LA OPERACIÓN CENTRALIZADA DE UN ACUEDUCTOEN ISLAS

LA OPERACIÓN CENTRALIZADA DE UN ACUEDUCTOEN ISLAS
PEQUEñAS: CAYO COCO.
Nombre del autor: Héctor Borroto Aguirre
Instituto de trabajo del autor: Empresa De Acueducto y Alcantarillado Cayo Coco.
Resumen curricular: Graduado del Instituto Politécnico José Antonio Echeverría en el año
1989, en la especialidad de ingeniero hidráulico. Comencé mi vida laboral en una empresa
constructora de obras hidráulicas por tres años, luego del culminar la construcción del primer
hotel de Cayo Coco atendí en el mismo la actividad de mantenimiento por cinco años, donde
tuve la oportunidad de ampliar mi perfil técnico en otras ramas como eléctrica, energéticas,
entre otras . En 1997 pase a trabajar en la Empresa De Acueducto y Alcantarillado Cayo Coco
responsable de la dirección técnica.
Dirección: Rotonda “Los Almácigos” S/N, Cayo Coco, Ciudad Morón, Cuba.
Teléfono: 53- 33301106 Fax: 53- 33301112 E: mail : [email protected]
RESUMEN
En el presente trabajo se exponen un grupo de acciones que se han realizado con vistas a
disminuir los costos de explotación basándose principalmente en el ahorro la energía eléctrica
utilizada en el bombeo del agua.
Las particularidades con que se diseñó el acueducto permitió primeramente el diseño y
construcción de los by pass en las estaciones de rebombeo dentro de los cayos (distribución
horaria), de manera que se aprovecha la energía entregada al agua en la fuente de captación
para la disposición directa a los depósitos de los clientes sin la necesidad de un bombeo
adicional, esto permitió prescindir del uso del rebombeo en el 40 % del agua facturada. Más
tarde la propia necesidad de aumentar el caudal de extracción con un menor índice de
consumo por unidad de metro cúbico condujo a la instalación del tercer by pass ubicado en la
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falda de la loma del tanque de 2000 M enclavado en el poblado Turiguanó disminuyendo la
carga del bombeo en más de 30 metros, la potencia demandada en 10 Kw y aumentando el
caudal de extracción en 13 l/s.
Los cambios realizados al diseño original del sistema exigían de un cuidado extremo por parte
del operador central del acueducto en aras de lograr el mayor volumen posible de entrega por
medio del by pass, todo ello sin perjudicar la estabilidad del sistema propenso a sobrepasar las
presiones nominales en algunos tramos o en otros casos a quedar por debajo de la demanda
demandada por los clientes.
Para simplificar la complejidad creada se realizó la modelación matemático del sistema de
acueducto por medio del EPANET, como guía de operación diaria del mando central. El uso de
la modelación recomienda al operador la variante más económica a emplear para cada
situación de demanda muy variable en las distintas épocas del año al tratarse de un centro
balneario. Las medidas adoptadas han permitido un ahorro considerable en los consumos
eléctricos y en los costes por este concepto.
Palabras Claves: Acueducto, Agua potable, Operación, EPANET
INTRODUCCION
La Empresa de Acueducto y Alcantarillado Cayo Coco es la encargada de abastecer a los
poblados en rutas y al polo turístico Jardines del Rey zona geográfica que comprende la
cayería norte de la provincia de Ciego de Ávila. La escasez de agua potable en los cayos,
obligo a ubicar la fuente muy distantes de los consumidores debiéndose construir largas
conducciones y por ende gastos excesivos en operaciones por los índices de consumo
eléctrico elevados. La necesidad de disminuir estos gastos por medio del uso racional de la
energía eléctrica es el objetivo principal de estos esfuerzos.
En este sentido se realiza el siguiente trabajo que abarca desde el diseño y construcción de
los by pass como principal método de ahorro en el consumo eléctrico y la elaboración de
herramientas de explotación para su mejor aprovechamiento.
ANTESCEDENTES
El Esquema 1 representa al sistema de abasto de agua concebido para una capacidad
máxima de entrega de 300 l/s. Como se aprecia a pesar de las distantes distancias a recorrer
se debe elevar el agua hasta la cota 83.5 para luego ser nuevamente bombeada en los centros
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de distribución horarias alcanzándose valores de índices de consumo hasta de 0.068 Kw/ M .
Esquema 1: Sistema de distribución de agua potable antes de los by pass.
DESARROLLO
La construcción de los by pass en las estaciones de distribución horarias Tanque 2 500 y 5000
de cayo Coco permite en su inicio la entrega de una parte del agua sin la necesidad del
rebombeo al aprovecharse la energía potencial proveniente del Tanque 2000. Con el aumento
de la demanda y la necesidad de disminución de los costes por concepto de energía eléctrica
se realiza otro by pass en la falda de la loma del tanque 2000(cota 45) aumentando las
capacidad de extracción, disminuyendo la carga de bombeo y la potencia demandada por las
bombas de la fuente de abasto, a su vez permite retardar la construcción de la estación de
rebombeo(relevo) que se debe construirse en el tramo para que con el aumento de caudal no
sobrepase a las presiones nominales de la conductora de impulsión. De estas
transformaciones se obtiene el Esquema 2.
El nuevo sistema, resultado de los cambios realizados, requiere del mando central de
operación mucha habilidad para poder realizar la mayor entrega de agua posible por medio de
los by pass en las estaciones de distribución horarias, más aun en un balneario donde la
demanda es muy variable en las distintas épocas del año, sobre todo, en la temporada de alta
demanda donde no se llega a entregar por by pass el 40 % del agua registrada. Téngase en
cuenta que la energía potencial proveniente del Tanque 2000 tiene que ser bien optimizada
pues cuando se entrega más volumen que el necesario para una zona (ejemplo Guillermo ) va
en detrimento de la otra al no poder satisfacer la demanda en tiempo por lo que se tiene que
recurrir al rebombeo de la estación de distribución. Por otro lado la no existencia de un
telecontrol y en su defecto la realización de las operaciones por medio de órdenes del
operador central hacia los operadores de las estaciones de bombeo hace aun más difícil la
operación del sistema pudiendo llegar en ocasiones a presiones de ruptura de las
conducciones.
A esta complejidad se suma la aplicación de tarifas eléctricas variables en el tiempo para la
fuente de abasto y las estaciones de distribución horaria Tanque 2 500 y 5 000 de Coco lo que
obliga a no solo tener en cuenta el ahorro en magnitud física de la energía sino de su valor en
el tiempo.
A diario el operador central se enfrenta a varios cuestionamientos como:
-
¿Qué presiones deben registrarse en los by pass para poder satisfacer la demanda en
Coco y Guillermo si el uso del rebombeo?
- ¿De decidir usar el by pass para una sola zona, por no poder satisfacer la demanda con el
para las dos, para donde colocarlo que tenga un efecto económico mayor?
- Llegado el horario de pico eléctrico para la fuente de abasto ¿se podrá parar sin afectar la
continuidad del servicio? ¿Será conveniente parar la fuente y distribuir con las estaciones
de rebombeo ó al revés, usar la fuente y los by pass de las estaciones de distribución?
- ¿Cómo hacer un uso conveniente de las tarifas eléctricas horarias?
- ¿De que manera y cuando debo recuperar los depósitos de las estaciones de distribución
horaria?
Para resolver estas incógnitas era necesaria la aplicación de una herramienta de trabajo que
facilitara la toma de decisiones técnico económico más favorable y que a su vez permitiera
conocer la magnitud de las variables hidráulicas para realizar un seguimiento y ajustes con la
realidad. Por otro lado la herramienta de trabajo debía cumplir dos requisitos fundamentales,
adaptable a una demanda cambiante propia de un polo turístico y requerir pocos datos de
entrada para su manejo.
De todos estos requisitos se determinó como opción más favorable la utilización del método de
simulación matemática de redes de distribución de agua para conducciones cerradas. Dentro
de la gama de programas existentes para la realización de simulaciones se opto por el
EPANED ante todo por ser un programa muy utilizado y de probada calidad y por brindar la
posibilidad de computar registros de consumo de energía y de costes de estos, los cuales se
utilizaran como punto de mira para la toma de decisión en cuanto a variante de explotación
más favorable.
Esquema 2: Sistema de distribución de agua potable después de construido los by pass.
Las modelación matemática de una red brinda disímiles aplicaciones entre las que se puede
destacar, la regulación de presiones de la red, la detección de cuellos de botellas, la evaluación
del sistema antes problemas variados ó la inclusión de nuevas demandas, la sectorización de
la red y sobre todo en la forma de operar el sistema en aras de reducir los costes por este
concepto.
El dibujo de la red se hizo mediante la combinación formas distintas, el uso de planos, el
levantamiento de campo y la exportación de un sistema de información geográfica. Para lograr
una simplificación del esquema, facilitar la entrada de datos y el análisis de los resultados se
realizaron artificios no incluidos en la ayuda del programa como:
-
-
Concentrar la demanda de agua de la red hotelera ubicados en Coco y Guillermo, de
manera que cada estación de distribución entrega a un solo punto. Para ello se asume
diámetros, longitudes y cotas equivalentes para un depósito que reciba de relector de la
demanda acumulada de todos los consumidores de la zona, con lo cual se facilita la
entrada de datos pues se dispuso como área del deposito 1000 M2 necesitando como dato
el valor del volumen en columna de agua. esta aproximación es valida al encontrarse
concentradas las instalaciones hoteleras.
Sintaxis de entrega en depósitos propiedad del cliente, sin necesidad de simular equipos
de bombeo:
Con el artificio se hace más fácil las corridas y posibilita realizar las paradas en los bombeos
sin que aparezcan errores.
La edición de propiedades de los objetos, en este caso los equipos de bombeos se realizaron
por medio de estudios pito métrico verificando los resultados con las curvas de los fabricantes y
asumiendo los más lógicos en correspondencia con la calibración. Las calibraciones de las
redes se utilizaron las facilidades que brinda el programa comparando los resultados
calculados con los medidos en el campo y ajustando los coeficientes que intervengan en cada
caso.
Después de calibrado el modelo se comenzaron a realizar varias pruebas de operaciones
pudiéndose comprobar la efectividad del método empleado y corregir algunos inconvenientes
presentados como:
-
Necesidad del uso del block de nota para la entrada de datos evitando que el programa
fuera manipulado directamente por el operador.
Creación de varios ficheros de posibilidades que permita la operador ir descartando
variantes hasta obtener la más favorable en este caso la de menor costo de operación ó lo
que es igual menos costo por concepto de energía eléctrica.
Variación del diámetro de entrada a los depósitos de las estaciones de regulación horaria
Tanque 5 000 y 2 500 de cayo Coco. Los diámetros de las válvulas de mariposas
colocadas en las entradas de los depósitos no permiten una regulación efectiva al
encontrarse circulando caudales inferiores a los de diseño lo que provoca una disminución
de su poder de regulación, aun más cuando le precede grandes longitudes de tuberías. Lo
planteado anteriormente se puede deducir de la ecuación (1) de energía:
2
v
2
2
v v
fL
+K
+
H=
D 2g
2g 2g
ecuación (1)
Para que la válvula tenga protagonismo en su manipulación es necesario que tenga un
coeficiente de pérdidas en un orden de magnitud similar al de las pérdidas por fricción de la
tubería, de ahí que su efectividad esta determinado también por la longitud de tubería aguas
arriba de la válvula. Una forma sencilla de simplificar la solución fue:
2
K
v
2g
=1
ecuación (2)
De la ecuación (2) asumiendo K = 0.187, valor para válvulas de mariposa totalmente abierta se
obtiene V = 10.24 m/s. Haciendo uso de la ecuación (3) de continuidad y asumiendo valores de
caudales de 90 l/s se obtiene un diámetro de válvulas de 100 mm que van a trabajar con una
regulación efectiva.
A=
Q
V
ecuación (3)
Se pudo comprobar que la variación de caudal al ser manipuladas las válvulas se relaciona
prácticamente de forma lineal con su grado de apertura, esta solución permite recuperar los
depósitos y realizar entregas por by pass al mismo tiempo.
RESULTADOS.
La practica diaria del uso de los by pass ha permitido un ahorro considerable del portador
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energético, reduciendo un índice de consumo eléctrico de 0.068 Kw/M a menos de 0.030 Kw/
3
M . La modelación del sistema de acueducto en función de la operación del sistema, es una
herramienta eficaz, que predice de antemano el comportamiento de los parámetros hidráulico y
su relación con el costo de operación, despeja los inconvenientes de las distintas tarifas
eléctricas horarias e incluso hacer uso de estas a su favor.
Las tablas 1, 2 y 3 Informe de Energía son los resultados de corridas para una misma
demanda de agua para un día de trabajo, donde aparece el costo de energía eléctrica de
cada variante.
TABLA 1: Informe de Energía corrida 1 (No se hace uso de los by pass, se realiza la
distribución por las estaciones de rebombeo.)
TABLA 2: Informe de Energía corrida 2 (Se hace uso de los by pass, pero no se tiene en
cuenta la tarifa horaria eléctrica).
TABLA 3: Informe de Energía corrida 3 (Se hace uso de los by pass y se tiene en cuenta
la tarifa horaria eléctrica).
Por ultimo, por medio del modelo se ha comprobado la efectividad de algunas otras posibles
transformaciones que conduzcan al ahorro de la energía eléctrica como:
- Para abastecer el poblado Turiguanó, de 3000 habitantes, ubicado en cota similar a la del
by pass del Tanque 2 000 se debe realizar a través del Tanque y no por el by pass, lo que
obliga cada cierto tiempo recuperar el depósito. Colocar una pequeña bomba en la falda de
la loma que funcione como relevo (booster) hacia el tanque puede ser la solución para no
tener que aumentar el trabajo de las bombas de la fuente.
- En la temporada de alta demanda, para la zona de cayo Guillermo, la más distante de la
fuente, se requiere de mucha energía para poder trasegar por by pass el volumen
demandado, debiéndose usar el rebombeo del Tanque 2 500. Se ha comprobado por
medio de la simulación las ventajas que brinda un rebombeo de relevo aplicado a partir de
una determinada demanda.
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS
Cabrera, E., Espert, V., Garcías-Serra, J., Martínez, F. (1996) Ingeniería Hidráulica
Aplicada a los Sistemas de Distribución, vol. 1.