Estudio y posible mejora de una instalación de bombeo

Abstract

Diseño de una instalación de bombeo para suministro de agua potable en El Salado, Colombia

Autor: Barandiarán del Campo, Beatriz Director: Sanz Fernández, Íñigo Entidad colaboradora: ICAI- Universidad Pontificia Comillas

Resumen del proyecto

Introducción El objetivo del proyecto es desarrollar una pequeña instalación de bombeo que junto con una potabilizadora compacta permita proporcionar el acceso a agua potable a los habitantes del poblado El Salado en Colombia, dando respuesta a una necesidad básica y asegurando un acceso continuo y salubre al recurso hídrico. De esta manera, se intentará combatir los problemas de sanitarios relacionados con el consumo de aguas contaminadas en países en vías de desarrollo, clasificados por la OMS como una de las principales causas mortales en la región. La cobertura de la instalación será de aproximadamente 1250 habitantes para absorber las posibles fluctuaciones en la demanda o el número de habitantes actual (1208) de El Salado. Planteamiento y diseño de la instalación Para determinar el diseño de la instalación de bombeo, se tratará de minimizar el coste de la misma. Además, constará de las siguientes etapas: sistema de captación del recurso hídrico, primer depósito de almacenamiento de agua sin tratar, potabilizadora compacta, almacenamiento en un segundo depósito del agua potable y suministro de agua a través de grifos de exterior. La primera etapa de captación de agua tiene lugar mediante dos sistemas de bombeo sumergibles de captación de aguas subterráneas. Cada sistema contará con tres bombas en paralelo, dos para aportar la demanda de caudal y una tercera de reserva para cubrir posibles averías. Los sistemas de bombeo se emplearán alternativamente, para promediar el desgaste de los mismos. La procedencia del agua será de dos pozos circulares, uno de poca profundidad (30 metros) y otros de gran profundidad (150 metros). Las bombas seleccionadas para la captación del recurso hídrico son del fabricante Wilo, y bombearán el agua hasta un primer depósito situado a cota máxima con el objetivo de aprovechar la energía potencial en el resto de la instalación y evitar la necesidad de nuevas bombas. Para elegir las bombas para cada uno de los sistemas de bombeo, se introducirá el punto de funcionamiento de los mismos, es decir, el caudal y la altura manométrica para cada uno de ellos. Se calculará el caudal, estimando el consumo medio de agua de los habitantes de El Salado. Para ello, se tomará como referencia la cantidad óptima de agua potable establecida por la Organización Mundial de la Salud, que establece que cada habitante del poblado debería tener acceso a un consumo diario de 100 litros. Además, se incluirá un margen en el diseño de la instalación para contabilizar las posibles fluctuaciones en la población, resultando un caudal necesario de 1,44 l/s. Los filtros empleados para elegir los modelos de bombas son que posea el rendimiento máximo y consumo de potencia mínimo, dado que se pretenden minimizar los costes de la instalación al tratarse de un proyecto solidario. Basándonos en los criterios de selección anteriores, los modelos de bomba más adecuados son el modelo TWI 4.03-12 CI 3~ para los pozos de poca profundidad y el modelo TWI 4.03-39 CI 3~ para los pozos de gran profundidad y tendrán una alimentación trifásica y funcionarán a 50 Hz de frecuencia. La potabilizadora compacta tratará el agua proveniente del primer depósito para suministrar agua apta para el consumo humano. El segundo depósito contará con taladros a modo de aliviadero lateral, de modo que se eliminará a través de los mismos el exceso de agua presente en la instalación, permitiendo mantener la potabilizadora en continuo funcionamiento a pesar de no haber demanda de agua y alargando por lo tanto la vida útil de la misma. Finalmente, el agua potable será distribuida desde un punto central hasta diez grifos que permiten satisfacer las necesidades de agua de los habitantes de El Salado.

Automatismos de la instalación Para controlar la marcha y paro de las bombas de captación de agua, y la apertura o cierre del suministro de agua, se emplearán automatismos tanto en el primer como en el segundo depósito de almacenamiento de agua. Así, el primer depósito contará con válvulas eléctricas de flotador que enviarán señales de marcha o paro al guarda-motor en función del nivel de agua del primer depósito. Se dispondrán tres de manera que cuando el nivel del primer tanque sobrepase el nivel superior, se enviará orden de paro al sistema de bombeo que se encuentre en marcha en el momento analizado. Una vez iniciado el consumo de agua, el nivel en el depósito se reducirá y en el momento en el que se alcance el nivel intermedio, se activará alternativamente el sistema de bombeo A/B. Si el ritmo de consumo supera el ritmo de llenado del tanque (determinado por la capacidad de impulsión de la bomba), o existe una incidencia asociada a un problema técnico o a escasez de recurso hídrico, el nivel del tanque continuará reduciéndose hasta alcanzar el nivel mínimo, momento en el que el flotador de seguridad enviará orden de marcha a ambos sistemas de bombeo hasta alcanzar de nuevo el nivel intermedio en el que se desactivará uno de los dos sistemas de bombeo.

Por otro lado, el segundo depósito contará con dos válvulas de flotador para controlar el consumo de agua de tal forma que si el nivel del tanque desciende por debajo de un límite mínimo establecido, se dará orden de cierre a la válvula de suministro, cortándose por lo tanto el acceso al agua desde las pilas. Se mantendrá cerrada la válvula mientras el nivel del tanque se encuentre por debajo del nivel intermedio. En el momento en el que se alcance dicho nivel,, se volverá a dar orden de apertura de la válvula de suministro, proporcionando acceso a agua potable desde los grifos. Plan de mantenimiento Para garantizar la correcta operación de la instalación, se seleccionará un mantenimiento preventivo para los equipos de bombeo y correctivo para el resto de elementos de la instalación ya que el mantenimiento preventivo implica un coste anual superior. El mantenimiento preventivo tratará de asegurar la fiabilidad y continuidad del sistema de captación de agua por medio de una serie de revisiones periódicas para detectar averías potenciales o posibles anomalías. El mantenimiento lo llevarán acabo habitantes de El Salado, formados voluntariamente por los técnicos encargados de la puesta en marcha de la instalación, por lo que no existirán costes adicionales de técnicos encargados del mantenimiento en caso de reparación o avería. Por otro lado, en cuanto al mantenimiento correctivo, se sustituirán los elementos problemáticos en la instalación, tras haberse producido el fallo en el funcionamiento. Dado que no existe un coste de oportunidad asociado a la parada o detención de funcionamiento de la instalación de bombeo, se empelará esta tipología de mantenimiento para la mayoría de los elementos de la instalación. Por lo tanto, se mantendrá un inventario de piezas de repuesto y recambios. La estimación del ciclo de vida de la instalación es de quince años si se siguen las pautas de mantenimiento de la misma especificadas anteriormente. Presupuesto La metodología empleada para estimar el presupuesto del proyecto es Life Cycle Costs (LCC), ya que considera todos los costes incurridos a lo largo de toda la vida útil de la instalación de bombeo. Así, se incluirán los gastos de compra, puesta en marcha de la instalación, operación, mantenimiento, energéticos y medioambientales asociados a la instalación.

El presupuesto total de la instalación asciende a los ciento cuarenta y dos mil ochocientos veinticuatro euros y cincuenta y ocho céntimos, 142824, 58 euros.

Design of a pumping station in El Salado, Colombia Author: Barandiarán del Campo, Beatriz Director: Sanz Fernández, Íñigo Collaborating entity: ICAI – Universidad Pontificia Comillas Project Summary Introduction The aim of this Project is to develop a small pumping station that together with a water treatment plant provides access to drinking water for the inhabitants of El Salado in Colombia, and therefore covering a basic necessity. Indeed, this project will fight against one of the main health problems related to the consumption of contaminated water, being classified by the WHO as one of the main causes of death across the region. The scope of the project is to cover the needs of approximately 1250 human beings, enabling the coverage of possible swings in the current population (1208) or increases in the water demand. Proposition and design of the pumping station In order to define the design of the pumping station, minimization of costs will always be considered. Furthermore, it will deal with the following phases: abstraction of the hydric resource, storage of non-treated water in the first deposit, compact water treatment plant, potable water storage in the second deposit and distribution through ten water taps. The first stage aimed at the abstraction of the hydric resource will be developed by two submersible pumping systems that will collect ground water. Each pumping system will consist of three pumps in parallel, two to provide the demand of water flow and the third one to cover possible faults. The two pumping systems will be used alternatively in order to premediate signs of wear. The water emanates from two circular wells, great depth well (150 meters) and shallow depth (30 meters). The selected pumps used to obtain the ground water have been manufactured by Wilo and will pump the water up to the first deposit located at a maximum height in order to benefit from the potential energy and avoid the requirement of new pumps. In order to select the pumping equipment for each system, the operating point will be introduced, including the water flow needed and the manometric height for each one. The water flow will be calculated by estimating the average water consumption for the inhabitants in the village. To this effect, the optimal quantity of potable water established by the World Health Organization will be taken as a reference. Therefore, each individual should have access to a daily water consumption of 100 liters. A margin will be taken into account in order to absorb possible fluctuations and resulting in a water flow of 1,44 l / s. The filters used to select the pump models are the maximum efficiency and minimum power consumption due to the need to reduce costs since we are dealing with a social project. Considering the criteria specified above, the most suitable pumps for the project will be model TWI 4.03-12 CI 3~ for shallow depth Wells and TWI 4.03-39 CI 3~ for the deep one, counting with a three phase supply and operating at a 50 Hz frequency. The compact water treatment plant will treat water derived from the first deposit in order tu supply drinking water. The second reservoir will count with a lateral spillway to eliminate the excess of water and therefore enabling the water treatment plant to be in continuous operation to extend its life cycle even though there is no real water demand. Finally, the drinking water will be distributed from a central point to ten taps that will guarantee the fulfilment of the water needs of the inhabitants. Automatisms in the project In order to control the start and stop of the pumping systems, and the opening and closing of the water supply, several automatisms will be used in both reservoirs. Concerning the first deposit, electric floating valves will be disposed to send start and stop signals to the pump engines according to the level of water in the tank. It will count with three valves that will send a stop signal to the pumping system in action whenever the maximum level is reached. Whenever the consumption of water is initiated, the water level will be reduced until it reaches the intermediate level, and an activation signal will be send alternatively to the pumping system A or B. If the consumption rate is higher than the filling rate, or an incident related to technical problems or lack of resources takes place, and the water level continues dropping until it reaches the minimum level, a start signal will be send to both pumping systems until the water level reaches again the intermediate level and one of the systems is stopped. Furthermore, the second reservoir will count with mechanical float valves to control the water consumption that will send closing signals to the supply valve whenever the minimum level is reached, and therefore cutting the water supply. The supply valve will remain closed until the water reaches the intermediate level. At this point, the supply valve will be opened, providing access to drinking water through the water taps. Maintenance Plan To ensure the correct functioning and operation of the plant, a preventive maintenance plan has been set to cover all the pumping equipment and a corrective maintenance plan for the remaining elements involved in the Project due to the fact that preventive maintenance deals with higher costs. The preventive maintenance plan will try to ensure the reliability and continuity of the water extraction and pumping systems by means of periodic reviews and inspections that will allow the detection of anomalies or potential failures. The preventive maintenance will be carried out by local inhabitants that have been trained by the technicians in charge of the startup of the plant, so there will not be additional costs. Moreover, regarding the corrective maintenance plan, problematic elements present in the plant will be substituted after a functional failure. Given that there are no opportunity costs related to the shutdown of the pumping plant, we will use this type of maintenance for the majority of the elements and a spares inventory must be continuously updated and the purchase of replacement items must be carried out. The life cycle estimation is of fifteen years if the maintenance guidelines specified above are considered. Budget The methodology used to estimate the project’s Budget if the Life Cycle Cost (LCC) method due to the fact that it deals with all the costs incurred throughout the whole project’s life span . Therefore, acquisition, start-up, operating, maintenance, energetic and environmental costs will be included. The final budget for the project amount to one hundred and forty-two thousand, eight hundred and twenty-four euros with fifty-eight cents, 142824, 58 euros.