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 : eaaccoco@hidro.cu 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 falda de la loma del tanque de 2000 M 3 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 de distribución horarias alcanzándose valores de índices de consumo hasta de 0.068 Kw/ M 3.
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:
v 2 v 2 v 2 fl H = + K + ecuación (1) D 2g 2g 2g 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: K v 2 = 1 ecuación (2) 2g 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. Q A = ecuación (3) V 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 energético, reduciendo un índice de consumo eléctrico de 0.068 Kw/M 3 a menos de 0.030 Kw/ M 3. 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.