Localização otimizada de estações elevatórias de reforço (boosters) em redes de distribuição de água

The Pumping Stations have an important role in the Water Distribution Netwoks (WDNs), representing one of the main operating expenses of the system. Therefore, efficient pumps and motors, and a good operating strategy, are important to reduce operational costs. To evaluate the performance of the machines, a great effort have been made by some governments and institutes, classifying the equipment according to its efficiency, allowing an easy and fast comparison among the products. Despite this information, pump selection remains a complex problem, as WDNs dynamic behavior imposes different operating conditions, changing pump efficiency, which may be far from its Best Efficiency Point (BEP), increasing overall energy consumption. Thus, the optimization of pumping stations operation in the water distribution networks has been widely studied, mainly with the development of speed driver, which allow the machines to adjust the hydraulic power according to the required demands. In this context, this study has the general objective of developing an optimization model that allows the analysis of the most economical and efficient alternatives for pumping treated water in water distribution networks. The selection of the pump with the best operating point and the number of pumps operating in parallel in the network are defined using the Particle Swarm Optimization (PSO) technique, minimizing energy costs and water losses. The optimized location of the pumping stations is done by the analysis of the trunk network, obtained through graph theory. The Trunk Network (TN) pipes are important for the entire system, as they serve a large number of consumers and, therefore, the location of the pumping stations will be prioritized in these tubes. The optimization model was applied to three fictitious water distribution networks commonly studied in the literature: Anytown, NET3 and D-Town. The research shows that allowing a more flexible operational routine for the pumps and optimizing the location of the Boosters in the network can provide a more efficient operation of the WDN.

As Estações Elevatórias têm um papel importante nos Sistemas de Abastecimento de Água (SAA), representando um dos maiores gastos operacionais do sistema. Portanto, bombas e motores eficientes, e uma boa estratégia operacional, são importantes para reduzir os custos operacionais. Para avaliar o desempenho dos equipamentos, um grande esforço foi feito por alguns governos e institutos, que classificaram os equipamentos de acordo com sua eficiência, permitindo uma comparação fácil e rápida entre os produtos. Apesar dessas informações, a seleção de bombas continua sendo um problema complexo, pois o comportamento dinâmico dos SAA impõe diferentes condições operacionais, alterando a eficiência das bombas, que pode estar longe de seu melhor ponto de eficiência (Best Efficiency Point - BEP), aumentando o consumo geral de energia. Em vista disso, a otimização da operação das estações elevatórias nas redes de distribuição de água tem sido amplamente estudada, principalmente com o desenvolvimento dos conversores de frequência, que permitem que as máquinas ajustem a potência hidráulica de acordo com as demandas requeridas. Nesse contexto, este estudo tem como objetivo geral desenvolver um modelo de otimização que permita fazer análise das alternativas mais econômicas e eficientes para bombeamento de água tratada em redes de distribuição de água. A seleção da bomba com o melhor ponto de operação e o número de bombas operando em paralelo na rede são definidos através da técnica Particle Swarm Optimization (PSO), minimizando os custos de energia e perdas de água. Já a localização otimizada das estações elevatórias é feita pela análise da Rede Troncal, obtida através da teoria de grafos. Os tubos da Rede Troncal (TN) são importantes para todo o sistema, pois atendem um grande número de consumidores e, portanto, a locação das estações elevatórias será priorizada nesses tubos. O modelo de otimização foi aplicado em três redes de distribuição de água fictícias amplamente estudadas na literatura: Anytown, NET3 e D-Town. A pesquisa evidencia que permitir uma rotina operacional mais flexível às bombas e otimizar a localização dos Boosters na rede podem proporcionar uma operação dos SAA mais eficiente.

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