DISEÑO DE ESTACIONES DE BOMBEO.pdf

DISEÑO DE ESTACIONES DE BOMBEO

Cátedra de OBRAS HIDRÁULICAS 2016

TEMAS: • INTRODUCCIÓN Acueductos y sus Estaciones de Bombeo Desagües Pluviales y sus Estaciones de Bombeo

Aguas Negras y sus Estaciones de Bombeo • CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LAS ESTACIONES DE BOMBEO • DISEÑO GENERAL DE LAS ESTACIONES DE BOMBEO • CONFIGURACIÓN GENERAL

• CONDICIONES EN LA ADUCCIÓN Cavitación Vorticidad Sumergencia • CONFIGURACIÓN Dársena Simple Dársenas Múltiples • OPERACIÓN DE LAS ESTACIONES DE BOMBEO

INTRODUCCIÓN  Acueductos y sus Estaciones de Bombeo  Desagües Pluviales y sus Estaciones de Bombeo

 Aguas Negras y sus Estaciones de Bombeo La creciente demanda de proyectos y obras relacionadas con estaciones de bombeo y acueductos ha generado la necesidad de disponer de una serie de herramientas de cálculo y diseño que permitan garantizar un comportamiento seguro de las obras en su etapa operativa. Estas notas tienen como propósito poner de manifiesto los principales problemas que exigen respuestas técnicas explícitas, las herramientas de que se dispone para su análisis y los criterios generales que deben enmarcar todo proyecto de este tipo. Los problemas que se deben enfrentar tienen un crecimiento directamente relacionado con la magnitud de las obras y con la garantía exigible por parte de la población en lo que se refiere a la salud (agua potable), seguridad (sistemas pluviales) y saneamiento (aguas negras).

Acueductos y sus estaciones de bombeo Los requerimientos de agua potable en niveles mínimos de calidad y cantidad dan como resultado un panorama de obras futuras caracterizadas por grandes dimensiones y costos. Estas dimensiones se relacionan tanto por los caudales a transportar como por la longitud de las conducciones. En un país como el nuestro, donde muchas de las áreas urbanas se encuentran asentadas en regiones de bajas pendientes, casi siempre que se debe conducir agua, se debe contar con el aporte de estaciones elevadoras que permitan su escurrimiento. Desagües pluviales y estaciones de bombeo Los desagües pluviales constituyen sistemas de conducción de aguas de origen superficial que las derivan generalmente hacia sistemas fluviales existentes y supuestamente mayores. Los problemas aparecen cuando, en un contexto en el cual las normativas que regulan el crecimiento urbano son inadecuadas (o sencillamente ignoradas), las obras municipales de pavimentación crecen en mucho mayor proporción que las de desagüe, con lo cual se crean situaciones de alta complejidad de resolución.

Desagües pluviales y sus estaciones de bombeo

Q variable

Se deben reconocer varias etapas y secciones de estudio: El avance en la ocupación de las planicies de inundación y En la seguridad aparente que revisten las obras.

Desagües cloacales o aguas negras y estaciones de bombeo Los desagües cloacales constituyen sistemas de conducción de aguas negras. El tipo de bombas a utilizar difieren de las vistas dada la composición del líquido, aunque se tratan como agua. La disposición final del efluente requiere de requisitos de elevar la energía para que escurra o dada la red cloacal de una determinada ciudad, permitir mediante la EB disponer finalmente el efluente en un cuerpo receptor.

Estaciones de Re Bombeo Existe una cuarta categoría de EB, utilizadas cuando en una línea se necesita incrementar la presión de toda el agua que llega, sin acumularla o cederla. Este tipo de instalación se denomina Estación de Rebombeo y se diferencia de las anteriores por carecer de pozo de bombeo. Por ende, el caudal impelente de la/s bomba/s debe ser igual al caudal entrante.

Entonces hemos incluido varios conceptos y diferencias que los vamos a indicar:     

.

Caudal de entrada / caudal de salida Con Pozo de bombeo o dársena de bombeo / sin dársena Cámara Húmeda / Cámara Seca Obras Civiles según la calidad de las aguas Existen otros conceptos que los veremos más adelante

CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LAS EB Las características de las estaciones de bombeo se distinguen en razón de sus diferentes usos. Los tres grandes grupos en que podemos clasificarlas, de acuerdo con su funcionalidad, son: las destinadas a la evacuación de desagües pluviales; las orientadas a la impulsión de agua para acueductos; y las estaciones de bombeo de líquidos cloacales. En general, las estaciones de bombeo de desagües pluviales responden a una modalidad: que las bombas se encuentran dentro de la dársena de bombeo donde se va a realizar el traspaso del agua. En este caso se utilizan bombas dispuestas según dos configuraciones posibles: bombas con motor sumergido o bombas con motor en seco. También es usual que muchas de éstas contribuyan a la evacuación que se da naturalmente por gravedad, bien sea en forma conjunta o bien alternadamente de acuerdo con las condiciones de la restitución.

CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LAS EB Por otro lado, cualquiera sea el modo de operación adoptado, estas estaciones de bombeo intervienen en forma intermitente, en respuesta a la necesidad de evacuar las crecidas que son producto de los periodos de lluvias más intensas. Este carácter de operación discontinua deberá ser tenido en cuenta por el proyectista. Las estaciones de bombeo de los acueductos, en general, operan en forma continua, es decir que todo el tiempo están impulsando un cierto caudal, mas allá de que mediante alguna cisterna puedan hacerlo en forma de variar la cantidad de horas que operan las bombas.

CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LAS EB Es posible clasificar estas estaciones de bombeo según dos criterios: El primero de ellos concierne las instalaciones en las que las estaciones de bombeo están asociadas a una cisterna, la cual a su vez puede adquirir dos configuraciones posibles: con cámara seca o cámara húmeda. Estas tipologías se identifican con las bombas si éstas se encuentran dentro del cuenco o cisterna donde se acumula el agua que será bombeada; o si se encuentran fuera del agua, o sea en seco, conectándose mediante las tuberías respectivas a la cisterna. El segundo criterio está asociado con el lugar donde se ubica la estación de bombeo. Es común utilizar dos posiciones bien diferenciadas: bombeo desde la cisterna; o bombeo desde la misma tubería. En este último caso se las denomina en línea, haciendo referencia a que impulsan directamente sobre la línea de conducción de agua: Rebombeo.

DISEÑO GENERAL DE LAS EB  Costo de Operación y de obra mínimos  Caudal máximo de bombeo  Volumen de la dársena o cámara de bombeo Que el costo sea mínimo incluye un número mínimo de bombas (menor obra civil) y un mínimo costo de operación. El caudal máximo dependerá de la función de la EB. El volumen de la dársena será una función de la cantidad de bombas que se coloquen en la EB.

DISEÑO GENERAL DE LAS EB 1.- CONFIABILIDAD: Las EB son uno de los puntos más vulnerables de la instalación hidráulica. Su falla manifestada como salida de servicio puede causar un daño muy grande no solo a la instalación en si misma, sino a los propios usuarios. Por caso, la salida de servicio de una EB de drenajes pluviales en el momento de la máxima tormenta podría causar un daño por inundación a las viviendas cercanas de esa cuenca, interrupción de otros servicios públicos esenciales (luz, gas, teléfono, agua, etc.) e incluso riesgo de accidentes fatales. De mismo modo, un EB cloacal que deja de funcionar por una falla puede anegar con líquidos residuales toda un área cercana a la estación, con riesgo cierto de contaminación. En síntesis, la falta de confiabilidad en el funcionamiento de una EB desbarata todos los beneficios que el proyecto de la instalación sanitaria o hidráulica pretendía traer a esa población. Consecuentemente, la primera consideración a tener en cuenta en el diseño de una EB es - precisamente - su confiabilidad de funcionamiento.

DISEÑO GENERAL DE LAS EB 2.- ECONOMÍA: Si bien por lo general el costo de una EB es pequeño comparado con el costo total de la instalación, ello no quiere significar que el mismo no deba ser considerado en el momento del diseño. Es importante aquí distinguir que servicio habrá de cumplir la EB. Si el servicio es continuo (como por ejemplo en la EB cloacales o de agua potable), prevalece el criterio del mejor rendimiento de los equipos de bombeo. Pero si se trata de una EB de aguas pluviales, donde la frecuencia de su funcionamiento es muy baja (sólo funcionan cuando llueve), el criterio del máximo rendimiento no es un atributo superior al resto. Sin perjuicio de ello, debe observarse que aún en una EB pluvial un buen rendimiento de las bombas puede hacer disminuir la potencia requerida de sus motores, bajando en consecuencia la potencia eléctrica instalada de la Estación. Ello es particularmente importante, a la hora de establecer las tarifas del servicio eléctrico.

DISEÑO GENERAL DE LAS EB 3.- ADAPTABILIDAD: Otro aspecto también importante en el diseño de una EB es la posibilidad de su adaptación a los cambios funcionales a lo largo del tiempo. Ello impone la necesidad de conocer cuáles habrán de ser al final de la vida útil del proyecto las condiciones de funcionamiento (básicamente el caudal). Partiendo de ese dato, se puede dimensionar un sistema modular que vaya incorporando unidades a medida que aumente la demanda.

En este sentido lo más apropiado es dimensionar la obra civil para la condición extrema de máxima capacidad y los equipamientos electromecánicos en función de las necesidades próximas. Respecto de esto último se abren dos posibilidades: La casa de bombas se diseña para alojar (por ejemplo) seis equipos, pero sólo se instalan cuatro, dejando vacíos los espacios restantes. Al cabo de cierto tiempo se coloca un quinto equipo igual a los anteriores y más tarde el sexto. La casa de bombas se diseña para alojar (por ejemplo) cuatro equipos de capacidad Q, pero al principio se instalan bombas de inferior caudal. Al cabo de cierto tiempo se reemplazan esos equipos por los originalmente previstos.

DISEÑO GENERAL DE LAS EB 4.- SEGURIDAD: Este es otro aspecto que se refiere a la seguridad de funcionamiento y que está muy ligado a la confiabilidad señalada anteriormente. Un criterio de seguridad que el proyectista debe adoptar es el referido a la “capacidad de reserva”. Esto es: la cantidad de equipos en reserva que la EB debe poseer, a fin de garantizar que ante la salida intempestiva o programada de un equipo haya otro en condiciones de poder sustituirlo.

Esta cantidad de equipos de reserva está en función de la cantidad de equipos operables, definidos por el proyectista. El siguiente cuadro muestra una forma de determinar el número Nr de equipos de reserva que es utilizado en la industria que trabaja con máquinas de proceso.

DISEÑO GENERAL DE LAS EB 5.- VARIACIÓN DEL CAUDAL DE DISEÑO: El dato inicial a contemplar en el diseño de una estación de bombeo es el caudal máximo que se debe impulsar. Este valor, en su origen, difiere, en las estaciones de bombeo de desagües pluviales respecto de las de acueductos, destinados a impulsar el agua para los consumos humanos y/o industriales. En las primeras, este valor proviene de los estudios de las lluvias sobre una cuenca, que en la mayoría de ellos se plasman en un hidrograma de crecidas, en el que quedan de manifiesto los excedentes pluviales que deberán ser evacuados por la estación de bombeo. En algunas ocasiones este valor máximo se incrementa en una determinada proporción, a modo de revancha.

DISEÑO GENERAL DE LAS EB 5.- VARIACIÓN DEL CAUDAL DE DISEÑO: En el caso de las estaciones de bombeo de los acueductos, que en general operan en forma permanente, el caudal varía en forma estacional, al margen del aumento sostenido, con el transcurso de los años, originado por el crecimiento demográfico. Esto hace que los caudales para diseñar las estaciones de bombeo resulten de la proyección de 20, 30 ó 40 años hacia delante luego de la puesta en marcha. Como consecuencia de ello, durante la vida útil, la operación de la estación de bombeo debe adaptarse a diferentes caudales de funcionamiento: incremento de la capacidad equipamiento hidromecánico

del

mediante un mayor número de horas de operación diaria.

CONFIGURACIÓN GENERAL DE LA EB  Para Desagües Pluviales (Q variable en T cortos)  Para Abastecimiento o Saneamiento (Q=constante en T cortos) Se debe determinar: Q máx de bombeo Número de Bombas Coeficiente de Bombeo m = Capacidad máxima de bombeo / Q máx (1,25 – 1,00) Volumen de la dársena de bombeo Frecuencia de arranques máximos sucesivos de bombas Tiempo de arranques mínimos sucesivos

CONFIGURACIÓN GENERAL DE LA EB  Para Desagües Pluviales (Q variable en T cortos)

CONFIGURACIÓN GENERAL DE LA EB La configuración general más utilizada para las estaciones de bombeo de desagües pluviales, tanto urbanos como de zonas rurales, consiste de una dársena a la cual ingresa el agua proveniente de la crecida. La dársena deberá propender a la generación de las condiciones hidráulicas propicias al correcto funcionamiento de las bombas, de manera que con la obra más económica sea posible evacuar el caudal seleccionado, y las condiciones de mantenimiento permitan operar según el tiempo previsto. Las dársenas de bombeo constan de un recinto desde el que la bomba succiona el agua y de una instalación (metálica o de hormigón) que la conduce hasta el cuerpo receptor. Esta configuración puede ser diferente.

CONFIGURACIÓN GENERAL DE LA EB Para definir las dimensiones generales, es necesario conocer los siguientes parámetros: a) La cota del fondo de la estación de bombeo; b) El número de bombas; c) El área de la estación de bombeo. A fin de conocer la cota del fondo de la estación de bombeo, debemos conocer los niveles de operación; en particular, el nivel mínimo, que configura la situación más critica respecto de la seguridad de las bombas respecto de dos condiciones, una asociada a la cavitación, y la otra a la formación de vórtices. Resta, no obstante, definir las condiciones de admisión de la bomba. Las condiciones que se deben tener en cuenta sobre la cavitación y la vorticidad son comunes a todas las estaciones de bombeo.

CONFIGURACIÓN GENERAL DE LA EB Para determinar el número de bombas de las estaciones de bombeo de desagües pluviales, se debe considerar la disponibilidad de bombas que pueden ser obtenidas para el proyecto en cuestión. Si existiera la posibilidad de que con una bomba se alcanzase el caudal máximo, se debería contemplar las consecuencias de que ésta fallase. En general, en estaciones de bombeo para zonas urbanas esto implicaría riesgos de inundación muy graves, cuyos costos económicos afectarían en gran medida el análisis de factibilidad de la estación de bombeo. Todo ello conforma las razones por las cuales la cantidad de bombas es, como mínimo, de dos.

CONFIGURACIÓN GENERAL DE LA EB La selección del número de bombas en función del área de la estación de bombeo está vinculada a la frecuencia con que las bombas prenden y apagan al hacer frente al ingreso de caudales dado por un hidrograma. El análisis del número diario de encendidos admisible por las bombas es la resultante del balance de volúmenes de agua que se opera dentro de la dársena de bombeo. Las variables involucradas en el análisis están dadas por los caudales ingresantes (hidrograma de entrada), los caudales egresantes (caudales bombeados) y el volumen de regulación comprendido por el área de la dársena y el desnivel permitido. La frecuencia de los ciclos de encendido y apagado a la que se encuentre sometido el equipamiento hidromecánico es una variable restrictiva en el diseño de las estaciones de bombeo por cuanto que, de ser muy elevada, es capaz de poner en peligro la vida de los motores. El cálculo del número de encendidos se basa en un esquema relativamente simple. Sea el siguiente gráfico, en el cual se representan, en abscisas, los niveles en la cisterna y, en ordenadas, el tiempo.

CONFIGURACIÓN GENERAL DE LA EB Durante el período T1 el nivel asciende porque el gasto ingresante a la cámara, dado por el hidrograma de diseño, es superior al de bombeo. Dicho de otro modo, la cantidad de máquinas encendidas es insuficiente para evacuar los volúmenes de agua provenientes de los desagües en la misma proporción con que estos son aportados. Como consecuencia de ello, el nivel en las dársenas aumenta. Por su parte, T2 indica el período durante el cual la capacidad de la estación de bombeo supera al caudal del hidrograma. Cada T = T1 + T2 se produce el encendido o el apagado de una bomba.

CONFIGURACIÓN GENERAL DE LA EB El tiempo necesario para colmar el volumen disponible para la regulación en la estación de bombeo está dado entonces por la siguiente expresión:

CONFIGURACIÓN GENERAL DE LA EB

Entonces, hemos podido deducir que el tamaño de las dársenas puede afectar la selección de los tamaños y el número de las bombas, y viceversa, si se respeta el mínimo ciclo operativo deseable, (o el número máximo de arranques, puesto que se trata de una expresión equivalente). Para un tamaño de dársena dado, el número y tamaño de las bombas debe ser tal que el ciclo operativo mínimo sea del orden de 6 minutos para bombas sumergibles, 20 minutos para bombas de cámara húmeda (wet-pit) con tamaño de motor de hasta 75 kW (100 hp), y 30 minutos para bombas de más de 75kW (100 hp). Las unidades de bombeo de más de 375 kW (500 hp) deben encenderse de acuerdo con los datos provistos por el fabricante. Donde se usan bombas de descarga variable o by-passes, el tamaño de la dársena tiene menor efecto sobre el tamaño del número de las bombas.

CONDICIONES EN LA ADUCCIÓN  Cavitación  Vorticidad  Sumergencia

- Ancho: 2D; - Longitud: 4D; - Ángulo del relleno de las esquinas de las dársenas: 45º, con un lado igual a D/2.

CONDICIONES EN LA ADUCCIÓN CAVITACIÓN: La sumergencía mínima de la aspiración de la bomba debe seleccionarse, como se ha dicho, con la intención de evitar tanto la formación de vórtices como la cavitación. El nivel del suelo de la dársena está dictado, por ende, no solamente por el mínimo nivel de agua en la succión sino también por el requerimiento mínimo de sumergencia. Las condiciones actuales de instalación de las máquinas en la estación de bombeo definen, frente al fenómeno de cavitación, la altura neta positiva de aspiración en la sección de la de aducción, del modo que sigue:

CONDICIONES EN LA ADUCCIÓN VORTICIDAD:

- Una reducción en el rendimiento de la bomba por debajo de los valores de ensayo provisto por los fabricantes, una caída en la curva característica salto-caudal y un incremento en la potencia consumida por la bomba; - Cavitación, aun si la bomba se encuentra operando nominalmente dentro del límite de ANPA para una determinada aplicación; - Un incremento en el ruido y vibración dentro de la estación con posible daño a los componentes de la bomba.

CONDICIONES EN LA ADUCCIÓN SUMERGENCIA: La sumergencia mínima será fijada mayor a 1,5D (D es el diámetro de la tubería de succión), a partir del plano del rotor en el caso de las bombas verticales del tipo axial; mayor a 2D, a partir de la superficie inferior de la boca de entrada en el caso de bombas centrífugas con aspiración; y, no menor a 0,50 m en el caso de bombas pequeñas.