Chapter 3: Waste Management
3.2 Cuttings handling offshore
3.2.3 Desorption offshore
3.2.3.2 Thermo-mechanical cuttings cleaner
Aplicado o controle fuzzy associado ao PI, o sistema apresentou um comportamento distinto do anterior, pois os pontos de operação da bomba sofreram alteração conforme se observa na figura 3.33.
Figura 3.33 – Gráfico das Curvas do Sistema e da Bomba com ponto de operações distintos 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 4 8 12 16 20 24 28 Vazão l/s P res são kg/ cm ² VA VM VB
62 CAPÍTULO 3. PESQUISA DE DADOS E METODOLOGIA
A curva da bomba da velocidade alta (VA) que passa pelo ponto 8,3 l/s e 2,0 kg/cm² representa a situação de maior consumo do sistema quando submetido ao controle. Nesse ponto, a potência requerida pela bomba é de 11,1 kW.
Assim, a linha verde, no gráfico, apresenta a curva da bomba para a velocidade média (VM), passa pelo ponto de operação projetado com a vazão de 6,5 l/s e a pressão de 1,71 kg/cm² no poço e 1,21 kg/cm² na residência nº 216. Este ponto requer uma potência do motor de, apenas, 10,0 kW.
A terceira linha de cima para baixo - a vermelha, representa a curva da bomba para a velocidade baixa (VB) que representa o ponto de trabalho para a situação real do condomínio que, hoje, só tem pouco mais de 1/3 da ocupação, ou seja, apenas, 117 (cento e dezessete) lotes ocupados, sendo: 80 (oitenta) casas concluídas e 37 (trinta e sete) casas em construção.
Neste ponto, a vazão necessária para atender ao condomínio é de 4,35 l/s contra uma pressão de 1,51 kg/cm² na saída do poço e 1,0 kg/cm² na residência. A potência requerida pela bomba é de 9,2 kW, sendo capaz de atender à demanda do condomínio. Porém o sistema só deverá operar nesse ponto, quando estiver sofrendo influências do período chuvoso e nos finais de semana, ocasião em que o consumo é menor.
Essa implantação do controle fuzzy foi executada no mês de Setembro de 2011. Neste mês, não ocorreram precipitações pluviométricas diariamente, apenas no Sábado dia 03 choveu pouco mais de 05 (cinco) mm. Por causa da ausência de chuvas durante o mês de Setembro, a pesquisa foi comprometida em parte, por não ter chovido no período para complementar o abastecimento de água no condomínio.
No Sábado que choveu o controlador fuzzy atuou e apresentou um ganho significativo de desempenho (vazão e pressão) se comparado ao do controle PI e ao sistema sem o controle, como visto no gráfico da figura 3.34.
63 CAPÍTULO 3. PESQUISA DE DADOS E METODOLOGIA
Figura 3.34 – Gráfico da pressão - comparativo entre os Sábados sem o controle, com controle – PI e o fuzzy associado ao PI
No gráfico da figura 3.34 são apresentadas as pressões de seis sábados. As duas primeiras são referentes ao sistema operando sem nenhum controle nos dias 02 e 09 de Julho. Nesta configuração os valores da pressão atingem o valor máximo de 40 (mca), levando o sistema a consumir a maior demanda elétrica 12,8 kW. No terceiro e quarto Sábados o sistema estava operando com o controle PI apresentando uma pressão constante de 20 (mca) e uma potência elétrica de 11,1 kW. No quinto e no sexto Sábado, o sistema operou com o controle fuzzy associado ao PI implantado, como ocorreu uma chuva no quinto Sábado, dia 03, a pressão ficou limitada em 15 (mca). Neste dia, a potência medida no sistema foi de, apenas, 9,2 kW e a vazão apresentou um comportamento inferior aos demais, conforme observa-se no gráfico da figura 3.35. 0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 30.00 35.00 40.00 45.00 1ºSAB_SEM_CONT 2ºSÁB-SEM_CONT 3ºSÁB_CONT_PI 4ºSÁB-CONT_PI 5ºSÁB_CONT_FUZ 6ºSÁB_CONT_FUZ Horário Gráfico da Pressão P re ss ão (m ca )
64 CAPÍTULO 3. PESQUISA DE DADOS E METODOLOGIA
Figura 3.35 – Gráfico das vazões – comparativo dos Sábados - sem controle, com controle – PI e com controle fuzzy associado ao PI
O sistema apresenta, na variável hidráulica vazão, um comportamento similar entre as três configurações, sem controle, com controle PI e com controle fuzzy nos Sábados que não estava chovendo. Porém, no Sábado que choveu, o resultado da vazão foi bem menor alcançando ao final da operação o valor de 22,5 m³/h, abaixo da vazão de projeto (23,5 m³/h), em virtude da diminuição do consumo de água por causa da chuva.
0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 30.00 35.00 40.00 45.00 50.00 1ºSÁB_SEM_CONT 2ºSÁB_SEM_CONT 3ºSÁB_COM_CONT 4ºSÁB_COM_CONT 5ºSÁB_COM_FUZ 6ºSÁB_COM_FUZ Horário Gráfico da vazão V az ão (m ³/ h)
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Capítulo 4
Resultados e Discussões
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O sistema do condomínio Green Club II estudado nesta pesquisa, não apresentou erros no projeto hidráulico que fossem capazes de comprometer seu funcionamento. O dimensionamento, feito a partir dos dados reais encontrados no condomínio, quando comparado com os valores de projeto, não apresentaram divergências, o que constata o bom dimensionamento do mesmo.
Esta pesquisa contemplou o monitoramento de dados elétricos (potência) e hidráulicos (vazão e pressão) no sistema de abastecimento de água do condomínio Green Club II durante um período de três meses. Na primeira semana de monitoramento que compreendeu os dias de 04 a 10 de Julho, ocasião em que o sistema operou sem nenhum controle, os volumes produzidos diariamente podem ser visto na tabela 4.1. Esses volumes foram obtidos por meio do produto da vazão média do turno (manhã ou tarde) vezes o tempo de funcionamento do conjunto motobomba.
Tabela 4.1 – Monitoramento do volume produzido na semana de 04 a 10 de Julho Volumes produzidos por turno (m³) - Sistema sem controle
Turnos Dias
Segunda Terça Quarta Quinta Sexta Sábado Domingo
Manhã 107,2 107,36 103,88 97,1 125,92 88,66 86,92
Tarde 91,33 85,67 78,88 79,28 82,06 76,39 73,46
Diferença 15,87 21,69 25,00 17,82 43,86 12,27 13,46
Percentual 14,8% 20,2% 24,1% 18,4% 34,8% 13,8% 15,5% Conforme apresentado na tabela 4.1, fica evidente que os volumes produzidos nos horários da manhã são maiores que os da parte da tarde. Observa-se que no Sábado e no Domingo a produção individual, por turno, é menor que durante o dia da semana que apresentou menor valor (Quarta-feira). Percebe-se, também, que a Sexta-feira é o dia da
66 CAPÍTULO 4. RESULTADOS E DISCUSSÕES
semana que apresenta a maior produção e o maior percentual de diferença entre os volumes produzidos pela manhã e o da tarde.
O comportamento apresentado pela vazão no sistema operando sem controle mostra-se acima dos valores projetados, como foi visto no gráfico da figura 3.16. Nesse gráfico pode ser observado que durante toda a semana as vazões no início da operação alcançam valores próximos de 45 m³/h de Segunda a Sexta-feira e ao término da operação atingem 32 m³/h. Já no Sábado e Domingo, ao término da operação, ficam abaixo dos 30 m³/h. Com estes valores de vazões registrados foi possível obter um valor médio diário de 32,25 m³/h, ficando acima do valor de projeto (23,5 m³/h).
Esse sistema foi projetado para funcionar durante 24 horas com a vazão de 23,5 m³/h, que produzirá um volume de 564 m³ quando o condomínio estiver totalmente ocupado. No período da pesquisa, a taxa de ocupação era de apenas 1/3 da capacidade do condomínio, com 80 (oitenta) residências habitadas e 37 (trinta e sete) em construção. Desta forma, o tempo de funcionamento do sistema foi reduzido para 08 horas diárias, o que equivale a um terço das horas do dia. Com o tempo de 08 horas seria produzido um volume de 188 m³/dia. Contudo, a vazão média diária registrada no sistema foi de 32,25 m3/h valor superior a de projeto 23,5 m³/h, logo, foi possível reduzir o tempo de 08 para 06 horas de bombeamento por dia sem diminuição do volume produzido diariamente, e sem causar problemas de desabastecimento em alguma residência. Os valores dos volumes produzidos diariamente no sistema operando sem controle podem ser observados na tabela 4.2 a seguir.
Tabela 4.2 – Volumes produzidos diariamente no sistema Volumes produzidos (m³) por dia - semana de 4 a 10 de Julho
Condições Dias
Segunda Terça Quarta Quinta Sexta Sábado Domingo Sem controle 198,53 193,03 182,76 176,38 207,98 165,05 160,38
Quanto ao comportamento da pressão no sistema operando sem controle observa- se que durante os dias da semana não ocorrem grandes variações entre seus valores nos turnos matutinos e vespertinos como visto no comportamento da vazão. Contudo, ela alcança valores de 3,8 kg/cm² próximos da pressão de shut off da bomba, como constatado no gráfico de pressão da figura 3.17.
Esse valor da pressão máxima na saída do poço de 3,8 kg/cm², assim como no ramal de entrada da residência nº 216, localizada no ponto mais desfavorável da cota do
67 CAPÍTULO 4. RESULTADOS E DISCUSSÕES
terreno, que é de 2,85 kg/cm², é bastante elevado para o projeto do sistema. Nesta condição de operação, a pressão provoca entre outros, o aumento da potência do motor e do consumo de energia elétrica, o surgimento de vazamentos na rede de distribuição e nos ramais que interligam a rede às residências e, por fim, a diminuição da vida útil da tubulação determinada pela fadiga do material provocada pelo ciclo de altas e baixas pressões.
O sistema operando sem controle sob essas condições de vazão e pressão apresentou o valor de potência requerida pela bomba ao motor de 12,8 kW. Esse valor foi registrado no analisador de energia elétrica instalado no poço, conforme visto na figura 3.5. Uma vez, operando sem controle, o sistema se torna desvantajoso em virtude do aumento da potência, do desperdício de produto químico, de água em consequência dos vazamentos, o que encarece sua operação.
A implantação do controle clássico Proporcional e Integral – PI que manteve a pressão controlada no sistema propiciou o equilibro diário da produção de água diminuindo a diferença entre a produção matutina e vespertina porque a variação da vazão foi influenciada pelo controle, conforme tabela 4.3.
Tabela 4.3 – Volume produzido no sistema com controle PI- semana de 18 a 24 de Julho Volumes produzidos por turno (m³) - Sistema com controle – PI
Turnos Dias
Segunda Terça Quarta Quinta Sexta Sábado Domingo
Manhã 104,25 113,71 118,92 90,41 105,65 89,77 84,36
Tarde 105,73 105,87 115,79 88,98 102,22 92,62 91,97
Diferença 1,48 7,84 3,13 1,43 3,43 2,85 7,61
Percentual 1,4% 6,9% 2,6% 1,6% 3,2% 3,1% 8,3%
Os percentuais dos volumes produzidos nos turnos (manhã e tarde) com o controle PI e sem controle apresentados nas tabelas 4.1 e 4.3, são bem divergentes quando comparados entre si. Observa-se que a maior divergência foi de 34% (Sexta-feira) no sistema sem controle e de 8,3% (Domingo) com o controle PI.
O controle da pressão, associado ao comportamento da vazão, propiciou a diminuição da potência requerida pela bomba de 12,8 kW para 11,1 kW, acarretando uma diminuição de 1,7 kW na potência, o que representa uma economia no consumo de energia elétrica de aproximadamente 13,7%. Ocorreu também, redução do número de vazamentos de 07 para 01 por semana e, consequentemente, a diminuição do desperdício de água e de produto químico.
68 CAPÍTULO 4. RESULTADOS E DISCUSSÕES
O uso do controlador clássico PI manteve a pressão controlada em um valor fixo (que é o mesmo projetado para o sistema) de 2,0 kg/cm² na saída do poço. A vazão, todavia, permaneceu variável em função da demanda, da mesma forma que no sistema sem controle.
Na residência de nº 216, citada anteriormente, a pressão com o uso do controle PI ficou em 1,7 kg/cm², portanto, ainda superior a 1,0 kg/cm² que é o valor mínimo exigido para atender ao imóvel, segundo a NBR 12218 -1994.
Esse sistema operando com controle PI mostra-se bastante vantajoso se comparado ao sistema sem controle, em virtude da redução da potência requerida pela bomba ao motor, ainda, da diminuição do desperdício de produto químico e de água em consequência da redução do número de vazamentos e por proporcionar confiabilidade no abastecimento de água.
A implantação do controle fuzzy associado ao controle PI melhorou ainda mais o equilíbrio entre os valores do volume produzido durante os dias da semana e reduziu as diferenças da produção diária, matutina e vespertina, como visto na tabela 4.4. Nesta tabela, observa-se que a maior diferença ocorrida entre os dias de maior e menor produção de água (Quarta e Domingo) foi de 13,47 m³ equivalentes a 12% do volume produzido nestes dias. Este valor é inferior ao do sistema com controle PI (Quarta e Domingo) que foi de 34,5 m³ equivalentes a 29% do volume produzido e, menor também ao do sistema quando operando sem controle (Sexta e Domingo) correspondente a 50,63 m³ que equivale a 40% de volume produzido.
Tabela 4.4 – Volume produzido – sistema com controle fuzzy + PI – semana de 05 a 11 de Setembro
Volumes produzidos por turno (m³) - Sistema com controle fuzzy +PI
Turnos Dias
Segunda Terça Quarta Quinta Sexta Sábado Domingo Manhã 99,87 104,98 106,13 98,03 100,47 97,34 92,66
Tarde 99,17 99,98 105,38 96,48 97,62 93,43 93,15
Diferença 0,70 5,00 0,75 1,55 2,85 3,91 0,49
Percentual 0,7% 4,8% 0,7% 1,6% 2,8% 4,0% 0,5%
Na tabela 4.5 é possível observar a comparação feita entre os volumes produzidos nos dias de Sábado no turno matutino, com o sistema operando sem controle, com controle PI e com o controle fuzzy associado ao PI. Os dias escolhidos foram dois de cada modo de
69 CAPÍTULO 4. RESULTADOS E DISCUSSÕES
operação do sistema, sendo 02 e 09 de Julho com o sistema operando sem controle, 16 e 23 de Julho (azul) quando o sistema operava com o controle PI e os dias 03 e 10 de Setembro (rosa) sob a ação do controle fuzzy + PI. É Importante lembrar que na manhã do Sábado 03 de Setembro, ocorreu uma chuva no condomínio, fato que associado ao controle fuzzy + PI provocou uma redução no consumo de água do poço pelos moradores que não a utilizaram para a irrigação dos jardins, limpeza de calçadas e outras atividades. A diminuição pode ser observada na diferença entre os valores dos consumos apresentados na tabela 4.5 e no gráfico da figura 3.35.
Tabela 4.5 – Volumes produzidos nos Sábados em (m³) comparado com o dia da chuva Produção (m³) dos Sábados – comparação Sábado de chuva - controle fuzzy + PI
Data 02/Jul 09/Jul 16/Jul 23/Jul 03/Set 10/Set Volumes 95,89 88,66 95,63 89,98 68,46* 97,34 Percentual 28,61% 22,78% 28,42% 23,92% 0% 29,67%
(*) – valor utilizado como referência para os demais Sábados
Na aplicação do controle fuzzy associado ao PI, a pressão do sistema ficou limitada a uma faixa de atuação entre 1,5 a 2,0 kg/cm². Esta faixa atua em sintonia com as condições climáticas de sol e chuva e com os períodos dos dias da semana, assim como os fins de semana influenciando, diretamente, na demanda de água do condomínio. Desta forma, é possível diminuir ainda mais a pressão de referência do valor do ponto de projeto que é de 2,0 kg/cm² para até 1,5 kg/cm². Com isso, constatam-se os mesmos ganhos do controle PI quando o sistema opera sem a presença de chuvas.
Com a chuva ocorrida no Sábado, 03 de Setembro, observa-se uma redução no volume produzido pelo sistema comparado aos dos dias 02 e 09 de Julho quando operando sem controle e sem a presença de chuvas, de 28,61% e 22,78% respectivamente, como pode ser visto na tabela 4.5. Quando se compara os volumes produzidos nos dias 16 e 23 de Julho, ocasião em que o sistema operava com o controle PI a redução foi de 28,42% e 23,92% respectivamente. Já se comparando ao volume produzido no dia 10 de Setembro, quando o sistema utilizava a lógica fuzzy associada ao PI a redução foi de 29,67% superando as demais reduções.
70 CAPÍTULO 4. RESULTADOS E DISCUSSÕES
Esta mesma comparação feita com relação ao volume produzido no sábado, 03 de Setembro e nos outros dias da semana quando não estava chovendo pode ser vista na tabela 4.6.
Tabela 4.6 - Volumes dos dias de maior produção (m³) comparados ao Sábado – 03/09, dia da chuva
Produção m³ do Sábado 03/09 - comparado aos dias maior produção Data 04/Jul. 08/Jul. 18/Jul. 22/Jul. 05/Set. 03/Set. Volumes 198,53 207,98 209,98 207,87 199,04 68,46* Percentual 65,52 67,09 67,40 67,07 65,61 0,00
(*) – valor utilizado como referência para comparação entre o dia de chuva e os dias de maior produção.
No Sábado, 03 de Setembro quando o sistema encontrava-se sob a ação do controle fuzzy associado ao PI, a potência registrada no sistema foi 9,2 kW ficando abaixo dos 11,1 kW quando o sistema operava com o controle PI e dos 12,8 kW quando operava sem controle. Este valor de potência apresenta uma redução de 28,13% se comparada a do sistema sem controle, conforme pode ser visto na tabela 4.7.
Tabela 4.7 – Resultado das Situações Estudadas TABELA DE RESULTADOS COMPARATIVOS Condições Vazão (m³/h) Pressão (mca) Potência
(kW)
Percentual economia (%) Inicial Final Inicial Final
Sem controle 45 32 0 37 12,8 -
Com cont. – PI 44 25 0 20 11,1 13,28
Fuzzy PI – VA 44 25 0 20 11,1 13,28
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Capítulo 5
Considerações Finais
___________________________________________________________________________ O sistema de abastecimento de água do condomínio Green Club II foi monitorado durante três meses, no período de Julho a Setembro de 2011. Neste período foi possível observar o comportamento do sistema sem aplicação de controle algum no processo do abastecimento e posteriormente foram aplicados dois tipos de controle: o clássico PI no final do primeiro mês e o fuzzy associado ao PI nos outros dois meses. Ambos se mostraram muito eficientes se comparados à operação sem controle.
No período da pesquisa ocorreram algumas dificuldades operacionais apresentadas pelo sistema. A primeira foi um curto circuito em duas bobinas do motor provocando avarias no conjunto motobomba, o qual precisou ser substituído provisoriamente por outro conjunto com características de vazão e pressão menores. Após o conserto do conjunto motobomba, o mesmo foi reinstalado no poço e a pesquisa prosseguiu. O segundo problema ocorreu nas portas das entradas analógicas do inversor de frequência montado no painel de acionamento do conjunto, ficando este impossibilitado de receber o sinal de referência para executar a ação de variação da velocidade do motor. Dessa forma, instalou-se um inversor de frequência provisoriamente para atender as necessidades da pesquisa que ao final desta foi retirado.
É importante lembrar que as análises feitas para comparar as produções diárias do sistema sem controle e quando este sistema encontrava-se sob a ação dos controles PI e fuzzy associado ao PI ocorreram em dias diferentes, portanto em diferentes condições das variáveis: demanda de água e clima, e que essas comparações ocorreram em situações diferentes, ainda assim, o consumo e as condições climáticas permaneceram semelhantes.
Como foi visto, aplicando-se o controle PI é possível reduzir o consumo de energia elétrica em aproximadamente 13,7%. Observou-se, também, a diminuição do consumo de produto químico e do número de vazamentos do sistema que era de 07 (sete) por semana passando para 01 (um), valores médios, todos em função da diminuição da pressão.
72 CAPÍTULO 5. CONSIDERAÇÕES FINAIS
Na aplicação do controle fuzzy associado ao PI, a redução do consumo de energia elétrica também sofreu redução de 13,7% operando na velocidade alta e sem a presença de chuva e alcançou 28,13% quando o sistema operou na velocidade baixa, especificamente, no Sábado que choveu. É preciso lembrar ainda, que na aplicação dos dois tipos de controle, os imóveis do condomínio receberam água na pressão mínima recomendável pelo projeto e na quantidade necessária para seu abastecimento. A redução na pressão faz aumentar a vida útil da tubulação, principalmente pela fadiga do material provocada pelo ciclo de altas e baixas pressões.
A diminuição dos vazamentos levou à redução do desperdício de água tratada, de energia elétrica e de produto químico, pois na ocorrência de vazamentos, a água bombeada do poço é desperdiçada deixando de ser aproveitada para o consumo humano e retorna para o lençol freático por meio de infiltração. Aliada a esta redução, constatou-se também, a manutenção da regularidade no abastecimento, o que resulta na confiabilidade deste.
Por fim, este estudo demonstra que é possível desenvolver e implantar uma solução de baixo custo para o problema da falta de uma estratégia de controle da pressão em sistemas de abastecimento de água sem reservatório de distribuição, pois enquanto o reservatório para esse sistema custa cerca de 31,7% do valor total dos gastos, os equipamentos e sua montagem para executar esse controle não ultrapassam 2% (dois por cento) do valor total do sistema.
Para trabalhos futuros, sugere-se que seja feita a modelagem da planta da rede de distribuição. Outra sugestão é o monitoramento da pressão na rede de distribuição de água do condomínio estudado em pontos próximos ao final das ruas mais distantes do poço, que são consideradas mais desfavoráveis para o abastecimento de água. Acredita-se que com estas providências seja possível se obter uma resposta mais eficaz para o controle da pressão na rede de distribuição.
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