Operando com Eficiência Máxima Através de Mapas de Energia Específica


O controle inteligente da estação de bombeamento é uma proposta complexa. Os engenheiros projetam uma estação de bombeamento e (pelo menos tacitamente) descrevem uma narrativa de controle para um site. Um contratado constrói a estação o mais próximo possível da especificação e, em seguida, um integrador de sistema estabelece um loop de controle. Finalmente, meses ou anos após o projeto, as chaves da estação são entregues aos operadores. Mesmo para um projeto perfeitamente projetado e implementado, os operadores geralmente não recebem um manual detalhado sobre como operar a estação. É um longo canal de comunicação e raramente as informações chegam intactas de uma extremidade à outra. Com muita frequência, alguém fica lutando no final, mexendo nas configurações até parecer que a estação de bombeamento está funcionando e nada vai explodir.

Mesmo operadores bem informados não podem reagir idealmente a todas as situações. Talvez em seis meses o sistema mude inesperadamente e o antigo esquema de controle não funcione mais. Talvez a estação tenha sido projetada para dias de pico e não funcione bem em dias de baixo fluxo. Sempre que alguém percebe que a estação está fora de sintonia, as configurações são ajustadas usando o método de tentativa e erro até que pareça funcionar novamente. A água continuará fluindo, mas é provável que não seja muito eficiente em termos de energia e também pode danificar as bombas.

Em cada etapa desse processo, as bombas que eram apenas semelhantes eram tratadas como idênticas. Os engenheiros, integradores e operadores ignoraram isso porque é difícil quantificar. Cada bomba é diferente quando colocada em serviço (mesmo que a marca e o modelo sejam os mesmos) e até as bombas operadas adequadamente sofrem desgaste, perdendo capacidade e eficiência ao longo do tempo. Além disso, não há força mágica que faça com que as bombas se desgastem uniformemente em uma estação de bombeamento. A única maneira de explicar o estado atual da bomba é medir suas curvas de desempenho usando um teste de bomba.

Sem medir a saúde de cada bomba, é quase impossível operar uma elevatória com eficiência máxima. À medida que as demandas do sistema mudam, os níveis dos tanques flutuam e as bombas se desgastam lentamente ao longo do tempo, o que é ideal em uma estação também muda. Para otimizar realmente uma estação de bombeamento, uma única solução não é boa o suficiente. A resposta então é recalcular mais rapidamente do que as variáveis mudam.

Quando dizemos que queremos otimizar uma estação de bombeamento, o que realmente queremos dizer é que queremos produzir a vazão desejada usando a menor quantidade de energia elétrica possível. Isso significa minimizar a potência dividida pela vazão. Essa proporção é chamada de "energia específica" e é normalmente relatada em kW-h / Mm3. Isso acaba sendo uma medida de alto nível de eficiência energética e superconjura a eficiência fio-a-água (energia que é transmitida à água dividida pela energia que chega dos cabos elétricos). Ele é responsável por perdas do quadro elétrico, motores, bombas e tubulações.

Usando curvas de bombas testadas e uma curva do sistema atualizada, a operação de uma estação pode ser modelada com muita precisão. Isso significa calcular a vazão, a altura manométrica operacional e a energia consumida para cada combinação única de velocidades. O verdadeiro obstáculo, no entanto, é a enorme escala desse cálculo. Se uma elevatória possui cinco bombas com inversores de frequência que têm um intervalo disponível de 40 a 60 Hz e a velocidade de cada bomba pode ser definida para uma resolução de 0,1 Hz, cada bomba possui 201 pontos de operação em potencial. Isso significa que a estação possui 328 bilhões de pontos operacionais potenciais em todas as combinações de bombas. Este gráfico mostra o consumo de energia específica de uma estação de bombeamento que possui 5 bombas com inversores. O gráfico mostra todas as combinações de pontos de operação da bomba varrendo a frequência dos inversores de cada bomba de 50-60 Hz em intervalos de 0,5 Hz. Este gráfico é muito complexo, mas representa apenas 0,001% dos possíveis pontos operacionais.

Massivo, certo? Bombas funcionando sozinhas, na extremidade esquerda do Mapa de Energia Específica, produzem um arco simples. No entanto, cada configuração com mais de uma bomba em funcionamento tem uma área na qual ela pode operar. Quanto mais bombas funcionarem, mais densa a nuvem de pontos operacionais. O próximo passo é reduzir as possibilidades. Para fazer isso, encontramos o limite inferior da nuvem de possíveis pontos operacionais de cada regime.

Cada ponto verde representa a maneira mais eficiente de um conjunto de bombas produzir uma certa vazão. Cada ponto vermelho também representa um ponto ótimo, mas pelo menos uma bomba está funcionando fora de sua Faixa de Operação Preferencial (FOP) nesses pontos. Esses pontos vermelhos são considerados inválidos e são descartados da solução geral, pois operar fora da FOP acelera o desgaste da bomba. Existem 31 curvas no gráfico acima. Isso ocorre porque existem 32 combinações de bombas para operar quando uma estação possui cinco bombas. Uma dessas configurações é todas as bombas desligadas e não é mostrada no gráfico.

Depois que a maneira mais eficiente de operar cada conjunto de bombas for identificada, algoritmos são usados para identificar o casco convexo geral da estação de bombeamento, que define a maneira mais eficiente de operar a estação para qualquer vazão desejada. Isso completa nosso Mapa de Energia Específica:

Este mapa mostra o casco convexo como uma linha preta. Observe que o casco convexo é interpolado entre pontos em certas vazões. Por exemplo, se você estivesse tentando operar a estação da bomba da maneira mais eficiente possível, não iria querer operar exatamente a 4000 gpm. A maneira mais eficiente de produzir 4000 gpm é com um consumo de energia específica de 1750 kW-h / MG. Supondo que a estação tenha flexibilidade operacional (ou seja, há um tanque de distribuição que pressuriza o sistema), é mais eficiente operar a 3625 gpm (1640 kW-h / MG) por um tempo e 4625 gpm (1790 kW-h / MG) por um tempo. Isso resulta em um consumo de energia específico agregado de 1700 kWh-MG.

Embora um único mapa seja útil, é apenas um instantâneo do sistema. À medida que as condições do sistema flutuam, este mapa ficará desatualizado e incorreto. O Mapa de Energia Específica deve ser recalculado a cada poucos minutos (se não for mais rápido). Não apenas as curvas se traduzem para cima e para baixo no eixo de energia específica conforme a demanda do sistema e os níveis do tanque mudam, as curvas mudam uma em relação à outra devido às diferenças de carga entre cada bomba 'idêntica'. Em uma taxa mais lenta, as bombas se desgastam e suas curvas se movem para cima e para a esquerda do gráfico. Como exemplo, vejamos vários dias de operação real de uma elevatória com três bombas 'idênticas' para ver como um Mapa de Energia Específica pode mudar em um período de tempo relativamente curto:


À medida que o Mapa de Energia Específica muda, o ponto operacional ideal para as bombas também muda. O sistema de controle avançado da Specific Energy é capaz de calcular essas alterações e ajustar as bombas de acordo para manter a operação ideal.