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Modelamiento Computarizado de
Sistemas de Distribución de Agua
con
WaterCAD V8i
Yuri Marco Sánchez Merlo
Junio – Julio del 2013
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DIPLOMADO EN INGENIERIA SANITARIA
Modelamiento Computarizado de Sistemas de Distribución de Agua
Aplicación de WaterCAD V8i
Objetivos:
Contenido
Introducción ..................................................................................................................................................... 2
Tema N°1: Modelamiento de Sistemas de Distribución de Agua .......................................................... 3
Taller N° 1 ...................................................................................................................................................... 29
Tema N° 2: Calibración de Modelos Hidráulicos .................................................................................... 50
Taller N°2 ....................................................................................................................................................... 59
Tema N° 3: Dimensionamiento óptimo de redes de distribución de agua......................................... 73
Taller N°3 ....................................................................................................................................................... 84
Tema N° 4: Simulación en Periodos Extendidos ................................................................................... 106
Taller N° 4 .................................................................................................................................................... 116
Tema N° 5: Calidad de agua en redes de distribución de agua........................................................... 155
Taller N° 5 .................................................................................................................................................... 169
Referencias Bibliográficas Básicas ............................................................................................................ 187
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Introducción
Los sistemas de abastecimiento de agua potable, son parte fundamental del bienestar y desarrollo de
una población. Este servicio debe ser continuo (24 horas); con la presión, cantidad y calidad satisfactoria. Su comportamiento es complejo y tienen una diversidad de componentes como
extensas longitudes de tuberías (Primarias, secundarias, terciarias), estructuras de almacenamiento,
estaciones de bombeo, válvulas de control y regulación, etcétera. Por lo que, los encargados de estos
sistemas deben diseñar y operarlos, verificando el cumplimiento de las restricciones hidráulicas (Presión y velocidad) de acuerdo a lo establecido en las normas respectivas.
Debido a esta necesidad, de conocer el comportamiento hidráulico de los sistemas de distribución de
agua, en el transcurso del tiempo, ha evolucionado la hidráulica de redes. Desde teorías para resolver
un sistema cerrado de redes (Método de Hardy Cross – 1936) hasta técnicas para optimizar el diseño y operación de los sistemas. Siendo una de ellas, la modelación hidráulica, técnica para el
análisis hidráulico y calidad de agua, cuya interpretación de resultados la usaremos para planificar,
diseñar y operar redes.
En paralelo, por el avance de la Informática se han desarrollado programas de cómputo, que son parte del modelamiento hidráulico, como herramientas para el análisis, simulación y diseño de redes
de agua.
Es así, que actualmente existe una diversidad de programas para el modelamiento de redes de agua, desde los que son libres, caso LOOP, EPANET y otros, hasta los comerciales, como MIKE NET,
PIPE2000, SARA, H20NET, WaterCAD, entre otros. Estos programas se diferencian por el sistema
operativo (MS DOS, MS Windows, etcétera), interfase gráfica (GIS, CAD, propio u otro),
componentes a modelar, cantidad de elementos a modelar (tuberías o nodos), tipos de análisis,
diseño óptimo de redes (Automático o manual), calibración de modelos (Automático o manual), método de cálculo usado para balancear la red y otras características.
WaterCAD es un programa de cómputo que permite modelar sistemas de distribución y/o
conducción de líquidos a presión, para analizar su comportamiento hidráulico o efectuar su dimensionamiento, cuya aplicación es amplia en el abastecimiento de agua para consumo humano,
distribución de agua para riego, sistemas contra incendio, conducción de diversos líquidos a presión,
etcétera. El manual permitirá conocer las características de este programa, saber bajo qué sistema
operativo y entorno gráfico trabaja; describir los elementos usados para elaborar los modelos
hidráulicos; determinar el tipo de análisis hidráulico y calidad de agua.
Este Manual es utilizado en la parte práctica del curso “Análisis de Redes y Fuentes de Agua”, en la
Especialidad de Ingeniería Sanitaria – Facultad de Ingeniería Ambiental de la Universidad Nacional de
Ingeniería.
El Autor.
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Tema N°1: Modelamiento de Sistemas de Distribución de Agua
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MMOODDEELLAAMMIIEENNTTOO CCOOMMPPUUTTAARRIIZZAADDOO DDEE SSIISSTTEEMMAASS DDEE
DDIISSTTRRIIBBUUCCIIÓÓNN DDEE AAGGUUAA
Taller N° 1
CONTENIDO
Análisis Hidráulico en Estado Estático
Preparado por: Ing. Yuri Marco Sánchez Merlo
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Taller N° 1
Análisis Hidráulico en Estado Estático
En el presente Taller, realizaremos el análisis hidráulico en estado estático de la red mostrada:
Simulación N°1: Se analizará para condiciones de demanda máxima, el Escenario se denominará “Demanda Máxima”.
Gráfico N°1
Observa: que el modelo de la red de distribución está compuesto por un Tanque (Tank T-1),
Reservorio (R-1), Bomba (PMP-1), Válvulas Reductoras de Presión (PRV-1 y PRV-2), tuberías a
presión (P-1, P-2, P-3, ...) y uniones a presión (J-1, J-2, J-3, .).
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1. Creación y configuración de un nuevo Proyecto
En el menú despegable seleccionar File/New
ó Ctrl+N.
Luego, al crear un nuevo modelo, en primer lugar se deberá definir la configuración básica del
Proyecto. Para ello en el menú Analysis seleccionar Calculation Options (Opciones de cálculo). Enseguida, hacer doble click sobre Base Calculation Options.
En la ventana de la derecha, aceptaremos
la configuración por defecto que se muestra. Así tenemos que la ecuación de
Hazen – Williams se usará como
método de cálculo de la fricción
(Friction Method).
Ver que el tipo de análisis (Time
Analysis Type), seleccionado sea
Estado Estático (Steady State).
Como líquido a modelar se considera Water at 20C (68F) (Liquid).
Cabe señalar que:
WaterCAD/GEMS, puede modelar tuberías a presión con diferentes fluidos a diversas
temperaturas
Para balancear hidráulicamente la red, utiliza el Método de Gradiente, que es iterativo.
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Con respecto a las opciones generales del proyecto, es necesario definir el sistema de unidades de
nuestra preferencia, los colores de fondo y frontales, los tamaños de los textos y símbolos.
Ahora en el menú Tools elegimos Options.
Primero, verifique el sistema de unidades
con la cual estará configurado el Proyecto.
En la ventana Options, en la etiqueta <Units>, en <Reset Defaults>,
seleccionar SI (System International)
También en Default Unit System for
New Project, seleccionar SI (Sistema
Internacional).
Luego, hacer clic OK.
En el presente Taller, trabajaremos en
forma esquemática (La longitud en el modelo no es real, tendremos luego que
digitar la longitud de cada tramo)
Por lo que, en la etiqueta <Drawing>, en
la sección Drawing Scale, seleccione Schematic.
Introducir 1 en Symbol Size Multiplier y
1 en Text Height Multiplier, en la sección Annotation Multipliers,
(multiplicadores de anotación) como los
valores multiplicadores para las
anotaciones y símbolos del dibujo.
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El WaterCAD/GEMS, ofrece asignar valores por defecto a cada uno de los prototipos a utilizar en el
modelo hidráulico.
Para ello, vaya al menú View y seleccionar Prototypes.
Hacer click en el botón New, para crear un
nuevo prototipo (Pipe Prototype-1)
Para el caso de las tuberías (Pipe), en la
ventana de diálogo de la derecha configurar como se muestra, donde se considera como
datos por defecto:
Diámetro = 100 mm
Material = PVC Hazen y William C = 140
Luego cerrar la ventana Prototypes
(Prototipos).
Recordar que estos serán datos que por
defecto contendrá cada tubería al inicio,
luego se podrá modificar sus datos para cada
uno de ellos.
Guardar como “Taller N°1_AHEE.wtg”, en la siguiente carpeta C:\Mis
documentos\Curso_WaterCAD\_1_Talleres_Inicio.
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2. Recuperación de la Cartografía (Planimetría)
Para recuperar la planimetría de la zona de estudio, se puede realizar lo siguiente, estando trabajando
en WaterCAD /GEMS:
En el menú despegable View, seleccionamos la
opción Background Layers.
En la ventana de diálogo Background Layers.
En el primer botón de la izquierda , elegir New File.
En el directorio C:\Mis documentos\ Curso_WaterCAD\_1_Talleres_Inici
o, ubicar y abrir el archivo
“Planimetría Taller N°1.dxf”.
Observar que el WaterCAD/GEMS,
puede insertar planimetrías de la
zona de Estudio en diversos formatos: DXF, SHP, BMP, JPG,
JPEG, JPE, TIFF, etc.
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Aparecerá la ventana de la derecha, configurar como
se indica y luego hacer click en OK.
Si no aparece la planimetría, presionar el botón zoom extents de la barra de herramientas superior para obtener una vista de toda la extensión de la planimetría.
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3. Ubicación de Componentes y trazado de la Red de Distribución de Agua
Luego de recuperar la planimetría, se inicia con ubicar cada uno de los componentes de la red de distribución y el trazado de las
tuberías, para ello hacer uso de los Prototipos (Reservoir, Pump,
Tank, Valve, Pressure Pipe y Pressure Junction)
Nota: Durante el trazado verificar que el nombre o etiqueta (Label) de cada elemento coincida con
lo señalado en el gráfico.
Barra de Prototipos
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4. Ingreso de Datos – Entering Data
A) Datos del Reservorio (Reservoir R-1):
Ingrese a la ventana de propiedades del Reservorio “R-1”, haciendo doble click sobre el símbolo.
En la ventana de la derecha ingresar en:
Physical:
- Elevación: 60
Recordar que en el WaterCAD/GEMS, el valor de
elevation está referido al nivel de agua en la fuente.
B) Datos de la Bomba (Pump PMP-1):
Primero debemos definir las características de la bomba. En el menú despegable seleccionar
Components y Pump Definitions.
Hacer click en el botón
New e ingresar el nombre de la definición de la
bomba como “Bomba 1”.
En el menú despegable Pump Definition Type,
seleccionar Standard (3
Point) e ingrese los datos,
que se muestra.
En la pestaña Efficiency,
defina una eficiencia
constante del 100%
(Constant Efficiency).
Hacer click en Close.
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Luego de haber definido las características de la bomba,
hacer doble click sobre el símbolo de la Bomba “PMP-1”
En la ventana de la derecha ingresar en:
Physical:
- Elevación: 58 m
En Pump Definition, seleccionar “Bomba 1”
(Recuerda que esta definimos anteriormente)
C) Datos del Tanque:
Hacer doble click sobre el símbolo del Tank “T-1” (O haciendo click derecho y seleccionar Properties).
En la ventana de la derecha ingresar en:
Operating Range:
- Base: 120 m
- Mínimo: 121 m
- Inicial: 122 m
- Máxima : 125 m
Physical:
- Elevación: 120 m.s.n.m. - Diámetro: 16 m
Recordar que WaterCAD/GEMS, calcula las cotas
piezométricas a partir de la elevación inicial
(Elevation Initial). Este es un dato de condición
inicial (Initial Setting)
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D) Datos de la Válvulas Reductora de Presión (PRV-1):
Válvula Elevación
(m)
Diámetro
(mm)
Presión Inicial
(mH2O)
Dirección de
Flujo
PRV-1 75 200 15 P-7 P-8
Para ingresar los datos de la válvula reductora de presión, lo haremos haciendo uso de la ventana de
propiedades:
Haga doble click sobre el símbolo de la PRV-1, en su
ventana de propiedades ingrese los siguientes datos:
Initial Settings:
Verifique que en el campo Setting Type (Tipo de
configuración), figure Pressure (Presión).
Pressure Setting (Initial) : 15 mH2O
Physical:
- Elevación: 75 m.s.n.m. - Diámetro (Válvula): 200 mm
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E) Ingresando datos de las Tuberías:
Hacer click en el en el botón FlexTables ó Ctrl + 7,
para mostrar las tablas dinámicas. Seleccionar Pipe Table.
Alcances:
Primero deberán configurar la tabla,
de tal forma que contenga las
columnas mostradas y en el mismo
orden.
Hacer click en (Edit). Observa
que puedes añadir o remover
columnas del lado derecho al izquierdo y viceversa.
Para ordenar la columna Label, hacer click derecho sobre dicha columna y seleccionar Sort
(Ordenar) y luego ascendente.
En la columna Hazen – William C, hacer click derecho y seleccionar Global Edit, seleccionar
operación SET, digitar en Global Edit 140 y luego hacer click en OK
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F) Ingresando datos de las Uniones:
En la Tabla de Reporte de Uniones a Presión – Junction Table, ingresar la elevación
(Elevation) de cada unión.
Alcances:
Primero deberán configurar la tabla, de tal forma que contenga las
columnas mostradas y en el mismo
orden.
Hacer click en (Edit). Observa que puedes añadir o remover
columnas del lado derecho al
izquierdo y viceversa.
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ASIGNACIÓN DE DEMANDAS
Hacer click en Demand Control Center (Centro de Control de Demandas)
En el mensaje de la derecha hacer click en Yes (Si)
Luego, en la ventana de Demand Control
Center (Centro de Control de Demandas),
hacer click en el primer botón de la izquierda y seleccionar Initialize Demands for All
Elements.
Verificar que la unidad de la
columna Demand (Base), debe
estar en l/s. Para ello, hacer click derecho en la columna de
Demand (Base), y seleccionar
Units and Formatting. Del
menú seleccionar l/s como unidad de demanda con 2 decimales.
Hacer click en Ok.
Ahora ingrese los valores de la
demanda máxima dada.
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5. Simulación 1: Condición de Demanda Máxima
Realizado la edición del Modelo e ingresado los datos, estamos listos para realizar la simulación para
la demanda máxima.
En la ventana de Escenarios (Scenarios), primero
renombre el Escenario “Base” con el nombre
“Simulación N° 1: Demanda Máxima”.
Haga click en el ícono
Debiendo obtener la ventana:
En la cual el programa señala que la red se ha balanceado después de 03 iteraciones (Trials) con un
error de cierre Q = 0.0007574.
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6. Visualización y verificación de resultados
Existen diversas formas de visualizar y verificar los resultados en el programa WaterCAD V8i:
A) Ventanas de Diálogo (Properties): cada elemento o prototipo tiene su ventana de diálogo o de propiedades y se activa haciendo click derecho sobre el elemento que se quiere revisar y
seleccionamos Properties o también se puede hacer doble clic en el elemento para mostrar
dicha ventana.
Por ejemplo, para la tubería P-1, hacer cilck derecho sobre esta tubería y seleccione
Properties, debiendo mostrar lo siguiente:
En Resultados (Results), se tiene lo siguiente:
Flow = Caudal que circula por dicha tubería = 68,00 l/s
Velocity = Velocidad del flujo = 0,71 m/s Headloss Gradient = Gradiente Hidráulico = 0,001 m/Km
Headloss = Pérdida de carga total = 0,0026 m
Hydraulic Grade (Start) = Cota piezométrica inicial (Aguas arriba) = 60,0000 m
Hydraulic Grade (Stop) = Cota piezométrica final (Aguas abajo) = 59,9974m
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B) Tablas Flexibles – FlexTables – Tabular Reports:
Hacer click en el en el botón FlexTables, para
mostrar las tablas dinámicas. Seleccionar Pipe Table.
Verifique que sus resultados de las tuberías coincidan con lo que se muestra a continuación:
En la tabla se observa los resultados (Columnas de color amarillo), se tiene lo siguiente:
Flow = Caudal que circula por dicha tubería
Velocity = Velocidad del flujo
Headloss Gradient = Gradiente de pérdida de carga Headloss (friction) = Pérdida de carga por fricción con las paredes de la tubería
Seleccione la Tabla de Reporte de Uniones a Presión – Junction Table y verifique que sus
resultados en las uniones coincidan con lo que se muestra a continuación:
En la tabla se observa los resultados (Columnas de color amarillo), se tiene lo siguiente:
Demand = Demanda total de agua requerida en la unión
Hydraulic Grade = Cota piezométrica en la unión Pressure = Presión en la unión
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C) Creación de Perfiles Hidráulicos: crearemos el Perfil Hidráulico de los conductos P-1 y P-2.
Haga click en el en el botón Profiles, para mostrar la ventana de perfiles. Luego, hacer
click en el botón New.
En la ventana Profile Setup, haga click en el botón Select From Drawing.
En la siguiente ventana con el puntero seleccionar los conductos P-1 y P-2, enseguida haga click
derecho sobre la ventana de dibujo y selecciones Done. Debiendo observar la siguiente ventana:
+
+
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Ahora haga click en el botón Open Profile.
La siguiente ventana
configurarlo como se muestra:
Debiendo visualizar el siguiente perfil
hidráulico:
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D) Colorear y realizar anotaciones en el Modelo:
En el menú View seleccione Element Symbology ó haga click en el botón , para poder
colorear y hacer anotaciones en el Modelo.
Vamos a colorear las uniones a presión en función a la
presión. Para ello en la ventana Element Symbology,
seleccione Junction y haga click derecho sobre Label
y elija New y Color Coding.
Configure la ventana Color
Coding Properties –
Junction, como se muestra a la derecha.
Debiéndose
visualizar:
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Ahora en las uniones a presión anotaremos la presión.
En la ventana View Simbology, para el caso de Junction
seleccione Label y haga click en el botón Edit .
En la ventana Annotation
Properties, haga click en el
botón New.
Luego seleccione Annotation Definition y en la parte
derecha de la ventana
configúralo como se muestra.
Una vez configurado, primero hacer clic en Apply y luego en
OK.
Debiéndose visualizar:
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Tema N° 2: Calibración de Modelos Hidráulicos
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MMOODDEELLAAMMIIEENNTTOO CCOOMMPPUUTTAARRIIZZAADDOO DDEE SSIISSTTEEMMAASS DDEE
DDIISSTTRRIIBBUUCCIIÓÓNN DDEE AAGGUUAA
Taller N°2
CONTENIDO
Calibración optimizada de modelos hidráulicos
Preparado por: Ing. Yuri Marco Sánchez Merlo
DDiipplloommaaddoo eenn IInnggeenniieerrííaa SSaanniittaarriiaa:: MMooddeellaammiieennttoo CCoommppuuttaarriizzaaddoo ddee SSiisstteemmaass ddee DDiissttrriibbuucciióónn ddee AAgguuaa PPáággiinnaa 60
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Taller N° 2
Calibración optimizada de modelos hidráulicos
El presente Taller consistirá en efectuar la calibración optimizada del modelo hidráulico de la red de
distribución mostrada en el Gráfico N° 2, aplicando el Módulo Darwin Calibrator del Programa
de Cómputo WaterCAD/GEMS.
Gráfico N° 2
La red de distribución está compuesta por dos tipos de tuberías:
Tubería nueva de Ductil Iron (Hierro Dúctil): caso de la tubería P-1 (C=130)
Tuberías antigua de Cast Iron (Fierro Fundido): caso de tuberías de P-2 al P-10 (C=120)
Datos de campo:
De acuerdo a mediciones realizadas en condiciones estáticas, se ha medido la presión en los nodos J-
3 y J-5, teniendo:
Nodo Presión medida en
campo (m.c.a.)
J-3 20
J-5 25
La calibración se efectuará ajustando la rugosidad en las tuberías antiguas.
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1. Revisión de datos del modelo
En el Menú despegable seleccionar File/Open ó Ctrl+O, buscar y abrir el archivo existente “Taller N°2_Inicio_Calibración.wtg”. Debiendo visualizar la red del Gráfico N°2 de la página
60.
Primero revisaremos los resultados del modelo inicial.
Datos y resultados de las tuberías a presión:
Hacer click en el en el botón FlexTables ó Ctrl + 7, para mostrar las tablas dinámicas. Seleccionar Pipe Table.
Observe que la tubería nueva P-1 es de material de Hierro Dúctil con un C=130, en el caso de las tuberías antiguas son de fierro fundido con un C=120 (Inicial, estimado con pruebas de campo), este
coeficiente de fricción de Hazen y William se modificará en base a la calibración a realizar.
Nota: Edite la tabla de tal forma que contenga las mismas columnas mostradas.
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Datos y resultados en las Uniones a presión:
Ingrese a la tabla de las uniones
(Junction Table) y verifique que las elevaciones de terreno
y lo resultados de presión en
los nodos coincida con lo
señalado en la tabla que se
muestra a continuación:
Observe que las presiones dadas por el modelo inicial en el caso de las uniones J-3 y J-5 son 26,79 y
32,50 m.c.a. respectivamente, los cuales difieren con lo medido en campo, por lo que debemos
calibrar el modelo.
Nodo Presión medida en
campo (m.c.a.) Presión – Modelo
inicial (m.c.a.)
J-3 20 26,79
J-5 25 32,50
Nota: Edite la tabla de tal forma que contenga las mismas columnas mostradas.
Datos del Reservorio:
Ingrese a la tabla de las uniones y verifique que las
elevaciones de terreno de las uniones coincidan
con lo señalado en la tabla que se muestra a continuación:
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Datos de demandas en las uniones a presión:
Para visualizar la demanda requerida en cada uno de las uniones, hacer click en Demand Control Center (Centro de Control de Demandas).
En el mensaje de la derecha hacer click en Yes (Si)
La primera ejecución del modelo inicial se efectuó para la demanda promedio.
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2. Configuración del modelo para la calibración
L calibración optimizada, en forma automática o manual, con el WaterCAD/GEMS se realiza
aplicando el módulo Darwin Calibrator.
Para lo cual haga click en el botón o en el menú despegable Analysis / Darwin Calibrator.
En el primer botón de la izquierda , elegir New Calibration Study (Nuevo Estudio de Calibración).
Renombre a ” New Calibration Study - 1” por
“Calibración_Optimizado”, debiendo visualizar:
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En la pestaña Field Data Snapshot
(Datos de campo), haga click en el
botón New. Seleccione el nuevo datos de campo “New Field Data
Snapshot - 1” y haga click en el
botón para renombrarlo como
“Datos de campo”
Ahora observe y verifique en la pestaña “Field Data Snapshots” en “Datos de campo”, figure
el día y hora de la medición de campo (verifique que la hora (Time) sea 12:00:00 a.m. ó 00:00:00,
dependerá de la configuración de Windows), debiendo observar:
En la parte inferior, seleccione la pestaña “Observed Target”, haga click en el botón “Select from
Drawing” y en la ventana de dibujo con el puntero seleccione los nodos J-3 y J-5, enseguida haga click derecho y selecciones Done.
+
+
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En la pestaña “Observed Target”, para las uniones J-3 y J-5, ingrese las presiones medidas en
campo 20 y 25 m.c.a. respectivamente:
Ahora, ingrese a la pestaña “Roughness Group” (Grupos de rugosidad) haga click en el botón
New, enseguida renombre “New Roughness Group – 1” como Cast Iron.
En el grupo de rugosidad “Cast Iron”, haga click en el
botón , para poder seleccionar todas las tuberías
de Casta Iron, de las cuales se ajustará su rugosidad
para calibrar el modelo.
En la ventana Selection Set: Cast Iron, haga click en
el botón , para ir a la ventana de dibujo (modelo).
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En la ventana de dibujo con el puntero seleccione las tuberías desde P-2 a P10.
Haga click derecho y seleccione Done y en la ventana Selection Set: Cast Iron debemos
visualizar que en la columna Element IDs se tenga “9 items”:
En la pestaña Calibration Criteria, mantener los valores por defecto que se muestra utilizará el
Calibrador Darwin para el ajuste:
+
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3. Ejecución de la calibración optimizada (Automático)
En el botón de la izquierda New , seleccione New Optimized Run.
Renombre “New Optimized Run - 1” como “Calibración_Optimizado” y configure como:
Operation : Multiply
Minimun Value : 0,5 Maximum Value : 1,5
Increment : 0,001
Verifique que en Field Data Snapshot, “Datos de campo” se encuentre activo:
DDiipplloommaaddoo eenn IInnggeenniieerrííaa SSaanniittaarriiaa:: MMooddeellaammiieennttoo CCoommppuuttaarriizzaaddoo ddee SSiisstteemmaass ddee DDiissttrriibbuucciióónn ddee AAgguuaa PPáággiinnaa 69
PPrrooggrraammaa WWaatteerrCCAADD // WWaatteerrGGEEMMSS VV88ii EEllaabboorraaddoo ppoorr:: IInngg.. YYuurrii MMaarrccoo SSáánncchheezz MMeerrlloo
Teniendo seleccionado “Calibración_Optimizado” haga click en el botón para ejecutar
la calibración optimizada. Observe que el programa presentará las 03 soluciones más óptimas.
Se observará que durante la
ejecución de la calibración, el
programa realizará una serie de
iteraciones para realizar el ajuste.
Al finalizar las iteraciones debemos visualizar el siguiente mensaje:
Calibración optimizada completada
satisfactoriamente.
DDiipplloommaaddoo eenn IInnggeenniieerrííaa SSaanniittaarriiaa:: MMooddeellaammiieennttoo CCoommppuuttaarriizzaaddoo ddee SSiisstteemmaass ddee DDiissttrriibbuucciióónn ddee AAgguuaa PPáággiinnaa 70
PPrrooggrraammaa WWaatteerrCCAADD // WWaatteerrGGEEMMSS VV88ii EEllaabboorraaddoo ppoorr:: IInngg.. YYuurrii MMaarrccoo SSáánncchheezz MMeerrlloo
Verifique y revise las 03 soluciones óptimas proporcionadas por el ajuste de la rugosidad de las
tuberías Cast Iron. Seleccione la Solution 1 (solución 1), en la ventana Adjustment Group
Type elegir Roghness y en la parte inferior verifique que la rugosidad ajustada sea 66,96 para
todas las tuberías de Cast Iron.
En la pestaña Simulated Results, seleccione Hydraulic Grade (Cota piezométrica) observe la
comparación entre la cota piezométrica (observada en campo) frente a la cota piezométrica
simulada durante el ajuste, existiendo una diferencia de -0,97 y 1,17 m respectivamente, valores que se encuentran dentro de lo aceptable.
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Para exportar estos resultados como un
nuevo escenario haga click en el botón
En la ventana Export to Scenario,
verifique la siguiente configuración:
Haga click en OK y luego cerrar la ventana de Darwin Calibrator.
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4. Verificación de los resultados de la calibración optimizada (Automático)
En el menú despegable Analysis seleccione Scenarios.
En la ventana de Escenarios
(Scenarios), seleccione y actualice
con el botón el escenario “Calibración_Optimizada-1”.
Haga click en el ícono Compute
Ingrese a las tablas de uniones y tuberías a presión para verificar los resultados:
En el caso de las uniones, observe las presiones resultantes de los nodos J-3 J-5.
Para el caso de las tuberías de Cast Iron, se observa la rugosidad ajustada:
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Tema N° 3: Dimensionamiento óptimo de redes de distribución de
agua
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MMOODDEELLAAMMIIEENNTTOO CCOOMMPPUUTTAARRIIZZAADDOO DDEE SSIISSTTEEMMAASS DDEE
DDIISSTTRRIIBBUUCCIIÓÓNN DDEE AAGGUUAA
Taller N°3
CONTENIDO
Dimensionamiento óptimo de redes de distribución de agua
Preparado por: Ing. Yuri Marco Sánchez Merlo
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Taller N°3
Diseño Óptimo de Redes de Distribución de Agua
El presente Taller consistirá en efectuar el diseño óptimo de la red de distribución mostrada en el
Gráfico N° 3, aplicando el Programa de Cómputo WaterCAD/GEMS.
El diseño se efectuará, de tal forma, que se cumplan los requerimiento técnicos (Restricciones de
diseño) y mínimo costo.
Gráfico N°3
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Restricciones técnicas:
Rango de diámetros a usar para el diseño
Diámetro mínimo (mm) 100
Diámetro máximo (mm) 450
Rango de velocidades en cada tramo
Velocidad mínima (m/s) 0.30
Velocidad máxima (m/s) 3.00
Rango de presiones en los nodos
Presión mínima (m.c.a.) 15
Presión máxima (m.c.a.) 50
Datos de Demanda:
El diseño de la red la verificaremos para las siguientes demandas:
Nudo
Demanda Promedio
Demanda Máxima Horaria (l/s)
Demanda Máxima Diaria
(l/s) + Caudal de incendio en J-10 (l/s)
Demanda Mínima (l/s)
Qp Qmh = 2 x Qp Qmd = 1.2 x Qp Qmín = 0.3 x
Qp
J-1 0.00 0.00 0.00 0.00
J-2 10.00 20.00 12.00 3.00
J-3 12.50 25.00 15.00 3.75
J-4 7.50 15.00 9.00 2.25
J-5 7.50 15.00 9.00 2.25
J-6 12.50 25.00 15.00 3.75
J-7 7.50 15.00 9.00 2.25
J-8 5.00 10.00 6.00 1.50
J-9 17.50 35.00 21.00 5.25
J-10 12.50 25.00 15.00 30.00 3.75
J-11 20.00 40.00 24.00 6.00
J-12 17.50 35.00 21.00 5.25
J-13 12.50 25.00 15.00 3.75
Total 142.50 285.00 171.00 30.00 42.75
Diámetros disponibles: (Restricciones físicas)
Material Diámetro
(mm)
Hazen y
William
C
Costo
Unitario
($/ m)
PVC 100 150 125
PVC 150 150 165
PVC 200 150 225
PVC 250 150 275
PVC 300 150 385
PVC 350 150 425
PVC 400 150 515
PVC 450 150 575
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1. Revisión de datos del modelo
En el Menú despegable seleccionar File/Open ó Ctrl+O, buscar y abrir el archivo existente “Taller N°3_Inicio_Diseño.wtg”. Debiéndose visualizar la red del Gráfico N° 3 de la página 1.
Primero verificaremos los datos físicos y de demanda.
Datos de las tuberías a presión:
Hacer click en el en el botón FlexTables ó Ctrl +
7, para mostrar las tablas dinámicas. Seleccionar Pipe Table.
Observe que inicialmente todas las tuberías tienen un diámetro inicial de 100 mm, los cuales se
modificarán en base al dimensionamiento óptimo a realizar.
Nota: Edite la tabla de tal forma que contenga las mismas columnas mostradas.
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Datos de las Uniones a presión:
Ingrese a la tabla de las
uniones (Junction Table) y verifique que
las elevaciones de
terreno de las uniones
coincidan con lo
señalado en la tabla que se muestra a
continuación:
Nota: Edite la tabla de
tal forma que contenga
las mismas columnas mostradas.
Datos del Reservorio:
Ingrese a la tabla de las uniones y verifique
que las elevaciones de terreno de las uniones
coincidan con lo señalado en la tabla que se muestra a continuación:
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Datos de demandas en las uniones a presión:
Para visualizar la demanda requerida en cada uno de las uniones, hacer click en Demand Control Center (Centro de Control de Demandas).
En el mensaje de la derecha hacer click en
Yes (Si)
Recuerde que el dimensionamiento óptimo de una red de distribución de agua, se realiza para la demanda máxima, en el presente taller verifique que la demanda asignada a cada nudo coincida con la
demanda máxima horaria señalada en la página N° 86.
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2. Configuración del modelo para el dimensionamiento óptimo
El dimensionamiento óptimo, en forma automática o manual, con el WaterCAD/GEMS se realiza
aplicando el módulo Darwin Designer.
Para lo cual haga click en el botón o en el menú despegable Analysis / Darwin Designer.
En el primer botón de la izquierda , elegir New
Designer Study (Nuevo Estudio de Diseño).
Renombre ”New Design Study – 1” por “Diseño_óptimo_1”, debiendo visualizar:
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En la pestaña Design Event (Evento de
diseño), haga click en el botón New. Seleccione el nuevo evento de diseño
“New Design Event – 1” y haga click
en el botón para renombrarlo
como “Evento de Diseño”
Ahora configure el “Evento de diseño”, con las restricciones hidráulicas de presión y velocidad,
debiendo observar:
En la parte inferior, seleccione la pestaña “Pressure Constraints”, haga click en el botón “Select
from Drawing” y en la ventana de dibujo con el puntero seleccione todas la uniones a presión, enseguida haga click derecho y selecciones Done.
+
+
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Con este procedimiento se selecciona las uniones cuyas cotas piezométricas son incógnitas,
debiendo visualizarse:
Seleccione la pestaña “Flow Constraints”, haga click en el botón “Select from Drawing” y
en la ventana de dibujo con el puntero seleccione todas la tuberías a presión, enseguida haga click derecho y selecciones Done.
+
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Ingrese a la pestaña “Design Groups” (Grupos de diseño) haga click en el botón “Select
Elements for Demand Group” , luego en la ventana Design Group Generator hacer click en OK. Debiendo obtener la siguiente imagen:
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En la pestaña Cost/Properties, en el botón New , elegir Design Option Groups.
La opción de grupos de diseño “New Pipe – 1” renombrarlo como “Costo_Tuberías” e ingresa la
información de costos unitarios para cada uno de los diámetros disponibles, debiendo quedar como:
En la pestaña Design Type, observe que el tipo de objetivo es minimizar el costo (Minimize Cost):
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3. Ejecución del dimensionamiento óptimo (Automático)
En el botón de la izquierda New , selecciones New Optimized Design Run (Ejecución de Nuevo Diseño
Optimizado).
Renombre “New Optimized Design Run – 1” como “Diseño_Optimizado_1”:
Ingrese a la pestaña “Design Groups”, en la columna
Cost/Properties haga click
derecho y selecciones Global
Edit y en esta ventana, elija
como operación SET y como valor Costo_Tuberías
Haga click en OK.
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Observe que para cada uno de las tuberías en la columna Cost/properties se ha seleccionado
“Costos_Tuberías”.
En la pestaña Options, verifique los parámetros que usa la técnica de búsqueda “Algoritmos
Genéticos), para realizar la búsqueda de las combinaciones de diámetros,
Observe que el
programa
presentará las 03
soluciones más
óptimas.
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Teniendo seleccionado “Calibración_Optimizado” haga click en el botón para ejecutar
la calibración optimizada.
Se observará que durante la
ejecución del dimensionamiento, el
programa realizará una serie de iteraciones para realizar el ajuste.
Al finalizar las iteraciones debemos
visualizar el siguiente mensaje:
Dimensionamiento optimizado
completado satisfactoriamente.
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Seleccione Solutions para observar en la parte derecha las 03 soluciones más óptimas que ha
mantenido.
Ahora, seleccionado la Solución 1 (Solution 1), en la parte derecha podemos visualizar la
relación de tuberías dimensionadas con su respectivo diámetro optimizado.
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Ingrese a la pestaña Simulated Results (Resultados de simulación) seleccione Pressure para
visualizar las presiones calculadas para la solución 1. Observe en todos los nodos se cumple con la
restricción técnica de presión mínima y máxima.
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Estando en la misma ventana seleccione Flow para visualizar las velocidades calculadas para la
solución 1. Observe en todas las tuberías se cumple con la restricción técnica de velocidad mínima
y máxima.
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Para exportar los resultados en un nuevo
escenario haga click en el botón
En la ventana Export to Scenario,
verifique la siguiente configuración:
.
Haga click en OK y luego cerrar la ventana de Darwin Designer.
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4. Verificación de los resultados del dimensionamiento óptimo (Automático)
En el menú despegable Analysis seleccione Scenarios.
En la ventana de Escenarios
(Scenarios), seleccione y
actualice con el botón el escenario
“Diseño_Optimizado_1-1”.
Haga click en el ícono
Compute
Ingrese a las tablas de uniones y tuberías a presión para verificar los resultados:
En el caso de las uniones, observe que las presiones resultantes cumplen con las restricciones
hidráulicas de presión mínima y máxima:
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En el caso de las tuberías, observe que las velocidades resultantes cumplen con las restricciones
hidráulicas de velocidad mínima y máxima:
Recomendación: En todo diseño optimizado, siempre es necesario verificar la “arquitectura
hidráulica”, quiere decir, que los diámetros deber ir de mayor a menor desde las fuentes hasta las
zonas más alejadas.
Para ello podemos colorear la red en base a los diámetros, seleccione en el menú View seleccione
Element Symbology o haga click en el botón , para poder colorear el Modelo.
En la ventana Element
Symbology, haga click derecho
sobre Pipe y elija New y Color Coding.
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Configure la ventana Color
Coding Properties, como
se muestra a la derecha.
Diámetro
(mm) Color
100 Celeste
150 Rojo
200 Azul
250 Verde
300 Amarillo
350 Fucsia
400 Anaranjado
450 Marrón
Haga click en Apply y luego OK, debiendo observar lo siguiente:
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Ejercicio Adicional:
Verifique el dimensionamiento óptimo para la condición de demanda mínima.
Pistas:
1) En la ventana de alternativas, seleccione en la alternativa Demand y haga click derecho sobre
Base Demand y elija New - Child alternative, la nueva alternativa nombrarlo como
“Demanda Mínima”. 2) En la ventana de escenarios, haga click derecho sobre el escenario “Diseño_Optimizado_1-1”
y elija New - Child Scenario, el nuevo escenario nombrarlo como
“Verificaciòn_Diseño_Demanda_Mínima”. Este último escenario actualízalo haciendo click
en el botón . Active la ventana de propiedades de este escenario y cambiar la alternativa de demanda por “Demanda Mínima”
3) Teniendo como actual el escenario “Verificaciòn_Diseño_Demanda_Mínima”, ingrese al en
Demand Control Center (Centro de Control de Demandas) e ingrese la demanda mínima para cada unión.
4) Haga click en el ícono Compute, para ejecutar el escenario “Verificaciòn_Diseño_Demanda_Mínima”
5) Verifique los resultados de la presión en los nudos, debiendo obtener:
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Tema N° 4: Simulación en Periodos Extendidos
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MMOODDEELLAAMMIIEENNTTOO CCOOMMPPUUTTAARRIIZZAADDOO DDEE SSIISSTTEEMMAASS DDEE
DDIISSTTRRIIBBUUCCIIÓÓNN DDEE AAGGUUAA
Taller N° 4
CONTENIDO
Análisis hidráulico de una red de distribución en periodos extendidos (flujo no permanente), considerando reservorio, bomba, tanque, tuberías a presión y uniones a
presión. Asignación de patrones de consumo
Controles operacionales
Costos de energía
Preparado por: Ing. Yuri Marco Sánchez Merlo
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Taller N° 4
Simulación en Periodos Extendidos
Realizar el análisis hidráulico en periodos extendidos de la red de distribución de agua mostrada en la
siguiente figura:
Aplicando escenarios y alternativas, generaremos 03 escenarios:
Simulación N°1: Se analizará para un periodo de 24 horas, el control de encendido y apagado de
las bombas PMP-1 y PMP-2 se realizará en función al nivel de agua en el tanque T-1, el Escenario se
denominará “Escenario N°1: Control del nivel de agua en el Tanque”.
Simulación N°2: En esta segunda simulación en periodos extendidos (24 horas), analizaremos la
red considerando el bombeo directo a la red pero sin el tanque de almacenamiento, debiendo
desactivar la tubería P-25 y el tanque T-1, por lo que el control de encendido y apagado de la bomba
PMP-2 se realizará en función al caudal que circula en el tramo P-6, el Escenario lo denominaremos “Escenario N°2: Sin Tanque”.
Simulación N°3: La tercera simulación en periodos extendidos (24 horas), consistirá en realizar la
simulación en periodos extendidos de la misma red de distribución trabajada en el Escenario N° 2,
considerando bombeo directo a la red a velocidad variable, el Escenario lo denominaremos “Escenario N°3: Sin Tanque – Bomba de Velocidad Variable”.
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1. Creación e Ingreso de los Patrones Hidráulicos de Demanda
En el Menú despegable seleccionar File/Open ó Ctrl+O, buscar y abrir el archivo existente
“Taller N°4.wtg”. Debiéndose visualizar la red mostrada en la página 1. Este archivo contiene el
modelo ya elaborado, donde ya se ingresó los datos físicos (elevaciones en las uniones, elevaciones
en el tanque, características de la bomba, características de las tuberías), datos de demanda (Demanda promedio de agua en las uniones), dato de condiciones iniciales (Nivel de agua inicial en
el tanque, bomba PMP-1 encendida, bomba PMP-2 apagada)
Para realizar el Análisis Hidráulico en Periodos Extendidos, debemos ingresar al programa de
cómputo la variación de cada tipo de consumo durante el periodo de análisis, a través de los
Patrones Hidráulicos (Pattern Hidraulic), los cuales luego se asignarán a cada unión a presión (Pressure Junction).
Para el presente Taller crearemos dos patrones de consumo los cuales denominaremos: uno
“Residencial” y el otro “Comercial”.
En el menú despegable seleccionar
Components / Patterns.
Debiendo aparecer la ventana de la derecha Patterns.
Para el caso de patrones de
consumo deberá seleccionar la
categoría de patrones hidráulicos “Hydraulic”.
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Hacer click en el botón
New e ingresar el
nombre del patrón de
consumo como “Residencial”.
Ingresar los valores
mostrados en la ventana
de la derecha.
El Tiempo inicial (Start
Time), definir como:
00:00:00 ó 12:00:00 a.m., depende de la
configuración de su
Sistema operativo
Windows.
Como multiplicador
inicial (Starting
Multiplier) digitar
1.10, en formato de patrón (Pattern
Format) seleccionar:
Continuo (Continous)
Completar la tabla inferior como se
muestra.
Observa que el multiplicador inicial (Starting Multiplier) debe coincidir con el último multiplicador
(Multiplier)
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Nuevamente, hacer
click en el botón New
e ingresar el nombre
del otro patrón de consumo como
“Comercial”.
Ingresar los valores
mostrados en la ventana de la derecha.
El Tiempo inicial
(Start Time), definir como: 00:00:00 ó
12:00:00 a.m., depende
de la configuración de
su Sistema operativo
Windows.
Como multiplicar
inicial (Starting
Multiplier) digitar 1.20, en formato de
patrón (Pattern
Format) seleccionar:
Continuo
(Continous)
Completar la tabla
inferior como se
muestra.
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Ahora, los patrones de consumo creados, deberán ser asignados a las uniones a presión (Pressure
Junctions) correspondiente, de la siguiente manera:
Hacer click en Demand Control Center (Centro de Control de Demandas)
En la columna Pattern (Demand), asignar el
patrón correspondiente a cada una de las uniones,
como se muestra al lado derecho.
Luego cerrar la ventana (Close).
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2. Configuración de la eficiencia de las bombas del sistema
Ahora, vamos a definir la
eficiencia de la bomba, para
ello en el menú despegable
seleccionar Components y Pump Definitions.
Seleccione la “Bomba-1”.
Observar que dicha bomba
ya tiene ingresado sus características (Curva de la
bomba, definida por 03
puntos).
Ingrese a la pestaña Eficiencia (Efficiency).
Seleccione como Eficiencia
de bomba (Pump Efficiency) a Best
Eficiency Point.
Ingrese en BEP Flow: 80
l/s y en BEP Efficiency, una eficiencia de 75%.
Hacer click en Close.
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Ahora en la ventana de propiedades de la bomba PMP-1,
seleccionar en Definición de Bomba (Pump Definition) “Bomba-
1”.
Lo mismo en la ventana de propiedades de la bomba PMP-2,
seleccione en Definición de Bomba (Pump Definition) “Bomba-
1”.
Observe que el estado inicial (Status (Initial)), de la PMP-1 es
ON (Encendido) y de la PMP-2 es OFF (Apagado), esto es para
la hora inicial de cálculo (00:00:00 horas).
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3. Configuración de Controles Operacionales
En el Escenario N° 1, el funcionamiento de las bombas (Encendido y apagado), se establecerán de
acuerdo al nivel de agua en el tanque de almacenamiento, así:
Si nivel de agua en tanque T-1 es mayor a 54 m entonces bomba PMP-2 debe apagarse.
Si nivel de agua en tanque T-1 es mayor a 55 m entonces bomba PMP-1 debe apagarse. Si nivel de agua en tanque T-1 es menor a 53 m entonces bomba PMP-1 debe encenderse.
Si nivel de agua en tanque T-1 es menor a 52 m entonces bomba PMP-2 debe encenderse.
Condición (Condition) Acción (Action)
En el menú despegable seleccionar Components y
Controls.
Debiendo mostrase la siguiente ventana:
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Seleccione la pestaña Conditions. Luego haga click en el botón New y seleccione la opción Simple.
Configurar la primera condición (Conditions) como se muestra a continación:
Condition Type: Element
Element: T-1 (Para ubicar el Tanque T-1 hacer uso del botón ) Tank Attribute: Hydraulic Grade (Cota piezométrica ó cota de nivel de agua en el tanque)
Operator: >
Hydraulic Grade: 54 m.
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Realice el mismo procedimiento realizado para la primera condición, para crear las 03 condiciones
restantes, debiendo verse la pestaña Conditions como sigue:
Ahora, seleccione la pestaña Actions. Luego haga click en el botón New y seleccione la opción Simple.
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Configurar las acciones (Actions), debiendo mostrarse como sigue:
A continuación, seleccione la pestaña Controls, para configurar los controles combinando las
condiciones y acciones creadas anteriormente, luego haga click en el botón New . En la parte inferior se despliega las opciones de configuración donde el opeador <IF> solicita una condición,
mientas los operadores <THEN> y <ELSE> piden se seleccione las acciones correspondientes. A continuación se observa la creación del primer control:
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Crear los controles restantes, debiendo mostrarse lo siguiente:
Los 04 controles lógicos creados, serán utilizados en el Escenario N°1, para ello debemos hacer que estos controles se agrupen en un “SET” de controles lógicos.
Ingrese a la pestaña Logical Control Sets. Hacer click en el botón New .
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En la ventana Logical
Control Set, añadir (con
el botón Add) los cuatro controles lógicos de la
izquierda a la derecha,
como se muestra.
Luego hacer click en OK.
Nombre el Grupo de Control (Control Set) como “Controles del Tanque”. Luego cerrar la
ventana.
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4. Creación del Escenario N°1: Control del nivel de agua en el Tanque
En la ventana de alternativas, seleccionar la
alternativa Operational (Operacional), hacer
click derecho y seleccione New y luego Base
Alternative y nombrarlo como “Control del
nivel de agua en el Tanque”.
Ahora debe hacer doble click sobre la alternativa creada “Control del nivel de agua en el Tanque”. En la siguiente ventana seleccionar en Control Set “Controles del Tanque”,
debiendo mostrar lo siguiente:
Hacer click en Close.
En la ventana de escenarios, sobre el
escenario “Base” hacer click derecho y
seleccione New y luego Base Scenario,
nombre el nuevo escenario como
“Escenario N°1: Control del nivel de agua en el Tanque”.
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Ingrese en la ventana de Calculation
Options, hacer doble click sobre la
opción de cálculo Base y configúrelo
como se muestra a la derecha.
En la ventana de propiedades de la
opción de cálculo Base, seleccione en
Time Análisis Type “EPS” (Simulación en Periodos Extendidos”. Como tiempo
inicial (Start Time) las 12:00:00 a.m. ó
00:00:00, dependerá de la configuración
del sistema Windows.
La duración (Duration) será 24 horas, el
paso de tiempo hidráulico (Hydraulic
Time Step) de 1 hora (Quiere decir
que el programa nos proporcionará
resultados hidráulicos cada hora)
Regresando a la ventana de escenarios,
hacer doble click sobre el escenario
“Escenario N°1: Control del nivel de
agua en el Tanque”, para activar su ventana de propiedades.
Modificar la alternativa de operacional
(Operational), seleccionando la
alternativa “Control del nivel de agua en el Tanque”.
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5. Ejecución del Escenario N° 1
En la ventana de Escenarios, seleccionar el
escenario “Escenario N°1: Control del nivel de agua en el Tanque” y haga click en el botón
Compute .
Debiendo obtener la
siguiente ventana, donde se aprecia el
resumen de los
resultados de la
simulación en periodos
extendidos:
Observe que se
muestra resultados para cada paso de
tiempo hidráulico 01
hora, existiendo
también horas intermedias, las cuales
corresponden a un
cambio operacional
ocurrido con algún
elemento.
Trials, significa el
número de iteraciones
que realizó el programa para balacear
la red para cada uno de
los pasos de tiempo
hidráulico.
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6. Visualización y verificación de resultados del Escenario N°1
Observaremos gráficos de variación del nivel de agua en el tanque T-1 y la variación del caudal de la
bomba PMP-1, para ello haremos uso de gráficos temporales:
Sobre el elemento
Tanque T-1, hacer click
derecho y seleccionar
Graph.
En la ventana de la
derecha en Fields
(Campos) elegir sólo
Hydraulic Grade (Cota piezométrica).
Luego hacer click en
OK.
Mostrándose, la gráfica de variación del nivel de agua (cota piezométrica) en el Tanque T-1.
Tener presente que en la parte superior existe la etiqueta Data, en la cual podrá observar los
valores del nivel de agua del tanque para las diferentes horas.
DDiipplloommaaddoo eenn IInnggeenniieerrííaa SSaanniittaarriiaa:: MMooddeellaammiieennttoo CCoommppuuttaarriizzaaddoo ddee SSiisstteemmaass ddee DDiissttrriibbuucciióónn ddee AAgguuaa PPáággiinnaa 134
PPrrooggrraammaa WWaatteerrCCAADD // WWaatteerrGGEEMMSS VV88ii EEllaabboorraaddoo ppoorr:: IInngg.. YYuurrii MMaarrccoo SSáánncchheezz MMeerrlloo
Sobre el elemento
Bomba PMP-1, hacer
click derecho y
seleccionar Graph.
En la ventana de la
derecha en Fields
(Campos) elegir sólo
Flow (Flujo).
Luego hacer click en
OK.
Obsérvese la gráfica del caudal de bombeo, apreciándose que la bomba PMP-1 se apagó 03 veces.
En la parte superior existe la etiqueta Data, donde podremos observar los valores del caudal de
bombeo de la bomba PMP-1.
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Ahora vamos a graficar las curvas de variación de presiones de los nudos J-3, J-8, J-11 y J-18, para ello
haremos uso de otra forma de visualizar gráficos, los cuales podrán guardarse en forma permanente:
Hacer click en el botón Graphs .
Ahora, en la ventana Graphs, haga click en el
botón New y seleccionar Line Series Graph.
Deberá visualizar, la ventana Select.
Con el botón , seleccionar las uniones J-3, J-8, J-11 y J-16, luego hacer click derecho y elegir
Done.
En la ventana de la derecha,
hacer un check
en Pressure
(Presión).
Debe quitar el
check en
Hydraulic
Grade (Cota piezométrica).
Luego hacer click en OK.
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Curvas de variación de presión de los nudos J-3, J-8, J-11 y J-16.
En la ventana Graphs, renombre el
gráfico creado como: “Curvas de
Variación de Presiones en
uniones J-3, J-8, J-11 y J-16”.
Luego, cerrar la ventana Graphs.
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7. Creación de Escenario N°2: Bombeo Directo sin Tanque a Velocidad
Constante
El Escenario N°2, consistirá en realizar la simulación en periodos extendidos de la misma red de distribución trabajada en el Escenario N°1, considerando bombeo directo a la red sin el tanque de
almacenamiento T-1.
Para ello utilizaremos el mismo modelo el Escenario N°1, desactivando la tubería P-25 y el tanque T-1, haciendo uso de la alternativa topológica (Activar y desactivar elementos del modelo)
Asimismo, los controles operacionales de encendido y apagado de la bomba PMP-2 estará
condicionada al caudal que circule por la tubería P-6.
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Primero, desactivaremos la tubería P-25 y el Tanque T-1.
En la ventana de alternativas, seleccionar la
alternativa Base Active Topology
(Topología Activa Base), hacer click
derecho y seleccione New y luego Child
Alternative.
Esta nueva alternativa topológica,
nombrarlo como “Sin Tanque”.
Hacer doble click en la alternativa “Sin
Tanque”.
En lo que corresponde a
Pipe (Tubería), desactive la
tubería P-25, quite el check
en la columna “Is Active?”
Ahora, ingrese a la etiqueta
Tank, desactive la tanque
T-1, quite el check en la columna “Is Active?”
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Observe que mediante las alternativas topológicas Ud. puede activar y desactivar elementos de su modelo.
Ahora, crearemos un escenario denominado “Escenario N°2: Sin Tanque”.
En la ventana de escenarios, sobre el escenario
“Escenario N°1: Control del nivel de agua
en el Tanque” hacer click derecho y seleccione
New y luego Child Scenario.
El nuevo escenario renómbrelo como
“Escenario N°2: Sin Tanque”.
Teniendo seleccionado el nuevo escenario, hacer
click en , para que este escenario sea el
activo (Make current).
En la ventana de escenarios, hacer doble click
sobre el escenario “Escenario N°2: Sin
Tanque”, para activar su ventana de
propiedades.
Modificar la alternativa de Topología activa
(Active Topology), seleccionando la
alternativa “Sin Tanque”.
Tener en cuenta que las otras alternativas
serán las mismas que para la primera
simulación.
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En el Escenario N°2, el funcionamiento de la bomba PMP-2 (Encendido y apagado), se establecerá de acuerdo al
caudal que circula en la tubería P-6, así:
Si caudal en la tubería P-6 mayor o igual a 65 l/s entonces bomba PMP-2 debe encenderse si no bomba PMP-2 debe apagarse.
Condición (Condition) Acciones (Actions)
En el menú despegable seleccionar nuevamente
Components y Controls.
En la ventana de Controles (Controls), seleccione la pestaña Conditions. Luego haga click en el botón New
y seleccione la opción Simple.
Configurar la condición (Conditions), para este Escenario N°2, como se muestra a continación:
Condition Type: Element
Element: P-6 (Para ubicar la tubería P-6 hacer uso del botón ) Pipe Attribute: Flow (Caudal o Flujo)
Operator: >=
Discharge: 65 l/s.
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A continuación, seleccione la pestaña Controls, para configurar los controles combinando las condicion y
acciones creadas anteriormente, haga click en el botón New . En la parte inferior se despliega las opciones de configuración donde el opeador <IF> solicita una condición, mientas los operadores <THEN> y <ELSE>
piden se seleccione las acciones correspondientes. A continuación se observa la creación del control:
Este último control lógico creado, será utilizado en el Escenario N°2, para ello debemos hacer que este control
integre un “SET” de controles lógicos.
Ingrese a la pestaña Logical Control Sets. Hacer click en el botón New .
En la ventana Logical
Control Set, añadir (con
el botón Add) el último control lógico de la
izquierda a la derecha,
como se muestra.
Luego hacer click en OK.
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Nombre el nuevo Grupo de Control (Control Set) como “Bomba PMP-2 controlado por el caudal
en P-6”. Luego cerrar la ventana.
En la ventana de alternativas, seleccionar la alternativa
Operational (Operacional), hacer click derecho y
seleccione New y luego Base Alternative y nombrarlo
como “Control sin Tanque”.
Ahora debe hacer doble click sobre la alternativa creada “Control sin Tanque”. En la siguiente ventana
seleccionar en Control Set “Bomba PMP-2 controlado por el caudal en P-6”, debiendo mostrar lo
siguiente:
Hacer click en Close.
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Ingrese nuevamente a la ventana de escenarios.
Hacer doble click sobre el escenario “Escenario
N°2: Sin Tanque”, para activar su ventana de
propiedades.
Modificar la alternativa de operacional
(Operational), seleccionando la alternativa
“Control sin Tanque”.
Otra vez, estando en la ventana de Escenarios,
seleccionar el escenario “Escenario N°2: Sin
Tanque” y haga click en el botón Compute
.
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Debiendo obtener la siguiente ventana, donde se aprecia el resumen de los resultados de la simulación en
periodos extendidos del Escenario N°2:
Grafique las curvas de variación de presión de los nudos J-3, J-8, J-11 y J-16, para el Escenario N°2, debiendo
observase:
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Ahora, grafique la curva de variación de caudal de la PMP-1, debiendo observar:
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8. Creación de Escenario N° 3: Bombeo Directo sin Tanque a Velocidad Variable
El Escenario N° 3, consistirá en realizar la simulación en periodos extendidos de la misma red de distribución
trabajada en el Escenario N° 2, considerando bombeo directo a la red a velocidad variable.
En la ventana de alternativas, seleccionar la
alternativa Base Physical (Física Base),
hacer click derecho y seleccione New y
luego Child Alternative.
Esta nueva alternativa topológica,
nombrarlo como “Bomba de Velocidad
Variable”.
Hacer doble click en la alternativa “Bomba de velocidad variable”. Ingrese a la ventana Pump (Bomba),
ahora en lo que respecta a la Bomba PMP-1 en la columna “VSP Type” seleccione Fixed Head y luego
active la columna “Is Variable Speed Pump?”. Asimismo, considere como Control Node (Nodo de control)
a la unión J-3 y en Hydraulic Grade (Target) (Cota piezométrica objetivo) 60 m, debiendo mostrar lo
siguiente:
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Ahora, crearemos un escenario denominado “Escenario N° 3: Sin Tanque – Bomba de Velocidad
Variable”.
En la ventana de escenarios, sobre el escenario
“Escenario N°2: Sin Tanque” hacer click derecho
y seleccione New y luego Child Scenario.
El nuevo escenario renómbrelo como “Escenario
N°3: Sin Tanque – Bomba de Velocidad
Variable”.
Teniendo seleccionado el nuevo escenario, hacer
click en , para que este escenario sea el actual
(Make current).
En la ventana de escenarios, hacer doble click
sobre el escenario “Escenario N° 3: Sin
Tanque – Bomba de Velocidad Variable”,
para abrir su ventana de propiedades.
Modificar la alternativa física (Physical),
seleccionando la alternativa “Bomba de
velocidad variable”.
Otra vez, estando en la ventana de Escenarios,
seleccionar el escenario “Escenario N° 3: Sin
Tanque – Bomba de Velocidad Variable” y haga
click en el botón Compute .
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Debiendo obtener la siguiente ventana, donde se aprecia el resumen de los resultados de la simulación en
periodos extendidos del Escenario N° 3:
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Grafique las curvas de variación de presión de los nudos J-3, J-8, J-11 y J-16, para el Escenario N° 3, debiendo
observase:
Ahora, grafique la curva de variación de presiones en la unión J-3 para los tres escenarios, debiendo observar:
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También, grafique la curva de variación de presiones en la unión J-16 para los tres escenarios, debiendo
observar:
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9. Costo de Energía
Ahora calcularemos los costos de energía para los 03 escenarios analizados. En el menú despegable seleccionar
Analysis y luego Energy Costs.
En la ventana Energy Costs, seleccione el botón
Energy Pricing
La ventana Energy Pricing,
configurarlo considerando una
estructura tarifaria, con un
precio constante de S/. 0.15 /
kWh, para las 24 horas, sin
incluir cargo por demanda pico.
Haga clic en Close.
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En la ventana Energy Costs, en la columna Energy Princing tanto para ambas bombas PMP-1 y PMP-2
seleccione Energy Princing.
Ahora, elegir el “Escenario N°1: Control del Nivel de Agua en el Tanque”.
Luego hacer click en el botón (Compute).
Debiendo observar:
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Ahora señale la bomba PMP-1.
Seleccione la pestaña Graph, y en el menú despegable seleccione Wire Water Efficiency.
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10. Resultados
Responder:
Para las tuberías
Pregunta
Simulación 1 Simulación 2 Simulación 3
Tubería Valor Tubería Valor Tubería Valor
¿A las 14 horas, qué tubería tiene la mayor velocidad y cuál es su valor en m/s?
¿Qué tubería tiene la mayor pérdida de carga y
cuál es su valor en pies, a las 8 horas?
Para las uniones
Pregunta
Simulación 1 Simulación 2 Simulación 3
Unión Valor Unión Valor Unión Valor
¿A la hora de mínimo consumo, qué unión tiene
la menor cota piezométrica y cuál es su valor en m?
¿A qué hora se presenta la menor presión en el sistema, cuál es su valor en PSI y en qué Nudo se presenta?
Para las bombas y tanque
Pregunta
Simulación 1 Simulación 2 Simulación 3
Valor Valor Valor
¿A las 18 horas, cuál es el nivel de agua en el tanque en m?
- -
¿A las 20 horas, cuál es el caudal de bombeo en l/s
de la bomba PMP-1?
Costos de Energía
Pregunta
Simulación 1 Simulación 2 Simulación 3
Valor Valor Valor
¿Cuál es el Costo Diario de Energía?
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Tema N° 5: Calidad de agua en redes de distribución de agua
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MMOODDEELLAAMMIIEENNTTOO CCOOMMPPUUTTAARRIIZZAADDOO DDEE SSIISSTTEEMMAASS DDEE
DDIISSTTRRIIBBUUCCIIÓÓNN DDEE AAGGUUAA
Taller N° 5
CONTENIDO
Análisis Calidad de Agua
Variación de la Concentración de Cloro. Tiempo de permanencia del Agua ó Edad del Agua.
Análisis de Trazas
Preparado por: Ing. Yuri Marco Sánchez Merlo
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Taller N° 5
Análisis Calidad de Agua
De la siguiente red de distribución de agua, realizaremos las siguientes 03 simulaciones:
Simulación N°1: Se analizará para un periodo de 96 horas, la variación del cloro residual en el
sistema, el Escenario lo denominaremos “Análisis de Cloro Residual”.
Simulación N°2: En esta segunda simulación en periodos extendidos (24 horas), analizaremos el
tiempo de permanencia del agua en la red, el Escenario lo denominaremos
“Análisis de Edad del Agua”.
Simulación N°3: La tercera simulación en periodos extendidos (24 horas), realizaremos el análisis
de trazas de la red, el Escenario lo denominaremos “Análisis de Trazas”.
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1. Definición del Constituyente
En el Menú despegable seleccionar File/Open ó Ctrl+O, buscar y abrir el archivo existente
“Taller N°4.wtg”. Debiéndose visualizar la red mostrada en la página 105. Este archivo contiene el modelo ya elaborado, donde ya se ingresó los datos físicos (elevaciones en las uniones, elevaciones
en el tanque, características de la bomba, características de las tuberías), datos de demanda
(Demanda promedio de agua en las uniones), dato de condiciones iniciales (Nivel de agua inicial en
el tanque, bomba PMP-1 encendida, bomba PMP-2 apagada). También ya se tiene asignado los Patrones Hidráulicos asignados a cada unión.
En la ventana de alternativas, seleccionar la
alternativa Constituent (Constituyente), hacer clic
derecho y seleccione New y luego Base
Alternative y nombrarlo como “Cloro”.
Hacer doble clic en la alternativa “Cloro”.
Teniendo seleccionado la pestaña Constituent System Data, hacer clic en el botón
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En la siguiente ventana, renombrar “Constituent” por “Cloro”, luego en el lado derecho, ingrese
los siguientes valores:
Colocar un check en Concentración
ilimitada (Unlimited Concentration)
Difusividad (Diffusivity): 1.208e-009
m2/s
Tasa de Reacción Masiva (Bulk
Reaction Rate): -0.3 (mg/L)^(1-n)/day
Tasa de Reacción Pared (Wall
Reaction Rate): -0.305 m/d
Haga clic en Close.
En la siguiente ventana, seleccione “Cloro” como constituyente:
Ahora, ingrese a la pestaña Reservoir, y configure la concentración inicial en el reservorio como 1 mg/l.
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2. Configuración del Escenario N°1: Análisis de Cloro Residual
Ingrese a la ventana Calculation Options, haga clic en el botón New, renombre la nueva opción de
cálculo como: “Análisis de Cloro Residual”.
Hacer doble clic sobre la nueva opción de cálculo “Análisis de Cloro Residual”.
Configure la ventana de propiedades de la opción de
cálculo “Análisis de Cloro Residual”, como se
muestra a la derecha:
En Calculation Type, seleccione Constituent.
Como tiempo inicial (Start Time) las 12:00:00 a.m.
ó 00:00:00, dependerá de la configuración del sistema
Windows.
La duración (Duration) será 96 horas, el paso de
tiempo hidráulico (Hydraulic Time Step) de 1 hora
(Quiere decir que el programa nos proporcionará
resultados hidráulicos cada hora)
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En la ventana de escenarios, sobre el escenario
“Base” hacer clic derecho y seleccione New y luego
Base Scenario, nombre el nuevo escenario como
“Análisis de Cloro Residual”.
Hacer doble clic sobre el nuevo escenario “Análisis
de Cloro Residual”, para configurar las alternativas
de este escenario.
En la ventana de propiedades del escenario “Análisis
de Cloro Residual”, para activar su ventana de
propiedades.
Modifique la alternativa Constituent, como: “Cloro”
y en opciones de cálculo “Calculation Options”
seleccionar “Análisis de Cloro Residual
Retornando a la ventana de escenarios, seleccionar el
escenario “Análisis de Cloro Residual” y hacer
clic en el botón
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Debiendo obtener la siguiente ventana, donde se aprecia el resumen de los resultados de la
simulación en periodos extendidos:
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3. Visualizar resultados del Escenario: “Análisis de Cloro Residual”
Vamos a colorear la red de distribución en función a la concentración del cloro residual calculado.
Para ello ingrese al menú View seleccionar Element
Symbolgy.
Luego sobre Pipe hacer click derecho, seleccione New y luego Color Coding.
En la ventana de Color Coding Properties, realizar las siguientes acciones:
Primero, en Field Name, seleccione Concentration (Calculated).
Segundo, hacer clic en el botón Calculate Range y seleccione Full Range.
Tercero, en opciones seleccione Color and Size Cuarto, configure la tabla de la parte inferior derecha como se muestra a continuación.
Value <=
(mg/L) Color Size
0.25 Rojo 3
0.50 Azul 3
0.75 Verde 3
1.00 Fucsia 3
Luego, hacer clic en Ok.
Vamos insertar la leyenda de Concentration (Calculated):
En la ventana Element Symbology, sobre Concentration
(Calculated) hacer clic derecho y seleccione Insert Legend. Luego en la ventana de dibujo ubicar la leyenda.
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Para poder visualizar la evolución en el tiempo de la concentración del cloro residual, haga clic en el
botón EPS Results Browser – Navegador de resultados de SPE (Simulaciones en Periodos Extendidos). En la ventana EPS Results Browser, configurar la presentación para la hora 64 en la
parte que señala el tiempo (Time).
Debiendo visualizarse lo siguiente:
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4. Configuración del Escenario N° 2: Edad del Agua
En la ventana de alternativas, seleccionar la alternativa
Age (Edad), hacer clic derecho y seleccione New y luego Base Alternative y nombrarlo como “Edad de
Agua = 0”.
Hacer doble clic en la alternativa “Edad de Agua = 0”.
En la siguiente ventana, verifique que la Edad Inicial en cada elemento del modelo sea igual a cero
horas.
Ingrese a la ventana Calculation Options, haga
clic en el botón New, renombre la nueva opción de cálculo como: “Análisis de Edad del Agua”.
Hacer doble clic sobre la nueva opción de cálculo
“Análisis de Edad del Agua”.
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Configure la ventana de propiedades de la
opción de cálculo “Análisis de Edad del
Agua”, como se muestra a la derecha:
En Calculation Type, seleccione Age.
Como tiempo inicial (Start Time) las
12:00:00 a.m. ó 00:00:00, dependerá de la
configuración del sistema Windows.
La duración (Duration) será 960 horas, el
paso de tiempo hidráulico (Hydraulic
Time Step) de 1 hora (Quiere decir que el programa nos proporcionará resultados
hidráulicos cada hora)
En la ventana de escenarios, sobre el
escenario “Base” hacer clic derecho y
seleccione New y luego Base Scenario,
nombre el nuevo escenario como “Análisis de Edad del Agua”.
Hacer doble clic sobre el nuevo escenario “Análisis de Edad de Agua”, para
configurar las alternativas de este escenario.
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En la ventana de propiedades del escenario
“Análisis de Edad del Agua”:
Modifique la alternativa Age, como: “Análisis de Agua = 0” y en opciones de cálculo
“Calculation Options” seleccionar “Análisis
de Edad del Agua”.
Retornando a la ventana de escenarios, seleccionar
el escenario “Análisis de Edad del Agua” y
hacer clic en el botón
Debiendo obtener la siguiente ventana, donde se aprecia el resumen de los resultados de la
simulación en periodos extendidos:
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5. Visualizar resultados del Escenario: “Análisis de Edad del Agua”
Sobre el elemento Tanque T-1, hacer clic derecho y selecciones Graph y en la siguiente ventana
seleccione Results (Water Quality) y Age (Calculated).
Luego hacer clic OK. Debiendo mostrarse:
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6. Configuración del Escenario N° 3: Traza
En la ventana de alternativas, seleccionar la alternativa Trace (Traza), hacer clic derecho y seleccione New y luego
Base Alternative y nombrarlo como “Análisis de
Trazas para el Tanque T-1”.
Hacer doble clic en la alternativa “Análisis de Trazas
para el Tanque T-1”.
En la siguiente ventana, en el campo Trace Element, hacer clic en el botón y luego ubique y
seleccione en el modelo el Tanque T-1, como elemento para el análisis de trazas.
+
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Debiendo mostrar:
En la misma ventana, en la pestaña Tank, considere para el Tanque T-1, una traza inicial de 0%.
Hacer clic en Close.
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Ingrese a la ventana Calculation Options, haga click
en el botón New, renombre la nueva opción de cálculo
como: “Análisis de Trazas”.
Hacer doble clic sobre la nueva opción de cálculo
“Análisis de Trazas”.
Configure la ventana de propiedades de la opción de cálculo “Análisis de Trazas”, como se
muestra a la derecha:
En Calculation Type, seleccione Trace. Como
tiempo inicial (Start Time) las 12:00:00 a.m. ó 00:00:00, dependerá de la configuración del
sistema Windows.
La duración (Duration) será 24 horas, el paso de tiempo hidráulico (Hydraulic Time Step)
de 1 hora (Quiere decir que el programa nos
proporcionará resultados hidráulicos cada hora)
En la ventana de escenarios, sobre el escenario “Análisis
de Edad del Agua” hacer clic derecho y seleccione New
y luego Base Scenario, nombre el nuevo escenario como
“Análisis de Trazas”.
Hacer doble clic sobre el nuevo escenario “Análisis de
Trazas”, para configurar las alternativas de este escenario.
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En la ventana de propiedades del escenario
“Análisis de Trazas”:
Modifique la alternativa Trace, como: “Análisis
de Trazas” y en opciones de cálculo
“Calculation Options” seleccionar “Análisis
de Trazas”
Retornando a la ventana de escenarios, seleccionar el
escenario “Análisis de Trazas” y hacer clic en el
botón
Debiendo obtener la siguiente ventana, donde se aprecia el resumen de los resultados de la
simulación en periodos extendidos:
DDiipplloommaaddoo eenn IInnggeenniieerrííaa SSaanniittaarriiaa:: MMooddeellaammiieennttoo CCoommppuuttaarriizzaaddoo ddee SSiisstteemmaass ddee DDiissttrriibbuucciióónn ddee AAgguuaa PPáággiinnaa 186
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7. Visualizar resultados del Escenario: “Análisis de Traza”
Sobre el elemento Unión J-6, hacer clic derecho y selecciones Graph y en la siguiente ventana
seleccione Results (Water Quality) y Trace (Calculated).
Luego hacer clic OK. Debiendo mostrarse:
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Referencias Bibliográficas Básicas
1. HAESTAD METHODS. Advanced Water Distribution Modeling and Management. Haestad Press. USA. 2003.
2. HAESTAD METHODS AND BENTLEY INSTITUTE PRESS. Computer Applications in Hydraulic
Engineering, Haestad Press. USA. 2007.
3. Santiago Arnalich. Epanet y Cooperación – Introducción al Cálculo de Redes de Agua por
Ordenador, UMAN. 2007.
4. U.S. Enviromental Protection Agency. Water Distribution System Analysis: Field Studies, Modeling and Management, EPA. 2005.
5. Fair, G., Geyer J., Okun D. Abastecimiento de Agua y Remoción de Aguas Residuales. Limusa
Noriega Editores. 1999.
6. Juan Saldarriaga V. Hidráulica de Tuberías. Mc Graw Hill. Colombia. 1998.