ANEJO 4. CÁLCULOS Y ALTERNATIVAS...

ANEJO 4. CÁLCULOS Y ALTERNATIVAS HIDRÁULICAS

NUEVA CONDUCCIÓN DE AGUA POTABLE EN ALTA DE ÉCIJA A OSUNA (SEVILLA)

LUCAS POMARES ZAMBRANO




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ÍNDICE ANEJO 4

INTRODUCCION ................................................................................................................ 4

REQUISITOS DEL SISTEMA ............................................................................................ 4

SITUACIÓN ACTUAL ....................................................................................................... 4

ALTERNATIVA 1: SIN DEPÓSITO DE PALOMAREJO ................................................ 6

ALTERNATIVA 2: CON DEPÓSITO DE PALOMAREJO .............................................. 6

ALTERNATIVA 2-B: ELIMINANDO EBAP HERRERA 1 ............................................. 8

COMPARACIÓN ................................................................................................................ 8

CONCLUSIÓN .................................................................................................................. 12

GOLPE DE ARIETE.......................................................................................................... 12




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INTRODUCCION

El objetivo de este anejo será determinar lo diámetros, bombeos, depósitos y regímenes de bombeo necesarios para

que el sistema funcione correctamente. También determinaremos las presiones máximas y mínimas a las que se ve

sometida la tubería de manera que podamos realizar los cálculos mecánicos pertinentes. Para todo esto deberemos

comprobar que las presiones, velocidades, caudales y pérdidas de carga se encuentran dentro de unos límites

aceptables.

Para realizar el estudio utilizaremos el programa EPANET 2.0 que es capaz de simular el comportamiento

hidráulico del sistema (conducciones, bombeos, depósitos, válvulas, etc.) y de obtener los valores de caudal en las

ramas, presiones en los nudos y alturas en los depósitos a lo largo del tiempo.

Para realizar el estudio vamos a partir de la simulación de la situación actual y después la compararemos con una

serie de alternativas que pretenden solucionar los problemas del sistema dentro de nuestro horizonte temporal.

REQUISITOS DEL SISTEMA

Los requisitos a los que estará sometido el sistema son los siguientes:

Velocidades: la velocidad mínima deberá ser de 0.4 m/s ya que para velocidades menores se pueden

producir depósitos de sólidos con sus consecuentes problemas para el mantenimiento y la calidad del agua.

La velocidad máxima será de 3 m/s de manera que el revestimiento de las tuberías no sufra por motivos de

rozamiento, aunque se permitirá que se superen de manera puntual.

Perdidas de carga: Se calcularán a partir de la formulación de Darcy-Weisbach y para que sean aceptables

deben encontrarse entre 2 – 5 mca/Km.

Presiones: Al tratarse de un sistema en alta que vierte a depósitos no contamos con mayores requisitos de

presión que la resistencia de nuestras tuberías. Sin embargo se recomienda que el agua llegue a los

depósitos con al menos 2 metros de presión.

SITUACIÓN ACTUAL

Partiremos de esta situación actual para comenzar el análisis de las alternativas, además la simularemos en el año

horizonte para poder compara como mejoraran la situación nuestras alternativas.

Ya describimos como se encuentra el sistema en la actualidad, sus elementos y sus problemas en el anejo 1, así

que ahora nos limitaremos a mostrar el esquema de la red y a comentar los principales aspectos para su modelado

en EPANET sin entrar en detalle de los elementos que ya se describieron en el anejo 1.

Ilustración 1. Esquema situación actual

Ahora vamos a describir los principales elementos de la simulación:

CONDUCCIONES:

RAMAL TRAMO LONGITUD (m) DIAMETRO

(mm) MATERIAL RUGOSIDAD

ECIJA-OSUNA

ETAP ECIJA - BOMBEO OSUNA 1 1400 500 FUNDICIÓN 0.03

BOMBEO OSUNA 1 - DESVIO ISLAREDONDA

480 450 FIBROCEMENTO 0.025

DESVIO ISLAREDONDA - DESVIO LANTEJUELA/HERRERA


DESVIO LANTEJUELA/HERRERA - BOMBEO OSUNA 2


BOMBEO OSUNA 2 - DESVIO CAZALLA

2250 400 FUNDICIÓN 0.03

DESVIO CAZALLA - DEPÓSITO OSUNA 3

930 400 FUNDICIÓN 0.03

ISLAREDONDA DESVIO ISLAREDONDA -

DEPÓSITO ISLAREDONDA 22400 160 PVC 0.0025

LANTEJUELA DESVIO LANTEJUELA/HERRERA -

DEPÓSITO LANTEJUELA 11050 200 FIBROCEMENTO 0.025




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HERRERA

DESVIO LANTEJUELA/HERRERA - BOMBEO HERRERA 1


BOMBEO HERRERA 1 - DESVIO EL RUBIO


DESVIO EL RUBIO - DEPÓSITO RUBIO


DESVIO EL RUBIO - DEPÓSITO GALLO


DEPÓSITO GALLO - DEPÓSITO MARINALEDA


DEPÓSITO GALLO - BOMBEO HERRERA 2


BOMBEO HERRERA 2 - DEPÓSITO HERRERA 3


CAZALLA

DESVIO CAZALLA - DESVIO EL SAUCEJO


DESVIO EL SAUCEJO - DEPÓSITO CAZALLA


Tabla 1. Datos de las conducciones en la actualidad

ESTACIONES DE BOMBEO:

BOMBEOS Nº DE BOMBAS POTENCIA

INSTALADA (KW) CAUDAL

UNITARIO (l/s) ALTURA (mca) COTA (m)

OSUNA 1 3+1 528 61 127 128

OSUNA 2 3+1 300 48 97 195

HERRERA 1 2+0 165 40 93 204

HERRERA 2 2 110 45 80 267

Tabla 2. Datos de los bombeos en la actualidad

DEPÓSITOS: EPANET utiliza depósitos circulares así que hemos calculado el diámetro necesario para

que el depósito tenga la capacidad real, además dentro de esa capacidad no se ha contado el metro de nivel

mínimo que hemos considerado para evitar problemas de aspiraciones en las tuberías.

DEPÓSITOS CAPACIDAD (m3) ALTURA (m) DIÁMETRO (m) COTA SOLERA (m)

OSUNA 3 4000 5 36 274

ISLAREDONDA 500 3 18 191

LANTEJUELA 1200 3.5 25 167

RUBIO 1000 4.3 20 220

GALLO 2000 3.5 32 273

MARINALEDA 1000 4.3 20 236

HERRERA 1500 3.3 29 278

CAZALLA 5000 4 46 206

Tabla 3. Datos de los depósitos en la actualidad

DEMANDAS: Las demandas base de las diferentes poblaciones se han sacado del anejo 2 de cálculo de

caudales para el horizonte de 25 años. Pero aparte se le ha metido un patrón de consumo horario necesario

para que el programa realice una correcta simulación temporal. En la demás alternativas también se

utilizará este patrón.

Ilustración 2. Patrón de demanda horaria




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PATRONES DE BOMBEO: Nuestro objetivo será tener el mínimo número de horas de bombeo posible

durante las horas pico del precio de la energía, que se muestra en la siguiente gráfica:

Ilustración 3. Patrón precio de la energía

Cada bomba tendrá un patrón de funcionamiento diferente siguiendo esta premisa, además cuando

comparemos las diferentes alternativas se probaran diferentes patrones con el objetivo de encontrar la

mejor solución desde un punto de vista económico.

DATOS DE LA SIMULACIÓN: Hemos realizado una simulación de 168 h con análisis cada hora, de

manera que se pretende que el sistema alcance el régimen estacionario.

ALTERNATIVA 1: SIN DEPÓSITO DE PALOMAREJO

La primera alternativa que nos planteamos es ampliar el bombeo de OSUNA 1 de manera que pudiésemos

suprimir el de OSUNA 2, aparte de esto tendríamos que sustituir la tubería principal para solucionar el problema

de las fugas. Esta alternativa no la hemos desarrollado hasta obtener los diámetros mínimo, patrones de bombeo

etc. Ya que ha sido descartada en primera instancia por no solucionar el problema de la escasa capacidad de

regulación del sistema con los depósitos existentes actualmente.

ALTERNATIVA 2: CON DEPÓSITO DE PALOMAREJO

Esta alternativa consiste en la construcción de un depósito de gran capacidad en una cota elevada, de manera que

se bombea agua a este depósito y este suministre por gravedad a la mayor parte del sistema. Cerca de Écija hay

una zona elevada llamada el Palomarejo, se ha determinado que allí se podría construir este depósito a la cota de

305 m. De ahora en adelante llamaremos a este depósito como PALOMAREJO, este depósito tendrá una

capacidad de 15000 m3 lo que le permitirá abastecer al sistema durante unas 24 h aproximadamente.

Ahora vamos a mostrar una imagen del modelo de EPANET y vamos a proceder a explicar los principales

elementos del sistema:

Ilustración 4. Esquema alternativa 2

CONDUCCIONES: Nuestro estudio se centra básicamente en el ramal principal, aunque modelemos el

sistema entero para una mayor aproximación a la realidad, por lo tanto vamos a realizar cambios en

principio únicamente en el ramal principal. Con estos diámetros hemos buscado que la velocidad en el

ramal principal sea aproximadamente de 1 m/s de manera que mantengamos unas bajas perdidas de carga.

RAMAL TRAMO LONGITUD (m) DIAMETRO

(mm) MATERIAL

ECIJA-OSUNA

ETAP ECIJA - BOMBEO OSUNA 1 1400 600 FUNDICIÓN

BOMBEO OSUNA 1 - DEPÓSITO PALOMAREJO

9910 600 FUNDICIÓN

DEPÓSITO PALOMAREJO - DESVIO LANTEJUELA/HERRERA

11900 600 FUNDICIÓN

DESVIO LANTEJUELA/HERRERA - DESVIO CAZALLA



930 500 FUNDICIÓN

LANTEJUELA DESVIO LANTEJUELA/HERRERA -

DEPÓSITO LANTEJUELA 11050 200 FIBROCEMENTO




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HERRERA

DESVIO LANTEJUELA/HERRERA - BOMBEO HERRERA 1

6200 250 FIBROCEMENTO

BOMBEO HERRERA 1 - DESVIO EL RUBIO


DESVIO EL RUBIO - DEPÓSITO RUBIO


DESVIO EL RUBIO - DEPÓSITO GALLO


DEPÓSITO GALLO - DEPÓSITO MARINALEDA


DEPÓSITO GALLO - BOMBEO HERRERA 2


BOMBEO HERRERA 2 - DEPÓSITO HERRERA 3


DEPÓSITO HERRERA 3 - DEPÓSITO ISLAREDONDA


CAZALLA

DESVIO CAZALLA - DESVIO EL SAUCEJO


DESVIO EL SAUCEJO - DEPÓSITO CAZALLA


Tabla 4. Datos de las conducciones de la alternativa 2

Resumiendo los cambios principalmente han sido la ampliación de diámetro del ramal de Écija-Osuna y su

cambio de material a otro más adecuado.

También hay que destacar que el ramal que va hacia isla redonda ya no es el mismo, ya que la rama

principal ira por el lado contrario de la carretera y es más fácil desviar el agua desde el depósito de

Herrera.

ESTACIONES DE BOMBEO: Los bombeos del ramal de herrera los dejamos igual en principio, ya que

no pertenecen en principio a nuestro ramal de estudio. Ya centrándonos en lo que nos interesa, al construir

el depósito de PALOMAREJO podemos ahorrarnos el bombeo de OSUNA 2, y ampliar el bombeo de

OSUNA 1, este bombeo se ha calculado pensando que llene el depósito en el patrón de bombeo elegido y

sea capaz de elevar el agua hasta la cota 305 contando las pérdidas de línea. Para el dimensionamiento del

bombeo de OSUNA 1 hemos comparado diversos patrones de bombeo (8, 12, 16, 24 horas) teniendo en

cuenta el coste energético y de la tubería, de manera que hemos elegido el más rentable económicamente,

este cálculo viene explicado con mas detalles en anejo de cálculo de alternativas.

BOMBEOS Nº DE BOMBAS POTENCIA

INSTALADA (KW) CAUDAL

UNITARIO (l/s) ALTURA (mca) COTA (m)

OSUNA 1 3+1 870 98 210 128

HERRERA 1 2+0 165 40 93 204

HERRERA 2 2 110 45 80 267

Tabla 5. Datos de los bombeos de la alternativa 2

DEPÓSITOS: Los depósitos de los municipios se mantienen igual que en la actualidad, pero se añade el

depósito de PALOMAREJO.

DEPÓSITOS CAPACIDAD (m3) ALTURA (m) DIÁMETRO (m) COTA SOLERA (m)

PALOMAREJO 15000 6 62 305

OSUNA 3 4000 5 36 274

ISLAREDONDA 500 3 18 191

LANTEJUELA 1200 3.5 25 167

RUBIO 1000 4.3 20 220

GALLO 2000 3.5 32 273

MARINALEDA 1000 4.3 20 236

HERRERA 1500 3.3 29 278

CAZALLA 5000 4 46 206

Tabla 6. Datos de los depósitos de la alternativa 2

DEMANDAS: Tanto las demandas como el patrón de demandas se mantienen igual que lo mencionado en

la situación actual.

PATRONES DE BOMBEOS: Como ya se ha comentado se han comparado diversas bombas con diversos

patrones de bombeo y se ha elegido el más rentable económicamente, todos estos cálculos vienen en el

anejo de cálculo de alternativas.

Para las bombas ya existentes se ha elegido el patrón mínimo evitando siempre las horas pico de coste

eléctrico.

DATOS DE LA SIMULACIÓN: También se realiza una simulación de 168 h con análisis cada hora.




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ALTERNATIVA 2-B: ELIMINANDO EBAP HERRERA 1

Esta alternativa la podemos considerar una variante de la anterior, ya que realmente no aporta nada nuevo a

nuestra conducción bajo estudio, pero se ha comprobado que con la implantación del depósito se podría suprimir

también el bombeo HERRERA 1 lo que podría ser ventajoso para la eficiencia energética del sistema.

Ilustración 5. Esquema alternativa 2-B

COMPARACIÓN

Ahora vamos a analizar la mejora que supone en el sistema la aplicación de las mejoras tanto como para asegurar

el suministro como en la eficiencia energética (reducción de las horas de bombeo).

Primero vamos a comparar el estado de los depósitos más representativos en las diferentes alternativas para

observar como mejora la seguridad del abastecimiento.

DEPOSITO OSUNA 3

Ilustración 6. Estado Actual

En la situación actual vemos que el depósito emplea casi toda su capacidad diariamente de modo que en caso de

avería el suministro se vería afectado en escasas horas.

Ilustración 7. Alternativa 2

Sin embargo con esta alternativa vemos que el depósito mantiene un nivel más constante permitiéndonos mayor

seguridad en el abastecimiento.




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Ilustración 8. Alternativa 2B

En esta alternativa tenemos un comportamiento similar a la anterior.

DEPOSITO HERRERA


En la situación actual vemos como el nivel del depósito va disminuyendo conforme pasa el tiempo lo que nos lleva

a pensar que si se extendiera la simulación el depósito podría llegar a un nivel crítico que no permitiera el

abastecimiento.


Con la alternativa 2 observamos que el nivel del depósito cumple un ciclo diario, lo que nos da mayor seguridad en

el abastecimiento a largo plazo.


En este caso la situación es similar a la de la alternativa dos.




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DEPOSITO EL GALLO


El depósito del Gallo es un depósito intermedio que sirve como regulador para otros depósitos posteriores de

modo que se dé más seguridad al abastecimiento, pero en la simulación de la situación actual vemos como este se

vacía en pocos días de manera que de ninguna manera puede ejercer la función para la que se supone está

diseñado.


En la alternativa 2 también observamos como el nivel del depósito va bajando con el paso del tiempo, que aunque

es de manera más lenta que en la situación actual también nos lleva a pensar que la función de regulación que tiene

que realizar este depósito se realizará de manera deficiente.


En la situación 2B vemos como el nivel se mantiene más constante de manera que el depósito cumplirá su función

reguladora de manera más correcta que en los casos anteriores.

Ahora vamos a compara los bombeos para observar la reducción del número de horas necesarias:

BOMBEO OSUNA1


En el estado actual vemos que el bombeo necesita trabajar gran un gran número de horas diarias, 19 horas, para

que el sistema funcione, trabajando en horas picos del precio de la energía.


Aunque el bombeo se de mayor potencia la reducción del número de horas de trabajo, de 19 a 16, además evitando

las horas pico del coste eléctrico, nos da la seguridad de un mayor ahorro y eficiencia energética.




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La situación 2B es idéntica a la 2 para este bombeo.

BOMBEO OSUNA 2

Ilustración 18.Estado Actual

En la situación actual observamos que este bombeo de nuevo vuelve a trabajar demasiadas horas diarias, 18 horas,

sin tener en cuenta el precio de la energía de nuevo.

Tanto en la alternativa 2 como en la 2B se prescinde de este bombeo, lo que nos supone un ahorro total con

respecto a la situación actual.

BOMBEO HERRERA 1


En la situación actual vemos que presenta los mismos problemas que los bombeos anteriores, trabaja demasiadas

horas y a un precio inadecuado gran parte de ellas.


En la alternativa 2 se reduce el número de horas aunque tal vez siga necesitando trabajar demasiadas horas.

La alternativa 2B prescinde de este bombeo, lo que de nuevo es un importante ahorro en energía para el

funcionamiento del sistema.

BOMBEO HERRERA 2


Actualmente este bombeo trabaja demasiadas horas diarias aunque en este caso el rango de precios es más

aceptable.


En la alternativa 2 el bombeo trabaja prácticamente lo mismo que la situación actual.




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La alternativa 2B necesita bombear 2 horas menos que la anterior, lo que supondrá un menos coste energético.

CONCLUSIÓN

A la vista de los datos presentados durante este anejo hemos descartado la alternativa 1 por no resolver los

problemas que presentaba el sistema, y entra las dos alternativas restantes parece lógico considerar la 2B como la

más adecuada ya que ambas resuelven el problema de la regulación y en el caso de la 2B, el depósito del Gallo se

aprovecha más además de que prescindimos de mas bombeos lo que se traducirá en un importante ahorro

energético, de mantenimiento, etc.

GOLPE DE ARIETE

Se entiende por golpe de ariete las variaciones de presión que se generan dentro de una tubería debido a los

fenómenos transitorios derivados de cambios de régimen de circulación, tales como cierre o apertura de válvulas,

paradas o arranque de bombas, etc.

Según la Guía Técnica del Cedex, en caso de que la conducción tenga una longitud muy grande (conducciones

largas), el valor del golpe de ariete de oscilación elástica alcanza su valor máximo no en el extremo de cierre, sino

en un punto genérico del interior de la tubería. En este caso, el valor máximo de las sobrepresiones debidas al

golpe de ariete puede calcularse mediante la fórmula de Allievi, en nuestro caso siempre se cumple la suposición

de T.

∆𝑃 = ±𝑎 · 𝑣

𝑔 𝑠𝑖 𝑇 <

2 · 𝐿

𝑎

Siendo:

ΔP: sobrepresión debida al golpe de ariete en m

L: longitud de la tubería en m

v: velocidad de circulación del agua en m/s

T: tiempo efectivo de cierre en s

g: aceleración de la gravedad

a: celeridad de onda en m/s

𝑎 =9900

43.8 + 𝐾𝑐 ·𝐷𝑚𝑒

𝐾𝑐 =1010

𝐸

Dm: diámetro medio de la tubería en metros

e: espesor de la tubería en mm

E: modulo de elasticidad del material de la tubería en kg/m2

CONDUCCIÓN φ(mm) Longitud (m) Espesor (mm) vel. agua (m/s) a ΔP T

ETAP ECIJA - BOMBEO OSUNA 1 600 1400 8,9 2,15 1082,92 237,58 2,59

BOMBEO OSUNA 1 - DEPÓSITO PALOMAREJO

600 9900 8,9 2,15 1082,92 237,58 18,28

DEPÓSITO PALOMAREJO - DESVIO LANTEJUELA/HERRERA

600 11900 8,9 1,13 1082,92 124,87 21,98

DESVIO LANTEJUELA/HERRERA - DESVIO CAZALLA

500 14350 7,5 0,81 1085,79 89,74 26,43


500 930 7,5 0,56 1085,79 62,05 1,71

Tabla 7. Sobrepresiones debidas al golpe de ariete

Para el cálculo de estas sobrepresiones se han tomado los espesores mínimos que se dan en la norma UNE-EN-545

Esta sobrepresión se ha tenido en cuenta para la determinación del espesor de la tubería, realizado en el Anejo de

Cálculos mecánicos.

Es conveniente, en los casos en los que el valor del golpe de ariete sea elevado, disponer elementos que

amortigüen el fenómeno, tales como chimeneas de equilibrio, calderines, tanques unidireccionales, válvulas de

sobrepresión o alivio, bypass, ventosas, etc., los cuales, en todo caso, deben ser robustos, de buena calidad y con

garantía de funcionamiento en las condiciones de explotación a lo que van a estar sometidos.

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