análisis y simulación de redes de distribución

Análisis y Simulación de Redes de DistribuciónAnálisis y Simulación de Redes de Distribuciónde Agua para casos de Emergenciasde Agua para casos de Emergencias

Aplicación de Programa de CómputoAplicación de Programa de Cómputo

Ing. Ing. Yuri Yuri Marco Sánchez MerloMarco Sánchez Merlo

[email protected]@sedapal.com

ProgramasProgramasde Cómputode Cómputo

•• Programas para la simulación y análisis de Programas para la simulación y análisis deRedes de Agua Potable y AlcantarilladoRedes de Agua Potable y Alcantarillado

Herramientas de Cómputo para la Prevención, Detección yHerramientas de Cómputo para la Prevención, Detección yRespuesta en situaciones de emergenciaRespuesta en situaciones de emergencia

•• Sistemas de Información Geográfica Sistemas de Información Geográfica

¿¿QuQuéé es un GIS es un GIS –– SIG? SIG?

Es un sistema de computación que utilizainformación locacional en coordenadas delongitud y latitud, para mapear información paramejor análisis.

Un SIG es importante para diversos Estudios.Un SIG es importante para diversos Estudios.

En el caso de la prevención en Sistemas de Distribución de Agua, durante la planificación sepuede mapear tanto la planimetría de la localidad, mapa de la red de distribución de agua,mapa de riesgos a desastres naturales u otros.

Con todo ello se puede identificar que componentes del sistema sonvulnerables.

CCóómo funciona un SIGmo funciona un SIG

Manzanas y lotes

Red de vías

Red de agua y desagüe

Mapas de riesgo

Vista – Mapa interactivo Mapas de riesgos

Se generan mapas de zonificación del peligro eidentifican los componentes más expuestos adiferentes amenazas.

Tablas

Arc Arc View View - GIS - GIS

ANANÁÁLISIS Y SIMULACILISIS Y SIMULACIÓÓN DE REDES DE DISTRIBUCION DE AGUAN DE REDES DE DISTRIBUCION DE AGUAEl análisis y simulación de redes se realiza para investigar la relación compleja que existe entrelas características de la red, la demanda de los consumidores (Doméstico, comercial, Industrialy público), los caudales y cargas en un momento determinado.

Básicamente se calcula caudales, presiones y valores asociados en un momento determinado,mediante un cálculo hidráulico (al modelo matemático).

Aplicaciones del análisis y simulación de redes:

•Conocer el comportamiento de los sistemas de distribución de agua.

•Estimación de niveles de servicio.

•Diseño de nuevos sistemas.

•Evaluación dela capacidad de conducción de la red existente.

•Uso eficiente y/o reforzamiento de las redes existentes.

•El planeamiento contingente. Solución de las redes para diferentes escenarios y alternativas.

ANANÁÁLISIS DE FLUJO PERMANENTE LISIS DE FLUJO PERMANENTE - - ANANÁÁLISIS ESTATICOLISIS ESTATICO

En este tipo de análisis de flujo permanente se conoce los diámetros de todos los tramos de la red,los niveles en los tanques y las demandas en los nudos, y se busca la distribución de caudales ypresiones en la red, en condiciones de demanda y niveles constantes.

AANNÁÁLISIS DE FLUJO NO PERMANENTE LISIS DE FLUJO NO PERMANENTE - - ANANÁÁLISIS DINAMICO - SIMULACILISIS DINAMICO - SIMULACIÓÓN DEN DEPERIODOS EXTENDIDOSPERIODOS EXTENDIDOS - - SIMULACISIMULACIÓÓN CONTINUA - SIMULACIN CONTINUA - SIMULACIÓÓN EN EL TIEMPO.N EN EL TIEMPO.

En una red de agua potable la demanda varía durante el día, y con ello los niveles en los tanques yla operación de la bomba y se busca la distribución de caudales y presiones en la red paradiferente instantes del día (Ejemplo cada hora). Se puede decir que un análisis de flujo nopermanente es una secuencia de estados de flujo permanente con diferentes demandas en cadaestado.

CAUDALES DE DISEÑO DE UNA RED DE DISTRIBUCION DE AGUA

ØConsumo Máximo

Caudal máximo horario = Qmh

ØConsumo Contra Incendio

Caudal máximo diario + Caudal contra incendio = Qmd + Qincendio

ØConsumo Mínimo

Caudal mínimo = Qmín

CURVA DE VARIACIONES HORARIAS DE CONSUMO DOMESTICO

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

70

75

0:00

1:00

2:00

3:00

4:00

5:00

6:00

7:00

8:00

9:00

10:0

0

11:0

0

12:0

0

13:0

0

14:0

0

15:0

0

16:0

0

17:0

0

18:0

0

19:0

0

20:0

0

21:0

0

22:0

0

23:0

0

0:00

HORA

GA

STO

(lps

)

Caudal hora i

Coeficiente de variación horaria (Ki) = ---------------------- Caudal Promedio

Caudal Promedio ( Qp ) = 39 lps

Caudal Máximo ( Qmáx) = 67 lps

HoraCoeficiente de

Variación HorariaCaudal Horario

1:00 K1 Q1 = K1 * Qp

2:00 K2 Q2 = K2 * Qp

3:00 K3 Q3 = K3 * Qp

4:00 K4 Q4 = K4 * Qp

5:00 K5 Q5 = K5 * Qp

6:00 K6 Q6 = K6 * Qp

7:00 K7 Q7 = K7 * Qp

8:00 K8 Q8 = K8 * Qp

9:00 K9 Q9 = K9 * Qp

10:00 K10 Q10 = K10 * Qp

11:00 K11 Q11 = K11 * Qp

12:00 K12 Q12 = K12 * Qp

13:00 K13 Q13 = K13 * Qp

14:00 K14 Q14 = K14 * Qp

15:00 K15 Q15 = K15 * Qp

16:00 K16 Q16 = K16 * Qp

17:00 K17 Q17 = K17 * Qp

18:00 K18 Q18 = K18 * Qp

19:00 K19 Q19 = K19 * Qp

20:00 K20 Q20 = K20 * Qp

21:00 K21 Q21 = K21 * Qp

22:00 K22 Q22 = K22 * Qp

23:00 K23 Q23 = K23 * Qp

0:00 K24 Q24 = K24 * Qp

¿Presión?¿Presión?¿Velocidad?¿Velocidad?

Cálculo HidráulicoCálculo HidráulicoMétodos de Verificación

Permiten hallar el flujo real por cada tramo

PredimensionamientoPredimensionamiento de la Red de la RedCálculo de los diámetros de los tramos

Cálculo de:Cálculo de:Velocidad (V) en los tramos.

Presión (P) en los Nudos

Modelamiento delSistema

NoNo

SíSí

DIAGRAMA DE FLUJO DEL CALCULO DE UNA RED DEDISTRIBUCÍÓN DE AGUA

Viene

Va

Programas de CómputoProgramas de Cómputo

PROGRAMAS DE COMPUTO UTILIZADOS EN EL ANALISIS Y DISEPROGRAMAS DE COMPUTO UTILIZADOS EN EL ANALISIS Y DISEÑÑO DE REDES DEO DE REDES DEDISTRIBUCION DE AGUADISTRIBUCION DE AGUA

Existen gran cantidad de programas de cómputo para el cálculo hidráulico de redes de distribuciónde agua desarrollados en diversos países.

La mayoría de los programas que trabajan en entorno Windows, tienen las siguientescaracterísticas:

•Digitalización de los planos de agua potable, incluyendo la planimetría de calles y el trazo de tuberías.

•Análisis Estático de la red digitalizada.

•Análisis Dinámico de la red digitalizada.

•Consideración de tanques, bombeo, válvulas reductoras de presión, válvulas sostenedoras de presión,válvulas de control de flujo y otros.

•Edición manual de los cruceros.

•Isolíneas de terreno, presión, elevación piezométrica y otros.

•Manejo de un número ilimitado de tramos y nudos.

•Actualización de la información digitalizada, y edición de los datos sobre el dibujo en AutoCAD, o ensu propio entorno gráfico o en tablas.

•Planeamiento contingente (¿Qué sucedería si?)

Origen Universidad de Kentucky

Estados Unidos

Aplicación Análisis Hidráulico - Análisis de Flujo permanente

Análisis Hidráulico - Análisis de Flujo no permanente

Calidad de Agua

Método de solución Teoría Lineal

Entorno MS-DOS

Windows

Componentes Hidráulicos Embalses - Tanques

Válvulas reductoras y sostenedoras de presión

Bombeo de velocidad fija o variable y otros.

Presentación de Resultados Por pantalla

Tablas

Gráficas

Archivos de texto

Desventaja No diseña

Lenguaje de Programación Lenguaje C

Home page en Internet http://www.engr.uky.edu/CE/KYPIPE

KYPIPE - PIPE2000

Ventana de presentación delVentana de presentación delprograma KYPIPE – PIPE2000programa KYPIPE – PIPE2000

Pipes Standard Version* Professional Version**

50 $195 $395250 $495 $995

1000 $995 $1995

2000-6000 add $250 for each additional

1000 pipesadd $500 for each additional

1000 pipes

Total Modeling Package (KY.TMP) Pricing - DOS Version

Perfil de la línea de impulsióngenerado en el MODULO KYGEMS

Tablas para ingreso de datos yvisualización de resultados.

Planimetría y trazado de redes en elMODULO KYCAD

Ventanas de ingreso de datos

IMÁGENES DE ALGUNASIMÁGENES DE ALGUNASCARACTERÍSTICAS DE KYPIPE 2000CARACTERÍSTICAS DE KYPIPE 2000

Curvas de la bomba.

Cálculo del flujo contra incendios.

Origen Enviromental Protection Agency EPA

Estados Unidos

Aplicación Análisis Hidráulico - Análisi de Flujo permanente

Análisis Hidráulico - Análisi de Flujo no permanente

Calidad de Agua

Método de solución Teoría Lineal

Entorno MS-DOS

Windows





Tablas

Gráficas

Archivos de texto

Ventaja Distribución Gratuita


Lenguaje de Programación Lenguaje C

Home page en Internet http://www.epa.gov

EPANET

H2O NETH2O NET

Compañía Compañía Montgomery Montgomery USA USA

Origen Banco Mundial


Método de solución Método de Hardy Crooss - Métod de Newton Raphson

Entorno MS-DOS


Válvulas reductoras de presión

Válvulas check

Bombeo


Tablas

Gráficas (Perfiles)


Lenguaje de Programación Lenguaje Basic

Home page en Internet http://www.

LOOP

Origen Haestad Methods

Estados Unidos

Entorno Gráfico WaterCAD for AutoCAD - CYBERNET

WaterCAD Stand Alone


Análisis Hidráulico - Análisi de Flujo no permanente

Calidad de Agua

Método de solución Método de la Gradiente

Entorno MS-DOS

Windows



Válvulas check, control de flujo, accesorios



Tablas

Gráficas

Archivos de texto

Desventaja No diseña - Costoso

Lenguaje de Programación Lenguaje C - Autolisp

Home page en Internet http://www.haestad.com

WATERCAD

WATERCAD STAND ALONE – PROPIO ENTORNO GRAFICO

Menúes despegables

OpcionesBarras de herramienta

Ventana de Dibujo

Barras de DesplazamientoBarra de estado

WATERCAD FOR AUTOCAD

CAPTACION

Fuente Subterránea

DE AGUA CRUDA

RESERVORIO

RED DE DISTRIBUCION

CAPTACION

L.C. por gravedad

Línea de Impulsión

Línea de AducciónL.C. de agua cruda

Pozo Profundo

Estación de Bombeo

Fuente superficial

PLANTA DE TRATAMIENTO

L.C. de agua tratada

L.C. por bombeo 24Qb = ----- x Qmd N

Qmd

Qmd

Qmd

QmdQmd

QmhQmd + QciQmín

Qmd + QciQmín

Qmh

Fuente sub -superficial

CAPTACION

DISTRIBUCIONPRODUCCION

SISTEMAS DE ABASTECIMIENTO DE AGUA POTABLEConjunto de estructuras, instalaciones, equipos y servicios; que dará servicio a unapoblación en forma continua y de buena calidad.

OBRAS DE CAPTACION

OBRAS DE CONDUCCION

OBRAS DE PURIFICACION

OBRAS DE DISTRIBUCION

CODIFICACION DE LA RED MATRIZ

Numeración de Tramo

Numeración de Nudos

Reservorio

Leyenda

Tubería a presión – TramoTubería a presión – Tramo

BombaBomba

Válvula de Control de FlujoVálvula de Control de Flujo

Válvula Reductora de PresiónVálvula Reductora de Presión

Válvula Sostenedora de PresiónVálvula Sostenedora de Presión

Válvula Rompedora de PresiónVálvula Rompedora de Presión

VVálvulaálvula de control de control (I(Impedimentompedimento))

Unión a presión – Nudo (N)Unión a presión – Nudo (N)

Tanque de almacenamiento (TA)Tanque de almacenamiento (TA)

Reservorio – Embalse – P.T.Reservorio – Embalse – P.T.

PROTOTIPOS DE LOS COMPONENTES DE UNA RED DE DISTRIBUCION DE AGUAPROTOTIPOS DE LOS COMPONENTES DE UNA RED DE DISTRIBUCION DE AGUA

DE BOMBEOESTACION

CAPTACION TANQUE

CISTERNA

ReservorioX

(m)Y

(m)Elevación

(m)

R-1 400 900 405

Reservorio : Reservorio : Estructura hidráulica donde elnivel de agua se considera constante. Con estePrototipo se modela: Embalses, plantas detratamiento, captaciones,etc.

FORMATO DE DATOS DEL RESERVORIO

TanqueElevación

Base (m)

Elevación Mínima

(m)

Elevación Inicial

(m)

Elevación Máxima

(m)

R-1 420 420 425.00 425.00

FORMATO DE DATOS DEL TANQUETanque: Tanque: Estructura hidráulica donde el nivelde agua es variable en el tiempo.

VENTANAS DEINFORMACION DEL TANQUE

FORMATO DE DATOS DE TRAMO – TUBERÍA A PRESIONTramo: Tramo: Tubería a presión que interconectauna estructura hidráulica con otra.

TramoDe

NudoA

NudoLongitud

(m)Diámetro

(mm)Material

Coeficiente de Friccion

T-01 R-01 N-01 800 300 PVC 140

NudoX

(m)Y

(m)

Cota de Terreno

(m)

Caudal de Influencia

(lps)

N-01 400 900 405

N-02 0 900 400 8.40

FORMATO DE DATOS DE LOS NUDOSNudo: Nudo: Prototipo que representa consumo odemanda de agua o un ingreso de agua alsistema.

FORMATO DE DATOS DE BOMBABomba: Bomba: Elemento hidráulico que permiteincrementar presión al sistema.

ESTACION

Nivel Dinámico

Curva de

Motor

Abatimiento

Rejilla

Tubería de descarga

Nudo de ingreso a la Red de Distribución

Nudo de ingreso a la Red de Distribución

Bomba (Pump)

Pozo profunda(Reservoir)



Tubería de Cisterna

Nivel Dinámico

Motor

a la Red de DistribuciónNudo de ingreso

succión

succiónTubería de

succiónTubería de

DE BOMBEO ESTACION DE BOMBEO

MODELAMIENTO - BOMBA

Válvula Reductora de PresiónVálvula Reductora de Presión

VRPX

(m)Y

(m)Dámetro

(mm)Elevación

(m)Gradiente Hidráulico

VRP-1

VRP son usadas para separar zonas de presión, estas válvulas previenen que la presión aguas abajo excedan un nivel de presión establecida.

Válvula Sostenedora de PresiónVálvula Sostenedora de Presión

VSPX

(m)Y

(m)Dámetro

(mm)Elevación

(m)Gradiente Hidráulico

VSP-1

VSP mantiene una presión especificada aguas arriba de la válvula.

Análisis de RiesgoAnálisis de Riesgo

Vulnerabilidad del SistemaVulnerabilidad del Sistema

Conocer sus sistemas tanto física como operacionalmente

Papel de las EmpresasPapel de las Empresas

PrevenciónPrevención DetecciónDetección RespuestaRespuesta

El entendimiento profundo de nuestro sistema es la mejorEl entendimiento profundo de nuestro sistema es la mejorarma de prevenciónarma de prevención

PrevenciónPrevención

Herramientas disponiblesHerramientas disponibles• Simulación en tiempo extendido (EPS)• Manejo de escenarios• Controles lógicos• Calibración• Ágil manejo

Que significa estar preparados?Que significa estar preparados?• Zonificación de riesgo• Diseñar planes operativos de emergencia• Crear escenarios de demanda de emergencia• Crear situaciones y soluciones hipotéticas• Estudios de vulnerabilidad de propagación

• Cuales válvulas cierro?

• Que hidrante utilizo?

• Que le sucederá a mi sistema?

• Cual es la opción más efectiva?

• Como viaja el contaminante?

• Tengo suficiente cloro residual?

Tomar la decisión correctaTomar la decisión correcta

• Ajustar demandas

• Configurar condiciones iniciales

• Determinar escenarios de operación

• Correr modelo

• Interpretar resultados

Pasos para la modelaciónPasos para la modelación

• Análisis en período extendido

• Configuración de controles

• Calibración del modelo

A tener en cuenta…A tener en cuenta…

Modelos hidráulicos para respuesta deModelos hidráulicos para respuesta deemergenciaemergencia

Demostración…Demostración…

WaterCADWaterCAD 4.5 4.5

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