estrategias de proteccion frente a transitorios hidraulicos de la ...
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VI SEREA - Seminário Iberoamericano sobre Sistemas <strong>de</strong> Abastecimento Urbano <strong>de</strong> ÁguaJoão Pessoa (Brasil), 5 a 7 <strong>de</strong> junho <strong>de</strong> 2006Alta se insta<strong>la</strong> 1 grupo más <strong>de</strong> 750 kW <strong>de</strong> 1 m 3 /s <strong>de</strong> capacidad igual a los insta<strong>la</strong>dos previamente en<strong>la</strong> situación a medio p<strong>la</strong>zo.Durante el funcionamiento a <strong>la</strong>rgo p<strong>la</strong>zo <strong>de</strong>l sistema se realiza <strong>la</strong> misma mo<strong>de</strong><strong>la</strong>ción <strong>de</strong>l sistema que<strong>la</strong> <strong>de</strong>finida para el escenario a medio p<strong>la</strong>zo. Así, <strong>la</strong> totalidad <strong>de</strong> caudales provenientes <strong>de</strong> <strong>la</strong>sconducciones 11, 12, 13 y 14 se suponen que se extraen <strong>de</strong>l <strong>de</strong>nominado nudo N6 (ver Figura 3).Dichos caudales son:• Caudal medio suministrado 5.5 m 3 /s.• Caudal suministrado en horas valle: 2.86 m3/s.• Caudal suministrado en horas l<strong>la</strong>no: 6.26 m3/s.• Caudal suministrado en horas punta: 7.38 m3/s.ANÁLISIS DEL TRANSITORIO ORIGINADO POR LA PARADA DE LOS GRUPOS DEBOMBEO. SIMPLIFICACION DEL SISTEMAEl análisis <strong>de</strong>l transitorio originado por <strong>la</strong> parada simultánea <strong>de</strong> <strong>la</strong> totalidad <strong>de</strong> los grupos <strong>de</strong>bombeo se ha realizado bajo el escenario <strong>de</strong> una serie <strong>de</strong> hipótesis <strong>de</strong> trabajo. Estas hipótesisresultan fundamentales a <strong>la</strong> hora <strong>de</strong> simplificar el problema p<strong>la</strong>nteado y po<strong>de</strong>r abordar una soluciónque pueda abordarse <strong>de</strong>s<strong>de</strong> un punto <strong>de</strong> vista computacional. Dichas hipótesis <strong>de</strong> trabajo son:• El escenario analizado correspon<strong>de</strong> a <strong>la</strong> situación más <strong>de</strong>sfavorable, que acontece para elescenario a <strong>la</strong>rgo p<strong>la</strong>zo y el caudal máximo <strong>de</strong> <strong>la</strong> insta<strong>la</strong>ción.• Se ha simplificado <strong>la</strong> totalidad <strong>de</strong> <strong>la</strong> red <strong>de</strong>l sistema mediante el esquema recogido en <strong>la</strong>Figura 1. La totalidad <strong>de</strong> los caudales que confluyen en un solo punto <strong>de</strong>s<strong>de</strong> <strong>la</strong>s líneas 11, 12, 13 y14 se ha concentrado en un solo nudo. Dicho nudo recoge <strong>la</strong> totalidad <strong>de</strong>l caudal que fluye hacia <strong>la</strong>ciudad <strong>de</strong> Valencia, que en lo sucesivo se <strong>de</strong>nominará nudo N6.• La mo<strong>de</strong><strong>la</strong>ción <strong>de</strong>l nudo N6 se ha abordado <strong>de</strong> dos formas diferentes a fin <strong>de</strong> verificar <strong>la</strong>spresiones máximas y mínimas que se obtienen con ambas formas <strong>de</strong> mo<strong>de</strong><strong>la</strong>ción. Dichos mo<strong>de</strong>los<strong>de</strong> representación <strong>de</strong>l nudo N6 son los siguientes:oMo<strong>de</strong><strong>la</strong>ción como un consumo constante. A lo <strong>la</strong>rgo <strong>de</strong>l transitorio <strong>la</strong> <strong>de</strong>mandase mantiene constante in<strong>de</strong>pendientemente <strong>de</strong> <strong>la</strong> presión existente en el nudo.oMo<strong>de</strong><strong>la</strong>ción como una <strong>de</strong>scarga <strong>de</strong>pendiente <strong>de</strong> <strong>la</strong> presión <strong>de</strong> forma que para <strong>la</strong>presión en dicho nudo en régimen permanente se genere una <strong>de</strong>scarga igual al caudal extraído <strong>de</strong>dicho punto. Posteriormente a lo <strong>la</strong>rgo <strong>de</strong>l transitorio el caudal <strong>de</strong> dicho nudo será variable enfunción <strong>de</strong> <strong>la</strong> presión disponible en ese punto.• La presencia <strong>de</strong> ambos grupos <strong>de</strong> bombeo se ha simplificado por un grupo <strong>de</strong> bombeoequivalente que suministra una caudal y altura equivalentes. Asimismo se ha consi<strong>de</strong>rado unainercia equivalente <strong>de</strong> los grupos <strong>de</strong> bombeo.• Finalmente se ha realizado una simplificación <strong>de</strong> <strong>la</strong> mo<strong>de</strong><strong>la</strong>ción <strong>de</strong>l comportamiento <strong>de</strong> <strong>la</strong>sválvu<strong>la</strong>s <strong>de</strong> retención. A <strong>la</strong> salida <strong>de</strong> cada uno <strong>de</strong> los grupos <strong>de</strong> bombeo se ha proyectado insta<strong>la</strong>runa válvu<strong>la</strong> <strong>de</strong> retención con contrapeso. A los efectos <strong>de</strong>l análisis <strong>de</strong>l transitorio se ha supuesto elcierre i<strong>de</strong>al <strong>de</strong> <strong>la</strong>s válvu<strong>la</strong>s <strong>de</strong> retención, como si no estuviese presente el contrapeso. Se trata <strong>de</strong> unescenario que sin duda es más restrictivo que el correspondiente a <strong>la</strong> insta<strong>la</strong>ción real. Por ello losresultados obtenidos estarán <strong>de</strong>l <strong>la</strong>do <strong>de</strong> <strong>la</strong> seguridad.Para abordar el análisis <strong>de</strong>l sistema <strong>de</strong>finido se ha empleado el mo<strong>de</strong>lo ARhIETE <strong>de</strong>sarrol<strong>la</strong>do en <strong>la</strong>Universidad Politécnica <strong>de</strong> Valencia,, cuyo <strong>de</strong>talle pue<strong>de</strong> seguirse en Iglesias (2001). Larepresentación <strong>de</strong>l sistema analizado con dicho mo<strong>de</strong>lo es el que recoge <strong>la</strong> Figura 4. En esta figura
VI SEREA - Seminário Iberoamericano sobre Sistemas <strong>de</strong> Abastecimento Urbano <strong>de</strong> ÁguaJoão Pessoa (Brasil), 5 a 7 <strong>de</strong> junho <strong>de</strong> 2006DIMENSIONADO DE LA ESTRATEGIA DE PROTECCIÓN MÁS ADECUADA DELSISTEMA DE ADUCCIÓN.Dadas <strong>la</strong>s características <strong>de</strong>l sistema <strong>de</strong>be insta<strong>la</strong>rse un dispositivo <strong>de</strong> protección con capacidadpara contro<strong>la</strong>r tanto <strong>la</strong>s <strong>de</strong>presiones como <strong>la</strong>s sobrepresiones generadas. Al ser <strong>la</strong>s <strong>de</strong>presiones elprincipal problema generado en <strong>la</strong> insta<strong>la</strong>ción al producirse <strong>la</strong> parada <strong>de</strong> los grupos <strong>de</strong> bombeo, esnecesario establecer <strong>estrategias</strong> <strong>de</strong> protección en <strong>la</strong> línea <strong>de</strong> aportar fluido al sistema. La únicaposibilidad <strong>de</strong> contro<strong>la</strong>r <strong>la</strong>s <strong>de</strong>presiones originadas tras <strong>la</strong> parada acci<strong>de</strong>ntal <strong>de</strong> un grupo <strong>de</strong> bombeoes generar el aporte <strong>de</strong> fluido que evite que <strong>la</strong>s presiones <strong>de</strong>sciendan <strong>de</strong>masiado bruscamente sobrelos valores iniciales. De forma práctica esto tan solo pue<strong>de</strong> conseguirse con un <strong>de</strong>terminado número<strong>de</strong> dispositivos: by-pass en <strong>la</strong> aspiración <strong>de</strong> <strong>la</strong>s bombas, ventosas, chimeneas, tanquesunidireccionales y cal<strong>de</strong>rines <strong>de</strong> aire comprimido.A continuación se realiza analiza <strong>de</strong> forma cualitativa el papel <strong>de</strong> cada uno <strong>de</strong> estos elementos comoestrategia <strong>de</strong> protección para el sistema analizado:• Insta<strong>la</strong>ción <strong>de</strong> un by-pass en los equipos <strong>de</strong> bombeo. Este dispositivo permite suplir <strong>la</strong>s<strong>de</strong>presiones generadas con el propio fluido <strong>de</strong>l sistema. En los casos en que se dispone <strong>de</strong> suficientecarga en <strong>la</strong> aspiración pue<strong>de</strong> emplearse dicho dispositivo. En este caso no se dispone <strong>de</strong> <strong>la</strong> carganecesaria para evitar <strong>la</strong>s <strong>de</strong>presiones no tan solo a <strong>la</strong> salida <strong>de</strong>l grupo <strong>de</strong> bombeo, sino en el resto <strong>de</strong>conducciones <strong>de</strong> cada uno <strong>de</strong> los sectores. Por ello el empleo <strong>de</strong> los by-pass queda <strong>de</strong>scartado.• Insta<strong>la</strong>ción <strong>de</strong> ventosas en aquellos puntos en los que, durante <strong>la</strong> parada <strong>de</strong> los grupos <strong>de</strong>bombeo, puedan aparecer fuertes <strong>de</strong>presiones. El papel <strong>de</strong> <strong>la</strong> ventosa, trabajando <strong>de</strong> forma i<strong>de</strong>al,es el <strong>de</strong> contro<strong>la</strong>r <strong>la</strong>s <strong>de</strong>presiones que se originan en el punto en el que se encuentran insta<strong>la</strong>das abase <strong>de</strong> introducir aire en <strong>la</strong> insta<strong>la</strong>ción. El inconveniente que presentan radica en <strong>la</strong> introducción<strong>de</strong> importantes bolsas <strong>de</strong> aire en <strong>la</strong> conducción que, si no son expulsadas, pue<strong>de</strong>n originartrastornos superiores a los que ocurrirían en el caso <strong>de</strong> no estar insta<strong>la</strong>das. Por ello en este caso seha <strong>de</strong>scartado este tipo <strong>de</strong> elemento.• Insta<strong>la</strong>ción <strong>de</strong> algún elemento con capacidad <strong>de</strong> almacenamiento <strong>de</strong> agua a <strong>la</strong> salida <strong>de</strong> <strong>la</strong>estación <strong>de</strong> bombeo. Los elementos más característicos a insta<strong>la</strong>r son <strong>la</strong> chimenea <strong>de</strong> equilibrio y elcal<strong>de</strong>rín <strong>de</strong> aire a presión. La presencia <strong>de</strong> los tanques unidireccionales queda excluida dado que tansolo protegen <strong>la</strong>s <strong>de</strong>presiones <strong>de</strong>l sistema y no realizan control alguno sobre <strong>la</strong>s sobrepresionesgeneradas. La chimenea queda <strong>de</strong>scartada por <strong>la</strong> elevada altura <strong>de</strong> bombeo empleada, por lo que <strong>la</strong>insta<strong>la</strong>ción <strong>de</strong> un cal<strong>de</strong>rín parece <strong>la</strong> solución más a<strong>de</strong>cuada.El problema se centra ahora en el dimensionado <strong>de</strong> los cal<strong>de</strong>rines a insta<strong>la</strong>r en el sistema. Noobstante, <strong>la</strong> presencia <strong>de</strong> los cal<strong>de</strong>rines origina <strong>la</strong> posibilidad <strong>de</strong> cierre prácticamente instantáneo <strong>de</strong><strong>la</strong>s válvu<strong>la</strong>s <strong>de</strong> retención. Por ello en <strong>la</strong> aspiración <strong>de</strong> los grupos <strong>de</strong> bombeo será necesario insta<strong>la</strong>runas válvu<strong>la</strong>s <strong>de</strong> alivio a fin <strong>de</strong> po<strong>de</strong>r contro<strong>la</strong>r <strong>la</strong>s sobrepresiones que se generen en estos tramos alfuncionar los cal<strong>de</strong>rines.El dimensionado <strong>de</strong>l tamaño <strong>de</strong> cal<strong>de</strong>rín se ha realizado en base a sucesivas simu<strong>la</strong>ciones <strong>de</strong>ltransitorio originado por <strong>la</strong> parada <strong>de</strong> los grupos <strong>de</strong> bombeo con el concurso <strong>de</strong> este tipo <strong>de</strong>elemento, variando en cada caso <strong>la</strong>s dimensiones y características <strong>de</strong>l mismo. Las diferentessimu<strong>la</strong>ciones se han realizado empleando el mo<strong>de</strong>lo ARhIETE, cuyo <strong>de</strong>sarrollo pue<strong>de</strong> seguirse enIglesias (2001). Los parámetros o variables que se han tenido en cuenta en <strong>la</strong>s diferentessimu<strong>la</strong>ciones realizadas, <strong>de</strong> acuerdo a Iglesias y otros (2004) son:• Volumen total <strong>de</strong>l cal<strong>de</strong>rín. Representa el aspecto más característico <strong>de</strong>l elemento <strong>de</strong>protección y condiciona <strong>de</strong> forma directa el coste <strong>de</strong>l mismo. La <strong>de</strong>terminación <strong>de</strong>l volumen total <strong>de</strong>
VI SEREA - Seminário Iberoamericano sobre Sistemas <strong>de</strong> Abastecimento Urbano <strong>de</strong> ÁguaJoão Pessoa (Brasil), 5 a 7 <strong>de</strong> junho <strong>de</strong> 2006cal<strong>de</strong>rín pue<strong>de</strong> suponer <strong>la</strong> selección <strong>de</strong> un número <strong>de</strong>terminado <strong>de</strong> cal<strong>de</strong>rines <strong>de</strong> tamaño inferioriguales insta<strong>la</strong>dos en paralelo.• Volumen inicial <strong>de</strong> aire. Representa <strong>la</strong> parte <strong>de</strong>l volumen <strong>de</strong> cal<strong>de</strong>rín que inicialmente (antes<strong>de</strong> producirse el transitorio) ocupa el gas en su interior. Es un parámetro a <strong>de</strong>terminar <strong>de</strong>ntro <strong>de</strong>lproceso <strong>de</strong> diseño <strong>de</strong>l cal<strong>de</strong>rín más a<strong>de</strong>cuado. Como norma general, para un volumen <strong>de</strong> cal<strong>de</strong>ríndado cuanto mayor es el volumen <strong>de</strong> aire en su interior mayor es el control sobre el transitorio quese pue<strong>de</strong> obtener.• Pérdidas en <strong>la</strong> conexión entre el cal<strong>de</strong>rín y <strong>la</strong> estación <strong>de</strong> bombeo. Como criterio general,dado que los problemas principales son <strong>la</strong>s <strong>de</strong>presiones, se seleccionará una conexión lo más cortaposible y <strong>de</strong>l diámetro lo mayor posible. El objeto <strong>de</strong> esta selección es facilitar el aporte <strong>de</strong> agua<strong>de</strong>s<strong>de</strong> el cal<strong>de</strong>rín hacia cada uno <strong>de</strong> los sectores al producirse el fallo <strong>de</strong>l grupo <strong>de</strong> bombeo. Se<strong>de</strong>saconseja por tanto insta<strong>la</strong>r cualquier tipo <strong>de</strong> by-pass o elemento resistente en <strong>la</strong> conducción queune el cal<strong>de</strong>rín con <strong>la</strong> insta<strong>la</strong>ción a proteger.• Presiones mínimas obtenidas con <strong>la</strong> presencia <strong>de</strong>l cal<strong>de</strong>rín. El criterio general <strong>de</strong> diseño <strong>de</strong>lcal<strong>de</strong>rín es que ningún punto <strong>de</strong> <strong>la</strong> conducción pueda tener presiones inferiores a <strong>la</strong> atmosférica.Esto garantiza, por una parte, <strong>la</strong> integridad <strong>de</strong>l tubo <strong>frente</strong> a posibles co<strong>la</strong>psos <strong>de</strong>rivados <strong>de</strong>presiones negativas en el sistema, y por otra evita <strong>la</strong> posibilidad <strong>de</strong> entrada <strong>de</strong> aire a través <strong>de</strong> <strong>la</strong>sdiferentes ventosas insta<strong>la</strong>das en el sistema.• Presiones máximas obtenidas. Es un dato que <strong>de</strong>be revisarse con sumo <strong>de</strong>talle, ya que afectadirectamente a <strong>la</strong> integridad <strong>de</strong> <strong>la</strong>s diferentes conducciones. En todo momento se <strong>de</strong>be evitar que <strong>la</strong>spresiones máximas originadas durante el transitorio sean superiores a <strong>la</strong>s presiones máximas quepue<strong>de</strong>n soportar <strong>la</strong>s conducciones.• Evolución <strong>de</strong>l nivel <strong>de</strong> agua en el cal<strong>de</strong>rín. La variación <strong>de</strong>l nivel <strong>de</strong> agua en el cal<strong>de</strong>rín esun parámetro <strong>de</strong>cisivo a <strong>la</strong> hora <strong>de</strong> realizar el diseño <strong>de</strong>l cal<strong>de</strong>rín necesario. En todo momento <strong>de</strong>becontro<strong>la</strong>rse que el nivel mínimo no sea inferior a <strong>la</strong> altura total <strong>de</strong>l cal<strong>de</strong>rín, lo que supondría unindicativo <strong>de</strong> que en <strong>la</strong> insta<strong>la</strong>ción real se vaciaría por completo. Asimismo <strong>de</strong>be <strong>de</strong>jarse un ciertovolumen mínimo que impida <strong>la</strong> generación <strong>de</strong> vórtices en <strong>la</strong> <strong>de</strong>scarga <strong>de</strong> agua hacia <strong>la</strong> conducciónprincipal. Como criterio general se ha adoptado margen <strong>de</strong> seguridad en el nivel mínimo elequivalente a un 10% <strong>de</strong> <strong>la</strong> altura total <strong>de</strong>l mismo.Al realizar el análisis <strong>de</strong> los fenómenos <strong>transitorios</strong> originados por <strong>la</strong> parada <strong>de</strong> los grupos <strong>de</strong>bombeo se ha verificado que <strong>la</strong> consi<strong>de</strong>ración <strong>de</strong> <strong>la</strong> condición <strong>de</strong> contorno <strong>de</strong> caudal constante en elnudo N6 era <strong>la</strong> más restrictiva <strong>de</strong>s<strong>de</strong> el punto <strong>de</strong> vista <strong>de</strong> <strong>la</strong>s presiones máximas y mínimasgeneradas en el sistema. Por ello para el análisis <strong>de</strong>l sistema con diferentes tamaños <strong>de</strong> cal<strong>de</strong>rín seha mo<strong>de</strong><strong>la</strong>do dicha condición <strong>de</strong> contorno <strong>de</strong> esta forma.Tras diversas simu<strong>la</strong>ciones se ha centrado el estudio <strong>de</strong> volumen <strong>de</strong> cal<strong>de</strong>rín entre 75 y 90 m 3 .Algunos <strong>de</strong> los resultados obtenidos <strong>de</strong> estos análisis son los siguientes los que se recoge en <strong>la</strong>Tab<strong>la</strong> 1. Asimismo el análisis <strong>de</strong> <strong>la</strong>s presiones máximas y mínimas alcanzadas en los diferentespuntos <strong>de</strong> cálculo <strong>de</strong>l sistema permiten comprobar que no se alcanzan <strong>de</strong>presiones en punto alguno<strong>de</strong>l sistema y que <strong>la</strong>s presiones máximas se encuentran <strong>de</strong>ntro <strong>de</strong> los márgenes contemp<strong>la</strong>dos para elmaterial insta<strong>la</strong>do (10 kg/cm 2 ). Finalmente a modo ilustrativo, se recoge <strong>la</strong> envolvente <strong>de</strong> presiones<strong>de</strong> <strong>la</strong> línea 14, <strong>de</strong> nueva creación para el escenario contemp<strong>la</strong>do a <strong>la</strong>rgo p<strong>la</strong>zo (Figura 8) en el caso<strong>de</strong> insta<strong>la</strong>r el cal<strong>de</strong>rín <strong>de</strong> 90 m 3 <strong>de</strong>finido en <strong>la</strong> Tab<strong>la</strong> 1.
VI SEREA - Seminário Iberoamericano sobre Sistemas <strong>de</strong> Abastecimento Urbano <strong>de</strong> ÁguaJoão Pessoa (Brasil), 5 a 7 <strong>de</strong> junho <strong>de</strong> 2006Tab<strong>la</strong> 1. Resultados <strong>de</strong> <strong>la</strong>s simu<strong>la</strong>ciones realizadas para diferentes tamaños <strong>de</strong> cal<strong>de</strong>rín.Volumen <strong>de</strong> cal<strong>de</strong>rín (m 3 )90 85 80 75Dimensiones aproximadas <strong>de</strong>l cal<strong>de</strong>rínDiámetro (m) 3.58 3.51 3.44 3.37Altura (m) 8.95 8.78 8.60 8.42Sección (m 2 ) 10.06 9.68 9.30 8.91Condiciones iniciales en el cal<strong>de</strong>rínVolumen inicial <strong>de</strong> aire (m 3 ) 51 47 44 40Volumen inicial <strong>de</strong> agua (m 3 ) 39 38 36 35Nivel inicial <strong>de</strong> agua (m) 3.88 3.92 3.87 3.93Resultados <strong>de</strong>l cal<strong>de</strong>rín tras el análisis <strong>de</strong>l transitorioNivel mínimo 0.87 0.92 0.84 0.9Nivel máximo 5.22 5.25 5.18 5.2Margen seguridad 9.72% 10.48% 9.76% 10.69%Tab<strong>la</strong> 2. Presiones mínimas en <strong>la</strong>s líneas <strong>de</strong>l sistema para diferentes tamaños <strong>de</strong> cal<strong>de</strong>rín.LíneaVolumen <strong>de</strong> cal<strong>de</strong>rín (m 3 )90 85 80 75Línea 1 22.09 21.45 20.92 20.27Línea 2 22.23 21.61 21.07 20.32Línea 3 22.23 21.61 21.07 20.32Línea 4 2.22 2.14 2.07 1.98Línea 4b 2.22 2.14 2.07 1.98Línea 10 1.88 1.67 1.49 1.22Línea 11 1.88 1.67 1.49 1.22Línea 12 4.11 4.05 4 3.92Línea 13 11.33 10.19 9.23 7.98Línea 14 11.33 10.19 9.23 7.98Figura 8. Envolvente <strong>de</strong> alturas piezométricas en <strong>la</strong> Línea 14. (Rojo: envolventes <strong>de</strong> presionesmáximas y mínimas; azul: cota topográfica <strong>de</strong>l terreno; ver<strong>de</strong>: <strong>la</strong> línea <strong>de</strong> cavitación).
VI SEREA - Seminário Iberoamericano sobre Sistemas <strong>de</strong> Abastecimento Urbano <strong>de</strong> ÁguaJoão Pessoa (Brasil), 5 a 7 <strong>de</strong> junho <strong>de</strong> 2006PROTECCIÓN DEL SISTEMA DE ASPIRACIÓN DE LOS GRUPOS DE BOMBEOAl producirse el paro <strong>de</strong> los grupos <strong>de</strong> bombeo y entrar en acción los cal<strong>de</strong>rines insta<strong>la</strong>dos en <strong>la</strong>aspiración <strong>de</strong> <strong>la</strong>s bombas se produce una brusca parada <strong>de</strong>l caudal que circu<strong>la</strong> por <strong>la</strong> aspiración <strong>de</strong>los grupos <strong>de</strong> bombeo. En el caso más <strong>de</strong>sfavorable en que <strong>la</strong>s válvu<strong>la</strong>s <strong>de</strong> retención cierren <strong>de</strong>forma prácticamente instantánea se produce en <strong>la</strong> aspiración <strong>de</strong> <strong>la</strong>s bombas una importantesobrepresión. En este caso existen dos tramos <strong>de</strong> aspiración diferentes <strong>de</strong> los dos grupos <strong>de</strong> bombeo<strong>de</strong>finidos con anterioridad: <strong>la</strong> Insta<strong>la</strong>ción Baja y <strong>la</strong> Insta<strong>la</strong>ción Alta. En ambos casos <strong>de</strong>beinsta<strong>la</strong>rse una válvu<strong>la</strong> <strong>de</strong> alivio para contro<strong>la</strong>r <strong>la</strong>s presiones máximas alcanzadas, ya que <strong>la</strong>spresiones máximas <strong>de</strong> trabajo <strong>de</strong> dichos conductos son limitadas.Protección <strong>de</strong> <strong>la</strong> Insta<strong>la</strong>ción Baja.E dimensionado <strong>de</strong> <strong>la</strong> válvu<strong>la</strong> <strong>de</strong> alivio se realiza a partir <strong>de</strong> los resultados <strong>de</strong> <strong>la</strong> simu<strong>la</strong>ción <strong>de</strong>lcomportamiento <strong>de</strong> <strong>la</strong> aspiración. La Figura 9 recoge el esquema <strong>de</strong> <strong>la</strong> aspiración <strong>de</strong> <strong>la</strong> Insta<strong>la</strong>ciónBaja. El transitorio analizado es el originado por el cierre instantáneo <strong>de</strong>l caudal extraído <strong>de</strong>l nudoN0 <strong>de</strong> dicha figura, en este caso 1’5 m 3 /s para el escenario <strong>de</strong> mayor consumo.Figura 9. Esquema <strong>de</strong>l sistema <strong>de</strong> alimentación <strong>de</strong> <strong>la</strong> insta<strong>la</strong>ción baja.Con estas hipótesis <strong>de</strong> trabajo se realizaron diferentes simu<strong>la</strong>ciones con presiones <strong>de</strong> tarado <strong>de</strong> <strong>la</strong>válvu<strong>la</strong> <strong>de</strong> alivio distintas, y se analizaron <strong>la</strong>s sobrepresiones y <strong>de</strong>presiones generadas. En <strong>la</strong> Tab<strong>la</strong>12 se recogen los principales resultados re<strong>la</strong>cionados con <strong>la</strong> válvu<strong>la</strong> <strong>de</strong> alivio insta<strong>la</strong>da. Se obtieneasí, para cada una <strong>de</strong> <strong>la</strong>s presiones <strong>de</strong> tarado ensayadas el valor <strong>de</strong>l caudal máximo <strong>de</strong> alivio y elvolumen total <strong>de</strong> agua aliviado. Estos datos, junto con <strong>la</strong>s envolventes <strong>de</strong> presiones máximas ymínimas obtenidas permiten realizar <strong>la</strong> elección final <strong>de</strong> <strong>la</strong> válvu<strong>la</strong> a insta<strong>la</strong>r.Tab<strong>la</strong> 3. Presiones máximas en <strong>la</strong>s principales líneas <strong>de</strong>l sistema para los diferentes tamaños <strong>de</strong>cal<strong>de</strong>rín <strong>de</strong>finidos en <strong>la</strong> Tab<strong>la</strong> 1.CaudalPresión <strong>de</strong>Volumenmáximo <strong>de</strong>tarado (mca)alivio (m 3 aliviado (m 3 )/s)7.5 1.45 3.9610 1.44 3.0015 1.41 2.0220 1.39 1.53
VI SEREA - Seminário Iberoamericano sobre Sistemas <strong>de</strong> Abastecimento Urbano <strong>de</strong> ÁguaJoão Pessoa (Brasil), 5 a 7 <strong>de</strong> junho <strong>de</strong> 2006Protección <strong>de</strong> <strong>la</strong> Insta<strong>la</strong>ción Alta.El análisis <strong>de</strong> <strong>la</strong> Insta<strong>la</strong>ción Alta es simi<strong>la</strong>r al realizado para <strong>la</strong> Insta<strong>la</strong>ción Baja. La Figura 10recoge el esquema <strong>de</strong> <strong>la</strong> insta<strong>la</strong>ción analizada mediante el mo<strong>de</strong>lo ARhIETE. El transitorioanalizado es el originado por el cierre instantáneo <strong>de</strong>l caudal extraído <strong>de</strong>l nudo N3 <strong>de</strong> <strong>la</strong> Figura 10,en este caso 4’0 m 3 /s para el escenario <strong>de</strong> mayor consumo previsto.Figura 10. Esquema <strong>de</strong>l sistema <strong>de</strong> alimentación <strong>de</strong> <strong>la</strong> insta<strong>la</strong>ción alta.Sobre <strong>la</strong> base <strong>de</strong> consi<strong>de</strong>rar una anu<strong>la</strong>ción prácticamente instantánea <strong>de</strong>l caudal <strong>de</strong>l nudo N3 se hanrealizado diferentes simu<strong>la</strong>ciones con tarados diferentes <strong>de</strong> <strong>la</strong> válvu<strong>la</strong> <strong>de</strong> alivio. Se analizan así <strong>la</strong>ssobrepresiones y <strong>de</strong>presiones que se generan en <strong>la</strong>s conducciones <strong>de</strong> <strong>la</strong>s que aspira <strong>la</strong> estación <strong>de</strong>bombeo. En <strong>la</strong> Tab<strong>la</strong> 4 se recogen los principales resultados re<strong>la</strong>cionados con <strong>la</strong> válvu<strong>la</strong> <strong>de</strong> alivioinsta<strong>la</strong>da. Se obtiene así, para cada una <strong>de</strong> <strong>la</strong>s presiones <strong>de</strong> tarado ensayadas el valor <strong>de</strong>l caudalmáximo <strong>de</strong> alivio y el volumen total <strong>de</strong> agua aliviado.Tab<strong>la</strong> 4. Presiones mínimas en <strong>la</strong>s principales líneas <strong>de</strong>l sistema para los diferentes tamaños <strong>de</strong>cal<strong>de</strong>rín <strong>de</strong>finidos en <strong>la</strong> Tab<strong>la</strong> 1.CaudalPresión <strong>de</strong>Volumenmáximo <strong>de</strong>tarado (mca)alivio (m 3 aliviado (m 3 )/s)10 3.94 17.6415 3.85 6.8120 3.76 4.2225 3.67 3.06Mo<strong>de</strong><strong>la</strong>ción <strong>de</strong>l cierre <strong>de</strong> <strong>la</strong>s válvu<strong>la</strong>s <strong>de</strong> retención.Durante el dimensionado <strong>de</strong> <strong>la</strong>s válvu<strong>la</strong>s <strong>de</strong> alivio <strong>de</strong>scritas en los apartados anteriores se admite entodo momento que el cierre <strong>de</strong> <strong>la</strong>s válvu<strong>la</strong>s <strong>de</strong> retención se produce <strong>de</strong> forma prácticamenteinstantánea al producirse <strong>la</strong> parada <strong>de</strong> los grupos <strong>de</strong> bombeo. Esto origina importantes caudales <strong>de</strong>alivio en los dos sistemas <strong>de</strong> aspiración <strong>de</strong> los grupos <strong>de</strong> bombeo.Con el fin <strong>de</strong> disminuir los problemas <strong>de</strong> sobrepresiones en <strong>la</strong> aspiración <strong>de</strong> los grupos <strong>de</strong> bombeo yreducir el tamaño <strong>de</strong> válvu<strong>la</strong> <strong>de</strong> alivio necesaria se opta por insta<strong>la</strong>r a <strong>la</strong> salida <strong>de</strong> los grupos <strong>de</strong>bombeo válvu<strong>la</strong>s <strong>de</strong> retención <strong>de</strong> cierre lento. Se trata <strong>de</strong> válvu<strong>la</strong>s que en un tiempo muy cortocierran un porcentaje aproximadamente <strong>de</strong>l 70%, <strong>de</strong>jando tan solo un 30% aproximadamente <strong>de</strong>apertura. El cierre <strong>de</strong> esta apertura restante se realiza bien con un <strong>de</strong>terminado contrapeso o biencontra un cilindro hidráulico. De esta forma el tiempo total <strong>de</strong> cierre <strong>de</strong> <strong>la</strong>s válvu<strong>la</strong>s <strong>de</strong> retenciónpue<strong>de</strong> ser contro<strong>la</strong>do por el operador <strong>de</strong>l sistema.
VI SEREA - Seminário Iberoamericano sobre Sistemas <strong>de</strong> Abastecimento Urbano <strong>de</strong> ÁguaJoão Pessoa (Brasil), 5 a 7 <strong>de</strong> junho <strong>de</strong> 2006El análisis <strong>de</strong> este tipo <strong>de</strong> válvu<strong>la</strong>s requiere disponer <strong>de</strong> un mo<strong>de</strong>lo completo <strong>de</strong>l sistema en el quese analicen simultáneamente <strong>la</strong> aspiración y <strong>la</strong> impulsión (ver Figura 11). Sobre dicho mo<strong>de</strong>lo se haubicado <strong>la</strong> posición <strong>de</strong> cada válvu<strong>la</strong>, así como el cal<strong>de</strong>rines a insta<strong>la</strong>r a <strong>la</strong> salida <strong>de</strong>l grupo.Asimismo cada grupos <strong>de</strong> bombeo dispone a <strong>la</strong> salida <strong>de</strong> una válvu<strong>la</strong> cuyo cierre mo<strong>de</strong><strong>la</strong> elcomportamiento <strong>de</strong> <strong>la</strong> válvu<strong>la</strong> <strong>de</strong> retención en su cierre.En este punto se ha estudiado el efecto que pue<strong>de</strong> llegar a tener el tiempo <strong>de</strong> cierre <strong>de</strong> <strong>la</strong>s válvu<strong>la</strong>s<strong>de</strong> retención en el transitorio generado en <strong>la</strong> aspiración <strong>de</strong> los grupos <strong>de</strong> bombeo. Por ello, convalores <strong>de</strong> presiones <strong>de</strong> tarado simi<strong>la</strong>res a los obtenidos en <strong>la</strong>s simu<strong>la</strong>ciones previas y con el mismotamaño <strong>de</strong> cal<strong>de</strong>rín insta<strong>la</strong>do a <strong>la</strong> salida <strong>de</strong>l grupo <strong>de</strong> bombeo se analizan diferentes maniobras <strong>de</strong>comportamiento <strong>de</strong> <strong>la</strong> válvu<strong>la</strong> <strong>de</strong> retención. El análisis <strong>de</strong> estas simu<strong>la</strong>ciones permite ver que elcomportamiento <strong>de</strong>l sistema en el tramo <strong>de</strong> impulsión es prácticamente idéntico al obtenido en <strong>la</strong>ssimu<strong>la</strong>ciones previas. Las diferencias aparecen tan solo en el comportamiento <strong>de</strong> los tramos <strong>de</strong>aspiración <strong>de</strong> <strong>la</strong>s bombas.Los resultados obtenidos <strong>de</strong> este análisis son los que se recogen en <strong>la</strong>s Tab<strong>la</strong> 5. Como pue<strong>de</strong>apreciarse, <strong>la</strong> influencia que tiene el tiempo <strong>de</strong> cierre <strong>de</strong> <strong>la</strong>s válvu<strong>la</strong>s <strong>de</strong> retención en <strong>la</strong> aspiración<strong>de</strong> <strong>la</strong> insta<strong>la</strong>ción Alta y Baja es diferente. En el caso <strong>de</strong> <strong>la</strong> insta<strong>la</strong>ción Alta el sistema es muysensible a este tipo <strong>de</strong> comportamiento, al menos durante los primeros 10 segundos <strong>de</strong> tiempo <strong>de</strong>cierre. Por el contrario <strong>la</strong> insta<strong>la</strong>ción Baja experimenta muy pocas variaciones al variar el tiempo <strong>de</strong>cierre <strong>de</strong> <strong>la</strong> válvu<strong>la</strong> <strong>de</strong> retención. En cualquier caso parece que una solución <strong>de</strong>l tiempo <strong>de</strong> cierre <strong>de</strong><strong>la</strong>s válvu<strong>la</strong>s <strong>de</strong> retención <strong>de</strong> unos 10 segundos pue<strong>de</strong> ser <strong>la</strong> solución más a<strong>de</strong>cuada. En estascircunstancias el control sobre el transitorio es muy a<strong>de</strong>cuado y el tamaño <strong>de</strong> válvu<strong>la</strong>s <strong>de</strong> alivionecesario es notablemente inferior en comparación con <strong>la</strong>s mo<strong>de</strong><strong>la</strong>ciones previamente realizadas <strong>de</strong>los tramos <strong>de</strong> aspiración <strong>de</strong> forma individualizada.
VI SEREA - Seminário Iberoamericano sobre Sistemas <strong>de</strong> Abastecimento Urbano <strong>de</strong> ÁguaJoão Pessoa (Brasil), 5 a 7 <strong>de</strong> junho <strong>de</strong> 2006Figura 11. Esquema <strong>de</strong>l sistema completo analizado.Tab<strong>la</strong> 5. Resultados <strong>de</strong> <strong>la</strong> simu<strong>la</strong>ción com diferentes cierres <strong>de</strong> <strong>la</strong> válvu<strong>la</strong> <strong>de</strong> retención.Volumen Presiones PresionesPresiones <strong>de</strong> Tiempos <strong>de</strong> Q maximotarado (mca) cierre (seg) alivio (m 3 maximo máx. y mín. máx. y mín./s)alivio (m 3 ) en Alta en BajaCaso Alta Baja Alta Baja Alta Baja Alta Baja Max. Min. Max. Min.-1 30 10 1 1 1.88 1.18 1.26 23.75 34.5 -0.45 11.412 30 10 5 5 1.12 1.19 0.99 26.74 34.5 -0.45 11.4118.76-18.763 30 10 10 10 1.07 1.21 0.99 2.58 34.46 0 11.35 -5.934 30 10 15 15 1.07 1.21 0.99 2.54 34.46 0 11.35 -5.93CONCLUSIONESDel estudio <strong>de</strong> <strong>la</strong> insta<strong>la</strong>ción realizado cabe extraer una serie <strong>de</strong> conclusiones fundamentales para e<strong>la</strong>nálisis <strong>de</strong> otras insta<strong>la</strong>ciones <strong>frente</strong> simi<strong>la</strong>res <strong>frente</strong> a fenómenos <strong>transitorios</strong> <strong>de</strong> diversa índole.Estas conclusiones pue<strong>de</strong>n enumerarse <strong>de</strong> <strong>la</strong> siguiente forma:
VI SEREA - Seminário Iberoamericano sobre Sistemas <strong>de</strong> Abastecimento Urbano <strong>de</strong> ÁguaJoão Pessoa (Brasil), 5 a 7 <strong>de</strong> junho <strong>de</strong> 2006• El análisis en régimen transitorio mediante un mo<strong>de</strong>lo elástico <strong>de</strong> sistemas <strong>de</strong> ciertacomplejidad y con un número importante <strong>de</strong> conducciones supone unos requerimientos y tiemposcomputacionales que en muchas ocasiones no pue<strong>de</strong>n alcanzarse. Por ello es necesario abordar untrabajo previo <strong>de</strong> simplificación <strong>de</strong>l sistema al máximo.• Uno <strong>de</strong> los métodos más eficaces para simplificar <strong>la</strong>s re<strong>de</strong>s <strong>de</strong> distribución <strong>de</strong> cara a suanálisis en régimen transitorio es sustituir en <strong>de</strong>terminados puntos los caudales circu<strong>la</strong>ntes por<strong>de</strong>scargas <strong>de</strong>pendientes <strong>de</strong> <strong>la</strong> presión. Este método se ha mostrado a<strong>de</strong>cuado para este sistema, sibien otras alternativas <strong>de</strong> mo<strong>de</strong><strong>la</strong>ción como <strong>la</strong> representación <strong>de</strong> dicho nudo como caudal constanteofrecen sobrepresiones y <strong>de</strong>presiones mayores. Por ello se ha empleado esta última técnica para eldiseño <strong>de</strong> <strong>la</strong>s <strong>estrategias</strong> <strong>de</strong> protección necesarias.• El cal<strong>de</strong>rín <strong>de</strong> aire comprimido se muestra una vez mas como <strong>la</strong> estrategia más a<strong>de</strong>cuadapara <strong>la</strong> protección <strong>de</strong> insta<strong>la</strong>ciones <strong>frente</strong> a <strong>la</strong> parada acci<strong>de</strong>ntal <strong>de</strong> los grupos <strong>de</strong> bombeo. A<strong>de</strong>másresulta especialmente indicado cuando el problema <strong>de</strong>l sistema son <strong>la</strong>s <strong>de</strong>presiones generadas tras <strong>la</strong>parada <strong>de</strong> los grupos <strong>de</strong> bombeo. Durante el dimensionado <strong>de</strong>l sistema se admite que el cierre <strong>de</strong> <strong>la</strong>sválvu<strong>la</strong>s <strong>de</strong> retención situada a <strong>la</strong> salida <strong>de</strong>l grupo <strong>de</strong> bombeo es prácticamente instantáneo. De estaforma el sistema se analiza consi<strong>de</strong>rando tan solo el sistema <strong>de</strong> impulsión. Esto no supone, en modoalguno, que los efectos <strong>transitorios</strong> en <strong>la</strong> aspiración <strong>de</strong>l sistema sean <strong>de</strong>spreciables.• Tal como se <strong>de</strong>scribe a lo <strong>la</strong>rgo <strong>de</strong>l trabajo, <strong>la</strong> insta<strong>la</strong>ción <strong>de</strong>l cal<strong>de</strong>rín supone <strong>la</strong> generación<strong>de</strong> importantes efectos <strong>transitorios</strong> en <strong>la</strong> aspiración <strong>de</strong> los grupos <strong>de</strong> bombeo. Una <strong>de</strong> <strong>la</strong>s solucionespropuestas en este trabajo es sustituir <strong>la</strong>s válvu<strong>la</strong>s <strong>de</strong> retención <strong>de</strong> cierre rápido por unas válvu<strong>la</strong>s <strong>de</strong>cierre lento. Mediante <strong>la</strong> combinación <strong>de</strong>l cierre lento <strong>de</strong> <strong>la</strong> válvu<strong>la</strong> <strong>de</strong> retención con <strong>la</strong> insta<strong>la</strong>ción<strong>de</strong> válvu<strong>la</strong>s <strong>de</strong> alivio en <strong>la</strong> aspiración <strong>de</strong> los grupos <strong>de</strong> bombeo se consigue un control total <strong>de</strong>ltransitorio.Como conclusión final cabe <strong>de</strong>stacar <strong>la</strong> capacidad <strong>de</strong>l mo<strong>de</strong>lo empleado (ARhIETE) para analizarfenómenos <strong>transitorios</strong> en sistemas complejos. Asimismo <strong>la</strong> metodología empleada para el análisisy <strong>de</strong>terminación <strong>de</strong> <strong>la</strong>s <strong>estrategias</strong> <strong>de</strong> protección pue<strong>de</strong> ser <strong>de</strong> utilidad para otros trabajos o estudiossimi<strong>la</strong>res. Tan solo es necesario en cada caso abordar una simplificación a<strong>de</strong>cuada <strong>de</strong>l sistema paracompatibilizar su análisis con <strong>la</strong>s herramientas computacionales disponibles.AGRADECIMIENTOSEl <strong>de</strong>sarrollo <strong>de</strong> este trabajo ha sido posible gracias el Ministerio <strong>de</strong> Ciencia y Tecnología <strong>de</strong>España, quién ha financiado el proyecto <strong>de</strong> investigación titu<strong>la</strong>do Desarrollo <strong>de</strong> una herramientapara mo<strong>de</strong><strong>la</strong>ción <strong>de</strong> sistemas <strong>de</strong> abastecimiento <strong>de</strong> agua utilizando sistemas <strong>de</strong> informacióngeográfica y algoritmos genéticos (MAGIAS), cuyo <strong>de</strong>talle pue<strong>de</strong> verse en Iglesias (2003).REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICASALMEIDA, A.B. Y KOELLE, E., 1992. “Fluid Transients in Pipe Networks”. ComputationalMechanics Publications. Elsevier Applied Science. Southampton, U.K.CHAUDHRY, M.H., 1987. “Applied hydraulic transients”. Ed. Von Nostrand Reinhold Company,New York (U.S.A.).IGLESIAS, P.L., 2001. “Mo<strong>de</strong>lo general <strong>de</strong> análisis <strong>de</strong> re<strong>de</strong>s hidráulicas a presión en régimentransitorio”. Tesis Doctoral. Dpto. Ingeniería Hidráulica y Medio Ambiente. Editorial UniversidadPolitécnica <strong>de</strong> Valencia.IGLESIAS, P.L., 2003. “Desarrollo <strong>de</strong> una herramienta para mo<strong>de</strong><strong>la</strong>ción <strong>de</strong> sistemas <strong>de</strong>abastecimiento <strong>de</strong> agua utilizando sistemas <strong>de</strong> información geográfica y algoritmos genéticos
VI SEREA - Seminário Iberoamericano sobre Sistemas <strong>de</strong> Abastecimento Urbano <strong>de</strong> ÁguaJoão Pessoa (Brasil), 5 a 7 <strong>de</strong> junho <strong>de</strong> 2006(MAGIAS)”. Memoria <strong>de</strong>l Proyecto <strong>de</strong> Investigación nº DPI2003-02676 <strong>de</strong>l Ministerio <strong>de</strong> Cienciay Tecnología (España).IGLESIAS, P.L.; IZQUIERDO, J.; FUERTES, V.S.; MARTINEZ, F.J., 2003. “Transitorios enEstaciones <strong>de</strong> Bombeo. Dispositivos <strong>de</strong> protección.” Capítulo 7 <strong>de</strong>l libro Estaciones <strong>de</strong> Bombeo enHidráulica Urbana. Ed. Grupo Multidisciplinar <strong>de</strong> Mo<strong>de</strong><strong>la</strong>ción <strong>de</strong> Fluidos – Universidad Politécnica<strong>de</strong> Valencia.IGLESIAS, P.L.; IZQUIERDO, J.; FUERTES, V.S.; MARTINEZ, F.J., 2004. “Mo<strong>de</strong><strong>la</strong>ción <strong>de</strong><strong>transitorios</strong> hidráulicos mediante or<strong>de</strong>nador”. Ed. Grupo Multidisciplinar <strong>de</strong> Mo<strong>de</strong><strong>la</strong>ción <strong>de</strong>Fluidos – Universidad Politécnica <strong>de</strong> Valencia.IGLESIAS, P. L. (2006). “Informe re<strong>la</strong>tivo al estudio <strong>de</strong> <strong>la</strong>s <strong>estrategias</strong> <strong>de</strong> protección <strong>frente</strong> afenómenos <strong>transitorios</strong> <strong>de</strong> <strong>la</strong> nueva sa<strong>la</strong> <strong>de</strong> bombeo <strong>de</strong> agua filtrada en <strong>la</strong> p<strong>la</strong>nta potabilizadora <strong>de</strong>La Presa (Manises)”. Convenio <strong>de</strong> co<strong>la</strong>boración entre <strong>la</strong> Universidad Politécnica y <strong>la</strong> empresaEMIVASA (Aguas <strong>de</strong> Valencia). Ed. GMMF-UPV.PÉREZ, R.; IGLESIAS, P.L.; FUERTES, V.S., 2005. “Flujo estacionario <strong>de</strong> fluidos incompresiblesen tuberías”. Editorial Universidad Politécnica <strong>de</strong> Valencia.WYLIE, E. B. AND STREETER V. L., 1993. “Fluid Transients in Systems”. Prentice Hall. EnglewoodCliffs. New York.