Metodologia para otimização da regra de operação e avaliação do custo do ciclo de vida de sistemas de bombeamento de água

Abstract

Os sistemas de bombeamento de água são estruturas importantes para a garantia de fornecimento de água potável às populações. No entanto, o custo do ciclo de vida desses sistemas pode torná-los inviáveis, especialmente devido ao custo de implantação e ao custo de operação, que constituem a maior parcela do custo do ciclo de vida do sistema. A elevação no preço das tarifas de energia elétrica também tem colaborado significativamente para os aumentos nos custos operacionais dos sistemas, fazendo com que diversos estudos de eficiência energética tenham sido e continuem sendo realizados. Nesta pesquisa foi desenvolvido modelo de simulação, para representar o custo do ciclo de vida de um sistema de bombeamento de água com velocidade rotacional constante. Para minimizar o custo do ciclo de vida do sistema, foi definida uma função-objetivo e utilizado o algoritmo mono objetivo, denominado Shuffled Complex Evolution – University of Arizona (SCE-UA) para minimizar esta função. No programa desenvolvido, foram utilizados dois tipos de dados de entrada, o conjunto de combinações de três parâmetros geométricos que caracterizam o sistema, altura geométrica, comprimento e diâmetro interno da tubulação, e curvas adimensionais de consumo de água, obtidas a partir do monitoramento em sistemas de distribuição reais. Com os resultados gerados, foi possível realizar caraterização detalhada da regra de operação do sistema, a partir da qual foi possível determinar os pontos de operação nos quais a bomba trabalha com menor desgaste. Também foi possível avaliar a eficiência energética do sistema por meio de indicadores, determinar a necessidade e o custo de implantação de dispositivo de proteção contra transientes hidráulicos, determinar o custo do ciclo de vida e suas composições, e gerar valores de referência para alguns indicadores que podem ser úteis no dimensionamento e análise de projetos de sistemas de bombeamento de água com velocidade rotacional constante.

Water pumping systems are important for ensuring the supply of drinking water to populations. However, the life cycle cost of these systems can render them unaffordable, especially due to the implementation cost and the operating cost, which make up the largest part of the life cycle cost. The increased price of electricity fares has also contributed substantially to increases in the operating costs, causing an increased interest of researchers in studying energy efficiency. In this study, a simulation model was developed to represent the life cycle cost of a water pumping system with constant rotational speed. A modal optimization model named Shuffled Complex Evolution – University of Arizona (SCE-UA) was used to minimize system life cycle cost function. Two types of input data were used in the software developed: (i) combinations of three geometric parameters that characterize the system, geometric height, length, and internal diameter of the pipeline, and (ii) dimensional water consumption curves, obtained from monitoring real distribution systems. The results obtained provided a detailed characterization of the operating rule of the system, from which it was possible to determine the operation points in which the pump works with less wear. It was also possible to evaluate the energy efficiency of the system by means of indicators, to determine the need and cost of implementing a protection device against water hammer, to determine the life cycle cost and its components, and to generate reference values for indicators that may be useful in the design and analysis of water pumping systems with constant rotational speed.