Modelo para otimização hidroenergética da operação de bombeamento em sistemas de distribuição de água / Hydro energy optimization model of pumping operation in water distribution systems

RESUMO Neste trabalho foi desenvolvido um modelo multiobjetivo para otimização da operação de sistemas de distribuição de água (SDAs), visando alcançar a eficiência hidroenergética considerando três objetivos: redução das perdas por vazamento; redução do custo de energia elétrica no bombeamento; e maximização da confiabilidade do sistema. O modelo de otimização foi concebido pela implementação de uma rotina computacional entre os algoritmos genéticos NSGAII e SPEA e o simulador hidráulico EPANET. O modelo foi aplicado a um SDA hipotético e demonstrou ser adequado para gerar um conjunto ótimo de regras operacionais. Dentre as soluções geradas pelos dois algoritmos, constatou-se que a diminuição do custo de energia elétrica no bombeamento não implicou, necessariamente, redução das perdas por vazamentos, ou seja, os dois objetivos podem ser conflitantes em SDAs caracterizados pela presença de reservatórios internos.

ABSTRACT In this work, a multi-objective model for operational optimization of water distribution systems has been developed in order to achieve hydro energy efficiency. Three objectives were considered: minimizing of leakage, minimizing of pumping energy costs, and maximizing system reliability. The optimization model was conceived by the implementation of a computational routine between a dyhraulic simulator (EPANET) and by genetic algorithms NSGAII and SPEA. The proposed model has been applied to the optimization of a hypothetical water distribution network to generate an optimal set of operational rules. Some solutions obtained by the two algorithms showed that a decrease in pumping energy costs did not necessarily imply in leakage reduction. This means that both objectives can be conflicting in water distribution systems with internal tanks.

Otimização multiobjetivo da operação de sistemas de distribuição de água com bombas de rotação variável / Multiobjective optimization of the operation of water distribution systems with variable speed pumps

RESUMO Ante o crescimento populacional urbano e a importância da água como recurso natural limitado, verifica-se a necessidade de implementar técnicas com a finalidade de reduzir os custos operacionais dos sistemas de distribuição de água e garantir abastecimento adequado. A otimização da operação de bombas pode ser utilizada com o propósito de atender às demandas de consumo com menor custo energético, além de maximizar a confiabilidade hidráulica. Neste trabalho, um modelo híbrido de otimização/simulação foi desenvolvido tendo como suporte os algoritmos genéticos multiobjetivo e o simulador hidráulico EPANET. O método Non-dominated Sorting Genetic Algorithm II (NSGA II) foi utilizado para a otimização da operação de bombas de rotação variável, ou seja, as variáveis de decisão do problema foram as rotações das bombas para cada hora ao longo do dia. Uma modificação do simulador hidráulico EPANET original, que não computa corretamente o rendimento de bombas de rotação variável, foi empregada para que as potências de cada bomba e, consequentemente, o custo da energia elétrica fossem calculados corretamente. Conjuntos de soluções não dominadas (frente Pareto) foram obtidos considerando-se, primeiramente, a penalidade de pressão negativa nos nós e, posteriormente, as penalidades de pressão negativa nos nós e o fechamento/desligamento de tubos e/ou bombas. Aplicou-se o método à rede hipotética denominada Anytown, e custos menores, considerando tarifas brasileiras, foram obtidos.

ABSTRACT Faced with the urban population growth and the importance of water as a limited natural resource, there is a need to implement techniques to reduce the operational costs of water distribution systems and ensure adequate supply. The optimization of pump operation can be used to meet the demands of consumption with a lower energy cost, in addition to maximizing hydraulic reliability. In this work, a hybrid optimization/simulation model was developed based on the multiobjective genetic algorithms and the EPANET hydraulic simulator. The NSGA II (Non-dominated Sorting Genetic Algorithm II) method was used to optimize the operation of variable rotation pumps, that is, the decision variables of the problem were the rotation of the pumps for each hour throughout the day. A modification of the original EPANET hydraulic simulator, which does not correctly compute the efficiency of variable-speed pumps, was employed so that the power of each pump, and consequently the cost of electric power, was calculated correctly. Non-dominated solution sets (Pareto Front) were obtained considering first the negative pressure penalty at the nodes and, subsequently, the negative pressure penalties at the nodes and the closure/shutdown of tubes and/or pumps. The method has been applied in the hypothetical network called ANYTOWN and lower energy costs were obtained considering Brazilian energy tariffs.

Simulação de bombas com velocidade de rotação variável no EPANET / Variable-speed pumps simulation in EPANET

RESUMO Em sistemas de distribuição de água, economia de energia elétrica pode ser alcançada pela substituição de bombas de rotação constante por bombas de rotação variável (BRV). Os elevados custos de instalação e operação de BRV requerem uma avaliação econômica prévia do projeto, a qual geralmente é acompanhada do uso de simuladores para análises hidráulicas do sistema. Um dos programas mais utilizados para esse fim é o EPANET 2, que é impreciso para computar a eficiência de BRV, pois o programa não leva em conta a mudança na curva de eficiência da bomba quando sua velocidade de rotação é alterada. Neste trabalho, uma rotina para o cálculo da eficiência de BRV, baseada em metodologia da literatura, foi implementada no código-fonte do EPANET 2. A influência da nova rotina nos resultados previstos pelo programa para eficiência, potência e consumo de energia de BRV foi avaliada em simulações com uma rede hipotética. Os resultados mostram que a versão original do EPANET 2 tende a subestimar a eficiência e, consequentemente, superestimar a potência e o consumo de energia de BRV. A versão modificada do EPANET 2 proporciona uma melhor previsão do comportamento de BRV e, portanto, o seu uso é recomendado na simulação de redes de distribuição de água equipadas com BRV.

ABSTRACT In water distribution systems, energy savings can be achieved by substituting fixed-speed pumps by variable-speed pumps (VSP). The high costs of installation and operation of VSP require a preliminary economic assessment of the project, which is usually complemented by the use of a computer simulation software for hydraulic analyses of the system. One of the most used software programs for this purpose is EPANET 2, which is inaccurate when computing VSP efficiency. This is because the software does not take into account the changes in the pump efficiency curve when the pump speed is changed. In this study, a routine for calculating VSP efficiency, based on literature methodology, was implemented in the source code of EPANET 2. The influence of the new routine on the results predicted by the software for efficiency, power and energy consumption of VSP was evaluated in simulations with a hypothetical network. The results show that the original version of EPANET 2 tends to underestimate the efficiency and thus overestimate the power and energy consumption of VSP. The modified version of EPANET 2 provides a better prediction of VSP behavior; thus, its use is recommended in the simulation of water distribution networks equipped with VSP.

Calibração do Storm Water Management Model (SWMM) utilizando algoritmos evolucionários multiobjetivo / Storm Water Management Model calibration using multiobjective evolutionary algorithms

RESUMO O estudo teve por objetivo a realização da calibração do modelo hidrológico Storm Water Management Model (SWMM) para a Bacia Hidrográfica do Arroio Cancela, localizada em Santa Maria, Rio Grande do Sul, utilizando o algoritmo evolucionário multiobjetivo R-NSGA. Para tanto, foram realizadas modificações na estrutura do SWMM, de modo que permitisse seu acoplamento como Evolucionary Reference Point Based Non-Dominated Sorting Genetic Algorithm (R-NSGA) em ambiente de programação MATLAB. As funções objetivo utilizadas foram o Coeficiente de Eficiência de Nash-Sutcliffe (COE), o Erro da Vazão de Pico (EQP) e o Erro do Volume Escoado (EVOL) aplicadas simultaneamente na calibração do modelo. Foi proposto um método para determinação da maior compatibilidade de modo a elencar as melhores soluções. Os resultados dos parâmetros calibrados do SWMM foram próximos aos valores físicos da bacia, com exceção dos valores relativos à equação de Horton. As soluções de maior compatibilidade apresentam um melhor comportamento para os eventos de validação, evidenciando a importância da otimização multiobjetivo.

ABSTRACT This paper focused on the calibration of Storm Water Management Model (SWMM) for the Cancela River Basin, located in Santa Maria, Rio Grande do Sul, Brazil, using the multi-objective Evolucionary Reference Point Based Non-Dominated Sorting Genetic Algorithm R-NSGA. Modifications were made in SWMM structure to allow its linking with R-NSGA in MATLAB. The objective functions proposed were the efficiency coefficient of Nash-Sutcliffe (eNS), the Peak Flow Error (EQ) and Runoff Volume error (EVOL), which were applied simultaneously to the model calibration. A method for determining the maximum compatibility to rank the best solutions is proposed. The parameters estimated by SWMM calibration were close to physical values of the basin, except those relating to the Horton equation in the most compatible solutions have a better behavior for the validation event, highlighting the importance of multi-objective optimization.

Avaliação das perdas físicas de um setor da rede de abastecimento de Agua de Campo Grande-MS via modelo inverso / Leakage evaluation in a water supply network sector of Campo Grande-MS through inverse model

O crescimento do contingente populacional das cidades requer o gerenciamento eficiente dos recursos hídricos, particularmente quando a exploração de novas fontes de abastecimento mostra-se dispendiosa e os recursos naturais cada vez mais escassos. Em contrapartida, em diversas cidades brasileiras, são comuns redes de distribuição de água para abastecimento com elevados índices de perdas, sejam elas não-físicas ou físicas (perdas por vazamento). O presente estudo visa avaliar as perdas por vazamentos de um setor da rede de distribuição de água da cidade de Campo Grande-MS. Para tanto, utiliza-se um procedimento iterativo de avaliação hidráulica que considera as perdas por vazamento e a dependência das demandas com a pressão, utilizando o simulador hidráulico EPANET 2 (Rossman, 2000), com vistas à calibração em termos dos parâmetros do modelo de vazamentos, bem como dos coeficientes de perda de carga localizada relativa a componentes hidráulicos presentes na rede. Para a resolução do problema inverso correspondente são utilizados os Algoritmos Genéticos (AGs).

Calibração de modelos de redes de distribuição de água para abastecimento considerando vazamentos e demandas dirigidas pela pressão / Water distribution network calibration model considering leakage and head-driven demands

No Brasil, são comuns sistemas de distribuição de água para abastecimento com elevados índices de perdas, nos quais parcela significativa das denominadas perdas físicas é devida às perdas por vazamento. Dessa maneira, o controle efetivo das perdas por vazamento e do comportamento do sistema sob as mais diversas condições operacionais é de fundamental importância, não só do ponto de vista financeiro, no que diz respeito ao desperdício da água bombeada e quimicamente tratada, mas principalmente da preservação deste recurso natural. Com o objetivo de se ter um maior conhecimento do comportamento real de uma rede de distribuição de água, técnicas de calibração, incluindo modelos para avaliação de perdas por vazamentos, vêm sendo propostas. Tais modelos devem considerar a relação pressão x vazamento, bem como a dependência pressão x demanda, face aos diferentes níveis de pressão atuantes em um sistema de distribuição de água. O presente estudo visa o desenvolvimento de uma rotina computacional que considere as perdas por vazamento e a dependência das demandas com a pressão, acoplada ao simulador hidráulico EPANET (ROSSMAN, 2000), utilizando dados de rede hipotética com vistas à calibração em termos das rugosidades absolutas, demandas, diâmetros, cotas topográficas e parâmetros do modelo de vazamentos, bem como a localização de componentes hidráulicos na rede. Para tanto, utilizam-se modelos inversos resolvidos com o suporte da tecnologia dos Algoritmos Genéticos (AGs) e procedimento híbrido (AGs e Método Simplex – NELDER & MEAD, 1965).