ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI) INGENIERO TÉCNICO INDUSTRIAL (MECÁNICO)
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Autor: Autor : Natividad Nat ividad Bermejo Bermejo Herrero Direc Dir ectt or:Íñi or:Íñigo go Sanz Sanz Fernández
Madrid
DISEÑO Y DESARROLLO DE UNA ESTACIÓN DE BOMBEO DE AGUAS RESIDUALES Autor: Bermejo Herrero, Natividad.
Director: Sanz Fernández, Íñigo. Entidad Colaboradora: ICAI – Universidad Pontificia Comillas.
RESUMEN DEL PROYECTO Los objetivos del presente proyecto son, en primer lugar, dimensionar el pozo de gruesos del futuro EDAR del término municipal de Boadilla del Monte, en la Comunidad de Madrid. En segundo lugar, el bombeo de las aguas residuales que contenga el pozo hasta llegar al depósito donde comenzarán las fases de su depuración. La construcción de dicho EDAR se plantea para dentro de 50 años, y se situará en la cuenca hidrográfica del arroyo Valenoso. Se estima un caudal máximo teórico de 2000 m3 /h a bombear. La instalación de la estación de bombeo se compondrá de dos tramos. El primero estará a su vez diversificado en cuatro secciones, al ser el número de bombas necesarias en el pozo. Cada uno de estas cuatro secciones tendrá 2,5 m de tubería DN315 en vertical dentro del pozo, mediante un codo el fluido pasará a la cámara de válvulas, la cual tendrá una válvula de cierre (de mariposa) y otra antirretorno (de bola) por cada sección uniéndose todas ellas en el entronque o pieza pantalón. Desde esta pieza comenzará el segundo tramo. Serán necesarios 7 m de tubería DN500 para unir la pieza pantalón con la válvula de cierre elegida, tipo mariposa, y de esta llegar hasta la válvula antirretorno de clapeta a muro que descargará al depósito. A partir del caudal, y una vez decidido la instalación de la estación de bombeo, se halla la altura debido a las pérdidas por fricción del fluido con la tubería y con los accesorios, obteniendo una altura de 3,37 m. Al conocer la altura debido a las pérdidas de carga, y la altura geodésica del pozo al depósito que serán 10 m, se tiene una altura manométrica de 13,4 m. Finalmente, esta será la altura total a la que las bombas tengan que hacer frente para conseguir elevar el fluido hasta el depósito.
Se descarta la bomba en seco porque se necesitaría otro compartimento además del pozo para su ubicación. Por tanto, para ahorrar espacio, se decide que sea una bomba sumergida para aguas residuales con partículas flotantes. Con estas características se ha realizado un estudio de los tres modelos de bombas más adecuadas en la EBAR para una vida útil de 10 años, teniendo en cuanta: el rendimiento hidráulico, el NPSH, la potencia en el eje de la bomba y el coste energético y de mantenimiento durante los diez años. Como conclusión, se ha elegido instalar un sistema 3+1 de bombas iguales en paralelo de la marca ABS, modelo AFP 3002, con un motor ME 900-6 que proporcionará una potencia de accionamiento de 108 kW. En primer lugar, el sistema 3+1 es debido a que se ha previsto una bomba de reserva porque el coste de pérdida debido a la falta de actividad es elevado. En segundo lugar, la decisión de que sean iguales es debido a la simplificación del mantenimiento y la reducción de stock de repuestos. Para evitar la sobrecarga térmica de los motores, las bombas no se deben arrancar con demasiada frecuencia dentro de un intervalo de tiempo. Al ser la potencia del motor de 90 kW, se corresponde con un máximo de 15 arranques/hora, es decir, un máximo de 240 s entre dos arranques consecutivos. Para el funcionamiento con bombas sumergidas hay que tener en cuenta que la refrigeración del motor la realiza el mismo medio que la bomba eleva por lo que el volumen muerto del pozo de bombeo se corresponderá con una altura de 1,77 m. El volumen del pozo depende también de la secuencia de funcionamiento. El modo de funcionamiento seleccionado es el modo de ‘arranque y paro escalonados’. Es decir, las bombas arrancan una tras otra a niveles crecientes y paran sucesivamente en orden inverso. Frente al modo ‘arranque escalonado y paro común’, es decir, las bombas arrancan una tras otra, pero paran todas a la vez en el nivel de desconexión de la primera bomba. En el modo elegido se trata de una serie de volúmenes útiles superpuestos, por lo que el volumen total es mayor. Este modo se adapta mejor a las fluctuaciones de caudal, ya que produce menos puntas, y a su vez redundará en un beneficio para el funcionamiento de la EDAR a la que se vierte el agua del pozo de gruesos. El pozo será de planta cuadrada porque, aunque es recomendable que la superficie del pozo sea mínima, si fuese circular habría que cavar a mayor profundidad.
Los pozos de planta circular se utilizan generalmente en estaciones de poco caudal o prefabricadas. Sin embargo, los pozos de planta cuadrada o rectangular permiten un flujo de agua más abundante y regular. Con un criterio hidráulico son preferibles los de planta cuadrada o rectangular, por eso ha sido la elegida en este proyecto. Con lo dicho anteriormente, se ha determinado que el pozo tenga unas dimensiones de 4800x4000x3000 mm (Ancho x Largo x Alto). Según las dimensiones obtenidas, el pozo va a tener un volumen útil de 18,38 m³. El volumen total del pozo de bombeo es la suma del volumen útil y el volumen muerto, dando un total de 57,60 m³. Para evitar la entrada directa del agua sobre las bombas o sus cables de alimentación, se decide construir una cámara tranquilizadora en el pozo que disminuya la energía cinética del agua y a la vez ayude a eliminar aire disuelto. Tendrá unos orificios para ayudar a que el agua fluya hacia la línea de bombas perpendicularmente. Desde el punto de vista económico, se estiman unas pérdidas durante los 10 años analizados de 16.795.101,65 €, que se deducen de sustraer a los ingresos por venta de energía y agua regenerada, los costes de ejecución de obras, compra e instalación de equipos, y compra de agua residual. Puede ahorrarse entre un 30 y un 50% de la energía consumida mediante la optimización de las bombas y toma de decisiones. Por ello, se ha realizado un estudio de los factores que influyen en el coste del ciclo de vida de las bombas: coste inicial, de instalación, energético, de operación, de mantenimiento, de tiempo por avería, medioambiental y de retirada. El presupuesto general sin contabilizar los costes de actividad se reflejan en la siguiente tabla: PRESUPUESTO GENERAL Concepto % Ejecución Importe 1 Total de Ejecución 100% 2 Gastos generales 11% 3 Beneficio industrial 7% 4 I.V.A. 21% PRESUPUESTO TOTAL PARA 10 AÑOS
2.190.348,68 € 240.938,36 € 153.324,41 € 459.973,22 € 3.044.584,67 €
DESIGN AND DEVELOPMENT OF A PUMPING STATION SEWAGE Author: Bermejo Herrero, Natividad.
Director: Sanz Fernández, Íñigo. Collaborating Organization: ICAI – Universidad Pontificia Comillas.
PROJECT SUMMARY There are two main objetives in this project. Firstly, measure the future raw water well to be installed in Boadilla del Monte, Community of Madrid. Secondly, the pumping of waste water from the well to the deposit where the purification will happen. The construction of the WWTP is due in 50 years, and will be placed in the watershed of Valenoso stream. It is estimated a theoretical maximum flow of 2,000 m3 /h pumped. The installation of the pumping station will be composed by two segments. The first segment will be divided in four sections. A section for every pump that the well will have. Each section will have a vertical pipe of 2.5 m inside the well. Through an elbow the pipes will arrive to the valve chamber. In this chamber will be necessary to place a butterfly valve and a ball valve on each pipe. Afterward all of them will be joined with a junction pipe. Here will start the second segment, where a 7 m pipe will be required to join the junction pipe with another butterfly valve and from this one to the clapper valve that will discharge in the tank. Once the flow and the installation of the pump station is know, the height due to the fluid frictions is calculated. The height obtained is 3.37 m. Knowing the height due to the losses, and geodetic height of the well to the tank (10 m), the conclusion is that the total height will be of 13.4 m. This is the total height to which the pumps will have to lift the fluid to the tank. A dry pump has been discard as another compartment in addition to the well is needed. Therefore, to save space, it is decided to choose a submerged pump for waste water. A study has been made to analyze the more suitable pumps for a lifetime of 10 years. For the analysis has been taken in consideration: the hydraulic performance, the
NPSH, the power on the shaft of the pump and the energy and service costs for ten years. In conclusion, it has been chosen to install a 3+1 system. The four pumps will be the same, the brand selected is ABS, AFP model 3002, with an engine ME 900-6. The reason to choose a system 3+1 is due to a reserve pump has been forecasted as the cost of loss due to lack of activity is high. The reason for the pumps to be the same is due to simplified maintenance and reduced stock of spare parts. To avoid thermal overload of the motors, the pumps must not be too often started. The engine power is of 90 kW, it corresponds to a maximum of 15 starts / hour, it means a maximum of 240 s between two consecutive starts. For operation with submersible pumps should be considered that the minimum heigh of the well has to be 1.77 m in order to the engine to get cool. The volume of the well also depend on the sequence of operation. The operational mode selected is “staggered start and stop”, this means that the pumps will start one after the other in ascending order and stop one after the other in descending order. The method defers from the “staggered start and stop common”. This method will start the pumps in ascending order one after the other but will stop all of them simultaneously. The method chosen will increase the volume of water and adjust better to the flow fluctuations so the WWTP will be more benefit. Circular wells are generally used in low flow stations or prefabricated. However, rectangular or square wells allow a more abundant flow of water and regular. With a hydraulic criterion are preferable to square or rectangular, so it has been chosen in this project. Due to the exposed data the dimensions of the well will be 4800x4000x3000 mm (W x L x H). The useful volume will be 18.38 m³ and the total volume will be 57.60 m³. To avoid direct intake of water on pumps or in its power cables, it has been decided to build a wall into the pit reassuring to decrease the kinetic energy of water and as well to help remove dissolved air. In the bottom part of the wall there are several holes so the water can flow to the pumps.
From the economic point of view during the ten years analyzed, the losses will be € 16,795,101.65. This is derived by subtracting the income from energy sales and
reclaimed water, the implementation costs of construction, purchase and installation of equipment, and purchase of wastewater. You can save between 30 and 50% of the energy consumed by optimizing the pumps and the decisions taken. It has been developed a study of the factors that will influence on the life cycle of the pumps: initial cost, installation, energy, operation, maintenance, time to failure, environmental and withdrawal. The overall budget without the cost of activity is reflected on the following table: GENERAL BUDGET Concept Execution % Amount 1 Execution Total 100% 2 General Expenses 11% 3 Industrial Benefit 7% 4 V.A.T. 21% TOTAL BUDGET FOR 10 YEARS
2.190.348,68 € 240.938,36 € 153.324,41 € 459.973,22 € 3.044.584,67 €
NDICE DE FIGURAS Í
Índice de figuras Figura 1. Mapa de Madrid-Boadilla del Monte ........................................... 13 Figura 2. Mapa de ubicación del EDAR en Boadilla del Monte................. 13 Figura 3. Plano de pozo con planta rectangular .......................................... 19 Figura 4. Tipos de impulsores ........................................................................ 19 Figura 5. Procesador de datos ....................................................................... 24 Figura 6. Bombas para aguas limpias y residuales ...................................... 30 Figura 7. Altura de elevación ......................................................................... 31 Figura 8. Instalación fija sumergida ............................................................. 32 Figura 9. Instalación horizontal en seco ...................................................... 32 Figura 10. Instalación vertical en seco .......................................................... 32 Figura 11. Portátiles ....................................................................................... 33 Figura 12. Formas de instalación fija sumergida......................................... 34 Figura 13. Vórtices debido a una sumergencia insuficiente........................ 35 Figura 14. Descripción de la cavitación ........................................................ 36 Figura 15. Ejemplo de la erosión por cavitación .......................................... 36 Figura 16. Consecuencias de la cavitación.................................................... 37 Figura 17. Distribución de presiones en una bomba ................................... 38 Figura 18. Proceso de identificación y evaluación de aspectos ambientales.. Significativos (Fuente: Ministerios de Medio Ambiente) ......... 39 Figura 19. Rugosidad ...................................................................................... 49 Figura 20. Pérdidas de carga primaria en el primer tramo........................ 52
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