessária.
A pressão de recalque requerida pelo sistema é ajustada manualmente através do
estrangulamento de uma válvula, localizada
próxima ao recalque da bomba, em
função da pressão de chegada no Centro de Reservação e Distribuição (CRD)
distante ~ 8 km, provocando grande perda de energia elétrica.
O sistema no período noturno, ~ 7 horas, trabalha por gravidade.
Metodologia:
1) Levantamento da curva do sistema - Histograma dos dados hidráulicos e
elétricos.
Registramos em intervalos de três minutos durante uma semana os parâmetros
hidráulicos e elétricos, determinando a curva do sistema e de operação. Gráfico 4
2) Levantamento da curva real do conjunto moto bomba.
2
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3) Análise da compatibilidade entre as curvas e verificação da diferença entre
potência disponibilizada e potência requerida pelo sistema.
Montamos com os dados de campo uma planilha indexada em ordem crescente de
vazão, onde calculamos a potência e a rotação utilizadas (necessárias) em função
da vazão requerida pelo sistema.
Método utilizado para cálculo:
Com a curva da bomba, conhecendo a pressão de recalque disponível, a pressão de
recalque necessária e a vazão requerida pelo sistema, para cada ponto registrado
no histograma, determinamos por método iterativo a potência necessária e a
respectiva rotação de trabalho.
Utilizamos a equação da linha de tendência da
planilha Excel para realizar as iterações. Comparamos para efeito de checagem do
método utilizado, a vazão calculada com a vazão requerida pelo sistema (medida),
onde seriam aceitos desvios de até 2%, fazendo quantas iterações fossem
necessárias para que os resultados obtidos ficassem dentro desta margem de erro
(tabela 2, gráficos 5 e 6).
Obs: Para iniciar a iteração determinamos a rotação inicial consideramos a relação:
Onde: N2 = Rotação simulada para o ponto 2; N1 = Rotação nominal; P1 = Pressão de
recalque disponível; P2 = Pressão de recalque requerida P1 = Pressão de recalque
disponível;
N 2 = N1* (
P2 0,5
)
P1
4) Analise dos dados e verificação de viabilidade do projeto devido à economia de
energia / redução de demanda de potência utilizando inversor de freqüência.
Integramos a potência consumida (KW) no período de tempo entre as amostragens,
obtendo a potência consumida (KWh), Simulamos então a potência a ser consumida
trabalhando com as rotações variáveis , somando-se os períodos operando por faixa
de rotações. Comparamos as potencias consumidas com rotação fixa (nominal) com
as com rotações variadas e determinamos assim a economia alcançada verificando
a viabilidade técnica e financeira da aplicação.
Realizamos uma campanha de medições dos mesmos parâmetros hidráulicos e
elétricos após a operacionalização do sistema trabalhando com o inversor de
freqüência e comparamos com os valores simulados (Gráfico 2).
3
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3) Resultados
H (mca)
Gráfico 1
SETOR LESTE - Comparativo Pressões em função da Rotação Nominal:
Disponivel X Requerida
80
75
70
65
60
55
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
550
600
650
700
750
800
850
900
950
1000 1050 1100 1150 1200 1250
VAZÃO (m3/h)
AMT100% (mca)
AMT95% (mca)
AMT90% (mca)
AMT85% (mca)
AMT50% (mca)
AMT80% (mca)
AMT70% (mca)
AMT75% (mca)
Pressão de Recalque Requerida(mca)
Pressão de Recalque Disponivel(mca)
Tabela 1
CÁLCULO DA ECONOMIA DE ENERGIA ELÉTRICA
Período de Avaliação de 26/11/2003 a 03/12/2004
Rotação Nominal
(%)
Gravidade
até 50%
de 50 a 60%
de 60 a 70%
de 70 a 80%
de 80 a 90%
TOTAL(KWh)
MEDIA/H(KWh/h)
MEDIA/dia(KWh/dia)
MEDIA/Mês(KWh/Mês)
ECOMOMIA/Mês(KWh)
ECOMOMIA/ano(MWh)
Rotação
(RPM)
890
1.068
1.246
1.424
1.602
Total 166 horas
Potência
Disponivel
(KWh)
0,00
1.274,00
2.500,00
9.177,20
5.423,50
973,44
Potência
Requerida
(KWh)
0,00
75,84
452,50
2.454,00
2.236,80
529,85
19348
117
2797
83920
5749
35
831
24935
Período
Período
Potência
de trabalho
(Horas)
47,90
8,85
16,05
56,75
30,85
5,50
de trabalho
(%)
28,86
5,33
9,67
34,19
18,58
3,31
Economizada
(%)
8,81
15,06
49,44
23,43
3,26
58.984
707,81
4
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Gráfico 2
SETOR LESTE
- Comparativo Potências BHP:
Calculada X Medida
Potência BHP (hp)
150
120
90
60
30
0
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
1100
3
Vazão (m /h)
BHP Calculada (Simulada)
BHP Realizada (medida)
Gráfico 3
Consumo Especifico de Energia (KWh/m3)
0,22
0,20
0,18
0,16
0,12
0,10
0,08
0,06
Início da operação com
inversor de freqüência
0,04
0,02
m
r/0
4
ai
/0
4
ju
n/
04
ju
l/ 0
4
ag
o/
04
se
t/0
4
ou
t/0
4
no
v/
04
de
z/
04
ja
n/
05
fe
v/
0
m 5
ar
/0
5
ab
r/0
5
m
ai
/0
5
ju
n/
05
ju
l/ 0
ag 5
o/
05
se
t/0
5
ou
t/0
5
no
v/
05
de
z/
05
0,00
ab
(KW h/m3)
0,14
5
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Conclusões:
Verificamos que a utilização de inversores de freqüência deve ser criteriosamente
avaliada antes de sua aplicação, principalmente quando da distribuição em marcha,
onde ocorrem grandes variações nas pressões de recalque e vazões. No caso em
análise observamos uma ótima relação de custo/beneficio considerando a redução
no consumo de energia elétrica, resultando em menores consumos específicos de
energia por m3 bombeado. (Gráfico 3).
Verificamos também que a economia gerada depende diretamente da demanda
requerida pelo sistema, isto é quanto mais próxima a curva do sistema com a da
bomba menor a economia devido o conjunto bomba trabalhar perto da rotação
nominal.
Neste caso o investimento será pago em menos de um ano, somente considerando
a economia de energia elétrica, não sendo computados a diminuição do custo com
mão de obra (automação) e redução do risco de rompimentos de redes devido a
operação manual.
FIGURA 1
Localização
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Gráfico 4
CURVA SISTEMA LESTE - DATA 26/11/2003 à 03/12/2004
90
300
80
250
200
60
50
150
40
100
30
50
POTÊNCIA (hp)
PRESSÃO (mca)
70
20
0
10
0
-50
sex sex sáb sáb dom dom seg seg
(KWh)
9
9
9
9
9
Corrente RMS
(HP)
241
240
241
240
240
Tensão RMS
(mca)
20
20
20
20
20
PF
(m3/h)
957,93
967,93
959,93
951,93
957,93
qua qua qui
kVAR
Pressão Chegada CRD Paranapanema
(mca)
31
31
31
31
31
ter
Pressão de Recalque Utilizada
BHP ROT TRAB
Vazão TAG 161
(mca)
51
52
52
52
53
BHP ROTAÇÃO TRABALHO
Pressão de Recalque Utilizada
26/11/03 11:03
26/11/03 11:06
26/11/03 11:09
26/11/03 11:12
26/11/03 11:15
Pressão Recalque. Disponível
Pressão Recalque. Disponível
BHP ROTAÇÃO TRABALHO
ter
kVA
qui
kW
qua qua qui
(kw)
179,45
179,29
179,80
178,93
179,25
195,88
195,74
196,06
195,24
195,73
78,52
78,55
78,19
78,13
78,60
0,92
0,92
0,92
0,92
0,92
(V)
424,84
426,01
421,76
420,94
421,58
(A)
266,51
265,59
268,71
268,11
268,36
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Gráfico 5
SETOR LESTE- Linha de tendência Altura manométrica em função da vazão
Rotação Nominal
70
65
H (mca)
60
55
50
45
40
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
550
600
650
700
750
800
850
900
950 1000 1050 1100 1150 1200 1250
VAZÃO (m3/h)
3
2
H = -8,35903E-09Q + 4,86574E-06Q - 1,54081E-02Q + 6,80588E+01
Gráfico 6
SETOR LESTE - Linha de tendência Potência BHP em função da vazão
Rotação Nominal
240
BHP(hp)
220
200
180
160
140
120
0
50
100
150
200
250
300
350
4
400
450
500
550
600 650 700
VAZÃO (m3/h)
3
750
800
850
900
950
1000 1050 1100 1150 1200 1250
2
BHP = 2,09219E-11Q - 1,56361E-07Q + 1,83237E-04Q + 4,70820E02Q + 1,40907E+02
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Tabela 2
Erro Vazão
(RPM)
1505
1519
1512
1505
1515
1512
1475
1501
1481
(HP)
130
133
132
130
133
132
123
129
124
(m3/h)
988,66
1014,03
1001,16
988,47
1007,10
1000,65
961,56
980,63
972,35
(%)
3,21
4,76
4,29
3,84
5,13
4,90
3,40
4,78
2,58
(RPM)
1493
1501
1496
1491
1496
1493
1463
1484
1471
Erro Vazão
(HP)
216,16
215,85
216,06
216,25
216,06
216,16
216,39
216,50
216,07
Vazão Ponto TRabalho comparativa
(mca)
44,04
43,61
43,90
44,19
43,91
44,05
44,42
44,63
43,91
(HP)
(m3/h)
128 965,27
129 979,55
128 969,93
127 960,45
128 969,78
128 964,98
120 937,06
125 945,66
122 953,89
(%)
0,77
1,20
1,04
0,90
1,24
1,16
0,77
1,04
0,63
BHP Necessaria Trabalho P3/P1
(m3/h)
1151
1162
1154
1147
1154
1150
1140
1135
1154
Rotação Necessaria Trabalho P3/P1
(%)
-1,68
-2,65
-2,32
-2,02
-2,82
-2,65
-1,74
-2,48
-1,35
Potencia Disponível Corrigida Ponto 3 NOMINAL
Vazão Estimada Ponto 3 Q+DeltaQ) NOMINAL
(HP)
(m3/h)
125 941,83
125 942,30
124 937,64
124 932,73
124 930,93
123 928,63
117 913,73
121 912,71
120 935,18
Pressão Recalque. Disponível Corrigida Ponto 3 NOMINAL
Erro Vazão
(RPM)
1482
1482
1480
1477
1476
1475
1451
1467
1462
Vazão Ponto TRabalho comparativa
(HP)
216,56
216,55
216,62
216,68
216,70
216,73
216,73
216,88
216,42
(HP)
215,63
214,94
215,31
215,64
215,14
215,32
215,90
215,83
215,64
Terceira iteração
BHP Necessaria Trabalho P3/P1
(mca)
44,74
44,73
44,87
45,02
45,07
45,14
45,13
45,62
44,48
Rotação Necessaria Trabalho P3/P1
Potencia Disponível Corrigida Ponto 3 NOMINAL
(m3/h)
1132
1132
1128
1124
1123
1121
1121
1107
1139
Pressão Recalque. Disponível Corrigida Ponto 3 NOMINAL
Vazão Estimada Ponto 3 Q+DeltaQ) NOMINAL
Segunda iteração
(mca)
43,34
42,59
42,97
43,35
42,79
42,98
43,68
43,58
43,35
Vazão Ponto TRabalho comparativa
(m3/h)
1169
1189
1179
1169
1183
1178
1160
1163
1169
BHP Necessaria Trabalho P3/P1
1388
1374
1374
1374
1361
1361
1339
1349
1365
Rotação Necessaria Trabalho P3/P1
(HP) (KWh)
241
9
240
9
241
9
240
9
240
9
241
9
239
9
240
9
240
9
Potencia Disponível Corrigida Ponto 3 NOMINAL
BHP ROT TRAB
BHP ROTAÇÃO TRABALHO
Vazão TAG 161
(mca) (m3/h)
31 957,93
31 967,93
31 959,93
31 951,93
31 957,93
31 953,93
30 929,93
31 935,93
30 947,93
Pressão Recalque. Disponível Corrigida Ponto 3 NOMINAL
(mca)
51
52
52
52
53
53
53
54
51
Vazão Estimada Ponto 3 Q+DeltaQ) NOMINAL
11:03
11:06
11:09
11:12
11:15
11:18
11:21
11:24
11:27
Primeira iteração
Rotação 1(Considerando P1 e P2) INICIAL
26/11/03
26/11/03
26/11/03
26/11/03
26/11/03
26/11/03
26/11/03
26/11/03
26/11/03
Pressão de Recalque Utilizada P2
Pressão Recalque. Disponível P1
Valores para Rotação Nominal
9
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Diretoria Técnica – Gerência de Controle de Perdas e Sistemas
BIBLIOGRAFIA
Armintor,j. K., Connors,D.P., Acionamento de velocidade variável em aplicações de
bombeamento nas industrias petroquímicas, Reliance Electric. CO, Janeiro 1987
Rockwell Automation, Allen-Bradley, Economia de energia com inversores de
freqüência,Outubro 1995
10