Caracterización y modelización de transitorios hidráulicos para tres redes de agua en alta en la provincia de Valencia

Abstract

[ES] Como parte esencial del diseño de un sistema de abastecimiento de agua potable es imprescindible conocer las condiciones de operación y regulación a las cuales va a estar sometida la red durante su funcionamiento habitual. Se sabe que cualquier alteración o maniobra rápida efectuada a lo largo de una conducción puede provocar perturbaciones en el fluido que, dependiendo a su magnitud, podría generar grandes oscilaciones de presión, fenómeno denominado como transitorio hidráulico. Como consecuencia, estas alteraciones pueden ocasionar en el peor de los casos ruptura o colapso de las tuberías ya sea por presiones excesivamente altas o por depresiones inferiores a la presión atmosférica respectivamente. Debido a la importancia de mitigar cualquier efecto que ponga en riesgo la integridad de un sistema de conducción, en el presente trabajo se analizaron tres redes de agua potable en alta pertenecientes a la provincia de Valencia en las cuales se había evidenciado oscilaciones de presión en algunos puntos de monitorización de la red. Estas tres conducciones a pesar de pertenecer a la misma área geográfica tienen funcionamiento y condiciones de operación independientes, por lo que la evaluación de cada una se realizó de forma separada. Para llevar a cabo este análisis se caracterizaron las tres redes objeto de estudio, describiendo el funcionamiento habitual de cada sistema, la topografía de las líneas de conducción, al igual que los elementos hidráulicos como depósitos, estaciones de bombeo, válvulas hidráulicas, tuberías, demanda de la red, sistemas de protección existentes, entre otros. A partir de la información recopilada, se elaboró mediante el software de cálculo Allievi un modelo hidráulico para cada uno de los sistemas a evaluar con el fin de analizar el fenómeno transitorio generado de forma particular. Para corroborar la representatividad del modelo se emplearon mediciones reales de caudales y presión en algunos puntos principales de las redes con las que se compararon y validaron los resultados obtenidos en las simulaciones efectuadas. Se seleccionaron y simularon diferentes escenarios que podrían dar origen a los transitorios hidráulicos en cada red. Para el primer sistema, denominado El Realón, se evalúo la parada accidental del grupo de bombeo y la maniobra de cierre de una de las principales válvulas de llenado a depósito que hacen parte del sistema; en cuanto al segundo sistema con el nombre de Horta Sud, se analizaron las variaciones de presión de algunos puntos de la red además del posible transitorio generado por la parada del grupo de bombeo; por último, para el tercer sistema denominado La Coma se estudiaron maniobras de parada y arranques de grupos de bombeo al igual que cierres y aperturas de algunas de las válvulas principales de la instalación. Con los resultados obtenidos se determinó para el sistema El Realón que el problema principal se encuentra relacionado con depresiones generadas por la parada accidental del grupo de bombeo; dadas las características del tramo se puede soportar pequeñas depresiones, pero si estas llegan a ser más críticas, se podría considerar la instalación de un tanque unidireccional como elemento de protección. En cuanto al cierre de la válvula de llenado se indicó que una maniobra de cierre lento en dos etapas minimiza cualquier efecto negativo. Para el sistema Horta Sud se determinó la necesidad de evaluar el funcionamiento de las válvulas reductoras de presión a la entrada de las poblaciones ya que se observó que estos elementos trabajan con pequeños porcentajes de apertura lo cual indica que su diámetro es mayor al requerido. Con la maniobra de paro accidental del grupo de bombeo, se constató que la red no requiere de dispositivo de protección para mitigar el transitorio generado. Por último, se concluye que el dispositivo de protección del sistema La Coma mitiga adecuadamente los transitorios generados por la parada y arranque de las bombas, no obstante, se deben controlar las maniobras de cierre y apertura de las válvulas de llenado para garantizar la estabilidad de instalación.

[EN] As an essential part of the design of a drinking water supply system, it is essential to know the operating and regulatory conditions to which the network will be subjected during its normal operation. It is known that any alteration or quick maneuver carried out along a pipeline can cause disturbances in the fluid, which, depending on its magnitude, could generate large pressure oscillations, a phenomenon known as hydraulic transient. Therefore, these alterations can in the worst-case cause rupture or collapse of the pipes, either due to excessively high pressures or to depressions below atmospheric pressure, respectively.

Due to the importance of mitigating any effect that puts the integrity of a conduction system at risk, in this work three drinking water networks belonging to the province of Valencia were analyzed, in which pressure oscillations had been evidenced in some network monitoring points. These three pipelines, despite belonging to the same geographic area, have independent operation and operating conditions, so the evaluation of each one was carried out separately.

To carry out this analysis, the three networks under study were characterized, describing the normal operation of each system, the topography of the conduction lines, as well as the hydraulic elements such as tanks, pumping stations, hydraulic valves, pipes, demand. network, existing protection systems, among others. Based on the information collected, a hydraulic model was developed using the Allievi calculation software for each of the systems to be evaluated in order to analyze the transitory phenomenon generated in a particular way. To corroborate the representativeness of the model, real flow and pressure measurements were used in some main points of the networks, with which the results obtained in the simulations carried out were compared and validated.

Different scenarios that could give rise to hydraulic transients in each network were selected and simulated. For the first system, called El Realón, the accidental shutdown of the pumping group and the closing maneuver of one of the main tank fill valves that are part of the system were evaluated; Regarding the second system with the name of Horta Sud, the pressure variations of some points of the network were analyzed in addition to the possible transient generated by the stoppage of the pumping group; Lastly, for the third system called La Coma, stopping and starting maneuvers of pumping groups were studied, as well as closings and openings of some of the main valves of the installation.

With the results obtained, it was determined for the El Realón system that the main problem is related to depressions generated by the accidental stoppage of the pumping group; given the characteristics of the section, it is possible to withstand small depressions, but if these become much critic, the installation of a one-way tank could be considered as a protection element. Regarding the closing of the filling valve, it was indicated that a two-stage slow closing maneuver minimizing any negative effect.

For the Horta Sud system, the need to evaluate the operation of the pressure reducing valves at the entrance of the populations was determined, since it was observed that these elements work with small opening percentages, which indicates that their diameter is greater than required. With the accidental shutdown of the pumping group, it was found that the network does not require a protection device to mitigate the generated transient.

Finally, it is concluded that the protection device of the La Coma system adequately mitigates the transients generated by the stop and start of the pumps, however, the closing and opening maneuvers of the filling valves must be controlled to guarantee the stability of installation..

[CA] Com a part essencial del disseny d'un sistema de proveïment d'aigua potable és imprescindible conéixer les condicions d'operació i regulació a les quals estarà sotmesa la xarxa durant el seu funcionament habitual. Se sap que qualsevol alteració o maniobra ràpida efectuada al llarg d'una conducció pot provocar pertorbacions en el fluid que, depenent a la seua magnitud, podria generar grans oscil·lacions de pressió, fenomen denominat com a transitori hidràulic. Com a conseqüència, aquestes alteracions poden ocasionar en el pitjor dels casos ruptura o col·lapse de les canonades ja siga per pressions excessivament altes o per depressions inferiors a la pressió atmosfèrica respectivament. A causa de la importància de mitigar qualsevol efecte que pose en risc la integritat d'un sistema de conducció, en el present treball es van analitzar tres xarxes d'aigua potable en alta pertanyents a la província de València en les quals s'havia evidenciat oscil·lacions de pressió en alguns punts de monitoratge de la xarxa. Aquestes tres conduccions malgrat pertànyer a la mateixa àrea geogràfica tenen funcionament i condicions d'operació independents, per la qual cosa l'avaluació de cadascuna es va realitzar de manera separada. Per a dur a terme aquesta anàlisi es van caracteritzar les tres xarxes objecte d'estudi, descrivint el funcionament habitual de cada sistema, la topografia de les línies de conducció, igual que els elements hidràulics com a depòsits, estacions de bombament, vàlvules hidràuliques, canonades, demanda de la xarxa, sistemes de protecció existents, entre altres. A partir de la informació recopilada, es va elaborar mitjançant el programari de càlcul *Allievi un model hidràulic per a cadascun dels sistemes a avaluar amb la finalitat d'analitzar el fenomen transitori generat de manera particular. Per a corroborar la representativitat del model es van emprar mesuraments reals de cabals i pressió en alguns punts principals de les xarxes amb les quals es van comparar i van validar els resultats obtinguts en les simulacions efectuades. Es van seleccionar i van simular diferents escenaris que podrien donar origen als transitoris hidràulics en cada xarxa. Per al primer sistema, denominat El Realón, s'avalue la parada accidental del grup de bombament i la maniobra de tancament d'una de les principals vàlvules d'ompliment a depòsit que fan part del sistema; quant al segon sistema amb el nom de Horta Sud, es van analitzar les variacions de pressió d'alguns punts de la xarxa a més del possible transitori generat per la parada del grup de bombament; finalment, per al tercer sistema denominat La Coma es van estudiar maniobres de parada i arrencades de grups de bombament igual que tancaments i obertures d'algunes de les vàlvules principals de la instalació. Amb els resultats obtinguts es va determinar per al sistema El Realón que el problema principal es troba relacionat amb depressions generades per la parada accidental del grup de bombament; donades les característiques del tram es pot suportar xicotetes depressions, però si aquestes arriben a ser més crítiques, es podria considerar la instal·lació d'un tanc unidireccional com a element de protecció. Quant al tancament de la vàlvula d'ompliment es va indicar que una maniobra de tancament lent en dues etapes minimitza qualsevol efecte negatiu. Per al sistema Horta Sud es va determinar la necessitat d'avaluar el funcionament de les vàlvules reductores de pressió a l'entrada de les poblacions ja que es va observar que aquests elements treballen amb xicotets percentatges d'obertura la qual cosa indica que el seu diàmetre és major al requerit. Amb la maniobra d'atur accidental del grup de bombament, es va constatar que la xarxa no requereix de dispositiu de protecció per a mitigar el transitori generat. Finalment, es conclou que el dispositiu de protecció del sistema La Coma mitiga adequadament els transitoris generats per la parada i arrencada de les bombes, no obstant això, s'han de controlar les maniobres de tancament i obertura de les vàlvules d'ompliment per a garantir l'estabilitat d'instal·lació.