CURSO - TALLER
MODELAMIENTO COMPUTARIZADO
DE SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA
Aplicación de WaterCAD V8i
INSTRUCTOR:
ING. YURI MARCO SANCHEZ MERLO
CURSO - TALLER
MODELAMIENTO COMPUTARIZADO DE SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓ
DISTRIBUCIÓN DE AGUA
Aplicació
Aplicación de WaterCAD V8i
INSTRUCTOR:
ING. YURI MARCO SANCHEZ MERLO
Introducción (1.0 horas)
Revisión de conceptos de Sistemas de Distribución de Agua
Modelamiento de Sistemas de Distribución de Agua
Hidráulica de Sistemas de Distribución de Agua
Programas de Cómputo para al Análisis y Diseño de Sistemas de distribución de Agua
WaterCAD V8i. Características.
Taller N°1 (1.5 horas)
Análisis Hidráulico en Flujo Permanente
Taller N°2 (2.5 horas)
Uso de Escenarios y Alternativas
Taller N°3 (2.5 horas)
Análisis Hidráulico en Flujo No Permanente
SISTEMAS DE ABASTECIMIENTO DE AGUA POTABLE
CAPTACION
Fuente sub -superficial
Qmd
OBRAS DE CAPTACION
L.C. por gravedad
Qmd
OBRAS DE CONDUCCION
OBRAS DE PURIFICACION
CAPTACION
Fuente superficial
Qmd
OBRAS DE DISTRIBUCION
RESERVORIO
PLANTA DE TRATAMIENTO
DE AGUA CRUDA
L.C. de agua cruda
Qmd
Qmh
Qmd + Qci
Qmín
L.C. de agua tratada
Qmd
Estación de Bombeo
CAPTACION
RED DE DISTRIBUCION
Línea de Impulsión
L.C. por bombeo
24
Qb = ----- x Qmd
N
Línea de Aducción
Qmh
Qmd + Qci
Qmín
Fuente Subterránea
Pozo Profundo
Ing. Yuri Marco Sánchez Merlo
PRODUCCION
DISTRIBUCION
1
MODELAMIENTO DE LA RED
A) Nodos (Nodes):
Uniones, tanques y reservorios
Coordenadas (X,Y)
B) Conexiones (Links):
Tuberías
Del Nodo
Al Nodo
C) Elementos Híbridos:
Bombas y válvulas
Nodo 1
Nodo 2
Conexión
(X1,Y1)
(X2,Y2)
MODELAMIENTO DE LA RED
Modelo esqueletonizado en base a Nodes y Conexiones
Ing. Yuri Marco Sánchez Merlo
2
PARTES DE UN MODELO HIDRÁULICO
Topología
Datos Físicos
Datos del Modelo
Datos de Demanda
Datos Operacionales
Datos de Condiciones Iniciales
MODELOS
HIDRÁULICOS
Software de
Modelamiento
Algoritmo del solución del
sistema
TIPOS DE MODELOS HIDRÁULICOS
Modelo de
Planeamiento y
Diseño
Modelos Estáticos
CONSTRUCCIÓN
DEL MODELO
Modelos Dinámicos
Modelos Estratégicos
Modelos de Detalle
Modelo de
Operación
Ing. Yuri Marco Sánchez Merlo
3
APLICACIONES MODELAMIENTO DE LA RED
Aplicaciones Generales de los modelos matemáticos
Permiten determinar las presiones en los nudos y los caudales reales que circulan por
las tuberías, para unas condiciones de trabajo dadas
Ayudan a diagnosticar el estado de la red y detectar sus problemas
Apoyan en estimar la eficiencia hidráulica del sistema y evaluar las fugas
Permiten planificar las mejoras a efectuar en la red de una forma efectiva, aprovechando
así mejor las inversiones
Permiten mejorar las condiciones de operación de la red para garantizar las presiones,
ahorrar energía, etc.
Permiten determinar y controlar la calidad del agua que le llega a los abonados, tras
viajar por la red
ETAPAS DEL MODELAMIENTO HIDRÁULICO
Identificar el Tipo de
Modelo
(Necesidad)
Datos para la
Calibración
Mapas / Planimetría
Cartografía del Sistema
Programa de
Cómputo
Construcción topológica Esqueletonización
Estudiar el
Programa
Información: Tuberías, uniones, válvulas,
tanques, bombas, etc.
Pruebas del
Programa
I
II
III
IV
VI
VII
Demanda de agua
Calibración del Modelo
Cálculos diversos
(Desarrollo Escenarios)
Almacenamien
to de Datos
Ing. Yuri Marco Sánchez Merlo
V
Documentos
de Resultados
4
ETAPAS DEL MODELAMIENTO HIDRÁULICO
ETAPA I : Mapas / Planimetría Cartografía del Sistema
CAD, GIS, Imágenes Satelitales
Archivos:
ETAPAS DEL MODELAMIENTO HIDRÁULICO
ETAPA II : Construcción topológica - Esqueletonización
CAPTACION
TANQUE
ESTACION
DE BOMBEO
CISTERNA
Archivos CAD, GIS y/o planos en papel a digitalizar
Determine tuberías a ser incluidas
Procesos manuales o automáticos
Identificadores para nodos y conexiones
Verificar en campo
Revisar la conectividad entre elementos
Involucrar operadores del sistema
Establecer instructivos, procedimientos y/o protocolo para futuras construcciones de
modelo
Tener presente los planos de replanteo de obra
Ing. Yuri Marco Sánchez Merlo
5
ETAPAS DEL MODELAMIENTO HIDRÁULICO
ETAPA II : Construcción topológica - Esqueletonización
Importante:
Grados o Niveles de
Esqueletoniozación
Fuente:
ETAPAS DEL MODELAMIENTO HIDRÁULICO
ETAPA III : Información de los componentes
Tuberías: (Pipe)
Longitud (2D ó 3D) Longitud real (quiebres)
Diámetro (Real – Interior)
Hazen - Williams (redes de distribución)
Rugosidad :
Darcy - Weisbach (flujo laminar y turbulento en general)
Chezy - Manning (tuberías de gran diámetro)
Material
Ing. Yuri Marco Sánchez Merlo
6
ETAPAS DEL MODELAMIENTO HIDRÁULICO
ETAPA III: Información de los componentes
qi
Nudos: (Junction)
Demanda
Elevación
qi
Ingreso de Flujo
A
C
B
Cambio de dirección
A = Nivel del Usuario
B = Nivel de la tubería
D1
D2
Cambio de diámetro
C = Nivel de terreno o calzada
ETAPAS DEL MODELAMIENTO HIDRÁULICO
ETAPA III : Información de los componentes
Tanques de Almacenamiento: (Tank)
Tipo de tanque por su funcionamiento: Cabecera o Flotante
Elevación de Terreno
Niveles de Operación : Máximo, mínimo, inicial, rebose
Sección del tanque (Circular Î Diámetro)
Diámetros de las tuberías: Ingreso, salida, by pass, rebose, limpia
Componentes hidráulicos: válvulas de cierre, macromedidor, etc.
Ing. Yuri Marco Sánchez Merlo
7
ETAPAS DEL MODELAMIENTO HIDRÁULICO
ETAPA III : Información de los componentes
Bomba: (Pump)
Son dispositivos que comunican una carga al flujo que la atraviesa
Como información básica requerimos conocer su curva característica
Bomba nueva: Fabricante
Bomba con años de operación: Mediciones de campo
ETAPAS DEL MODELAMIENTO HIDRÁULICO
ETAPA III : Información de los componentes
Válvulas Reductoras de Presión: (VRP)
Limitan la presión en el punto aguas abajo para que no exceda de una presión
prefijada, siempre que la presión aguas arriba sea superior a ésta.
Elevación de Terreno
Diámetro de la válvula
Niveles de Operación : Presión ó cota piezométrica prefijada aguas abajo
Reservorio
LCE
hf
LEH
LEH sin
VRP
Pmáx = 50 m.c.a.
LCE
Zona de Presión I
LEH con
VRP
CRP - VRP - PRV
LEH
Línea de Energía Hidráulica
LCE
Línea de Carga Estática
hf
Pérdida de carga
Pmáx
Presión Dinámica Máxima
CRP - VRP - PRV Cámara Reductora de Presión
Ing. Yuri Marco Sánchez Merlo
hf
Pmáx = 50 m.c.a.
Zona de Presión II
8
ETAPAS DEL MODELAMIENTO HIDRÁULICO
ETAPA III : Información de los componentes
Válvulas Sostenedoras de Presión: (VSP)
Limitan la presión en el punto aguas abajo para que no exceda de una presión
prefijada, siempre que la presión aguas arriba sea superior a ésta.
Reservorio
LCE
hf
LEH
LEH sin
VRP
Pmáx = 50 m.c.a.
LCE
Zona de Presión I
LEH con
VRP
CRP - VRP - PRV
Línea de Energía Hidráulica
LEH
LCE
Línea de Carga Estática
hf
Pérdida de carga
Pmáx
Presión Dinámica Máxima
CRP - VRP - PRV Cámara Reductora de Presión
hf
Pmáx = 50 m.c.a.
Zona de Presión II
ETAPAS DEL MODELAMIENTO HIDRÁULICO
ETAPA IV : Demanda de agua
CÁLCULO DE LOS CAUDALES DE INFLUENCIA DE LOS NUDOS
Gasto por unidad de lote o conexión
Gasto por unidad de longitud
Gasto por unidad de área – Método de Áreas
Ing. Yuri Marco Sánchez Merlo
9
CÁLCULO DE LOS CAUDALES DE INFLUENCIA
MÉTODO DE ÁREAS
Nudo
Reservorio
1
-
-
2
A-02
q2
3
A-03
q3
4
A-04
q4
5
A-05
q5
6
A-06
q6
7
A-07
q7
8
A-08
q8
9
A-09
q9
3
TOTAL
AT
QD
A-03
AT = ∑ Ai
Area Total = Area de Servicio
QD = ∑ qi
Caudal de Diseño
AT = ∑ Ai
Area Total = Area de Servicio
q
A-02
A-06
2
q6
Mediatrices
q
q
5
Red Matriz
q
A-04
A-05
4
qi = qu x Ai Caudal de Influencia del nudo "i"
q
qu = QD / AT Caudal Unitario
9
q
7
A-07
q
8
A-08
Area de Influencia Caudal de
de cada nudo (Ai) Influencia (q i)
A-09
Límite de Area
de Influencia
qi
Residencial
Industrial
Comercial
i
ETAPA V: PROGRAMAS DE CÓ
CÓMPUTO UTILIZADOS EN EL ANÁ
ANÁLISIS Y DISEÑ
DISEÑO DE REDES DE DISTRIBUCIÓ
DISTRIBUCIÓN DE AGUA
Programa de cómputo
WATNET
Ing. Yuri Marco Sánchez Merlo
Nombre
Página WEB
Comercial / Libre
LOOP
www.emcentre.com
Libre
EPANET
www.epa.gov/ORD/NRMRL/wswrd/epanet.html
www.redhisp.upv.es/software/epanet
Libre
PIPE2000
www.kypipe.com
Comercial
MIKENET
www.bossintl.com
www.dhigroup.com
Comercial
H2ONET
www.mwhsoft.com
Comercial
WATNET
www.wrcplc.com
Comercial
WaterCAD/GEMS
www.haestad.com
www.bentley.com
Comercial
10
ETAPAS DEL MODELAMIENTO HIDRÁULICO
ETAPA VI : Calibración del Modelo
¾ Comparar los valores modelados vs valores observados
¾ Ajustar el modelo hasta que reproduzca lo real
¾ Certeza en el modelo como herramienta de decisió
decisión
ETAPAS DEL MODELAMIENTO HIDRÁULICO
ETAPA VI : Calibración del Modelo
Variables que se ajustan:
HIDRÁ
HIDRÁULICOS
Coeficientes de pé
pérdidas de carga por fricció
fricción en los tramos
Consumos de agua – Demanda
Estado
Diá
Diámetro
CALIDAD DE AGUA
Tasa de decaimiento de masa
Tasa de decaimiento de pared
Pmodelo = Pmedido en campo
Ing. Yuri Marco Sánchez Merlo
HGLmodelo = HGLmedido en campo
11
ETAPAS DEL MODELAMIENTO HIDRÁULICO
ETAPA VII : Cálculos diversos (Desarrollo Escenarios)
Una vez Calibrado el Modelo, se puede iniciar a realizar las diferentes
diferentes
simulaciones con el sistema
Es incorrecto realizar cá
cálculos con un modelo NO calibrado
Diferentes ESCENARIOS de cálculo
LEYENDA
ESQUEMA DE UNA RED MATRIZ
N-04 y N-05
T-08
Q-08
q4 y q5
Nudos
Numeración de Tramo
Caudal del Tramo T-8
Caudales de influencia de los nudos
Tramo:
Segmento de
tubería, que va de nudo a
nudo, dará servicio a un
área definida. Debe llevar
una numeración correlativa
para su identificación
Nudo: Puntos de encuentro
de tramos, o de ingreso o
salida de agua, o cambio de
diámetro. Cada nudo tiene
su área de influencia. Debe
llevar
una
numeración
correlativa
para
su
identificación
Ing. Yuri Marco Sánchez Merlo
12
ANÁ
ANÁLISIS Y SIMULACIÓ
SIMULACIÓN DE REDES DE DISTRIBUCIÓ
DISTRIBUCIÓN DE AGUA
El análisis y simulación de redes se realiza para investigar la relación compleja que existe entre
las características de la red, la demanda de los consumidores (Doméstico, comercial, Industrial y
público), los caudales y cargas en un momento determinado.
Básicamente se calcula caudales, presiones y valores asociados en un momento determinado,
mediante un cálculo hidráulico (al modelo matemático).
Aplicaciones del análisis y simulación de redes:
Conocer el comportamiento de los sistemas de distribución de agua.
Estimación de niveles de servicio.
Diseño de nuevos sistemas.
Evaluación dela capacidad de conducción de la red existente.
Uso eficiente y/o reforzamiento de las redes existentes.
El planeamiento contingente. Solución de las redes para diferentes escenarios y alternativas.
ANÁ
ANÁLISIS DE FLUJO PERMANENTE - ANÁ
ANÁLISIS ESTÁ
ESTÁTICO
En este tipo de análisis de flujo permanente se conoce los diámetros de todos los tramos de la red,
los niveles en los tanques y las demandas en los nudos, y se busca la distribución de caudales y
presiones en la red, en condiciones de demanda y niveles constantes.
ANÁLISIS DE FLUJO NO PERMANENTE - ANÁ
- SIMULACIÓ
ANÁLISIS DINAMICO
SIMULACIÓN DE
PERIODOS EXTENDIDOS - SIMULACIÓ
SIMULACIÓN CONTINUA - SIMULACIÓ
SIMULACIÓN EN EL TIEMPO.
En una red de agua potable la demanda varía durante el día, y con ello los niveles en los tanques y
la operación de la bomba y se busca la distribución de caudales y presiones en la red para
diferente instantes del día (Ejemplo cada hora). Se puede decir que un análisis de flujo no
permanente es una secuencia de estados de flujo permanente con diferentes demandas en cada
estado.
Ing. Yuri Marco Sánchez Merlo
13
CÁLCULO HIDRÁ
HIDRÁULICO DE REDES DE DISTRIBUCIÓ
DISTRIBUCIÓN DE AGUA
LEYES FUNDAMENTALES PARA UNA RED MATRIZ
¾Primera Ley de Kirchoff - Condición de Continuidad
Para un Nudo : La
suma de los gastos que entran y salen de un nudo es igual a cero
m
Donde:
Σ Qij + qi = 0
- Qij = Caudal en el tramo ij
j=1
- qi = Demanda en el nudo i
- m = Cantidad de nudos que concurren al nudo i
- n = Cantidad es la cantidad de nudos
i = 1, 2, 3, . . . . n
- Qij = 0 , si no existe conexión entre los nudos i y j
qi
Q1
Q3
Nudo i
Q2
Q1 + Q2 - Q3 + qi = 0
CÁLCULO HIDRÁ
HIDRÁULICO DE REDES DE DISTRIBUCIÓ
DISTRIBUCIÓN DE AGUA
LEYES FUNDAMENTALES PARA UNA RED MATRIZ
¾Primera Ley de Kirchoff - Condición de Continuidad
Para un Sistema : La
suma de los gastos que entran y salen en un sistema será igual
a la variación del nivel de agua en los almacenamientos
Q1
q2
q1
q4
q3
q5
m
n
s=1
i=1
q6
Σ qs + Σ Qi = dV/dt
Ing. Yuri Marco Sánchez Merlo
14
LEYES FUNDAMENTALES PARA UNA RED MATRIZ
¾Segunda Ley de Kirchoff - Condición de Conservación de Energía
En todo Circuito :
La suma algebraica de las pérdidas de carga en las tuberías es
es igual a cero
m
Σ hfj = 0
- Donde:
- hfj = Pérdida de carga en el tramo ij
j=1
- m = Cantidad de tramos en el circuito
Para cada uno de los circuitos cerrados
1
2
hf 12
hf 23
hf 13
hf12 + hf23 - hf13 = 0
3
FÓRMULAS UTILIZADAS EN EL CÁLCULO DE RESISTENCIA AL FLUJO
EN CONDUCTOS A PRESIÓN
1) Fórmula de Darcy - Weisbach
hf = f
L
V2
------ -------D
2g
Donde:
h f = m Qn
f = Factor de fricción [sin dimensiones]
L
m = 0.0827 f -------D
D = Diámetro [m]
n =2
hf = Pérdida de carga [m]
L = Longitud del tubo [m]
V = Velocidad media de flujo [m/s]
G = aceleración de la gravedad [m/s2]
k = rugosidad
Re = Número de Reynolds
Q = Caudal (m3/s)
64
f = ------Re
Poiseuille (1846). Para tubos lisos y rugosos en la zona laminar,
donde el número de Reynolds no rebasa el valor crítico 2300
1
Re
f
------ = 2 log -----------f
2.51
Nikuradse (1920). Tubos lisos - zona turbulenta, hasta
valores de N° Reynolds = 3 x 106
1
3.71 D
------ = 2 log -----------f
k
Nikuradse (1920). Tubos rugosos - zona turbulenta.
1
------ = - 2 log
f
k
2.51
------------ + ------------3.71 D
Re
f
{
Ing. Yuri Marco Sánchez Merlo
}
Colebrock – White presentaron esta fórmula para la zona
de transición de flujo laminar a turbulento en tubos
comerciales. Diagrama de Moody.
15
FÓRMULAS UTILIZADAS EN EL CÁLCULO DE RESISTENCIA AL FLUJO
EN CONDUCTOS A PRESIÓN
2) Fórmula de Hazen - Williams
Q = 0.85 C A R0.63 S0.54
Q = 0.278531 C D2.63 S0.54
Donde:
Q = Caudal [m3/s]
C = Coeficiente de rugosidad [sin dimensiones]
A = Área [m2]
h f = m Qn
m = 10.64
L
----------------1.85
C
D4.87
n = 1.85
R = Radio hidráulico [m]
S = hf / L = Pendiente [m/m]
hf = Pérdida de carga [m]
D = Diámetro [m]
L = Longitud del tubo [m]
En Resumen, para todo conducto a presión:
hf = m
n =2
(Fórmula de Darcy – Weisbach)
n = 1.85
(Fórmula de Hazen y William)
Qn
HISTORIA DE LA MODELACIÓN DE SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN
Fuente: BENTLEY
Ing. Yuri Marco Sánchez Merlo
16
MÉTODOS DE CÁ
CÁLCULO - MÉTODOS DE VERIFICACIÓ
VERIFICACIÓN
Método de Hardy Cross con corrección de caudales en los circuitos
Método de Hardy Cross con corrección de cotas piezométricas en los nudos
Método de Linealización - Teoria Lineal
Método de Newton Raphson
Método del Gradiente
Son métodos numéricos,
iterativos, que permiten
balancear la red, mediante el
ajuste de Q y H hasta encontrar
los caudales reales que circula
en cada tubería de la red.
DIAGRAMA DE FLUJO DEL CÁLCULO DE UNA RED DE DISTRIBUCÍÓN DE AGUA
Viene
Modelamiento
del Sistema
Predimensionamiento de la Red
Cálculo de los diámetros de los tramos
Cálculo Hidrá
Hidráulico
Métodos de Verificación
Permiten hallar el flujo real por cada tramo
Cálculo de:
Velocidad (V) en los tramos.
Presión (P) en los Nudos
No
Programas
de Có
Cómputo
Programas
de Có
Cómputo
Programas
de Có
Cómputo
¿Presió
Presión?
¿Velocidad?
Sí
No
¿Mínimo
Costo?
Sí
Va
Ing. Yuri Marco Sánchez Merlo
17
WaterCAD Stand Alone
WaterCAD for AutoCAD
WaterCAD for Microstation
WaterGEMS
Visitar las siguientes páginas WEB:
www.epanet.com
www.bentley.com
www.haestad.com
Diferencias entre Plataformas de Trabajo
Plataforma de Trabajo
WaterCAD Stand Alone
Entorno
Gráfico
Cartografía /
Planimetría
Edición de la
Planimetría
Propio
*.DXF
*.SHP
*.JPG
*. BMP
*.TIF, etc
Se realiza en el
programa de
origen
La extensión
principal del
WaterCAD es:
*.WTG
WaterCAD for AutoCAD
AutoCAD
*.DWG
Editable
Nota: en un proyecto
se generarán otros
archivos como:
*.MDB
*.
WaterGEMS
Ing. Yuri Marco Sánchez Merlo
ArcGIS
*.SHP
Editable
18
Fuente: BENTLEY
Fuente: BENTLEY
Ing. Yuri Marco Sánchez Merlo
19
WaterCAD Stand Alone (Interfaz Autónoma)
Ing. Yuri Marco Sánchez Merlo
20
PROTOTIPOS DE LOS COMPONENTES DE UNA RED DE DISTRIBUCIÓ
DISTRIBUCIÓN DE AGUA
Tuberí
Tubería a presió
presión – Tramo
Unió
Unión a presió
presión – Nudo (N)
Unió
Unión a presió
presión – Nudo (N)
Tanque de almacenamiento (TA)
Reservorio – Embalse – P.T.
Reservorio – Embalse – P.T.
Bomba
Baterí
Batería de Bombas de Vel.
Vel. Variab.
Variab.
Turbina
PROTOTIPOS DE LOS COMPONENTES DE UNA RED DE DISTRIBUCIÓ
DISTRIBUCIÓN DE AGUA
Pressure Reduction Valve
Válvula Reductora de Presió
Presión
Pressure Sustaining Valve
Válvula Sostenedora de Presió
Presión
Pressure Breaker Valve
Válvula Rompedora de Presió
Presión
Flow Control Valve
Válvula de Control de Flujo
Throttle Control Valve
Válvula de control (Impedimento
(Impedimento))
General Purpose Valve
Válvula de Propó
Propósito General
Válvula de Aislamiento
Ing. Yuri Marco Sánchez Merlo
21
MODELO DE UNA RED DE DISTRIBUCIÓ
DISTRIBUCIÓN DE AGUA UTILIZANDO PROTOTIPOS DE WaterCAD
RESERVORIO
Reservorio : Estructura hidráulica donde el
nivel de agua se considera constante y el
volumen infinito. Con este Prototipo se modela:
embalses, cámaras de salida de plantas de
tratamiento de agua, captaciones, pozos
profundos (acuíferos), etc.
Ing. Yuri Marco Sánchez Merlo
Reservorio
Elevación
de Agua
(m)
R-1
N.A.
22
TANQUE
Tanque: Estructura hidráulica donde el nivel de agua es
variable en el tiempo y volumen finito.
Se debe indicar la sección del tanque y dimensiones (Si es circular debemos ingresar el diámetro)
Tipo de tanque por su funcionamiento: Cabecera o Flotante
TUBERÍA A PRESIÓN
Tuberí
Tubería: Tubería a presión que interconecta
una estructura hidráulica con otra.
Ing. Yuri Marco Sánchez Merlo
23
UNIONES A PRESIÓN
Nudo: Prototipo que representa consumo o
demanda de agua o un ingreso de agua al
sistema.
qi
BOMBA
Bomba: Elemento hidráulico que permite
incrementar presión al sistema.
Ing. Yuri Marco Sánchez Merlo
24
Válvula Reductora de Presión
Reservorio
LCE
hf
LEH
LEH sin VR
P
Pmáx = 50 m.c.a.
LCE
Zona de Presión I
LEH con
hf
VRP
CRP - VRP - PRV
Pmáx
LEH
Línea de Energía Hidráulica
LCE
Línea de Carga Estática
Pérdida de carga
hf
Pmáx
Presión Dinámica Máxima
CRP - VRP - PRV Cámara Reductora de Presión
Zona de Presión II
Válvula Sostenedora de Presión
Reservorio
LCE
LEH - con VSP
hf
LEH
Area de Servicio I
Reservorio
LCE
sin V
SP
L EH
S
con V
P
CSP - VSP - PSV
LEH
LCE
hf
Pmáx
CSP - VSP - PSV
Línea de Energía Hidráulica
Línea de Carga Estática
Pérdida de carga
Presión Dinámica Máxima
Cámara Sostenedora de Presión
Ing. Yuri Marco Sánchez Merlo
Area de Servicio II
25
Válvula de Control de Flujo
Desarrollo de Talleres con WaterCAD V8i
Ing. Yuri Marco Sánchez Merlo
26
MODELAMIENTO COMPUTARIZADO DE SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA
TALLER N°1
MODELAMIENTO COMPUTARIZADO DE SISTEMAS DE
DISTRIBUCIÓN DE AGUA
Taller N°1
CONTENIDO
Análisis Hidráulico de una Red de Distribución en Estado Estático
Preparado por: Ing. Yuri Marco Sánchez Merlo
PROGRAMA WaterCAD V8i
ELABORADO POR ING. YURI MARCO SÁNCHEZ MERLO
MODELAMIENTO COMPUTARIZADO DE SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA
TALLER N°1 – PÀGINA 1
Taller N°1
Análisis Hidráulico en Flujo Permanente de una Red de Distribución de
Agua
Realizar el cálculo hidráulico de la red de distribución mostrada en el Gráfico N°1, en Estado
Estático, aplicando el Programa de Cómputo WaterCAD/GEMS.
Gráfico N°1
Observa: que el modelo de la red de distribución está compuesto por un Tanque (Tank T-1),
tuberías a presión (P-1, P-2, P-3, ...) y uniones a presión (J-1, J-2, J-3, .).
PROGRAMA WaterCAD V8i
ELABORADO POR ING. YURI MARCO SÁNCHEZ MERLO
MODELAMIENTO COMPUTARIZADO DE SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA
1.
TALLER N°1 – PÀGINA 2
Creación y Configuración de un Nuevo Proyecto
1. 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).
2. 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).
3. Ver que el tipo de análisis (Time
Analysis Type), seleccionado es en
Estado Estático (Steady State).
4. 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.
PROGRAMA WaterCAD V8i
ELABORADO POR ING. YURI MARCO SÁNCHEZ MERLO
MODELAMIENTO COMPUTARIZADO DE SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA
TALLER N°1 – PÀGINA 3
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.
Para el caso de la opciones generales
del Proyecto, es necesario definir los
siguiente:
Ahora en el menú Tools elegimos
Options.
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 5 en Symbol Size Multiplier
y 10 en Text Height Multiplier, en la
sección
Annotation
Multipliers,
(multiplicadores de anotación) como los
valores
multiplicadores
para
las
anotaciones y símbolos del dibujo.
Asimismo, debemos verificar 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.
PROGRAMA WaterCAD V8i
ELABORADO POR ING. YURI MARCO SÁNCHEZ MERLO
MODELAMIENTO COMPUTARIZADO DE SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA
TALLER N°1 – PÀGINA 4
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
seleccionar Prototypes.
y
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\Taller N°1.
PROGRAMA WaterCAD V8i
ELABORADO POR ING. YURI MARCO SÁNCHEZ MERLO
MODELAMIENTO COMPUTARIZADO DE SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA
2.
TALLER N°1 – PÀGINA 5
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
seleccionamos la
Layers.
despegable
View,
opción Background
En la ventana de diálogo Background
Layers.
En el primer botón de la izquierda
New File.
, elegir
En el directorio C:\Mis documentos\Taller N°1, ubicar y abrir el archivo “Plano 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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TALLER N°1 – PÀGINA 6
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 del modelo.
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TALLER N°1 – PÀGINA 7
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
(Tank, Pressure Pipe y Pressure Junction)
Barra de Prototipos
Nota: Durante el trazado verificar que el nombre o etiqueta (Label) de cada elemento coincida
con lo señalado en el gráfico.
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TALLER N°1 – PÀGINA 8
4. Ingreso de Datos – Entering Data
A)
Ingresando datos a través de ventanas de diálogo
Hacer doble click sobre el Tank “T-1” (O haciendo click derecho y seleccionr Properties).
En la ventana de la derecha ingresar en:
Operating Range:
-
Base: 420 m
Mínimo: 422 m
Inicial: 425 m
Máxima : 425 m
Physical:
-
Elevación: 420 m.s.n.m.
Diámetro: 16 m
Recordar que el 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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B)
TALLER N°1 – PÀGINA 9
Ingresando Datos a través Tablas Flexibles – FlexTables:
Para el presente Taller, ingresaremos los datos de las tuberías y de las uniones, haciendo
uso de tablas.
1. 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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TALLER N°1 – PÀGINA 10
2. Para el caso de las Uniones a presión seleccionar 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.
Para ordenar en forma ascendente la columna Label, hacer click derecho sobre dicha columna
y seleccionar Sort (Ordenar) y luego ascendente.
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TALLER N°1 – PÀGINA 11
ASIGNACIÓN DE LA DEMANDA
Para asignar la demanda requerida en cada uno de las uniones, hacer click en
Control Center (Centro de Control de Demandas)
Demand
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 botó de la
izquierda y seleccionar Initialize
Demands for All Elements.
Asignar la demanda a cada unión, como se muestra en la ventana siguiente:
Alcance:
Para ordenar en forma ascendente la columna Label, hacer click derecho sobre dicha columna
y seleccionar Sort (Ordenar) y luego ascendente.
Verificar las unidades.
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TALLER N°1 – PÀGINA 12
5. Proceder al Cálculo. Run - Correr el Programa
1. Hacer click en el ícono
Debiendo obtener la ventana
de la derecha.
En la cual el programa señala
que la red se ha balanceado
después de 04 iteraciones
(Trials) con un error de cierre
ΔQ = 0.0003147.
.
Asimismo en la ventana de notificaciones (User Notifications), debiendo visualizar los
mensajes siguientes:
En esta ventana el programa señala que el tanque está lleno (Full)
Recordar que el WaterCAD /GEMS, para efectuar el balance hidráulico, es decir determinar los
caudales reales que circula por cada tubería, hace uso del Método del Gradiente.
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TALLER N°1 – PÀGINA 13
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
Velocity
Headloss Gradient
Headloss
Hydraulic Grade (Start)
Hydraulic Grade (Stop)
PROGRAMA WaterCAD V8i
=
=
=
=
=
=
Caudal que circula por dicha tubería
= 67.00 l/s
Velocidad del flujo
= 0.53 m/s
Gradiente Hidráulico
= 0.657 m/Km
Pérdida de carga total
= 0.53 m
Cota piezométrica inicial (Aguas arriba) = 425.00 m
Cota piezométrica final (Aguas abajo) = 424.47 m
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B)
TALLER N°1 – PÀGINA 14
Tablas Flexibles – FlexTables – Tabular Reports: hacer click en el botón
Reporte tabular – Tabular Reports, para mostrar las tablas dinámicas.
de
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
Velocity
Headloss Gradient
Headloss (friction)
=
=
=
=
Caudal que circula por dicha tubería
Velocidad del flujo
Gradiente de pérdida de carga
Pérdida de carga por fricción con las paredes de la tubería
Si quiere cambiar las unidades de uno de las columnas, hacer click derecho en el encabezado
de la columna y seleccionar formatinng, luego elegir la unidad (Unit) y el número de decimales
(format).
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TALLER N°1 – PÀGINA 15
Para el caso de las Uniones a presión seleccionar la Tabla de Reporte de Uniones a Presión
– Junction Table.
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
Hydraulic Grade
Pressure
=
=
=
Demanda total de agua requerida en la unión
Cota piezométrica en la unión
Presión en la unión
Responder:
Para las tuberías
Pregunta
Tubería
Valor
Unión
Valor
¿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 m?
Para las uniones
Pregunta
¿Qué unión tiene la mayor presión y cuál es su valor en mH2O?
¿Qué unión tiene la menor cota piezométrica y cuál es su valor en m?
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TALLER N°1 – PÀGINA 16
Otras formas de reporte son:
D)
Element Symbology
Con esta herramienta podemos:
Color Coding
Annotation
: colorear la red de acuerdo algún atributo ó
: anotaciones en los elementos del modelo.
Colorear los nudos en
función a la presión:
Colorear las tuberías en
función a la velocidad:
F)
GeoGrapher: Administrador de Gráficos
G)
Profile: permiten graficar perfiles longitudinales. Por ejemplo: de terreno, hidráulicos, etc.
I)
Contour: para graficar isolíneas, es decir curvas de igual elevación, presión, etc.
Nota.- seguir las indicaciones del instructor para su aplicación
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TALLER N°2
MODELAMIENTO COMPUTARIZADO DE SISTEMAS DE
DISTRIBUCIÓN DE AGUA
Taller N°2
CONTENIDO
Análisis Hidráulico en Estado Estático
Uso de Escenarios y Alternativas
Preparado por: Ing. Yuri Marco Sánchez Merlo
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TALLER N°2 – PÀGINA 1
Taller N°2
Análisis Hidráulico en Estado Estático – Uso de Escenarios y Alternativas
En el presente Taller, aplicando escenarios y alternativas, realizaremos las siguientes 02
simulaciones hidráulicas de la red mostrada:
Simulación N°1:
Se analizará para condiciones de demanda máxima, el Escenario se
denominará “Demanda Máxima”.
Simulación N°2:
Analizaremos para las mismas condiciones de demanda máxima y la
demanda para atender un incendio en la unión J-10 (Caudal = 30 l/s) , el
Escenario lo denominaremos “Demanda Máxima + Demanda de Incendio en
J-10”.
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.
TALLER N°2 – PÀGINA 2
Edición del Modelo
En el Menú despegable seleccionar File/Open ó Ctrl+O, buscar y abrir el archivo existente
“Taller N°2.wtg”. Debiéndose visualizar la red del Gráfico N°1 de la página 1.
Ingresando Datos de Demanda: Haciendo uso del Centro de Control de Demandas,
ingresar la demanda máxima en cada una de las uniones del modelo.
Hacer click en
Unión
Demanda
Máxima (l/s)
J-1
J-2
J-3
J-4
J-5
J-6
J-7
J-8
J-9
J-10
0
5
10
7
8
5
6
9
6
5
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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TALLER N°2 – PÀGINA 3
Ingresando datos del Tanque:
Tanque
Elevación
Base
(m)
Elevación
Mínima
(m)
Elevación
Inicial
(m)
Elevación
Máxima
(m)
Diámetro
(m)
T-1
120
121
122
125
16
Hacer doble click sobre el símbolo del Tank “T-1” (O haciendo click derecho y seleccionr
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 el 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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TALLER N°2 – PÀGINA 4
Ingresando datos del Resevorio:
Reservorio
Elevación
(m)
R-1
60
Nivel de agua en la fuente
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 el WaterCAD/GEMS, que el
valor de elevation está referido al nivel de
agua en la fuente.
Ingresando datos de las Válvulas Reductoras de Presión (PRV-1 y PRV-2):
Válvula
Elevación
(m)
Diámetro
(mm)
HGL Inicial
(Hydraulic Grade)
(m)
Dirección de
Flujo
PRV-1
75
200
90
P-10 Æ P-11
PRV-2
75
200
90
P-14 Æ P-13
Para ingresar los datos de las válvulas reductoras de presión, lo haremos haciendo uso de los
reportes tabulares. Para ello:
1. Hacer click en
FlexTables ó Ctrl + 7,
para mostrar las tablas
dinámicas. Seleccionar
PRV Table.
Es probable, que deba hacer clic en
columnas.
PROGRAMA WaterCAD V8i
(Edit), para configurar la tabla, agregar o quitar
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TALLER N°2 – PÀGINA 5
En las ventanas de propiedades de las válvulas reductoras de presión (PRV-1 y PRV-2),
verifique que en el campo Setting Type (Tipo de configuración), figure Hydraulic Grade (Cota
piezométrica).
Datos de la Bomba (PMP-1):
Bomba
Elevación
(m)
Descarga
(l/s)
Carga
(m)
PMP-1
58
0
85
60
70
80
50
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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TALLER N°2 – PÀGINA 6
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)
Ingresando datos de las Tuberías:
A partir del archivo de Excel “Datos Taller N°2” (Ubicarlo en el directorio), copiar los datos de
longitud (Length) y diámetro (Diameter). Abrir el archivo de Excel.
Asimismo, hacer click en el en el botón
FlexTables. Seleccionar y abrir la tabla de
tuberías (Pipe Table). Si es necesario deberá configurar la tabla (orden de columnas) como se
muestra.
Del archivo de Excel, copiar (Ctrl.+C) la
columna de Diámetro (Parte numérica) y pegar
en la columna de Diameter en la Tabla de
Tuberías (Pipe Table) en WaterCAD.
Lo mismo con los datos de Longitud, copiar
(Ctrl.+C) la columna de Longitud (Parte
numérica) y pegar en la columna de Length
(User Defined) en la Tabla de Tuberías (Pipe
Table) en WaterCAD.
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TALLER N°2 – PÀGINA 7
Debiendo mostrar lo siguiente:
Alcances:
Primero deberán configurar la tabla, de tal forma que contenga las columnas mostradas y en el
mismo orden. Así como verificar unidades.
Ingresando datos de las Uniones:
Del archivo de Excel “Datos Taller N°2”, copiar los datos de Elevación (Elevation).
Asimismo, hacer click en el en el botón
FlexTables. Seleccionar y abrir la tabla de
uniones (Junction Table). Si es necesario deberá configurar la tabla (orden de columnas)
como se muestra.
Del archivo de Excel, copiar (Ctrl.+C) la
columna de Elevación (Parte numérica) y
pegar en la columna de Elevation en la Tabla
de Uniones (Junction Table) en WaterCAD.
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TALLER N°2 – PÀGINA 8
Debiendo mostrar lo siguiente:
Alcances:
Primero deberán configurar la tabla, de tal forma que contenga las columnas mostradas y en el
mismo orden. Así como verificar unidades.
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TALLER N°2 – PÀGINA 9
2. Simulación 1: Condición de Demanda Máxima
Realizado la edición del Modelo e ingresado los datos, estamos listos para realizar las 02
simulaciones planteadas al inicio del presente Taller.
En la ventana de Escenarios (Scenarios), primero
renombre el Escenario “Base” con el nombre
“Demanda Máxima”.
.
Asimismo, este escenario tendrá como alternativa
de demanda “Demanda Máxima”, para lo cual en
la ventana de alternativas, renombramos la
alternativa de demanda “Base Demand” como se
muestra.
Antes de ejecutar el escenario “Demanda
Máxima”, debe verificar que en las opciones de
cálculo (Calculation Options), que como Tipo de
cálculo (Calculation Type), sea hidráulico
(Hydraulics Only) y que el tipo de análisis (Time
Analysis Type) sea en estado Estático (Steady
State). Debiendo observarse su ventana de
propiedades como se muestra a la derecha.
.
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TALLER N°2 – PÀGINA 10
Hacer click en el ícono
Debiendo obtener la ventana:
En la cual el programa señala que la red se ha balanceado después de 05 iteraciones (Trials)
con un error de cierre ΔQ = 0.0003115.
Visualice y verifique, mediante los reportes tabulares (Tablas), los parámetros de entrada y
resultados que prefiera. Recuerdo que las Tablas la podemos editar de acuerdo a nuestros
requerimientos.
Por ejemplo, para esta primera simulación, los resultados para las uniones debe ser:
En la tabla se observa los resultados (Columnas de color amarillo), se tiene lo siguiente:
Demand
Hydraulic Grade
Pressure
PROGRAMA WaterCAD V8i
=
=
=
Demanda total de agua requerida en la unión
Cota piezométrica en la unión
Presión en la unión
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TALLER N°2 – PÀGINA 11
3. Simulación 2: Demanda Contra Incendio en J-10
La segunda simulación consistirá en analizar la red para la condición de demanda máxima y la
atención de un incendio en el nudo J-10, el cual se atenderá con un caudal igual a 30 l/s. Por lo
que la demanda total en el Nudo J-10, será 35 l/s (5 l/s (Demanda Máxima) + 30 l/s (Caudal
pata atender el incendio)). Para ello, definiremos una nueva alternativa de demanda, para
luego crear un nuevo escenario para esta simulación.
En la ventana de alternativas, sobre la alternativa
de demanda “Demanda Máxima” hacer click
derecho y seleccione New y luego Child
Alternative.
La nueva alternativa de demanda “Demand
Alternative – 1”, renómbrelo como “Demanda
Máxima + Demanda de Incendio en J-10”.
Observar que la nueva alternativa está como hijo
de la alternativa anterior, habiendo heredado todos
sus valores.
En la nueva alternativa, corregiremos únicamente
la demanda de la unión J-10.
Hacer doble click sobre la alternativa “Demanda Máxima + Demanda de Incendio en J-10” e
ingresar una demanda de 35 l/s en la unión J-10. Debiendo mostrar lo siguiente:
Haga click en Close.
PROGRAMA WaterCAD V8i
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TALLER N°2 – PÀGINA 12
Enseguida, debemos crear un nuevo escenario (hijo), para analizar la red con la nueva
alternativa creada “Demanda Máxima + Demanda de Incendio en J-10”.
En la ventana de escenarios, sobre el escenario
“Demanda Máxima” hacer click derecho y
seleccione New y luego Child Scenario.
El nuevo escenario “Scenario - 1”, renómbrelo
como “Demanda Máxima + Demanda de
Incendio en J-10”.
Observar que el nuevo escenario está como hijo
del escenario anterior, habiendo heredado todos
sus alternativas.
En el nuevo escenario, cambiaremos su alternativa
de demanda.
En la ventana de escenarios, hacer doble click
sobre el escenario “Demanda Máxima +
Demanda de Incendio en J-10”, para activar su
ventana de propiedades.
Modificar la alternativa de demanda (Demand),
seleccionando la alternativa “Demanda Máxima
+ Demanda de Incendio en J-10”.
Tener en cuenta que las otras alternativas serán
las mismas que para la primera simulación.
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TALLER N°2 – PÀGINA 13
Retornando a la ventana de Escenarios, haga click en
el botón despegable
Run.
y seleccionar Batch
En la ventana Batch Run, puede ejecutar todos o
algunos escenarios simultáneamente. Seleccione con
un check el escenario “Demanda Máxima +
Demanda de Incendio en J-10” y hacer click en
Batch.
En el mensaje de confirmación (Please Confirm),
hacer click en Sí.
Luego tendremos el siguiente mensaje de finalización,
hacer click en Aceptar.
Visualice y verifique, mediante los reportes tabulares (Tablas), los parámetros de entrada y
resultados que prefiera de esta segunda simulación. Para ello, primero deberá asegurarse que
el escenario “Demanda Máxima + Demanda de Incendio en J-10” se encuentre activo,
haciendo click en
PROGRAMA WaterCAD V8i
(Make Current), debiendo observarse:
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TALLER N°2 – PÀGINA 14
Por ejemplo, para esta segunda simulación, los resultados para las uniones deben ser:
En la tabla se observa los resultados (Columnas de color amarillo), se tiene lo siguiente:
Demand
Hydraulic Grade
Pressure
PROGRAMA WaterCAD V8i
=
=
=
Demanda total de agua requerida en la unión
Cota piezométrica en la unión
Presión en la unión
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TALLER N°2 – PÀGINA 15
4. Resultados
Responder:
Para las tuberías
Simulación 1
Pregunta
Tubería
Valor
Simulación 2
Tubería
Valor
¿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 m?
Para las uniones
Simulación 1
Pregunta
Unión
Valor
Simulación 2
Unión
Valor
¿Qué unión tiene la mayor presión y
cuál es su valor en mH2O?
¿Qué unión tiene la menor cota
piezométrica y cuál es su valor en m?
Para el Tanque
Simulación 1
Pregunta
Llenando
ó
vaciando
Caudal
Simulación 2
Llenando ó
vaciando
Caudal
¿Cuál es la situación del Tanque se
está llenando o vaciando y con qué
caudal?
Ejercicio Adicional:
Realice la siguiente simulación:
Simulación N°3:
PROGRAMA WaterCAD V8i
Modificaremos el diámetro de las tuberías P-2, P-3 y P-11, Ahora serán de
300 mm, 250 mm y 150 mm respectivamente. Estas modificaciones las
analizaremos para la demanda máxima. El Escenario se denominará
“Demanda Máxima + Diámetros modificados P-2, P-3 y P-11”.
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TALLER N°3
MODELAMIENTO COMPUTARIZADO DE SISTEMAS DE
DISTRIBUCIÓN DE AGUA
Taller N°3
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
Preparado por: Ing. Yuri Marco Sánchez Merlo
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TALLER N°3 – PÀGINA 1
Taller N°3
Análisis Hidráulico en Flujo No Permanente de una Red de Distribución
de Agua
Realizar el análisis hidráulico en periodos extendidos de la red de distribución de agua
mostrada en la siguiente figura:
Aplicando escenarios y alternativas, generaremos 02 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”.
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MODELAMIENTO COMPUTARIZADO DE SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA
TALLER N°3 – PÀGINA 2
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°3.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.
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 opción Eficiencia
(Efficiency).
En la ventana
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
Si
Si
Si
nivel de agua en tanque T-1 es mayor a 54 m
nivel de agua en tanque T-1 es mayor a 55 m
nivel de agua en tanque T-1 es menor a 53 m
nivel de agua en tanque T-1 es menor a 52 m
Condición (Condition)
En el menú despegable
Components y Controls.
entonces
entonces
entonces
entonces
bomba PMP-2 debe apagarse.
bomba PMP-1 debe apagarse.
bomba PMP-1 debe encenderse.
bomba PMP-2 debe encenderse.
Acción (Action)
seleccionar
Debiendo mostrase la siguiente ventana:
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Seleccione la pestaña Conditions. Luego haga click en el botón New
opción Simple.
y seleccione la
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
opción Simple.
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y seleccione la
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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
PROGRAMA WaterCAD V8i
.
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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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TALLER N°3 – PÀGINA 14
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:
Observamos que se muestra un resultado para cada paso de tiempo hidráulico de 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 bombeo de la bomba PMP-1, para ello haremos uso de gráficos temporales, seguir la
siguiente secuencia:
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.
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TALLER N°3 – PÀGINA 17
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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TALLER N°3 – PÀGINA 18
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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TALLER N°3 – PÀGINA 19
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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TALLER N°3 – PÀGINA 21
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?”
Observe que mediante las alternativas topológicas Ud. puede activar y desactivar elementos de
su modelo.
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TALLER N°3 – PÀGINA 22
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
“Escenario N°2: Sin Tanque”.
como
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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TALLER N°3 – PÀGINA 23
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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)
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TALLER N°3 – PÀGINA 24
A continuación, seleccione la pestaña Controls, para configurar los controles combinando las
. En la parte
condicion y acciones creadas anteriormente, haga click en el botón New
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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TALLER N°3 – PÀGINA 25
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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TALLER N°3 – PÀGINA 26
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, nombre el nuevo escenario
como “Escenario N°2: Sin Tanque”.
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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TALLER N°3 – PÀGINA 27
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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TALLER N°3 – PÀGINA 28
8. Resultados
Responder:
Para las tuberías
Simulación 1
Simulación 2
Pregunta
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
Simulación 1
Simulación 2
Pregunta
Tubería
Valor
Tubería
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
Simulación 1
Simulación 2
Pregunta
Tubería
Valor
Tubería
Valor
¿A las 18 horas, cuál es el nivel de agua en el
tanque en m?
¿A las 20 horas, cuál es el estado de la bomba
PMP-1 y cuál es su potencia en HP?
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