Aplicacion de valvulas reguladoras en sectorizacion

Sistema Control de Presiones.
Introducción:
Dentro de los distintos aspectos que abarcan las pérdidas operacionales en
cualquier sistema de abastecimiento de Agua Potable se distingue aquella que tiene
relación con el aumento de presiones en horarios de bajo consumo (condición estática),
traducido principalmente por altos caudales nocturnos (o caudal de pérdida) y reiteradas
roturas.
En relación con un programa de Control de Presiones para sistemas de
abastecimiento de Agua Potable, se resume en este documento los principales aspectos
que deben, a nuestro juicio, ser considerados para establecer un método de control, de
acuerdo al diagnóstico realizado para cada localidad (o sector) en que se desee aplicar un
programa enfocado a la disminución de pérdidas de agua potable.
1. Reducir la presión en la red disminuye el agua perdida por
fuga.
Durante los últimos años algunos de los principales organismos operadores del mundo han
adquirido un conocimiento importante acerca del comportamiento de las redes de
distribución de agua potable: han aprendido que la mayor parte de las pérdidas de agua que
se presentan en la red se debe a una gran cantidad de pequeñas fugas cuya detección y
reparación resulta difícil, si no imposible. Con este conocimiento han llegado a la conclusión
de que para disminuir la cantidad de agua que se pierde por fugas es más redituable
controlar la presión en las tuberías de distribución que realizar la tradicional reparación de
fugas.
Las fugas que se presentan en las tuberías se comportan como lo hace el caudal de agua
que sale de un orificio, de acuerdo a la ecuación q = k ⋅ A 2 g ⋅ h , donde
q
k
A
g
h
Caudal que fluye por el orificio.
Constante que depende de la forma del orificio.
Superficie del orificio.
Aceleración de la gravedad.
Presión del agua al nivel del orificio.
Para una red determinada se utiliza un valor K = ∑ ( k ⋅ A 2 g ) , y un valor promedio para la
presión (hm ). Se tendría entonces, para la cantidad de agua que se fuga en una red:
qr = K hm .
En la ecuación se puede apreciar que el caudal que se fuga de la red es proporcional a la
raíz cuadrada de la presión media. Teóricamente esto significa que si en una red hidráulica
disminuimos la presión de un promedio de 4 a un promedio de 1 kg/cm2, la cantidad de agua
que se pierde por fuga se disminuirá a la mitad.
Sin embargo, en los estudios que se han realizado en Mexico se ha encontrado que la
relación entre el caudal de fuga y la presión promedio de una red no varía en proporción a la
carga elevada a la potencia 0.5, sino que varía en proporción a la carga elevada a una
potencia aproximada a 1.0, esto es, el caudal de fuga es proporcional a la presión promedio.
Esto se debe principalmente a dos motivos:
1. Una parte significativa de los componentes que fugan en la red son flexibles y en
éstos la superficie de los orificios depende de la presión que se tenga en la red, esto
es, a mayor presión mayor será el área disponible para que el agua fugue.
2. Al analizar las redes hidráulicas se supone que los orificios que producen las fugas se
distribuyen equitativamente en toda la longitud de la tubería, sin embargo esto no es
así, la mayor parte de éstos se encuentran donde la presión de la red es más alta,
pues es ahí donde la tubería se daña más. Sucede entonces que al disminuir la
presión la mayor parte de los orificios y por lo tanto de las fugas originales se
encuentran en la zona donde el diferencial de presión es más alto, por lo que el
ahorro es mayor al considerado en el modelo original.
La ecuación final sería qr = K '⋅hm . Al aplicar esta ecuación al ejemplo mencionado
anteriormente se calcula que el caudal que fuga por la red disminuye no a la mitad, sino a la
cuarta parte del que originalmente fugaba. Por este motivo ahora se entiende que la forma
más redituable de reducir fugas es el control de presiones en la red de distribución.
1. La sectorización permite medir el agua que se pierde.
La sectorización de la red secundaria de distribución permite controlar las presiones en las
líneas de distribución y gracias a esto obtener un ahorro en fugas, pero además permite
obtener información sobre la cantidad de agua que se no se cobra en cada uno de los
sectores. Con esta información es posible iniciar un programa de reparación de fugas donde
los sectores con mayores pérdidas sean los primeros en ser atendidos.
La sectorización incluye la instalación de medidores de flujo en la entrada de cada sector,
con esto se logra conocer la cantidad de agua que ingresa al mismo. Incluye también la
identificación de los micromedidores comprendidos en el sector, con esta información es
posible calcular la cantidad de agua medida como consumo. La diferencia entre el agua que
ingresa y el agua que se mide como consumo son las pérdidas comerciales de agua, que
incluye fugas, submedición y tomas clandestinas.
2. La sectorización hace más redituable la reparación de tuberías
con fugas.
La reparación de fugas en sectores con control de presión presenta otra ventaja:
tradicionalmente estas reparaciones provocan un incremento en las presiones de la red,
pues al manejarse caudales menores (porque se repararon fugas) las pérdidas por fricción
disminuyen y las presiones aumentan. Este incremento de presión puede producir nuevas
fallas en las tuberías y además incrementa las pérdidas que se presentan por los orificios
menores. Al reparar fugas en sectores con control de presión estos problemas se evitan,
resultando en un ahorro significativo de agua y en una mejor conservación de las tuberías
que componen la red.
3. La sectorización permite llevar a cabo actividades de
planeación con facilidad.
Otro beneficio adquirido al desarrollar un proyecto de sectorización es que se elaboran
modelos computacionales para simular el comportamiento hidráulico de las redes de cada
sector, el empleo adecuado de estos modelos permite utilizarlos para planeación. Es posible
simular la construcción de un nuevo complejo habitacional en uno de los sectores incluyendo
la demanda de agua de éste en el modelo. La simulación permitirá conocer los
requerimientos de infraestructura para satisfacer la nueva demanda. Se pueden utilizar
también los modelos para simular fallas en el suministro o catástrofes naturales, haciendo
posible prevenir estos problemas o minimizar sus consecuencias adversas. Se puede
simular la calidad del agua dentro de la red, esto permite simular por ejemplo el decaimiento
de la concentración de cloro en el agua de la red, con lo que se podrían diseñar puntos de
cloración alejados de las plantas potabilizadoras y simularlos en el modelo para observar el
efecto que tienen sobre la concentración del desinfectante en diferentes puntos de la red.
4. La sectorización hace el sistema de distribución más flexible.
Al sectorizar la red secundaria de agua potable se independiza la red primaria de la
secundaria. Esto permite incrementar la presión en la red primaria sin aumentar la presión
de la secundaria y por lo tanto sin afectar la cantidad de agua que se pierde por fuga. Al
trabajar con diferenciales de presión mayores en la red primaria es posible transportar
mayores cantidades de agua a través de toda la ciudad con la misma infraestructura
hidráulica.
5. Resumen de beneficios adquiridos con la sectorización.
En resumen, los beneficios de elaborar y ejecutar un proyecto de sectorización son los
siguientes:
• Flexibilidad.
o Es posible incrementar la presión de trabajo de la red primaria sin afectar la
presión con que opera la red secundaria, esto permite mover mayores
cantidades de agua en la red primaria sin incrementar la cantidad de agua que
se pierde por fugas en la red secundaria.
• Ahorro de agua.
o Es posible medir la cantidad de agua que se pierde por fugas en cada sector.
o Es posible controlar la presión en la red de distribución y con esto disminuir la
pérdida de agua por fugas pequeñas.
• Planeación.
o Es posible priorizar las reparaciones de fugas dándole más importancia a las
que se realizan en sectores con mayores fugas.
o Con el uso adecuado de los modelos de simulación es posible proyectar la
infraestructura requerida para satisfacer las nuevas demandas del crecimiento
de la red.
o Con los modelos mencionados es posible proyectar infraestructuras para
prevención de catástrofes. Se puede prevenir para falta de agua y para
controlar la calidad del agua.
o
Solución Propuesta.
De acuerdo al análisis de presiones realizado en terreno con el fin de detectar
aquellos puntos más desfavorables de la red: presiones máximas que reflejen la
existencia de sectores críticos (altas presiones), manifestados en roturas o en presiones
mayores a las establecidas como estándar por la empresa (o la Normativa), será
necesario con la ayuda de simulaciones hidráulicas y las verificaciones en terreno de
presiones establecer un control de presiones el que de acuerdo a nuestra experiencia y
considerando la versatilidad en el diseño de los circuitos de control de las Válvulas
Bermad pueden ser:
l
Reductora de Presión Estándar: .
Bermad Modelo 720.
Es decir, presión aguas abajo constante las 24 Hrs del día. La presión de
calibración queda determinada por la mínima presión en el sector crítico a Caudal mínimo.
l
Reductora de Presión de Doble Consigna:
Bermad Modelo 720-45 y Modelo 720-95.
Esto implica establecer distintos valores de la presión aguas abajo de la válvula
(presión a reducir) para el día y para la noche. Los periodos de una y otra presión se
definen de acuerdo a la curva de consumo del sistema.
La presión de seteo para el día tiene dos opciones: totalmente abierta, o bien,
presión a reducir definida por la condición de mínima presión (sector crítico) a gasto
máximo. La presión de Noche será equivalente a una presión tal que a gasto mínimo,
entregue en el sector crítico la mínima presión requerida por la norma.
l
Válvula de Control posicionadora:
Bermad Modelo 718-03-Z y Controlador BE-12.
Permite definir para distintos rangos de caudales la presión que se desee
establecer aguas abajo. Es decir, permite regular la presión en función del caudal
P=f(Q(t)). Este modo de operar una válvula reductora de presión independiza su
funcionamiento de la variable tiempo, controlando la presión del sistema según el
comportamiento de la curva de consumo.
De acuerdo a esta última alternativa de control, y que determina lo más óptima
se muestra una aplicación gráfica, del control de presiones según los siguientes
parámetros de calibración.
Gasto (l/s)
0-30
30-48
48-60
60-72
> 72
Presión de Calibracion
(mca)
15
20
25
30
40
La figura 1 muestra una curva cualquiera de Consumo, con la que se definirá
entonces la presión a regular aguas abajo de la válvula con presión reducida en
función de los rangos de gastos indicados en la tabla. Se supone una disponibilidad
de presión mayor a 40 mca, que permite establecer la presión deseada en cualquier
horario.
La figura 2, muestra el diagrama de control de la válvula y sus conexiones con
el controlador BE. Básicamente corresponde a una válvula con dos solenoides que en
comunicación con la lógica del controlador permite la apertura o cierre de la válvula
de manera de establecer el parámetro dependiente (Presión) en función de la variable
independiente (Gasto).
Curva de Consumo v/s Presión
80.00
100
90
70.00
80
60.00
Caudal (l/s)
60
40.00
50
40
30.00
Presió (mca)
70
50.00
30
20.00
20
10.00
10
0.00
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14 15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
Tiempo (Hrs)
Caudal
Presión
Figura #1. Curva de Consumo v/s Presión Seteada.
Figura #2. Esquema de Instalación para el conjunto Controlador-Válvula.
6.
Conclusiones
Como se ha explicado, la reducción de pérdidas tiene beneficios y costos y tanto los unos
como los otros deben ser cuidadosamente analizados antes de tomar la decisión de llevar a
cabo un programa de reducción de pérdidas. Solo en la medida que los primeros sean –en
valor presente- superiores a los segundos, se justificará realmente su realización.