Transporte de água em longas distâncias
Com a tecnologia actual os fluidos podem ser transportados eficientemente e em segurança através de tubagens, em longas distâncias, levando-os para onde eles são necessários. O choque hidráulico é um dos principais desafios a vencer.
Do ponto de vista hidráulico, a bombagem de água coloca-nos maiores desafios, pois ela não pode ser comprimida, como o petróleo ou o gás.
Durante o arranque, a paragem, as paragens de emergência ou quando há variações de caudal, as tubagens longas são afectadas pelo chamado “regime de escoamento transitório”. Para manter as ondas de pressão resultantes dentro de limites controláveis, o sistema tem de possuir equipamento de controlo do choque hidráulico, cuidadosamente calculado.
Caudal diário determina o diâmetro nominal
O caudal diário é a base do projecto de um sistema de transporte de água. Para calcular os diâmetros nominais possíveis para a tubagem, em função da velocidade do escoamento, pode ser utilizada a seguinte equação:
As secções de uma tubagem de longa distância são dimensionadas de modo a que a velocidade do fluido bombeado não exceda 2 m/s. Faz frequentemente sentido dividir o caudal total por 2 tubagens paralelas de menor secção. Isto é especialmente verdade para sistemas que transportem caudais diários elevados, em situações em que a fiabilidade do abastecimento é da maior importância, ou quando a topografia do terreno é complicada.
O problema da disponibilidade das tubagens seleccionadas no mercado global, nas enormes quantidades requeridas, também tem de ser avaliado na fase de projecto. E, mesmo parecendo um aspecto trivial, tem de ser possível transportar todos os segmentos de tubagem para os locais da obra – muitas vezes de difícil acesso. Esta tarefa pode ser muito simplificada se seleccionarmos pacotes leves em vez de pacotes pesados (ver figs. 1 e 2).
Fig. 1: Juntas de desmontagem de grande dimensão
Fig. 2: Bombas KSB, modelo RDLO em embalagem marítima
Em geral os sistemas de transporte de água a longa distância dividem-se em duas categorias:
Sistema aberto
Num sistema aberto o fluido é bombeado secção a secção, de um reservatório para o seguinte, com longas distâncias entre eles. As longas distâncias são transpostas através de reservatórios e estações de bombagem. Assim, na realidade, o sistema consiste numa série de sistemas individuais, que não estão directamente ligados entre si, hidraulicamente.
Sistema fechado
Os sistemas fechados são totalmente diferentes: as estações de bombagem intermédias ao longo da linha formam parte integral da mesma tubagem. Este tipo de sistema não necessita de reservatórios de armazenagem/amortecimento junto às estações de bombagem intermédias (as chamadas estações sobrepressoras), e é por isso consideravelmente mais económico que um sistema aberto.
Também dispensa instalações de tratamento para remover as impurezas biológicas da água, o que ainda elimina os custos de manutenção destas instalações. Adicionalmente, as menores perdas de carga e as resultantes poupanças energéticas também fazem reduzir os custos totais de exploração. Contra estas vantagens, existem as desvantagens da necessidade de sistemas de automação mais complexos e de concepção de um sistema de segurança intrínseco.
Na realidade, uma possível falha nos sistemas de comando e telecomunicações entre as estações de bombagem não tem de implicar a paragem de toda a instalação. A instalação só pode funcionar manualmente na gama de baixo caudal. No entanto, na gama de maiores potências, ou quando a instalação funciona a plena carga, os sistemas de comando/monitorização e telecomunicações são absolutamente necessários. A este nível, as condições do sistema não podem ser controladas manualmente. Apesar destas desvantagens, o custo do ciclo de vida de um sistema fechado é claramente inferior ao de um sistema aberto.
Tecnologia complexa mas testada
Já foram construídos em todo o mundo numerosos sistemas fechados de transporte de água. O primeiro sistema fechado operacional foi o sistema que liga a central de dessalinização de Al Jubayl à cidade de Riyadh, capital da Árabia Saudita (fig.3, no início deste artigo).
A parte original deste sistema consiste em 4 estações de bombagem, ligadas entre si e uma a seguir à outra, que fornecem água potável a uma distância de 450 km, a uma pressão nominal de 45 bar. A mais recente parte, o “Projecto de transporte de água de Al Hunayy à Cidade de Riyadh” (a azul na fig. 3), é um sistema fechado que inclui um total de 32 bombas hidropressoras, de voluta bi-partida, modelo RDLO 350-690 A e RDL 350-620 A2 (ver fig.4), as quais fornecem 360.000 m3 de água potável por dia, a partir de furos localizados a aprox. 170 km a Este da capital.
Fig. 4: Bomba RDLO, fornecida para Al Hunayy, em teste na fábrica
Quatro estações duplas paralelas, distando 50 km entre si, transportam a água através de duas tubagens de DN 1200, classe de pressão PN 25 e 16, paralelas entre si, mas que – do ponto de vista hidráulico e de comando – estão totalmente separadas.
Esta concepção é o melhor compromisso entre os custos do ciclo de vida estimados e o custo do equipamento necessário para garantir a fiabilidade exigida.
Condições aceleradas e desaceleradas
A primeira condição para fazer o arranque de um sistema de transporte de água fechado é um sistema de telecomunicações altamente fiável, ligando as estações de bombagem entre si. Durante a fase de pré-arranque devem ser verificadas as posições de todas as válvulas, o nível de água na aspiração e o correcto funcionamento dos sistemas auxiliares (arrefecimento, lubrificação, purga). Depois de todos os sistemas terem sido verificados, uma das bombas da primeira estação de bombagem arranca em modo automático, através da introdução do caudal nominal e do sinal de arranque. A primeira bomba é então regulada para a velocidade nominal, cumprindo uma rampa de evolução da velocidade.
A bomba vai sendo monitorizada à medida que a velocidade aumenta, para garantir que não ultrapassa a sua gama de funcionamento. Logo que o caudal ultrapassa a gama permitida, uma segunda bomba – instalada na tubagem paralela – arranca automaticamente. A massa de água em movimento na primeira parte da tubagem causa um aumento da chamada pressão induzida na aspiração da segunda estação de bombagem. Logo que esta pressão atinge um valor pré-definido, uma bomba de velocidade variável da segunda estação começa a funcionar. A velocidade e nº de bombas em funcionamento dependem da pressão induzida. Enquanto toda a instalação não atingir a velocidade nominal, esta pressão será mantida constante.
Assim, podemos concluir que, enquanto o procedimento de arranque da primeira estação de bombagem é comandado pelo caudal, todas as outras estações sobrepressoras são comandadas pela pressão induzida. Logo que o sistema hidráulico tiver estabilizado, a pressão induzida é regulada para aumentar o caudal. Os valores de NPSH e potência consumida das bombas também têm de ser considerados. Se for necessário reduzir a pressão induzida, o sistema de comando irá aumentar automaticamente a velocidade das bombas sobrepressoras. Isto faz aumentar o caudal. Para se conseguir afinar o processo, o modo de reduzir a pressão induzida é analisado em detalhe, utilizando um software simulador de escoamentos (CFD), na fase de projecto.
Uma falha de energia coloca o sistema em risco
Se faltar a energia quando o sistema estiver a plena carga, as entradas das estações sobrepressoras serão rapidamente atingidas por uma onda sobrepressora, seguida de uma onda subpressora (ver fig. 5).
Fig. 5: Perfis das ondas de pressão em movimento, quando todas as estações de bombagem falham em simultâneo, para Q = 2,1 m3/s
Os dois fenómenos estão interligados e colocam em grave risco todo o sistema. A existência de válvulas de abertura rápida pode reduzir a intensidade da onda sobrepressora, deixando escapar água para o ambiente. A onda subpressora pode causar cavitação na tubagem; a única forma de o evitar com segurança é através de uma pressão induzida suficientemente elevada. Em sistemas abertos o fenómeno que ocorre numa secção no extremo da tubagem tem menor intensidade.
Para parar uma instalação destas de forma controlada utiliza-se o processo inverso: aumentando a pressão induzida faz com que a velocidade das bombas sobrepressoras se reduza, até pararem. Durante este processo o caudal também vai reduzindo, até todo o sistema parar.
Conclusão
Os sistemas fechados de transporte de água são a tecnologia de ponta no ramo da engenharia de tubagens. Como não necessitam de reservatórios intermédios ou de instalações de tratamento de água relacionadas com estes, o seu investimento é menor, tal como os seus custos de ciclo de vida, quando comparados com os sistemas abertos.
As desvantagens são a necessidade de sistemas contra o choque hidráulico e de equipamentos de telecomando mais complexos. Mas, utilizando as tecnologias de informação e comando actualmente disponíveis, estas desvantagens podem ser eliminadas e as vantagens dos sistemas fechados ultrapassam as desvantagens.
João Leite / Director Geral