SIMULAÇÃO DA REDE DE REGA PARA DIMENSIONAMENTO DOS GRUPOS DE VELOCIDADE VARIÁVEL DO BLOCO 3 DA REDE DE

REGA DA VIGIA

Calejo, M. J.1; Colaço, A.2 1 Engenheira Agrónoma do núcleo de Agronomia da COBA, Av. 5 de Outubro, 323,

1649-011 Lisboa, mjc@coba.pt 2 Engenheiro Mecânico do núcleo da Electromecânica da COBA, Av. 5 de Outubro,

323, 1649-011 Lisboa, abc@coba.pt Resumo O Aproveitamento Hidroagrícola da Vigia foi construído no início da década de 80 e trata-se da primeira rede de rega em pressão mas dimensionada para funcionar por rotação. As tomadas de água da área denominada de bloco 3 apresentam défices de pressão importantes. Presentemente a COBA está a desenvolver os estudos para a reabilitação e modernização da rede de rega da Vigia. A rede de rega do bloco 3 será substituída por uma nova rede que será servida a montante por uma estação elevatória equipada com grupos electrobomba de velocidade variável com regulação mano-debitimétrica. O dimensionamento da estação foi feito de modo a ajustar as curvas de funcionamento dos grupos com velocidade variável à curva característica indexada 0,90 da rede de rega. A comparação das curvas de funcionamento do sistema elevatório com grupos de velocidade variável com a de grupos de velocidade fixa mostra que a opção por grupos de velocidade variável permite reduzir em cerca de 18 % os custos anuais de energia. A metodologia utilizada evidencia a importância da aplicação da noção de múltiplos regimes na modelação, permitindo ao projectista avaliar o dimensionamento através da análise da qualidade da rede e garantir que a solução encontrada é mais favorável do ponto de vista técnico, económico e ambiental.

Abstract

The irrigation network of Vigia was the first pressurized irrigation system build in Portugal in the 80’s. Actually, COBA is developing the studies for the rehabilitation and modernization of this irrigation system. One of the main problems is the pressure deficit in the area designated by block 3. For the block 3 a new water distribution system served by an upstream pumping station equipped with variable speed pumps will be build. The pumping plant design was made matching the characteristic curves of variable speed pumping station to the 90% indexed characteristic curve of the network. The comparison between the characteristics curves of the pumping system with variable speed groups and one equipped with fixed speed groups show that the option for variable speed groups allows to reduce in about 18 % the annual costs of energy. The methodology used evidences the importance of the application of the notion of several flow regimes to model the behaviour of one pressurized irrigation station.

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1. Introdução A principal característica de uma rede de rega em pressão operando a pedido é a aleatoriedade da distribuição espacial das bocas de rega em funcionamento simultâneo. Esta aleatoriedade não era questionada na fase de projecto, admitindo-se que o seu funcionamento no período de ponta era convenientemente descrito pelo caudal de dimensionamento de cada um dos troços, de um modo geral, obtido a partir da 1ª fórmula de Clément (Clément, 1966). Assim, quer os diâmetros das condutas quer a altura manométrica de elevação, Ho, da estação elevatória eram calculados para os caudais de Clément. Para este regime de caudal o dimensionamento era efectuado garantindo-se que em todos os hidrantes a pressão, Hj, era igual ou superior à mínima requerida, Hmin. No entanto, a representação do funcionamento de uma rede a pedido através de um único regime de caudal é bastante limitativo. As condições (pressão e caudal) num hidrante, para uma determinada capacidade hidráulica da rede, dependem do caudal no início da rede e da localização dos hidrantes em funcionamento simultâneo (configuração). A configuração de hidrantes abertos simultaneamente define um regime de caudal. A capacidade hidráulica da rede pode ser suficiente para determinados regimes de caudais mas insuficiente para as configurações de hidrantes mais desfavoráveis. Assim, quer o dimensionamento quer a avaliação do desempenho hidráulico de uma rede colectiva de rega têm de ser feitos para múltiplos regimes de caudal (Ait Kadi et al., 1990; Lamaddalena e Pereira, 1998; e Lamaddalena e Sagardoy; 2000). A análise de uma rede de rega para múltiplos regimes de caudal foi proposta pela primeira vez pelo grupo CTGREF (1979) tendo desenvolvido para o efeito o modelo ICARE. Os resultados deste modelo são as curvas características da rede. Estas curvas constituem uma ferramenta de grande utilidade quer para a análise do dimensionamento da rede quer para o dimensionamento das estações elevatórias com bombas de velocidade variável (Lamaddalena e Piccini, 1993). No âmbito do Projecto de Modernização e Reabilitação do Aproveitamento Hidroagrícola da Pardiela, as curvas características da rede do Bloco 3 foram utilizadas para dimensionar os grupos de velocidade variável. 2. Curvas características indexadas Na formulação do modelo ICARE (CTGREF, 1979; Bethery et al., 1981; CEMAGREF, 1983; Bethery, 1990), o desempenho hidráulico duma rede é considerado satisfatório quando, para todas as bocas de rega em funcionamento simultâneo, se verifica a condição

minHfr,jH ≥ [1]

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onde fr,jH representa a carga [m] na boca de rega j dentro da configuração fr e Hmin [m] é a carga mínima necessária para o adequado funcionamento do sistema de rega (que deve corresponder à pressão estabelecida para o regulador de pressão). Para cada configuração, a cota piezométrica necessária no início da rede, Zo, que satisfaz a condição [1] depende do plano altimétrico dos hidrantes em funcionamento simultâneo e da distribuição dos caudais na rede. A representação no plano (Q, Z) dos pontos (Qo, Zo)fr que satisfazem a condição [1], em cada uma das configurações de bocas de rega em funcionamento simultâneo, fr, possiveis de definir para os diferentes valores de Qo, variando entre 0 e Qmax, define uma nuvem de pontos que é delimitada por uma envolvente superior e uma envolvente inferior (Figura 1). A envolvente superior define a cota piezométrica, Zo, necessária a montante para que em todos os regimes de caudais se verifique a condição [1]. A envolvente inferior define os valores mínimos de Zo abaixo dos quais o estado da rede não é satisfatório para um só regime de caudal (CTGREF, 1979; Bethery et al., 1981; CEMAGREF, 1983; Bethery, 1990; Lamaddalena e Sagardoy, 2000). Entre estas duas envolventes é possível traçar curvas que representam percentagens de configurações satisfeitas, designadas curvas características indexadas.

Figura 1 Representação dos pontos (Qo, Zo)fr que garantem a condição Hj,fr ≥ Hmin

(Fonte: Lamaddalena, 1997). Os modelos ICARE (Bethery, 1990; CEMAGREF, 1983; Bethery et al., 1981; CTGREF, 1979) e CURVAS CARACTERÍSTICAS (Lamaddalena, 1997; Lamddalena e Sagardoy, 2000) incluído no software COPAM (Lamaddalena, 1997) têm como objectivo o cálculo das curvas características indexadas. No cálculo das curvas características indexadas metodologia a seguinte é utilizada: Assumindo que o caudal servido nas bocas de rega é igual ao seu valor nominal, para cada regime de caudal, fr, relativo a um valor de Qo, as bocas de rega em funcionamento simultâneo são fixadas gerando números aleatórios entre 0 e NR, com distribuição uniforme, até que:

toQNOQ δ≤− [2]

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onde: QNO é o caudal correspondente à soma dos caudais nominais das NO bocas de rega em funcionamento simultâneo; Qo é o caudal no início da rede; e δt é o grau de tolerância admitido, que de um modo geral se assume igual ao menor valor do caudal nominal das bocas de rega. Segundo Bethery (1990), o número, C, de configurações a analisar para cada valor de Qo, deverá ser igual ao número de bocas de rega, NR. Após a definição das configurações, é calculado o valor de Zo que satisfaz a condição [1]. No fim do cálculo dispõe-se de C valores de Zo para cada valor de Qo. As curvas características indexadas obtêm-se identificando os valores de Zo que definem a mesma percentagem de configurações satisfeitas (Figura 2). A forma das curvas, muito inclinadas ou mais suaves, depende sobretudo da geometria da rede e da topografia da área a ser regada.

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 60040

45

50

55

60

65

70

75

8010%

Caudal (l/s)

Cota

pie

zom

étric

a (m

)

Figura 2 Curvas características indexadas (adaptado de Lamaddalena, 1997)

As curvas características indexadas permitem avaliar o desempenho global da rede, indicando qual a percentagem de configurações que não são satisfeitas para uma determinada condição no início da rede, isto é, para cada par caudal, Qo, e cota piezométrica, Zo. Não permite no entanto avaliar a gravidade dos défices de pressão nas bocas de rega onde Hj < Hmin. No modelo das CURVAS CARACTERÍSTICAS, as perdas de carga, hL [m], são calculadas através da fórmula geral de Chézy, sendo o coeficiente de rugosidade dado pela expressão de Bazin (Mendonça, 1975). 3. Aplicação ao bloco 3 da rede de rega da Vigia 3.1. Caso de estudo O Aproveitamento Hidroagrícola da Vigia foi construído no início da década de 80 e trata-se da primeira rede de rega em pressão mas foi dimensionada para funcionar por rotação. A rede de rega tem uma estação elevatória no início que é regulada por um

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reservatório elevado. O nível de água no reservatório varia entres as cotas (284) e (278). A actual estação elevatória da Vigia está equipada com quatro grupos electrobomba de eixo vertical. Cada grupo permite bombar 325 l s-1 com uma altura total de elevação de 66 m. O dimensionamento hidráulico da rede foi efectuado para garantir uma pressão mínima de 500 kPa nas tomadas de água da grande propriedade e de 300 kPa nas tomadas da pequena propriedade. A pequena propriedade localiza-se na zona das sortes denominada de Bloco 3. Este bloco encontra-se a cotas (entre os 220 e os 240) superiores à restante área beneficiada pelo regadio que variam entre os 170 e os 210 (Figura 3). Desde o início da exploração do regadio que se verificam problemas problemas de défice de pressão no Bloco 3. No período de ponta a pressão, em algumas tomadas de água, é por vezes inferior a 100 kPa (Calejo, 2003). Este valor de pressão é insuficiente para o funcionamento dos sistemas de rega na parcela.

Figura 3 Patamares altimétricos da área a beneficiar pelo regadio do Aproveitamento

Hidroagrícola da Vigia e da Pardiela. A rede de rega da Vigia está a ser alvo de um projecto de modernização e reabilitação que contempla um aumento significativo da área do minifúndio nomeadamente ao nível das condutas que servem o bloco 3. Esta nova área encontra-se num patamar ainda mais alto com cotas entre os 235 e os 265 (Figura 3). As culturas principais na área de expansão são o olival e a vinha e o sistema de rega a adoptar na parcela é gota-a-gota. Deste modo, procurou-se garantir uma pressão mínima de 250 kPa nas tomadas com cotas superiores a 240 e que é suficiente para o correcto funcionamento dos sistemas de rega gota-a-gota. A área total a beneficiar pela rede de rega do Bloco 3 é de 612 ha. A rede de rega tem um desenvolvimento total de 25 725 m e será equipada com 237 hidrantes, sendo o nº total de bocas de rega, R, de 289. A nova rede de rega será dimensionada para o modo de distribuição a pedido. O caudal fictício contínuo de dimensionamento é de

BLOCO 3 Área de expansão

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0,61 l s-1 ha-1. No Quadro 1 indicam-se o nº de bocas de cada classe assim como a probabilidade elementar, p, de uma boca de cada classe estar aberta. Quadro 1 Número de bocas de rega de cada classe, área total servida e probabilidade elementar

de em boca estar aberta R Área (ha) p

10 18 16.9 0.45 18015 216 354.3 0.52 324020 25 72.1 0.68 50030 15 76.4 0.81 45040 8 60.7 0.90 32060 0 0.0 080 2 31.6 0.94 160

284 612.0 4850

Caudal (m3/h)

Caudal equipado (m3 h-1)

O caudal no início da rede, calculado a partir da 1ª Fórmula de Clément é de 600 l s-1. Ao nível do projecto de reabilitação, a rede de rega do bloco 3 será substituída por uma nova rede que será servida no início por uma estação elevatória a construir ao lado da actual estação que irá servir a restante área (bloco Baixo da Vigia) a beneficiar a partir da albufeira da Vigia 3.2. Caracterização do funcionamento da rede de rega Para o caudal Qo = 600 l s-1 a altura total de elevação é de 81 m, sendo a cota piezométrica disponível no início da rede de 288 mca. No dimensionamento hidráulico da rede foi utilizada a metodologia proposta pela FAO (Lamaddalena e Sagardoy, 2000), tendo sido utilizado o modelo LIDM no cálculo optimizado dos diâmetros dos tubos e o modelo AKLA na análise do desempenho hidráulico da rede de rega com o cálculo dos indicadores diferença relativa de pressão e fiabilidade (Lamaddalena e Pereira, 1998; Calejo, 2003; Calejo et al., 2005). Quando o desempenho não é satisfatório deve-se proceder ao redimensionamento da rede para um novo conjunto de regimes de caudal. Na Figura 4 apresenta-se os resultados obtidos para o indicador diferença relativa de pressão e fiabilidade. Apenas em dois hidrantes a pressão disponível, durante o período de ponta, poderá ser ligeiramente inferior aos 250 kPa. a) b)

Figura 4 Indicador diferença relativa de pressão e Fiabilidade.

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As curvas características indexadas foram obtidas com o modelo CURVAS CARACTERÍSTICAS. Na obtenção destas curvas foram geradas 1000 regimes configurações de bocas de rega em funcionamento simultâneo para os seguintes valores de caudal pedido no início da rede: 20, 50, 100, 200, 300, 400, 500, 600, 650 e 700 l s-1. Na Figura 5 representam-se as curvas características indexadas. A análise desta curva permite verificar que para o ponto de funcionamento da estação elevatório (Qo =

793 l s-1 e Zo = 288 mca) cerca de 91 % das configurações são satisfeitas.

Figura 5 Curvas características indexadas.

3.3. Funcionamento do sistema elevatório A estação elevatória será equipada com 3 grupos de eixo horizontal com comando mano-debitimétrico. Os grupos electrobomba principais terão aproximadamente as seguintes características gerais de funcionamento:

Caudal unitário..............................................200 l/s Altura manométrica.......................................81 m c.a. Rotação nominal...........................................1450 rpm Rendimento...................................................82% Potência motora...........................................350 kW

Nas redes de rega com distribuição a pedido, o caudal solicitado pela rede poderá ter variações continuas desde o caudal zero até ao caudal máximo. Na solução mais moderna por regulação manodebitimétrica em contínuo e utilizando dois ou mais grupos de velocidade variável e reservatório hidropneumático, a cada caudal solicitado corresponderá um determinado ponto da curva característica da instalação que será satisfeito por um ou mais grupos em funcionamento. Na Figura 6 apresenta-se as curvas de funcionamento do sistema elevatório proposto para a beneficiação do bloco Alto da Vigia. A regulação terá dois regimes distintos:

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regime intermitente para pequenos caudais e regime em contínuo para caudais superiores a um mínimo pré-definido até ao caudal máximo de projecto. Em regime intermitente o caudal pedido pela rede será satisfeito pelo reservatório hidropneumático ou por um grupo auxiliar operando em velocidade variável, cujo arranque e paragem são definidos por níveis no reservatório hidropneumático. O caudal mínimo será definido de modo que a bomba auxiliar em velocidade reduzida opere em pontos com rendimento aceitável e acima do mínimo estabelecido pelo Fabricante.

Ho

(m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

70

75

80

85

90

95

100

105

110

0 100 200 300 400 500 600 700 800

2 Grupos a 1120 rpm

Regime intermitente

3 Grupos electrobomba a velocidade variável

2 Grupos a 1335 rpm1 Grupo a 1335 rpm

1 Grupo a 1080 rpm

Pmax

Pmin

3 Grupos a 1335 rpm

3 Grupos a 1220 rpm

1 Grupo a V.V.2 Grupos a V.V.

3 Grupos a V.V.

Caudal (l/s)

Figura 6 Curvas de funcionamento do sistema elevatório com grupos de velocidade variável do bloco Alto da Vigia. Solução Proposta.

Ho

(m)

Figura 6 Curvas de funcionamento do sistema elevatório com V.F. da ampliação da Vigia

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

70

75

80

85

90

95

100

105

110

0 100 200 300 400 500 600 700

3 Grupos electrobomba a velocidade fixa com roda maquinada dia 495 mm

2 Grupos a 1450 rpm1 Grupo a 1450 rpm 3 Grupos a 1450 rpm

2 Grupos a V.F.

3 Grupos a V.F.

1 Grupo a V.F.

Caudal (l/s)

( )

Caudal (l/s)

Figura 7 Curvas de funcionamento do sistema elevatório com grupos de velocidade fixa do bloco Alto da Vigia.

Em regime contínuo para caudais superiores ao mínimo das bombas principais operarão um ou mais grupos principais em velocidade variável com valores de pressão adequados ao funcionamento da rede. Estes grupos permitem que a cada instante, o caudal pedido

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pela rede seja fornecido com a pressão estritamente necessária, e não com pressões excessivas dadas pelas soluções anteriores (Figura 7). Deste modo, obtém-se uma economia significativa de energia relativamente às outras soluções com grupos de velocidade fixa (Quadro 2). A análise do Quadro 2 permite verificar que as bombas de velocidade variável permitem diminuir os consumos energéticos num intervalo de caudais bastante largo. Na Figura 8 está representado o histograma dos caudais pedidos, no Bloco 3 na campanha de rega de 2002 (Calejo, 2003), expressos em função do caudal máximo. A análise desta Figura permite verificar que a frequência dos caudais máximos é bastante pequena.

Quadro 2 Necessidades de potência da estação elevatória (Tipo A) equipada com bombas de velocidade variável e de estação clássica (Tipo B) em função do caudal pedido Estação Tipo A (bombas de velocidade variável) Estação Tipo B Caudal

(l s-1) rpm Altura de elevação (m)

Eficiência (%)

Potência (kW)

Altura de elevação (m)

Potência (kW)

Diferença de potência

(%) 50 --- Variável --- 30 Variável 40 25,0

100 --- 62,5 75 82 95 95 13,7 200 1 250 63,5 83 150 78 185 18,9 300 2×1 170 65 78 245 85 313 21,7 400 2×1 250 67 82,5 319 78 371 14,0 500 2×1 230 69 81 418 83 509 17,9 600 3×1 335 78 83,5 550 78 557 1,3

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0Qo/Qo,max

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

Figura 8 Histograma dos caudais pedidos ao nível do Bloco 3 na campanha de rega de 2002.

Considerando o histograma da Figura 8 e admitindo que rede funcionará cerca de 3240 horas, a solução proposta para a Vigia permite reduzir os custos anuais de energia em cerca de 18 % (7 000 euros). Esta diferença permite pagar os custos adicionais de investimento com os conversores de frequência em 7-8 anos. 4. Conclusões No âmbito do Projecto de Modernização e reabilitação da Vigia foi utilizada a metodologia proposta pela FAO no dimensionamento dos sistemas de rega em pressão. As curvas características indexadas permitem definir a cota piezométrica necessária no

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início da rede em função do caudal pedido para a rega. O traçado destas curvas tem em consideração a noção de múltiplos regimes de caudal, permitindo por isso caracterizar com rigor o desempenho do sistema. Esta informação de base é necessária para o dimensionamento dos sistemas elevatórios com grupos de velocidade variável. Esta solução permite reduzir significativamente os custos de energia em relação à solução clássica com grupos de velocidade fixa. O desempenho hidráulico de todo o sistema é assegurada ajustando as curvas do sistema elevatório à curva característica indexada correspondente a uma probabilidade de não excedência de 0,90. Referências bibliográficas

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