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Pressure distribution on center-pivot lateral lines: comparative results and energy conservation with a variable speed drive
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Universidade Federal de Lavras
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Objetivos de Desenvolvimento Sustentável
Dados abertos
Resumo
O uso de inversores de frequência para controlar a velocidade de operação do bombeamento
de irrigação é uma das estratégias para reduzir o consumo de energia em pivôs centrais que
operam em áreas com topografia ondulada. Ao variar a frequência da fonte de alimentação à
medida que a linha lateral gira no campo, a pressão do ponto de articulação pode ser ajustada
para diminuir a pressão excessiva dissipada pelas válvulas reguladoras de pressão em cada
saída. No entanto, para reduzir o consumo de energia de um pivô central que opera com um
inversor de frequência sem comprometer a uniformidade da aplicação da água, o
comportamento da unidade de bombeamento, o modelo digital de elevação da área irrigada e
a distribuição de pressão ao longo da linha lateral devem ser totalmente caracterizados. Uma
descrição detalhada da distribuição de pressão e o conhecimento adequado da posição do
ponto de mínima pressão ao longo da linha lateral são necessários para definir estratégias para
reduzir o consumo de energia em pivôs centrais que operam com uma velocidade de operação
de bombeamento variável. Nesse sentido, esta pesquisa teve como objetivo estudar a
distribuição espacial da pressão ao longo da linha lateral do pivô central em parcelas com
topografia ondulada e analisar a conservação de energia promovida pelo uso de inversor de
frequência em sua unidade de bombeamento. Conforme descrito no artigo 1, as distribuições
de pressão ao longo de uma linha lateral do pivô central determinada por quatro diferentes
modelos analíticos foram comparadas à distribuição de pressão determinada por soluções
numéricas fornecidas pelo EPANET. Diversas configurações de linha lateral foram
consideradas neste estudo: linha lateral com um e dois diâmetros de tubo, aplicação de
diferentes lâminas de irrigação por tempo de giro, diferentes valores dos coeficientes de
rugosidade da parede do tubo, diferentes valores da inclinação do terreno e linhas laterais
operando com e sem canhão final. Para todas as diferentes configurações de linha lateral do
pivô central consideradas, foram comparadas duas equações de perda de carga diferentes: a
equação de Darcy-Weisbach e a equação de Hazen-Williams Os resultados mostraram que,
independentemente da equação de perda de carga considerada, as quatro soluções analíticas
apresentaram estimativas de valores de perda muito semelhantes aos calculados com o
EPANET. Esses resultados indicam que a descrição detalhada da distribuição de vazão ao
longo da linha lateral do pivô central exigida pelo método numérico não melhorou a precisão
da distribuição de perda de carga. Além disso, o tedioso processo de edição dos arquivos de
entrada exigido pelo EPANET pode ser uma restrição para o seu uso. Nesse sentido, no artigo
2, o VSPM (Variable Speed Pivot Model) foi desenvolvido para realizar análises hidráulicas e
de energia de sistemas de irrigação do tipo pivô central usando o EPANET. Além de melhorar
o processo de edição dos arquivos de entrada EPANET, esta ferramenta pode determinar,
usando qualquer tipo de modelo digital de elevação, a elevação de cada torre para cada
posição angular da linha lateral do pivô central. Também é capaz de simular, de maneira
precisa, o desempenho do pivô central controlado com um inversor de frequência. A possível
redução no consumo de energia com o uso de um inversor de frequência foi simulada para um
pivô central localizado em Albacete (Espanha), em uma área irrigada com uma diferença
máxima de elevação de 15,3 m. Esta simulação indicou que o consumo de energia com um
inversor de frequência é 12,2% menor que o consumo de energia observado com a operação
de bombeamento a velocidade fixa, permitindo uma economia próxima a 2.821,47 €.
Abstract
The use of variable speed drives to control irrigation pumping running speed is one of the
strategies to reduce energy consumption of center pivot systems operating on undulating
topography. By varying the frequency of the power supply as the lateral line rotates in the
field, pivot point pressure may be adjusted in order to decrease the excess pressure that is
dissipated by pressure regulators at each outlet. However, in order to reduce energy
consumption of a center pivot system operating with a variable speed drive without
compromising the center pivot water application uniformity, the pumping unit behavior, the
digital elevation model of the irrigated field, and the pressure distribution along the lateral line
must all be fully characterized. A detailed description of pressure distribution along a center
pivot lateral line and adequate knowledge of the minimum pressure point position along the
center pivot lateral are required in order to define strategies to reduce energy consumption in
center pivots operating with a variable pumping running speed. In this sense, this research
aimed to study the spatial distribution of pressure along center pivot lateral line in plots with
variable topography, and to analyze the energy conservation promoted by using variable
speed drives in center pivot pumping units. As described in article 1, pressure distributions
along a center pivot lateral line determined by four different analytical models were compared
to pressure distribution determined by numerical solutions provided by the EPANET
hydraulic simulator. Several different lateral line configurations were considered in this study:
lateral line with one and two pipe diameters, application of different gross irrigation depths
per revolution time, different values of the pipe wall roughness coefficients, different values
of the ground slope, and lateral lines operating with and without an end gun. For all different
center pivot lateral line configurations considered, two different friction head loss equations
were used: the Darcy-Weisbach equation, and the Hazen-Williams equation. Regardless of
friction head loss equation considered, the estimates of head loss distribution obtained with
the four analytical solutions were very similar to those calculated with the EPANET hydraulic
simulator. These results indicate that the detailed description of the flow distribution along the
center pivot lateral line that is required by the numerical method did not improve the accuracy
of the head loss distribution. In addition, the tedious process of editing input files required by
EPANET may be restricted for its use. In this sense, in article 2 the VSPM (Variable Speed
Pivot Model) was developed to perform hydraulic and energy analyses of center pivot systems
using the EPANET hydraulics engine. Besides improving the process of editing EPANET
input files, this tool can determine, using any type of digital elevation model, the elevation of
each tower for each angular position of the center pivot lateral line. It is also capable of
simulating, in an accurate manner, the performance of the center pivot controlled with a VSD.
The possible reduction in energy consumption with the use of a VSD was simulated for a
center pivot system located in Albacete (Spain), in an irrigated area presenting a 15.3 m
maximum topographic elevation difference. This simulation indicated that energy
consumption with a VSD is 12.2% lower than the energy consumption observed with the
commonly used fixed pumping running speed. This reduction in energy consumption
correspond to a reduction of 2,821.47 € on energy consumption expenses.
Descrição
Área de concentração
Agência de desenvolvimento
Palavra chave
Marca
Objetivo
Procedência
Impacto da pesquisa
Resumen
Palavras-chave
Center pivot, Pressure distribution, Head loss, Correction factor, Hydraulic model, Energy consumption, Variable speed pump, Pumping operation, Pivô central, Distribuição de pressão, Perda de carga, Fator de correção, Modelo hidráulico, Consumo de energia, Bomba de velocidade variável, Operação de bombeamento
ISBN
DOI
Citação
BAPTISTA, V. B. da S. Pressure distribution on center-pivot lateral lines: comparative results and energy conservation with a variable speed drive. 2019. 81 p. Tese (Doutorado em Recursos Hídricos)–Universidade Federal de Lavras, Lavras, 2019.