Manual completo watercad ica junio 2013

Modelamiento Computarizado de Sistemas de Distribución de Agua con WaterCAD V8i

Yuri Marco Sánchez Merlo

Junio – Julio del 2013

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

Programa WaterCAD / WaterGEMS V8i

Elaborado por: Ing. Yuri Marco Sánchez Merlo

Diplomado en Ingeniería Sanitaria: Modelamiento Computarizado de Sistemas de Distribución de Agua

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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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MODELAMIENTO COMPUTARIZADO DE SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA Taller N° 1 CONTENIDO

Análisis Hidráulico en Estado Estático

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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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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 (Prototipos).

la

ventana

Prototypes

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”, documentos\Curso_WaterCAD\_1_Talleres_Inicio.

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en

la

siguiente

carpeta

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C:\Mis

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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 superior para obtener una vista de toda la extensión de la planimetría.

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de la barra de herramientas

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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)

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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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 (Recuerda que esta definimos anteriormente)

1”

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 Velocity Headloss Gradient Headloss Hydraulic Grade (Start) Hydraulic Grade (Stop)

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= = = = = =

Caudal que circula por dicha tubería = 68,00 l/s Velocidad del flujo = 0,71 m/s Gradiente Hidráulico = 0,001 m/Km Pérdida de carga total = 0,0026 m Cota piezométrica inicial (Aguas arriba) = 60,0000 m 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 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

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 Hydraulic Grade Pressure

= = =

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Demanda total de agua requerida en la unión Cota piezométrica en la unión 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 colorear y hacer anotaciones en el Modelo.

, para poder

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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MODELAMIENTO COMPUTARIZADO DE SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA Taller N°2 CONTENIDO

Calibración optimizada de modelos hidráulicos

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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 J3 y J-5, teniendo: Presión medida en Nodo 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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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 J-3 J-5

Presión medida en campo (m.c.a.)

20 25

Presión – Modelo inicial (m.c.a.)

26,79 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 Control Center (Centro de Control de Demandas).

Demand

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.

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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 enseguida haga click derecho y selecciones Done.

+

seleccione los nodos J-3 y J-5,

+

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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

+

Página

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.

Página

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 Minimun Value Maximum Value Increment

: Multiply : 0,5 : 1,5 : 0,001

Verifique que en Field Data Snapshot, “Datos de campo” se encuentre activo:

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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.

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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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Página

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.

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72

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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MODELAMIENTO COMPUTARIZADO DE SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA 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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Página

Restricciones técnicas: Rango de diámetros a usar para el diseño

Diámetro mínimo (mm) Diámetro máximo (mm)

100 450

Rango de velocidades en cada tramo

Velocidad mínima (m/s) Velocidad máxima (m/s)

0.30 3.00

Rango de presiones en los nodos

Presión mínima (m.c.a.)

Presión máxima (m.c.a.)

15 50

Datos de Demanda: El diseño de la red la verificaremos para las siguientes demandas:

Nudo J-1 J-2 J-3 J-4 J-5 J-6 J-7 J-8 J-9 J-10 J-11 J-12 J-13 Total

Demanda Promedio

Demanda Máxima Horaria (l/s)

Demanda Máxima Diaria (l/s) + Caudal de incendio en J-10 (l/s)

Qp

Qmh = 2 x Qp

Qmd = 1.2 x Qp

0.00 10.00 12.50 7.50 7.50 12.50 7.50 5.00 17.50 12.50 20.00 17.50 12.50 142.50

0.00 20.00 25.00 15.00 15.00 25.00 15.00 10.00 35.00 25.00 40.00 35.00 25.00 285.00

0.00 12.00 15.00 9.00 9.00 15.00 9.00 6.00 21.00 15.00 24.00 21.00 15.00 171.00

Demanda Mínima (l/s)

Qmín = 0.3 x Qp 0.00 3.00 3.75 2.25 2.25 3.75 2.25 1.50 5.25 30.00 3.75 6.00 5.25 3.75 30.00 42.75

Diámetros disponibles: (Restricciones físicas) Material

Diámetro (mm)

PVC PVC PVC PVC PVC PVC PVC PVC

100 150 200 250 300 350 400 450

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Hazen y William C 150 150 150 150 150 150 150 150

Costo Unitario ($/ m) 125 165 225 275 385 425 515 575

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1.

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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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Página

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 Control Center (Centro de Control de Demandas).

Demand

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.

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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 – “Diseño_óptimo_1”, debiendo visualizar:

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1”

por

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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 presión, enseguida haga click derecho y selecciones Done.

+ seleccione todas la uniones a

+

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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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Página

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

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, 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.

Página

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 la calibración optimizada.

Página

para ejecutar

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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Página

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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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Página

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.

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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) 100 150 200 250 300 350 400 450

Color Celeste Rojo Azul Verde Amarillo Fucsia Anaranjado 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 “Verificaciòn_Diseño_Demanda_Mínima” 5) Verifique los resultados de la presión en los nudos, debiendo obtener:

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el

escenario

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Tema N° 4: Simulación en Periodos Extendidos

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MODELAMIENTO COMPUTARIZADO DE SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA 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

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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 Components / Patterns.

seleccionar

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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Página

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) “Bomba1”.

Lo mismo en la ventana de propiedades de la bomba PMP-2, seleccione en Definición de Bomba (Pump Definition) “Bomba1”.

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 entonces bomba PMP-2 debe apagarse. nivel de agua en tanque T-1 es mayor a 55 m entonces bomba PMP-1 debe apagarse. nivel de agua en tanque T-1 es menor a 53 m entonces bomba PMP-1 debe encenderse. 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 Simple.

Página

y seleccione la opción

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 Simple.

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y seleccione la opción

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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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.

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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.

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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 Done.

, seleccionar las uniones J-3, J-8, J-11 y J-16, luego hacer click derecho y elegir

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 T1, 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 “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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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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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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Página

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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.

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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 Simulación 1

Simulación 2

Simulación 3

Pregunta 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 Simulación 1

Simulación 2

Simulación 3

Pregunta 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 Simulación 1

Simulación 2

Simulación 3

Valor

Valor

Valor

-

-

Simulación 1

Simulación 2

Simulación 3

Valor

Valor

Valor

Pregunta

¿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

¿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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MODELAMIENTO COMPUTARIZADO DE SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA 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 m2/s

(Diffusivity):

1.208e-009

Tasa de Reacción Masiva (Bulk Reaction Rate): -0.3 (mg/L)^(1-n)/day Tasa de Reacción Pared Reaction Rate): -0.305 m/d

(Wall

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 seleccione en el modelo el Tanque T-1, como elemento para el análisis de trazas.

y luego ubique y

+

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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:

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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.

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