Otimização multiobjetivo da operação de sistemas de distribuição de água com bombas de rotação variável

Abstract

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.