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eficiência económica na operação de estações elevatórias de

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1. Fim da entrada de dados e defini es de ficheiros O Carregar o problema e verificar as unidades de caudal 74 Efici ncia Econ mica na Opera o de Esta es Elevat rias de Abastecimento de gua Comunicar ao Toolkit do EPANET o nome do ficheiro com a defini o da instala o extens o inp o nome do ficheiro para escrever o report da resolu o extens o rep e o nome do ficheiro bin rio de output extens o out ENopen input file report file output file Verifica o das unidades a utilizar na simula o Se o caudal n o estiver em Litros Segundo LPS termina a execug o do programa if ENgetflowunits LPS error Caudais n o est o em L s CORRIGIR else disp Caudal em Litros Segundo OK disp end Problema carregado e unidades de caudal verificadas po EE Abertura dos ficheiros nome do problema inicial INP e nome do problema final INP com as configura es inicial e final da instalag o simulada geometria consumos padr es etc inicial file strcat flnam global inicial inp final file strcat flnam global final inp Gravar no ficheiro flnam global inicial inp a configura o inicial da instala o elevat ria a simular geometria consumos padr es etc ENsaveinpfile inicial file Contagem de componentes da rede a simular n mero de n s tubos reser
2. Matriz coluna para registar o volume necess rio elevar em cada per odo 1 1 N periodos V horario 1 1 Matriz para registar o volume hor rio consumido 1 1 N pattern tstep V horario acum 1 1 Matriz para registar o volume hor rio consumido acumulado i 1 N pattern tstep horario elevar 1 1 Matriz coluna para registar o volume hor rio a elevar 1 1 N pattern tstep volume max 1 1 1 Volume m ximo admiss vel do Tank de ordem nt 1 1 N Tanks O VOL MAR ia Soma do volume m ximo dos n Tanks volume min 1 1 1 Volume m nimo admiss vel do Tank de ordem nt 1 1 N Tanks Uo VOL ss assadas Soma do volume m nimo dos n Tanks FIM da identifica o das VARI VEIS utilizadas FRA HH HH HH HH tr Procedimentos iniciais clear all Limpar da mem ria todas as vari veis fclose all Fechar todos os ficheiros que possam ter ficado abertos tic In cio da contagem do tempo para eventual acompanhamento da execu o do algoritmo echo off Desligar o report de ecr do Matlab clc Limpar o ecr error code 0 Iniciar a vari vel auxiliar de output das diversas fun es n o era necess rio iniciar Mr ym 13 Efici ncia Econ mica na Opera o de Esta es Elevat rias de Abastecimento de gua Abertura do EPANET estado 1 O par metro 1 f
3. e ENgetnodetype devolve o tipo de n jun o RNV ou para um n espec fico O c digo utilizado ENgetnodetype index do n e ENgetlinktype devolve o tipo de link tubagem bomba v lvula para um link espec fico O c digo utilizado ENgetlinktype ndex do link e ENgetlinkvalue devolve o valor de um par metro especificado de um link espec fico A chamada da fun o feita atrav s de p e ENgetlinkvalue ndex link EN DIAMETER e ENsetlinkvalue ajusta o valor de um par metro de um link O c digo a utilizar p e ENsetlinkvalue ndex link EN STATUS 61 Efici ncia Econ mica na Operac o de Estac es Elevat rias de Abastecimento de gua 62 ENgetnodevalue devolve o valor de um par metro especificado de um n espec fico A chamada da fun o feita atrav s de p e ENgetnodevalue ndex_n EN_DEMAND ENgetnodeindex devolve o valor do ndex de um n com um ID espec fico ENgetnodeindex ID ENgettimeparam devolve o valor de um par metro temporal de an lise espec fico ENgettimeparam EN DURATION ENgetpatternlen devolve o n mero de per odos temporais de um padr o espec fico Z getpatternlen index_padr o ENsetcontrol define os par metros de um controlo simples espec fico e j existente ENsetcontrol ndex_controlo EN_LOWLEVEL index_link_a_controlar status_link index_n _ de controlo press o
4. descarregue a biblioteca de fun es epanet2 error code ENepanet estado error code recebe a ac o de resposta da fun o ENepanet ver defini o detalhada em ENepanet m ENvariaveis globais 12 v01 96 Carregamento descarregamento das vari veis globais da biblioteca por script de estado 011 Fim do encerramento do EPANET 96 Fechar ficheiros fclose all Fechar todos os ficheiros que possam ter ficado abertos FIM B PROGRAMA QUE CALCULA A FUN O OBJECTIVO function f objectivo Fl obj ee vfinal 2 V acum O6 maneras rss rss rss rss serra ss rs ss ss rss rss Fun o function para o c lculo da Fun o Objectivo somat rio do comprimento e do custo da energia Declara o de Vari veis Globais adicionais global N Pumps N pattern tstep K K1 K2 V horario diametro eq N periodos horas periodo hi hf c time duration global V horario elevar Q elevar Q B P B V horario acum V agua reserv h agua reserv V elev periodo num bombas periodo alfa periodo energia periodo custo bomba periodo perc util periodo custo total bomba perc utilizacao custo total periodo 92 Efici ncia Econ mica na Opera o de Esta es Elevat rias de Abastecimento de gua V cons periodo h agua periodo V horario elevar zeros N pattern tstep 1 Q elevar zeros N pattern tstep 1 comprimento zeros N pattern tstep 1 V agua reserv zeros N pattern
5. ENopenH Opens the hydraulics analysis system ENinitH 1 Initializes storage tank levels link status and settings and the simulation clock time prior to running a hydraulic analysis o saveflag igual a 1 para gravar os resultados da simulag o hidr ulica para n o gravar colocar 0 tstep time step hyd Iniciar esta vari vel com um valor positivo para permitir a primeira execu o do ciclo while while tstep gt 0 time ENrunH for n 3 N pattern tstep 1 if time time step pattern n 2 consumo n 1 2ENgetnodevalue ii to nd EN DEMAND l s end end tstep ENnextH end Fechar a simula o e gravar os ficheiros de output extens o out e de report extens o rep da resolug o ENcloseH Closes the hydraulic analysis system freeing all allocated memory 85 Efici ncia Econ mica na Opera o de Esta es Elevat rias de Abastecimento de gua ENsaveH Transfers results of a hydraulic simulation from the binary Hydraulics file to the binary Output file where results are only reported at uniform reporting intervals FIM da simula o hidr ulica completa V horario zeros N pattern tstep 1 1 V horario acum zeros N pattern tstep 1 1 V cons cap min zeros N pattern tstep 1 1 V cons cap max zeros N pattern tstep 1 1 V elev acum i zeros N pattern tstep 1 1 V horario acum 1 1 0 V cons cap min 1 1 V horario acum
6. 6 100 15 7 21 0 8 86 0 O relat rio de energia gerado pelo EPANET encontra se na Tabela 15 50 Efici ncia Econ mica na Opera o de Esta es Elevat rias de Abastecimento de gua Tabela 15 Relat rio de Energia gerado pelo EPANET para o dia 08 de Janeiro de 2008 Factor de Rendimento Energia por Pot ncia Pot ncia Bomba Utiliza o M dio Volume M dia M xima a kWh m3 kW kW 1 75 54 81 85 0 43 1592 90 1600 08 1621 79 2 7 12 81 21 0 44 1556 51 1590 63 140 90 3 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 Custo Total 1762 68 5 3 3 AN LISE ECON MICA PARA ALGUNS CEN RIOS Para al m da optimiza o da opera o dos GE s o programa desenvolvido pode tamb m ser utilizado para analisar economicamente a tomada de algumas decis es respeitantes s caracter sticas da rede Neste ponto apresentam se os resultados econ micos para os cen rios diminuir a altura m nima de gua nos reservat rios ter um reservat rio em manuten o e aumentar o rendimento das bombas S o apenas apresentados os resultados para o dia 8 de Julho de 2008 Nesta sec o ser o apresentados os resultados di rios respeitantes ao factor de utiliza o dos GE s e custo da energia sendo que os restantes podem ser consultados no ANEXO F A Diminui o da altura m nima admiss vel de gua nos reservat rios Decidiu se relaxar a altura m nima de gua no reservat rio passando a tomar o valor de 1 5 m em v
7. podendo ser manipulado pelo utilizador para adequa o a aplica es espec ficas Para um conhecimento mais aprofundado do programa recomenda se a consulta do MANUAL DO UTILIZADOR EPANET 2 0 da autoria de Lewis A Rossman da United States Environmental Protection Agency e traduzido para portugu s pelo N cleo de Engenharia Sanit ria do Departamento de Hidr ulica e Ambiente do Laborat rio Nacional de Engenharia Civil LNEC Este cap tulo foi desenvolvido com base no documento referido procurando se expor ao leitor as funcionalidades do programa O EPANET 2 0 um programa desenvolvido pela U S Environmental Protection Agency EPA para estudar o comportamento hidr ulico e a qualidade da gua em redes de distribui o de gua em regime permanente Devido sua versatilidade pode ser aplicado em diferentes tipos de aplica es hidr ulicas tais como simula o e calibra o de redes 13 Efici ncia Econ mica na Operac o de Estac es Elevat rias de Abastecimento de gua As vantagens de utilizar este simulador s o as seguintes distribu do de forma gratuita nas vers es inglesa espanhola e portuguesa esta ltima traduzida pelo LNEC Acesso a uma Toolbox formada por uma colec o de mais de 50 fun es de programa o destinada ao desenvolvimento de interfaces computacionais que incorporem o EPANET 2 0 noutros modelos espec ficos como por exemplo o modelo utilizado neste trabalho
8. Dados gerais das v lvulas n inicial e final tipo di metro e setting Introdu o de Controlos Simples da forma LINK ID B1 OPEN IF NODE ID RNV BELOW 0 0 LINK ID Bi CLOSED IF NODE ID RNV ABOVE 10 0 LINK ID B2 OPEN IF NODE ID RNV BELOW 0 0 LINK ID B2 CLOSED IF NODE ID RNV ABOVE 10 0 30 Efici ncia Econ mica na Opera o de Esta es Elevat rias de Abastecimento de gua Em que ID Bl o identificador da bomba 1 e ID RNV o identificador do reservat rio de n vel vari vel Estes controlos devem ser introduzidos para as N bombas existentes no sistema Na Figura 14 est o alguns exemplos dos par metros listados acima Tank ARADCEO1 Valve 29572 Tank ID Valve ID X Coordinate 35022 82 3 Start Node Y Coordinate 206554 95 gt End Node Description Description Tag Elevation 1437 Tag Initial Level 2 Diameter Minimum Level 01 Type Maximum Level 54 Setting Diameter 254 Loss Coeff Minimum Volume Fixed Status Volume Curve gt Pl Pump ETAB120 Property Value Pump ID ETAB120 Start Node End Node CB EVI 2 Initial Status Effic Curve Energy Price Price Pattern Pipe 29571 Pipe ID Start Node End Node Description Tag Length Diameter Roughness Loss Coeff Initial Status Bulk Coeff Property Value 1571 45 1400 130 0 0 0 Cv Figura 14 Exemplos de janelas de p
9. energia el ctrica feita uma revis o peri dica do melhor tarif rio por instalag o sendo esta realizada internamente No que diz respeito compra de energia existe a preocupa o de contratar sempre o melhor fornecedor de energia sempre que haja condi es de mercado O or amento baseado no custo por unidade de previs o de consumo para o ano seguinte O investimento em efici ncia realizado com os mesmos crit rios de rentabilidade de todos os outros investimentos 12 Efici ncia Econ mica na Opera o de Esta es Elevat rias de Abastecimento de gua 3 FERRAMENTAS COMPUTACIONAIS UTILIZADAS NO DESENVOLVIMENTO DO ALGORITMO Para a constru o do algoritmo proposto neste trabalho utilizaram se dois softwares MATLAB e o EPANET 2 0 Neste cap tulo est o expostas as principais caracter sticas dos dois programas 3 1 EPANET 2 0 Para que o programa criado seja vi vel necess rio utilizar uma ferramenta que recolha algumas informa es necess rias ao funcionamento do algoritmo desenvolvido tais como padr es consumos n mero de componentes a analisar caracter sticas dos componentes da rede etc tamb m importante simular o resultado obtido atrav s da optimiza o O simulador hidr ulico mais utilizado em todo o mundo o EPANET 2 criado por Rossman 2000 para modelar o comportamento das redes hidr ulicas em regime de escoamento permanente um programa de dom nio p blico freeware
10. o dos consumos de energia el ctrica no ano de 2007 sendo claramente evidente a exist ncia de 6 instala es respons veis pelo consumo de 97 da energia el ctrica EE BOURO EE LAUNDOS OUTROS EE CASAIS 3 11 EE BARRADAS 12 24 Figura 5 Distribui o percentual do consumo anual de energia el ctrica nas guas do C vado SA no ano de 2007 Nesse mesmo ano a despesa total com a factura el ctrica dessas 6 instala es correspondeu a aproximadamente 94 da despesa total da energia el ctrica da empresa conforme se pode verificar na Figura 6 Sendo as esta es elevat rias respons veis por cerca de 73 dessa factura 11 Efici ncia Econ mica na Opera o de Esta es Elevat rias de Abastecimento de gua EELAUNDOS_ EEBOURO 1 4 1 6 OUTROS 5 9 EE CASAIS 0 12 9 0 BARRADAS ON 12 6 ETA 22 9 Figura 6 Distribuig o percentual do custo anual com energia el ctrica nas guas do C vado SA no ano de 2007 Existe actualmente na empresa um plano de gest o de energia el ctrica formalizado definido pelo gestor de energia el ctrica ou por um chefe de departamento O gestor de energia responde perante o chefe de departamento respons vel pela energia el ctrica H uma monitorizac o mensal do consumo e do custo com base nas facturas de energia el ctrica estabelecida uma meta global no sentido de diminuir o consumo e contabiliza se a poupan a anual No que diz respeito
11. os resultados foram simulados no EPANET obtendo se pequenas diferen as entre o custo calculado pelo ltimo e pelo programa para o dia de hora legal de Ver o obteve se um custo inferior em 2 no simulador devido impossibilidade de cumprimento dos n veis de gua inicial e final no reservat rio em cada per odo e para o de Inverno o custo praticamente igual nos dois casos O programa desenvolvido tem tamb m a funcionalidade de avaliar economicamente a tomada de algumas decis es relativas ao sistema como por exemplo aumentar o rendimento dos grupos elevat rios Palavras Chave abastecimento de gua efici ncia econ mica esta es elevat rias pol tica operacional optimiza o ABSTRACT In water supply systems pumping water represents a large share in the total cost of electricity Due to high electricity consumption to pump water from pumping stations for tanks an annual reduction of 1 or 2 can mean a saving of several thousand euros The definition of an optimal operational policy of pumps has become a practical and effective approach to achieve economic efficiency in these systems without the need to change the infrastructure The variation throughout the day of electricity charge makes this problem more complex it is necessary to reduce the time of operation of pumps during the period that corresponds to more expensive energy In this study the day is divided in intervals corresponding to periods of energy charge
12. ou s Check Valve do n mero de v lvulas e do n mero de bombas N_Pipes 0 Iniciar o contador de condutas pipes N_Valves 0 Iniciar o contador de v lvulas N_Pumps 0 Iniciar o contador de bombas for 1 1 N_links if ENgetlinktype i EN_CVPIPE ll ENgetlinktype i N_Pipes N_Pipes 1 76 Efici ncia Econ mica na Opera o de Esta es Elevat rias de Abastecimento de gua elseif ENgetlinktype i PRV Il ENgetlinktype i EN_PSV ENgetlinktype i EN PBV Il ENgetlinktype i EN ENgetlinktype i ENgetlinktype i GPV N_Valves N Valves 1 elseif ENgetlinktype i EN PUMP N Pumps Pumps 1 end end Determina o e armazenamento na matriz coluna i to np do index do link correspondente ao GE de ordem np to np zeros N Pumps 1 Iniciar a matriz coluna que armazena o index do link correspondente a cada GE np 0 Iniciar o contador do n mero de ordem de cada GE Pump name cell N_Pumps 1 creating a cell array for 1 1 N_links if ENgetlinktype i EN PUMP np np 1 ii to_np np 1 i Passar a designa o do Grupo Elevat rio GE para a matriz com as designa es cell array tline ENgetlinkid 1 Pump name np 1 sscanf tline s 1 inf end end Determina o e armazenamento na matriz coluna 1 to nt do index do
13. press o e qualidade da gua Os n s podem ainda apresentar as seguintes caracter sticas consumo vari vel no tempo m ltiplas categorias de consumo associadas ter consumos negativos indicando que h entrada de gua na rede constituir origens de qualidade da gua e conter dispositivos emissores do tipo orif cio 3 1 4 5 V lvulas S o tro os que limitam a press o ou o caudal num ponto particular da rede Os principais dados a introduzir s o n s inicial e final di metro par metro de controlo na v lvula e estado Os principais resultados obtidos s o o caudal e a perda de carga Os principais tipos de v lvula existentes no programa s o v lvula de controlo da press o a jusante ou v lvula redutora de press o VRP v lvula de controlo da press o a montante ou v lvula de al vio VA v lvula de perda de carga fixa VPCF e v lvula reguladora de caudal VRC 3 1 5 COMPONENTES N O F SICOS DA REDE Adicionalmente aos componentes f sicos o EPANET permite definir categorias de informa o sobre a rede curvas padr es e controlos que descrevem o comportamento e os aspectos operacionais de um sistema de distribui o de gua 17 Efici ncia Econ mica na Opera o de Esta es Elevat rias de Abastecimento de gua 3 1 5 1 Curvas As curvas cont m pares de dados que representam uma rela o entre duas grandezas Dois ou mais componentes podem partilhar a mesma curva O EPANET permite utilizar o
14. um programa amplamente testado e aceite pela comunidade cient fica Facilidade de modela o e qualidade gr fica dos resultados A introdu o dos elementos de uma rede bastante simples 3 1 1 DESCRI O DO EPANET 2 0 Z O EPANET uma ferramenta que permite executar simula es din micas e est ticas do comportamento hidr ulico e de qualidade da gua de sistemas de distribui o de gua Uma rede constitu da por tubagens bombas v lvulas reservat rios de n vel fixo e ou reservat rios de n vel vari vel O EPANET permite obter os valores do caudal em cada tubagem da press o em cada n da altura de gua em cada reservat rio de n vel vari vel e da concentra o de esp cies qu micas atrav s da rede durante o per odo de simula o O EPANET foi concebido para ser uma ferramenta de apoio an lise de sistemas de distribui o podendo ser utilizado em diversas situa es onde seja necess rio efectuar simula es de sistemas como por exemplo estabelecimento de cen rios de projecto calibra o de modelos hidr ulicos an lise do decaimento do cloro residual avalia o de consumos O programa pode ainda ajudar e analisar estrat gias alternativas de gest o por forma a melhorar a qualidade da gua no sistema atrav s de por exemplo altera es na utiliza o da origem de gua num sistema com m ltiplas origens altera o do esquema de funcioname
15. xima Veonsi 12 Veo Velev i CAPm nima Veonsi 13 Sendo que i na equa o 12 corresponde hora anterior ao in cio do per odo de energia mais cara e na equa o 13 corresponde hora final do per odo de energia mais cara Supondo que o modelo de controlo tem como finalidade a pesquisa da melhor pol tica operacional para um dia esperado m dio faz sentido admitir que este dia seja sucedido por outro de caracter sticas id nticas Em termos pr ticos esta hip tese obriga a que o volume de gua existente no reservat rio nos instantes inicial e final do per odo de 24 horas em estudo seja o mesmo 29 Efici ncia Econ mica na Operac o de Estac es Elevat rias de Abastecimento de gua 4 2 FUNCIONAMENTO DO PROGRAMA DE OPTIMIZA O O programa proposto neste trabalho calcula a energia consumida por uma EE e o respectivo custo O per odo de an lise dever ser de 24 horas A EE poder estar equipada com v rios GE s eventualmente com distintas curvas caracter sticas CCB s e curvas de rendimentos CRB s S o quantificados para cada um dos GE s o consumo de energia o respectivo custo a percentagem de tempo de opera o pot ncia m dia rendimento m dio etc O comportamento dos reservat rios abastecidos tamb m observado e representado graficamente O caudal total produzido e consumido calculado e representado graficamente O programa de optimiza o foi desenvolvido no
16. 09 00 12 00 3 4 98 2 00 6 12 00 24 00 12 2 00 2 00 C CEN RIO DE AUMENTO DO RENDIMENTO DOS GE s Tabela F 5 N mero de bombas necess rias em cada per odo de tarif rio de energia e percentagem de utilizac o para o cen rio de aumento do rendimento dos GE s Factor de Utilizac o Hora Hora N horas N de bombas 50 Custo Periodo inicial final per odo necess rias Bombai Bomba Bombad Bomba 1 00 00 02 00 2 2 100 0 18 8 140 2 26 2 2 02 00 06 00 4 2 100 0 26 6 261 8 69 1 3 06 00 07 00 1 1 100 00 0 0 70 1 0 4 07 00 09 00 2 1 71 1 0 0 146 6 0 5 09 00 12 00 3 1 14 9 0 0 57 2 0 6 12 00 00 00 12 1 91 8 0 0 1135 5 0 Tabela F 6 Resultados obtidos para o n vel de gua inicial e final no reservat rio para cada per odo para o dia 8 de Julho de 2008 para o cen rio de aumento do rendimento dos GE s Penedo Hora Hora N horas N vel de gua N vel de gua inicial final per odo Inicial m Final m 1 00 00 02 00 2 2 00 2 00 2 02 00 06 00 4 2 00 2 98 3 06 00 07 00 1 2 98 4 98 4 07 00 09 00 2 4 98 4 98 5 09 00 12 00 3 4 98 2 00 6 12 00 24 00 12 2 00 2 00 118
17. 1 1 vol min K V cons cap max 1 1 V horario acum 1 1 vol max K V elev acum i 1 1 2 V cons cap min 1 1 V cons cap max 1 1 2 V horario N pattern tstep 1 2consumo N pattern tstep 1 3 6 K for n 2 N_pattern_tstep 1 V horario n 1 2consumo n 1 3 6 K V horario acum n 1 V horario acum n 1 1 V horario n 1 m3 K V cons cap min n 1 V horario acum n 1 x vol min K m3 K V cons cap max n 1 V horario acum n 1 x vol max K m3 K V elev acum i n 1 2 V cons cap min n V cons cap max n 1 2 m3 K end Defini o do estado inicial das bombas deixa se uma bomba ligada Ensetlinkvalue ii to np 1 1 EN INITSTATUS 1 for np 2 N Pumps ip ii to np np 1 Ensetlinkvalue ip EN INITSTATUS 0 86 Efici ncia Econ mica na Opera o de Esta es Elevat rias de Abastecimento de gua end Introdu o das regras simples de opera o 1 0 for np 1 N Pumps ip ii to np np 1 it ii to nt 1 1 i i 1 setting 1 1 ENsetcontrol i EN LOWLEVEL ip setting l t h min 1 1 i i 1 setting 0 0 ENsetcontrol i EN HILEVEL ip setting O it h max 1 1 end In cio do C lculo da fun o objectivo Defini o das restri es de igualdade if quest tarif 1 A eq zeros 3 N pattern tstep 1 b eg zeros 3 1 A_eq 1 1 1 A_eq 1 N_pattern_tstep 1 1 A_eq 2 10 1 A_eq 3 13 1 b_eq 1 1 V_cons_cap_max N_pattern_tstep 1 1 V_cons_cap_max 1 1 b_eq 2 1 V_cons_cap_max 10 1 b_eq 3 1 V_cons_cap
18. 3 O Vila Nova de Famalic o a Balazar Ribeir o Areias Fradelos Lousado Industrial pr 38 Othe Santo Tirso AAA Lousado ZA p 9 SM do Campo ee Esta o de Tratamento de Agua o Esta o Elevat ria O Reservat rio O Infraestruturas em Constru o O Condutas om Infraestruturas em Constru o em Figura 2 Sistema Multimunicipal de Abastecimento de gua ao Baixo C vado e Ave Efici ncia Econ mica na Opera o de Esta es Elevat rias de Abastecimento de gua 2 OPERA O DE SISTEMAS DE ABASTECIMENTO DE GUA 2 1 REVIS O DA LITERATURA As esta es elevat rias s o os elementos dos sistemas adutores de gua que consomem mais energia podendo representar at 90 do custo total de energia el ctrica da empresa As recentes crises energ ticas e a necessidade de conten o de despesas de opera o levam a uma preocupa o com a redu o do custo da energia el ctrica nesses sistemas tornando se por isso imprescind vel a optimiza o do funcionamento das esta es elevat rias para evitar que politicas operacionais inadequadas prejudiquem os resultados financeiros das empresas ou o custo final da gua Segundo L pez Ib ez et al 2005 O elevado n mero de elementos pass veis de terem o seu estado alterado em cada hora torna complexa a tarefa dos operadores desses sistemas em definir num determinado instante qual a melhor combina o do estado operacional das
19. Distribuig o percentual do custo anual com energia el ctrica nas guas do C vado SA no MO atada 12 Figura 7 Componentes F sicos de um Sistema de Distribui o de Agua 16 Figura 8 Exemplo de curva da bomba com um e v rios pontos nn ncnnnnncnnnnns 18 Figura 9 Exemplo de uma curva de rendimento era eene 19 Figura 10 Exemplo de um padr o temporal uussnsssssnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn 20 Figura 11 Exemplo de controlos simples Rossman 2000 rr 21 Figura 12 Exemplo de controlos com condi es m ltiplas 22 Figura 13 Exemplo de controlos com condi es m ltiplas 22 Figura 14 Exemplos de janelas de propriedades do EPANET 2 0 31 Figura 15 Representa o do sistema adutor 8 36 Figura 16 Curva caracter stica das bombas existentes na 38 Figura 17 Curva de rendimentos das bombas existentes na 38 Figura 18 Factores hor rios de consumo de gua para o dia 8 de Julho de 2008 40 Figura 19 Factores hor rios de consumo de gua para o dia 8 de Janeiro de 2008 40 Figura 20 Vari
20. PORTO FEUP FACULDADE DE ENGENHARIA UNIVERSIDADE DO PORTO EFICIENCIA ECONOMICA NA OPERACAO ESTACOES ELEVATORIAS DE ABASTECIMENTO DE AGUA Ana Isabel Fragoso Lopes Ventura da Costa Disserta o submetida para satisfa o parcial dos requisitos do grau de MESTRE EM ENGENHARIA DO AMBIENTE ESPECIALIZA O EM GEST O Orientador FEUP Professor Doutor Manuel Maria Pacheco Figueiredo Orientador guas do C vado SA Engenheiro Nuno Aguilar JULHO DE 2009 MESTRADO INTEGRADO ENGENHARIA DO AMBIENTE 2008 2009 DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE MINAS Tel 351 22 508 1960 Fax 351 22 508 1448 lima fe up pt Editado por FACULDADE DE ENGENHARIA DA UNIVERSIDADE DO PORTO Rua Dr Roberto Frias 4200 465 PORTO Portugal Tel 351 22 508 1400 Fax 351 22 508 1440 feup fe up pt http www fe up pt Reprodu es parciais deste documento ser o autorizadas na condi o que seja mencionado o Autor e feita refer ncia a Mestrado Integrado em Engenharia do Ambiente 2008 2009 Departamento de Engenharia de Minas Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto Porto Portugal 2009 As opini es e informa es inclu das neste documento representam unicamente o ponto de vista do respectivo Autor nao podendo o Editor aceitar qualquer responsabilidade legal ou outra em relac o a erros ou omiss es que possam existir Este documento foi produzido a partir de vers o electr nica forn
21. PP Multiplier 1 015 1 332 1454 1 533 1 367 0886 06566 08 0123 45 6 7 8 9 1011 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Time Time Period 1 00 hrs DK Cancel Help Figura 10 Exemplo de um padr o temporal S o um conjunto de instru es de opera o da rede ao longo do tempo Especificam o estado dos tro os em fun o do tempo altura de gua num RNV e valores de press o em pontos espec ficos da rede Existem duas categorias de controlos Controlos Simples Controlos com Condi es M ltiplas A Controlos Simples 20 Efici ncia Econ mica na Opera o de Esta es Elevat rias de Abastecimento de gua Os controlos simples alteram o estado ou as propriedades de um tro o com base nos seguintes par metros altura de gua num RNV press o num n instante de simulac o instante do dia Na Figura 11 apresentam se alguns exemplos de controlos simples N o existe limite para o n mero de controlos simples utilizados Sienificado Fechar o Troco 12 se a altura no RNV 23 exceder 6 m Abrir o Troco 12 se a press o no N 130 for inferior a 30 m Ajustar a regula o de LINK 12 1 5 AT TIME 16 velocidade da bomba 12 para 1 5 s 16 horas de simula o 3 O Trogo 12 repetidamente LINK 12 CLCSED AT CLOCKTIME 20 AM 3 fechado s 10 AM e aberto s LINK 12 OPEN AT CLOCKTIME 8 PM 8 PM ao longo da simula o Figura 11 Exemplo de contro
22. TON TmES s N mero de links condutas Pipes condutas c v lvulas de reten o CV Check Valve v lvulas Valves bombas Pumps 96 IN Odes aiias N mero de n s generalizados n s Junctions Reservoirs RNF Tanks RNV node name 1 1 Vector com as designa es dos n s a que os padr es de consumo est o associados 1 1 N nodes do IN Contador de padr es temporais consumos precos etc pattern tstep N mero de incrementos temporais time step do padr o de consumo To IN periodos ansoza Vari vel para registar o n mero de per odos de tarif rio de energia existentes Vo IN PIpes siens Contador do n mero de condutas Pipes c ou s Check Valve N_PUMps 054200 Contador do n mero de Grupos Elevat rios GE To IN ResetvVs unus Contador do n mero de Reservoirs wN Res Tanks cni Contador do n mero de Reservoirs Tanks RNV Jo IN DANS ius Contador do n mero de Tanks RNV do N Vale Contador do n mero de v lvulas Valves num bombas periodo 1 1 Matriz coluna para registar o n mero de bombas necess rias em cada per odo 151 periodos output file Vari vel com o nome global do problema e extens o out define o nome do ficheiro bin rio de output extens o out To P Bi a lis Matriz coluna com a pot ncia acumulada dos GE s 1 1 N Pumps 71 Efici ncia Econ mica na O
23. admiss vel em cada c lula n fprintf 1 n quest input As c lulas s o iguais Sim gt 1 N o gt 0 80 Efici ncia Econ mica na Opera o de Esta es Elevat rias de Abastecimento de gua if quest 1 fprintf 1 n h_max input Qual a altura m xima de gua em metros fprintf 1 n h min input Qual a altura m nima de gua em metros fprintf 1 n diametro input Qual o di metro em metros TPTIHIN QE am a nidad wm fprintf 1 n vol max pi diametro 2 h max 4 N Tanks vol min pi diametro 2 h min 4 N Tanks end if quest 0 h max zeros N Tanks 1 h min zeros N Tanks 1 diametro zeros N_Tanks 1 for nt 1 N Tanks fprintf 1 C lula g nt fprintf 1 n h max nt 1 input Qual a altura m xima de gua em metros fprintf 1 n h_min nt 1 input Qual a altura m nima de gua em metros fprintf 1 n diametro nt 1 input Qual o di metro em metros iiL M n fprintf 1 n end volume_max_i zeros N_Tanks 1 volume_min_i zeros N_Tanks 1 for nt 1 N Tanks volume_max_i nt 1 pi0 diametro nt 1 2 h max nt 1 4 volume min i nt 1 pi diametro nt 1 2 h min nt 1 4 end vol max sum volume max 1 vol min sum volume min 1 end diametro eq sqrt 4 vol max pi h max 81 Efici ncia Econ mica na Opera o de Esta es Elevat rias de Abastecimento de gua Actualiza o na rede d
24. clientes finais para o per odo de hora legal de Ver o para um dia til ERSE 2008 Per odo de hora legal de Inverno 23 00 0 00 4 99 22 00 2 00 21 00 3 00 20 00 4 00 19 00 5 00 18 30 18 00 6 00 17 00 7 00 8 00 16 00 9 00 15 00 09 30 Hora de Super Vazio 14 00 10 00 Hora de Vazio 11 00 Hora de Cheias 13 00 12 00 Hora de Ponta Figura 4 Per odos hor rios de entrega de energia el ctrica a clientes finais para o per odo de hora legal de Inverno para um dia til ERSE 2008 Efici ncia Econ mica na Operac o de Estac es Elevat rias de Abastecimento de gua Como se pode verificar nas figuras anteriores a principal diferenga dos per odos apresentados que para a hora legal de Inverno existem dois per odos de hora de ponta enquanto que no Ver o s existe um Neste estudo considerou se que os pre os praticados correspondem aos valores de energia el ctrica fornecida em alta tens o para tarifas de longas utiliza es pois o que se passa no sistema estudado Os pregos da energia aplicados em cada per odo em euros por quilowatt hora KWh est o representados na Tabela 1 Tabela 1 Pre os em kWh da energia el ctrica fornecida em alta tens o para tarifas de longas utiliza es ERSE 2008 Per odo de Inverno Per odo de Ver o Horas de ponta 0 0820 0 0821 Horas cheias 0 0636 0 0660 Horas de vazio normal 0 0424 0 0449 Horas de super vazi
25. clocktime gt 2 00 and system clocktime 7 00 and tank ARADCEO1 level gt 4 98 and tank ARADCEO2 level gt 4 98 then pump ETAB117 status is closed if system clocktime gt 2 00 and system clocktime lt 7 00 and tank ARADCEO1 level lt 3 1 or system clocktime gt 2 00 and system clocktime lt 7 00 and tank ARADCEO2 level lt 3 1 then pump ETAB117 status is open 4 b Cancel Help Click Help to review format of Controls statements 2 Figura 13 Exemplo de controlos com condi es m ltiplas Efici ncia Econ mica na Opera o de Esta es Elevat rias de Abastecimento de gua As regras ilustradas na Figura 13 definem o estado das bombas consoante o per odo do dia e o n vel da gua nos RNV s 3 2 MATLAB O Matlab Matrix Laboratory um programa de computador de uso espec fico para executar c lculos cient ficos e de engenharia Inicialmente foi criado como um programa para opera es matem ticas sobre matrizes mas ao longo dos anos transformou se num sistema computacional flex vel capaz de resolver essencialmente qualquer problema t cnico O programa Matlab utiliza uma linguagem espec fica similar a outras linguagens de programa o e oferece uma ampla biblioteca de fun es predefinidas para que a programa o t cnica se torne mais f cil e eficiente Na constru o do algoritmo desenvolvido utilizaram se essencialmente ciclos for while e if e comandos para leitura de fichei
26. clocktime lt 2 00 and tank ARADCEO level lt 2 01 then pump ETAB141 status is open priority 10 107 Efici ncia Econ mica na Operac o de Estac es Elevat rias de Abastecimento de gua Rule 20 1f system clocktime gt 2 00 and system clocktime lt 6 00 and tank ARADCEO level gt 4 98 then pump ETAB120 status is closed priority 10 Rule 21 1f system clocktime gt 2 00 and system clocktime lt 6 00 and tank ARADCEOI level lt 2 5 then pump ETAB120 status is open priority 10 Rule 22 1f system clocktime gt 2 00 and system clocktime lt 6 00 and tank ARADCEOI level gt 2 94 then pump ETAB141 status is closed priority 10 Rule 23 if system clocktime gt 2 00 and system clocktime lt 6 00 and tank ARADCEOI level lt 2 06 then pump ETAB141 status is open 108 Efici ncia Econ mica na Opera o de Esta es Elevat rias de Abastecimento de gua priority 10 Rule 30 if system clocktime gt 6 00 and system clocktime lt 7 00 and tank ARADCEOI level gt 4 98 then pump ETAB120 status is closed priority 10 Rule 31 if system clocktime gt 6 00 and system clocktime lt 7 00 and tank ARADCEO1 level lt 4 69 then pump ETAB120 status is open priority 10 Rule 32 1f system clocktime gt 6 00 and system clocktime lt 7 00 and tank ARADCEO1 level gt 4 77 then pump ETAB141 status is closed priority 10 Rule 33 1f system clocktime gt 6
27. e v rios pontos B Curva de Rendimento da Bombas Este tipo de curva relaciona o rendimento do grupo electrobomba eixo das ordenadas em percentagem com o caudal bombeado eixo das abcissas nas unidades respectivas a esta grandeza 18 Efici ncia Econ mica na Opera o de Esta es Elevat rias de Abastecimento de gua A curva de rendimento apenas utilizada para c lculos energ ticos e se n o for fornecida para uma bomba espec fica deve fixar se um valor global constante para o rendimento atrav s do editor de Op es de Energia Como para a curva da bomba tamb m a curva de rendimento gerada a partir de pares de valores introduzidos pelo utilizador Um exemplo deste tipo de curvas est exposto na Figura 9 Curve Editor Curve ID Description Rend Curve Type EFFICIENCY v Flow Efficiency M eg 615 8 45 80 2 75 678 8 60 570 565 791 6 76 8 60 u 915 6 88 Pe 1004 7 82 458 800 900 1 000 Flow LPS Load Save DK Cancel Help Figura 9 Exemplo de uma curva de rendimento C Curva de Volume Este tipo de curvas utilizado quando necess rio representar com exactid o um RNV para o qual a respectiva sec o varia com a altura Relacionam o volume de gua dispon vel no reservat rio eixo das ordenadas com a altura de gua eixo das abcissas As alturas de gua m nima e m xima da curva de volume devem conter os valores m ni
28. em 2009 em http www aguas cavado pt COULBECK B AND C H ORR 1982 Optimized Pump Scheduling for Water Supply Systems IFAC Third Symposium Control of Distributed Parameter Systems Toulouse France COULBECK B M BRDY AND C H ORR 1987 Exact Incorporation of Maximum Demand Charges in Optimal Scheduling of Water Distribution Systems IFAC Tenth Triennial World Congress Munich Federal Republic of Germany pp 359 364 ERSE 2008 Tarif rio de Venda de Energia El ctrica a Clientes Finais Despacho n 22 2008 Portugal Entidade Reguladora dos Servigos Energ ticos FIGUEIREDO M M amp MARTINS J M 2007 Minimizac o do Custo da Energia em Esta es Elevat rias de Abastecimento de gua GOLDMAN F E SAKARYA A B A ORMSBEE L E UBER J G MAYS L W 2000 Optimization Models for Operations in Mays L ed Water Distribution Systems Handbook American Water Works Association McGraw Hill New York pp 16 1 16 47 JOWITT P W AND GERMANOPOULOS G 1992 Optimal pump scheduling in water supply networks Journal of Water Resources Planning and Management Asce 118 4 406 422 KO S K OH M H FONTANE D G 1997 Multiobjective Analysis of Service Water Transmission Systems Journal of Water Resources Planning and Management v 123 n 2 March p 79 83 LNEC 2004 Manual do utilizador do EPANET 2 0 Simulac o hidr ulica e de par metros de qualidade em sistemas de
29. no n vel m nimo no final da mesma e o n vel inicial e final s o aproximadamente o mesmo No que diz respeito ao factor de utiliza o das bombas em cada per odo obtiveram se os resultados presentes na Tabela 9 Tabela 9 Resultados da simulac o para o factor de utilizac o de cada bomba para cada per odo Factor de Utilizac o did Bomba 1 Bomba 2 1 100 18 2 100 26 3 100 0 4 69 0 5 16 0 6 89 0 46 Efici ncia Econ mica na Opera o de Esta es Elevat rias de Abastecimento de gua O relat rio de energia gerado pelo EPANET encontra se na Tabela 10 Tabela 10 Relat rio de Energia gerado pelo EPANET Factor de Rendimento Energia por Pot ncia Pot ncia Custo Bomba Utiliza o M dio Volume M dia M xima dia 99 99 kWh m3 kW kW 1 81 36 81 98 0 43 1598 68 1600 08 1816 74 2 5 92 81 49 0 44 1568 53 1590 63 95 06 3 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 Custo Total 1911 80 5 3 2 DIA 08 DE JANEIRO DE 2008 TARIF RIO DE HORA LEGAL DE INVERNO 5 3 2 1 Resultados Obtidos com o Programa de Optimizac o Tal como j referido o dia aqui em estudo enquadra se no tarif rio correspondente hora legal de Inverno Tal como definido em 2 3 este tarif rio foi dividido em 8 per odos Portanto neste ponto s o apresentados os resultados para esses per odos O n mero de bombas necess rias para elevar o volume necess rio em cada per odo tarif r
30. nos n s cada uma com um padr o pr prio de varia o temporal modela o da rela o entre press o e caudal efluente de dispositivos emissores possibilidade de basear as condi es de opera o do sistema em controlos simples dependentes de uma s condi o ou em controlos com condi es m ltiplas PASSOS A SEGUIR NA UTILIZA O DO EPANET A modela o de um sistema de distribui o de gua atrav s do EPANET utiliza tipicamente os seguintes passos a b c d e f desenhar uma representag o esquem tica do sistema de distribuig o ou importar uma descrig o base do sistema a partir de um ficheiro de texto editar as propriedades dos objectos que constituem o sistema descrever as condi es de operacionalidade do sistema seleccionar um conjunto de op es de simula o executar uma simula o hidr ulica ou de qualidade da gua visualizar os resultados da simula o COMPONENTES F SICOS DA REDE O EPANET modela um sistema de distribui o de gua como sendo um conjunto de tro os ligados a n s Os tro os representam as tubagens bombas e v lvulas de controlo Os n s representam jun es reservat rios de n vel fixo RNF e reservat rios de n vel vari vel RNV A Figura 7 ilustra o modo como estes objectos se podem ligar entre si por forma a constituir uma rede LNEC 2004 15 Efici ncia Econ mica na Operac o de Estac es Elevat rias de Abastecimento de gua
31. ou altura agua n ENopenH inicializa a an lise do sistema hidr ulico Possibilita a realizag o de uma simulag o din mica com acesso a resultados em cada intervalo de tempo definido ENinitH atribui valores aos n veis dos reservat rios estado dos links bombas v lvulas e tempo da simula o antes de fazer uma an lise hidr ulica Deve suceder a chamada da fun o ENopenH ENitiH 1 ENrunH realiza a an lise hidr ulica num certo per odo de tempo t particular da simula o total t ENrunH ENnextH controla atrav s da vari vel tstep o tempo decorrido da simula o hidr ulica tstep ENnextH ENcloseH encerra a an lise hidr ulica da rede uma vez percorridos todos os intervalos de tempo da simula o hidr ulica ENsaveH transfere os resultados da simula o hidr ulica do ficheiro bin rio hidr ulico para o ficheiro bin rio de output onde os resultados s o reportados em intervalos de tempo uniformes ENreport escreve um relat rio de texto formatado com os resultados da simula o no ficheiro de report Efici ncia Econ mica na Opera o de Esta es Elevat rias de Abastecimento de gua ANEXO B FICHEIROS DE TEXTO COM OS TARIF RIOS DE ENERGIA 63 Efici ncia Econ mica na Opera o de Esta es Elevat rias de Abastecimento de gua A FICHEIRO DE TEXTO CORRESPONDENTE AO TARIF RIO DE ENERGIA EL CTRICA PARA O PER ODO DE HORA LEGAL DE VER O Tarif
32. rio correspondente capacidade dos n RNV s existentes DT periodo in Matriz para registar o tempo em segundos que a bomba n tem de estar a funcionar no per odo 1 i21 N periodos e n 1 N Pumps duracao horas Vari vel com a dura o em horas da simula o do comportamento da instala o pelo Epanet energia 1 1 Matriz coluna para registar a energia total em kWh consumida por cada GE da EE no per odo de tempo simulado i 1 N_Pumps energia_periodo i 1 Matriz coluna para registar a energia total em kWh consumida por cada GE da EE em cada per odo de tarif rio 151 periodos 96 estado Vari vel auxiliar para definir o estado do EPANET defini o detalhada em ENepanet m final file Vari vel com o nome do ficheiro inp com a configurac o final do problema flnam global Vari vel com o nome global do problema s extens o h agua periodo 1 1 Matriz coluna para registar a altura da gua no final do per odo i 1 1 N periodos h agua reserv n l Matriz coluna com a altura de gua nos reservat rio em cada periodo n n 1 N periodos 9o HB Ll iun Matriz coluna para registar a altura manom trica das bombas 1 Pumps Nt bloss Matriz para registar o conte do do ficheiro de texto que cont m o tarif rio de energia i21 N periodos T h Max Vector com as a
33. rio de Energia para o per odo de Ver o DIA TIL N mero de per odos tarif rios 6 Hora In cio Hora Fim Custo kWh 0 2 0 0449 2 6 0 0419 6 7 0 0449 7 9 0 0660 9 12 0 0821 12 24 0 0660 FIM B FICHEIRO DE TEXTO CORRESPONDENTE AO TARIF RIO DE ENERGIA EL CTRICA PARA O PER ODO DE HORA LEGAL DE INVERNO Tarif rio de Energia para o per odo de Inverno DIA TIL N mero de per odos tarif rios 8 Hora In cio Hora Fim Custo kWh 0 2 0 0424 2 6 0 0396 6 7 0 0424 7 9 0 0636 9 12 0 0820 12 18 0 0636 18 21 0 0820 21 24 0 0636 FIM 65 Efici ncia Econ mica na Opera o de Esta es Elevat rias de Abastecimento de gua ANEXO C PROGRAMA DESENVOLVIDO 67 Efici ncia Econ mica na Operac o de Estac es Elevat rias de Abastecimento de gua A PROGRAMA PRINCIPAL programa epanet energia ee Programa para c lculo da energia consumida por uma Esta o Elevat ria EE e do respectivo custo O periodo em an lise devar ser de 24 horas No caso de se simular um per odo m ltiplo dois ou mais dias ser o calculados valores m dios di rios A Esta o Elevat ria poder estar equipada com v rios grupos elevat rios GE s eventualmente com distintas Curvas Caracter sticas CCB s e Curvas de Rendimentos CRB s S o quantificados para cada um dos GE s o consumo de energia o respectivo custo a percentagem de tempo de opera o pot ncia m di
34. s da fun o fmincon O c lculo da fun o objectivo baseia se no modelo de controlo exposto em 4 1 calculando para cada per odo o caudal que necess rio elevar o n mero de GE s que necess rio ligar e o tempo que t m de permanecer ligados a energia consumida por cada bomba e o seu custo Neste passo pede se ao utilizador que defina os coeficientes K1 e K2 correspondentes aos coeficientes e Wg expostos no cap tulo 4 1 2 Envio dos resultados finais para o monitor Os resultados finais enviados para o monitor s o o custo final de energia el ctrica a percentagem de utiliza o de cada GE o n mero de bombas a utilizar em cada per odo tarif rio bem como o tempo em que devem permanecer ligados e os n veis de gua no reservat rio iniciais e finais para cada per odo O c digo utilizado para o desenvolvimento do programa encontra se no ANEXO C 33 Efici ncia Econ mica na Opera o de Esta es Elevat rias de Abastecimento de gua 9 APLICACAO DO PROGRAMA OPTIMIZA O A UM CASO REAL Para comprovar os resultados alcan ados pelo programa de optimiza o criado necess rio aplic lo a um sistema real cuja rede hidr ulica esteja representada no programa EPANET 2 0 Para tal estudou se um trecho do Sistema Multimunicipal de Abastecimento de gua do Baixo C vado e Ave que engloba a esta o elevat ria que comporta maiores encargos em termos de factura energ tica 5 1 CARACTERIZA O
35. sem a necessidade de investimentos para alcan ar essa racionaliza o bem como a possibilidade de avaliar a poupan a ou encargo de diferentes ac es que possam ser tomadas sobre o sistema por exemplo alterar a capacidade de um reservat rio A interface computacional proposta foi escrita na linguagem de programa o MATLAB com a finalidade de promover a integra o de um m dulo optimizador e um m dulo de simula o hidr ulica representado pelo programa EPANET 2 0 respons vel pela obten o de dados necess rios ao funcionamento do programa e simula o do resultado obtido Para avaliar a metodologia proposta foi tomado como modelo uma pequena parcela do Sistema Multimunicipal de Abastecimento de gua ao Baixo C vado e Ave para servir de instrumento de verifica o da aplicabilidade da ferramenta desenvolvida a um sistema real Efici ncia Econ mica na Opera o de Esta es Elevat rias de Abastecimento de gua 1 1 A EMPRESA O presente estudo o resultado da colabora o entre a Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto e a empresa guas do C vado SA AdC Esta parceria permitiu assim concretizar em modelo de optimiza o da opera o de esta es elevat rias e test lo em parte do sistema adutor de abastecimento de gua desta ultima entidade AN GUAS vo yy C VADO eL gi Grupo guas de Portugal Figura 1 Log tipo da empresa A AdC foi criada pelo Decreto Lei n 102 95
36. transporte e distribuic o de gua IRAR LNEC 2004 Lisboa L PEZ IB NEZ M DEVI PRASAD T AND BEN PAECHTER 2005 Optimal pump scheduling Representation and multiple objectives In Dragan A Savic Godfrey A Walters Roger King and Soon Thiam Khu editors Proceedings of the Eighth International Conference on Computing and Control for the Water Industry CCWI2005 volume 1 pages 117 122 University of Exeter UK September 2005 57 Efici ncia Econ mica na Operac o de Estac es Elevat rias de Abastecimento de gua NITIVATTANANON V SADOWSKI C E QUIMPO R G 1996 Optimization of Water Supply System Operation Journal of Water Resources Planning and Management ASCE v 122 N 5 p 374 384 New York NY USA ORMSBEE L E LANSEY K E 1994 Optimal Control of Water Supply Pumping Systems Journal of Water Resources Planning and Mangement v 120 n 2 March p 237 252 OSTFELD A AND SHAMIR U 1993 Optimal Operation of Multiquality Networks I Steady State Conditions Journal of Water Resources Planning and Management Division ASCE Vol 119 No 6 pp 645 662 OSTFELD A AND SHAMIR U 1993 Optimal Operation of Multiquality Networks II Unsteady Conditions Journal of Water Resources Planning and Management Division ASCE Vol 119 No 6 pp 663 684 TSUTIYA M T 2001 Redu o do Custo de Energia El trica em Sistemas de Abastecimento de gua ABES 58 Efici ncia Econ mica na O
37. 00 and system clocktime lt 7 00 and tank ARADCEO1 level lt 4 65 109 Efici ncia Econ mica na Operac o de Estac es Elevat rias de Abastecimento de gua then pump ETAB141 status is open priority 10 Rule 34 1f system clocktime gt 7 00 and system clocktime lt 7 01 and tank ARADCEOI level gt 4 7 then pump ETAB120 status is closed priority 10 Rule 40 1f system clocktime gt 7 01 and system clocktime lt 9 00 and tank ARADCEOI level gt 4 98 then pump ETAB120 status is closed priority 10 Rule 41 if system clocktime gt 7 01 and system clocktime 9 00 and tank ARADCEO1 level lt 3 07 then pump ETAB120 status is open priority 10 Rule 42 1f system clocktime gt 7 00 110 Efici ncia Econ mica na Opera o de Esta es Elevat rias de Abastecimento de gua and system clocktime lt 9 00 and tank ARADCEO level gt 4 98 then pump ETAB141 status is closed priority 10 Rule 43 if system clocktime gt 7 00 and system clocktime lt 9 00 and tank ARADCEO level lt 2 0 then pump ETAB141 status is open priority 10 Rule 50 1f system clocktime gt 9 00 and system clocktime lt 12 00 and tank ARADCEOI level gt 2 74 then pump ETAB120 status is closed priority 10 Rule 51 if system clocktime gt 9 00 and system clocktime lt 12 00 and tank ARADCEOI level lt 2 01 then pump ETAB120 status is open priority 10 111 Efici ncia Ec
38. 07 00 09 00 2 4 98 4 98 5 09 00 12 00 3 4 98 2 00 6 12 00 18 00 6 2 00 4 98 7 18 00 21 00 3 4 98 2 00 8 21 00 24 00 3 2 00 2 00 Na Tabela 13 podem se consultar os resultados di rios alcan ados com o programa de optimiza o obtendo se um custo di rio de energia el ctrica de 1762 75 Tabela 13 Custo di rio da energia el ctrica e factor de utiliza o das bombas obtido para o dia 8 de Janeiro de 2008 Bomba Factor edis 1 75 47 1621 00 2 6 97 141 75 3 0 0 Custo Total 1762 75 5 3 2 2 Resultados da Simulac o com o EPANET do Resultado Obtido A partir dos resultados expostos no ponto anterior definiram se controlos cada per odo para regular o estado das bombas Esses controlos podem ser consultados no ANEXO E Na Figura 24 apresenta se o resultado obtido com a simula o da varia o ao longo do dia dos caudais produzidos e consumidos 48 Efici ncia Econ mica na Opera o de Esta es Elevat rias de Abastecimento de gua 2000 0 1800 0 1600 0 1400 0 1200 0 1000 0 Caudal l s 800 0 600 0 400 0 200 0 0 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 5 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Horas Caudal Produzido Caudal Consumido Figura 24 Resultados da simulac o para o caudal produzido e consumido pelo sistema para o dia 08 de Janeiro de 2008 Tal como esperado o caudal elevado no per odo de custo mais elevado entre as 9
39. 1 n quest_tarif input Qual o tarif rio de electricidade a utilizar Verao gt 1 Inverno gt 0 if quest_tarif 1 fl_tarifario tarifario_verao txt ftar fopen fl tarifario rt elseif quest tarif 0 fl tarifario tarifario inverno txt ftar fopen fl tarifario rt end cabecalho fgetl ftar leitura do cabe alho cabecalho fgetl ftar leitura do cabe alho Leitura do n mero de per odos de tarif rios existentes no ficheiro tarifario verao txt tline fgetl ftar Leitura da linha formato d Defini o do formato da informa o contida na linha dados sscanf tline formato Transfer ncia da informa o num rica contida na linha para vector auxiliar dados N_periodos dados 1 Passagem da informa o do vector dados para a vari vel definitiva clear dados Apagar o vector auxiliar dados Leitura da hora inicial hora final e custo da energia para cada per odo tarif rio cabecalho fgetl ftar Leitura do cabecalho Definig o do formato da informag o ndados 2 formato g for idados 2 ndados formato strcat formato g end hi hf c zeros N_periodos 3 Iniciar com ZEROS a matriz hi hf c N periodos 3 96 Leitura dos dados for nd 1 periodos tline fgetl ftar 83 Efici ncia Econ mica na Opera o de Esta es Elevat rias de Abastecimento de gua hi hf c nd sscanf tline formato end Envio
40. 3 Efici ncia Econ mica na Opera o de Esta es Elevat rias de Abastecimento de gua Para definir as op es desta fun o recorre se a options optimset paraml valuel param2 value2 em que se podem definir v rios par metro tais como n mero m ximo de itera es algoritmo utilizado etc Neste caso concreto a chamada da fun o objectivo realizada da seguinte forma options 1 optimset LargeScale off Algorithm active set Diagnostics on Display iter DiffMaxChange 1 0e 02 DiffMinChange 1 0e 05 Maxlter 1000 MaxFunEvals 10000 TolFun 1 0e 6 TolCon 1 0e 6 ToIConSQP 1 0e 6 TolX 1e 6 value TolX optimget options 1 TolX9 value TolFun optimget options 1 l olFun value TolCon optimget options 1 TolCon value TolConSQP optimget options 1 T oIConSQP V elev acum f objectivo exitflag output lambda grad hessian fmincon GF1 obj ee vfinal 2 V acum 1 eg b eq lb ub options 1 Na elabora o deste programa n o existem restri es n o lineares nem restri es lineares de desigualdade pelo que no local reservado a esses dados se coloca A fun o objectivo tem de ser escrita num M file diferente do que cont m o programa principal na forma function f objectivo nome x f_objectivo end 24 Efici ncia Econ mica na Opera o de Esta es Elevat rias de Abastecimento de gua 4
41. 8 de Julho de 2008 e o dia 8 de Janeiro do mesmo ano Assim para o consumo di rio do dia 8 de Julho obteve se o valor de 92192 m a que corresponde um caudal m dio di rio de 1067 1 s O caudal consumido varia ao longo do dia entre 41 l s e 1555 l s A variac o hor ria do consumo obtida multiplicando o caudal m dio di rio valor pelos factores hor rios representados na Figura 18 39 Efici ncia Econ mica na Operac o de Estac es Elevat rias de Abastecimento de gua 1 6 1 4 1 2 0 8 0 6 0 4 0 2 Factor de 12345 67 8 9101112131415161718192021 22 23 24 Horas Figura 18 Factores horarios de consumo de agua para dia 8 de Julho de 2008 Para o dia 8 de Janeiro de 2008 obteve se para o consumo di rio o valor de 73733 a que corresponde um caudal m dio di rio de 853 l s O caudal consumido varia ao longo do dia entre 356 l s e 1463 l s A varia o hor ria do consumo obtida multiplicando o caudal m dio di rio valor pelos factores hor rios representados na Figura 19 1 8 1 6 1 4 1 2 0 8 0 6 0 4 0 2 Factor de 12345678 9101112131415161718192021222324 Horas Figura 19 Factores hor rios de consumo de gua para o dia 8 de Janeiro de 2008 40 Efici ncia Econ mica na Operac o de Estac es Elevat rias de Abastecimento de gua Como se pode observar na figura anterior os picos de consumo que este reservat rio tem de abastecer encontram se nas ho
42. ARA REDUC O DO CONSUMO DE ENERGIA EL CTRICA Segundo Tsutiya 2001 existem v rias ac es para reduzir o custo com a energia el ctrica que poder o ser implementadas considerando as caracter sticas particulares de cada sistema Estas ac es podem agrupar se em tr s grandes grupos e Redu o do Custo sem Redu o do Consumo de Energia El ctrica Redug es do custo sem investimento ac es administrativas s o situa es que n o necessitam de investimento em novas instala es ou equipamentos Exemplos destas medidas s o a altera o da pot ncia contratada e altera o dos tarif rios Devido sua simplicidade esta das medidas mais utilizadas Redu o do Custo com investimento ac es operacionais depende de recursos investidos em equipamentos e instala es ap s a realiza o de pequenos estudos Enquadram se aqui correc o do factor de pot ncia altera o da tens o de alimenta o passar de baixa para alta tens o por exemplo e melhoria do factor de carga Como se trata de investimentos n o muito elevados s o tamb m bastante utilizados para a redu o de custos e Redu o do Custo pela Diminui o do Consumo de Energia El ctrica Redu o da altura manom trica a altura manom trica composta pela altura geom trica e pelas perdas de carga Desde que o sistema esteja bem projectado dificilmente se consegue qualquer diminui o na altura geom trica pelo que se to
43. ConSQP fprintf 1 n fprintf 1 AGUARDAR enquanto a FMINCON procura uma solug o n fprintf 1 n V_elev_acum f_objectivo exitflag output lambda grad hessian fmincon OF1_obj_ee_vfinal_2 V_elev_acum_i A_eq b_eg V cons cap min V cons cap max options 1 Envio dos Resultados finais para o monitor fprintf 1 n fprintf 1 A solu o que minimiza a fun o objectivo j foi encontrada n fprintf 1 n tempo toc 60 88 Efici ncia Econ mica na Opera o de Esta es Elevat rias de Abastecimento de gua Envio dos Resultados finais para o monitor fprintf 1 n fprintf 1 Fim da minimiza o de arranques e paragens dos GEs n fprintf 1 n fprintf 1 n fprintf 1 Tempo decorrido g minutos n tempo fprintf 1 n fprintf 1 Resultados n fprintf 1 n altura_agua zeros N_periodos 3 altura_agua 1 N_periodos 1 1 N_periodos altura_agua 1 2 h_min altura_agua 2 N_periodos 2 h_agua_periodo 1 N_periodos 1 1 altura_agua 1 N_periodos 3 h_agua_periodo 1 N_periodos 1 resultado_final zeros N_Pumps 4 for np 1 N Pumps resultado final np 1 np resultado final np 2 perc utilizacao np 1 resultado final np 3 rend np 1 resultado final np 4 custo total bomba np 1 end periodos zeros N_periodos 4 periodos 1 N periodos 1 1 N periodos periodos 1 N periodos 2 hi hf c 1 N periodos 1 periodos 1 N_periodos 3
44. DESENVOLVIMENTO DO PROGRAMA DE OPTIMIZA O O problema abordado neste trabalho utiliza um m dulo de optimiza o auxiliado por um modelo de simula o hidr ulica para optimizar uma fun o objectivo de natureza n o linear com restri es para encontrar a melhor pol tica operacional a ser aplicada a um sistema adutor concreto conhecido o consumo de gua e o tarif rio de energia Hidraulicamente ap s o reservat rio de distribui o s se considera a varia o do consumo de gua ao longo do tempo concentrado num n da rede Como se trata de um estudo sobre um sistema f sico a funcionar regularmente suposto que as condi es de press o m nima e m xima na rede de distribui o s o satisfeitas para qualquer n vel de gua no reservat rio O elevado n mero de par metros que interv m no processo de decis o da melhor pol tica operacional torna a sua an lise um problema complexo tornando se imposs vel pesquisar diariamente regras que possam melhorar o desempenho do sistema sob o ponto de vista econ mico Devido a isso a busca da solu o de menor custo s poss vel com o aux lio de modelos computacionais formulados a partir de algoritmos matem ticos de prefer ncia de f cil aplica o Como os sistemas de abastecimento de gua n o podem ser tratados como laborat rios de ensaios a simula o hidr ulica torna se um instrumento computacional bastante importante pois possibilita diagnosticar as c
45. DO CASO DE ESTUDO O sistema adutor utilizado representado na Figura 15 composto pelo reservat rio de gua tratada da ETA com uma capacidade de 20 000 m pela esta o elevat ria 1 EE 1 pelo reservat rio de Ad es e por tubagens e v lvulas que complementam o sistema 35 Efici ncia Econ mica na Opera o de Esta es Elevat rias de Abastecimento de gua T Esta o Elevat ria EE1 Reservat rio de Ad es Figura 15 Representa o do sistema adutor utilizado 5 1 1 MODELO HIDR ULICO 5 1 1 1 Reservat rios O sistema em estudo possui 3 reservat rios 1 de n vel fixo reservat rio que alimenta a EE e 2 de n vel vari vel que s o abastecidos pela EE Considerou se neste estudo que o reservat rio de n vel fixo tem sempre disponibilidade de gua pelo que a descri o das suas caracter sticas se torna desnecess ria As caracter sticas dos reservat rios abastecidos est o expostas na Tabela 4 Tabela 4 Caracter sticas dos reservat rios de n vel vari vel Cota m Di metro Capacidade pasa Pleno m m RNV 1 25 4 2523 143 7 148 68 RNV 2 25 4 2523 143 7 148 68 Total Reservat rios 35 9 5047 143 7 148 68 1 SA es T Corresponde ao di metro equivalente para a capacidade total e n o soma dos di metros 36 Efici ncia Econ mica na Opera o de Esta es Elevat rias de Abastecimento de gua 5 1 1 2 Esta o Elevat ria O sistema em e
46. ENVOLVIMENTO DO PROGRAMA DE 25 44d MODELO DEGONTROLO a ini 26 4 2 FUNCIONAMENTO DO PROGRAMA DE OPTIMIZA O eene nnne 30 4 2 1 ETAPAS DA CONSTRU O DA REDE HIDR ULICA cesses enne nnne nennen nnn nnne nnns 30 4 2 2 ETAPAS DA CONSTRU O DO PROGRAMA DE OPTIMIZAGAO eene 31 5 APLICA O DO PROGRAMA DE OPTIMIZA O A UM CASO 35 5 1 CARACTERIZA O DO CASO DE ESTUDO kan 35 51 1 MODELO HIDR ULICO ra Ta 36 5 1 2 PADR O HOR RIO DE CONSUMO ESPERADO nunnannsunsannnnnnannnnnanannnnannnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn 39 5 1 3 PADR O HOR RIO DA TARIFA EL CTRICA esses een nennen nenne rre 41 5 2 DADOS DE ENTRADA NO PROGRAMA enne nnne nenne nnn nnn nnn enn nna 42 vii Efici ncia Econ mica na Operac o de Estac es Elevat rias de Abastecimento de gua 5 3 RESULTADOS OBTIDOS iria a ae t t o PP e ra da Da b EE P a dd 43 5 3 1 DIA 08 DE JULHO DE 2008 TARIF RIO DE HORA LEGAL DE 43 5 3 2 DIA 08 DE JANEIRO DE 2008 TARIF RIO DE HORA LEGAL DE 47 5 3 3 AN LISE ECON MICA PARA ALGUNS CEN RIOS sis eene enne 51 B CONGDPUSAO S orm t aa ML in 55 BIBLIOGRAFIAS RECETTES 57 ANEXO A FUN ES UTILIZADAS NO MATLAB DA TOOLB
47. OX DE COMUNICA O COM ORE PANE saindo pena 59 ANEXO B FICHEIROS DE TEXTO COM OS TARIF RIOS DE 63 ANEXO C PROGRAMA DESENWVOLJVIDO 122 oras notion root rue unt uo cue Cra tun Ga uae t 67 ANEXO D CONTROLOS COM CONDI ES M LTIPLAS UTILIZADOS PARA O DIA 08 DE JULHO DE 2008 2 2o iecit eut nennen 97 ANEXO E CONTROLOS COM CONDI ES M LTIPLAS UTILIZADOS PARA O DIA 08 DEJANEIRO DE 200B eod p e ex t b ie 105 ANEXO F RESULTADOS OBTIDOS PARA OS DIFERENTES CEN RIOS ABORDADOS ELM 115 viii Efici ncia Econ mica na Operac o de Estac es Elevat rias de Abastecimento de gua NDICE DE FIGURAS Figura 1 Log tipo da empresa rir ee enne 2 Figura 2 Sistema Multimunicipal de Abastecimento de gua ao Baixo C vado e Ave 3 Figura 3 Per odos hor rios de entrega de energia el ctrica a clientes finais para o per odo de hora legal de Ver o para um dia til ERSE 2008 nennen nnne nnn 9 Figura 4 Per odos hor rios de entrega de energia el ctrica a clientes finais para o per odo de hora legal de Inverno para um dia til ERSE 2008 9 Figura 5 Distribuig o percentual do consumo anual de energia el ctrica nas guas do C vado SA Horano de 200 IPIE 11 Figura 6
48. RI V lvula Tubagern Figura 7 Componentes F sicos de um Sistema de Distribuic o de gua LNEC 2004 Na rede adutora estudada est o presentes os componentes descritos abaixo acompanhados pela sua defini o 3 1 4 1 Reservat rios Os reservat rios de n vel fixo RNF t m um volume de armazenamento de gua de capacidade ilimitada e carga hidr ulica constante Constituem origens ou sumidouros de gua externos rede S o utilizados para simular lagos rios aqu feros ou liga es a outros sistemas Podem tamb m servir como pontos de origem de qualidade da gua Os principais par metros a inserir nas propriedades s o o n vel de gua e caso seja necess rio a qualidade inicial para simula es de qualidade da gua Os reservat rios de n vel vari vel RNV possuem uma capacidade de armazenamento limitada podendo o volume de gua variar ao longo da simula o S o definidos pelas seguintes propriedades cota do fundo altura da gua zero di metro altura de gua m nima altura de gua m xima altura de gua inicial para o cen rio a simular e qualidade da gua inicial Os principais resultados da simula o ao longo do tempo s o carga hidr ulica n vel da gua e a qualidade da gua 3 1 4 2 Tubagens S o tro os que transportam gua entre os v rios pontos da rede O EPANET considera que o escoamento ocorre sempre em press o em todas as tubagens ao longo da simula o O e
49. _min 13 1 elseif quest_tarif 0 A eq zeros 5 N pattern tstep 1 b_eq zeros 5 1 A eq 1 1 1 A_eq 1 N_pattern_tstep 1 1 A eq 2 10 1 A_eq 3 13 1 A_eq 4 19 1 A_eq 5 22 1 b_eq 1 1 V_cons_cap_max N_pattern_tstep 1 1 V_cons_cap_max 1 1 b eq 2 1 V cons cap max 10 1 b eq 3 1 2V cons cap min 13 1 b eq 4 1 2V cons cap max 19 1 b eq 5 1 2V cons cap min 22 1 end 87 Efici ncia Econ mica na Opera o de Esta es Elevat rias de Abastecimento de gua Defini o por parte do operador do valor dos coeficientes K1 e K2 correspondentes ao peso a dar ao comprimento e ao custo fprintf 1 A fun o objectivo calculada atrav s de F K1 regularizag o do caudal K2 custo da energia Tprintf less am wm fprintf 1 n K1 zinput Valor para o coeficiente K1 9 fprintf 1 n K2 zinput Valor para o coeficiente K2 fprintf 1 n Defini o de algumas op es do algoritmo de optimiza o options 1 optimset LargeScale off Algorithm active set Diagnostics on Display iter DiffMaxChange 1 0e 02 DiffMinChange 1 0e 05 MaxlIter 1000 MaxFunEvals 10000 TolFun 1 0e 6 TolCon 1 0e 6 TolConSQP 1 0e 6 ToIX 1e 6 value_TolX optimget options_1 TolX value TolFun optimget options_1 TolFun value TolCon optimget options 1 value TolConSQP optimget options 1 l oI
50. a o hor ria da tarifa el ctrica utilizada para o per odo de hora legal de Ver o 41 Figura 21 Varia o hor ria da tarifa el ctrica utilizada para o per odo de hora legal de Inverno 42 Figura 22 Resultados da simula o para o caudal produzido e consumido pelo sistema para o dia 08 de Julho de 20086 RR AR EE RR SR ri duds 45 Figura 23 Resultados da simula o para a varia o hor ria do n vel de gua no reservat rio para o dia 08 de Julho de 2008 uuan a nennen 46 Figura 24 Resultados da simula o para o caudal produzido e consumido pelo sistema para o dia 08 de Janeiro de 2008 sssasasanannaa nana a 49 Figura 25 Resultados da simula o para a varia o hor ria do n vel de gua no reservat rio para o dia 08 de Janeiro de 2008 ss nee 50 Efici ncia Econ mica na Operac o de Estac es Elevat rias de Abastecimento de gua NDICE DE TABELAS Tabela 1 Pre os em kWh da energia el ctrica fornecida em alta tens o para tarifas de longas utiliza es ERSE 2008 rear deere eddie rr rre nnne nen nnn nsns einn 10 Tabela 2 Per odos de tarifa de electricidade considerados para o per odo de hora legal de Ver o 10 Tabela 3 Per odos de tarifa de electricidade considerados para o per odo de hora legal de Inverno 10 Tabela 4 Caracter sticas dos reservat rio de n vel vari vel 36 Tabela 5 Caudal elevado e po
51. a rendimento m dio etc O comportamento dos reservat rios abastecidos tamb m observado e representado graficamente O caudal total produzido e consumido calculado e representado graficamente Autor Ana Costa MIEA In cio 15 de Maio de 2009 Final 11 de Julho de 2009 Este programa utiliza a Toolbox de comunicag o com o Epanet desenvolvida por Andr Vieira Engenheiro Civil e Mestre em Hidr ulica pela FEUP ATEN O este programa foi escrito e testado para o epanet2 dll de 25 Fev 2008 vers o US EPA ARR RARA Identifica o das VARI VEIS utilizadas alfa_periodo i n Matriz coluna para registar a fracc o do tempo total do per odo i que a bomba n est a funcionar i 1 N_periodos e nz1 N Pumps consumo 1 1 Matriz coluna para registar o consumo em cada instante 1 1 1 N pattern tstep custo bomba periodo i n Matriz para registar o custo da bomba n no per odo i 1 periodos e n 1 N Pumps custo total periodo Vari vel para registar o custo di rio da energia custo total bomba 1 1 Matriz para registar o custo di rio da bomba i i 1 N_Pumps diametro 1 1 Di metro dos Tanks em m 1 1 N Tanks 69 Efici ncia Econ mica na Opera o de Esta es Elevat rias de Abastecimento de gua diametro eq ee Vari vel para registar o di metro do reservat
52. a Econ mica na Operac o de Estac es Elevat rias de Abastecimento de gua fprintf 1 N mero de v lvulas Valves g n N_ Valves fprintf 1 N mero de grupos elevat rios Pumps g n N_Pumps fprintf 1 n Fim da contagem de componentes da rede a simular Vai Contagem de padr es temporais consumos precos etc de curvas CCB s CCR s etc e de controlos simples N Pattern ENgetcount EN PATCOUNT N Curve ENgetcount EN CURVECOUNT N Control ENgetcount EN CONTROLCOUNT Envio de informa o para o monitor fprintf 1 n jov D wm fprintf 1 Contagem de padr es temporais curvas e controlos n fprintf 1 n fprintf 1 N mero de padr es temporais consumos pre os etc g n N Pattern fprintf 1 N mero de curvas CCBs CCRs etc g n N_Curve fprintf 1 N mero de controlos simples 6gW N Control fprintf 1 n Determina o e armazenamento na vari vel index energia do index do padr o de energia npt 0 for 151 Pattern if ENgetpatternid i P E npt npt 1 index_energia npt 1 i end end Determina o e armazenamento na vari vel index consumo do index do padr o de consumo npt 0 for 1 1 N_Pattern f ENgetpatternid i P_C npt npt 1 index_consumo npt 1 1 end end Outras informa es para controlo durante o desenvolvimento do programa 79 Efici ncia Econ mica na Opera o de Esta e
53. a periodo n np P B np 1 DT periodo n np np 3600 elseif np gt 1 DT_periodo n np 0 energia_periodo n np 0 elseif np lt i DT_periodo n np horas_periodo n 1 3600 energia periodo n np P B np 1 D DT periodo n np 1 DT periodo n np np 1 P_B np 1 DT_periodo n np np 3600 end end end end for np 1 N_Pumps custo_bomba_periodo n np energia_periodo n np hi_hf_c n 3 alfa_periodo n np DT_periodo n np horas_periodo n 1 3600 end if num_bombas_periodo n 1 1 V elev b periodo n 1 Q B 1 1 DT periodo n 1 end for 1 2 N_Pumps if num bombas periodo n 1 i for np 2 N Pumps if np 1 V_elev_b_periodo n 1 Q_B 1 1 DT_periodo n 1 sum DT_periodo n 2 1 95 Efici ncia Econ mica na Opera o de Esta es Elevat rias de Abastecimento de gua Q B np 1 DT periodo n np np V elev b periodo ninp Q B np 1 DT periodo n np np elseif np gt i V elev b periodo n np 0 elseif np i V_elev_b_periodo n np Q_B np 1 DT_periodo n np sum DT_periodo n np i Q B 1 DT periodo n i h end end end end for np 1 N Pumps perc util periodo n np DT periodo n np horas periodo n 1 3600 100 end end custo total bomba sum custo bomba periodo perc_utilizacao sum DT_periodo time_duration 100 custo total periodo sum sum custo bomba periodo C lculo da fun o objectivo f objectivo K 1 sum comprimento K2 custo total periodo end 96 Efic
54. ac es Elevat rias de Abastecimento de gua then pump ETAB120 status is open priority 10 Rule 80 if system clocktime gt 21 00 and system clocktime lt 24 00 and tank ARADCEOI level gt 3 26 then pump ETAB120 status is closed priority 10 Rule 81 1f system clocktime gt 21 00 and system clocktime lt 24 00 and tank ARADCEOI level lt 2 03 then pump ETAB120 status is open priority 10 114 Efici ncia Econ mica na Opera o de Esta es Elevat rias de Abastecimento de gua ANEXO F RESULTADOS OBTIDOS PARA OS DIFERENTES CEN RIOS ABORDADOS 115 Efici ncia Econ mica na Opera o de Esta es Elevat rias de Abastecimento de gua A CEN RIO DE ALTERA O DO N VEL M NIMO DE GUA NO RESERVAT RIO Tabela F 1 N mero de bombas necess rias em cada per odo de tarif rio de energia e percentagem de utiliza o para o cen rio de altera o do n vel m nimo de gua no reservat rio Factor de Utiliza o Per odo inicial final per odo necess rias 9 ag Bomba 1 Bomba 2 Bomba 1 Bomba 2 1 00 00 02 00 2 2 100 0 18 7 143 7 26 7 2 02 00 06 00 4 2 100 0 30 1 268 2 79 2 3 06 00 07 00 1 2 100 0 0 05 71 8 0 8 4 07 00 09 00 2 1 71 1 0 0 150 1 0 5 09 00 12 00 3 1 10 3 0 0 40 8 0 6 12 00 00 00 12 1 91 8 0 0 1162 9 0 Tabela F 2 Resultados obtidos para o n vel de gua inicial e final no reservat rio para cada per odo para o dia 8 de Julho de 2008 para o
55. ada linha do ficheiro de dados que est a ser lido Vari vel com o incremento de tempo efectivo em segundos da simulag o hidr ulica pelo Epanet tstep_hid_horas Vari vel com o incremento de tempo em horas da simulag o hidr ulica pelo Epanet tstep_hid_minutos Vari vel com o incremento de tempo em minutos da simula o hidr ulica pelo Epanet tstep_padrao_horas Vari vel com a dura o em horas do incremento temporal dos padr es temporais de consumos pre os etc tstep padrao minutos Vari vel com a dura o em minutos do incremento temporal dos padr es temporais de consumos pre os etc agua reserv 1 1 Matriz para registar o volume de gua em cada instante 1 1 1 N pattern tstep 72 Efici ncia Econ mica na Operac o de Estac es Elevat rias de Abastecimento de gua V cons cap max 1 1 MAtriz coluna para registar o volume hor rio acumulado somado capacidade m xima do reservat rio i21 N pattern tstep cons cap min 1 1 MAtriz coluna para registar o volume hor rio acumulado somado capacidade m nima do reservat rio 121 N pattern tstep cons periodo 1 1 Matriz coluna para registar o volume consumido em cada periodo 1 1 N periodos V elev acum 1 1 1 MAtriz coluna com a soluc o inicial do volume elevado 1 1 N pattern tstep elev periodo 1 1
56. ante inicial o volume de gua existente no reservat rio no final o incremento temporal de ordem 1 V Rj vem definido pela seguinte express o Vri Veo Velev i ES const 2 O volume acumulado elevado entre o instante inicial e o instante final do incremento temporal de ordem i corresponde integrac o em ordem ao tempo do caudal elevado entre esses instantes Vetevi fo Qetey t dt p Qetey t dt IR Qetey t dt p Qetey t dt 3 Ou ainda ao somat rio dos volumes AVgje elevados durante os incrementos temporais compreendidos entre o instante inicial e o instante final do incremento temporal de ordem 1 Velev i AVelev 1 AVaey 2 Alfeteni u AVaev j 4 A express o 4 define a ordenada relativa ao instante i de uma fun o representativa do volume total elevado desde o instante inicial do per odo de an lise Atendendo ao modo como definida esta fun o por vezes designada de caudais integrais ou volumes acumulados sendo cont nua constitu da por sucessivos segmentos de recta cujos declives correspondem aos caudais m dios em cada incremento temporal Retomando a express o 4 respeitante gua entregue pela conduta elevat ria ao reservat rio de jusante o volume de gua elevado em cada incremento temporal a hora AVejey constitui a vari vel de controlo do problema em aprego Contudo em benef cio do desempenho do algoritmo de optimiza o optou se por tomar como v
57. ari vel do problema de optimiza o o volume acumulado no final de cada incremento temporal Verev definido pela express o 4 Todavia esta diferen a em rela o formula o inicialmente apresentada para a vari vel de controlo mais aparente que real de facto para cada incremento temporal a hora a diferenga entre os volumes acumulados final e inicial corresponde ao volume elevado durante esse incremento Velev i F Velev i 1 5 A partir do resultado optimizado da vari vel de controlo calculado o volume de gua que necess rio elevar para cada per odo de tarif rio de energia horas per odo Y Vase R AVelevi p 1 n mero de periodos 6 27 Efici ncia Econ mica na Operac o de Estac es Elevat rias de Abastecimento de gua 4 1 1 2 A Func o Objectivo A fun o objectivo utilizada definida pela soma de duas parcelas uma que visa ter uma opera o da esta o elevat ria t o regular quanto poss vel para as 24 horas do dia e outra respeitante ao custo da energia el ctrica calculada para os N per odos correspondentes ao tarif rio escolhido hora legal de Ver o ou Inverno A equa o 7 representa a fun o a optimizar 24 N per dodos Fopj Wi Mi Li We Xii Eipre 7 Na express o acima exposta L o comprimento do segmento de recta que representa o tra ado da fun o de controlo no incremento temporal de ordem i E a energia consumida no i
58. as de Abastecimento de gua NDICE AGRADECIMENTOS SRM i aiD Ne re ee le iii hio a V TOU TROIDBUC AG ois are ener RO ee LE MP EE 1 dali GAS EMPRESA is ed np n dae t e ea Onde 2 2 OPERA O DE SISTEMAS DE ABASTECIMENTO DE 5 2d REVIS O DA LITERA TURA dais 5 2 2 ESTRAT GIAS PARA REDU O DO CONSUMO DE ENERGIA EL CTRICA enne 7 2 3 TARIFA DA ENERGIA EL CTRICA o tasto tot hd ea e e cde Pour ut 8 2 4 CARACTERIZA O ENERG TICA DA GUAS DO CAVADO O Aitana ceda 11 3 FERRAMENTAS COMPUTACIONAIS UTILIZADAS NO DESENVOLVIMENTO DO ALGORITMO sica ca eds 13 dl EPANETZ D M e EEE 13 3 1 1 DESCRI O DO EPANET ZU esse neuen 14 3 1 2 CAPACIDADES DE MODELA O HIDR ULICA ccccccccccsssesececeececceesseeeecceeeeseeaeeeeceeeeseseaaaaeeseeess 15 3 1 3 Passos A SEGUIR NA UTILIZA O DO EPANE T ooocccccncnccccccoonccnnnnnccconcnononnnnnnnononononnnnnnnnnnnanonanonons 15 3 1 4 COMPONENTES F SICOS DA REDE o nennen enne rare rre rr 15 3 1 5 COMPONENTES N O F SICOS DA REDE non canon o cnn nn nnne nennen ee nnns 17 o Wai I WIS A DEED EE AAT AAA A 23 3 2 1 FUN O DE OPTIMIZA O UTILIZADA cesses ennennnnnnnnnnnin nnns ness aaa aan aaa aaa 29 4 DES
59. az com que a fun o ENepanet efectue o carregamento da biblioteca de fun es epanet2 error code ENepanet estado error code recebe a ac o de resposta da fun o ENepanet ver defini o detalhada em ENepanet m ENvariaveis_globais_12_v01 Carregamento descarregamento das vari veis globais da biblioteca por script de estado 011 Declara o de Vari veis Globais adicionais global N Pumps N pattern tstep K K1 K2 V horario diametro eq N periodos horas periodo hi hf c time duration global V horario elevar Q elevar Q B P B V horario acum V agua reserv h agua reserv V elev periodo num bombas periodo alfa periodo energia periodo custo bomba periodo perc util periodo custo total bomba perc utilizacao custo total periodo V cons periodo h agua periodo Fim da abertura do EPANET Entrada de dados e defini es de ficheiros fprintf 1 PROGRAMA epanet import cppW fprintf 1 n flnam global input Nome do problema s fprintf 1 n tl ceo n fprintf 1 ESTACAO ELEVATORIA n fprintf 1 C lculo do consumo de energia e do respectivo custo n fprintf 1 Nome do problema s n flnam_global fprintf 1 n Concatenar o nome do problema com as extens es inp rep out e hyd input file strcat flnam global inp report file strcat flnam global rep output file strcat flnam global out hyd file strcat flnam global hyd
60. bombas de forma a tornar o sistema mais eficiente economicamente O principal objectivo da gest o da opera o das esta es elevat rias programar a opera o de N bombas durante um per odo de tempo normalmente de 24 horas de modo a satisfazer restri es do sistema e condi es limite enquanto o custo operacional minimizado Os principais custos associados opera o de esta es elevat rias s o os custos com energia el ctrica e os de manuten o O custo com a electricidade composto pelo custo de energia activa kWh i e o custo da energia consumida em determinado per odo tarif rio de entrega de energia el ctrica e o custo de pot ncia contratada KW 1 e o custo associado pot ncia que o distribuidor coloca em termos contratuais disposi o do cliente O custo da energia activa geralmente varia consoante o per odo do dia com horas de ponta em que o custo da electricidade mais elevado e outros per odos onde o custo menor Em rela o aos custos de manuten o estes n o podem ser facilmente estimados Contudo o Efici ncia Econ mica na Operac o de Estac es Elevat rias de Abastecimento de gua desgaste das bombas causado principalmente pelos frequentes accionamentos das mesmas Por este motivo se se minimizar o n mero de arranques e paragens das bombas minimiza se tamb m os custos de manutenc o Os requisitos e componentes b sicos de um ambiente ptimo de c
61. cen rio de alterac o do n vel m nimo de gua no reservat rio Periodo Hora Hora N horas N vel de gua N vel de gua inicial final per odo Inicial m Final m 1 00 00 02 00 2 1 50 1 50 2 02 00 06 00 4 1 50 3 67 3 06 00 07 00 1 3 67 4 98 4 07 00 09 00 2 4 98 4 98 5 09 00 12 00 3 4 98 1 50 6 12 00 24 00 12 1 50 1 50 B CEN RIO DE TER UM DOS RESERVAT RIOS EM MANUTEN O Tabela F 3 N mero de bombas necess rias em cada per odo de tarif rio de energia e percentagem de utilizac o para o cen rio de estar um dos reservat rios em manuten o Factor de Utilizac o Per odo ed pape eS en Bomba 1 Bomba2 Bomba 1 Bomba 2 1 00 00 02 00 2 2 100 0 18 8 143 7 26 8 2 02 00 06 00 4 2 100 0 18 2 268 2 48 5 3 06 00 07 00 1 1 91 7 0 0 65 8 0 4 07 00 09 00 2 1 71 1 0 0 150 1 0 5 09 00 12 00 3 1 28 3 0 0 111 7 0 6 12 00 00 00 12 1 91 8 0 0 1163 2 0 117 Efici ncia Econ mica na Operac o de Estac es Elevat rias de Abastecimento de gua Tabela F 4 Resultados obtidos para o n vel de gua inicial e final no reservat rio para cada per odo para o dia 8 de Julho de 2008 para o cen rio de estar um dos reservat rios em manutenc o Periodo Hora Hora N horas N vel de gua N vel de gua inicial final per odo Inicial m Final m 1 00 00 02 00 2 2 00 2 00 2 02 00 06 00 4 2 00 2 98 3 06 00 07 00 1 2 98 4 98 4 07 00 09 00 2 4 98 4 98 5
62. da informa o para o monitor s sprintf N mero de Per odos periodos disp s s sprintf Hora Inicial Hora Final Custo kWh disp s for nd 1 N_periodos count fprintf 1 7 0f 067 Of 967 Af n hi_hf_c nd end disp Gravar para uma nova vari vel o custo unit rio hor rio da energia e o n mero de horas de cada per odo tarif rio horas periodo zeros N periodos 1 for n 1 N periodos horas periodo n 1 hi hf c n 2 hi hf c n l end tarifario zeros 24 1 1 0 for nd 1 N_periodos i 1 horas_periodo nd 1 b i horas_periodo nd 1 1 for a b i tarifario a 1 hi hf c nd 3 end end for nz1 24 ENsetpatternvalue index_energia n tarifario n 1 end 1 0 hora final periodo zeros N periodos 1 for n 1 N periodos i i horas periodo n 1 hora final periodo n i end Correr a simula o hidr ulica completa fprintf 1 n fprintf 1 In cio da Simula o Hidr ulica para Obten o dos Consumos Horarios n fprintf wm 84 Efici ncia Econ mica na Operac o de Estac es Elevat rias de Abastecimento de gua fprintf 1 n Iniciar matrizes para registar o tempo de opera o de cada GE a energia consumida por cada GE e o respectivo custo K 60 96segundos de um minuto consumo zeros N pattern tstep 1 1 consumo 1 1 0 consumo 2 1 ENgetnodevalue ii to nd EN BASEDEMAND ENgetpatternvalue index consumo 1
63. dados para obter a curva de rendimento das bombas arbitrou se uma curva hipot tica representada na Figura 17 0 0 T T T T T T 1 500 0 600 0 700 0 800 0 900 0 1000 0 1100 0 1200 0 Q l s Figura 17 Curva de rendimentos das bombas existentes na EE1 38 Efici ncia Econ mica na Opera o de Esta es Elevat rias de Abastecimento de gua 5 1 1 3 Adutoras O sistema elevat rio estudado possui cerca de 3744 m de condutas adutoras No que diz respeito aos materiais a rede est executada em ferro fundido d ctil Os di metros das tubagens do sistema em estudo variam entre o DN100 e DN 1400 mm 5 1 2 PADR O HOR RIO DE CONSUMO ESPERADO Para a gera o do modelo de simula o a AdC disponibilizou registos dos consumos sa da do reservat rio de Ad es relativos ao ano de 2008 2 3 Z Os registos apresentam caudais de sa da do reservat rio em m h calculados atrav s da varia o do volume no reservat rio tendo em conta que caudal que entra conhecido Esses valores sao registados a cada 10 minutos excepto se houver alguma altera o brusca nos mesmos A partir dos valores fornecidos calculou se a m dia hor ria o desvio padr o e o factor de consumo associado Devido incerteza associada a estes registos decidiu se utilizar dados de consumo de dois dias teis para duas pocas do ano distintas Os dias escolhidos para utilizar na simulag o foram o dia
64. de 19 de Maio com in cio de actividade em Junho do mesmo ano tendo por objecto exclusivo a explora o e gest o do Sistema Multimunicipal de capta o tratamento e adu o de gua aos Munic pios de Barcelos Esposende Maia Norte P voa de Varzim Santo Tirso Trofa Vila do Conde e Vila Nova de Famalic o com uma cobertura global e actual de 600 mil habitantes A AdC tem como miss o gerir o sistema de capta o tratamento e abastecimento garantindo o fornecimento de gua pot vel popula o servida na quantidade necess ria respeitando os par metros de qualidade e promovendo o seu desenvolvimento s cio econ mico A gua captada no Rio C vado sujeita a tratamento na Esta o de Tratamento de Areias de Vilar e percorre uma rede de 252 km de condutas adutoras que abastecem 4 reservat rios de regulariza o 54 reservat rios de entrega aos Munic pios integrantes e 18 esta es elevat rias para al m de outras infraestruturas complementares Todo o investimento foi dimensionado de modo a satisfazer as necessidades de gua pot vel para uma popula o equivalente de 900 000 habitantes no ano horizonte de 2024 Na Figura 2 est representada a constitui o actual do Sistema Multimunicipal Efici ncia Econ mica na Operac o de Estac es Elevat rias de Abastecimento de gua Lemenhe Pousada b Louro Vale de Sem orie S Martinho wre e z hmm hl mV sre LO Balaza Ruiv es
65. de Engenharia Civil MATLAB Matrix Laboratory RNF Reservat rio de N vel Fixo Reservat rio de N vel Vari vel V Volume de gua xiii Efici ncia Econ mica na Opera o de Esta es Elevat rias de Abastecimento de gua 1 INTRODU O Z Nos sistemas de abastecimento de gua nos equipamentos elevat rios que se verifica maior consumo energ tico representando este a maior fatia no custo total de energia el ctrica Na maioria das esta es elevat rias investimentos em pequenas modifica es das bombas ou mudan as operacionais podem resultar numa redu o significativa do custo com a energia el ctrica Devido a isso a defini o de uma pol tica operacional ptima das bombas tem vindo a tornar se uma metodologia pr tica e eficaz para atingir a efici ncia econ mica nesses sistemas sem a necessidade de alterar as infra estruturas dos mesmos Z O objectivo geral deste estudo o desenvolvimento de uma programa que possa auxiliar os gestores operadores das empresas de abastecimento de gua a optimizar o funcionamento das esta es elevat rias tendo em vista a minimiza o do custo da energia analisando se a varia o do consumo de gua solicitado ao sistema em causa a varia o temporal da tarifa el ctrica e a capacidade de regulariza o dos reservat rios Pretende se demonstrar a possibilidade de redu o do custo de energia pela implanta o de medidas de f cil execu o
66. dos obtidos para o n vel de gua inicial e final nos reservat rios para cada per odo Tabela 7 Resultados obtidos para o n vel de gua inicial e final no reservat rio para cada per odo para o dia 8 de Julho de 2008 Periodo Hora Hora N horas N vel de gua N vel de gua inicial final per odo Inicial m Final m 1 00 00 02 00 2 2 00 2 00 2 02 00 06 00 4 2 00 3 68 3 06 00 07 00 1 3 68 4 98 4 07 00 09 00 2 4 98 4 98 5 09 00 12 00 3 4 98 2 00 6 12 00 24 00 12 2 00 2 00 Na Tabela 8 encontram se os valores di rios obtidos atrav s do programa de optimiza o para o factor de utiliza o das bombas e o custo associado Para este dia analisado o custo total estimado ap s optimiza o da pol tica operacional da EE de 1953 23 44 Efici ncia Econ mica na Opera o de Esta es Elevat rias de Abastecimento de gua Tabela 8 Custo di rio de energia el ctrica e factor de utiliza o das bombas para o dia 08 de Julho de 2008 Bomba Factor e e ula 1 82 85 1855 61 2 5 99 97 62 3 0 00 0 Custo Total 1953 23 5 3 1 2 Resultados da Simulac o com o EPANET do Resultado Obtido A partir dos resultados expostos no ponto anterior definiram se controlos para cada per odo para regular o estado das bombas Esses controlos podem ser consultados no ANEXO D Na Figura 22 apresenta se o resultado obtido com a simula o da varia o ao longo do dia dos caudais prod
67. eas 12 h eas 18e as 21 h simplesmente o necess rio para que o n vel de gua no reservat rio n o seja inferior ao n vel m nimo admiss vel Neste caso o n mero de arranques de uma das bombas 4 e da outra igual a 7 n o se considera o arranque s 24 h pois j pertence ao dia seguinte Para o n vel de gua nos reservat rios obteve se a varia o apresentada na Figura 25 49 Efici ncia Econ mica na Opera o de Esta es Elevat rias de Abastecimento de gua 55 50 45 40 35 3 0 N vel de gua no Reservat rio m 25 20 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 d 12 13 14 15 16 1 18 19 20 21 22 23 24 Horas C lula 1 C lula 2 Figura 25 Resultados da simulac o para a variac o hor ria do n vel de gua no reservat rio para o dia 08 de Janeiro de 2008 Tal como para o caso da hora legal de Ver o tamb m aqui o resultado da simulag o o esperado em que a gua no reservat rio se encontra no n vel m ximo no in cio das horas de ponta e no n vel m nimo no final da mesma e o n vel inicial e final s o aproximadamente o mesmo Relativamente ao factor de utilizac o das bombas em cada per odo obtiveram se os resultados presentes na Tabela 14 Tabela 14 Resultados da simulac o para o factor de utilizac o de cada bomba e para cada per odo Factor de Utilizac o ae Bomba 1 Bomba 2 1 100 20 2 97 10 3 100 3 4 74 0 5 19 0
68. ecida pelo respectivo Autor Efici ncia Econ mica na Opera o de Esta es Elevat rias de Abastecimento de gua AGRADECIMENTOS Desejo agradecer a todas as pessoas que directa ou indirectamente contribu ram para a realiza o desta tese de mestrado em especial e Ao meu orientador Professor Manuel Maria Pacheco Figueiredo pelo sua disponibilidade e por todo o apoio no esclarecimento de d vidas que surgiram no decorrer deste estudo e Ao Eng Ricardo Ferreira guas do C vado S A pela disponibilidade que sempre demonstrou no decorrer deste processo e A todos os trabalhadores da guas do C vado S A pela disponibilidade na ced ncia de dados necess rios no decorrer deste trabalho e Ao Eng Nuno Aguilar e ao Eng Paulo R go pelo apoio e compreens o demonstrados durante a evolu o da presente investiga o e Aos meus pais irm s e amigos pela paci ncia e aten o em ouvir me e pela ajuda em renovar a energia e entusiasmo Efici ncia Econ mica na Operac o de Estac es Elevat rias de Abastecimento de gua RESUMO Nos sistemas de abastecimento de gua a eleva o da gua representa uma grande fatia no custo total de energia el ctrica Devido ao significativo consumo el ctrico necess rio para elevar gua dos sistemas de bombeamento para os reservat rios uma redug o anual no custo de 1 ou 2 pode significar uma poupan a de v rios milhares de euros A defini o de uma pol tica operacio
69. enc o Dois Reservat rios Um Reservat rios em Funcionamento em Funcionamento Bomba a Custo Factor de Utilizac o Custo y dia dia 1 82 85 1855 61 84 18 1902 69 2 5 99 97 62 4 60 75 32 3 0 00 0 0 0 Custo Total 1953 23 1978 01 Neste caso o custo di rio ligeiramente superior ao inicial devido diminui o do volume dispon vel de gua O custo obtido neste cen rio cerca de 1 3 superior ao inicial 52 Efici ncia Econ mica na Opera o de Esta es Elevat rias de Abastecimento de gua C Aumento do Rendimento dos Grupos Elevat rios Neste cen rio aumenta se o rendimento dos GE s atrav s da altera o da sua curva de rendimento no EPANET No caso inicial as bombas apresentam um rendimento de cerca de 82 e neste cen rio esses valores foram alterados para 84 Na Tabela 18 apresentam se os resultados obtidos para este cen rio do custo da energia Tabela 18 Compara o entre o custo di rio da energia el ctrica e factor de utiliza o das bombas obtido para o dia 8 de Julho de 2008 entre o caso inicial e o cen rio de aumentar o rendimento dos GE s Caso Inicial Aumento do Rendimento dos GE s Bomba rd 2 Custo Factor de Utilizac o Custo y dia dia 1 82 85 1855 61 82 85 1811 43 2 5 99 97 62 5 99 95 30 3 0 00 0 0 0 Custo Total 1953 23 1906 79 Com a alterag o do rendimento das bombas consegue se uma redug o no custo d
70. energia 2 inferior ao esperado Esta diferen a deve se a que em alguns per odos foi imposs vel atingir os n veis de gua finais no reservat rio embora sejam diferen as m ximas de 0 1 m o suficiente para justificar a diferen a no custo final Para o caso de 8 de Janeiro de 2008 o valor do custo total obtido e do factor de utiliza o das bombas ap s simula o praticamente igual 1962 75 na optimiza o e 1962 68 na simula o sendo portanto o esperado Ainda atrav s da simula o pode concluir se que para o caso de Julho s o efectuados 5 arranques de uma bomba bomba 1 e 2 de outra bomba 2 e para o caso de Janeiro esses valores aumentam em dois arranques por bomba passando a ter se 7 arranques para o primeiro grupo elevat rio e 4 para o segundo Concluindo constata se que com c lculos relativamente simples consegue se melhorar a efici ncia econ mica de uma esta o elevat ria Este estudo estimula ao desenvolvimento de modelos de controlo para aplica o a sistemas mais complexos com mais do que uma esta o elevat ria e v rios reservat rios de distribui o e para aplica o em tempo real em que existe uma monitoriza o constante do consumo sendo a pol tica operacional ptima alterada a cada varia o do consumo 95 Efici ncia Econ mica na Opera o de Esta es Elevat rias de Abastecimento de gua BIBLIOGRAFIA GUAS DO C VADO S A 2009 guas do C vado S A Acedido
71. erido anteriormente o dia em estudo neste ponto enquadra se no tarif rio correspondente hora legal de Ver o Tal como definido em 2 3 este tarif rio foi dividido em 6 per odos O n mero de bombas necess rias para elevar o volume necess rio em cada per odo tarif rio bem como o factor de utiliza o das mesmas em cada per odo est presente na Tabela 6 43 Efici ncia Econ mica na Operac o de Estac es Elevat rias de Abastecimento de gua Tabela 6 N mero de bombas necess rias em cada per odo de tarif rio de energia factor de utiliza o e custo associado para o dia 8 de Julho Factor de Utilizac o Per odo inicial final per odo necess rias 59 E Bomba 1 Bomba2 Bomba 1 Bomba 2 1 00 00 02 00 2 2 100 0 18 8 143 7 26 7 2 02 00 06 00 4 2 100 0 26 6 268 2 70 5 3 06 00 07 00 1 1 100 0 0 0 71 8 0 4 07 00 09 00 2 1 71 1 0 0 150 1 0 5 09 00 12 00 3 1 14 9 0 0 58 6 0 6 12 00 24 00 12 1 91 8 0 0 1162 9 0 Analisando a tabela anterior verifica se que embora haja a preocupac o de ter o reservat rio no seu n vel m ximo de gua no final da hora anterior ao per odo de ponta nem sempre poss vel evitar o funcionamento dos GE s no per odo do dia com tarifa de energia mais elevada A percentagem de utilizac o das bombas nesse per odo a necess ria para que no final do mesmo a altura da gua seja igual m nima admiss vel Na Tabela 7 est o descritos os resulta
72. eriodos 1 alfa periodo zeros N periodos N Pumps energia periodo zeros N periodos N Pumps custo bomba periodo zeros N periodos N Pumps perc util periodo zeros N periodos N Pumps V elev b periodo zeros N periodos N Pumps n b fzzeros N Pumps 1 1 n b f 1 1 21 DT periodo zeros N periodos N Pumps for n 1 N periodos for np 2 N Pumps n b f np D np if V_elev_periodo n 1 gt 0 amp amp V elev periodo n 1 lt V max bombas per n 1 num bombas periodo n 1 1 elseif V elev periodo n 1 V max bombas per n np 1 amp amp V elev periodo n 1 V max bombas per n np num bombas periodo n 1 n b f np elseif V elev periodo n 1 0 num bombas periodo n 1 0 end end for 2 Pumps 94 Efici ncia Econ mica na Opera o de Esta es Elevat rias de Abastecimento de gua if num bombas periodo n 1 1 DT periodo n 1 2 V elev periodo n 1 Q B 1 1 energia periodo n 1 P B 1 1 DT periodo n 1 3600 elseif num bombas periodo n 1 np DT periodo n 1 horas periodo n 1 3600 energia periodo n D P B np 1 1 DT periodo n np 1 DT periodo n np np 1 P B np 1 DT periodo n np np 3600 elseif num bombas periodo n 1 0 DT periodo n 1 0 energia periodo n 1 0 end end for 1 2 N_Pumps if num bombas periodo n 1 i for np 2 N Pumps if np i DT periodo n np V elev periodo n 1 Q B np 1 1 horas periodo n 1 3600 Q_B np 1 Q_B np 1 1 energi
73. ertas Desta forma torna se mais f cil de implementar o algoritmo pois os resultados s o avaliados hora a hora Estes dois padr es de varia o do pre o de energia foram introduzidos nos ficheiros de texto tarifario verao txt e tarifario inverno txt 5 2 DADOS DE ENTRADA NO PROGRAMA Tal como descrito no cap tulo anterior preciso especificar alguns par metros no in cio do programa Para a an lise dos resultados deste caso de estudo fixaram se os seguintes valores e Altura m xima de gua admiss vel nos reservat rios 4 98 m e Altura m nima de gua admiss vel nos reservat rios 2 0 m e Di metro dos reservat rios 25 4 m e Per odo de hora legal a utilizar para o tarif rio de energia utilizaram se os dois 9 Ki 1 9 K 1 42 Efici ncia Econ mica na Opera o de Esta es Elevat rias de Abastecimento de gua 5 3 RESULTADOS OBTIDOS Neste subcap tulo ser o apresentados e analisados os resultados obtidos atrav s da aplica o do programa desenvolvido ao caso de estudo para dois dias teis em diferentes per odos de hora legal O funcionamento dos GE s da EE est condicionado pelo n vel da gua nos reservat rios para os quais elevam a gua e pelas varia es hor rias do consumo de gua e da tarifa el ctrica No programa desenvolvido tenta se que o n mero de arranques e paragens seja minimizado Foi fixado como restri o que o volume de gua nos reservat rio
74. ez de 2 0 m Na Tabela 16 est o ilustrados os resultados obtidos anteriormente e os obtidos neste cen rio para o custo di rio da energia e o factor de utiliza o das bombas Tabela 16 Compara o entre o custo di rio da energia el ctrica e factor de utiliza o das bombas obtido para o dia 8 de Julho de 2008 entre o caso inicial e com a diminui o da altura m nima de gua admiss vel no reservat rio Altura m nima de 2 0 m Altura m nima de 1 5 m Bomba Factor de Factor de Utiliza o Gas Utilizac o enla 1 82 85 1855 61 82 28 1837 81 2 5 99 97 62 6 58 107 50 3 0 00 0 0 0 Custo Total 1953 23 1944 86 51 Efici ncia Econ mica na Operac o de Estac es Elevat rias de Abastecimento de gua Atrav s desta an lise verifica se que ao diminuir o n vel m nimo de gua do reservat rio em 0 5 m permite uma redu o de cerca de 0 43 8 37 dia podendo ao final de um ano representar uma poupanga de cerca de 3055 B Terum Reservat rio em Manuten o Ter um reservat rio em manutenc o significa que a capacidade do reservat rio passa a ser metade da inicial Ent o para este cen rio os resultados obtidos para o custo di rio da energia encontram se na Tabela 17 Tabela 17 Compara o entre o custo di rio da energia el ctrica e factor de utiliza o das bombas obtido para o dia 8 de Julho de 2008 entre o caso inicial e o cen rio de ter um reservat rio em manut
75. f Per odo Nivel de gua Inicial m N vel de gua Final m 90 Efici ncia Econ mica na Opera o de Esta es Elevat rias de Abastecimento de gua disp s s sprintf disp s for n 1 N periodos count fprintf 1 1 0f 1 3f 3f n altura_agua n end disp s sprintf 5 disp s quest pause 5 input Prima 1 para continuar 9 een 115 if quest pause 5 1 pause off end pause on fprintf 1 n fprintf 1 Resultados obtidos para o custo da energia n fprintf 1 n s sprintf Bomba Factor de Utiliza o Rendimento Custo 9 disp s s sprintf percentagem percentagem 5 disp s s sprintf Ys disp s for np 1 N_Pumps count fprintf 1 2 0f 2 2f 2 1f 2 2f n resultado_final np end disp S sprintf a disp s s sprintf CUSTO TOTAL 4 2f custo total periodo disp s s sprintf s disp s quest pause 6 input Prima 1 para continuar 9 TprintI 1 sis i if quest pause 6 1 pause off end Gravar no ficheiro flnam global final inp a configura o final da instala o elevat ria simulada geometria consumos etc 91 Efici ncia Econ mica na Opera o de Esta es Elevat rias de Abastecimento de gua ENsaveinpfile final file E REPOR OR Encerramento do EPANET fprintf 1 n estado 0 O par metro 0 faz com que a fung o ENepanet
76. fica o das unidades a utilizar na simula o Se o caudal n o estiver em 1 s termina a execu o do programa Abertura dos ficheiros nome problema inicial inp e nome problema final inp Ficheiros com as configura es inicial e final da instala o a simular geometria consumos padr es etc Contagem de componentes da rede a simular N mero de n s tubos reservat rios v lvulas bombas etc Determina o dos index dos GE s RNV s e n associado ao padr o de consumo Os index s o armazenados numa matriz coluna de dimens es n mero componentesx1 Contagem de padr es temporais de curvas e de controlos simples Determina o e armazenagem dos index dos padr es de consumo e de tarifa de energia Leitura de outras informa es para controlo Leitura do tempo de simula o passo de tempo da simula o hidr ulica n mero de passos de tempo do padr o de consumo e passo de tempo do padr o de consumo C lculo dos volumes m ximos e m nimos de gua admiss veis nos RNV s S o calculados a partir da introdu o por parte do utilizador das alturas m ximas e m nimas de gua admiss veis e do di metro dos RNV s Introduc o de regras simples de operac o Introduc o das regras que regulam o estado das bombas definido que quando os RNV s atingem a altura m xima de gua as bombas desligam e quando atinge a altura m nima ligam Carregamento do tarif rio de energia Efici ncia Econ mica na Opera
77. for summer legal hour are 6 periods and 8 for the winter The aim of this study is to develop an algorithm for optimizing pump scheduling in each period using a model whose objective function includes the cost of energy but also a second term that seeks the regulation of the operation minimization of pump switches This algorithm is developed in Matlab language using a Toolbox of communication with EPANET 2 0 whose purpose is to read the characteristics of physical and non physical components from the network to be optimized The program was applied to the Sistema Multimunicipal de Abastecimento de gua ao Baixo C vado e Ave for two different days of the year corresponding to the summer and winter legal hour After optimizing the operational policy the results were simulated in EPANET resulting in small differences between the simulated and the calculated total cost for the summer legal time the cost after the simulation was 200 lower than the one that was calculated it s due to the impossibility to achieve the initial and final levels of water in the reservoir in each period and for winter legal time the cost is almost the same in both cases The program has also the functionality to assess the cost of taking some decisions on the system eg increase the performance of the pumps Keywords economic efficiency pump scheduling pumping stations optimization water supply systems Efici ncia Econ mica na Operac o de Estac es Elevat ri
78. hi_hf_c 1 N_periodos 2 periodos 1 N_periodos 4 num_bombas_periodo 1 N_periodos 1 utilizacao zeros N_periodos N_Pumps 1 utilizacao 1 N_periodos 1 1 N_periodos for np 2 N_Pumps 1 utilizacao 1 N_periodos np perc_util_periodo 1 N_periodos np 1 end pause on fprintf 1 n fprintf 1 Numero de bombas utilizadas em cada per odo fprintf 1 n 89 Efici ncia Econ mica na Opera o de Esta es Elevat rias de Abastecimento de gua s sprintf Per odo Hora In cio HoraFim N mero 9 disp s s sprintf de Bombas disp s s sprintf 5 disp s for n 1 N_periodos count fprintf 1 1 0f 1 0f 1 0f 961 0fn periodos n end disp s sprintf disp s quest pause 3 input Prima 1 para continuar 9 O wm 1f quest_pause_3 1 pause off end pause on fprintf 1 n fprintf 1 Factor de Utiliza o das Bombas em cada Per odo fprintf 1 n s sprintf Per odo Factor de disp s s sprintf Utilizagao disp s s sprintf 5 disp s s sprintf Bl B2 B35 disp s s sprintf 5 disp s for n 1 N_periodos count fprintf 1 1 0f 2 4f 2 4f 2 Af n utilizacao n end disp s sprintf disp s quest pause 4 input Prima 1 para continuar 9 prat wm 1f quest_pause_4 1 pause off end pause on fprintf 1 n fprintf 1 N mero de bombas utilizadas em cada per odo fprintf 1 n s sprint
79. i ncia Econ mica na Opera o de Esta es Elevat rias de Abastecimento de gua ANEXO D CONTROLOS COM CONDI ES M LTIPLAS UTILIZADOS PARA O DIA 08 DE JULHO DE 2008 97 Efici ncia Econ mica na Opera o de Esta es Elevat rias de Abastecimento de gua Rule 10 if system clocktime gt 0 00 and system clocktime lt 2 00 and tank ARADCEO1 level gt 4 98 then pump ETAB120 status is closed priority 10 Rule 11 if system clocktime gt 0 00 and system clocktime 2 00 and tank ARADCEOI level lt 2 then pump ETAB120 status is open priority 10 Rule 12 if system clocktime gt 0 00 and system clocktime 2 00 and tank ARADCEO level gt 3 25 then pump ETAB141 status is closed priority 10 Rule 13 1f system clocktime gt 0 00 and system clocktime lt 2 00 and tank ARADCEOI level lt 2 then pump ETAB141 status is open priority 10 99 Efici ncia Econ mica na Operac o de Estac es Elevat rias de Abastecimento de gua Rule 20 1f system clocktime gt 2 00 and system clocktime lt 6 00 and tank ARADCEO level gt 4 98 then pump ETAB120 status is closed priority 10 Rule 21 1f system clocktime gt 2 00 and system clocktime lt 6 00 and tank ARADCEOI level lt 2 then pump ETAB120 status is open priority 10 Rule 22 1f system clocktime gt 2 00 and system clocktime lt 6 00 and tank ARADCEO level gt 4 6 then pump ETAB141 status is clo
80. i rio da energia de cerca de 2 4 46 dia 33 Efici ncia Econ mica na Opera o de Esta es Elevat rias de Abastecimento de gua 6 CONCLUS O Os resultados apresentados neste trabalho mostram a viabilidade da aplica o do programa desenvolvido no sector de abastecimento de gua pois esses resultados podem ser facilmente aplicados a um sistema real O programa criado provou ser uma ferramenta de aux lio eficiente para os gestores de sistemas adutores pois apresenta de forma simples a pol tica operacional optimizada para bombas e o seu custo associado para cada per odo do tarif rio de energia existente Al m de auxiliar na optimiza o da pol tica operacional das esta es elevat rias o programa desenvolvido serve tamb m para avaliar economicamente poss veis ac es a tomar sobre a rede de abastecimento tal como o aumento da capacidade dos reservat rios A ferramenta desenvolvida requer um baixo tempo computacional sendo que o tempo total m dio para realizar a optimiza o de 1 14 minutos Os resultados obtidos s o os esperados tentando se elevar o m ximo de gua durante a noite evitando ao m ximo a utiliza o das bombas nos escal es energ ticos mais caros A simula o dos resultados obtidos foi a esperada verificando se que para o caso do dia 8 de Julho na simula o o factor de utiliza o das bombas menor do que o obtido na optimiza o o que se reflecte num custo di rio de
81. ia el ctrica e factor de utilizac o das bombas obtido para o dia 8 de Janeiro de 2008 eee Vela adde ee apnea Rete 48 Tabela 14 Resultados da simulac o para o factor de utilizac o de cada bomba e para cada per odo Tabela 15 Relat rio de Energia gerado pelo EPANET para o dia 08 de Janeiro de 2008 51 Tabela 16 Comparac o entre o custo di rio da energia el ctrica e factor de utilizac o das bombas obtido para o dia 8 de Julho de 2008 entre o caso inicial e com a diminuic o da altura m nima de gua admiss vel no reservat rio ooooonccccccccnnnciconnconnnconnncnonnnnn ono cnn nn cra nennen crac arre nennen nnns 51 Tabela 17 Comparac o entre o custo di rio da energia el ctrica e factor de utilizac o das bombas obtido para o dia 8 de Julho de 2008 entre o caso inicial e o cen rio de ter um reservat rio em MANUIA o R 52 Tabela 18 Comparac o entre o custo di rio da energia el ctrica e factor de utilizac o das bombas obtido para o dia 8 de Julho de 2008 entre o caso inicial e o cen rio de aumentar o rendimento dos Tabela F 1 N mero de bombas necess rias em cada per odo de tarif rio de energia e percentagem de utiliza o para o cen rio de altera o do n vel m nimo de gua no reservat rio 117 xi Efici ncia Econ mica na Operac o de Estac es Elevat rias de Abastecimento de gua Tabela F 2 Resultados obtidos pa
82. investimentos em novas instala es ou equipamentos 2 3 TARIFA DA ENERGIA EL CTRICA Segundo o Tarif rio de Venda de Energia El ctrica a Clientes Finais 2009 do Grupo Energias de Portugal publicado no Despacho n 22 2008 da Entidade Reguladora dos Servi os Energ ticos e de acordo com o art 26 do mesmo regulamento os per odos tarif rios existentes s o e Per odo I de 1 de Janeiro a 31 de Mar o e Per odo II de 1 de Abril a 30 de Junho e Per odo III de 1 de Julho a 30 de Setembro e Per odo IV de I de Outubro a 31 de Dezembro Estes 4 per odos s o reduzidos a dois conforme o per odo de hora legal em que se enquadram Sendo assim os per odos II e III formam o per odo de hora legal de Ver o e os per odos 1 e IV o per odo de hora legal de Inverno Cada dia dividido em quatro per odos hor rios nos quais s o associados diferentes pre os Esses per odos s o definidos pela ERSE conforme referido anteriormente e est o expostos nas Figura 3 e Figura 4 no que diz respeito aos dias teis Efici ncia Econ mica na Operac o de Estac es Elevat rias de Abastecimento de gua Per odo de hora legal de Ver o 23 00 0 00 1 00 0 2 00 21 00 20 00 4 00 19 00 5 00 18 00 6 00 17 00 7 00 16 00 8 00 Hora de Super Vazio Hora de Vazio 10 00 14 00 3 001 2 15 12 00 1 00 Hora de Cheias Hora de Ponta Figura 3 Per odos hor rios de entrega de energia el ctrica a
83. io bem como o factor de utilizac o das mesmas em cada per odo est presente na Tabela 11 Tabela 11 N mero de bombas necess rias em cada per odo de tarif rio de energia factor de utilizac o e custo associado para o dia 8 de Janeiro de 2008 Factor de Utilizac o Hora Hora horas de bombas 9 Custo panong inicial final per odo necess rias Bombai Bomba Bombai Bomba 1 00 00 02 00 2 2 100 0 19 0 135 7 25 6 2 02 00 06 00 4 2 100 0 9 0 253 4 22 6 3 06 00 07 00 1 2 100 0 1 9 67 8 1 3 4 07 00 09 00 2 1 71 6 0 0 145 7 0 5 09 00 12 00 3 1 18 7 0 0 73 8 0 6 12 00 18 00 6 2 100 15 1 610 6 91 6 7 18 00 21 00 3 1 19 0 0 74 7 0 8 21 00 24 00 3 1 84 9 0 259 2 0 Tamb m neste caso necess rio ligar as bombas nos per odos de energia mais cara per odos 3 e 7 embora durante um intervalo reduzido de tempo Na Tabela 12 est o descritos os resultados obtidos para o n vel de gua inicial e final nos reservat rios para cada per odo 47 Efici ncia Econ mica na Operac o de Estac es Elevat rias de Abastecimento de gua Tabela 12 Resultados obtidos para o n vel de gua inicial e final no reservat rio para cada per odo para o dia 8 de Julho de 2008 Per odo Hora Hora N horas N vel de gua N vel de gua inicial final per odo Inicial m Final m 1 00 00 02 00 2 2 00 2 00 2 02 00 06 00 4 2 00 4 98 3 06 00 07 00 1 4 98 4 98 4
84. k et al 1987 Este m todo sens vel ao Efici ncia Econ mica na Operac o de Estac es Elevat rias de Abastecimento de gua n mero de reservat rios e quantidade de bombas existentes Este m todo tem aplica o restrita a sistemas de pequenas dimens es Com o prop sito de gerar uma regra geral para a opera o de EE s em tempo real Nitivattanamon et al 1996 propuseram um modelo de optimiza o progressiva que dividia no tempo e no espa o o sistema em v rios sub sistemas planeando intervalos dentro dos v rios per odos operacionais O modelo foi aplicado ao sistema adutor da cidade de Pittsburgh tendo a solug o ptima apresentado uma reduc o de 20 nos custos operacionais das EE s quando comparados com os custos reais Ko et al 1997 utilizaram uma t cnica de an lise multiobjectivo para determinar a operag o ptima de EE s e reservat rios definindo tr s objectivos distintos minimiza o dos custos de energia el ctrica na EE estabilidade na operag o das bombas e confianga no atendimento dos consumos que variam aleatoriamente Foi utilizado um algoritmo de programac o din mica para encontrar a solug o ptima tendo sido depois aplicada a metodologia ao sistema de distribuig o de gua da cidade de Kumi Coreia do Sul Segundo os autores os resultados da optimizag o indicaram um potencial melhoramento da opera o do sistema quando comparada s opera es hist ricas 2 2 ESTRAT GIAS P
85. los simples Rossman 2000 Instru es de controlo LINK 12 CLCSED IF NODE 23 ABOVE 6 LINK 12 OPEN IF NODE 130 BELOW 30 B Controlos com Condi es M ltiplas Os Controlos com Condi es M ltiplas permitem que o estado e as propriedades de tro os dependam da combina o de um conjunto de condi es estabelecidas pelo utilizador Essas condi es podem ocorrer na rede ap s o c lculo das condi es hidr ulicas iniciais Na Figura 12 e Figura 13est o expostos exemplos deste tipo de controlos 21 Efici ncia Econ mica na Opera o de Esta es Elevat rias de Abastecimento de gua Rule Based Controls Editor Rule 10 if tank ARADCEO1 level gt 4 98 and tank ARADCEOZ level gt 4 98 then pump ETAB117 status is closed and pump ETAB141 status is closed priority 20 Rule 20 if tank ARADCEO1 level lt 1 99 or tank ARADCEO2 level lt 1 99 then pump ETAB117 status is open and pump ETAB141 status is open priority 20 Cancel Help Click Help to review format of Controls statements 7 Figura 12 Exemplo de controlos com condi es m ltiplas No exemplo acima exposto Figura 12 o utilizador define regras que alteram o estado das bombas consoante o n vel de gua nos RNV s As bombas s o accionadas quando o n vel de gua nos RNV s inferior a 1 99 m e desligadas quando a gua atinge n veis superiores a 4 98 m 22 Rule Based Controls Editor Rule 40 if system
86. lturas m ximas admissiveis de gua nos Tanks de ordem nt 1 1 N Tanks To homm WAY 2n Vector com as alturas m nimas admiss veis de gua nos Tanks de ordem nt 1 1 N Tanks horas periodo 1 1 Matriz coluna para registar o n mero de horas existentes em cada per odo 1 1 N periodos Go yd file nce Vari vel com o nome do ficheiro hyd bin rio n o formatado utilizado para armazenar os resultados da simula o hidr ulica nd 1 D isses Matriz coluna com o index do node s que est o associados aos padr es de consumo 1 1 N nodes So Wi to seus Matriz coluna com o index do link correspondente ao GE de ordem np 1 1 N Pumps 70 Efici ncia Econ mica na Operac o de Estac es Elevat rias de Abastecimento de gua 10 31005 1 52 5 Matriz coluna com o index do node correspondente ao tank RNV de ordem nt 151 Tanks Go inicial file Vari vel com o nome do ficheiro inp com a configura o inicial do problema input Mesci Vari vel com o nome global do problema e extens o inp define o nome do ficheiro com a rede a simular Vari vel que representa 60 segundos de 1 minuto 96 N Control Contador de controlos simples 96 IN Contador de curvas CCB s CCR s etc 96 N_Junctions Contador do n mero de n s Junctions 96 N_Junctions_1 Contador auxiliar do n mero de Junctions
87. mo e m ximo de gua para os quais o reservat rio de n vel vari vel opera D Curva de Perda de Carga S o curvas que relacionam a perda de carga eixo das ordenadas em unidades de comprimento com o caudal eixo das abcissas em unidades de caudal Permitem modelar dispositivos e situa es com uma relac o perda de carga caudal espec fica 19 Efici ncia Econ mica na Opera o de Esta es Elevat rias de Abastecimento de gua 3 1 5 2 Padr es Temporais Um padr o temporal constitu do por um conjunto de factores multiplicativos que podem ser aplicados ao valor de uma determinada grandeza de forma a traduzir a sua varia o no tempo O consumo nodal a carga hidr ulica num reservat rio de n vel fixo os esquemas de bombeamento e a entrada de um par metro de qualidade da gua na rede podem estar associados a um padr o temporal O passo de tempo do padr o utilizado em todos os padr es assume um valor fixo Em cada passo de tempo o valor da grandeza mant m se constante igual ao produto do seu valor nominal pelo factor multiplicativo do padr o respectivo a esse passo de tempo Embora todos os padr es temporais tenham que utilizar o mesmo passo de tempo cada padr o pode apresentar um n mero diferente de passos de tempo Na Figura 10 est representado um exemplo de um padr o temporal 3 1 5 3 Controlos Pattern Editor Pattern 1D Description Pe Padr o Consumo Gleba SS pem T CC PF
88. nal ptima das bombas tem vindo a tornar se uma metodologia pr tica e eficaz para atingir a efici ncia econ mica nos sistemas sem a necessidade de alterar as infra estruturas dos mesmos A varia o ao longo do dia do tarif rio de energia el ctrica torna este problema mais complexo pois necess rio reduzir o tempo de funcionamento das bombas durante o per odo que corresponde aos escal es de energia mais caros Devido a isso no presente estudo divide se o dia em intervalos correspondentes aos per odos tarif rios de energia para a hora legal de Ver o existir o 6 per odos e para a de Inverno 8 per odos Procura se desenvolver um algoritmo para c lculo da melhor combina o de bombas em cada per odo de tarif rio de energia utilizando um modelo de controlo cuja fun o objectivo engloba o custo da energia mas tamb m uma segunda parcela que busca a regularidade da opera o minimiza o dos arranques e paragens dos grupos elevat rios Esse algoritmo desenvolvido em linguagem Matlab com recurso a uma Toolbox de comunica o com o EPANET 2 0 cuja finalidade a leitura das caracter sticas dos componentes f sicos e n o f sicos da rede a optimizar O programa criado foi aplicado a parte do Sistema Multimunicipal de Abastecimento de gua ao Baixo C vado e Ave para dois dias do ano distintos correspondentes ao per odo de hora legal de Ver o e Inverno Ap s a optimiza o da pol tica operacional pelo programa desenvolvido
89. ncremento temporal i e pg corresponde ao pre o unit rio de energia nesse incremento Os valores de We Wg s o os factores de peso atribu dos a cada parcela da fun o objectivo Manter constante W e reduzir o valor de Wg significa diminuir a import ncia do custo da energia na obten o do valor da fun o objectivo No limite anular Wg significa ignorar o custo procurando apenas a regulariza o da opera o dos GE s Pelo contr rio anular W significa considerar exclusivamente o custo da energia A introdu o da parcela que representa a regularidade operacional tem duas vantagens i Assegurar alguma regularidade na opera o dos grupos elevat rios compete ao gestor operador da instala o elevat ria o exerc cio de ajustar os factores W e Wg ii Auxiliar na pesquisa do m nimo global da fun o objectivo evitando que o algoritmo convirja para m nimos locais 4 1 1 3 Restri es do Problema de Optimiza o O volume de gua no reservat rio no final de cada incremento temporal de ordem i Vj n o pode ultrapassar a capacidade m xima do reservat rio nem deve ser inferior a uma capacidade m nima fixada por considera es de outra ordem p e reserva de avarias Devido a isso a equa o 2 fica sujeita s seguintes restri es de desigualdade Vri Vro Velev i E Veonsi lt CAD maxima vi T 124 8 Vni Veo Velev i Veons i Cap m nima Vic 1 24 9 28 Efici ncia Econ mica na Ope
90. node correspondente ao Tank de ordem nt to nt zeros N Tanks 1 Iniciar a matriz coluna que armazena o index do node correspondente a cada Tank nt 0 Iniciar o contador do n mero de ordem de cada Tank fori 1 N nodes 71 Efici ncia Econ mica na Opera o de Esta es Elevat rias de Abastecimento de gua if ENgetnodetype i TANK nt nt 1 11 to nt nt 1 1 end end Determina o e armazenamento na matriz coluna i to nd do index do node correspondente ao n com o padr o de consumo nd 0 Iniciar o contador do n mero de ordem de cada n node_name cell N_Junctions 1 creating a cell array for i 1 N_nodes if ENgetnodevalue i EN_BASEDEMAND gt 0 nd nd 1 11 to nd 1 Passar a designa o do Tank para a matriz com as designa es cell array tline ENgetnodeid i node name nd 1 sscanf tline s 1 inf end end Envio de informag o para o monitor fprintf 1 Contagem de componentes da rede a calibrar fprintf 1 n fprintf 1 N mero de n s generalizados Nodes 6gW N nodes fprintf 1 N mero de n s Junctions g n N_Junctions fprintf 1 N mero de Reservoirs g n N_Reservs fprintf 1 N mero de Tanks RNV g n N_Tanks fprintf 1 n fprintf 1 N mero de links g n N_links fprintf 1 N mero de condutas Pipes c ou s CV g n N_Pipes 78 Efici nci
91. nto de grupos elevat rios e enchimento vazamento de reservat rios de n vel vari vel utiliza o de tratamento adicional como seja a recloragem selec o de tubagens para limpeza e substitui o Em ambiente Windows o EPANET fornece um ambiente integrado para editar dados de entrada da rede executar simula es hidr ulicas e de qualidade da gua e visualizar os resultados em v rios formatos Rossman 2000 14 Efici ncia Econ mica na Opera o de Esta es Elevat rias de Abastecimento de gua 3 1 2 CAPACIDADES DE MODELA O HIDR ULICA Uma rede completamente caracterizada e uma modela o hidr ulica fi vel constituem pr requisitos essenciais para a correcta modela o de um sistema O EPANET cont m um conjunto de ferramentas de c lculo para apoio simula o hidr ulica de que se destacam como principais caracter sticas dimens o n mero de componentes ilimitada da rede a analisar c lculo da perda de carga utilizando as f rmulas de Hazen Williams Darcy Weisbach ou Chezy Manning considera o das perdas de carga singulares em curvas alargamentos estreitamentos etc modela o de bombas de velocidade constante ou vari vel c lculo da energia de bombeamento e do respectivo custo modela o dos principais tipos de v lvulas modela o de reservat rios de n vel vari vel atrav s de curvas de volume em fun o da altura de gua m ltiplas categorias de consumos
92. o 0 0396 0 0419 Neste estudo dividiu se o dia em per odos de tarifa el ctrica como exposto na Tabela 2 e Tabela 3 Tabela 2 Per odos de tarifa de electricidade considerados para o per odo de hora legal de Ver o Per odo Hora inicial Hora final MES 1 00 00 02 00 0 0449 2 02 00 06 00 0 0419 3 06 00 07 00 0 0449 4 07 00 09 00 0 0660 5 09 00 12 00 0 0821 6 12 00 24 00 0 0660 Tabela 3 Per odos de tarifa de electricidade considerados para o per odo de hora legal de Inverno Per odo Hora inicial Hora final ME 1 00 00 02 00 0 0424 2 02 00 06 00 0 0396 3 06 00 07 00 0 0424 4 07 00 09 00 0 0636 5 09 00 12 00 0 0820 6 12 00 18 00 0 0636 7 18 00 21 00 0 0820 8 21 00 24 00 0 0636 Efici ncia Econ mica na Operac o de Estac es Elevat rias de Abastecimento de gua 2 4 CARACTERIZA O ENERG TICA DA GUAS DO C VADO S A De um modo geral as empresas de abastecimento de gua consomem mensalmente importantes recursos energ ticos na opera o dos seus sistemas Em 2007 a empresa AdC possu a em funcionamento 60 instala es consumidoras de energia el ctrica com aproximadamente uma pot ncia total instalada de 15 768 MVA o que gerou um consumo global de 26 840 846 kWh resultando numa factura de 1 477 997 A maior parte da energia consumida prov m sobretudo da ETA de Areias de Vilar e das Esta es Elevat rias Na Figura 5 pode observar se a distribui
93. o de Esta es Elevat rias de Abastecimento de gua xiv XV xvi xvii XVIII Ap s introdu o por parte do utilizador do tarif rio que quer utilizar hora legal de inverno ou ver o s o lidos os seguintes par metros n mero de per odos hora inicial e final de cada per odo e custo unit rio de energia em cada per odo Esses valores s o registados em matrizes independentes Realiza o de uma simula o hidr ulica realizada uma chamada do EPANET para a realiza o de uma simula o hidr ulica que permite obter o consumo hor rio o caudal e a pot ncia das v rias combina es poss veis de bombas Esses valores s o armazenados em matrizes de dimens es apropriadas C lculo dos limites da vari vel de controlo restri es de desigualdade e da estimativa inicial da vari vel de controlo O c lculo dos limites feito com base no consumo hor rio e na capacidade m xima e m nima de gua no reservat rio A solu o inicial calculada fazendo a m dia entre os dois limites da vari vel de controlo Defini o das restri es de igualdade Relativas s restri es expostas anteriormente em que o volume de gua no reservat rio no instante inicial e final seja o mesmo e que na hora anterior ao in cio do per odo de custo de energia mais elevado o reservat rio esteja cheio e no final desse mesmo per odo esteja com a sua capacidade m nima Optimiza o da fun o objectivo atrav
94. on mica na Operac o de Estac es Elevat rias de Abastecimento de gua Rule 52 if system clocktime gt 9 00 and system clocktime lt 12 00 and tank ARADCEO level gt 4 98 then pump ETAB141 status is closed priority 10 Rule 53 if system clocktime gt 9 00 and system clocktime 12 00 and tank ARADCEOI level 2 0 then pump ETAB141 status is open priority 10 Rule 60 if system clocktime gt 12 00 and system clocktime 18 00 and tank ARADCEO level gt 4 98 then pump ETAB120 status is closed priority 10 Rule 61 if system clocktime gt 11 59 and system clocktime lt 18 00 and tank ARADCEOI level lt 2 61 then pump ETAB120 status is open 112 Efici ncia Econ mica na Opera o de Esta es Elevat rias de Abastecimento de gua priority 10 Rule 62 if system clocktime gt 17 00 and system clocktime lt 18 00 and tank ARADCEOI level gt 4 98 then pump ETAB141 status is closed priority 10 Rule 63 if system clocktime gt 17 00 and system clocktime lt 18 00 and tank ARADCEO level lt 2 68 then pump ETAB141 status is open priority 10 Rule 70 if system clocktime gt 18 00 and system clocktime lt 21 00 and tank ARADCEO1 level gt 3 39 then pump ETAB120 status is closed priority 10 Rule 71 if system clocktime gt 18 00 and system clocktime lt 21 00 and tank ARADCEO1 level lt 2 03 113 Efici ncia Econ mica na Operac o de Est
95. onsequ ncias de ac es a tomar no manuseamento dos componentes do sistema O uso desses simuladores hidr ulicos melhora a produtividade do trabalho e confere melhor precis o nas repostas s quest es solicitadas A solu o ptima deve ser a que minimiza os custos de opera o mais importantes ou seja os relativos ao consumo de energia el ctrica e os de manuten o das bombas respeitando as restri es hidr ulicas f sicas e operacionais do sistema 25 Efici ncia Econ mica na Operac o de Estac es Elevat rias de Abastecimento de gua Neste estudo considerou se um horizonte de planeamento de 24 horas O modelo matem tico est moldado para representar qualquer sistema adutor composto por um reservat rio de alimenta o uma esta o elevat ria composta por um ou mais GE s e um reservat rio de distribui o composto por uma ou mais c lulas 4 1 MODELO DE CONTROLO O modelo de controlo utilizado baseado no modelo proposto por Figueiredo e Martins 2007 em que o problema de optimiza o tem como fun o objectivo a minimiza o do custo da energia el ctrica consumida pelos GE s mantendo o mais regular poss vel o volume de gua elevado em cada hora As restri es a ser respeitadas neste problema s o para al m das caracter sticas da instala o elevat ria das leis f sicas que regem o seu funcionamento do consumo de gua esperado e do custo unit rio de energia el ctrica os limites supe
96. ontrolo para EE s de abastecimento de gua foram apresentados e discutidos por Goldman et al 2000 Os componentes do modelo incluem modelos hidr ulicos da rede modelos de previs o de consumo e modelos ptimos de controlo As metodologias estudadas est o classificadas em tipo de sistema a que essa metodologia pode ser aplicada 1 fonte 1 reservat rio ou m ltiplas fontes m ltiplos reservat rios tipo de modelo hidr ulico utilizado balan o de massa regress o ou simula o hidr ulica tipo de modelo de previs o de consumo utilizado distribu do ou proporcional tipo de m todo de optimiza o utilizado programa o linear programa o din mica ou programa o n o linear epela natureza da pol tica de controlo impl cita ou expl cita Ormsbee and Lansey 1994 fizeram uma revis o dos m todos utilizados na optimiza o da opera o de esta es elevat rias de sistemas de abastecimento de gua para minimizar os custos operacionais Desenvolveram algoritmos gen ticos multiobjectivo para a atingir a pol tica operacional ptima para as EE s O problema foi formulado como de optimiza o do custo que procura minimizar os custos marginais de fornecimento de gua enquanto cumpre as restri es f sicas e hidr ulicas do sistema por exemplo manter gua suficiente nos reservat rios para atender aos consumos vari veis com o tempo Para atingir esse objectivo criaram um algoritmo
97. os n veis m ximos e m nimos de gua no reservat rio e defini o da altura da gua inicial nos reservat rios igual altura m nima for nt 1 N Tanks it ii to nt nt 1 ENsetnodevalue it EN TANKLEVEL h min ENsetnodevalue i EN MINLEVEL h min ENsetnodevalue i EN MAXLEVEL h max end In cio da simula o hidr ulica para obten o dos caudais pot ncia e altura manom trica dos GE s fprintf 1 n fprintf 1 In cio da Simula o Hidr ulica para Obten o dos Caudais e Pot ncia das bombas n fprintf wm fprintf 1 n for np 1 N_Pumps ip ii to np np 1 ENsetlinkvalue ip EN INITSTATUS 0 end for npz1 N Pumps ip ii to np np 1 ENsetlinkvalue ip EN INITSTATUS 1 ENsolveH _B np 1 ENgetlinkvalue ip EN_FLOW np 1000 P_B np 1 ENgetlinkvalue ip EN_ENERGY np B np 1 ENgetlinkvalue ip EN HEADLOSS end C lculo do Rendimento dos GE s for np 1 N Pumps rend np 1 2 9 8 Q B np 1 np H B np 1 P B np 1 np 1 100 end fprintf 1 n fprintf 1 Final da Simula o Hidr ulica para Obten o dos Caudais e Pot ncia das bombas n Iptinti himnon isis real wm fprintf 1 n 82 Efici ncia Econ mica na Operac o de Estac es Elevat rias de Abastecimento de gua Leitura do tarif rio de energia presente no ficheiro tarifario verao txt ou tarifario_inverno txt fprintf 1 n Hs wm fprintf
98. para determinar qual das bombas dispon veis dentro do sistema deve ser utilizada durante cada intervalo do per odo de optimiza o Ostfeld and Shamir 1993 desenvolveram um modelo de optimiza o que optimiza os custos com a bombagem e a qualidade da gua usando condi es em estado estacion rio e din micas utilizando GAMS MINOS General Algebraic Modeling System Mathematical In Core Nonlinear Optimization Systems O objectivo era o de minimizar o custo total incluindo os custos da gua na fonte de tratamento e da energia para operar o sistema As restri es inclu am equa es que descrevem a mudan a de caudal e qualidade ao longo do sistema leis f sicas de escoamento e concentra o e os requerimentos de n vel do servi o prestado A utiliza o de programa o linear na optimiza o deste tipo de sistemas foi abordada a fundo por Jowitt e Germanopoulos 1992 no seu estudo focado na pol tica operacional ptima em redes de distribui o de gua O seu trabalho apresenta um m todo baseado em programa o linear para determinar uma pol tica operacional ptima custo m nimo das esta es elevat rias para um per odo de 24h O m todo provou ser robusto e com baixo requerimento de tempo de resolu o e por isso apto para implementa o em tempo real Uma outra abordagem ao assunto a programa o din mica PD e foi usada para a optimiza o deste tipo de problemas por Coulbeck and Orr 1982 e Coulbec
99. pera o de Esta es Elevat rias de Abastecimento de gua perc utilizacao 1 1 Matriz coluna para registar a percentagem de utiliza o da bomba i durante o periodo de an lise 1 1 N Pumps perc util periodo 1 n Matriz para registar a percentagem de utiliza o da bomba n durante o periodo i 1 1 N periodos e n 1 N Pumps Pump name i 1 Vector com as designa es dos GE s lidas no ficheiro nome do problema INP 1 1 N Pumps wO B1 nones Vector com o caudal acumulado de cada GE 1 1 N Pumps Q elevar 1 1 Matriz coluna para registar os caudais necess rios elevar em cada hora 1 1 N pattern tstep Vo fend snis Matriz coluna para registar o rendimento das bombas 1 1 N Pumps 7o report Tile Vari vel com o nome global do problema e extens o rep define o nome do ficheiro com o report da resolu o extens o rep 9o Tank name 1 1 Matriz coluna com a designa o do Tank de ordem nt 1 1 N Tanks time duration Vari vel com a dura o em segundos da simula o do comportamento da instalac o pelo Epanet time step hyd Vari vel com o incremento de tempo em segundos da simulag o hidr ulica pelo Epanet time step pattern Vari vel com a durac o em segundos do incremento temporal dos padr es temporais de consumos precos etc Vote saciar Vari vel auxiliar para onde transferida c
100. pera o de Esta es Elevat rias de Abastecimento de gua ANEXO A FUN ES UTILIZADAS NO MATLAB DA TOOLBOX DE COMUNICA O COM O EPANET 59 Efici ncia Econ mica na Opera o de Esta es Elevat rias de Abastecimento de gua As fun es utilizadas da Toolbox no desenvolvimento do algoritmo foram e ENepanet corre uma simula o completa no EPANET na biblioteca epanet2 A comunica o feita atrav s do c digo error code ENepanet estado e ENopen para comunicar ao toolkit do EPANET o nome do ficheiro com a defini o da instala o extens o inp o nome do ficheiro para escrever o report da resolu o extens o rep e o nome do ficheiro bin rio de output extens o out A comunica o feita atrav s do c digo ENopen input file report file output file e ENgetflowunits verifica as unidades de caudal utilizadas na simula o Se o caudal n o estiver em l s termina a execu o do programa O c digo utilizado ENgetflowunits EN LPS e ENsaveinpfile grava a configura o actual da rede a simular num ficheiro de extens o inp O c digo utilizado ENsaveinpfile nome do ficheiro e ENgetcount devolve o n mero de componentes de um determinado tipo n s RNV e links padr es temporais curvas e controlos simples existentes na rede a simular O c digo utilizado por exemplo ENgetcount EN LINKCOUNT
101. ra o de Esta es Elevat rias de Abastecimento de gua Que por sua vez d o lugar s inequa es Veo Velev i lt CaPm xima Veonsi vi 1 124 10 Veo Velev i 2 COD minima Veonsi vi 1 24 11 Estas express es significam que a fun o de controlo isto a fun o representativa do volume acumulado de gua elevada adicionada ao volume inicial de gua existente no reservat rio tem que estar compreendida numa faixa limitada inferiormente pelo volume de gua consumida adicionado da capacidade m nima fixada para o reservat rio e superiormente pelo volume acumulado de gua consumida adicionado da capacidade m xima de armazenamento do reservat rio Quando a fun o de controlo se encosta ao limite superior o reservat rio est totalmente cheio quando acontece o oposto o reservat rio cont m somente o volume m nimo de gua estabelecido Al m das restri es mencionadas acima considerou se ainda que e No instante imediatamente anterior ao in cio do per odo de energia mais cara hora de ponta o volume de gua no reservat rio deve ser o correspondente capacidade m xima do mesmo e No instante final do per odo de energia mais cara o volume de gua no reservat rio deve ser o correspondente capacidade m nima Estas duas restri es tentam evitar o accionamento das bombas no per odo em que a electricidade mais cara Podem ser traduzidas por Veo T Velev i Capm
102. ra o n vel de gua inicial e final no reservat rio para cada per odo para o dia 8 de Julho de 2008 para o cen rio de alterac o do n vel m nimo de no reservat rio Tabela F 3 N mero de bombas necess rias em cada per odo de tarif rio de energia e percentagem de utiliza o para o cen rio de estar um dos reservat rios em 117 Tabela F 4 Resultados obtidos para o n vel de gua inicial e final no reservat rio para cada per odo para o dia 8 de Julho de 2008 para o cen rio de estar um dos reservat rios em manuten o 118 Tabela F 5 N mero de bombas necess rias em cada per odo de tarif rio de energia e percentagem de utiliza o para o cen rio de aumento do rendimento dos 5 118 Tabela F 6 Resultados obtidos para o n vel de gua inicial e final no reservat rio para cada per odo para o dia 8 de Julho de 2008 para o cen rio de aumento do rendimento dos GE s 118 xii Efici ncia Econ mica na Operac o de Estac es Elevat rias de Abastecimento de gua ABREVIATURAS E S MBOLOS AdC guas do C vado SA CCB Curva Caracter stica da Bomba CRB Curva de Rendimento da Bomba Esta o elevat ria ERSE Entidade Reguladora dos Servi os Energ ticos ETA Estac o de Tratamento de gua GE Grupo Elevat rio LNEC Laborat rio Nacional
103. ras fora de ponta pois um reflexo da preocupac o existente na empresa de nas EE s a jusante do reservat rio n o haver accionamento dos GE s durante as horas de tarifa de energia mais elevada Os valores dos factores de consumo acima expostos foram introduzidos no EPANET a fim de se poder realizar a simula o 5 1 3 PADR O HOR RIO DA TARIFA EL CTRICA Tendo em conta que se v o analisar dois dias correspondentes aos dois per odos de hora legal existentes definiram se as varia es tarif rias ao longo do dia que se encontram na Figura 20 e Figura 21 0 09 0 08 0 07 0 06 0 05 0 04 0 03 0 02 0 01 0 00 Pre o Unit rio Hectricidade KWh 12345 67 8 9 101112131415 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Horas Figura 20 Varia o hor ria da tarifa el ctrica utilizada para o per odo de hora legal de Ver o 41 Efici ncia Econ mica na Operac o de Estac es Elevat rias de Abastecimento de gua 0 09 0 08 0 07 0 06 0 05 0 04 0 03 0 02 0 01 0 00 Pre o Unit rio Hectricidade KWh 1234567 8 9101112131415 1617 18 19 20 21 22 23 24 Horas Figura 21 Variac o hor ria da tarifa el ctrica utilizada para o per odo de hora legal de Inverno Comparando a Figura 3 e Figura 20 pode se verificar que na segunda o per odo de hora de ponta foi alterado para come ar e acabar s horas certas Procedeu se do mesmo modo sempre que os per odos n o come avam ou acabavam a horas c
104. rior e inferior do volume de gua armazenado no reservat rio abastecido pela EE as condi es iniciais e finais do problema e o volume de gua armazenado no reservat rio no in cio e no final do per odo em que o custo de energia mais elevado Neste estudo optou se dividir o dia em per odos correspondentes aos per odos de tarifa de energia cap tulo 2 3 pois geralmente na opera o de sistemas de abastecimento de gua consideram se estes per odos para definir a pol tica operacional das bombas 4 1 1 1 Vari vel de Controlo A formula o utilizada a indirecta onde o volume a elevar em cada hora constitui a vari vel de controlo E uma formula o mais simples de implementar do que a directa sendo que nesta a vari vel de controlo ou vari veis dependendo do n mero de GE s da EE quantifica a frac o do incremento temporal durante a qual um GE est a funcionar A equa o de balan o aplicada ao reservat rio de jusante estabelece que para um determinado intervalo de tempo o volume final de gua no reservat rio igual ao inicial adicionado da diferen a entre o volume de gua elevado pela conduta e o volume entregue pelo reservat rio ao consumo Vg final Vr inicial ES Velevado Vconsumido 1 26 Efici ncia Econ mica na Opera o de Esta es Elevat rias de Abastecimento de gua Considerando um per odo de an lise de 24 horas e sendo Vg o o volume de gua no reservat rio no inst
105. rna necess rio a redu o das perdas de carga atrav s de escolha adequada do di metro econ mico limpeza ou revestimento das tubagens elimina o de ar nas tubagens e correcta disposi o das tubagens Redu o do volume de gua bombeada esta medida est directamente ligada redu o dos custos de electricidade pois a pot ncia do grupo elevat rio ser menor Embora se possam considerar diversos factores para a diminui o do volume de gua os mais importantes s o o Efici ncia Econ mica na Operac o de Estac es Elevat rias de Abastecimento de gua controlo de perdas de gua e as modificag es nas caracter sticas dos componentes das instala es hidr ulicas Melhoria de rendimento dos grupos elevat rios os motores el ctricos e as bombas s o os principais consumidores de energia el ctrica pelo que se torna necess ria uma melhoria nos seus rendimentos e Redu o do Custo pela Altera o do Sistema Operacional Accionar as bombas fora dos per odos em que a electricidade mais cara garantindo que as necessidades de gua s o cumpridas Utiliza o de variadores de frequ ncia nos conjuntos electro bomba num sistema de abastecimento torna se necess rio controlar o volume bombeado em fun o do consumo Neste trabalho procura se desenvolver uma metodologia de diminui o do custo de energia el ctrica apenas com altera o do planeamento operacional das EE s sem necessidade de
106. ropriedades do EPANET 2 0 4 2 2 ETAPAS DA CONSTRU O DO PROGRAMA DE OPTIMIZA O Previamente execu o do programa criado necess rio realizar dois procedimentos a Prepara o do ficheiro de entrada exporta o da rede previamente constru da no EPANET dando origem a um ficheiro do tipo nome problema inp Este passo externo ao programa de optimiza o b Cria o dos ficheiros de texto com os tarif rios de energia 31 Efici ncia Econ mica na Operac o de Estac es Elevat rias de Abastecimento de gua Criag o de dois ficheiros de texto com as caracter sticas dos tarif rios de electricidade para o per odo de hora legal de ver o e de inverno tarifario_verao txt e tarifario_inverno txt No ANEXO B encontra se a transcrig o dos ficheiros utilizados neste trabalho O algoritmo desenvolvido pode ser descrito pelos seguintes passos i ii iii iv V vii viii ix X xii xiii 32 Declarac o de vari veis Carregamento das vari veis globais da biblioteca de fun es da Toolbox do EPANET por script e declarag o de outras vari veis globais adicionais Entrada de dados e defini es de ficheiros Introdu o por parte do utilizador do ficheiro nome problema a carregar Concatena o do non non nome do problema com as extens es inp rep out e hyd Abertura da rede hidr ulica Importa o do ficheiro nome problema inp Veri
107. ros de texto e uma fun o de optimiza o que est integrada na biblioteca do Matlab O programa Matlab possui rotinas pr programadas para optimizar fun es com restri es Este pacote de optimiza o tem diversos algoritmos apropriados para diferentes casos 3 2 1 FUN O DE OPTIMIZA O UTILIZADA A fun o utilizada para optimizar a fun o objectivo proposta foi a fmincon que dada uma aproxima o inicial xo ela procura a solu o do problema isto um ponto que minimiza f x e que verifica todas as restri es usando o m todo da programa o quadr tica sequencial baseado numa aproxima o Quasi Newton da Hessiana da Lagrangeana com procura unidimensional Esta fun o encontra uma solu o que minimiza um problema especificado da seguinte forma c x 0 restri es n o lineares de desigualdade ceq x 0 restri es n o lineares de igualdade min f x sujeitoa 4 A x lt b restri es lineares de desigualdade Aeq x beq restri es lineares de igualdade lb lt x lt ub limites simples das vari veis Em que x b beq lb e ub s o vectores A e Aeq s o matrizes c x e ceq x s o fun es cujo resultado s o vectores e f x uma fun o que devolve um escalar f x c x e ceq x podem ser fun es n o lineares A sintaxe utilizada para chamar a fun o a seguinte x fval exitflag output lambda grad hessian fmincon fun x0 A b Aeq beq lb ub nonlcon options 2
108. s Elevat rias de Abastecimento de gua Ler o tempo da simula o time duration ENgettimeparam EN DURATION duracao horas time duration 3600 Ler o time step da simula o hidr ulica time step hyd ENgettimeparam EN HYDSTEP tstep hid horas time step hyd 3600 tstep hid minutos time step hyd 60 PRI Ler o n mero de time step s do padr o de consumo do index consumo N pattern tstep ENgetpatternlen index consumo Ler o time step do padr o de consumo em segundos time_step_pattern ENgettimeparam EN_PATTERNSTEP tstep_padrao_horas time_step_pattern 3600 tstep_padrao_minutos time_step_pattern 60 fprintf 1 n fprintf 1 Outras informa es An fprintf 1 n fprintf 1 Dura o da simula o 96g hora s n duracao_horas fprintf 1 n fprintf 1 Time step do c lculo hidr ulico g hora s tstep hid horas fprintf 1 Time step do c lculo hidr ulico g minuto s n tstep hid minutos fprintf 1 n fprintf 1 N mero de passos dos padr es temporais odW N pattern tstep fprintf 1 Time step do padrao de consumo 96g hora s n tstep padrao horas fprintf 1 Time step do padrao de consumo g minuto s n tstep padrao minutos C lculo da altura m xima e m nima de cada Reservat rio fprintf 1 n Tprintf L Ro wm fprintf 1 n fprintf 1 Introdug o da altura m xima e m nima de gua
109. s n o poderia ser superior ao volume m ximo admiss vel e inferior ao volume m nimo Para al m dessa restri o no decorrer do programa s o actualizados os controlos simples das bombas de forma a lig las quando atingido o n vel m nimo de gua e deslig las quando se atinge o n vel m ximo Ap s o conhecimento do n mero de bombas necess rias tempo de funcionamento das mesmas e n veis de gua iniciais e finais no reservat rio para cada per odo poss vel simular com o EPANET a solu o obtida de uma forma relativamente simples Basta introduzir controlos com condi es m ltiplas em que s o definidos para cada per odo os n veis de gua num dos reservat rios que alteram o estado das bombas Os n veis de gua que controlam o estado das bombas foram definidos tendo em conta os seguintes crit rios e Sea bomba funcionar o tempo total do per odo os n veis foram definidos para que a bomba ligue no n vel inicial do per odo e desligue quando atingida a altura m xima de gua definida e No per odo de ponta a bomba s liga quando o n vel de gua atinge o m nimo definido e Se a bomba n o funcionar durante todo o tempo do per odo tenta se procurar o melhor instante para a ligar tendo em conta o n vel de gua que deve ser atingido no final desse per odo 5 3 1 DIA 08 DE JULHO DE 2008 TARIF RIO DE HORA LEGAL DE VER O 5 3 1 1 Resultados Obtidos com o Programa de Optimiza o Tal como ref
110. s seguintes tipos de curvas Curva Caracter stica da Bomba CCB Curva de Rendimento da Bombas CRB Curva de Volume Curva de Perda de Carga A Curva Caracter stica da Bomba A CCB representa uma rela o entre a altura de eleva o e o caudal definindo as condi es de funcionamento A altura de eleva o representa a energia fornecida ao escoamento pela bomba e representada no eixo das ordenadas em metros O caudal representado no eixo das abcissas nas unidades respectivas Uma curva da bomba v lida deve apresentar alturas de eleva o decrescentes com o aumento do caudal Figura 8 O EPANET define automaticamente as curvas das bombas quando o utilizador insere os valores necess rios de altura de e caudal E poss vel o EPANET gerar uma curva da bomba com a inserc o de apenas um par de valores devendo esse ponto corresponder ao ponto de funcionamento ptimo da bomba Curve Editor WE Curve Editor Curve ID Description Curve ID Description 8 Evi EE Areias de Vilar CB EVI Esta o Elevat ria de Areias de Vilar Curve Type Equation Curve Type Pump Head 175 87 4 357E 005 Flow 2 00 PUMP y 160 100461 1318 BER 0 168 35 E 120 61583 15873 100 8 67875 18887 78163 14802 915 6 139 12 200 400 600 800 1000 100471 13234 Flow LPS Cancel Help ha Cancel Figura 8 Exemplo de curva da bomba com um
111. scoamento ocorre dos pontos com carga hidr ulica mais elevada para os pontos com carga hidr ulica mais baixa Os principais par metros a inserir nas propriedades s o n inicial e final di metro comprimento coeficiente de rugosidade estado aberto fechado ou com v lvula de reten o As grandezas obtidas em resultado da simula o s o caudal velocidade perda de carga factor de resist ncia ou factor de Darcy Weisbach 16 Efici ncia Econ mica na Opera o de Esta es Elevat rias de Abastecimento de gua 3 1 4 3 Bombas S o tro os de rede que transferem energia para o escoamento aumentando a carga hidr ulica Os principais dados a inserir no programa s o n inicial e final e a curva caracter stica da bomba Como dados de sa da temos o caudal bombeado e a altura de eleva o As bombas podem ser ligadas ou desligadas em determinado per odos de tempo ou quando ocorrem determinadas condi es de opera o na rede O EPANET tamb m pode determinar o consumo de energia e o custo de bombeamento A cada bomba pode ser associada uma curva de rendimento do grupo electrobomba e uma tabela de pre os de energia 3 1 4 4 N s S o pontos da rede onde os tro os ligam entre si e onde a gua entra e sai da rede Os principais dados de entrada s o cota acima de determinado n vel de refer ncia consumo e qualidade inicial da gua Em cada instante da simula o os resultados obtidos s o carga hidr ulica total
112. sed priority 10 Rule 23 if system clocktime gt 2 00 and system clocktime lt 6 00 and tank ARADCEOI level lt 2 3 then pump ETAB141 status is open 100 Efici ncia Econ mica na Opera o de Esta es Elevat rias de Abastecimento de gua priority 10 Rule 30 if system clocktime gt 6 00 and system clocktime lt 7 00 and tank ARADCEOI level gt 4 98 then pump ETAB120 status is closed priority 10 Rule 31 if system clocktime gt 6 00 and system clocktime lt 7 00 and tank ARADCEOI level lt 3 7 then pump ETAB120 status is open priority 10 Rule 32 if system clocktime gt 6 00 and system clocktime lt 7 00 and tank ARADCEO1 level gt 4 98 then pump ETAB141 status is closed priority 10 Rule 33 if system clocktime gt 6 00 and system clocktime lt 7 00 and tank ARADCEO1 level lt 2 0 101 Efici ncia Econ mica na Operac o de Estac es Elevat rias de Abastecimento de gua then pump ETAB141 status is open priority 10 priority 10 Rule 40 1f system clocktime gt 7 00 and system clocktime lt 9 00 and tank ARADCEO1 level gt 4 98 then pump ETAB120 status is closed priority 10 Rule 41 1f system clocktime gt 7 00 and system clocktime lt 9 00 and tank ARADCEO level lt 3 55 then pump ETAB120 status is open priority 10 Rule 50 1f system clocktime gt 9 00 and system clocktime lt 12 00 and tank ARADCEOI level gt 3 11
113. software MATLAB com recurso a uma Toolbox de comunica o com o EPANET desenvolvida por Andr Vieira Engenheiro Civil e Mestre em Hidr ulica pela FEUP que uma adapta o da estrutura do EPANET Programmer s Toolkit na sua vers o 2 00 07 de Janeiro de 2001 desenvolvido pela EPA as fun es desta Toolbox utilizadas no decurso do algoritmo bem como as suas caracter sticas est o enumeradas no ANEXO A 4 2 1 ETAPAS DA CONSTRU O DA REDE HIDR ULICA No in cio da execu o do programa de optimiza o feita a leitura da rede hidr ulica constru da no z EPANET 2 0 Para o correcto funcionamento do programa necess ria a introdu o de alguns par metros durante a constru o da rede a simular Dados gerais das tubagens n inicial e final di metros comprimentos e rugosidade Padr o de consumo em que o ID deve ser P C e respectivo consumo m dio di rio Padr o de tarifa el ctrica em que o ID deve ser P E este par metro tem de existir embora os valores hor rios do padr o sejam posteriormente actualizados Curvas caracter sticas das bombas Curvas de rendimento das bombas Dados gerais das bombas cada bomba dever ter uma CCB e uma CRB associada bem como um padr o de tarifa el ctrica e o pre o da energia este par metro dever ser igual a 1 Dados gerais dos reservat rios di metro altura de gua m xima e m nima altura de gua inicial cota
114. studo incorpora uma EE extremamente importante pois depende dela todo o funcionamento da rede a jusante A esta o est equipada com 3 GE s iguais marca Worthington modelo 350 LNN 725 associados em paralelo e que em conjunto elevam um caudal 2966 1 s para uma altura manom trica de 133 m As dimens es do edif cio da s o de 55 m de comprimento por 13 m de largura e altura vari vel estando o po o de bombagem cota 11 10 m Na Tabela 5 est o as combina es poss veis de bombas e o caudal elevado pot ncia consumida altura manom trica e rendimento para cada combina o Tabela 5 Caudal elevado e pot ncia consumida para as combina es poss veis de GE s Combina o das Bombas Caudal Elevado Pot ncia e Bangumeno Manom trica Bomba 1 Bomba2 Bomba 3 l s kW m 96 OFF OFF OFF 0 0 0 0 ON OFF OFF 1038 7 1599 128 9 81 98 ON ON OFF 2036 1 3180 130 8 81 98 ON ON ON 2966 3 4654 133 4 83 18 A curva caracter stica das bombas aqui utilizada a que constava no ficheiro EPANET cedido pelas ACC e est representada na Figura 16 37 Efici ncia Econ mica na Opera o de Esta es Elevat rias de Abastecimento de gua 200 0 180 0 4 160 0 4 140 0 4 120 0 4 E 100 0 a T 80 0 60 0 4 40 0 4 20 0 4 0 0 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 Q l s Figura 16 Curva caracter stica das bombas existentes na EE1 Devido inexist ncia de
115. t ncia consumida para as combina es poss veis de GE s 37 Tabela 6 N mero de bombas necess rias em cada per odo de tarif rio de energia percentagem de utiliza o e custo associado para o dia 8 de 44 Tabela 7 Resultados obtidos para o n vel de gua inicial e final no reservat rio para cada per odo para o dia 8 de Julho de 2008 cccccccccnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnonnnnnnnnnnnnnnonnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnennnnninss 44 Tabela 8 Custo di rio de energia el ctrica e factor de utiliza o das bombas para o dia 08 de Julho de 2008 45 Tabela 9 Resultados da simulac o para o factor de utilizac o de cada bomba para cada per odo 46 Tabela 10 Relat rio de Energia gerado pelo EPANET sesssessssssssee nn 47 Tabela 11 N mero de bombas necess rias em cada per odo de tarif rio de energia percentagem de utiliza o e custo associado para o dia 8 de Janeiro de 2008 47 Tabela 12 Resultados obtidos para o n vel de gua inicial e final no reservat rio para cada per odo para o dia 8 de Julho de 2008 cccccccncncnnnnnnnnnnnnnnnonnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnenanininos 48 Tabela 13 Custo di rio da energ
116. then pump ETAB120 status is closed priority 10 Rule 51 102 Efici ncia Econ mica na Opera o de Esta es Elevat rias de Abastecimento de gua if system clocktime gt 9 00 and system clocktime lt 12 00 and tank ARADCEO1 level lt 2 0 then pump ETAB120 status is open priority 10 Rule 60 1f system clocktime gt 12 00 and system clocktime lt 23 59 and tank ARADCEO1 level gt 3 635 then pump ETAB120 status is closed priority 10 Rule 61 if system clocktime gt 12 00 and system clocktime lt 23 59 and tank ARADCEOI level lt 2 01 then pump ETAB120 status is open priority 10 103 Efici ncia Econ mica na Opera o de Esta es Elevat rias de Abastecimento de gua ANEXO E CONTROLOS COM CONDI ES M LTIPLAS UTILIZADOS PARA O DIA 08 DE JANEIRO DE 2008 105 Efici ncia Econ mica na Opera o de Esta es Elevat rias de Abastecimento de gua Rule 10 if system clocktime gt 0 00 and system clocktime lt 2 00 and tank ARADCEO1 level gt 4 98 then pump ETAB120 status is closed priority 10 Rule 11 1f system clocktime gt 0 00 and system clocktime lt 2 00 and tank ARADCEO level lt 2 2 then pump ETAB120 status is open priority 10 Rule 12 1f system clocktime gt 0 00 and system clocktime lt 2 00 and tank ARADCEOI level gt 3 16 then pump ETAB141 status is closed priority 10 Rule 13 1f system clocktime gt 0 00 and system
117. tstep 1 1 h agua reserv zeros N pattern tstep 1 1 V agua reserv 1 1 V elev acum 1 1 V horario acum 1 1 h agua reserv 1 1 2 V agua reserv 1 1 K 4 pi diametro eq 2 for n 2 N pattern tstep 1 V horario elevar n 1 1 V elev acum n 1 V elev acum n 1 1 m3 K Q elevar n 1 1 V horario elevar n 1 1 K comprimento n 1 1 sgrt V horario elevar n 1 1 24 K 2 V agua reserv n 1 V elev acum n 1 V horario acum n 1 h agua reserv n 1 V agua reserv n 1 K 4 pi diametro eq 2 end Calcular o volume a elevar o volume consumido e altura da gua final para cada per odo V elev periodo zeros N periodos 1 h agua periodo zeros N periodos 1 V cons periodo zeros N periodos 1 1 0 for nd 1 N_periodos i 1 horas_periodo nd 1 b i horas_periodo nd 1 1 V_elev_periodo nd 1 sum V_horario_elevar b i 1 K m3 h_agua_periodo nd 1 h_agua_reserv i 1 1 93 Efici ncia Econ mica na Opera o de Esta es Elevat rias de Abastecimento de gua V cons periodo nd 1 sum V horario b 1 1 1 1 K end Calcular qual o volume m ximo que cada combina o de GE s pode elevar em cada periodo tarifario V max bombas per zeros N periodos N Pumps for nd 1 N periodos for np 1 N Pumps V max bombas per nd np Q B np 1 horas periodo nd 1 3600 end end C lculo do n mero de bombas necess rias em cada per odo tempo de funcionamento das mesmas e custo associado num bombas periodo zeros N p
118. uzidos e consumidos Caudal l s 1 2 3 4 5 6 7 8 9 40 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Horas Caudal Produzido Caudal Consumido Figura 22 Resultados da simulag o para o caudal produzido e consumido pelo sistema para o dia 08 de Julho de 2008 Tal como esperado o caudal elevado no per odo de custo mais elevado entre as 9 e as 12 h simplesmente o necess rio para que o n vel de gua no reservat rio n amp o seja inferior ao n vel m nimo admiss vel E tamb m poss vel verificar que o n mero de arranques de uma das bombas 2 e da outra igual a 5 n amp o se considera o arranque s 24 h pois j pertence ao dia seguinte 45 Efici ncia Econ mica na Opera o de Esta es Elevat rias de Abastecimento de gua Para o n vel de gua nos reservat rios obteve se o comportamento apresentado na Figura 23 55 50 45 m 40 35 3 0 N vel de gua nos Reservat rios 25 20 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Horas C lula 1 C lula 2 Figura 23 Resultados da simulac o para a variac o hor ria do n vel de gua no reservat rio para o dia 08 de Julho de 2008 Pode se verificar atrav s da an lise da figura anterior que o n vel da gua no reservat rio se comporta tal como esperado encontra se no n vel m ximo no in cio da hora de ponta e
119. vat rios v lvulas bombas etc N nodes ENgetcount EN NODECOUNT contagem do n mero de n s generalizados n s Junctions Reservoirs Tanks RNV N links ENgetcount EN LINKCOUNT contagem do n mero de links condutas Pipes condutas c v lvulas de reten o CV Check Valve v lvulas Valves 96 bombas Pumps Contagem do n mero de n s Junctions N ResTanks ENgetcount EN TANKCOUNT contagem do n mero de Reservoirs Tanks RNV N Junctions N nodes N ResTanks n mero de n s Junctions 15 Efici ncia Econ mica na Opera o de Esta es Elevat rias de Abastecimento de gua Contagem do n mero de reservat rios de n vel fixo Reservoirs e de n vel vari vel Tanks N Reservs 0 Iniciar o contador de Reservoirs N Tanks 0 Iniciar o contador de Tanks N Junctions 10 Iniciar o contador de Junctions serve apenas para confirmar a contagem de Junctions for in 1 nodes if ENgetnodetype in EN RESERVOIR N Reservs N Reservs 1 elseif ENgetnodetype in EN TANK N Tanks N Tanks 1 else N Junctions 1 2 N Junctions 1 1 end end Verifica o da contagem de Junctions if N Junctions 1 N Junctions disp disp Verificac o da contagem de n s Junctions OK disp else error ERRO na contagem de n s Junctions end Contagem do n mero de condutas Pipes c

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