Gestión de la presión en redes de abastecimiento de
agua potable
Luis Iglesias Aguado Ingeniero Técnico en Topografía.
Responsable comercial Zona Centro Mejoras Energéticas
Hoy en día, los parámetros por los que se mide la calidad de una red de abastecimiento de agua potable han cambiado respecto a los existentes hasta hace pocos años. Antes era suficiente con que saliera agua por el grifo, sin importar mucho la calidad de la misma, presión de suministro, etc. Cada vez más, el abonado es exigente con la calidad organoléptica del agua, la constancia en la presión aparente, la ausencia de cortes en el suministro, etc., lo que ha motivado que la empresa gestora de la red y los organismos públicos inviertan en mejorar dichos parámetros.
Para ello se han generado numerosas infraestructuras en alta con Estaciones de Tratamiento de Agua Potable (ETAP) que homogenizan y mejoran la calidad del abastecimiento a grandes áreas geográficas. Por otro lado se han mejorado las redes de distribución mediante la sustitución de tuberías antiguas y de materiales inadecuados, disminuyendo la ratio de aparición de nuevas fugas. Se han implementado equipos de tele-lectura de los caudales abastecidos y consumidos por los abonados. Se ha generalizado la sectorización de la red con la intención de mejorar el control del rendimiento hidráulico de la misma. También se han generalizado las estrategias activas de búsqueda de fugas en red, mediante la utilización de prelocalizadores, correladores y geófonos de escucha con los que se han logrado localizar y reparar muchas de las fugas existentes en la red.
Con todo ello es indudable que se ha aumentado la eficiencia hidráulica y energética de la red de abastecimiento, pero la realidad es que el mantener un rendimiento óptimo de la red exige al gestor de la misma, una vigilancia constante en la aparición de nuevas fugas y su reparación, que conlleva un coste en personal y equipos.
Si a todo lo anteriormente citado, le sumamos el creciente coste de producción y posterior depuración de los volúmenes de agua fugados y no facturados, se hace imprescindible el disminuir aún más la ratio de aparición y el tiempo de vida de las nuevas fugas, una vez alcanzado el rendimiento hidráulico óptimo en la red.
La estrategia más ensayada y generalizada en la actualidad para disminuir el tiempo en el que la fuga está activa es la monitorización acústica permanente de la red o pre-localización que, además, permite mantener el nivel de fugas de una red en niveles mínimos con unos costes operacionales muy bajos. En paralelo y de forma complementaria a esta estrategia, una de las maneras más rápida, económica y eficiente para conseguir reducir los volúmenes fugados y la ratio de aparición de nuevas fugas es mediante la Gestión de la Demanda. Esto implica tener en la red la presión adecuada al consumo en cada momento, ni más ni menos que la necesaria para que el abonado perciba calidad en el suministro. Así se evitan sobrepresiones en la red en momentos de poca demanda o poca presión en el caso contrario. Si se consigue esto, estaremos consiguiendo importantes ahorros en los volúmenes de agua fugados, que aparezcan menos fugas nuevas y una mejor percepción en la calidad del suministro por parte del abonado. De entre las diferentes tecnologías que existen en el mercado para llevar a cabo dicha estrategia de regulación de presiones, la más práctica es la instalación junto a una válvula hidráulica de regulación de presiones, de un dispositivo electrónico de control “inteligente” que consigue de forma autónoma (sin energía eléctrica) y continua, modular la consigna de presión de salida en función del caudal circulante por la misma. Este dispositivo se llama Pegasus®. El equipo se encarga de registrar los parámetros físicos
de presión aguas arriba, presión aguas abajo y caudal. Con estos datos en tiempo real, y con la curva de modulación que hayamos programado en el equipo, éste se encarga de ejecutar la presión objetivo. Los datos que se registran en el dispositivo son enviados diariamente a un puesto central utilizando la red de tecnología GPRS de bajos costes de explotación y de mantenimiento.
Ya existe, desde hace varios años, un gran número de estos dispositivos funcionando en diversas tipologías de redes (sin grandes variaciones de presiones, con grandes variaciones de presiones, con sondeos inyectando directamente a la red, etc.), consiguiéndose diferentes valores de ahorro en los volúmenes de agua fugada y mejorando el servicio a los abonados. Independientemente del mayor o
menor ahorro conseguido (que depende del rendimiento hidráulico de partida, materiales y antigüedad de la red y de las presiones de servicio), el efecto que se repite en todos los casos es el de la drástica disminución del número de fugas nuevas aparecidas en dicha red regulada. Este efecto se suma al ahorro anterior, porque fuga que no aparece, fuga que no ha de ser localizada ni reparada.
Dispositivo Pegasus® y reguladora de presión
Además de la Gestión de la Demanda, existen otras estrategias de gestión de la presión en redes de abastecimiento de agua potable, persiguiéndose con cada una de ellas diferentes objetivos. Estas son:
Reducción a consigna fija Regulación día-noche Reducción nocturna
Regulación en función de la demanda Regulación por criterio horario
Regulación en función del punto crítico Microsectorización
Reducción a consigna fija
La gestión de la presión en la red mediante la reducción constante a una consigna fija de salida de la válvula reductora es la más ensayada y desde hace más tiempo. Es recomendable en aquellos sectores donde existe una presión excesiva, poca variación de la misma y donde la red no sea muy antigua. Para llevarla a cabo únicamente hace falta una válvula reductora, por lo que la inversión es la mínima posible y los beneficios obtenidos no son grandes. Al ser una reducción constante, se reducen los volúmenes de agua fugados pero también se penaliza al abonado (volumen consumido), el cual aprecia una disminución de la calidad del servicio. Se protege a la red de sobrepresiones. No suele existir registro de datos.
Consigna fija
Regulación día-noche
Es una estrategia de regulación que mitiga los inconvenientes del caso anterior y consiste en la elección de dos consignas diferentes de salida de la reductora, una para las horas diurnas donde se localizan los mayores consumos (presión alta) y otra para las horas nocturnas donde el mayor consumo procede de las fugas (presión baja). La elección de dichas consignas es de vital importancia para conseguir los mayores beneficios sin perjudicar al abonado. Atendiendo al mecanismo de conmutación automática de dichas consignas, esta podrá ser:
Únicamente utilizando un doble piloto hidráulico instalado en la válvula reductora y mediante un reloj con baterías proceder a la elección de una consigna u otra en base a la hora programada. En este caso el tiempo de conmutación solamente depende de la válvula de aguja de la propia reductora, lo que provoca una conmutación demasiado deprisa y dependiendo de la diferencia entre las consignas de presión elegidas, se le infringe a la red un esfuerzo que puede conllevar la generación de problemas aguas abajo. En este caso no suele existir registro de datos.
Se puede utilizar un sencillo dispositivo automático parecido al Pegasus® visto en el caso
de la Gestión de la Demanda, llamado Sentinel® en el cual se pueden programar las
mismas consignas que en el caso anterior pero regulando la pendiente de conmutación de las presiones. Así se logran los mismos beneficios pero no se le infringe a la red ningún tipo de esfuerzo ya que se puede controlar el tiempo de conmutación. En este caso existe registro de los datos de presiones aguas arriba y de presiones aguas debajo de la reductora. El dispositivo también puede conmutar de una consigna a otra por criterios de caudal, si se tuviese un caudalímetro en el punto.
Día-noche
Reducción nocturna
Esta metodología de reducción de presiones está recomendada en aquellos sectores cuya capacidad hidráulica es limitada y durante las horas de mayor consumo no es posible reducir la presión porque se penalizaría enormemente al abonado y los consumos. Fuera de esa franja horaria diurna si se puede proceder a la reducción de presión para obtener los beneficios de recuperar los volúmenes de agua fugados para aumentar el rendimiento técnico de la red.
En este caso es necesaria una válvula reductora de presión que produzca la menor pérdida de carga posible en la red y un dispositivo Pegasus® que sea capaz, a las horas programadas, de cerrar y de abrir al
máximo la válvula reductora. Llegado el caso, en situaciones de emergencia por sequia extrema, se podría llegar a cerrar el sector durante ese horario nocturno y proceder por la mañana a su lenta apertura para no provocar roturas.
Dependiendo de las características de partida de cada sector hidráulico (rendimiento, antigüedad y materiales de la red, presiones, coste del agua) la amortización de los equipos implicados (válvula reductora y dispositivo Pegasus®) será alrededor de los 18 meses.
En este caso existe registro de los datos de presiones aguas arriba y de presiones aguas debajo de la reductora.
Regulación en función a tiempo
En el caso anterior estaba la limitación de reducción de presiones durante las horas de consumo por falta de capacidad hidráulica de la red. El caso de regulación de presiones en función a tiempo es el adecuado en redes que no tienen dicha limitación y en los que no se dispone de un caudalímetro en la ubicación de la reductora. Consiste en elegir diferentes consignas de presión (hasta 20 valores diferentes) y asignarles diferentes períodos horarios en los que es conveniente que se den. La elección de dichos valores y horarios pueden ser diferentes dependiendo del día de la semana en el que estemos y del histórico de consumos del sector.
De esta manera se logra tener la presión más adecuada en base a los perfiles de consumo en función a la tipología del sector (industrial, doméstico, residencial, mixto).
Igual que en el caso anterior, los equipos necesarios para llevarla a cabo son la válvula reductora de presión y el dispositivo Pegasus®. Con este método de regulación de presiones se obtienen mayores
beneficios que en los casos anteriores ya que, además de la recuperación de los volúmenes fugados en horario nocturno, se logran recuperar ciertos volúmenes diurnos. También es cierto que a ciertas horas diurnas puede que se esté penalizando al abonado por percibir falta de presión en la red.
En este caso existe registro de los datos de presiones aguas arriba y de presiones aguas debajo de la reductora.
En función a tiempo
Regulación en función a la demanda
Intentando conseguir el máximo ahorro a cualquier hora del día y de la noche del agua que se pierde por las fugas en red y dar el mejor servicio al abonado para no penalizar los consumos, se obtiene la evolución del caso anterior, esto es, la regulación de la presión en red en función de la demanda. El objetivo es que, de forma autónoma, se module la consigna de salida de la válvula reductora para así obtener de forma continua en la red la presión justa y necesaria para que el abonado perciba una buena calidad en el servicio, sin desperdiciar el agua que “tiran” las fugas existentes en dicha red. Esta estrategia es recomendable en cualquier régimen de presiones existentes en la red, no solamente donde la misma sea excesiva.
Esto se logra mediante la instalación del dispositivo Pegasus® en una válvula reductora de presión
pilotada (cualquier marca). En este dispositivo se programa una curva de modulación de presión PID (Proporcional, Integrativa, Derivativa) en la que se marca en una tabla diferentes valores de caudales circulantes por la reductora y sus correspondientes consignas de presión objetivo a conseguir. Entre los
valores de la tabla, las consignas se interpolarán linealmente en función del dato de caudal instantáneo suministrado por el caudalímetro necesario para llevar a cabo esta estrategia de regulación de presiones.
Dispositivo Pegasus®
El dispositivo se compone de un controlador-registrador de datos de presión aguas arriba, caudal circulante y presión aguas abajo, además de un actuador hidráulico que es el encargado (junto al piloto hidráulico de la válvula reductora) de conseguir las consignas de presión objetivo en cada momento, en base a la curva de regulación programada. Este equipo, además, transmite los datos registrados vía GSM/SMS/GPRS a un puesto central donde analizarlos. Todo ello lo consigue de forma autónoma, sin necesidad de energía eléctrica, mediante unas pilas de Ión-litio con autonomía para 4 años y una electrónica de bajo consumo.
La amortización de los equipos en este caso se produce antes que en ningún otro método de regulación de presiones.
Regulación en función al punto crítico
Un caso especial de la regulación de presiones en función de la demanda, se da cuando existe un punto dentro del sector hidráulico en el que es prioritario mantener una consigna de presión mínima de servicio. Este “punto crítico” suele ser el de mayor altitud dentro del sector y el objetivo es conseguir el mayor ahorro de agua no registrada (volúmenes fugados) prevaleciendo la presión mínima de servicio en el punto crítico.
El equipo que se emplea para conseguir dicha regulación es el dispositivo Pegasus® P3 (variante del
Pegasus®) y cuya diferencia es que añade un registrador de datos en el punto crítico, que es el encargado
de almacenar y transmitir diariamente las presiones al dispositivo conectado a la válvula reguladora. Este, utiliza estos datos para modificar la curva de modulación de presiones programada para hacerla más eficiente. Además, si existiese en algún momento un descenso puntual de la presión registrada en el punto crítico por debajo de la presión mínima, el registrador mandaría una orden al dispositivo instalado en la válvula reductora para incrementar temporalmente la consigna de salida y así, solventar la caída en el punto crítico.
Dispositivo Pegasus® P3
Gráficas de presiones
Graficas de presiones en población estudiada
Microsectorización
La mayoría de las empresas gestoras de agua cuando se plantean realizar la sectorización de su red, más o menos extensa, primero comienzan por los sectores hidráulicos naturales (polígonos industriales, sectores con límites de ríos y/o vías ferroviarias, urbanizaciones, etc.) para dejar para el final la zona central de la ciudad, que suele ser la de mayor dificultad para la sectorización. Esta dificultad suele radicar en la necesidad de acometer costosas obras de canalizaciones nuevas que den capacidad hidráulica al sector para dejarlo aislado permanentemente. Por este motivo existen sectores en las ciudades que son demasiado grandes (≥ 50km.) y donde se suelen concentrar la mayoría de las tuberías más antiguas y en peor estado, además del mayor número de abonados y consumo.
La solución en estos casos pasa por la realización de la sectorización no permanente, solamente aislando los sectores en horario nocturno donde el consumo es prácticamente el de las fugas existentes. Así, se puede obtener el dato del caudal mínimo nocturno de cada uno de los microsectores para poder conocer su estado en cuanto a las fugas existentes.
Esta operativa se puede realizar de forma automática y autónoma mediante la utilización de unas válvulas reductoras y los correspondientes dispositivos Sentinel®.
Con el trabajo previo en gabinete de diseñar los microsectores y la identificación de las válvulas límites de microsector que posibilitan el aislamiento del mismo, mediante la instalación de una válvula hidráulica (normalmente de diámetro pequeño de 100 mm.) y el correspondiente dispositivo, éste ejecutará de forma programada el cierre secuencial de las válvulas que aíslan el microsector, dejando que el agua entre solamente por un sitio.
En esa situación el dispositivo Sentinel® monitoriza los valores de las presiones a ambos lados de la
válvula hidráulica y, mientras la diferencia entre ambas esté dentro de un valor absoluto programado por el operador de la red, la maniobra se mantendrá. Si la presión a cualquiera de los lados de la válvula cayese por debajo del valor prefijado (p.e. por la demanda de los bomberos motivada por la existencia de un incendio), el dispositivo abriría automáticamente las válvulas que generaban el microsector. Una vez recuperadas las presiones por haber finalizado la demanda puntual, si por programación horaria aún está en condición de “cierre”, el dispositivo volverá a generar los microsectores hasta la hora que le toque la condición de “apertura”.
Gráficas de microsectorización
Caso práctico
Para estudiar la viabilidad de la implantación de una estrategia de regulación de presiones u otra, y como estos resultados dependen de la situación de partida de la red en cuanto a rendimientos hidráulicos, presiones existentes, antigüedad de la red, etc., se ha decidido mostrar los resultados obtenidos por algunos de los posibles métodos, todos ellos sobre la misma red de abastecimiento de una población con alrededor de 1.500 habitantes.
La población en cuestión está ubicada en la ladera de un rio con una pendiente pronunciada, lo que provoca que existan grandes diferencias de presión en la red de distribución de la misma (≈30 m.c.a.). El agua procede de un depósito de almacenamiento (cota 817) situado a 3,5 Km. de la válvula reductora (cota 783), transportada por una tubería de fibrocemento de 125 mm. de sección. Desde esta válvula hasta la primera acometida domiciliaria la distancia es de 500 m. Hasta la última acometida hay 2.000 m. (cota 755).
En la instalación existe una válvula reductora hidráulica de diámetro 100 mm., pero no existe ningún contador para medir el caudal circulante en dicho punto. Los equipos instalados son: controlador (unidad central, caja de electroválvulas, cruceta y actuador) y un caudalímetro electromagnético de inserción.
Caudalímetro electromagnético de inserción. Ventajas
Instalación rápida con toma en carga
Instalación y desinstalación para mantenimiento sin necesidad de cortar el suministro Funciona con pila interna y autonomía típica de 4 años
Totalmente estanco IP68
Sin fuente externa de alimentación Minimizando la obra civil
Limitando el coste de mantenimiento Reduciendo el tiempo de ejecución Reduciendo el coste de la inversión
Durante la experiencia se han ensayado diferentes estrategias de regulación de presiones (sin regulación, regulación a consigna fija, regulación a dos consignas día/noche y regulación en función a demanda) para ver su diferente comportamiento en cuanto a ahorro de agua.
A continuación se muestra una serie de gráficas (presión aguas arriba en color negro, caudal circulante por la válvula en color rojo y presión de aguas abajo en color azul) en las que se aprecia claramente su diferente eficiencia en la red, dependiendo de la estrategia ensayada. En la parte inferior de la gráfica se muestran los datos resumen de la visualización (caudal máximo, medio y mínimo).
Sin regulación (situación de partida)
Presión de salida: 26 m.c.a. Caudal mínimo nocturno: 11 m3/h
La válvula reductora está totalmente abierta y solamente se reduce la presión por la pérdida de carga producida por la misma (3 m.c.a.)
Reducción a consigna fija
La consigna de presión de salida se baja de 26 m.c.a. a 20 m.c.a. El caudal mínimo nocturno se reduce a 10 m3/h
En este caso se mantiene la presión de servicio durante el día y ningún abonado se ve afectado
Regulación día/noche
En este caso se mantiene la consigna de 20 m.c.a. durante las horas diurnas y en las nocturnas se baja a 7 m.c.a.
El caudal mínimo nocturno se reduce a 7 m3/h
Con esta estrategia solo se ven afectadas las fugas por la noche y por el día éstas consumen lo mismo.
La consigna de presión de salida modula en paralelo a la curva de caudal circulante. Las presiones van desde 20 m.c.a. y 6 m.c.a.
El caudal mínimo nocturno se reduce a 4 m3/h
Con esta estrategia se obtiene el mayor ahorro de los volúmenes fugados a cualquier hora en la que no existe demanda por parte de los abonados, sin penalizarles.
Si analizamos los datos de los volúmenes inyectados cada día al sistema tenemos que se han ido reduciendo paulatinamente según se ensayaban las diferentes metodologías de regulación de presiones, con un ligero incremento al final de la demostración, debido en su mayor parte por la climatología benigna de las fecha en las que ha hecho mucho calor y eso provoca un aumento de la demanda y, sin embargo, en esas mismas fechas se consiguen los menores valores del caudal mínimo nocturno. Esto demuestra la eficiencia del método de regulación de presiones en base a demanda que consigue los mayores ahorros de volúmenes fugados sin penalizar.
En la siguiente gráfica se muestran dichos volúmenes día.
Volúmenes día
Análisis de resultados
1. Atendiendo a los volúmenes máximo y mínimo registrados durante la experiencia, el ahorro es del 42 %. (442 m3/día - 255 m3/día = 187 m3/día). La dotación diaria por habitante se ha
reducido de 294 l/hab./día a 170 l/hab./día.
2. Si atendemos a los caudales mínimos nocturnos registrados, la reducción es del 59%. (10,85 m3/h - 4,40 m3/h = 6,45 m3/h x 24 h = 155 m3/día). Durante la demostración no se reparó
ninguna fuga que pudiera existir, ni se produjo ninguna nueva.
Estudiando los volúmenes inyectados en el sistema semanalmente, se aprecia más claramente la evolución de los ahorros.
Volúmenes semana
Durante la experiencia se han reducido drásticamente los volúmenes fugados por la noche y durante el día no se han visto afectados los consumos con la reducción modulada de la presión en red. Esto se comprobó con los datos históricos del mismo periodo del año anterior.
En cuanto a la amortización de la implantación de la estrategia de regulación de presiones en base a la demanda, estimando un coste de los equipos necesarios de unos 10.000 € y de un coste medio de producción del agua de 0,35 €/m3, en el caso que nos ocupa, ésta se produciría en cinco meses. En este
caso no se contempla el ahorro conseguido por la disminución de la ratio de aparición de fugas nuevas, difícilmente valorable.
Resumiendo, los beneficios de la utilización de estos equipos para la regulación de presiones: • Máximo ahorro de agua no registrada
• Protección de la red ante sobrepresiones • Sin fuente externa de alimentación
• Minimizando la obra civil y el tiempo de implantación • Bajo coste de explotación y de mantenimiento
