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This research aimed to perform an energy and hydraulic analysis of a sectorized water supply system. An intelligent control system based on fuzzy logic was used, which has the function of controlling the pressure reducing valves. This control system aims to control the downstream pressures of the valves to reduce the high pressure of the pipes, in order to reduce volume lost by leaks, induced consumption or even ducts rupture. In this way, the controller will cause the system to adapt to the maximum consumption level, in order to balance the pressures in all consumption points, aiming to avoid the inefficient supply to consumers located in distant points or of higher topographies. The reduction valve opens or closes according to the pressure levels of each sector, transferring pressure energy from higher pressure levels to lower pressure levels. All the work was done in an instrumented and automated experimental bench intending to simulate a consumption dynamics in which two sectors consume different volumes of water. Nenhuma Esta pesquisa teve como objetivo realizar uma análise energética e hidráulica de sistema de abastecimento de água setorizado. Foi utilizado um sistema de controle inteligente baseado na lógica fuzzy, o qual teve como função o controle de válvulas redutoras de pressão. Este sistema de controle visa controlar as pressões a jusante das válvulas para reduzir o excesso de pressão em tubulações, de forma a diminuir o volume perdido por vazamentos, perdas por consumo induzido ou até mesmo romper dutos. Deste modo, o controlador fará com que o sistema se adapte ao nível de máximo consumo do sistema, de forma a equilibrar as pressões em todos os pontos de consumo, evitando assim o abastecimento ineficiente a consumidores que se localizam em pontos mais afastados ou de topografias mais elevadas. A válvula redutora abre ou fecha de acordo com os níveis de pressão de cada setor, transferindo energia de pressão dos níveis de maiores pressões para os de menores. Todo o trabalho foi realizado em uma bancada experimental instrumentalizada e automatizada de forma a simular uma dinâmica de consumo no qual se utiliza dois setores consumindo diferentes volumes de água.

Dissertação (mestrado) — Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Mecânica, 2016. Os recursos hídricos vêm se tornando escassos em decorrência de sazonalidades climáticas, aumento do consumo de água da população, atividades de agricultura, entre outros. Dados recentes apontam para perdas de bilhões de reais relacionadas a perdas reais ocasionadas, principalmente, por vazamentos, e aparentes, oriundas muitas vezes de erros de medição. Dessa forma, as perdas físicas contribuem para a escassez da água. Neste contexto, as Válvulas Redutoras de Pressão – VRP podem ser utilizadas em redes de distribuição de água para controlar a pressão à jusante da válvula, reduzir grandes impactos da oscilação de pressão, o que contribui para a redução de rupturas da tubulação e de vazamentos. A modelagem do processo de controle de pressão utilizada nas VRP contém não linearidades e restrições, o que o conduz a um modelo de complexidade elevada. A partir disso, é proposto o controle preditivo não linear (Nonlinear Model Predictive Control- NMPC) aplicado ao processo da VRP, representado por um modelo fenomenológico simplificado, combinado ao modelo de uma rede hidráulica. O processo foi implementado sob duas formas de atuação: a indireta e a direta. A primeira apresenta problemas de estabilidade e sensibilidade e, em decorrência disso, foi proposta uma contribuição que contempla o controle de atuação direta para modelagem fenomenológica simplificada, que não apresenta tais problemas supracitados. O NMPC é uma técnica que utiliza explicitamente o modelo do processo e considera não linearidades e restrições para predizer o comportamento futuro do processo em um horizonte de predição e encontrar uma sequencia ótima de controle a cada instante de amostragem. Uma técnica de parametrização exponencial foi aplicada a fim de reduzir o número de grau de liberdades no problema de otimização on-line, o que corroborou para um melhor desempenho do controlador. Nas simulações baseadas em modelagem indireta, utilizou-se um cenário de consumo residencial e o controlador foi avaliado sob condição ideal (todas as variáveis, inclusive o comportamento futuro do consumidor são conhecidos) e real (apenas variáveis medidas são conhecidas). Para a utilização de modelagem direta são considerados perfis de consumo industrial e residencial, e todos os casos apresentaram condições realísticas de operação da rede hidráulica. A técnica de validação Hardware in the Loop - HIL foi utilizada e representa um importante passo na implementação em tempo real. O controlador embarcado funcionou satisfatoriamente para todos os casos de simulação. Uma abrangente comparação de resultados aponta que o controle NMPC apresenta vantagens para serem utilizadas em VRP. Water resources have become increasingly limited as a result of climate seasonality, increasing the population’s water consumption, agriculture activities, and others. Recent data indicate financial losses of billions of reais related to real losses, mainly caused by leaks, and apparent, often derived from measurement errors. Thus, the physical losses contribute to water scarcity. In this context, Pressure Reducing Valves - PRV can be used in water distribution networks to control the valve downstream pressure, reduce large impact pressure oscillation, which contributes to the reduction of pipe ruptures and leaks. However, such process presents several nonlinearities and physical constraints leading to a highly complex model. From this, it is proposed the Nonlinear Model Predictive Control (NMPC) applied to the VRP process, represented by a simplified phenomenological model, combined with the model of a hydraulic network. The process was implemented under their ways of action: direct and indirect. The first show problems of stability and sensitivity and, as a result, it was proposed a contribution which includes the control of direct action for simplified phenomenological modeling, which has no such problems described above. The NMPC is a technique that explicitly uses the process model considering its nonlinearities and constraints to predict the future behavior of the process on a prediction horizon and find a great sequence control at each sampling instant. An parameterized approch was applied to reduce the number of degrees of freedom in the on-line optimization problem and contribute to a better controller performance. In simulations based on of indirect modeling, was used a residential consumption scene and the controller was evaluated under ideal condition (all variables, including the future behavior of the consumer are known) and real (only measured variables are known). For the use of direct modeling are considered profiles industrial and residential use, and all cases presented realistic operating conditions of the hydraulic network. The validation technique Hardware in the Loop - HIL was employed and represents an important step in implementing real-time. The embedded controller worked fine in all cases of simulation. A wide comparison of results show that the NMPC control has all attributes for use in VRP.

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Civil, Atualmente a sociedade encontra-se em constante desenvolvimento. A população cresce e exige níveis de qualidade de vida mais elevado, necessitando-se cada vez mais de energia para satisfazer o bem-estar da população. Todos estes fatores levam a que se proceda a uma exploração acentuada dos recursos que a Terra tem para oferecer. Recursos esses que passam pelo carvão, petróleo, gás natural, energia nuclear, energia hidroelétrica, entre outros. Este trabalho de dissertação está centrado no aproveitamento de energia hidroelétrica em sistemas de abastecimento de água. Neste tipo de sistemas é corrente a utilização de válvulas redutoras de pressão como forma de uniformização e controlo de pressões. No entanto, a utilização de microturbinas, ou de bombas reversíveis tornam-se uma alternativa a ser implementada, na substituição das VRP´s, de modo a aproveitar a energia que está a ser desperdiçada. A existência de um desnível acentuado e de um caudal garantido reúne as condições ideais para produção da energia elétrica. A ideia da utilização de grupos de eletrobombas (GEB) a funcionarem em sentido inverso, não é de agora, tem vindo a ser estudada por países como os EUA, França e Alemanha. O uso de GEB a funcionarem em sentido inverso é justificado devido ao simples facto de estas serem estruturas menos complexas, ou seja, são fáceis de instalar, manter e operar. Outro fator muito importante é o facto de estas serem produzidas em grande escala, podendo ser encontradas com facilidade no mercado e em diversos modelos, e as peças serem encontradas também com enorme facilidade. No entanto, estas apresentam, em geral, rendimentos inferiores ao das turbinas convencionais. Contudo, basta fazer uma correta seleção da bomba, para que estes contras sejam contornados. No âmbito deste trabalho de dissertação, a atenção está centrada neste tipo de turbomáquinas, ou seja, no uso de GEB a funcionarem em sentido inverso. Foi desenvolvido um algoritmo em ferramenta de Excel, que serve de auxílio para que o estudo seja efetuado corretamente, e no fim permita concluir, se esta solução é viável ou não viável, para futuramente instalar num sistema de abastecimento de água., Today the society shows a constant development. The population grows and requires levels the quality of life increases and due to that even more energy is required to satisfy the welfare of the population. All of these factors lead to a sharp exploitation of the resources that the Earth has to offer. Those resources are mainly coal, oil, natural gas, nuclear energy, hydroelectric power among others. This dissertation is focused on the use of hydroelectric power in water supply systems. In such systems it is common the use of pressure reducing valves as a form of standardization and pressure control. However the use of micro turbines or reversible pumps becomes an alternative to be implemented in the VRP´S replacement in order to harness the energy that is being wasted. The existence of a sharp gap and guaranteed flow has the ideal conditions for the production of electric energy. The idea of using of water pump system working as turbines is not recent; it has been studied by countries like the U.S.A, France and Germany. The use of water pump system working as turbines is justified due to the simple fact that these pumps being less complex, in other words, they are easy to install, maintain and operate. Another very important factor is the fact that these pumps are being produced in a large scale in which we can find them very easily on the market and in different designs and the parts can also be found very easily. However, these ones present, in general, lower incomes than the conventional turbines. Still we just have to make the right selection of the pump to overcome the cons. Within this dissertation the attention is focused on this type of turbo machines, specifically in the use of water pump system working as turbines. It was developed an algorithm in the Excel tool serving as an aid for the study to be carried out correctly and in the end it allows to conclude if the solution is viable or not so that in the future it may be possible to install a water supply system.

Mestrado em Sistemas Energéticos Sustentáveis Nos dias de hoje a sociedade exige níveis qualitativos de vida cada vez mais elevados, o que torna prioritária a conceção de sistemas eficientes, não poluidores, económicos e diversificados que permitam uma gestão integrada e racionalizada de recursos tão escasso como é o da água e da energia. Em sistemas de abastecimento de água, o uso de válvulas redutoras de pressão (VRP) visa a uniformização e controlo de pressões, promovendo uma perda de carga localizada que dissipa a energia hidráulica presente através da redução dos valores de pressão a jusante. Estas são fundamentais no controlo e redução de pressão. A utilização de microturbinas é uma alternativa sustentável para o controle de pressão e, simultaneamente, para a produção de energia elétrica. Trata-se de um método de mitigação para controlar as perdas referidas convergindo no âmbito da eficiência energética. Na perspetiva de promover um aproveitamento de energia nas redes de abastecimento de água, o presente trabalho sugere a substituição de válvulas redutoras de pressão (VRP) por microturbinas. Desse modo, apresenta-se um método automático de seleção de (i) local para implementação e (ii) projeto de microturbinas para sistemas de abastecimento de água. Para a modelação do funcionamento dos sistemas hidráulicos recorre-se ao simulador hidráulico EPANET. Esta ferramenta possibilita avaliação de caudais e pressões em todos os pontos da rede durante um determinado intervalo de tempo. A metodologia desenvolvida permite selecionar o local ideal no sistema hidráulico através de uma análise de cada secção conduta-nó escolhendo-se a melhor opção baseada na produção de energia. Depois da localização procede-se à seleção do tipo de turbina (Kaplan, Francis, Pelton e Cross-flow) que vai depender das características do sistema hidráulico. Na etapa seguinte apresenta-se os resultados obtidos pela turbina nomeadamente a produção de energia elétrica anual, o investimento necessário, o tempo de retorno e a rentabilização ao final de um período de 25 anos. Na última etapa da metodologia, de forma avaliar o comportamento do sistema final, realiza-se uma nova simulação da rede mas tendo em conta a introdução da microturbina no local. Apresentam-se alguns casos de estudo que validam a ferramenta desenvolvida. A metodologia desenvolvida é comparada com um caso de estudo real. Em ambos os exemplos simulados a metodologia aplicada permite obter soluções com ganhos energéticos significativos associados ao sistema. Apenas num dos exemplos se observaram que a implementação da microturbina no sistema hidráulico não seria economicamente rentável. Nowadays, society lives on increasing quality of life standards, which makes a priority, the creation of energy systems that are efficient, environmental friendly, cost effective and technologically diversified for a rationalized management of energy resources. In water supply systems, the use of pressure reducing valves, controls pressures and promotes located load pressures that will evaporate hydraulic energy, is of vital importance. In alternative, you can use micro turbines who besides stated before, it simultaneously produces electric energy. This mitigation process, because it controls the losses, which means that it aims for energy efficiency. Based on this concept, the aim of this paper is to suggest the replacement of the traditional pressure reducing valves for micro turbines. This way, it is presented an automatic method of test field to implement the micro turbines project for systems of water supply. A hydraulic simulator EPANET is used to give data about the functioning of hydraulic systems. The designed methodology allows selecting the ideal location in the hydraulic system through an analysis of each conduct node section by choosing the best option for energy production. Then we select the turbine (Kaplan, Francis, Pelton and Cross-flow) that will be selected according the characteristics of the hydraulic system. In the next step, it is presented the results of the turbine performance like its yearly energy production, budget needed, return time and profitability in a 25 year period. For the last step, to evaluate the behaviour of our final system, we run a new simulation, accounting the introduction of the micro turbine in the designed location. This tool is explained in some case studies, and validates its purpose and effectiveness. The methodology created is compared with a real life case study. In both examples the simulated applied methodology allows significant energy savings associated with the system. Only in one of the examples, it was remarked that the introduction of a micro turbine in the hydraulic system would not be economically profitable.

Água, principal matéria-prima da civilização, fonte essencial da vida, recurso natural dos mais escassos, de tão essencial só a valorizamos quando falta em nossa torneira. A consciência da complexa “viagem” desse recurso, a partir dos mananciais até os conglomerados urbanos, nos faz mais responsáveis pela busca do desenvolvimento de sistemas de abastecimento que otimizem o fluxo de água, mantendo os limites adequados de pressão, sem prejuízo ao abastecimento. Com os mananciais cada vez mais distantes e custos elevados, uma reflexão deve ser feita: nem toda água produzida chega aos consumidores, e nem toda água consumida é faturada. O combate à perdas de água, neste cenário, visa não só eliminar o desperdício, mas a garantir a manutenção da universalização do abastecimento de água. Dentro desse contexto, o desafio da Região Metropolitana em 1997 era reduzir o índice de perdas que chegavam ao patamar de 650l/lig.dia. A principal causa identificada era a elevada pressão nos sistemas de distribuição. O gerenciamento de pressão era necessário. A implantação de válvulas redutoras de pressão-VRPs foi a forma encontrada para resolver o problema.