UNIVERSIDADE ANHEMBI MORUMBI
FILIPE FORCINITO PEREIRA
APLICAÇÃO DE VÁLVULAS REDUTORAS DE
PRESSÃO NA REDUÇÃO DE PERDAS REAIS
EM REDES DE DISTRIBUIÇÃO DE ÁGUA NA
UNIDADE DE NEGÓCIO LESTE – SABESP
SÃO PAULO
2009
ii
FILIPE FORCINITO PEREIRA
APLICAÇÃO DE VÁLVULAS REDUTORAS DE
PRESSÃO NA REDUÇÃO DE PERDAS REAIS
EM REDES DE DISTRIBUIÇÃO DE ÁGUA NA
UNIDADE DE NEGÓCIO LESTE – SABESP
Trabalho de Conclusão de Curso
apresentado como exigência parcial
para a obtenção do título de Graduação
do Curso de Engenharia Civil da
Universidade Anhembi Morumbi
Orientador: Prof. MSc. José Carlos de Melo Bernardino
SÃO PAULO
2009
iii
FILIPE FORCINITO PEREIRA
APLICAÇÃO DE VÁLVULAS REDUTORAS DE
PRESSÃO NA REDUÇÃO DE PERDAS REAIS
EM REDES DE DISTRIBUIÇÃO DE ÁGUA NA
UNIDADE DE NEGÓCIO LESTE – SABESP
Trabalho de Conclusão de Curso
apresentado como exigência parcial
para a obtenção do título de Graduação
do Curso de Engenharia Civil da
Universidade Anhembi Morumbi
Trabalho____________
em:
____
de_______________de 2009.
______________________________________________
Prof. MSc. José Carlos de Melo Bernardino
______________________________________________
Prof. MSc. Maurício Costa Cabral da Silva
Comentários:_________________________________________________________
___________________________________________________________________
___________________________________________________________________
___________________________________________________________________
___________________________________________________________________
iv
Aos meus pais Luiz e Rita, pelo amor e dedicação que sempre me
transmitiram e pelo exemplo incessante de força de vontade.
Ao meu irmão Rodolfo pelo companheirismo e alegria contagiantes,
que serviram de estimulo para seguir em frente.
v
AGRADECIMENTOS
Chegar a este momento é a vitória de uma batalha muito especial. Mas aqui cheguei
com a ajuda de muitos e nada mais justo do que agradecê-los.
Agradeço ao meu Orientador o Professor José Carlos de Melo Bernardino, pelo
incentivo, paciência e dedicação e ao Professor Wilson Shoji Iyomasa pelas
sugestões de melhoria ao trabalho.
Aos Colegas de trabalho da SABESP, Eng. Jairo Tardelli, Eng. Humberto De Luca,
Eng. Eliane Xavier, Eng. Nivaldo Rodrigues, Tecgº. Hilton Alexandre, Sheilla
Marques Guedes e Tecgº Marzeni Pereira da Silva, por compartilhar o
conhecimento, enriquecendo de maneira muito significativa o conteúdo aqui exposto.
Aos Amigos de Turma pelo apoio nos momentos difíceis, paciência nos momentos
necessários e pelos muitos momentos alegres, que com certeza estarão registrados
para sempre na minha memória.
Por fim gostaria de agradecer aos meus familiares e amigos, pelo apoio nessa difícil
trajetória e pela compreensão nas ausências inevitáveis.
vi
RESUMO
A redução de perdas reais em redes de distribuição é de extrema importância para a
saúde econômica e ambiental de uma companhia de saneamento básico, uma vez
que a água é um bem finito dotado de valor econômico e os conflitos entre seus
diversos usos são, a cada dia, mais numerosos. O parâmetro responsável por uma
parcela significativa dessas perdas é a pressão a que a rede está sujeita, já que, a
vazão dos vazamentos é diretamente proporcional a essa pressão. A aplicação de
Válvulas Redutoras de Pressão em redes de distribuição tem justamente o intuito de
reduzir a pressão a jusante da válvula para níveis operacionais satisfatórios,
reduzindo assim a vazão dos vazamentos que ocorrem na distribuição, além de
proporcionar a redução do número de ocorrência de vazamentos. O estudo de caso
apresentado nesse trabalho mostra a implantação de um conjunto de redutor de
pressão em uma unidade operacional da Companhia de Saneamento Básico do
Estado de São Paulo, desde a sua concepção até sua entrada em operação e
medindo a eficiência do método de controle.
Palavras Chave: Redes de distribuição de água, Perdas, Válvulas Redutoras de
Pressão.
vii
ABSTRACT
The reduction of real losses in distribution networks is extremely important for the
economic and environmental health of a company of basic sanitation, since the water
is a finite resource with economic value and the conflicts between their various uses
are, for each days, more numerous. The parameter responsible for a significant
portion of these losses is pressure to which the network is subject, since the flow of
leaks is directly proportional to this pressure. Applying Pressure-Reducing Valves in
distribution networks is precisely the aim of reducing the pressure downstream of the
valve for operating levels satisfactory, thus reducing the flow of leaks that occur in
distribution, in addition to providing the reduction of occurrence of leaks. The case
study presented in this paper, shows the implantation of a set of pressure reducer in
an operating unit of Companhia de Saneamento Basico do Estado de Sao Paulo
(SABESP), from conception to start-up, measuring the efficiency of the method of
control.
Keywords: networks of water distribution, losses, pressure reducing valve.
viii
LISTA DE FIGURAS
Figura 5.1
Sistema de abastecimento de água
Figura 5.2
Perdas em sistemas de abastecimento de água
Figura 5.3
Esquema geral do sistema de abastecimento de água
Figura 5.4
Exemplos de duração de vazamentos
Figura 5.5
Conceito do Fator Noite/ Dia – FDN < 24h/dia
Figura 5.6
Conceito do Fator Noite/ Dia – FDN > 24h/dia
Figura 5.7
Setorização em sistemas de abastecimento
Figura 5.8
Componentes do controle de Perdas Reais
Figura 5.9
VRP Automática
Figura 5.10
Esquema de funcionamento de uma VRP de saída fixa
Figura 5.11
Esquema de funcionamento da VRP Modulada pela Vazão
Figura 5.12
Gráfico para verificação de cavitação nas VRPs
Figura 5.13
Instalação típica de uma VRP (Planta)
Figura 5.14
Instalação típica de uma VRP (perspectiva)
Figura 6.1
Setores de Abastecimento da ML
Figura 6.2
Distribuição das perdas na ML
Figura 6.3
Índice de perdas anualizado da ML 2008-2009
Figura 6.4
Evolução do número de VRPs na ML ao longo dos anos
Figura 6.5
VRP Singer 106-PG
Figura 6.6
Esquema de Instalação da VRP Antonio de Siqueira
Figura 6.7
Execução da Laje Superior da Caixa da VRP
Figura 6.8
Obra da VRP Antonio de Siqueira Concluída
Figura 6.9
Vazão e Pressão a jusante da VRP (antes e após a regulagem)
Figura 6.10
Pressão a montante da VRP (antes e após a regulagem)
Figura 6.11
Pressão no ponto crítico (antes e após a regulagem)
ix
Figura 6.12
Comparativo de vazões na saída de VRP no período de préoperação
Figura 6.13
Comparativo das curvas de vazão do dia típico
Figura 7.1
Esquema Comparativo da economia obtida
x
LISTA DE TABELAS
Tabela 5.1
Caracterização geral das perdas
Tabela 5.2
Principais Causas de Vazamentos
Tabela 5.3
Tabela para dimensionamento de VRPs
Tabela 6.1
Características dos setores da ML
Tabela 6.2
Zonas de Pressão e DPs x Setores de Abastecimento
Tabela 6.3
Extensão, diâmetro e materiais de redes primárias x Setor de
Abastecimento
Tabela 6.4
Extensão, diâmetro e materiais de redes secundárias x Setor de
Abastecimento
Tabela 6.5
Extensão x Idades das redes de distribuição secundárias x
Setor de Abastecimento
xi
LISTA DE QUADROS
Quadro 5.1
Matriz de Balanço Hídrico
Quadro 5.2
Lista de Materiais para o Conjunto Redutor DN 80 mm
Quadro 5.3
Quantidade de Caixas e Tampões em função do Diâmetro da
VRP
Quadro 6.1
Matriz de Balanço Hídrico da ML
Quadro 6.2
Pontos Monitorados
xii
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
ABENDE
Associação Brasileira de Ensaios Não Destrutivos
ABES
Associação Brasileira de Engenharia Sanitária
CLP
Controlador Lógico Programável
DMC
Distrito de Medição e Controle
DP
Distrito Pitométrico
IWA
International Water Association
M
Diretoria Metropolitana da SABESP
ML
Unidade de Negócio Leste da SABESP
PLANASA
Plano Nacional de Saneamento
SABESP
Companhia de Saneamento Básico do Estado de São Paulo
SAM
Sistema Adutor Metropolitano
UN
Unidade de Negócio
VD
Volume Disponibilizado
VRP
Válvula Redutora de Pressão
VU
Volume Utilizado
xiii
LISTA DE SÍMBOLOS
IP
Índice de perdas
Q
Vazão
P
Pressão
N1
Expoente que depende do material da relação pressão x vazão
dos vazamentos
K vx
Coeficiente de vazão
G
Densidade do líquido em relação a água
ΔP
Perda de carga admissível
xiv
SUMÁRIO
p.
1.
INTRODUÇÃO ..................................................................................................... 1
2.
OBJETIVOS ......................................................................................................... 3
2.1
Objetivo Geral ................................................................................................. 3
2.2
Objetivo Específico ........................................................................................ 3
3.
MÉTODO DE TRABALHO .................................................................................. 4
4
JUSTIFICATIVA .................................................................................................. 5
5
APLICAÇÃO DE VALVULAS REDUTORAS DE PRESSÃO NA REDUÇÃO DE
PERDAS REAIS EM REDES DE DISTRIBUIÇÃO DE ÁGUA.................................... 7
5.1
Sistemas de abastecimento de água ............................................................ 7
5.1.1
Histórico .................................................................................................... 7
5.1.2
Definições .................................................................................................. 7
5.2
Controle e Redução Perdas em sistemas de abastecimento de água ..... 11
5.2.1
Introdução às perdas em sistemas de abastecimento............................. 11
5.2.2
Tipos de perdas ....................................................................................... 12
5.2.3
Indicadores de perdas ............................................................................. 17
5.2.4
Perdas reais ............................................................................................ 19
5.2.5
Controle de Perdas Reais em redes de distribuição de água .................. 25
5.3
Válvulas Redutoras de Pressão .................................................................. 30
5.3.1
Princípio de Funcionamento .................................................................... 30
5.3.2
Tipos de VRPs......................................................................................... 31
5.3.3
Noção sobre o funcionamento dos CLPs utilizados em VRPs ................ 33
5.4
Aplicação de VRPs em redes de distribuição ............................................ 34
5.4.1
Dados necessários para a escolha da área de instalação de uma VRP . 34
5.4.2
Dimensionamento de VRPs .................................................................... 35
xv
5.4.3
Instalação e Infra-estrutura necessária ................................................... 37
5.4.4
Pré-operação ........................................................................................... 41
5.4.5
Operação regular..................................................................................... 43
5.4.6
Supervisão .............................................................................................. 44
5.4.7
Manutenção ............................................................................................. 45
6
IMPLANTAÇÃO DE VRPS NA UNIDADE DE NEGÓCIO LESTE - SABESP .. 46
6.1
Caracterização Operacional da Unidade de Negócio Leste ...................... 46
6.1.1
Breve Histórico da UN Leste ................................................................... 46
6.1.2
Características físicas, Infra-Estrutura e Perdas na ML .......................... 46
6.1.3
VRPs na Unidade de Negócio Leste ....................................................... 56
6.2
VRP Antonio de Siqueira ............................................................................. 57
6.2.1
Características Físicas e Estudos Preliminares da área da VRP ............ 57
6.2.2
Dimensionamento do conjunto da VRP ................................................... 59
6.2.3
Instalação da VRP ................................................................................... 60
6.2.4
Comissionamanto e Campanhas de Medição de Vazão e Pressão da
VRP............. .............................................................................................. 64
6.2.5
Resultados obtidos .................................................................................. 69
7
ANÁLISE DOS RESULTADOS ......................................................................... 71
8
CONCLUSÕES .................................................................................................. 74
9
RECOMENDAÇÕES.......................................................................................... 75
REFERÊNCIAS......................................................................................................... 76
ANEXO A .................................................................................................................... 1
1. INTRODUÇÃO
É inimaginável a vida humana sem água. O homem tem empreendido esforços
desde as civilizações mais remotas para ser suprido de forma satisfatória com este
bem tão precioso. Existem registros históricos de obras com este fim que datam de
6000 a.C.
Entretanto, os sistemas públicos de abastecimento de água passaram ter uma
evolução mais acentuada a partir da invenção e utilização dos tubos de ferro fundido
em grande escala. No Brasil a expansão dos sistemas de abastecimento se deu a
partir do século XIX onde várias cidades passaram a contar com o serviço. Hoje
aproximadamente 90 % da população urbana brasileira é atendida com o serviço de
abastecimento de água.
Mesmo com a evolução da tecnologia e dos materiais, as perdas de água em
sistemas de abastecimento de água sempre foram uma constante. Nos sistemas
brasileiros os volumes de perdas são bastante significativos. Na última década
esforços têm sido empregados no sentido de reduzir os volumes perdidos.
Focando a parte do sistema de abastecimento de água responsável por distribuir e
entregar água ao consumidor final, as redes de distribuição, um importante fator que
influencia de forma considerável o numero e vazão dos vazamentos (responsáveis
por uma parcela significativa das perdas) são as pressões a que a rede está
submetida, portanto, gerir as pressões nas redes de distribuição é fundamental para
um atendimento adequado aos consumidores e para redução de perdas reais.
Uma das ferramentas para ajustar as pressões da rede de distribuição a limites
adequados é a utilização de Válvulas Redutoras de Pressão (VRPs), que
basicamente, quando implantadas tem por função reduzir a pressão à jusante da
válvula, criando um sub-setor de controle perfeitamente definido onde é possível a
partir da cota piezométrica estabelecida na saída da válvula garantir o
abastecimento no sub-setor sem prejuízos aos pontos mais desfavoráveis e com
pressões adequadas do ponto de vista operacional.
2
A implantação de VRPs aliada a outras ações voltadas a redução de perdas reais,
como, por exemplo, as pesquisas de vazamentos, tem apresentado resultados
satisfatórios e reduzido o índice de perdas nas áreas de atuação das válvulas,
tornando essa solução bastante utilizada, cabendo neste estudo uma exposição
mais detalhada do tema, buscando demonstrar com dados operacionais a eficácia
deste método de controle de pressão para a redução de perdas reais nos sistemas
de abastecimento.
3
2. OBJETIVOS
Este estudo tem por objetivo caracterizar as perdas de água em sistemas públicos
de abastecimento, dando destaque às redes de distribuição, elencar suas principais
causas e conseqüências e demonstrar algumas das medidas aplicadas para
redução do índice de perdas reais no sistema.
2.1 Objetivo Geral
O objetivo geral deste estudo é demonstrar a importância do desenvolvimento
operacional dos sistemas de distribuição de água, no sentido de possibilitar a
redução de perdas reais, melhorando assim a eficiência operacional das prestadoras
de serviços de saneamento e contribuindo diretamente para a conservação dos
recursos hídricos, visto que, a água é cada vez mais reconhecida como um recurso
natural escasso.
2.2 Objetivo Específico
O objetivo específico deste trabalho é expor a aplicação de Válvulas Redutoras de
Pressão (VRPs) no gerenciamento das pressões nas redes de distribuição de água
dentro da área de atuação da Unidade de Negócio Leste da Companhia de
Saneamento Básico do Estado de São Paulo (SABESP), além do estudo da
influência desse método de controle, na redução das perdas reais dentro da área de
atuação das válvulas nos setores de abastecimento.
4
3. MÉTODO DE TRABALHO
O trabalho foi desenvolvido a partir de pesquisa e seleção de livros técnicos, artigos,
normas, trabalhos de consultoria e material desenvolvido na SABESP, relacionados
ao tema Redução de Perdas em sistemas abastecimento de água, métodos de
gerenciamento de pressões em redes de distribuição por meio da aplicação de
Válvulas Redutora de Pressão (VRPs).
Na continuação do trabalho foi realizada a organização da bibliografia selecionada,
leitura e análise dos artigos relacionados ao tema, com o objetivo de dar a
fundamentação teórica necessária à continuidade do estudo.
Para demonstrar a aplicação e a viabilidade do tema proposto, foi selecionada a
área de uma VRP na Unidade de Negócio Leste da SABESP e para a válvula
escolhida foram coletados dados operacionais de campo, necessários à avaliação
da aplicação da VRP no gerenciamento das pressões na área de atuação da mesma
e os ganhos obtidos com relação à redução de perdas reais.
O trabalho prático consistiu basicamente em acompanhar a instalação de uma VRP
medir de maneira sistemática as vazões que nela passaram antes e após sua
entrada em operação, acompanhar o ajuste das pressões à jusante da válvula para
que o ponto crítico de abastecimento não fosse prejudicado e posterior comparação
com os resultados esperados pelo projeto.
Após a etapa de levantamento de dados no campo, com subsídio da bibliografia
consultada, realizou-se a análise dos dados obtidos, a verificação da funcionalidade
da aplicação proposta, exposição dos resultados obtidos e considerações sobre o
trabalho realizado.
5
4 JUSTIFICATIVA
A crescente preocupação com a utilização de recursos naturais de maneira racional
para que as próximas gerações tenham a garantia de acesso a esses recursos,
conduz todas as esferas de nossa sociedade à reflexão. Quando o assunto é água
essa preocupação se potencializa, já que a água é elemento fundamental para
existência humana.
Os conflitos para obtenção desse recurso (água) e entre seus diversos usos são
cada vez mais freqüentes e numerosos. O abastecimento humano sendo uso
prioritário entre os demais deve ser garantido, e para isso a água deve ser utilizada
de maneira eficiente e responsável.
As empresas prestadoras de serviços de saneamento têm importante papel na
conservação da água, já que são as responsáveis por produzi-la e entregá-la em
quantidade suficiente e com qualidade ao consumidor final. Durante as etapas de
captação, tratamento, adução, reserva e distribuição ocorrem perdas de vários tipos
e em volumes significativos. A busca em reduzir esses volumes tem sido objetivo de
primeira relevância por parte das concessionárias, já que além do aspecto
importantíssimo de conservação dos recursos hídricos (redução de perdas reais), há
também o aspecto da eficiência operacional, sendo o índice de perdas de uma
empresa de saneamento um importante indicador dessa eficiência.
Seguindo nessa linha, ações têm sido desenvolvidas por concessionárias de
serviços de saneamento para combater as perdas em sistemas públicos de
abastecimento de água. Dando ênfase à área de distribuição, objeto deste estudo, a
literatura afirma que as pressões a que as redes estão submetidas é um dos
principais fatores que influenciam o número e a vazão de vazamentos, portanto, gerir
de forma eficiente às pressões na rede de distribuição é uma das ferramentas de
combate às perdas reais.
Considerando os argumentos acima expostos este estudo justifica-se por abordar de
forma sistemática o método de gerenciamento de pressões na rede de distribuição
6
através da aplicação de Válvulas Redutora de Pressão (VRPs), apresentando os
ganhos obtidos tanto no aspecto operacional quanto na redução das perdas reais e
conseqüente conservação de recursos hídricos.
7
5 APLICAÇÃO DE VALVULAS REDUTORAS DE PRESSÃO NA
REDUÇÃO DE PERDAS REAIS EM REDES DE DISTRIBUIÇÃO DE
ÁGUA.
5.1 Sistemas de abastecimento de água
5.1.1 Histórico
De acordo com Tsutiya (2004), desde que as pessoas passaram a dominar a
agricultura e a viver em cidades, surgiu a necessidade de dispor de água tanto para
irrigação quanto para atendimento das necessidades humanas, o que motivou a
construção das primeiras obras com essas finalidades. Registros históricos e ruínas
dessas obras são encontrados na região da antiga Mesopotâmia, Egito, Turquia, Ilha
de Creta na Grécia e em territórios dominados pelo Império Romano. No Brasil, a
primeira cidade a ser suprida por sistema de abastecimento de água foi o Rio de
Janeiro que em 1561 teve seu primeiro poço escavado por Estácio de Sá e em 1673
iniciaram-se as obras de adução de água para a cidade (TSUTIYA, 2004).
Nas ultimas décadas a implantação de sistemas de abastecimento de água no Brasil
teve imenso progresso muito em função do PLANASA – Plano Nacional do
Saneamento, levando o país a atingir níveis de atendimento de cerca de 90 % da
população urbana (TSUTIYA, 2004), o que se traduz em aproximadamente 28,9
milhões de ligações de água, conforme ABES (2003 apud TSUTIYA, 2004).
5.1.2 Definições
Sistemas abastecimento de água podem ser definidos como “o conjunto de obras
equipamentos e serviços destinados ao abastecimento de água potável a uma
comunidade para fins de consumo doméstico, serviços públicos, consumo industrial
e outros usos. Essa água fornecida pelo sistema deverá ser, em quantidade
suficiente e da melhor qualidade, do ponto de vista físico, químico e bacteriológico”
(NETTO, 1998).
8
Basicamente os sistemas de abastecimento de água são constituídos por Manancial,
Captação, Estações elevatórias, adutoras, Estação de tratamento de Água,
Reservatórios e Rede de Distribuição, definidos a seguir:
Figura 5.1 – Sistema de Abastecimento de Água
Fonte: NIIDA (2004 apud TSUTIYA, 2004).
5.1.2.1 Manancial
“É o corpo de água superficial ou subterrâneo, de onde é retirada a água para o
abastecimento” (TSUTIYA, 2004). O manancial subterrâneo pode ser entendido
como aquele cuja água seja retirada do subsolo, podendo aflorar à superfície ou ser
elevada artificialmente através de conjuntos motor-bomba, já os mananciais
superficiais são constituídos pelos córregos, rios, lagos, represas, etc., ou seja, são
os que possuem o espelho d’água na superfície terrestre. As águas desses
mananciais deverão atender requisitos mínimos no que diz respeito à qualidade das
mesmas no ponto de vista físico químico e bacteriológico, como também atender às
necessidades quantitativas (NETTO, 1998).
9
5.1.2.2 Captação
“Conjunto de estruturas e dispositivos, construídos ou montados junto ao manancial,
para retirada de água destinada ao sistema de abastecimento. As obras de captação
devem ser projetadas e construídas para funcionar em qualquer época do ano,
permitir a retirada de água para o sistema de abastecimento em quantidade
suficiente ao abastecimento e com a melhor qualidade possível e facilitar o acesso
para operação e manutenção” (TSUTIYA, 2004).
5.1.2.3 Adutoras
Tubulações e órgãos acessórios que se destinam a transportar a água entre as
unidades do sistema que anteriores à rede de distribuição. Não tem a finalidade de
distribuir a água aos consumidores, mas podem existir as derivações que são as sub
adutoras (TSUTIYA, 2004). Elas interligam a captação e tomada d’água à estação
de tratamento de água, e esta aos reservatórios. As adutoras e subadutoras podem
ser classificadas como de água bruta ou de água tratada, de acordo com a natureza
da água transportada e ainda classificadas quanto a energia utilizada para
transporte da água, podendo ser por gravidade (conduto livre ou conduto forçado),
por recalque ou ainda mistas pela combinação das duas anteriores (NETTO, 1998).
5.1.2.4 Estações Elevatórias
Segundo Tsutiya (2004), Estação Elevatória é “o conjunto de obras e equipamentos
destinados a recalcar a água para a unidade seguinte. Em sistemas de
abastecimento de água, geralmente há várias estações elevatórias, tanto para o
recalque de água bruta, quanto para recalque de água tratada. Também é comum a
estação elevatória do tipo “booster”, que se destina a aumentar a pressão e/ou
vazão em adutoras ou redes de distribuição de água”.
10
5.1.2.5 Estação de tratamento de água
Conjunto de unidades destinado a tratar a água de modo a adequar as suas
características aos padrões de potabilidade (TSUTIYA, 2004). Segundo Netto
(1998), o tratamento da água é efetuado para atender várias finalidades sendo
finalidades higiênicas a remoção de bactérias, eliminação ou redução de
substâncias tóxicas ou nocivas; redução do excesso de impurezas; redução de
teores
elevados
de
compostos
orgânicos,
algas,
protozoários
e
outros
microrganismos, como finalidades estéticas correção da cor, turbidez, odor e sabor e
como finalidades econômicas a redução da corrosividade, dureza, cor, turbidez,
ferro, manganês, odor e sabor.
5.1.2.6 Reservatórios de Distribuição
Segundo Netto (1998), reservatórios são os elementos dos sistemas de
abastecimento responsáveis por absorver as variações horárias de vazão garantindo
o fornecimento às redes de distribuição durante as horas de maior consumo, além
de ter a função de garantir os níveis necessários para que as pressões na rede se
mantenham. Os reservatórios podem ser classificados quanto sua configuração,
podendo ser enterrados, semi-enterrados, apoiados ou elevados, sendo também
classificados quanto sua posição em relação à rede, podendo ser de montante ou de
jusante.
5.1.2.6 Redes de Distribuição
A rede de distribuição é a parte do sistema formada por tubulações e órgãos
acessórios destinada a entregar a água ao consumidor final, para tanto deve dispor
de água em quantidade, qualidade e com pressão adequada (TSUTIYA, 2004).
As canalizações das redes de distribuição são classificadas em dois tipos, principais
e secundárias. As principais são as de maior diâmetro tendo como função alimentar
as tubulações secundárias, já as secundárias, de menor diâmetro, tem como
finalidade o atendimento direto aos pontos de consumo do sistema (NETTO, 1998).
11
Quanto à disposição das canalizações principais e o sentido de escoamento nas
canalizações secundárias, as redes de distribuição podem ser classificadas em três
tipos: ramificada, malhada, ou ainda, mistas. As redes ramificadas são assim
denominadas, por apresentarem uma tubulação tronco alimentada por um
reservatório ou estação elevatória que abastece diretamente as tubulações
secundárias sendo conhecido o sentido de escoamento da vazão em qualquer
trecho. Redes malhadas são aquelas onde as tubulações principais formam anéis ou
blocos, sendo possível abastecer qualquer ponto do sistema por mais de um
caminho o que confere à rede maior flexibilidade para manutenções, minimizando a
área afetada por interrupções de fornecimento de água. As redes mistas consistem
na associação de redes ramificadas com redes malhadas (TSUTIYA, 2004).
As pressões a que a rede de distribuição estará submetida são importante parâmetro
para projeto das mesmas. A NBR 12118 estabelece que a rede deve ser projetada
para que se tenha uma pressão estática máxima 500 kPa (50 mH2O) em função da
resistência das tubulações existentes e do controle de perdas, no limite inferior uma
pressão dinâmica mínima de 100 kPa (10 mH2O) de modo a abastecer os
reservatórios domiciliares (ABNT, 1994). Buscando atender os limites de pressão, a
rede pode ser subdividida em zonas de pressão (alta, média, e baixa), sendo cada
zona de pressão abastecida por um reservatório de distribuição. A área abrangida
pelo reservatório é denominada setor de abastecimento. Em geral para atendimento
da zona alta utiliza-se um reservatório elevado ou booster, para as zonas médias e
baixa são utilizados reservatórios apoiado, semi-enterrado, enterrado e/ou VRPs
(TSUTIYA, 2004).
5.2 Controle e Redução Perdas em sistemas de abastecimento de água
5.2.1 Introdução às perdas em sistemas de abastecimento
Nas obras de infra-estrutura urbana há uma tendência a se supervalorizar a
“construção” deixando em segundo plano a “operação e manutenção”. A suposição
de que o simples fato de se implantar a infra-estrutura é garantia de um
funcionamento perfeito é muito comum. Porém, o que se nota é que num curto
prazo, a obra, os equipamentos e instrumentos sofrem um certo nível de
12
deterioração e o não reparo adequado leva ao comprometimento de suas
funcionalidades. Nos sistemas de abastecimento não é diferente. Imagina-se que a
operação e manutenção dos sistemas de abastecimento teriam caráter meramente
passivo e corretivo, ficando distante de técnicas próprias, agilidade, eficiência e
eficácia que se deseja para esses sistemas.
A ocorrência de perdas em sistemas de abastecimento de água se dá desde a
captação no manancial, até a distribuição ao consumidor final. Tais perdas são em
grande parte oriundas de uma operação e manutenção das canalizações deficiente
e também de inadequada gestão comercial das empresas de saneamento.
Entretanto não é possível contar com um nível de perdas “zero” pelo fato de que em
sistemas de abastecimento existem tubulações enterradas pressurizadas (ocorrência
de vazamentos não-visíveis e não-detectáveis) e da imprecisão em medidores de
volume e vazões, que levam as perdas a um nível aceitável, do ponto de vista
operacional, econômico e de conservação de recursos hídricos.
Ações contínuas no combate e redução de perdas leva a uma melhoria da
performance econômica da companhia de saneamento podendo reverter tal
resultado em tarifas mais baratas e também à postergação de investimentos na
ampliação dos sistemas de produção, adução e reservação de água (TARDELLI
FILHO, 2004).
5.2.2 Tipos de perdas
As perdas em sistemas de abastecimento podem ser classificadas em reais e
aparentes.
Perdas reais são aquelas que correspondem ao volume de água produzido que não
chega ao consumidor final. A principal causa das perdas reais são os vazamentos
ocorridos nas adutoras, redes de distribuição, reservatórios e extravasamento de
reservatórios setoriais.
Perdas Aparentes correspondem ao volume de água consumido, porém não
contabilizado pela companhia de saneamento. As perdas aparentes são decorrentes
13
de erros de medição nos hidrômetros e demais tipos de medidores, fraudes, ligações
clandestinas e falhas no cadastro comercial (TARDELLI FILHO, 2004).
Tabela 5.1 – Caracterização geral das perdas
Fonte: TSUTIYA (2004).
Em geral, as perdas podem ser avaliadas medindo-se a vazão (ou volume) no ponto
inicial de uma fase do sistema de abatecimento e no ponto final da mesma fase, a
diferença entre as vazões medidas constitui a perda, como ilustrado na Figura 5.2.
14
Figura 5.2 – Perda em sistemas de abastecimento
Fonte: SABESP (2005).
Quantificar e representar os usos da água em um sistema de abastecimento em
todas as suas etapas proporciona uma visão integrada e completa dos fluxos de
processo, importações, exportações, pontos de medição e pontos de uso ou
consumo, como mostra a Figura 5.3 (TARDELLI FILHO, 2004).
Figura 5.3 – Esquema geral do sistema de abastecimento de água
Fonte: ALEGRE (2000 apud TSUTIYA, 2004).
15
Uma das formas de avaliar de maneira estruturada os componentes dos fluxos e dos
usos da água no sistema e os seus valores absolutos ou relativos é o balanço
hídrico, sendo uma poderosa ferramenta de gestão, já que podem ser gerados
diversos indicadores de desempenho com o objetivo de acompanhar ações técnicas,
operacionais e empresariais. Com o intuito de uniformizar uma estruturação básica
para o Balanço Hídrico a International Water Association (IWA) propôs uma matriz
com as variáveis que compõe os fluxos e usos da água, conforme mostra o Quadro
5.1 (SABESP, 2005).
Quadro 5.1 – Matriz de Balanço Hídrico
Fonte: SABESP (2005).
Para melhor entendimento a seguir são apresentadas as definições dos
componentes do balanço hídrico, segundo a IWA.
16
•
Água que entra no sistema: Volume anual de água introduzido na parte do
sistema de abastecimento que é objeto do cálculo do Balanço Hídrico;
•
Consumo Autorizado: Volume anual medido e/ou não medido fornecido a
consumidores
cadastrados,
à
própria
empresa
de
saneamento
(usos
operacionais) e a outros que estejam autorizados a fazê-lo;
•
Perdas de água: volume referente à diferença entre a água que entra no sistema
e o consumo autorizado;
•
Consumo Autorizado Faturado: volume que gera receita potencial para a
companhia de saneamento corresponde à somatória dos volumes constantes
nas contas emitidas aos consumidores;
•
Consumo Autorizado Não-Faturado: volume que não gera receita para a
empresa de saneamento, oriundo de usos legítimos de água no sistema de
distribuição;
•
Perdas Aparentes: correspondem aos volumes consumidos, porém nãocontabilizados;
•
Perdas Reais: correspondem aos volumes que escoam através dos vazamentos
nas tubulações, vazamentos nos reservatórios e extravasamentos nos
reservatórios;
•
Águas Faturadas: representam a parcela de água comercializada, traduzida no
faturamento do fornecimento de água ao consumidor;
•
Águas Não-Faturadas: representam a diferença entre os totais anuais da água
que entra no sistema e do consumo autorizado faturado.
17
5.2.3 Indicadores de perdas
Os indicadores são os instrumentos pelos quais é possível retratar a situação das
perdas, gerenciar a evolução dos volumes perdidos, redirecionar ações de controle e
ainda, em principio, comparar sistemas de abastecimento diferentes (TSUTIYA,
2004).
5.2.3.1 Indicador percentual
Este indicador é a relação entre o volume total perdido (Perdas reais + aparentes) e
o volume total produzido ou disponibilizado ao sistema (volume fornecido), em bases
anuais. A expressão básica para a rede de distribuição de água é dada pela
equação (1):
IP =
Volume Total Perdido
× 100(% ) eq.(1)
Volume Fornecido
O indicador percentual apresenta a desvantagem de dificultar a comparação de
performance entre sistemas distintos.
5.2.3.2 Índice de perdas por ramal
É a relação entre o volume perdido total anual e o número de ramais existentes na
rede de distribuição de água. O indicador por ramal tem a vantagem de introduzir um
“fator de escala” para comparação entre sistemas de diferentes tamanhos, e pode
ser expresso pela equação (2):
IPramal =
(
)
Volume Perdido Anual 3
m / ramal.dia eq.(2)
nº de ramais × 365
Por ser intimamente dependente do número de ramais, este indicador pode
apresentar valores muito elevados quando for aplicado em área de baixa ocupação
urbana, portanto, recomenda-se seu uso apenas onde a densidade de ramais for
18
superior a 20 ramais / km, o que ocorre em praticamente todas as áreas urbanas
(TSUTIYA, 2004).
5.2.3.3 Índice de perdas por extensão de rede
Indicador que relaciona o volume perdido total anual com a extensão da rede de
distribuição de água, também apresentando um fator de escala. Pode ser calculado
de acordo com a equação (3):
IPk =
(
)
Volume Perdido Anual
m 3 / km.dia eq.(3)
(Extensão de rede × 365)
Este indicador pode apresentar valores altos quando ocorre uma ocupação urbana
muito elevada, seu emprego é recomendado quando a densidade de ramais é
inferior a 20 ramais/km, geralmente as regiões que apresentam essa característica
são os subúrbios urbanos com características próximas à ocupação rural (TARDELLI
FILHO, 2004).
5.2.3.4 Índice infra-estrutural de perdas
O indicador infra-estrutural, desenvolvido pelo IWA é a proposta mais recente para
avaliação das perdas e permitir a comparação entre sistemas distintos (citação). Tal
indicador relaciona a condição atual de perdas de um sistema com o nível mínimo de
perdas esperado para o mesmo sistema (perdas inevitáveis), sendo um número
adimensional. É calculado de acordo com a equação (4):
Índíce Infra - estrutural =
Volume Perdido Total Anual
(admensional ) eq.(4)
Volume Perdido Total Inevitável Anual
Como vantagem este indicador apresenta a incorporação de variáveis que
influenciam de forma importante as perdas, como por exemplo, a pressão de
operação da rede.
19
5.2.4 Perdas reais
5.2.4.1 Vazamentos
Os vazamentos ocorrem em todas as etapas do sistema de abastecimento de água,
dependendo da extensão e das condições de implantação as redes de distribuição e
os ramais prediais são as partes do sistema onde a ocorrência e os volumes dos
vazamentos são maiores, “levantamentos efetuados na Região Metropolitana de
São Paulo apontaram que dos vazamentos consertados na distribuição, cerca de
90% ocorreram nos ramais prediais e cavaletes, ficando os restantes 10% para as
redes primárias e secundárias” (TARDELLI FILHO, 2004).
Segundo Tardelli Filho (2004) estima-se que a vazão dos vazamentos nas redes
primárias e secundárias seja muito superior aos que ocorrem nos cavaletes e
ramais. A Tabela 5.2 mostra as principais causas dos vazamentos.
Tabela 5.2 – Principais causas de vazamentos
Fonte: Tardelli Filho (2004).
20
Os vazamentos podem ser classificados em dois tipos, sendo visíveis e não-visíveis.
Vazamentos visíveis são aqueles facilmente detectáveis por técnicos das empresas
de saneamento e até mesmo pela população. Nestes casos as equipes de
manutenção podem ser prontamente acionadas e o reparo é efetuado rapidamente.
Vazamentos não-visíveis não são tão simples de se detectar, exigindo-se a
aplicação de técnicas e equipamentos específicos para sua detecção sem que seja
necessário esperar que o vazamento aflore e assim o reparo seja efetuado. Essas
pesquisas devem ser realizadas periodicamente para que os resultados sejam
satisfatórios. Mesmo realizando essas pesquisas não é possível detectar todos os
vazamentos
não-visíveis
(vazamentos
inerentes),
seja
por
limitação
dos
equipamentos, seja por inviabilidade econômica (TARDELLI FILHO, 2004).
5.2.4.2 Duração dos Vazamentos
Duração de um vazamento é o intervalo de tempo entre o surgimento e o reparo do
mesmo pela equipe de manutenção. Nas redes de distribuição a duração média de
um vazamento é dada pela soma de três componentes: conhecimento, localização e
reparo, definidos a seguir:
•
Conhecimento: tempo médio entre o início do vazamento e o instante em que a
empresa de saneamento toma conhecimento do vazamento;
•
Localização: tempo médio entre o conhecimento do vazamento pela companhia
até sua localização exata;
•
Reparo: Tempo médio entre a localização e o estancamento definitivo do
vazamento.
Nos vazamentos visíveis o tempo de localização é praticamente nulo, já que em
geral ao se tomar conhecimento do mesmo, se tem idéia do local onde ocorre. Nos
vazamentos não-visíveis o tempo de conhecimento é bem superior em relação aos
visíveis. Já nos vazamentos inerentes o tempo para conhecimento é infinito. A
Figura 5.4 apresenta exemplos de duração de vazamentos.
21
Figura 5.4 – Exemplos de duração de vazamentos
Fonte: SABESP (2005).
5.2.4.3 Relação entre Pressão e Vazão dos Vazamentos
Elevadas pressões na rede de distribuição tem efeito duplo na quantificação dos
volumes perdidos. Ao mesmo tempo em que a freqüência de arrebentados aumenta
a vazão dos vazamentos também é maior (TARDELLI FILHO, 2004).
A vazão dos vazamentos tem relação direta com o tipo de material da rede, isso
porque para tubos metálicos a área da seção do furo do vazamento é constante
independente da pressão a que a rede está submetida. Já os tubos plásticos (PVC e
PEAD) têm a área do furo variável com a pressão de serviço da rede, quanto maior a
pressão maior a área do furo, o que aumenta de forma significativa a vazão dos
vazamentos (SABESP, 2005). A Equação 5 apresenta a relação existente entre
vazão dos vazamentos e a pressão de serviço na rede.
Q1 ⎛ P1 ⎞
=⎜ ⎟
Q0 ⎜⎝ P0 ⎟⎠
N1
eq.(5)
onde:
Q0 = Vazão inicial à pressão P0;
Q1 = Vazão final à pressão P1;
N1 = expoente que depende do tipo de material dos tubos.
22
Ensaios realizados em alguns países apontam os seguinte valores para N1:
•
Tubos metálicos: N1 = 0,5
•
Tubos plásticos: N1 entre 1,5 e 2,5
•
Vazamentos inerentes: N1 ≅ 1,5
Para sistemas com redes compostas por materiais diferentes, caso mais comum, o
expoente N1 apresenta valores próximos a 1,15. Porém, para fins práticos admite-se
para N1 o valor de 1, assim sendo, a relação entre vazão do vazamento e pressão
torna-se linear, ou seja, para uma diminuição de pressão de 10% a vazão do
vazamento também vai diminuir 10% (SABESP, 2005).
5.2.4.4 Extravasamentos em Reservatórios de Distribuição
Como os reservatórios de distribuição têm por função regularizar as vazões de
consumo horárias, seu nível d’água varia durante o dia, de modo que esteja próximo
ao mínimo nas primeiras horas da noite a partir daí ocorra o carregamento,
chegando nas primeiras horas da manhã com seu volume máximo. Os
extravasamentos ocorrem justamente nesse período de carregamento, onde por
falta de equipamentos de controle a água excedente corre para os extravasores e
muitas vezes os operadores do sistema nem tomam conhecimento do problema. A
determinação dos volumes perdidos nos extravasamentos é bastante difícil e deve
ser efetuado com critério. Em geral a magnitude das perdas por extravasamento tem
pouco impacto em termos de volume, em relação ao sistema (TARDELLI FILHO,
2004).
5.2.4.5 Determinação das Perdas Reais
Quantificar as perdas é uma tarefa relativamente fácil, para tanto basta subtrair do
volume disponibilizado os volumes autorizados (Volumes micromedidos + usos
operacionais). Entretanto fracionar as perdas totais em perdas reais e perdas
aparentes é uma tarefa mais complexa que exige a adoção de hipóteses e ensaios
de campo para sua determinação.
23
Segundo Tardelli Filho existem dois métodos para determinar a parcela relativa às
perdas reais, sendo eles o Método do Balanço Hídrico e o Método das Vazões
Mínimas Noturnas.
O Método do Balanço Hídrico consiste em determinar a partir dos dados de
macromedição o volume disponibilizado, subtrair do valor obtido a soma do volume
micromedido mais os usos operacionais (volumes autorizados) e ainda subtrair as
perdas aparentes, obtidas através de estimativas criteriosas. A Equação (6) define
as parcelas para o cálculo das perdas reais pelo Método do Balanço Hídrico.
Perdas Reais = VD - VA - Perdas Aparentes eq.(6)
Onde:
VD = Volume Disponibilizado
VA = Volume Autorizado (Micromedido + Usos Operacionais)
Este método apresenta como vantagens a possibilidade de ser aplicado tanto em um
setor
de
abastecimento
quanto
em
subsetores
e
distritos
pitométricos,
disponibilidade de dados de macromedição e micromedição nas empresas de
saneamento, as hipóteses da qual o método lança mão, em geral, são objetos de
estudos
preexistentes
e
custo
de
aplicação
relativamente
barato.
Como
desvantagem podem ser citadas as hipóteses e estimativas efetuadas, o que pode
interferir na quantificação das perdas reais.
Já o Método das Vazões Mínimas Noturnas é baseado na variação das vazões de
consumo durante o dia. A Vazão Mínima Noturna é a que corresponde ao consumo
mínimo no dia, em geral este consumo ocorre entre 3:00 e 4:00 h. Sua determinação
é realizada através de equipamentos de medição de vazão e pressão.
A utilização da Vazão Mínima Noturna para a quantificação das perdas reais é
adequada, já que no momento em que ela ocorre há pouco consumo e as vazões
são estáveis, o que significa que uma parcela considerável dessa vazão
corresponde a vazamentos. Porém, a vazão dos vazamentos obtida através da
24
Vazão Mínima Noturna corresponde à vazão máxima dos vazamentos, pois, em
geral, no horário de ocorrência da mesma a pressão no sistema e máxima e a
simples multiplicação do valor por 24 h superestimaria o volume diário perdido.
Como solução para esse problema introduziu-se no método o Fator Noite/Dia, que
segundo Tardelli Filho “é um número dado em horas por dia, que multiplicado pela
vazão dos vazamentos (extraída da Vazão Mínima Noturna) resulta no Volume
Médio Diário dos Vazamentos, ou seja, nas Perdas Reais médias do ensaio”. Para a
determinação do Fator Noite/Dia mede-se a pressão em um ponto médio
representativo do subsetor e faz-se uso da relação pressão x vazão dos vazamentos
descrita no item 5.2.4.3. As Figuras 5.5 e 5.6 ilustram o conceito do Fator Noite/Dia
(TARDELLI FILHO, 2004). Logo o Volume Diário das Perdas Reais pelo método da
Vazão Mínima Noturna é dado pela equação (7).
Volume Diário das Perdas Reais = (FND ) × (Vazão dos Vazamentos) eq.(7)
onde: FND = Fator Noite/Dia.
Figura 5.5 – Conceito do Fator Noite/Dia – FND < 24h/dia
Fonte: Lambert (2002 apud TSUTIYA, 2004).
25
Figura 5.6 – Conceito do Fator Noite/Dia – FND > 24h/dia
Fonte: Lambert (2002 apud TSUTIYA, 2004).
5.2.5 Controle de Perdas Reais em redes de distribuição de água
5.2.5.1 Unidades de Controle
A adequada operação das partes que constituem a distribuição de água em um
sistema de abastecimento exige a compartimentação da rede de distribuição, de
maneira que se crie por meio da instalação e manobra de registros uma área
perfeitamente definida onde seja possível controlar os volumes disponibilizados para
a distribuição, realizar de campanhas de medição de Vazões mínimas noturnas,
controlar o plano piezométrico ao longo do dia, monitorar a qualidade da água, medir
volumes entregues aos clientes e os consumos sociais. A esse seccionamento dá-se
o nome de Setor de Abastecimento, sendo definido a partir de pontos de entrega de
água para a distribuição (Reservatórios de distribuição ou derivações de adutoras).
Dentro do Setor de Abastecimento existem ainda outros níveis de setorização. No
segundo nível está o zoneamento piezométrico, que consiste na implantação de
zonas de pressão homogêneas buscando atender os limites de pressão
estabelecidos na NBR 12118 citados no item 5.1.2.6. Em geral, o zoneamento
piezométrico é composto por uma zona baixa abastecida pelo próprio reservatório
setorial e uma zona alta que pode ser abastecida por um reservatório elevado que
recebe água recalcada do reservatório setorial ou por uma elevatória que alimenta a
26
rede diretamente. No terceiro nível estão as áreas de influencia de boosters e VRPs
que tem, respectivamente, a função aumentar e reduzir a pressão na rede de
distribuição (TARDELLI FILHO, 2004).
Há ainda os Distritos Pitométricos (DPs) também conhecidos como Distritos de
Medição e Controle (DMCs), esses, não necessariamente têm sua área vinculada a
algum Zoneamento Piezométrico. Para que uma área seja considerada um DP é
necessário que:
•
Número de ligações entre 1.000 e 5.000;
•
Área estanque, sem fluxo entre DPs adjacentes;
•
Medição de vazão e pressão na entrada do DP.
O DP é importante ferramenta para o controle e redução de perdas, o
monitoramento de áreas menores permite a realização de ensaios mais precisos,
além de facilitar a implantação de ações corretivas, o que as torna mais eficazes. A
Figura 5.7 mostra um exemplo de setorização em um sistema de abastecimento.
Figura 5.7 – Setorização em Sistemas de Abastecimento
Fonte: ABENDE (2001 apud TSUTIYA, 2004).
27
5.2.5.2 Ações para o Controle de Perdas Reais
O Controle de Perdas Reais passa basicamente por quatro etapas principais, que
tem por objetivo atuar no nível de Perdas atual buscando atingir o nível de Perdas
econômico (SABESP, 2005). Essas etapas são:
•
Controle ativo de vazamentos;
•
Agilidade e Qualidade no reparo de vazamentos;
•
Melhoria da condição da Infra-estrutura;
•
Gerenciamento das pressões.
Para garantir que as medidas citadas anteriormente sejam eficazes é preciso
garantir uma boa qualidade dos materiais e equipamentos utilizados nos reparos dos
vazamentos, mão-de-obra qualificada para a execução dos serviços e a existência
de um cadastro com informações precisas das tubulações, que demonstre fielmente
as características da infra-estrutura (TARDELLI FILHO, 2004). A Figura 5.8
apresenta um esquema com as ações a serem realizadas para redução de perdas
reais.
Figura 5.8 – Componetes do Controle de Perdas Reais
Fonte: SABESP (2005).
28
O componente e mais relevante para este trabalho é o Gerenciamento das pressões
na rede de distribuição. Como dito anteriormente as pressões a que a rede de
distribuição está submetida são os principais fatores que influenciam o número e a
vazão dos vazamentos, e o seu gerenciamento é fundamental para redução de
perdas reais. Segundo Tardelli Filho, muitos profissionais e consumidores ainda têm
o entendimento equivocado de que altas pressões na rede é um bom padrão de
atendimento no serviço de abastecimento de água. A operação do sistema com
níveis de pressão que atendam aos mínimos estabelecidos pela norma e por
particularidades do mesmo são um bom parâmetro para se tomar de referência.
A solução para o problema das pressões nas redes de distribuição está no
Zoneamento Piezométrico. Dividir o setor de abastecimento em zonas de
comportamento homogêneo dos planos de pressão, que podem ser definidos em
função do nível d’água de um reservatório enterrado, apoiado ou elevado, pela cota
piezométrica de uma estação elevatória ou booster ou ainda pela cota piezométrica
obtida após a instalação de uma VRP são as formas de realizar o zoneamento
piezométrico.
Para utilização de Válvulas Redutoras de Pressão é realizada a implantação de um
distrito pitométrico, ou seja, um subsetor perfeitamente definido com o fechamento
dos registros que delimitam a área garantindo sua estanqueidade e conseqüente
controle. De acordo com Tardelli Filho o funcionamento de uma VRP consiste no
“controle hidráulico das aberturas dos dispositivos de fluxo da água, através da
operação de uma válvula-piloto situada em uma comunicação entre as câmaras de
entrada e saída, consegue-se manter um valor estipulado de pressão a jusante,
independente da vazão”. Por se tratar do tema central desse trabalho o tema VRPs
será melhor Apresentado nos itens 5.3 e 5.4.
Os “Boosters” até pouco tempo foram considerados uma solução provisória, visando
atender pontos do sistema onde, em função do crescimento desordenado, da
verticalização ou outro fator a demanda em pontos elevados do setor de
abastecimento aumentasse (SABESP, 2005). Hoje, porém, seu uso associado ao de
VRPs tem sido uma boa solução, já que permite a exploração do potencial de
29
redução de pressão da válvula ao máximo, sendo implantado nos pontos mais altos
para aumentar a carga piezométrica garantindo as pressões necessárias.
Outra vantagem dos boosters atuais é a utilização do inversor de freqüência,
equipamento que permite a estabilidade da pressão de saída de modo a atender o
ponto crítico de abastecimento para qualquer vazão de jusante e pressão a
montante, esse fato é importante porque elevadas pressões de jusante acarretariam
Perdas reais maiores. Os requisitos necessários ao projeto de implantação de um
booster segundo Tardelli Filho (2004) são:
• Análise da área a ser pressurizada;
• Definição do ponto de instalação do booster;
• Delimitação da área através do fechamento e instalação de registros
limítrofes;
• Avaliação das demandas máximas e mínimas;
• Definição do lay-out da instalação;
• Dimensionamento dos equipamentos;
• Verificações hidráulicas do conjunto e do Distrito pitométrico.
30
5.3 Válvulas Redutoras de Pressão
A principal característica de uma área controlada por VRP é que sua delimitação é
perfeitamente definida por meio do fechamento de registros limítrofes, permitindo
assim não só o gerenciamento das pressões, como também conhecimento das
vazões e o monitoramento de pontos de controle na área da mesma, ou seja, a
instalação de VRPs torna possível a melhoria da gestão de combate às perdas, já
que agiliza o reconhecimento de qualquer alteração dos parâmetros controlados,
tornando ainda as ações corretivas mais precisas (SABESP, 2003).
5.3.1 Princípio de Funcionamento
Basicamente existem dois tipos de válvulas de controle, as de deslocamento rotativo
(Válvulas borboleta, válvulas de esfera, etc.) e as de deslocamento linear (válvula
globo e válvula agulha). As VRPs atualmente empregadas são usualmente do tipo
globo, com um piloto configurado para reduzir as pressões a jusante. A VRP é
hidraulicamente operada, através de um atuador, com câmaras separadas por um
diafragma, que aciona o obturador. O conjunto atuador-obturador é montado sobre
um corpo fundido, introduzindo uma perda de carga que exerce o controle da
pressão na rede de distribuição (SABESP, 2003).
Tardelli Filho (2004) define ainda as VRPs como sendo válvulas que se destinam a
manter o nível piezométrico no tubo a jusante do nó, onde se situam e funcionam
introduzindo uma perda de carga que é proporcional à pressão do lado de montante
da mesma, ou seja, através da operação de uma válvula piloto que se situa em
comunicação com as câmaras de entrada e saída mantendo a pressão de jusante
constante independente da vazão que passa pela válvula, conforme mostra a Figura
5.9.
31
Figura 5.9 – VRP Automática
Fonte: SABESP (2005).
Ainda observando a Figura 5.9, na primeira ilustração, observamos que quando a
válvula piloto (B) estiver aberta, a pressão contida no circuito de controle não exerce
nenhuma força na membrana da válvula principal (A), o que faz com que o sistema
de fechamento fique livre e a válvula principal abre.
Na segunda ilustração da Figura 5.9 temos a válvula piloto (B) fechada, a pressão
contida no circuito de controle exerce uma força na membrana da válvula principal
(A) que fecha.
5.3.2 Tipos de VRPs
Para que seja possível atender o maior número de situações operacionais, existem
basicamente três configurações de válvula que podem ser utilizadas.
A primeira opção trata da VRP de saída fixa, esta configuração é a mais básica, e o
seu funcionamento se dá como descrito no item 5.3.2. Seu uso é indicado para
subsetores onde as perdas de carga são relativamente pequenas e nos horários de
maior consumo o abastecimento dos pontos críticos não seja prejudicado. A Figura
5.10 representa o esquema de funcionamento de uma VRP de Saída Fixa.
32
Figura 5.10 – Esquema de Funcionamanto da VRP de Saída Fixa
Fonte: SABESP (2005).
A outra opção é a VRP com controlador eletrônico modulado pela vazão, nessa
configuração a pressão a jusante é variável e é função da vazão que passa pela
VRP. Tal controle é possível através da programação do controlador que associado
a um hidrômetro em série com a válvula permite a regulagem da válvula piloto de
acordo com a vazão que passa pela VRP, assim nos horários de maior consumo a
válvula está praticamente aberta oferecendo pouca resistência ao fluxo e nos
horários de baixo consumo mantém a pressão no patamar preestabelecido de modo
a garantir a estabilidade das pressões nos pontos críticos do subsetor (Figura 5.11).
É uma configuração de alta flexibilidade operacional, é indicada para subsetores
onde a perda de carga é elevada ou para VRPs de porte que justifique o custo desse
alto nível de controle.
E como ultima opção existe a VRP com controlador eletrônico modulado pelo tempo,
nesse caso a pressão de jusante também é variável, porém, o controlador é
programado para regular a pressão de saída por períodos definido ao longo do dia.
Podem ser definidos duas ou mais faixas de pressão, geralmente uma para o
período de maior consumo e outra para o período de menor consumo. Sua utilização
é recomendada em subsetores de perda de carga elevada e curva de consumo sem
muita variação, esse tipo de configuração possui menos recursos de controle,
exigindo assim menores custos de implantação quando comparada a VRP modulada
por vazão.
33
Figura 5.11 – Esquema de Funcionamanto da VRP Modulada pela vazão
Fonte: SABESP (2005).
5.3.3 Noção sobre o funcionamento dos CLPs utilizados em VRPs
Segundo a SABESP o CLP (Controlador Lógico Programável), ou controlador
eletrônico, é um microprocessador que modula a diminuição ou aumento da pressão
de jusante, em função do horário do dia, compensando a variação de vazão durante
o dia e a perda de carga entre a VRP e os pontos com pressões mínimas (pontos
críticos). Conectado a um medidor de vazão que fornece pulsos de consumo
(hidrômetro pulsado), o microprocessador atua na variação de abertura/fechamento
do obturador, conforme a curva de demanda da área de abrangência (Distrito
Pitométrico). O hidrômetro pulsado fornece dados sistemáticos dos volumes
consumidos pela área “protegida”, os quais servem como parâmetros de decisão
para ações corretivas ou preventivas nas redes e VRPs, bem como para as ações
de controle de perdas reais.
34
5.4 Aplicação de VRPs em redes de distribuição
5.4.1 Dados necessários para a escolha da área de instalação de uma VRP
As principais etapas de levantamento de dados para escolha da área de instalação
de uma VRP são:
•
Histórico de incidência de altas pressões e arrebentados de rede e índices de
perdas elevados;
•
Avaliação de medição de pressão durante o período de máxima vazão;
•
Medição de pressão durante o período noturno de menor consumo (o ponto
crítico também pode dar indicação do sobre a viabilidade de controle de
pressão na área);
•
Avaliação, providências e verificação do efetivo isolamento da área através do
fechamento e instalação de válvulas de controle;
•
Escolha dos pontos de medição de vazão e pressão à montante do local da
válvula;
•
Medição de pressão no ponto crítico, definido pelo ponto de altimetria mais
elevada e/ou mais distante dentro da área selecionada;
•
Medição de pressão no ponto médio (representativo da pressão média
noturna);
•
Medição de pressão próxima a um grande consumidor (se houver);
•
Instalação de equipamentos de medição e coleta de dados;
•
Análise das informações demanda e sazonalidade.
Para
este
último
item
algumas
observações
são
importantes.
Tanto
o
dimensionamento quanto o método de controle ou modulação da válvula são
bastante afetados pelas flutuações sazonais na demanda. Para tanto as informações
da macromedição, ainda que a área da VRP represente apenas uma parcela do
setor de abastecimento, são um bom indicativo da demanda sazonal. Cidades com
perfil predominantemente residencial o consumo tende a aumentar no verão e
reduzir no inverno, já cidades turísticas, a flutuação da demanda será mais em
função da população, do que do perfil de consumo da população residencial.
35
Portanto, na análise da escolha do local devem ser considerados os dados de
macromedição dos últimos 12 meses (SABESP/BBL, 1999).
5.4.2 Dimensionamento de VRPs
Dimensionar uma VRP significa determinar qual válvula tem o tamanho e as
características mais adequadas para o controle de pressão que se pretende.
Intuitivamente a primeira sensação é a de que a VRP tivesse o mesmo diâmetro da
tubulação na qual seria instalada. Porém, em geral, essa não é a solução adotada
na prática. Considerando todos os aspectos técnicos e econômicos envolvidos o
diâmetro de uma VRP bem dimensionada, em geral, é menor que o diâmetro da
tubulação (GONÇALVES; LIMA, 2007).
Para o dimensionamento da VRP entre outras é utilizada a fórmula a seguir:
1
K vx
⎛ G ⎞2
= Q ⋅⎜
⎟ eq.(8)
⎝ ΔP ⎠
onde:
Kvx é o coeficiente de vazão, em m³/h;
Q é a vazão máxima horária, em m³/h;
G é a densidade do líquido em relação à água (=1);
∆P é a perda de carga admissível em bar.
Como uma reserva de segurança ao dimensionamento pode-se adotar o seguinte
critério:
1,25 ⋅ K vx ≤ K vo eq.(9)
onde:
Kvo é o coeficiente de vazão da válvula selecionada.
36
O Kvo é a vazão máxima que gera uma perda de carga de 1 bar com a válvula
totalmente aberta, de acordo com as tabelas fornecidas pelos fabricante.
Outra forma de dimensionamento, mais prática, é a utilização de tabelas fornecidas
pelos fabricantes, onde são mostradas as vazões máximas e mínimas, bem como
Kvo para determinação da perda de carga (GONÇALVES; LIMA, 2007). A Tabela 5.3,
mostra o exemplo de uma tabela de dimensionamento de um fabricante de válvulas.
Tabela 5.3 – Tabela para dimensionamento de VRPs
Diâmetro Nominal
Vazão (m3/h)
Kv0
(mm)
(pol.)
Mínima
Máxima
(m3/h)
32
11/4"
3
26
8,40
38
11/2"
5
36
9,09
50
2"
8
59
12,49
65
21/2"
14
84
21,58
80
3"
22
129
28,39
100
4"
34
227
49,97
150
6"
76
522
104,48
200
8"
136
886
190,79
250
10"
212
1363
317,98
300
12"
305
1953
392,93
350
14"
416
2385
522,40
400
16"
543
3180
670,03
Fonte: Watts Regulator Co. (1996).
A ultima etapa do dimensionamento de uma VRP é a verificação do risco de
cavitação da válvula, para tanto utiliza-se a Figura 5.12, onde é feito o cruzamento
da pressão máxima de entrada na VRP com a pressão de saída requerida. O ponto
de cruzamento deve estar fora da área sombreada, caso contrário haverá a
possibilidade de danos à válvula e até mesmo ruídos. Caso ocorra esse tipo de
problema, deve-se estudar a possibilidade de instalar VRPs de mesmo diâmetro em
série ou reavaliar a concepção, criando mais de um plano piezométrico na área onde
a pressão deve ser reduzida.
37
Figura 5.12 – Gráfico para verificação de cavitação
Fonte: SABESP (2005).
5.4.3 Instalação e Infra-estrutura necessária
Após a escolha do local onde a válvula será instalada e de posse de todas as
informações necessárias à elaboração do projeto executivo, algumas verificações
devem ser realizadas com o objetivo de garantir o melhor arranjo possível. A
SABESP recomenda o levantamento dos seguintes dados para elaboração do
projeto executivo da VRP:
•
Interferências com acessos de propriedades próximas, comércio, trânsito,
redes de telefonia, rede elétrica, rede de esgotos e redes de águas pluviais;
•
Localização da rede de distribuição onde será instalada a VRP, verificando a
sua profundidade e posição relativa (passeio, terço da rua, eixo, etc.);
38
•
Verificação das dimensões do passeio, já que, preferencialmente, a caixa da
VRP deve ser posicionada no passeio.
Com todas as informações de campo levantadas o projeto executivo de instalação
do conjunto deve ser posto em prática e deve definir os seguintes parâmetros:
•
Necessidade de rebaixamento da rede de modo a se obter a profundidade
adequada para operação dos equipamentos, com especial atenção aos
registros de manobra;
•
Determinação das medidas internas da caixa da VRP, que deve ter espaço
suficiente para as atividades de regulagem e manutenção;
•
Cálculo estrutural e estanqueidade da caixa, prevendo a situação de tráfego,
tipo de terreno e posição do lençol freático aos quais mesma estará
submetida;
•
Prever os espaços necessários à construção dos blocos de ancoragem de tês
e curvas, quando necessários;
•
Dimensionamento dos berços de apoio de concreto para a VRP e para o
hidrômetro.
Algumas recomendações ainda são importantes. Os registros de manobra devem
ficar fora da caixa da VRP, suportes para os controladores eletrônicos devem ser
sempre previstos. As Lajes superiores das caixas não devem ter espessuras
inferiores a 20 cm. As Figuras 5.13 e 5.14 ilustram a instalação típica de uma VRP.
39
Figura 5.13 – Instalação típica de uma VRP DN 80 mm (planta)
Fonte: SABESP (2003).
40
O Quadro 5.2 mostra a relação de peças para o conjunto redutor apresentado na
Figura 5.13.
Quadro 5.2 – Lista de Materiais de um Conjunto Redutor DN 80 mm
Fonte: SABESP (2003).
41
Figura 5.14 – Instalação típica de uma VRP (perspectiva)
Fonte: SABESP (2003).
Quadro 5.3 – Quantidade de Caixas e Tampões em função do Diâmetro da VRP
Fonte: SABESP (2003).
Após a construção e montagem de todos os equipamentos e antes do reaterro e
recuperação do pavimento, o sistema deverá ser posto em carga para verificação da
estanqueidade do conjunto redutor (SABESP, 2003).
5.4.4 Pré-operação
A pré-operação é a etapa onde se realizam os “ajustes finos” do conjunto redutor,
onde a situação projetada será posta à prova. Para tanto deve ser realizada
seguindo uma metodologia, a fim de se evitar problemas no abastecimento da área
42
de controle e ainda buscando através de coleta de dados sistemáticas as melhores
condições operacionais. A SABESP recomenda a metodologia a seguir:
5.4.4.1 Medições com a VRP Aberta
Por um período de 24 horas deve ser medida a vazão de entrada no Distrito
Pitométrico, as pressões de entrada, saída e nos pontos críticos do sistema, esses
dados devem ser coletados através da instalação de “dataloggers”
O fluxo deve passar pela VRP na condição totalmente aberta para garantir que toda
perda de carga relacionada à instalação do conjunto redutor seja considerada. Após
a esse período de medição, com os dados obtidos, os seguintes parâmetros devem
ser levantados:
•
Vazão total que entra no Distrito Pitométrico;
•
Vazão mínima noturna;
•
Pressões mínimas e máximas no(s) ponto(s) critíco(s);
•
Cálculo da vazão dos vazamentos;
•
Pressão média noturna no Distrito Pitométrico.
5.4.4.2 Teste Controlado com Pressões de Saída Reduzidas
Nesse estágio a válvula é regulada para reduzir a pressão máxima do sistema,
gradualmente, em estágios de aproximadamente 5 mca, para tanto as vazões e
pressões devem ser monitoradas e por um período de 24 horas. Os mesmos
parâmetros descritos no item anterior devem ser obtidos. Esse teste deve ser
repetido até que se atinja a pressão desejada no ponto crítico. A supervisão desses
estágios é necessária para que seja possível comparar as características estimadas
nos estudos preliminares.
43
5.4.4.2 Teste Adicional para Válvulas com Modulação por vazão
Para o caso de válvulas moduladas por vazão, os testes citados nos itens 5.4.4.1 e
5.4.4.2 devem ser realizados com o modulador de vazão desligado, após a
realização desses, deve ser aplicada uma modulação e realizado um monitoramento
por um período de 24 horas. A cada tentativa de redução de pressão por modulação
de vazão o monitoramento deve ser repetido, até que se atinja a pressão necessária
para o atendimento ao ponto crítico do subsetor.
5.4.5 Operação regular
A medida de performance de um conjunto redutor de pressão pode ser conseguido
pela medição do volume consumido em um período de 24 horas. Tal
acompanhamento pode ser realizado e através da leitura do hidrômetro instalado no
conjunto ou pelo armazenamento dos dados de vazão no “datalogger” do
controlador eletrônico. A análise dessas informações servem como referência para
eventuais manutenções no sistema. Alterações na performance sem causa
justificada são um indicativo de problemas na área controlada. No caso de
ocorrência de variações bruscas de vazão a SABESP recomenda que sejam
realizadas as seguintes investigações suplementares:
•
Verificação da estanqueidade dos registros de fronteira;
•
Levantamento da instalação de novas ligações de grandes consumidores;
•
Levantamento de ocorrências de arrebentamentos ou vazamentos de grandes
volumes;
•
Adequação de problemas de funcionamento do conjunto VRP / Controlador
Eletrônico, quando for o caso.
A tecnologia atual possibilita ainda que essas medições de consumo sejam
telemetrizadas, permitindo assim que as mudanças na performance sejam
identificadas em tempo real o que reduz o tempo de acionamento das equipes de
manutenção, podendo ter reflexo direto na redução de perdas reais.
44
5.4.6 Supervisão
Supervisionar uma VRP significa verificar os elementos de controle de maneira
sistematizada ao longo do tempo para que a válvula atue de forma compatível com
os parâmetros pré-estabelecidos. Para tanto, são estabelecidos períodos de
verificação e a cada um deles está associada uma rotina. A seguir são explicitadas
as rotinas para cada período de verificação.
•
Supervisão Diária
♦
Verificação do Ponto Crítico da área da VRP;
♦
Observar novos empreendimentos e ligações dimensionadas no
subsetor da VRP.
•
Supervisão Mensal
♦
Verificar a leitura do hidrômetro da válvula para registro do volume médio
diário, com o intuito de avaliar as perdas no subsetor da VRP;
♦
•
Supervisão Trimestral
♦
•
Registrar através da utilização de “dataloggers” a vazão mínima noturna.
Realizar testes de estanqueidade nos limites da área das VRPs;
Supervisão Semestral
♦
Executar pesquisas de vazamentos nos subsetor e monitorar os índices
de cobertura, de acerto, etc.
45
•
Supervisão Anual
♦
Diagnosticar o subsetor da VRP através do índices de perdas, ponto de
equilíbrio de pesquisas de vazamentos, dinâmica de abastecimento da
área, etc.
5.4.7 Manutenção
Após a instalação da VRP, sua correta modulação e calibração é necessário que se
estabeleça um plano de manutenção preventiva, com o objetivo de assegurar uma
operação eficiente e continua. Para elaboração do programa de manutenção
preventiva, alguns fatores devem ser levados em consideração. Áreas com
intermitência no abastecimento, com ocupação populacional de caráter sazonal, por
exemplo, tem a necessidade de maior freqüência de visitas, enquanto que uma área
com abastecimento regular, ocupação populacional estável, baixo densidade de
ligações e baixo índice de vazamentos demanda uma freqüência menor de visitas.
Portanto o estabelecimento de um plano de manutenção deve tomar por base as
características particulares de cada área. De maneira geral a freqüência das visitas
varia entre um e três meses. Seguindo nessa linha, seria razoável: para os casos
mais críticos a freqüência de uma vez a cada mês e para os casos mais favoráveis a
freqüência de uma vez a cada três meses, independente de visitas que aconteçam
em função de ocorrências excepcionais.
Nas manutenções preventivas todo o conjunto redutor (Válvula, controlador, caixa e
área de controle) deve ser inspecionado e toda e qualquer anomalia deve ser
reparada para garantir o bom funcionamento do conjunto (SABESP, 2003).
46
6 IMPLANTAÇÃO DE VRPS NA UNIDADE DE NEGÓCIO LESTE SABESP
Este capítulo fará menção à instalação de VRPs na Unidade de Negócio Leste
(Unidade Operacional da SABESP). Será exposto um breve histórico sobre o
sistema de abastecimento de água da unidade, suas características físicas e um
panorama geral das perdas e as medidas de controle adotadas. A ênfase do estudo
será a exposição do caso da VRP Antonio de Siqueira visando demonstrar de forma
prática, como a aplicação de VRPs em redes de distribuição serve de ferramenta
para controle e redução de perdas reais, para tanto, toda metodologia desenvolvida
desde a concepção até a instalação e pré-operação da válvula será explicitada.
6.1 Caracterização Operacional da Unidade de Negócio Leste
6.1.1 Breve Histórico da UN Leste
A Unidade de Negócio Leste (ML) é uma Superintendência ligada à diretoria
Metropolitana (M) da SABESP. Sua área de atuação abrange oito municípios da
região metropolitana sendo eles: Arujá, Biritiba-Mirim, Ferraz de Vasconcelos,
Itaquaquecetuba, Poá, Salesópolis, São Paulo (região leste, a partir da margem
esquerda do Rio Aricanduva) e Suzano. Atualmente a ML atende uma população de
3.432.674 habitantes, o que resulta num Volume Utilizado (VU) da ordem de 161 x
106 m³ por ano (SABESP, 2007).
6.1.2 Características físicas, Infra-Estrutura e Perdas na ML
6.1.2.1 Setorização e Zonas de Pressão
A ML está dividida em 25 setores de Abastecimento (Figura 6.1), desses 22 tem sua
demanda atendida pelo Sistema Adutor Metropolitano (SAM) e 3 são atendidos por
sistemas isolados. A principal característica dos setores da ML é a grande extensão.
Com exceção dos setores Cidade Tiradentes e Santa Etelvina, todos passaram por
estudos para sua implantação, alguns como é o caso dos setores Artur Alvim,
47
Itaquera e Itaquaquecetuba ainda são objetos de estudos e implantação de obras
para serem subdivididos (SABESP, 2007). A Tabela 6.1 traz a relação de setores da
ML e suas principais características.
48
Figura 6.1 – Setores de Abastecimento da ML
Fonte: SABESP (2007).
49
Tabela 6.1 – Características dos setores de abastecimento da ML
Fonte: SABESP (2007).
Os setores de abastecimento da ML tiveram em sua delimitação e otimização as
condições topográficas como principal agente, resultando em setores com duas ou
mais zonas de pressão e ainda de derivações em marcha. Além dos setores e zonas
de pressão existentes, por necessidade ou melhoria operacional, foram criados
Distritos Pitométricos, objetivando reduzir perdas com a redução de pressões na
rede (instalação de VRPs) e diminuir a intermitência do abastecimento com o
aumento das pressões dinâmicas (instalação de Boosters). A seguir a Tabela 6.2
apresenta por setor de abastecimento as zonas de pressão e o número de DPs
controlados por VRPs e “Boosters” da ML.
50
Tabela 6.2 – Zonas de Pressão e DPs x Setor de Abastecimento
Fonte: SABESP (2007).
6.1.2.2 Infra-Estrutura
As redes de distribuição dos setores de abastecimento da ML possuem diâmetros,
materiais e idades de implantação bem variados. O Predomínio do material fica por
conta do ferro fundido (cerca de 61% do total) e do PVC (aproximadamente 37% do
total, quanto ao diâmetro o domínio absoluto (75% do total) é de redes com até 75
mm, já a idade das redes de distribuição apenas 1% do total tem acima de 50 anos
ou foram implantadas antes de 1973, quando os tubos de ferro fundido não eram
revestidos internamente com argamassa de cimento e areia. As Tabelas 6.3, 6.4 e
6.5 dão um panorama das condições da Infra-estrutura das redes da ML por setor de
abastecimento.
51
Tabela 6.3 – Extensão, Diâmetro e Materiais de redes Primárias x Setor de Abastecimento
Fonte: SABESP (2007).
Tabela 6.4 – Extensão, Diâmetro e Materiais de Redes Secundárias x Setor de Abastecimento
52
Fonte: SABESP (2007).
Tabela 6.5 – Extensão x Idades das Redes de Distribuição Secundárias x Setor de
Abastecimento
Fonte: SABESP (2007).
53
6.1.2.3 Perdas na ML
Aplicando a metodologia proposta pelo IWA para elaboração da matriz de balanço
hídrico apresentada no item 5.2.2, a ML estabeleceu a sua matriz, como mostra no
Quadro 6.1.
Quadro 6.1 – Matriz de Balanço Hídrico da ML (m³ x 106 / ano)
Fonte: SABESP (2007).
Observando o balanço hídrico é possível verificar que a parcela correspondente às
perdas reais é superior à parcela de perdas aparentes e entre todas as causas de
perdas consideradas na metodologia os vazamentos têm a maior relevância (e têm
relação direta com as pressões na rede), com aproximadamente 70% do total
perdido. A Figura 6.2 mostra a distribuição das perdas na ML.
54
Figura 6.2 – Distribuição das Perdas na ML
Fonte: SABESP (2007).
6.1.2.4 Combate às perdas na ML
A ML vem empreendendo ações de combate e redução de perdas ao longo dos
últimos anos. Entre as principais medidas de controle empregadas está o
gerenciamento de pressões na rede de distribuição através da implantação de VRPs
e instalações de Boosters. Outra ação que tem contribuído para melhoria contínua
dos resultados da ML são as obras para fechamento dos setores de abastecimento
da unidade, que permitem maior controle do volume disponibilizado (VD) e por
conseqüência a redução de perdas. Por último, cabe destacar as melhorias no
gerenciamento das falhas na infra-estrutura através de sistemas de registro de
falhas visando identificar os locais onde ocorrem a predominância das falhas na
infra-estrutura e direcionando ações preventivas, a melhoria dos materiais
empregados e a reabilitação redes de distribuição. O resultado das ações
empregadas pode ser expresso pela evolução do IPramal da UN que vem mantendo a
tendência de queda nos últimos anos, fazendo com que a ML atingisse o menor
índice de perdas entre as UNs da Diretoria Metropolitana, conforme registra a Figura
6.3.
55
Figura 6.3 – IP Anualizado da ML 2008 / 2009
Fonte: MLET (2009).
56
6.1.3 VRPs na Unidade de Negócio Leste
Apesar dos estudos de setorização na ML terem sido realizados a mais de 10 anos,
nem todas as obras previstas foram implantadas, o que gerou a necessidade de se
buscar soluções que pudessem melhorar as condições operacionais, bem como o
combate e redução de perdas, para tanto se lançou mão da utilização de VRPs e
Boosters.
Após a setorização, em meados da década de 90 era dado início a 1ª fase do
Programa Interno de Redução de Perdas da Região Metropolitana, o que
proporcionou o emprego em maior escala das VRPs na SABESP. Em 1997 a ML
teve suas primeiras válvulas instaladas, em 2005 já contava com 136 válvulas
instaladas, cobrindo 1.100 km dos quase 5.800 km de redes de distribuição
atendidas pela UN LESTE, ou seja, 18 % do total (SABESP, 2007), a Figura 6.4
ilustra a evolução da instalação de VRPs na ML.
Figura 6.4 – Evolução do Número de VRPs na ML ao Longo dos Anos
Fonte: SABESP (2007).
57
6.2 VRP Antonio de Siqueira
Os estudos e instalação da VRP Antonio de Siqueira foram realizados pela empresa
ENCIBRA Estudos e Projetos de Engenharia S/A à serviço da Companhia de
Saneamento Básico do Estado de São Paulo – SABESP, através de contrato cujo
objeto é a “Prestação de Serviços de Engenharia para Implantação de Sistemas de
Controle de e Redução de Pressões, através da Instalação de VRPs na Unidade de
Negócio Leste”. Os dados utilizados neste estudo foram obtidos no “data-book” da
válvula, gentilmente cedido pela Divisão de Operação de Água da UN Leste (MLEA).
6.2.1 Características Físicas e Estudos Preliminares da área da VRP
A VRP Antonio de Siqueira foi instalada na Zona Baixa do setor Ermelino Matarazzo,
sua área é circundada ao norte pela Avenida Assis Ribeiro, ao sul pela Avenida São
Miguel e Avenida Nova Trabalhadores (Jacu-Pêssego) a leste. A topografia do local
revela altitudes na área que variam entre 730 m e 760 m e tomando a configuração
de vale, que drena para o Rio Jacu. A região tem ocupação predominantemente
residencial com alguns estabelecimentos comercias. A presença de grandes
consumidores na área não foi detectada.
Tomadas de pressão instantâneas antes da implantação da VRP na área revelaram
pressões entre 30 mca (cota 760 m) e 56 mca (cota 730 m), podendo chegar a 42
mca e 66 mca, respectivamente, nos períodos de menor consumo (período noturno),
um indicativo do potencial de redução no subsetor.
A linha de entrada no subsetor está localizada na Rua Antonio de Siqueira e é de
300 mm em material ferro fundido, sua cota de instalação é 755 m, extensão total da
rede de distribuição inserida na área da válvula é de aproximadamente 8,1 km,
possuindo 917 ligações de água e 1.314 economias, nenhuma dessas se
enquadrando na condição de grande consumidor. A instalação de 9 vávulas de
gaveta limítrofes foram necessárias para garantir a criação e pemitir a
estanqueidade do subsetor.
58
Para definição do ponto critico foram utilizadas as medidas de pressão instantâneas
realizadas em diversos pontos da rede de distribuição na área, caracterizados por
apresentarem uma ou mais das seguinte condições condições:
•
Cota mais elevada em relação ao ponto de entrada do setor;
•
Pontos distantes em relação ao ponto de entrada;
•
Importância operacional.
Após a avaliação de todos os dados medidos de pontos com estas características,
definiu-se o ponto mais desfavorável ou crítico como sendo:
•
Rua Padre João Martins, 448 e o critério estabelecido foi: cota mais elevada
(760 m).
Nos estudos preliminares de viabilidade com base no número de ligações e na
micromedição (15219 m³ / mês), estimou- se uma vazão máxima horária da ordem
de 15,8 L/s ou 56,9 m³/h e a vazão mínima noturna foi estimada em 6,7 L/s ou 24,1
m³/h, resultando num índice de perdas estimado de 631 L/lig /dia.
Considerando a pressão no ponto crítico variando entre 32 mca e 42 mca, foi
considerada para efeito de estudos preliminares uma quebra média de 20 mca,
portanto, a pressão média no setor passaria de 54 mca para 34 mca. De posse
desses dados e utilizando a relação entre pressão e vazão dos vazamentos descrita
no item 5.2.4.3, admitindo o valor do expoente “n” igual a 1, obteve-se a nova vazão
mínima noturna teórica com valor de 4,2 L/s.
Comparando o valor das vazões mínimas noturnas teóricas observa-se que a
economia seria da ordem de 2,5 L/s o que levaria o índice de perdas no setor para
393 L/lig/dia.
59
6.2.2 Dimensionamento do conjunto da VRP
O Dimensionamento da VRP Antonio de Siqueira consistiu na determinação dos
seguintes parâmetros:
•
Determinação da vazão máxima horária;
•
Determinação da perda de carga máxima admissível;
•
Cálculo co Kvx;
•
Cálculo do Kv0;
•
Escolha do diâmetro da válvula;
A vazão máxima horária foi determinada a partir da micromedição nas ligações
inseridas no subsetor da válvula (15220 m³/mês), resultando, como dito
anteriormente, no valor de 15,8 L/s ou 56,9 m³/h, já considerando as variações de
consumo diária e horária, além de uma reserva de segurança da ordem de 20%.
A perda de carga máxima admissível foi obtida pela soma das perdas de cargas
distribuídas e localizadas do conjunto redutor o que resultou no valor de 2,9 mca
para a vazão máxima e 0,13 mca para a vazão mínima.
De posse dos valores acima mencionados pode se obter através da eq.(8) o valor de
Kvx, como segue:
1
K vx
⎛ 1 ⎞2
= 56,9 ⋅ ⎜
⎟ = 103
⎝ 0,3 ⎠
De posse do kvx impondo –se a condição da eq.(9) obtemos:
1,25 ⋅ 103 = 129 ≤ K v 0
A válvula escolhida foi uma SINGER 106-PG com 100 mm de diâmetro que atenderá
o Kv0 de 129 determinado pela eq.(9). A Figura 6.5 mostra a VRP utilizada no
conjunto.
60
Figura 6.5 – VRP SINGER 106-PG
Fonte: SINGER VALVES (2009).
Definido o diâmetro da VRP os acessórios e elementos do by-pass (filtro, medidor e
peças) foram escolhidos com o mesmo diâmetro da válvula. O hidrômetro escolhido
para o conjunto foi um do tipo Woltman horizontal com DN 100 mm, modelo
Meinecke WSD, possuindo as seguintes características metrológicas:
•
Vazão nominal: 90 m³/h;
•
Vazão máxima temporária: 180 m³/h;
•
Vazão mínima: 0,30 m³/h;
•
Vazão de transição: 3,0 m³/h.
6.2.3 Instalação da VRP
Definidos todos os parâmetros do projeto executivo, partiu-se para a instalação da
válvula. Consultada as informações cadastrais da tubulação de entrada da área da
VRP (300 mm em Ferro Fundido) e pesquisas de campo verificou-se que não seria
61
necessário o aprofundamento da rede, e sua posição permitiu que a todo o conjunto
redutor fosse instalado no passeio. Outro fator importante na instalação foi a
presença do lençol freático em nível elevado, o que tornou necessária a execução
da caixa de abrigo da VRP em concreto armado, tomando-se especial atenção para
impermeabilização da mesma. A Figura 6.6 a seguir mostra a o esquema de
instalação da VRP Antonio de Siqueira.
62
Figura 6.6 – Esquema de instalação da VRP Antonio de Siqueira
Fonte: ENCIBRA/SABESP (2008)
63
A seqüência de instalação do conjunto redutor obedeceu aos seguintes passos:
• Montagem do conjunto redutor (VRP, filtro, hidrômetro e by-pass) no canteiro
de obras;
• Programação da interrupção no fornecimento de água na área de influência
da VRP;
• Escavação da cava;Corte da tubulação existente;
• Instalação do conjunto;
• Execução da caixa da proteção;
• Reaterro; e
• Reposição da Pavimentação.
A seguir são apresentadas as Figuras 6.7 e 6.8, ilustrando algumas das etapas de
instalação da VRP Antonio de Siqueira.
Figura 6.7 – Execução da laje superior da caixa da VRP
Fonte: ENCIBRA/SABESP (2008)
64
Figura 6.8 – Obra Concluída
Fonte: ENCIBRA/SABESP (2008)
6.2.4 Comissionamanto e Campanhas de Medição de Vazão e Pressão da VRP
A etapa de comissionamento foi realizada logo após a conclusão da obra de
instalação do conjunto redutor e tem como finalidade promover a melhor condição
operacional para que a válvula obtenha o melhor rendimento. Tal condição é obtida
quando se consegue a máxima redução de pressão possível para a área de
influência da VRP, a qual corresponde àquela que resulta numa pressão dinâmica
mínima no ponto crítico durante a vazão máxima que ocorre no subsetor, ou seja, no
momento em que está ocorrendo a maior perda de carga, o ponto crítico deve ser
atendido satisfatoriamente.
As premissas para regulagem inicial da VRP Antonio de Siqueira admitiram as
seguintes condições de operação:
• VRP de Saída Fixa;
• Pressão mínima no Ponto Crítico durante o maior consumo = 10 mca;
65
• Pressão fixa a jusante da VRP = 25 mca.
Para realização das campanhas de medição de vazão e pressão foram
estabelecidos três pontos de controle, o primeiro medindo vazão e pressão a jusante
da VRP (QP1), o segundo medindo pressão a montante da VRP (PM1) e o terceiro
ponto de controle medindo pressão no ponto crítico (P1). O Quadro 6.2 descreve os
pontos monitorados.
Descrição
Local
QP1 – Medição de Vazão e Pressão - VRP
Rua Antonio de Siqueira em frente a Praça Guanambi
PM1 – Pressão a montante da VRP
Rua Antonio de Siqueira em frente a Praça Guanambi
P1 – Pressão no Ponto Crítico
Rua Padre João Martins, nº 448
Quadro 6.2 – Pontos Monitorados
Fonte: ENCIBRA/SABESP (2008)
Para os três pontos de controle acima mencionados foram realizadas medições para
duas situações distintas. Na primeira foram efetuadas medições com a vazão total
passando pelo conjunto com a VRP totalmente aberta. Na segunda situação as
medições foram realizadas com a vazão total passando pelo conjunto e a válvula
regulada para uma pressão de saída fixa (Ps = 25 mca).
A intenção desses dois cenários é permitir visualizar com clareza o benefício gerado
pela instalação do conjunto redutor de pressão e possibilitar possíveis ajustes finos
na regulagem da válvula (ENCIBRA/SABESP, 2008).
O monitoramento dos pontos foi realizado por um período de 14 dias sendo 7 deles
anteriores ao comissionamento (02/05/2008 a 09/05/2008) e 7 dias posteriores ao
comissionamento (16/05/2008 a 23/05/2008). As Figuras 6.9 a 6.11 apresentam de
forma gráfica os resultados obitidos nas campanhas de medição de vazão e
pressão.
66
Figura 6.9 – Vazão e Pressão a jusante da VRP (antes e após a regulagem)
Fonte: ENCIBRA/SABESP (2008)
67
Figura 6.10 – Pressão a montante da VRP (antes e após a regulagem)
Fonte: ENCIBRA/SABESP (2008)
68
Figura 6.11 – Pressão no ponto crítico (antes e após a regulagem)
Fonte: ENCIBRA/SABESP (2008)
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6.2.5 Resultados obtidos
Em uma primeira avaliação dos dados obtidos durante a pré-operação considerando
os dois cenários propostos (VRP totalmenta aberta e Ps = 25 mca) observou-se os
seguintes valores notáveis:
1º Cenário - VRP totalmente aberta
• Pressão média a montante da VRP = 42 mca;
• Pressão máxima a jusante da VRP = 41 mca;
• Pressão média a jusante da VRP = 37 mca;
• Pressão média disponível no ponto crítico = 25 mca
• Vazão máxima média a jusante da VRP = 50 m³/h;
• Vazão mínima média a jusante da VRP = 9 m³/h.
2º Cenário - VRP Regulada para Ps = 25 mca
• Pressão média a montante da VRP = 42 mca;
• Pressão máxima a jusante da VRP = 26 mca;
• Pressão média a jusante da VRP = 25 mca;
• Pressão média disponível no ponto crítico = 12 mca
• Vazão máxima média a jusante da VRP = 40 m³/h;
• Vazão mínima média a jusante da VRP = 3 m³/h.
A comparação dos resultados torna se mais fácil a partir da Figura 6.12 onde são
apresentadas as variações de vazão ao longo do tempo para os dois cenários
distintos, deixando claro o efeito que a VRP provoca na redução das vazões de
entrada do subsetor, ou seja, na redução dos vazamentos (perdas reais).
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Figura 6.12 – Comparativo de vazões na saída da VRP no período de pré-operação
Fonte: ENCIBRA/SABESP (2008).
Após a realização de um tratamento estatístico de dados foi possível estabelecer a
curva de vazões ao longo do tempo de um dia típico antes e após a entrada VRP em
operação, conforme mostra a Figura 6.13.
Figura 6.13 – Comparativo das curvas de vazão do dia típico
Fonte: ENCIBRA/SABESP (2008).
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7 ANÁLISE DOS RESULTADOS
Este capítulo tem como principal função a discussão dos resultados apresentados no
item anterior. Tal análise foi realizada considerando principalmente o objetivo
específico proposto para o trabalho, que é avaliar a influência do controle de pressão
através da aplicação de VRPs na redução de perdas reais na área de atuação da
ML.
A comparação entre os cenários propostos no comissionamento da válvula permite
verificar facilmente a relação de dependência entre a vazão dos vazamentos e a
pressão a qual a rede de distribuição está submetida (item 5.2.4.3). O fato de que o
único parâmetro operacional alterado significativamente, com condições de reduzir a
vazão que passa pela VRP foi a pressão de jusante, já que não houve mudanças
nas características do perfil de consumo das ligações do subsetor, sustentando
assim afirmação anterior.
Observando ainda a Figura 6.12 nota-se que em todos os períodos onde dados
foram coletados, as vazões após a entrada da VRP em operação sempre foram
inferiores aos valores de vazão antes da entrada da válvula em operação. Outra
observação que cabe ser ressaltada na mesma figura é que a diferença entre as
vazões antes e após a operação da VRP são mais significativas no período da
vazão mínima noturna, resultado esse que era plenamente esperado, já que nesse
período a pressão na rede de distribuição tende a ser máxima e para uma área com
consumo predominantemente residencial o valor da vazão mínima noturna tende
para o valor da vazão dos vazamentos naquele período, logo, correspondendo a
ordem de grandeza das perdas no subsetor.
A Figura 6.13 remete mais a quantificação das perdas reais, uma vez que é uma
curva preparada estatísticamente para que seja obtido o perfil de vazões do dia
típico para o período em que os dados foram coletados (7 dias antes da operação da
VRP e 7 dias depois da operação da VRP), ou seja, seus dados foram condensados
de maneira que essa curva representasse a variação de vazões média para os 7
dias de cada cenário.
72
Da análise da dos dados curva proposta na Figura 6.13, verificou-se que a vazão
média que passou pela VRP antes de sua entrada em operação era de 26,95 m³/h e
após sua entrada em operação vazão média foi reduzida para 20,51 m³/h. A
diferença entre os dois dados resulta numa economia média de 6,4 m³/h ou 1,79 L/s.
A fim de inserir um fator de escala para melhor comparação e considerando que a
VRP Antonio de Siqueira está inserida numa área urbana onde a densidade de
ramais ultrapassa o valor de 20 ramais/km, converteu-se a perda para o IPramal,
portanto, a redução da perda real apurada no subsetor da Válvula em estudo, após
sua entrada em operação foi de 169 L/lig./dia. Tal valor corresponde a uma
economia de aproximadamente 4700 m³/mês.
Uma medida de comparação visando demonstrar a eficiência do controle de
pressões por meio de VRPs é confrontar o índice obtido pela válvula com o índice da
ML. Para que fosse possível comparar os resultados, admitiu-se que as perdas reais
na Unidade de Negócio Leste correspondem a cerca de 70% do total das perdas
(conforme Figura 6.2). Extrapolou-se esse valor para a área da VRP Antonio de
Siqueira e o resultado obtido foi um índice de perdas total de 242 L/lig./dia.
Considerando ainda a data da pré-operação que foi realizada em maio de 2008 e
que para o mesmo período do ano de 2008 o IPramal anualizado da ML era de 427
L/lig.dia, pôde-se verificar que há uma diferença de 185 L/lig/dia, resultado bastante
satisfatório sob todos os aspectos. A Figura 7.1 apresenta o esquema comparativo
da economia obtida com a implantação da VRP Antonio de Siqueira.
Sob o ponto de vista econômico, considerando o valor investido e o custo da
produção de água, o tempo previsto para o retorno do investimento foi de 14 meses,
bastante razoável e justificável diante dos benefícios trazidos por essa aplicação.
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Figura 7.1 – Esquema Comparativo da economia obtida
Fonte: ENCIBRA/SABESP (2008).
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8 CONCLUSÕES
Com esse estudo foi possível observar que o controle de pressões por meio de
VRPs na rede de distribuição é um fator de extrema importância na gestão
operacional de um sistema de distribuição de água. Fica claro e notório que a
redução da pressão diminui de forma significativa a vazão dos vazamentos e essa é
sem dúvida a principal vantagem da instalação de VRPs, porém, não a única.
Outra melhoria importante é que sua implantação gera a necessidade da criação de
um Distrito Pitométrico, o que torna o controle das perdas reais mais preciso, pois as
áreas monitoradas tendem a ser menores, implicando em respostas mais dinâmicas
a quaisquer anomalias ou manobras do sistema.
O estudo e implantação desses subsetores podem contribuir de forma mais incisiva
no controle de perdas reais, visto que ainda existem potenciais redução nos setores
de abastecimento na área de atuação da ML.
75
9 RECOMENDAÇÕES
Após a análise e conclusão do trabalho realizado, algumas recomendações podem
ser realizadas. A primeira diz respeito a possibilidade de instalação de um
modulador de pressão em função do tempo, o que permitiria um ajuste mais fino dos
parâmetros de regulagem da válvula. Claro que essa possibilidade deve ser avaliada
levando em conta a relação custo benefício, já que o custo de um controlador desse
tipo é considerável e o potencial de perda a ser recuperada deve suprir esse custo.
Outra recomendação que se faz é a realização do outros três componentes do
controle de perdas reais (pesquisa de vazamentos, agilidade e qualidade nos
reparos e o gerenciamento da infra-estrutura) com o objetivo de melhorar a
performance da VRP, já que, uma dessas ações isoladas podem até obter resultado,
mas o melhor resultado no controle de perdas reais só será alcançado com a
realização de todos os componentes juntos.
76
REFERÊNCIAS
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Rede de Distribuição de Água para Abastecimento Público – Procedimento. Rio de
Janeiro: ABNT, 1994. 4 p.
COMPANHIA DE SANEAMENTO BÁSICO DO ESTADO DE SÃO PAULO; BUREAU
BRASILEIRO LTDA. Curso de Controle de Pressão Através de Válvulas
Redutoras de Pressão. São Paulo, 1999.
COMPANHIA DE SANEAMENTO BÁSICO DO ESTADO DE SÃO PAULO; BUREAU
BRASILEIRO
LTDA.
Metodologias
de
Análise
e
Caracterização
do
Relacionamento entre Perdas Físicas e Variação de Pressão na Rede de
Distribuição de Água, São Paulo, 1999.
COMPANHIA DE SANEAMENTO BÁSICO DO ESTADO DE SÃO PAULO;
ENCIBRA S/A ESTUDOS E PROJETOS DE ENGENHARIA. Serviços de
Engenharia para Implantação de Sistemas de Controle de Pressões nas Redes
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Negócio Leste – VRP Antonio de Siqueira, São Paulo, 2008. 31 p.
COMPANHIA DE SANEAMENTO BÁSICO DO ESTADO DE SÃO PAULO. Curso
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de Operação de Válvulas Redutoras de Pressão, 2003. 96 p.
COMPANHIA DE SANEAMENTO BÁSICO DO ESTADO DE SÃO PAULO. Plano
Plurianual das ações para Redução de Perdas 2008 - 2012 para a Unidade de
Negócio Leste, São Paulo, 2007. 130 p.
COMPANHIA DE SANEAMENTO BÁSICO DO ESTADO DE SÃO PAULO.
Programa de Redução de Perdas, Relatório Analítico 2008, São Paulo, 2009. 28 p.
77
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Programa Interno de Redução de Perdas da Região Metropolitana de São
Paulo, Relatório de Avaliação – 1ª Fase, São Paulo, 1996.
GONÇALVES, Elton; LIMA, Celso Vieira de. Guias Práticos: Técnicas de
Operação em sistemas de Abastecimento de Água: controle de pressões e
operação de válvulas reguladoras de pressão. Brasília: Posigraf, 2007. 62 p.
NETTO, Jose Martiniano De Azevedo. Manual de hidráulica. 6. ed. São Paulo:
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TARDELLI FILHO, Jairo. Controle e reudução de perdas. In: TSUTIYA, Milton
Tomoyuki. Abastecimento de água. 2. ed. São Paulo: Departamento de Engenharia
Hidráulica e Sanitária da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, 2004.
Cap. 10, p. 457-525.
TSUTIYA, Milton. Abastecimento de água. 2. ed. São Paulo: Departamento de
Engenharia Hidráulica e Sanitária da Escola Politécnica da Universidade de São
Paulo, 2004. 643 p.
ANEXO A