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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
15000 450 FIBROCEMENTO 0.025
DESVIO LANTEJUELA/HERRERA - BOMBEO OSUNA 2
12100 450 FIBROCEMENTO 0.025
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
6200 250 FIBROCEMENTO 0.025
BOMBEO HERRERA 1 - DESVIO EL RUBIO
10300 250 FIBROCEMENTO 0.025
DESVIO EL RUBIO - DEPÓSITO RUBIO
1450 150 FIBROCEMENTO 0.025
DESVIO EL RUBIO - DEPÓSITO GALLO
1000 250 FIBROCEMENTO 0.025
DEPÓSITO GALLO - DEPÓSITO MARINALEDA
2600 150 FIBROCEMENTO 0.025
DEPÓSITO GALLO - BOMBEO HERRERA 2
1000 250 FIBROCEMENTO 0.025
BOMBEO HERRERA 2 - DEPÓSITO HERRERA 3
8000 250 FIBROCEMENTO 0.025
CAZALLA
DESVIO CAZALLA - DESVIO EL SAUCEJO
2000 300 FIBROCEMENTO 0.025
DESVIO EL SAUCEJO - DEPÓSITO CAZALLA
19000 300 FIBROCEMENTO 0.025
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
14350 500 FUNDICIÓN
DESVIO CAZALLA - DEPÓSITO OSUNA 3
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
10300 250 FIBROCEMENTO
DESVIO EL RUBIO - DEPÓSITO RUBIO
1450 150 FIBROCEMENTO
DESVIO EL RUBIO - DEPÓSITO GALLO
1000 250 FIBROCEMENTO
DEPÓSITO GALLO - DEPÓSITO MARINALEDA
2600 150 FIBROCEMENTO
DEPÓSITO GALLO - BOMBEO HERRERA 2
1000 250 FIBROCEMENTO
BOMBEO HERRERA 2 - DEPÓSITO HERRERA 3
8000 250 FIBROCEMENTO
DEPÓSITO HERRERA 3 - DEPÓSITO ISLAREDONDA
11000 150 FUNDICIÓN
CAZALLA
DESVIO CAZALLA - DESVIO EL SAUCEJO
2000 300 FIBROCEMENTO
DESVIO EL SAUCEJO - DEPÓSITO CAZALLA
19000 300 FIBROCEMENTO
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
Ilustración 9. Estado Actual
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.
Ilustración 10. Alternativa 2
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.
Ilustración 11. Alternativa 2B
En este caso la situación es similar a la de la alternativa dos.
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DEPOSITO EL GALLO
Ilustración 12. Estado Actual
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.
Ilustración 13. Alternativa 2
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.
Ilustración 14. Alternativa 2B
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
Ilustración 15. Estado Actual
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.
Ilustración 16. Alternativa 2
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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Ilustración 17. Alternativa 2B
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
Ilustración 19. Estado Actual
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.
Ilustración 20. Alternativa 2
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
Ilustración 21. Estado Actual
Actualmente este bombeo trabaja demasiadas horas diarias aunque en este caso el rango de precios es más
aceptable.
Ilustración 22. Alternativa 2
En la alternativa 2 el bombeo trabaja prácticamente lo mismo que la situación actual.
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Ilustración 23. Alternativa 2B
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
DESVIO CAZALLA - DEPÓSITO OSUNA 3
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.