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Metodología para el desarrollo de un proyecto Integral de Eficiencia en la Operación Hidráulica y Energética Watergy. Ponente: M. I. Carlos Espino Godínez Watergy México A.C.
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Metodología para el desarrollo de un
proyecto Integral de Eficiencia en la
Operación Hidráulica y Energética
Watergy.
Ponente: M. I. Carlos Espino Godínez
Watergy México A.C.
TEMAS• Concepto Integral de Eficiencia Energética e Hidráulica.
• Problemas en Operación Hidráulica que afectan el consumo
energético.
• Metodología para un proyecto de eficiencia hidráulica y energética
integral.
• Puntos de Análisis de un diagnóstico Hidro-Energético.
Modelación hidráulica.
Análisis de curvas de operación de equipos de bombeo.
Análisis de conducciones.
Puntos importantes para la definición de un proyecto de mejora
en la eficiencia hidráulica con un enfoque energético.
Concepto Integral de
Eficiencia Energética e
Hidráulica.
Reto
Determinar las
componentes de mayor
consumo de energía y por
ende las áreas de
oportunidad de ahorro
Trabajo de Bombeo
necesario para llevar
el agua al usuario
final.
Q x H
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
En
erg
ía e
léctric
a s
um
inis
trad
a p
or la
Co
mp
añ
ía d
e
Ele
ctric
idad
En
erg
ía e
léctric
a s
um
inis
trad
a a
l mo
tor
Motor
7-12 %
En
erg
ía m
ecán
ica tra
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rida a
la b
om
ba
Bomba
30-35%
En
erg
ía h
idrá
ulic
a
su
min
istra
da
po
r la
bo
mb
aFugas
10 – 15
%
Trabajo
útil
25 – 40%
En
erg
ía h
idrá
ulic
a
dis
po
nib
le e
n la
red
Sistema
Eléctrico
Carga
3- 7 %
2-3 %
%
Proceso de Transformación de la Energía
Un enfoque mas Técnico de la
Relación Agua y Energía- Costo
(Cargo por energía kWh)
Q = Gasto de agua
Hb = Carga Total del Sistema
µ = Eficiencia electromecánica
Variables, sobre las que podemos influir
K = Constante ( g* )que depende de las unidades de Q y H
Potencia =( Q) ( Hb) (K)
µEnergía = Potencia * Horas de servicio
(Cargo por Demanda “potencia” kW)
¿ De Donde Surge El Concepto Integral De Eficiencia
Energética E Hidráulica ?
Q = Gasto de agua
η = Eficiencia
electromecánica
H = Carga
hidráulica (m)
Depende 100% del equipo
de bombeo.
•Curva de eficiencia del
equipo (punto de operación
Carga-Gasto)
•Calidad de la energía.
•Mantenimiento.
Cuanta agua es necesaria o
requerida.
•Balance Volumétrico (oferta-
demanda)
•Pérdidas por fugas y agua no
contabilizada
•Operación regulada o directa
a red.
EFICIENCIA HIDRÁULICA Y
FÍSICA
A donde se entrega el
agua y como (operación).
•Longitud y diámetro de
conducciones. (velocidad
Q/A)
•Configuración de la red.
•Topografía.
EFICIENCIA HIDRÁULICA
Tanque
Borjas
Rebombeo
Borjas
Rebombeo
PYTCO
Tanque de
Cloración
Rebombeo
EstadioRebombeo
Guadalupe
Tanque
Bartola
Tanque
Guerrero
Tanque
Ermita
Tanque
Loma Alta
Tanque
la Loma
Tanque Oscar
Flotes T.
Pozo 20 de
Noviembre
Pozo
Carnero
Pozo
Placetas
Pozo Matilde
Barrera
Pozos San
José 1 y 3
Tanque
Buenos Aires
Rebombeo
San Fco.
Rebombeo
Los Bosques
Tanque Los
Bosques
De Pozos
Pozuelos y
Viborillas
De Pozos
Monclova 1 y 2
Válvula Cerrada
Energía = Potencia *
Horas de servicio
Problemas en Operación
Hidráulica que afectan el
consumo energético.
15%
35%24%
26%
21%
28%32%
19%
Balance Volumétrico de una población
Zona 1
Zona 2
Zona 3
Zona 4
Balance Volumétrico. Es la
relación entre la distribución
espacial de la población y la
distribución espacial del
agua .
En general los organismos producen suficiente agua para todos
sus usuarios, pero su distribución está desbalanceada.
Desbalance en la distribución de caudales
• Asignación inadecuada del suministro por zonas de influencia
Problema Típico
Población.
Agua
Disponible.A
B
C
D
ConsecuenciasNecesidad de Tandeos, aún teniendo suficiente
producción e infraestructura para evitarlos.
“ En México el
promedio de la
continuidad del
servicio es tan
solo de 10
horas”
Consecuencia
Energética
• Producción insuficiente y Bombeos Operando 24 horas sin remedio.
• Nulo mantenimiento preventivo.
• Reducción acelerada de la eficiencia electromecánica.
• Equipos de bombeo trabajando en situación variable de gasto-carga
Los tandeos en el servicio de
agua provocan deterioro en la
infraestructura hidráulica.
Otro Problema TípicoCambios en sistemas de bombeo de distribución a
operación para la que no fueron diseñados
Distribución inyectando
directamente a la red
Pozo
H
Q max hr
Línea piezométrica
Distribución con
tanque regulador
Pozo
H
Q med
Línea piezométrica
Tanque regulador
Q med
Línea piezométrica
0 .00
20 .00
40 .00
60.00
80 .00
100.00
120.00
140 .00
160 .00
0 4 8 12 16 20 24
Variaci ó n de la
demanda
0 .00
20 .00
40 .00
60.00
80 .00
100.00
120.00
140 .00
160 .00
0 4 8 12 16 20 24
Variación de gasto de
acuerdo a la demanda
Q med
Q max hr
En inyección directa, se requiere de
1.9 a 2.17 veces el Gasto medio con
mayor demanda y del 0.6 a 0.8 veces
el gasto en horario de menor
demanda
Q min hr
1.- Equipo trabajando fuera de su punto óptimo de operación (tipo de curva)-
REDUCE LA EFICIENCIA DE LA BOMBA AFECTA A ηem
Se afectan prácticamente todas las
variables de demanda energética.
Consecuencia
Energética
Consecuencias
Q med -178 m3/h
ηb - 80%
ηb - 70%
ηb - 65%
2.- Red de distribución afectada por gran
variación de presiones.
Variación de presión hasta de 105 m FUGAS EN
RED, PERDIDA DE Q.215 m
110 m
105 m
Qmin -124 m3/h Qmax -330 m3/h
3.- Obliga a trabajar 24 h 365
días, sin opción.
Deterioro de equipo.
No paro en hora punta, etc. etc.
Falta de Sistemas de Control de
presión, bien ubicados y calibrados.
• Variadores de Frecuencia.
• Válvulas Reguladoras
Elevadas fugas en tomas y red.
Que se traducen en energía
perdida, calculada con el Índice
Energético (kWh/m3)
Q = C H xDonde;
H = Presión (carga en la tubería)
C y x constantes en función del sistema
(material y diámetro de fuga)
Adicionalmente
Consecuencia
Energética
Flujo a través de un orificio.
Energía Consumida (kWh/año)Agua Producida (Q) (m3/año)IE =
Metodología para un
proyecto de Eficiencia
Hidráulica y Energética
Integral.
Proyectos de Eficiencia Integral
MODELACIÓN
HIDRÁULICA
Para diagnóstico del
desempeño hidráulico de
conducciones, redes,
sistemas de bombeo y
planear la mejora de
desempeño con
alternativas enfocadas a
la mejora energética
BALANCE DE
AGUA (Fugas)
Cuantificar niveles
reales de fugas y
potencial de ahorro
energético al
repararlas.
Evaluación de medidas
convencionales y las
derivadas de la
operación hidráulica)
DIAGNÓSTICO
ENERGÉTICO
BALANCEO
VOLUMÉTRICO
Análisis de la
distribución de
caudales para
aprovechar mejor el
agua producida y
optimizar el número
de equipos de
bombeo.
Con enfoque hacia tres áreas
de oportunidad :
Eficiencia energética de los equipos
de bombeo, para identificar el potencial
de ahorro de energía eléctrica.
Eficiencia hidráulica, para especificar
los cambios en la operación de la red de
abastecimiento que mejoren la
distribución de caudales y presiones y
potencializar los ahorros energéticos.
Eficiencia entre la producción y
entrega de agua, para determinar los
volúmenes susceptibles de ahorro por
pérdidas de agua en fugas y usos no
autorizados, para disminuir la demanda
en las fuentes y con ello potencializar
los ahorros energéticos.
Los proyectos de eficiencia integral deben de
aprovechar las herramientas de ingeniería existentes,
PROYECTO DE
EFICIENCIA
ENERGETICA
Medidas que
establecen esquemas
óptimos de distribución
de caudal y control de
presiones.
Modelación
Hidráulica de
Redes.
Medidas de ahorro de
energía convencionales
( Corto Plazo)
BALANCE
VOLUMÉTRICO
Análisis y propuesta
de optimización de la
distribución de
caudales
BALANCE DE
AGUA (FUGAS)
Cuantificar los niveles
reales de fuga y las
acciones de
recuperación
Proyecto de eficiencia integral
Principales Componentes
Medidas de ahorro
que resultan de la
optimización hidráulica
PROYECTO DE
EFICIENCIA
HIDRAULICA
ANÁLISIS DE
OPERACIÓN
HIDRÁULICA
Determinar y diagnosticar
puntos de operación que
afectan consumo
energético
DIAGNOSTICO
ENERGETICO
PROYECTO
DE
EFICIENCIA
ENERGÉTICA
Determinar las
componentes de
mayor consumo y
costo energético.
Análisis de causa y
efectos en las
componentes.
La Metodología de Proyecto Integral
Agua-Energía propone …Realizar proyectos de agua potable para el incremento
de eficiencia electromecánica, física e hidráulica que
cumplan con las 5 condiciones siguientes:
1. BASADOS EN INFORMACIÓN Y DATOS DISPONIBLES
(GENERAR INFORMACIÓN COMPLEMENTARIA MÍNIMA)
4. QUE GARANTICEN MEJOR CALIDAD DEL SERVICIO DE
AGUA A LOS USUARIOS (CERO TANDEOS)
2. QUE AYUDEN A APROVECHAR AL MÁXIMO LA
INFRAESTRUCTURA HIDRÁULICA EXISTENTE
3. CON SOLUCIONES PRÁCTICAS, ECONÓMICAS Y DE
IMPLANTACIÓN EN EL CORTO PLAZO
5. QUE REDUZCAN COSTOS OPERATIVOS Y ENERGÉTICOS
Metodología de Un Proyecto de Eficiencia
Integral
A. Generación de
información
básica y
Diagnóstico
Objetivo. Recopilar,
analizar y
complementar
información del
funcionamiento del
sistema, con el fin de
contar con
información válida y
actualizada para
poder describir el
sistema y realizar el
proyecto .
B. Cálculo de
eficiencia física
Objetivo. Analizar la
información
recopilada y
complementada para
aplicar el método de
Balance de Agua
para calcular la
eficiencia física y el
porcentaje de fugas
en el sistema.
C. Proyecto de
eficiencia Hidro-
Energético
Objetivo. Utilizar
métodos y
herramientas como el
balance volumétrico,
la modelación
hidráulica y la
redistribución de
caudales y presiones
para proponer
cambios en el
sistema que deriven
en la mejora del
servicio y el ahorro
de agua y energía.
D. Eficiencia de
equipos de
bombeo
Objetivo. Evaluar el
potencial de ahorro
de energía, derivado
de medidas clásicas
(optimización de
eficiencia de equipos,
factor de potencia y
tarifas eléctricas) y
de medidas
derivadas de
eficiencia hidráulica
(paro en hora punta,
variadores de
frecuencia y paros de
equipos).
Se debe recopilar de las fuentes disponibles de
información, todos las estadísticas necesarias para poder
conocer a fondo y describir:
A. 1 Recopilación de Datos y Descripción del Sistema
• Generalidades (población, clima, hacinamiento.
• Disponibilidad de fuentes de abastecimiento.
• Funcionamiento de pozos, tanques y rebombeos.
• Funcionamiento y estadísticas de macro y micromedición.
• Número y tipo de usuarios.
• Ocurrencia de fugas.
• Catastro de la red de agua potable.
Referente al catastro de red, se considera
un nivel de 85% de confiabilidad, cobertura
y actualización como aceptable, ya que
valores más altos requieren de inversiones
de tiempo y dinero elevados que atrasarían
el proyecto
Tanque
Borjas
Rebombeo
Borjas
Rebombeo
PYTCO
Tanque de
Cloración
Rebombeo
EstadioRebombeo
Guadalupe
Tanque
Bartola
Tanque
Guerrero
Tanque
Ermita
Tanque
Loma Alta
Tanque
la Loma
Tanque Oscar
Flotes T.
Pozo 20 de
Noviembre
Pozo
Carnero
Pozo
Placetas
Pozo Matilde
Barrera
Pozos San
José 1 y 3
Tanque
Buenos Aires
Rebombeo
San Fco.
Rebombeo
Los Bosques
Tanque Los
Bosques
De Pozos
Pozuelos y
Viborillas
De Pozos
Monclova 1 y 2
Válvula Cerrada
Esquemas obtenidos de entrevistas con operadores y recorridos
de campo
En muchos organismos, el
funcionamiento, estado y ubicación de
la red es mejor conocido por el
personal de operación. Es importante
transferir esta información a planos y
esquemas de funcionamiento para
proponer cualquier mejora.
A. 1 Recopilación de Datos para Descripción del Sistema
Antes de comenzar los trabajos para la actualización del catastro de la
red es primordial que el archivo digital donde se vaciará la información
cumpla con las siguientes características:
A.2. Actualización del Catastro de La Red
Plano georeferenciado
y a escala
Plano depurado, sin
información inútil para la red
de agua potable
Trazo de calles y
colonias actualizado.
Formato de levantamiento
de caja de válvula
El conocimiento de los esquemas de
funcionamiento de la red, permite
identificar puntos importantes para
enfocar los levantamientos en campo de
cajas de válvulas, tuberías e
infraestructura
Levantamiento de fontanería en
infraestructura
Viborillas 1
8x10"
Desfogue
Válvula
CompuertaCheck
VAEA
6"
6"
8x6"
Viborillas 5
10"
Desfogue
Válvula
CompuertaBomba
Sumergible
Check
8"
10" Macro
Viborillas 7 Pozuelos 1
Pozuelos 5-A
14"
Válvula
Compuerta
Bomba
Sumergible
Check
10"
Macro
VAEA
Pozuelos 5-B
12"
Desfogue Válvula
Compuerta
Check
6"
8"
8x6" Macro
VAEA
Pozuelos 6 Pozuelos 8-A
Bomba
Sumergible
8"
Macro
Viborillas 3
8"
Check
VAEA
8"Manómetro
Macro
Viborillas 4
10"
Desfogue
Válvula
CompuertaCheck
VAEA
8"
10" 10x8"Motor
Superficial
Manómetro
Macro
BombaSumergible
8"
10"
VAEA
Manómetro 10x8"
10"
Desfogue
Válvula
CompuertaCheck
VAEA
8"
10" 10x8" Manómetro
Macro
BombaSumergible
Bomba
Sumergible
10"
Check
VAEA
8"Manómetro
Macro
Bomba
Sumergible
8x10"
VAEA
10X14" 8x12"Motor
Superficial
10"
Desfogue Válvula
Compuerta
Check
6"
8"
8x6" Macro
VAEA
8x10"Motor
Superficial12"
Desfogue Válvula
Compuerta
Check8x6" Macro
VAEA
8x12"
24"
24"
Te 24"x 24"
24"
24"
24"
24"
Te 24"x 24"
24"
24"
24"
10"
Te 10"x 10"
10"
4"
10"- 4"
Te 10"x 10" 20"
4"
4"
Te 12"x 4"
4"
12"
12"
A LA REDVIENE DEL
SISTEMA
FERRERIA
BY-PASS
DESFOGUE
DE
DEMACIAS
PARA
LIMPIEZA
A TANQUE
BIRON
DERIVACION
CANCELADA
VIENE DEL
SISTEMA
GABINO
SANTILLAN
SALIDA DE
DEMASIAS A
CIELO ABIERTO
ME
DID
OR
LLEGADA DE
POZO LA
VIRGEN
SALIDA A
LA RED
12" 10"
10"
10"
6"
6" 6" 6"
SALIDA PARA
SERVICIO DE
LIMPIEZA
A.2. Actualización del Catastro de La Red
A.3. Generación de Información Complementaria
En ocasiones, la estadística e
información con que cuentan los
organismos no es suficiente, por lo que
se realizan campañas de medición para
complementar la información
Evaluación de eficiencia
electromecánica de equipos
de bombeo.
Medición de parámetros:
•Eléctricos-
•Hidráulicos-
Evaluación de error
en macromedidores
Evaluación de error
en micromedidores
Medición de caudales
en puntos de interés
Medición de
presiones en la red
ACTIVIDAD OBJETIVO EQUIPO Y HERRAMIENTAS
Medición de parámetros
eléctricos
Determinar potencia de
operación y calcular
eficiencia
Analizador de potencia de
redes eléctricas o equipos de
medición (Voltímetro,
Amperímetro, etc.)
Medición de caudal de
descarga en bombas
Determinar el caudal de
operación del equipo
Medidor de gasto ultrasónico o
electromagnético
Medición de presiones
en descarga y succión
Obtener carga de
operación del equipo
Manómetro portátil tipo
Bourdon
Definición de niveles de
referencia en bombeos
Obtener carga de
operación y pérdidas de
carga hidráulica
Sonda eléctrica, cinta métrica,
sonda neumática.
Con el levantamiento de datos y mediciones de campo, actualización de
catastro y descripción de la operación se construye el MODELO DE
SIMULACIÓN HIDRÁULICA:
A.4. Construcción de un Modelo de Simulación
Un modelo hidráulico de un sistema de agua potable es una representación
del funcionamiento hidráulico del abastecimiento de agua de una ciudad que
es verificable con observación de parámetros físicos.
Modelo de simulación de líneas
de conducciónModelo de simulación de todo el
sistema (red y conducciones)
A.4. Construcción de un Modelo de Simulación
Software comercial
para simulación
hidráulica de redes y
conducciones de agua
potable
1. Epanet V 2.0 (España).- Simulación
hidráulica de redes en períodos extendidos
2. ScadRed (México).- Diseño de redes
estático
3. WaterCad (USA).- Simulación hidráulica de
redes en período extendido
4. SARA (España).- Simulación hidráulica de
redes en período extendido
5. Ariete (México).- Simulación hidráulica de
conducciones en flujo transitorio
6. Hammer (USA).- Simulación hidráulica de
conducciones en flujo transitorio
A.4. Diagnóstico de elementos de operación que afectan el
consumo de energía
(DIAGNÓSTICO HIDRO-ENERGÉTICO)
Análisis de curvas de Operación
de Equipos de Bombeo
Análisis Hidroenergético de
Líneas de Conducción
Análisis del Comportamiento
Hidráulico de Redes de
Distribución
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
140
-1+000 0+0 1+000 2+000 3+000 4+000 5+000 6+000 7+000 8+000 9+000 10+000 11+000 12+000 13+000 14+000 15+000 16+000
Elev
ació
n (m
.s.n
.m.m
.)
Cadenamiento (km+m)
Línea de Conducción de Estación de Bombeo 1 a Bombeo 2
Altura (m) Cota (m) Altura (m) Altura (m)
Estación 1
Estación 2
Q1 = 122.18 lpsv = 0.4 m/shf cond = 3.51 m
Q2 = 228.07 lpsv = 0.78 m/shfcpnd = 12.75 m/km
Hb2bombas = 91.03 m
Hb1bomba= 83.97 m
Hb3bombas = 102.24 m
20.0%
30.0%
40.0%
50.0%
60.0%
70.0%
80.0%
90.0%
100.0%
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
140
150
160
170
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 8 8.5 9 9.5
Car
ga (
m)
Gasto (m3/min)
Original del Fabricante
Punto de Diseño Original
Bomba C mediciones
Bomba C operando sola
Bomba C con D operando
Eff Bomba Original
Eff Bomba C Medida
ANÁLISIS DE CURVAS DE OPERACIÓN DE EQUIPOS DE
BOMBEO
Datos necesarios:
• Evaluación de Gasto-Carga de operación con mediciones
de campo (2 o 3 puntos evaluados).
• Curva original Gasto-Carga del equipo de bombeo: Marca,
Modelo etc.
Estación Equipo EvaluaciónGasto
(lps)
Carga total
de bombeo
(mca)
Z B1 1 215.00 35.21Z B1 2 198.00 36.18Z B1 3 165.00 38.50
ANÁLISIS DE CURVAS DE OPERACIÓN DE EQUIPOS DE
BOMBEO
Bomba:BNJ-18DC-1pasoModelo:18DC Pasos: 1
Tipo:Turbina Vertical
Diam.imp: 13 3/16" 334.96mmDatos de curva al: 100% 1175rpm
Sitio intalada en:Estación de Bombeo Z, Bomba 1
Gasto (L/s) Carga (m)Eff Bomba %
Gasto (GPM)
Carga (pies/paso)
0 53.3 0.0% 0.00 175.0031.55 50.3 500.00 165.00
63.1 47.9 1,000.00 157.0094.65 45.7 14.5% 1,500.00 150.00126.2 43.9 40.0% 2,000.00 144.00
157.75 41.9 61% 2,500.00 137.50189.3 40.5 75.0% 3,000.00 133.00
220.85 39.2 81.7% 3,500.00 128.50252.4 37.2 83.8% 4,000.00 122.00
283.95 33.8 84.0% 4,500.00 111.00315.5 29.6 81.0% 5,000.00 97.00
347.05 24.4 75.0% 5,500.00 80.00378.6 17.4 65.0% 6,000.00 57.00
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
0.0
10.0
20.0
30.0
40.0
50.0
60.0
0 50 100 150 200 250 300 350 400
Efi
cien
cia
Bo
mb
a %
Car
ga
(m)
Gasto (l/s)
Bomba BNJ-18DC- 1 paso
1er Paso.-Se utiliza Herramienta
Excel para hacer gráfica de
bomba, traduciendo a unidades
SI.
ANÁLISIS DE CURVAS DE OPERACIÓN DE EQUIPOS DE
BOMBEO
0.0
10.0
20.0
30.0
40.0
50.0
60.0
0 50 100 150 200 250 300 350 400
Car
ga
(m)
Gasto (l/s)
Equipo de Bombeo Z
BNJ-18DC-1paso
Max Eff
B1
2º Paso.- Se inserta en la gráfica los puntos de mediciones
reales de campo Carga-Gasto.
Operación Real
FUERA DE LA
CURVA DE
OPERACIÓN
Estación Equipo EvaluaciónGasto
(lps)
Carga total
de bombeo
(mca)
Z B1 1 215.00 35.21Z B1 2 198.00 36.18Z B1 3 165.00 38.50
ANÁLISIS DE CURVAS DE OPERACIÓN DE EQUIPOS DE
BOMBEO
“Leyes de Semejanza de las Bombas Hidráulicas”
A.-La variación de las características de una misma bomba o de bombas iguales,
cuando varía el número de revoluciones está dada por las siguientes relaciones.
•La variación de caudal es directamente proporcional a la variación del número de
revoluciones.
•La variación de carga de bombeo es directamente proporcional al CUADRADO de
la variación de revoluciones.
•La variación de potencia útil es directamente proporcional al CUBO de la relación
de variación de revoluciones.
Reducción de velocidad (n en rpm)
- Q/Qo = n/no
- H/Ho = (n/no)^2
- P/Po = (n/no)^3
Q, H, P, n, - Bomba original
Qo, Ho, Po, no - Bomba reducida
ANÁLISIS DE CURVAS DE OPERACIÓN DE EQUIPOS DE
BOMBEO
“Leyes de Semejanza de las Bombas Hidráulicas”
B- “La variación de las características de una misma bomba o de bombas iguales,
cuando varía el diámetro del impulsor, está dada por las siguientesrelaciones.
•Los caudales son directamente proporcionales al CUBO de la relación de
diámetros.
•Las cargas de bombeo son directamente proporcionales al CUADRADO de la
relación de diámetros:
•Las potencias útiles son directamente proporcionales a la QUINTA potencia de la
relación de diámetros
Reducción de Diámetro de impulsor (Do en mm)
- Q/Qo = (D/Do)^3
- H/Ho = (D/Do)^2
- P/Po = (D/Do)^5
Q, H, P, D, - Bomba original
Qo, Ho, Po, Do - Bomba reducida
ANÁLISIS DE CURVAS DE OPERACIÓN DE EQUIPOS DE
BOMBEO
“Leyes de Semejanza de las Bombas Hidráulicas”Estas leyes se pueden fundir, haciendo que varíe primero el diámetro y
luego el número de revoluciones, obteniéndose las fórmulas siguientes:.
Reducción de Diámetro de impulsor (Do en mm)
- Q/Qo = (n/no) * (D/Do)^3
- H/Ho = (n/no) ^2 * (D/Do)^2
- P/Po = (n/no)^3 * (D/Do)^5
Q, H, P, D,n - Bomba original
Qo, Ho, Po, Do,no - Bomba reducida
varía el número de revoluciones y varía el diámetro del impulsor
¿Y QUE PASA CON LA EFICIENCIA?
SI HAY BAJA DE LA CURVA DE EFICIENCIANo hay regla de cuanto baja la eficiencia, pero se puede considerar que
la eficiencia baja en la misma proporción de la relación (Do/D) o (no/n)
ANÁLISIS DE CURVAS DE OPERACIÓN DE EQUIPOS DE
BOMBEO
4er Paso.-tomando las leyes de similitud de las
bombas, y las ecuaciones arriba mencionadas se
puede trazar una nueva curva que pase por el o
los puntos de operación medidos.
SIMULACIÓN A:Impulsor 323.24 mmVel.ang. 1133.875 r.p.m.B1 Real Op.
96.5% CapacidadNuevo Q (l/s) Nuevo H (m)
0.00 49.6728.35 46.8356.70 44.5685.06 42.58
113.41 40.87141.76 39.03170.11 37.75198.46 36.48226.81 34.63255.17 31.50283.52 27.54311.87 22.70340.22 16.18
0.0%
10.0%
20.0%
30.0%
40.0%
50.0%
60.0%
70.0%
80.0%
90.0%
0.0
10.0
20.0
30.0
40.0
50.0
60.0
0 50 100 150 200 250 300 350 400
Car
ga
(m)
Gasto (l/s)
Equipo de Bombeo Z
BNJ-18DC-1paso
Max Eff
B1
B1 Real Op.
Eff Bomba %
Análisis Hidro-energético de Sistemas de Bombeo en Paralelo.
Evaluar la Curva Gasto-Carga de CADA BOMBA INDIVIDUALMENTE
No todos los equipos “Gemelos” se comportan igual.
0.0%
10.0%
20.0%
30.0%
40.0%
50.0%
60.0%
70.0%
80.0%
90.0%
0.0
20.0
40.0
60.0
80.0
100.0
120.0
140.0
160.0
0 50 100 150 200 250 300 350 400
Car
ga
(m)
Gasto (l/s)
BNJ-18bc-3pasos
Max Eff Diseño
B1
B2
B3
B1 Real Op.
B2 Real Op.
B3 Real Op.
Eff Bomba %
Análisis Hidro-energético de Sistemas de Bombeo en Paralelo.
2.- Se construyen las curvas de operación del sistema en paralelo
sumando los gastos para bomba 1, B1+B2 y B1+B2+B3 a una carga
determinada
No todos los equipos “Gemelos” se comportan igual.
0.0%
10.0%
20.0%
30.0%
40.0%
50.0%
60.0%
70.0%
80.0%
90.0%
0.0
20.0
40.0
60.0
80.0
100.0
120.0
140.0
160.0
0 50 100 150 200 250 300 350 400
Car
ga
(m)
Gasto (l/s)
BNJ-18bc-3pasos
Max Eff Diseño
B1
B2
B3
B1 Real Op.
B2 Real Op.
B3 Real Op.
Eff Bomba %
0.0
20.0
40.0
60.0
80.0
100.0
120.0
140.0
160.0
0 50 100 150 200 250 300 350 400
Car
ga
(m)
Gasto (l/s)
Carga
(m)
Gasto 1
bomba
(l/s)
Gasto 2
bombas
(l/s)
Gasto 3
bombas
(l/s)
110 25 25+51=
76
25+51+
90= 166
Carga
(m)
Gasto 1
bomba
(l/s)
Gasto 2
bombas
(l/s)
Gasto 3
bombas
(l/s)
110 25 76 166
90 98 98+158=
256
98+158+
215=471
Carga
(m)
Gasto 1
bomba
(l/s)
Gasto 2
bombas
(l/s)
Gasto 3
bombas
(l/s)
110 25 76 166
90 98 256 471
80 157 377 627
60 225 481 771
40 250 530 845
20 259 551 874
10
30
50
70
90
110
130
0 200 400 600 800 1000
Car
ga
(m)
Gasto (l/s)
Sistema de bombeo en paralelo
B1 B1,B2 B1,B2,B3
Análisis Hidro-energético de Sistemas de Bombeo en Paralelo.
3.- Se hace la grafica de operación Carga-Gasto del SISTEMA EN
PARALELOCarga
(m)
Gasto 1
bomba
(l/s)
Gasto 2
bombas
(l/s)
Gasto 3
bombas
(l/s)
110 25 76 166
90 98 256 471
80 157 377 627
60 225 481 771
40 250 530 845
20 259 551 874
Se mantiene el punto
de máxima eficiencia
a la carga constante
de diseño de 1 bomba
-
20.00
40.00
60.00
80.00
100.00
120.00
140.00
- 500.00 1,000.00 1,500.00 2,000.00 2,500.00 3,000.00
Car
ga
(m)
Gasto (l/s)
Sistema de bombeo en paralelo
Análisis Hidroenergético de Sistemas de Bombeo en Paralelo.Analizar el comportamiento hidráulico de la línea de conducción y la
curva CARGA-GASTO del sistema trabajando en paralelo
Para un gasto en la línea de conducción de 1740 lps,
Actualmente se tienen que utilizar 7 equipos,
De acuerdo al Diseño, ese gasto se daría con solo 5 equipos.
Línea Cond.
Carga 63.8m
Gasto 1741 lps
0.0
20.0
40.0
60.0
80.0
100.0
120.0
140.0
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
Car
ga
(m)
Gasto (l/s)
Sistema de bombeo en paralelo
BNJ-18bc-3pasos
2 Bombas
3 Bombas
4 Bombas
5 Bombas
6 Bombas
7 Bombas
Carga-Gasto Línea
0.0
20.0
40.0
60.0
80.0
100.0
120.0
140.0
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
Car
ga
(m)
Gasto (l/s)
Sistema de bombeo en paralelo
BNJ-18bc-3pasos
2 Bombas
3 Bombas
4 Bombas
5 Bombas
6 Bombas
7 Bombas
B1
B1,B2
B1,B2,B3
B1,B2,B3,B4
B1,B2,B3,B4,B5
B1,B2,B3,B4,B5,B6
B1,B2,B3,B4,B5,B6,B7
Carga-Gasto Línea
No Equipos
Gasto (l/s) Carga (m)
Pres.Descarga
(mca)11 2485.2 66.67 55.4510 2280.97 65.87 54.629 2064.57 65.08 53.818 1836.1 64.41 53.047 1624.23 63.79 52.46 1439.92 63.31 51.915 1222.56 62.75 51.414 963.06 62.27 50.913 746.29 61.95 50.572 482.87 61.57 50.28
A.4. Diagnóstico de elementos de operación que afectan el
consumo de energía
(DIAGNÓSTICO HIDRO-ENERGÉTICO)
Análisis Hidroenergético de Líneas de Conducción
SE UTILIZA EL MODELO DE SIMULACIÓN COMO HERRAMIENTA
FUNDAMENTAL DEL ANÁLISIS
A.4. Diagnóstico de elementos de operación que afectan el
consumo de energía
(DIAGNÓSTICO HIDRO-ENERGÉTICO)
Análisis Hidroenergético de Líneas de Conducción
Paso 1.- Correr modelo de simulación y trazar perfil, determinando
Carga-Gasto y Presión de descarga
Modelo LIBRE
Equipos
Operando Gasto (l/s)
Presion de
descarga (m)
Carga Bombas
Hb (m)
C 146.76 63.07 69.48
C+D 274.51 76.39 82.6
B+C+D 372.65 91.93 97.85
Paso 2.- Comparar Resultados de modelo con Mediciones de Campo
MEDICIONES REAL DE CAMPO
Equipos
Operando Gasto (l/s)
Presion de
descarga (m)
Carga Bombas
Hb (m)
C 122 78 83.97
C+D 228 88 93.01
B+C+D no se realizo
No se
parecen en
NADA
A.4. Diagnóstico de elementos de operación que afectan el
consumo de energía
(DIAGNÓSTICO HIDRO-ENERGÉTICO)
Análisis Hidroenergético de Líneas de Conducción
Paso 3.- Se calibra modelo para ajustar a condiciones medidas en campo
• Cerrando válvulas en
descarga o a salida
de bombas.
• Modificando
Coeficientes de
rugosidad o perdidas
menores
• Modificando diámetro
interior para simular
incrustación en
tuberías.
A.4. Diagnóstico de elementos de operación que afectan el
consumo de energía
(DIAGNÓSTICO HIDRO-ENERGÉTICO)
Análisis Hidroenergético de Líneas de ConducciónPaso 4.- Se grafican los perfiles poesométricos y determina el tamaño
de la diferencia entre valores de Modelo libre y de Modelo Calibrado
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
140
-1+000 0+0 1+000 2+000 3+000 4+000 5+000 6+000 7+000 8+000 9+000 10+000 11+000 12+000 13+000 14+000 15+000 16+000
Elev
ació
n (m
.s.n
.m.m
.)
Cadenamiento (km+m)
Línea de Conducción de Captación a Rebombeo 1
Altura (m) Cota (m) Altura (m) Altura (m)
Estación 1
Estación 2
Q1 = 122.18 lpsv = 0.4 m/shf cond = 3.51 m
Q2 = 228.07 lpsv = 0.78 m/shfcpnd = 12.75 m/km
Hb2bombas = 91.03 m
Hb1bomba= 83.97 m
Hb3bombas = 102.24 m
Análisis Hidroenergético de Líneas de Conducción
Paso 4.- Se grafican los perfiles poesométricos y determina el tamaño
de la diferencia entre valores de Modelo libre y de Modelo Calibrado
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
140
0+0 0+10 0+20 0+30 0+40 0+50 0+60
Ele
vaci
ón
(m
.s.n
.m.m
.)
Cadenamiento (km+m)
Línea de Conducción de Captación a Rebombeo 1
Altura (m) Cota (m) Altura (m) Altura (m)
Estación Cocibolca
Q = 122.18 lpsv = 0.4 m/shf conducción = 3.52 m
Hb2 = 91.03Sin estrang 76.54 m
Hb 1= 83.97Sin estrang 67.43 m
Hb3 = 102.24Sin estrang 88.17 m
hf1 válvula = 16.54 m
hf2 válvula = 17.47 m
hf3 válvula = 14.07 m
Q = 228.07 lpsv = 0.76 m/shf conducción = 12.75 m
Q = 316.13 lpsv = 1.05 m/shf conducción = 24.52 m
Análisis Hidroenergético de Líneas de Conducción
Paso 5.- Se cuantifica la pérdida en situación actual contra la situación ideal.
Perdida de carga por estrangulamiento de válvulas 2
equipos funcionando17.47
Gasto 228.00
Potencia hidráulica de perdida 39.07 kW
Perdida eléctrica con eficiencia de 0.6% Pe 65.12 kW
Perdida en Consumo de energía trabajando 360 dias
- 24 h (kWh/año)570,492.07 kWh
Perdida en $/año a tarifa $1.68/kWh $958,426.685/año
Este método puede ser
utilizado para determinar
el valor de las fugas del
sistema en general y
replicarse para evaluar
sub-zonas específicas de
estudio.
B. Cálculo de Eficiencia Física
VOLUMEN
SUMINISTRADO
CONSUMO
MEDIDO
AUTORIZADO
Consumo de
usuarios
medidos
Errores de exactitud
Errores por defase en
periodo de lectura
CONSUMO
NO – MEDIDO
ATORIZADO
Usuarios cuota fija
Reparación tuberías
Procesos de plantas
Escuelas
Parques públicos
Incendio y otros
PÉRDIDAS
IDENTIFICADAS
Y ELIMINADAS
Usos clandestinos
regularizados
Fugas eliminadas
PERDIDAS
POTENCIALES
Usos clandestinos
Fugas tomas
Errores en cuota fija
CONSUMO
REGISTRADO
PÉRDIDAS
APARENTES
PERDIDAS
REALES
VOLUMEN
CONSUMIDO
Fugas tuberías
Fugas cajas
FUGAS
VOLUMEN
FACTURADO
VOLUMEN
NO
FACTURADO
Utilizando las estadísticas
recopiladas y la información
complementaria generada se
utiliza el método de Balance
de Agua, para determinar la
eficiencia física del sistema.
% DE FUGAS Y AGUA NO
CONTABILIZADA
BALANCE DE AGUA
Programa de
reducción y
recuperación de
caudales
Cálculo de dotación y
consumos unitarios.
C.1 Metodología de Un Proyecto De Eficiencia en
la Operación Hidráulica
Balance volumétrico y
modelación del
funcionamiento actual.
Proyecto de optimización del
suministro o redistribución
de caudales (Sectorización).
Revisión de capacidad de
regulación de zonas y
alternativas de operación.
Validación de mejor
alternativa y especificaciones
de obra y equipos.
Evaluación Energética de
alternativas, y validación de
funcionamiento hidráulico.
Modelación de la propuesta
de redistribución de caudales
(varias alternativas).
Presentación de Resultados
y generar proyecto ejecutivo
en base a recursos.
Se utilizan las diferentes herramientas estadísticas y de cálculo hidráulico de
redes, conducciones, capacidad de regulación de tanques, etc. durante la
metodología de un Proyecto de Eficiencia en la Operación Hidráulica
C.2 Ejemplo de Evaluación de Alternativas de Solución
Caso: En un sector determinado se tienen dos zonas a
distribuir, a partir de una cisterna general (Tanque Norte)
se rebombea a ambos tanques.
• La primera zona está a una elevación intermedia
donde un tanque (Tanque El Cerro), suministra por
gravedad a dicha zona un gasto medio de 10.16 lps.
• La segunda zona está a una elevación mas alta y
suministra a la colonia correspondiente por medio del
Tanque Geo un gasto medio de 25.23 lps
Alternativas de Solución
A1 Enviar directo del RB Norte a Tanque Geo, el total de gasto
requerido por ambas zonas y derivando al Tanque El Cerro
el gasto de 10.16 lps por medio de una válvula reguladora
de caudal.
A2 Rebombeo en dos etapas. La primera con el total del gasto
requerido por las dos zonas, y en la segunda con un equipo
de rebombeo nuevo en el Tanque El Cerro para enviar al
Tanque Geo solo los 25.23 lps que requiere.
A3 Misma operación que A3 pero sustituyendo el tramo de
tubería de 6” por uno de 8” de la cisterna Norte al Tanque
El Cerro.
d= 8”
d= 6”
d= 6”
Tanque Geo
Tanque El
Cerro
TC. RB Norte
10.16 lps
25.23 lps
C.2 Ejemplo de Evaluación de Alternativas de Solución
Utilizando el MODELO DE SIMULACIÓN como herramienta básica se puede
simular muy fácilmente las tres alternativas de solución para determinar
Gastos-Cargas y funcionamiento hidráulico
C.2 Ejemplo de Evaluación de Alternativas de Solución
Alternativa Equipo Gasto (lps) Carga (mca) T.B. Pw kW Pw Total kW
A1 RB Norte 35.39 101.54 35.25 35.25
A2RB Norte 35.39 60.5 21.0
30.58RB Cerro 25.23 38.7 9.58
A3RB Norte 35.39 43.2 15.0
24.58RB Cerro 25.23 38.7 9.58
1840
1860
1880
1900
1920
1940
1960
1980
0+0 0+200 0+400 0+600 0+800 1+000 1+200 1+400 1+600 1+800 2+000 2+200 2+400 2+600 2+800
Tubería Piesométrica A1 Piesométrica A2 Piesométrica A3
TC. Norte
RB. Norte
TC. El CerroQ = 10.16 lps
RB. El Cerro-Geo A2 y A3 TC. GeoQ = 25.23 lps
QA3 = 35.39 lpshf A3= 6.8 m/km
Ht A3 = 43 mca
QA2 = 35.39 lpshf A2= 6.8 m/km
Ht A2 = 61 mca
Q = 25.23 lpshf= 11.12 m/km
Ht = 38.7
QA1 = 35.39 lpshf A1= 6.8 m/km
Ht A1 = 101 mca
Q = 35.39 lpshf = 24.88 m/kmd = 6"
Punto de cambio de diámetro de 8" a 6" en situación actualEn alternativa A3 se propone completa la tubería a 8"
La diferencia
Representa
$230,000.00
Al año
C.3 Modelo Hidráulico de Un Proyecto de
Eficiencia en la Operación Hidráulica
LA MODELACIÓN HIDRÁULICA ES UNA HERRAMIENTA FUNDAMENTAL
PARA REALIZAR UN BUEN PROYECTO DE EFICIENCIA HIDRÁULICA.
- Revisión del funcionamiento conjunto en 24 hrs de
operación, presiones en la red, perdidas de carga,
dirección del flujo.
- Revisión de funcionamiento de conducciones y
perfiles piezométricos.
- Revisión de comportamiento de los niveles en
tanques.
- Definición final de trabajos de sectorización, cambio
de líneas en red secundaria y conducciones,
calibración de válvulas automáticas, interconexión de
líneas.
- Definición de las condiciones de Carga-Gasto de los
equipos de bombeo.
- Balance de caudales.
- Evaluación Energética.
Un buen Modelo permite realizar en forma muy rápida lo siguiente:
C.4 Proceso Iterativo Para Definir El Proyecto de Eficiencia en
la Operación Hidráulica
Medidas de mejora de eficiencia
hidráulica
Evaluación Energética de
medidas hidráulicas
Modelación de las medidas
El Proyecto de Eficiencia en la
Operación Hidráulica es un Proceso
Iterativo
Modelo hidráulico
Alternativa 1
Alternativa 2
Alternativa 3
Evaluación Energética y
Costo-Beneficio
Mejor Alternativa
3
PROYECTO DE
EFICIENCIA
INTEGRAL
Resultados de carga-gasto, presiones en
red, tiempo de operación, obra necesaria y
energía consumida de cada alternativa
Proyecto de
Eficiencia
Hidráulica
Definitivo
La mejor alternativa será en
primer lugar, la de menor
consumo energético, y/o que
tenga un costo de inversión
menor.
C.4 Proceso Iterativo Para Definir El Proyecto de Eficiencia en
la Operación Hidráulica
C.5 Resumen y Presentación de Resultados
Un proyecto de eficiencia hidráulica bien
desarrollado tiene como resultados
acciones y productos específicos como
son:
•Dotación de diseño
•Límites de sectores propuestos
•Gasto y carga de diseño de equipos de bombeo.
•Operación propuesta de equipos de bombeo.
•Operación propuesta de cada sector.
•Ubicación y resumen de cambios en la red
(cortes y ampliaciones en la red).
•Ubicación, características y punto de calibración
de válvulas automáticas.
•Simulación Hidráulica de la red, de acuerdo a
proyecto.
•Puntos de calibración de variadores de velocidad
en caso de que apliquen.
T. Luz y Esperanza
T. Norponiente
P. 72
A red
A redA red
A red
A red
A red
A red
A red
A red
Reserva
P. 24
P. 25
P. 19
P. 90
P. 26
P. 68
P. 79
P. 20
P. 22
T. Antonio Ramírez
T. Morelos Norte
P. 56 P. 57
P. 29
P. 83
T. La Virgen
A red
Reserva
ReservaF/S
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
/
/
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/
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
D.1 Eficiencia de Equipos de Bombeo de Acuerdo a Medidas
Convencionales de Ahorro de Energía
Tomando en cuenta las
metodologías, técnicas y
consideraciones que se
expondrán durante el
desarrollo de este curso, se
debe de evaluar el potencial
de ahorro de energía
derivado de la aplicación de
medidas convencionales.
Mejorar la eficiencia
electromecánica mediante
el cambio de equipos
Optimización de tarifas
eléctricas y del Factor
de Potencia
Para cada medida y cada
equipo se debe de calcular
el tiempo de retorno de la
inversión, para determinar
la conveniencia de
aplicación o no de las
mismas
Adecuación y
Mantenimiento de
Instalaciones Eléctricas
y Sistemas de Puesta
a Tierra.
D.2 Potencial de Ahorro Derivada de da
Operación Hidráulica PropuestaLos cambios de condiciones de operación de los equipos de bombeo que se obtiene
como resultado del proyecto de eficiencia hidráulica deben de ser evaluados, cotizados
y comparados contra la inversión necesaria para aplicarse la operación propuesta
Medida de ahorro Inversión directa Inversión indirecta Ahorro
Paro en hora punta N/A
Implementación del
proyecto de
optimización de la
Operación Hidráulica
(sectorización ) y del
programa de reducción
y recuperación de
caudales.
Disminución de horas
trabajando y de costo
de energía
Aplicación de
variadores de
frecuencia
Suministro, instalación
y puesta en marcha de
variador de frecuencia
Menor potencia
demandada derivado
de mantener la máxima
eficiencia
Cambio de carga de
operación
Cambio de equipos con
las condiciones de
trabajo propuestas
Diferencia en costo de
los equipos que
disminuyen su carga
contra aquellos que la
aumentan
Equipo apagado o en
reservaN/A
Pozos fuera de
operación que generan
un ahorro directo
Las herramientas de ingeniería
básica se complementan para
desarrollar un proyecto de eficiencia
integral de ahorro de energía y
optimización hidráulica
La optimización de la operación hidráulica
genera un potencial extra de ahorro de
energía en comparación de proyectos que
sólo apliquen medidas convencionales
Además de los beneficios directos de
ahorro de agua y energía, la mejora de
eficiencia hidráulica genera además:
•Mayor continuidad del servicio
•Menor inversión en potabilización
•Construcción diferida de nueva
infraestructura de agua y energía
•Disminuye el deterioro de infraestructura
existente
•Conservación de fuentes de
abastecimiento
•Menores emisiones de CO2
•Mejor imagen institucional
Ciudad
Potencial de
ahorro por
medidas
convencionale
s(%)
Potencial de
ahorro por
medidas
hidráulicas
(%)
Total de
potencial
de ahorro
(%)
Monclova, Coa. 18.0 18.4 36.4Parral, Chi. 21.8 3.2 25.0Metepec, Edo
Mex12.9 10.2 31.0
Guaymas, Son. 19.1 17.2 36.3Durango, Dgo. 36.5 10.6 47.0
Ciudad Población
(miles)
Producción
actual
(L/s)
Producción
propuesta
(L/s)
Monclova, Coah. 206 1,092 801Parral, Chih. 104 374 314Metepec, Edo
Mex187 886 507
Guaymas, Son. 135 510 510Durango, Dgo. 461 2,695 2,373
Proyecto de Eficiencia Integral
Muchas
Gracias
