ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS AGRÓNOMOS Universidad Politécnica de Madrid Departamento de Ingeniería Rural

TRABAJO FIN DE CARRERA

ANÁLISIS Y USO DEL AGUA EN LA ESTACIÓN DE BOMBEO Y RED DE RIEGO DE LOS CAMPOS DE PRÁCTICAS DE LA E.T.S.I. AGRÓNOMOS

Miguel Cabañas Trincado ORIENTACIÓN: Ingeniería Rural PLAN: 1996 CONVOCATORIA: Junio 2007

TUTOR: Raúl Sánchez Calvo Dr. Ingeniero Agrónomo

Trabajo Fin de Carrera

Resumen

RESUMEN:

El presente Trabajo Fin de Carrera, que lleva por título “Análisis y uso del agua en la estación de bombeo y red de riego de los Campos de Prácticas de la ETSI Agrónomos”, ha tenido como objetivo central el analizar la automatización de la estación de bombeo para la gestión eficiente de los recursos.

La metodología seguida ha sido la simulación basada en el análisis tanto de las redes de riego, como del funcionamiento de las combinaciones de bombas centrífugas que componen la estación de bombeo. Se ha desarrollado, y contrastado experimentalmente en la propia estación, un modelo que permite predecir el funcionamiento del bombeo. Con éste se ha estudiado el consumo de energía y se ha propuesto la programación de los convertidores de frecuencia para lograr el uso eficiente de la energía. En dicho modelo se han tenido en cuenta las particularidades de la estación de bombeo, en la que no todas las bombas son iguales, y la presión se desea regular en la cabecera de la red, aguas abajo del filtro, en el que las pérdidas de carga dependen del grado de suciedad del mismo.

En base a los resultados del modelo se han determinado los parámetros necesarios para programar la automatización de la estación. Puesto que los resultados obtenidos en el contraste experimental fueron satisfactorios, se considera que los desarrollos que en este documento se exponen, además del uso actual que se pueda hacer de ellos, pueden tener utilidad en las futuras actuaciones en la red o redes de riego de los Campos de Prácticas.

De los resultados obtenidos, se deduce que, para realizar los riegos a presión especificados, el consumo energético en la estación por m3 de agua elevado, se sitúa en torno a 0,13 kW·h/m3, siempre que el caudal de riego esté comprendido entre 20 y 160 m3/h. Y que el grado de suciedad del filtro no afecta a la estabilidad de la presión en cabeza de la red, aunque, como era de prever, a costa de incrementar el consumo energético. Pero este último puede mantenerse dentro de límites razonables mediante la limpieza del filtro, que, además, es automática.

I

Trabajo Fin de Carrera

Resumen

Por último, se incluyen algunas recomendaciones relativas al manejo de la red y a posibles actuaciones en la misma, y posibles mejoras en la automatización de la estación de bombeo.

II

Lista de Símbolos

Trabajo Fin de Carrera

LISTA DE SÍMBOLOS Ecuación dimensional

Símbolo a0 a1 a2 A ARS B b1 b2 c0 c2 cd cosφ D E f g h H h1 h2 Hb Hr hf iH I k K L n N N0 Ni p P PN

Coeficiente de ajuste de la ecuación característica H(Q) de una bomba Coeficiente de ajuste de la ecuación característica H(Q) de una bomba Coeficiente de ajuste de la ecuación característica H(Q) de una bomba Superficie Superficie de riego simultáneo Bomba Coeficiente de ajuste de la ecuación característica η(Q) de una bomba Coeficiente de ajuste de la ecuación característica η(Q) de una bomba Coeficiente de ajuste de la curva característica Η(Q) del sistema Coeficiente de ajuste de la ecuación característica H(Q) del sistema Coeficiente de déficit Factor de potencia Diámetro Energía consumida por unidad de volumen Frecuencia, factor de rozamiento en tuberías Aceleración de la gravedad Altura de presión Energía por unidad de peso Altura de presión a la entrada del filtro Altura de presión a la salida del filtro, en la cabecera de la red Lámina bruta de riego Lámina de riego requerida Pérdida de carga Pluviosidad Intensidad de corriente Aspereza de arena equivalente Coeficiente de pérdidas de carga localizadas Longitud Número de bombas Relación de giro Régimen de revoluciones nominal Régimen de revoluciones Presión Potencia Presión nominal de una tubería

III

[L] [L]-2[T] [L]-5[T]2 [L]2 [L]2 [L]-3[T] [L]-6[T]2 [L] [L]-5[T]2 adim adim. [L] [M] [L]-1[T]-2 [T]-1, adim. [L][T]-2 [L] [L] [L] [L] [L] [L] [L] [L][T]-1 [A] [L] adim. [L] adim. [T]-1 [T]-1 [M] [L]-1[T]-2 [M] [L]2[T]-3 [M] [L]-1[T]-2

Lista de Símbolos

Trabajo Fin de Carrera

qa Q r2 R Ra Rs t td tr u U V z η

γ ν π ρ

Caudal nominal de un aspersor Gasto o caudal Coeficiente de determinación Número de Reynolds Rendimiento de aplicación de riego Simultaneidad de uso Tiempo Tiempo de riego diario Tiempo de riego Velocidad puntual Velocidad media en una sección transversal recta con movimiento uniforme, potencial eléctrico. Volumen Cota Rendimiento Peso específico Viscosidad cinemática Número PI densidad

IV

[L]-3[T]-1 [L]-3[T]-1 adim. adim. adim. adim. [T] [T] [T] [L][T]-1 [L][T]-1, [M] [L]2[T]-3[A]-1 [L]3 [L] adim [M] [L]-2[T]-2 [L]2[T]-1 [M] [L]-3

Trabajo Fin de Carrera

Índice

ÍNDICE Página 1.

2.

3.

INTRODUCCIÓN.

1

Definición de objetivos.

2

INFRAESTRUCTURA DE RIEGO EN LOS CAMPOS DE PRÁCTICAS.

3

2.1. INTRODUCCIÓN.

3

2.2. LA RED DE RIEGO. USO Y APROVECHAMIENTO ACTUAL.

3

2.3. LA ESTACIÓN DE BOMBEO.

6

2.3.1. Bombas.

7

2.3.2. Convertidores de frecuencia.

8

2.3.3. Filtro de malla con limpieza automática.

10

2.3.4. Depósito hidroneumático.

11

2.3.5. Otros elementos.

11

MATERIALES Y MÉTODOS.

14

3.1. INTRODUCCIÓN.

14

3.2. MODELACIÓN DE LA RED DE RIEGO. CURVA DEL SISTEMA.

14

3.3. MODELACIÓN DEL BOMBEO.

19

3.3.1. Curvas características y funcionamiento homólogo.

20

3.3.2. Caracterización experimental del bombeo.

24

3.3.3. Caracterización de las pérdidas de carga en el filtro.

28

3.4. AUTOMATIZACIÓN DE LA ESTACIÓN DE BOMBEO.

28

3.4.1. Control de la presión según la curva del sistema.

30

V

Trabajo Fin de Carrera

Índice

3.4.2. Control de la presión según el número de bombas en funcionamiento. 4.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN.

35

4.1. INTRODUCCIÓN.

35

4.2. CURVA DEL SISTEMA.

35

4.3. CURVAS CARACTERÍSTICAS DEL BOMBEO.

37

4.3.1. Bombas funcionando por separado.

37

4.3.2. Bombas en su conjunto.

48

4.4. AUTOMATIZACIÓN DE LA ESTACIÓN DE BOMBEO.

5.

6.

32

52

4.4.1. Simulación del bombeo según la curva del sistema.

52

4.4.2. Predicción del bombeo según el número de bombas en funcionamiento.

55

4.4.3. Contraste experimental del modelo.

59

4.4.4. Aplicación a otras redes de riego.

63

4.4.5. Aspectos prácticos.

65

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES.

67

5.1. APORTACIONES.

67

5.2. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES.

68

5.3. DESARROLLOS FUTUROS

69

REFERENCIAS:

70

ANEXOS A I.

PARCELAS DE LOS CAMPOS DE PRÁCTICAS DE LA ETSI AGRÓNOMOS.

72

A II.

ESPECIFICACIONES TÉCNICAS DE LAS BOMBAS, CONVERTIDORES DE FRECUENCIA, Y DEPÓSITO HIDRONEUMÁTICO.

77

II.1. Bombas centrífugas.

77

II.2. Convertidores de frecuencia.

79

VI

Trabajo Fin de Carrera

Índice

II.3. Particularidades de la automatización de la estación de bombeo.

79

II.4. Depósito hidroneumático.

81

DATOS OBTENIDOS EN LOS ENSAYOS DE LAS BOMBAS. FUNCIONAMIENTO HOMÓLOGO.

83

III.1. Ensayos del bombeo en funcionamiento manual.

83

III.2. Ensayos del bombeo en funcionamiento automático.

85

III.3. Puntos de funcionamiento homólogo y pérdidas de carga en el filtro.

87

ESTRUCTURA DE LAS HOJAS DE CÁLCULO

89

IV.1. Modelación de la red de riego. TFC_01.xls.

89

IV.2. Modelación del bombeo controlando la presión según la curva del sistema. TFC_02.xls.

89

IV.3. Modelación del bombeo controlando la presión según el número de bombas en funcionamiento. TFC_03.xls.

92

A V.

PARÁMETROS BÁSICOS PARA LA PROGRAMACIÓN DE LOS CONVERTIDORES DE FRECUENCIA. VALORES PROPUESTOS.

94

A VI.

PLANOS

97

A III.

A IV.

1. Campos de Prácticas. Parcelas y redes de riego 2. Estación de bombeo (PLANTA) 3. Estación de bombeo (ALZADO) 4.Estación de bombeo (PERFIL)

VII

Trabajo Fin de Carrera

Capítulo 1. Introducción

1. INTRODUCCIÓN.

La reciente ejecución de una nueva estación de bombeo en los Campos de Prácticas de la ETSI Agrónomos ha motivado la realización del presente Trabajo Fin de Carrera, que se ha desarrollado en el marco del IV Plan Regional de Investigación Científica e Innovación Tecnológica (PRICIT), contando con las ayudas para apoyar las líneas de I+D en el programa de creación y consolidación de Grupos de Investigación de la Universidad Politécnica de Madrid.

Al finalizar la ejecución, se plantea la necesidad y oportunidad de optimizar el uso de los recursos en la estación, objetivo principal de este trabajo. Para ello, en primer lugar se debe analizar la forma en que se usa la red de riego de los Campos de Prácticas, para luego simular el funcionamiento de dicha red ante diferentes situaciones de demanda. En segundo lugar, se modela el bombeo en condiciones de trabajo teóricas (empleando las curvas características de las bombas que suministra el fabricante), y reales (mediante curvas determinadas experimentalmente), y se contrasta experimentalmente éste último modelo. Asimismo, se determinan los parámetros de la programación de la automatización del bombeo de modo que éste se adapte a los requerimientos del sistema a la vez que se consigue un uso eficiente de los recursos y, en particular, de la energía eléctrica. La estación cuenta con la particularidad de que no todas las bombas son iguales. Y, también, que el control de la presión se realiza en la cabecera de la red, en vez de en el colector de impulsión, con objeto de evitar la influencia del estado de limpieza del filtro.

En el Capítulo 2, se hace una descripción general de los Campos de Prácticas y, en particular, de la red de riego. También se describen los diferentes elementos de la estación de bombeo.

En el Capítulo 3, Materiales y métodos, se explica la metodología aplicada para alcanzar los objetivos del trabajo, y los materiales de los que se dispone. Concretamente, la modelación del bombeo mediante ecuaciones matemáticas, el

1

Trabajo Fin de Carrera

Capítulo 1. Introducción

procedimiento experimental para caracterizar el bombeo, el análisis de la automatización del mismo y los parámetros propuestos para su programación, así como su contraste experimental. Los resultados obtenidos, tanto de los modelos como de las determinaciones experimentales, se exponen y analizan en el Capítulo 4.

En el Capítulo 5 se exponen las conclusiones y recomendaciones que se deducen de los análisis llevados a cabo en este trabajo. Asimismo se especifican las aportaciones propias al mismo y posibles desarrollos futuros.

Definición de objetivos. El presente trabajo se centra en el ajuste de la automatización del bombeo para conseguir un uso eficiente de los recursos en el riego de los Campos de Prácticas. En el marco de dicho objetivo, se encuentran los siguientes objetivos específicos:

1. Modelar y analizar la red de riego para determinar la altura de elevación necesaria en la cabecera. Estudiar dicha altura en función de la demanda ocasionada desde los puntos de consumo abastecidos y su probabilidad.

2. Modelar y analizar el funcionamiento de las bombas de la estación de bombeo. Incluir la influencia de las pérdidas de carga en el filtro sobre el bombeo.

3. Modelar el funcionamiento automático de la estación de bombeo. Analizar el bombeo automático para conseguir que la energía consumida por unidad de volumen elevado sea la menor posible. Determinar los valores para los parámetros de dicha automatización.

2

Trabajo Fin de Carrera

Capítulo 2. Infraestructura de riego en los Campos de Prácticas

2. INFRAESTRUCTURA DE RIEGO EN LOS CAMPOS DE PRÁCTICAS.

2.1. Introducción.

En este capítulo se hace una descripción general de las infraestructuras de riego en los Campos de Prácticas de la ETSI Agrónomos. Se ha dividido el capítulo en dos apartados generales. El primero hace referencia a los Campos de Prácticas, la red de riego y el uso que se da a las parcelas. Y el segundo apartado describe la estación de bombeo.

2.2. La red de riego. Uso y aprovechamiento actual.

La superficie total de los Campos de Prácticas es de 16 hectáreas. La superficie regable actualmente es de 10,5 ha y está dividida en 42 parcelas cuyo aprovechamiento está asignado a diferentes departamentos. El tamaño de la unidad media es de 0,25 ha, siendo el tamaño de la unidad más grande de 0,7 ha y de 0,02 ha para la más pequeña. En el Plano 1 (Anexo VI) puede observarse la distribución de las parcelas, que se identifican por su numeración, así como las redes y otros elementos del sistema de riego de los Campos de Prácticas: pozo y manantial (círculos verdes), balsa de regulación y aljibe (en azul), estaciones de bombeo principal y secundaria (en rojo). La balsa de regulación, de capacidad V = 5280 m3, regula los recursos hídricos del pozo y del manantial. Desde dicha balsa se alimenta a la estación principal de bombeo, de la que parte la red principal de riego. La estación se programará en base a la presión necesaria en la cabecera de esta red, que es función del caudal demandado.

3

Trabajo Fin de Carrera

Capítulo 2. Infraestructura de riego en los Campos de Prácticas

Una segunda red se alimenta desde un aljibe de 50 m3 que se rellena utilizando la red principal y haciendo uso exclusivo del desnivel existente con el estanque (10 metros aproximadamente). La presión en dicha red se obtiene mediante una estación de bombeo secundaria (en mal estado) situada junto al aljibe.

La red de agua potable del Canal de Isabel II, que suministra agua a los edificios de los Campos de Prácticas, tiene bocas de riego desde las que se puede abastecer a algunas de las parcelas que no pueden regarse utilizando las redes anteriores.

Se dispone también de una red, actualmente en desuso, que, de recuperarse, permitiría el riego por gravedad de algunas parcelas desde el estanque. No permitiría el riego a presión, puesto que el desnivel es menor de 10 metros.

En función de la red de riego que abastece a las parcelas, éstas se han dividido en tres tipos: las que se abastecen mediante la red principal, las que lo hacen con la red secundaria y aquellas que utilizan el agua del Canal de Isabel II. En la Tabla 2.1 aparece la superficie total ocupada por cada uno de estos tres tipos de parcela.

TABLA 2.1. Superficie ocupada por las parcelas de los Campos de Prácticas de la ETSI Agrónomos en función de la red que las abastece.

Parcelas

Superficie (ha)

Red Principal Red Secundaria Red del Canal de Isabel II Total

4,59 3,24 2,62 10,45

En la Figura 2.1 aparecen diferenciados por colores estos tres tipos de parcela en los Campos de Prácticas.

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Trabajo Fin de Carrera

Capítulo 2. Infraestructura de riego en los Campos de Prácticas

21 22 23 38 24

39

36

25

37 33 35

41

27 34

26 40

42

42

28 32

Pozo 31

Estación secundaria

30 29

1 17 20

18 13a 19

42

16

Estanque

15

12

Estación de bombeo

11

10

7

5b

14

13b

6 5a

9

2 8

M-30

Parcelas que se abastecen de la red principal Parcelas que se abastecen de la red secundaria

3 4

Figura 2.1. Parcelas de los Campos de Prácticas de la ETSI Agrónomos

Cabe destacar, como ya se propone en Unidad de Hidráulica y Riegos (2004), que la eliminación de la estación de bombeo secundaria y la unión directa de la tubería de entrada al aljibe con la de salida de la bomba de dicha estación, permitiría regar desde la estación principal de bombeo las parcelas que ahora se riegan utilizando la red secundaria. De modo que la superficie regable desde la estación de bombeo principal aumentaría de 4,6 a 7,8 hectáreas.

En el Anexo I se resume la información (Dirección técnica de los Campos de Prácticas) relativa a las parcelas, sus respectivas superficies, los departamentos que hacen uso de las mismas y los tipos de cultivo y métodos de riego empleados (Tabla I.1), así como el calendario de riegos previsto para la campaña de 2006 al comienzo de la campaña de riegos de ese mismo año (Tabla I.2).

También, en la Tabla I.3, se incluyen datos relativos al uso de la estación de bombeo durante la campaña 2006. Se concluye que la jornada de riego media en los Campos de Prácticas (empleando la red principal) tiene una duración aproximada de 2 horas y 30 minutos, con un caudal en torno a 90 m3/h. Los caudales de riego habitualmente están comprendidos entre los 40 y 150 m3/h. En cuanto a la presión, se fijó provisionalmente a 3 bar tras la finalización del montaje de la estación de bombeo, en espera de la realización del presente estudio.

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Trabajo Fin de Carrera

Capítulo 2. Infraestructura de riego en los Campos de Prácticas

2.3. La estación de bombeo. La empresa encargada de proyectar y ejecutar la instalación a partir de las especificaciones de la memoria de la propuesta para el proyecto de riego de los Campos de Prácticas (Unidad de Hidráulica y Riegos, 2004) fue Talleres Cardeña S.L. (Talleres Cardeña, 2005).

Básicamente, la estación se compone de tres bombas centrífugas con sus respectivos convertidores de frecuencia, un filtro de malla de limpieza automática, un depósito hidroneumático, elementos de medida de variables hidráulicas y, por último, válvulas y llaves para regular el flujo del agua. Las Figuras 2.2 y 2.3 muestran el interior de la caseta de bombeo. Pueden verse las tres bombas, el filtro, el depósito hidroneumático, el cuadro de control de la instalación y otros elementos que se describen en este apartado. Puede apreciarse cómo se ha dejado un espacio para la instalación, si fuese necesario, de otra futura bomba. En los Planos 2, 3 y 4, se representa de forma detallada la estación de bombeo y sus componentes.

Figura 2.2. Estación de bombeo. De izquierda a derecha: depósito hidroneumático, bomba CR45-3, espacio para una futura bomba, dos bombas CR90-3-2 y, por último, vista parcial del filtro.

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Trabajo Fin de Carrera

Figura 2.3

Capítulo 2. Infraestructura de riego en los Campos de Prácticas

Estación de bombeo. Filtro automático en primer plano, transductor de presión, caudalímetro y válvula de alivio al fondo, y armario para convertidores de frecuencia, autómata y elementos de control.

2.3.1. Bombas. La estación de bombeo dispone de tres bombas centrífugas de eje vertical Grundfos: dos modelo CR90-3-2 (denominadas B1 y B2) y otra modelo CR45-3 (denominada como B3). En la Figura 2.4 se muestran las bombas en la estación de bombeo.

Figura 2.4. Estación de bombeo. En primer plano, las bombas B1 y B2, y al fondo la bomba B3.

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Trabajo Fin de Carrera

Capítulo 2. Infraestructura de riego en los Campos de Prácticas

Las bombas de la estación están acopladas en paralelo. En el funcionamiento automático de la instalación, ante una demanda pequeña de caudal, funcionará únicamente la bomba B3. Conforme aumente la demanda, se detendrá esta bomba y arrancará la bomba B1. Posteriormente, según el caudal siga incrementándose, funcionarán en paralelo las bombas B1 y B2, y finalmente funcionarán acopladas en paralelo las tres bombas. El cambio de la bomba B3 a la bomba B1 lo realiza un autómata programable, y el resto de cambios se efectúan programando los convertidores de frecuencia de las bombas. Si el caudal va disminuyendo, se sigue la secuencia inversa, excepto el cambio de B1 a B3, que no se realiza, puesto que el autómata no está programado para ello. Las bombas que funcionan simultáneamente, lo hacen a la misma velocidad de giro, según el acoplamiento denominado maestro-esclavo, que se describe en el siguiente apartado.

Las características básicas de las bombas instaladas aparecen en la Tabla 2.2. Y una explicación de cada concepto en el Anexo II.

TABLA 2.2. Características de las bombas de la estación de bombeo de los Campos de Prácticas de la ETSI Agrónomos.

Parámetro \ Bomba Caudal nominal (m3/h) Altura elevación nominal (m) Rendimiento máximo (%) Caudal máximo (m3/h) Altura elevación máxima (m) Potencia motor (kW) Tensión motor (V) Frecuencia motor (Hz) Intensidad motor (A) Velocidad nominal (rpm)

CR45-3

CR90-3-2

45 59,6 79 58 77 11 380 50 21 2930

90 52,6 81 120 82 18,5 380 50 36 2930

Fuente: Grundfos (2006)

2.3.2. Convertidores de frecuencia. Las bombas de la estación de bombeo están dotadas de sendos convertidores de frecuencia Danfoss VLT 8000 AQUA. Al poder modificar el régimen de giro de las bombas, éstas podrán ajustarse a las exigencias del sistema en cada momento, lo que

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Trabajo Fin de Carrera

Capítulo 2. Infraestructura de riego en los Campos de Prácticas

llega a suponer un importante ahorro energético (Serón, 2006). Más detalles sobre el funcionamiento de los convertidores de frecuencia aparecen en el Anexo II. En la estación de bombeo se puede controlar automáticamente la presión con los convertidores. En particular, se controla a la salida del filtro, punto en el que se dispone de un transductor de presión (ver Figura 2.7) cuya lectura emplean los convertidores para regular la presión al valor de consigna prefijado.

El controlador automático de proceso es de tipo PID (proporcional, integral y derivativo), y sus parámetros se pueden modificar para ajustar la velocidad de respuesta. Además, los convertidores de frecuencia dan varias lecturas de variables eléctricas, entre las que destaca la potencia consumida.

Uno de los convertidores, en particular el que acciona la bomba B1, tiene instalada una tarjeta de opción de controlador escalonado, y se ha seleccionado el modo de funcionamiento maestro/esclavo. En este modo de funcionamiento, el convertidor que aloja la tarjeta de control, se designa como maestro, y los otros dos convertidores se denominan esclavos. El convertidor maestro envía una señal a los esclavos para encenderlos y apagarlos secuencialmente de acuerdo a los requerimientos del sistema. La velocidad de giro de las unidades esclavas también la controla la unidad maestro, que obliga a que todas las unidades en funcionamiento (maestro y esclavos) tengan el mismo régimen de revoluciones.

Para el control automático de la instalación, es necesario introducir en los convertidores los parámetros relativos a las bombas y el sistema. En el Anexo V aparecen los parámetros introducidos en la programación propuesta para la estación de bombeo.

Básicamente, los datos necesarios son:

-Características de las bombas: Potencia, tensión, frecuencia, intensidad, régimen nominal y las frecuencias máxima y mínima a las que se desea que funcionen las bombas.

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Trabajo Fin de Carrera

Capítulo 2. Infraestructura de riego en los Campos de Prácticas

- La presión necesaria en el transductor de presión situado a la salida del filtro, expresada en función del caudal. Esto es, la curva del sistema. Dicha curva se estudia en el apartado 3.2.

-Las frecuencias de activación y desactivación de las bombas en el funcionamiento maestro/esclavo, cuya determinación es uno de los objetivos específicos de este trabajo. A este respecto, el fabricante Danfoss facilita el programa informático MUSEC (Multiple Unit Staging Efficiency Calculador) para la determinación de estas frecuencias. Más adelante, en el Capítulo 4, se comparan los resultados obtenidos mediante la metodología propia (Capítulo 3) con los obtenidos utilizando el programa MUSEC.

-Parámetros del controlador PID, para ajustar la regulación de la presión, velocidad de respuesta y estabilidad de ésta.

Más detalles sobre la programación de los convertidores se encuentran en el apartado II.3 del Anexo II.

2.3.3. Filtro de malla con limpieza automática. Este elemento sirve para evitar que partículas de tamaño superior al determinado por la malla del filtro alcancen la red de distribución del agua de riego.

El modelo instalado es un Filtro de Malla Automático Serie 2000-10” de la empresa STF FILTROS. De acuerdo con el fabricante, la superficie de filtrado es de 8000 cm2, las presiones de trabajo mínima y máxima son 2 y 10 bares respectivamente, y el caudal máximo que puede filtrar está comprendido entre 180 y 300 m3/h, dependiendo de la calidad del agua. El tamaño de filtración es de 125 µm.

El filtro provoca en el sistema una diferencia de presión entre las secciones inmediatamente anterior y posterior al filtro, que recogen dos manómetros instalados al efecto. El filtro se va ensuciando de forma gradual, dejando cada vez una menor superficie para el paso del agua y las pérdidas de carga aumentan. En caso de que la

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Capítulo 2. Infraestructura de riego en los Campos de Prácticas

pérdida de carga sea superior a 0,3 bares, el filtro procede automáticamente a su limpieza. También se produce la limpieza de forma automática si el filtro acumula 12 horas de funcionamiento, aunque no se haya alcanzado la condición de diferencia de presión. Estos dos parámetros (0,3 bares y 12 horas de funcionamiento) están programados por defecto. Y, a pesar que el fabricante no lo recomienda, pueden modificarse. En STF Filtros (2006), aparece más información acerca de las características del filtro y su funcionamiento.

2.3.4. Depósito hidroneumático. En derivación con el colector de impulsión, hay instalado un depósito hidroneumático o calderín. En su interior aloja una membrana elástica o globo con aire a la presión que le confiere el agua del interior del depósito. El depósito mantiene la presión de la red cuando las bombas están en reposo. Si la presión en la red desciende por debajo del valor de presión a mantener constante, la bomba correspondiente arrancará. Por el contrario, si el caudal demandado es nulo y la presión en la red es superior a la que se desea que mantenga el equipo de bombeo, la bomba disminuirá su régimen de giro hasta alcanzar el mínimo fijado, y, transcurrido un intervalo de tiempo (tiempo de cero activo) se detendrá.

Más aspectos relativos al depósito hidroneumático se encuentran en el apartado II.4 del Anexo II.

2.3.5. Otros elementos. El cuadro de mandos/ puesto de control: En la estación de bombeo, desde una pantalla táctil (ver Figura 2.5) con un software desarrollado específicamente para la estación de bombeo de los Campos de Prácticas, se pueden controlar las bombas de la estación, y maniobrar una llave de mariposa motorizada. Esta llave motorizada está situada junto a la caseta de bombeo y permite aislar la estación de bombeo de la red de riego (ver Plano 2 en Anexo VI). Asimismo, en dicha pantalla pueden comprobarse datos relativos a los convertidores de frecuencia, el caudalímetro de ultrasonidos instalado aguas abajo del filtro (ver Figura 11

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Capítulo 2. Infraestructura de riego en los Campos de Prácticas

2.6), y nivel piezométrico del pozo y caudal extraído del mismo (Talleres Cardeña, 2005). Para el presente trabajo tienen especial interés los valores de caudal, presión aguas arriba y aguas abajo del filtro, potencia absorbida por los convertidores y frecuencia de giro de los motores de las bombas.

Figura 2.5. Cuadro eléctrico con panel de mando. a) Aspecto exterior, con la pantalla táctil b) Aspecto interior. Convertidores de frecuencia, autómata programable y otros elementos.

Un ordenador situado en una oficina de los Campos de Prácticas, denominada Sala de Control, permite realizar las mismas operaciones que la pantalla táctil, y además registra aproximadamente cada minuto los valores de caudal de la estación de bombeo y presión en la sección inmediatamente aguas abajo del filtro. Y para cada bomba, la potencia, la tensión, la intensidad, la frecuencia y el tiempo de funcionamiento acumulado. También registra el caudal extraído del pozo y su nivel piezométrico.

Llaves: En la estación de bombeo y en la red de riegos hay instaladas diversas llaves de mariposa, como puede apreciarse en el Plano 2 del Anexo VI, cuya misión es aislar los diferentes elementos de la estación. Hay una llave, de especial importancia, que permite derivar el agua hacia el estanque y regular el flujo para realizar ensayos sin necesidad de alimentar la red de riego propiamente dicha.

Válvulas: A la salida de las bombas se han instalado válvulas de retención, que impiden el retroceso del agua. Y aguas abajo del caudalímetro (ver Figura 2.6), hay una válvula de 12

Trabajo Fin de Carrera

Capítulo 2. Infraestructura de riego en los Campos de Prácticas

alivio tarada a 6 bar (Talleres Cardeña, 2005). Si se alcanza dicha presión en la red, la válvula se abre y evita que aumente la presión conduciendo parte del caudal hacia la balsa de regulación.

Figura 2.6. Caudalímetro de ultrasonidos

Figura 2.7. Manómetro y transductor

y válvula de alivio.

de presión.

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Trabajo Fin de Carrera

Capítulo 3. Materiales y métodos

3. MATERIALES Y MÉTODOS.

3.1. Introducción. En este capítulo se presentan los métodos de análisis y los materiales empleados para alcanzar los objetivos del presente trabajo, entre los que destaca optimizar el uso de los recursos, esencialmente la energía, en la estación de bombeo de los Campos de Prácticas de la ETSI Agrónomos. En primer lugar, la simulación de redes de riego permite estimar las necesidades del sistema; esto es, la altura de elevación necesaria en la cabecera de la red en función del caudal, que deberá aportar la estación de bombeo. Una vez conocidas las necesidades, el estudio de las curvas características de las bombas y su funcionamiento en paralelo, permitirá simular el bombeo, predecir su funcionamiento y determinar los parámetros de la automatización de la estación de bombeo para hacer un uso eficiente de la energía en las infraestructuras existentes.

3.2. Modelación de la red de riego. Curva del sistema Como se puede ver en el Plano 1, la red principal existente en la actualidad consta de 12 tramos, con 6 nudos y 7 bocas de riego. Algunas bocas alimentan a varias parcelas; así, aunque físicamente sólo exista una boca, para el análisis se han considerado tantas bocas como parcelas pueden regarse desde ésta. De esta forma, finalmente se han considerado 15 bocas de riego, cuyos caudales son función de la superficie de la parcela que abastecen. Los Campos de Prácticas han sido planimetrados, por lo que son conocidas las coordenadas (x,y,z) de todos los nudos y bocas, y por tanto la longitud de cada tramo.

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Trabajo Fin de Carrera

Capítulo 3. Materiales y métodos

Asimismo son datos conocidos los diámetros de las tuberías y las superficies de las unidades de riego. En el trabajo de la Unidad de Hidráulica y Riegos (2004), se considera una lámina de riego requerida de referencia en periodo punta Hr = 6,4 mm/d. Y para determinar los caudales de las bocas de riego, se considera que se riega toda la superficie de las parcelas con una pluviosidad iH = 10 mm/h, equivalente a cubrir dicha superficie con aspersores de caudal nominal qa=1,44 m3/h en un marco de 12x12. Actualmente se emplea este marco, con aspersores de caudal en torno a 1,3 m3/h (Dirección técnica de los Campos de Prácticas). Para riego por goteo, sería equivalente a disponer 2,5 goteros, de caudal 4 L/h por cada metro cuadrado (por ejemplo, goteros cada 0,5 m en ramales separados 0,8 m). El rendimiento de la aplicación de riego y el tiempo de aplicación de riego vienen dadas por:

Hr ⋅ (1 − cd ) Hb H tr = b iH

Ra =

(3.1) (3.2)

Suponiendo un rendimiento de aplicación Ra y un coeficiente de déficit cd, se calcula la lámina bruta de riego a aplicar empleando la ecuación (3.1). Y el tiempo diario t d necesario para aplicar dicha lámina a toda la superficie con una pluviosidad iH se obtiene mediante la ecuación (3.2). El caudal Q a bombear se obtiene multiplicando el área total AT (4,59 ha) por la pluviosidad iH. Y el volumen total de agua aplicado es V = Q · td. Si ese mismo volumen de agua se aplica en un tiempo td’, el caudal a bombear será

Q' =

V , que permitiría regar de forma simultánea, con una pluviosidad iH, la superficie td '

ARS =

A Q' . Y la simultaneidad de uso de la red sería RS = RS . AT iH

15

Trabajo Fin de Carrera

Capítulo 3. Materiales y métodos

Con este razonamiento se ha elaborado la Tabla 3.1, que recoge el caudal a bombear en función de la superficie regada simultáneamente ARS, o el número de horas diarias de funcionamiento td equivalente en periodo punta. Para la realización de los cálculos se han considerado 5 días útiles a la semana, un rendimiento de aplicación del riego Ra = 0,8 y un coeficiente de déficit cd = 0. TABLA 3.1. Caudal necesario en función de la simultaneidad deseada

1,12

2

3

4

5

6

459,48

257,31

171,54

128,65

102,92

85,77

V (m )

514,62

514,62

514,62

514,62

514,62

514,62

ARS (ha)

4,59

2,57

1,72

1,29

1,03

0,86

Rs = ARS/AT

1

0,56

0,37

0,28

0,22

0,19

td (h) 3

Q (m /h) 3

A la vista de los resultados, sería necesario un caudal Q = 459,5 m3/h para regar de forma simultánea toda la superficie regable, de 4,59 ha, mediante la red estudiada. Y el tiempo de riego medio diario sería de 1,12 h. Si se riega con un caudal menor, por ejemplo 103 m3/h, se necesitarían 5 horas de riego diario, y podrían regarse simultáneamente 1,03 ha con una pluviosidad de 10 mm/h. Para este caso, la simultaneidad de uso de la red RS sería de un 22%. Dadas las características del riego en los Campos de Prácticas, comentadas en el apartado 2.2, se prevé una simultaneidad de ese orden. En cuanto a la altura de presión necesaria en las bocas de riego, en la simulación de la red, se ha tomado un valor general de 35 m, que, en principio deberá ser suficiente para regar por aspersión con un marco 12x12, usado en la actualidad. Este valor se ha reducido a 20 m para las bocas que abastecen a parcelas que actualmente se riegan por goteo, en las no se prevé un cambio de método de riego. Y para las bocas de parcelas dedicadas a jardines, se considera suficiente una altura presión de 30 m para el correcto funcionamiento de los difusores de riego instalados (Faber, 2006 y Hunter Riegos, 2006). La parcela 1, para evitar que su elevada cota condicione la presión de toda la red, sólo se podrá regar por goteo. En la Tabla 3.2 aparecen las bocas de riego consideradas, la unidad que se riega desde cada una de ellas, y el caudal necesario para dicho riego. También se incluyen las 16

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Capítulo 3. Materiales y métodos

características del tramo que abastece a cada toma. La numeración de las bocas, nudos y parcelas, se corresponde con la del Plano 1. TABLA 3.2. Resumen de las bocas y tramos de la red de riego actual.

Boca o nudo Tramo que abastece a la boca o nudo L Dnominal Dinterior PN Área Cota hnecesaria Q boca Designación Designación Parcela (m) (mm) (m2) (m) (m) (atm) (m) (m3/h) B 600 D0 604 B-D0 32,5 250 0,231 10 D1 604 D0-D1 59,2 250 0,250 10 D2 595 D1-D2 248,6 250 0,250 10 D3 592 N7-D3 309,1 250 0,250 10 D4 590,3 D3-D4 21,9 150 0,150 10 N1 1 6.904 610,5 20 69,0 D1-N1 14,7 150 0,150 10 N2 13 3.907 594,5 30 39,1 D2-N2 6,7 200 0,200 10 N3 11 3.182 592,5 35 31,8 N2-N3 86,5 200 0,200 10 N3b 12 664 592,5 35 6,6 N3-N3b 0 200 0,200 10 N4 10 6.240 594,5 35 62,4 N3-N4 131,5 200 0,200 10 N5 7 976 596,5 20 9,8 N4-N5 85,6 200 0,200 10 N5b 8 2.000 596,5 20 20,0 N5-N5b 0 200 0,200 10 N5c 9 3.853 596,5 20 38,5 N5b-N5c 0 200 0,200 10 N6 3 3.035 598,5 20 30,4 N5-N6 56,0 200 0,200 10 N6b 5 2.123 598,5 30 21,2 N6-N6b 0 200 0,200 10 N6c 2 820 598,5 30 8,2 N6b-N6c 0 200 0,200 10 N7 14 1.460 594,5 35 14,6 D2-N7 16,5 250 0,250 10 N7b 15 5.268 594,5 35 52,7 N7-N7b 0 250 0,250 10 N7c 17 4.560 594,5 35 45,6 N7b-N7c 0 250 0,250 10 N7d 18 956 594,5 35 9,6 N7c-N7d 0 250 0,250 10

El caudal de cada boca se obtiene multiplicado la pluviosidad por el área de la unidad de riego correspondiente. Para una situación de riego determinada, el caudal de un tramo es la suma de los caudales de las bocas abiertas situadas aguas abajo del mismo. Eligiendo aleatoriamente un conjunto de bocas en funcionamiento simultáneo se han simulado distintas situaciones de riego. La simultaneidad de uso de las bocas se ha variado desde cero (todas las bocas cerradas) hasta uno (todas las bocas abiertas). En cada sorteo de bocas, todas tienen la misma probabilidad de ser elegidas. Es decir, no se ha considerado la posibilidad de que el uso de una boca condicione el uso de otra. De cada situación de riego se obtiene un caudal (suma de los caudales de las bocas abiertas en ese caso), y la altura de elevación necesaria en la estación de bombeo a la salida del filtro (punto B del Plano 1) para que todas las bocas abiertas dispongan de la

17

Trabajo Fin de Carrera

Capítulo 3. Materiales y métodos

presión deseada. En el CD adjunto se encuentra la hoja de cálculo (TFC_01.xls) empleada para realizar la simulación del funcionamiento de la red. Más detalles acerca del archivo se pueden consultar en el Anexo IV. La envolvente superior de la nube de puntos obtenida se ha considerado como curva característica del sistema, y refleja la altura de presión que debe aportar la estación de bombeo en función del caudal requerido en la red. Es frecuente ajustar la curva del sistema a una expresión del tipo:

H = co + c 2 ⋅ Q 2

(3.3)

Donde c0 representa el desnivel y c2 considera las pérdidas de carga en turbulencia completa. Para obtener la altura de elevación en la estación de bombeo a la salida del filtro (

pB

γ

),

se ha aplicado la ecuación de Bernoulli entre el punto B y cada toma, incluyendo además las pérdidas de carga que se producen entre los dos puntos. Esto es, la siguiente ecuación: pB

γ

+ zB +

p u2 u B2 = i + z i + i + ∑ hf B −i 2g γ 2g

(3.4)

Las pérdidas de carga se dividen en dos sumandos: las pérdidas de carga en tramos uniformes y las pérdidas de carga en transiciones singulares (codos, llaves, válvulas, etc.). Para el estudio de las pérdidas de carga en tuberías, la ecuación general de la hidráulica proporciona la siguiente expresión: 2 ⎛k ⎞ L U hf = f ⎜ , ℜ ⎟ ⋅ ⋅ ⎝ D ⎠ D 2g

(3.5)

Donde el factor de rozamiento f es función de la aspereza relativa k/D y del número de Reynolds ℜ . Y se obtiene mediante la expresión de White-Colebrook:

18

Trabajo Fin de Carrera

⎛k 18,7 = 1,74 − 2 log⎜ + ⎜ f ⎝ r0 ℜ f

1

Capítulo 3. Materiales y métodos

⎞ ⎟ ⎟ ⎠

(3.6)

El número de Reynolds ℜ para tuberías de sección circular se expresa:

ℜ=

U ⋅D

(3.7)

ν

Para la viscosidad cinemática del agua, se ha tomado el valor a 20 ºC, ν =10-6 m2/s.

Así pues, para el cálculo de las pérdidas de carga en los tramos uniformes se ha empleado la expresión (3.5). Y las pérdidas de carga localizadas se han considerado como un 10% de las anteriores.

3.3. Modelación del bombeo. En una bomba centrífuga, la elevación del agua se produce por un aumento de la velocidad de ésta al atravesar la bomba, que se transforma posteriormente en energía de presión a la salida de la bomba (Losada, 2000). El funcionamiento de una bomba a un determinado régimen de giro queda definido mediante sus curvas características H(Q), P(Q) y η(Q) (altura de elevación, potencia y rendimiento en función del caudal). En este apartado se describe la metodología empleada para usar las curvas características de las bombas funcionando a cualquier régimen de giro, trabajando tanto aisladas como acopladas en paralelo. Se describe también la determinación experimental de las curvas de las bombas instaladas en la estación de bombeo y el ajuste de los parámetros de las mismas.

19

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Capítulo 3. Materiales y métodos

3.3.1. Curvas características y funcionamiento homólogo. El fabricante proporciona las curvas H(Q) y P(Q) a régimen nominal que pueden verse en la Figura 3.1. Y en el ensayo que se describe más adelante, en el apartado 3.3.2, se obtienen los valores experimentales de altura de elevación y potencia en función del caudal, a diversos regímenes, entre ellos el nominal. A partir de dicha información, se desea determinar las curvas características de las bombas a distintos regímenes de revoluciones y expresarlas en forma de ecuación matemática.

(a)

(b)

Figura 3.1.* Curvas H(Q) y P(Q) de las bombas de la estación de bombeo: a) Modelo CR45-3. b) Modelo CR90-3-2 Fuente: Grundfos (2006)

*

En la Figura 3.1 (a) aparecen dos curvas de potencia; la inferior es la que corresponde al modelo instalado.

20

Trabajo Fin de Carrera

Capítulo 3. Materiales y métodos

Es frecuente modelar la curva característica de una bomba a régimen nominal N0, con una ecuación polinómica en la forma que sigue: (3.8)

H 0 = a0 + a1 ⋅ Q0 + a 2 ⋅ Q02

A partir de esta expresión puede obtenerse la curva H(Q) a distintos regimenes de giro mediante la aplicación de las leyes de semejanza cinemática (Losada, 2000). De esta forma, se denominan puntos de funcionamiento homólogo los que cumplen:

η1 =1 η0

(3.9)

Q1 N1 = Q0 N 0

(3.9’)

H 1 ⎛ N1 ⎞ ⎟ =⎜ H 0 ⎜⎝ N 0 ⎟⎠ P1 ⎛ N 1 ⎞ ⎟ =⎜ P0 ⎜⎝ N 0 ⎟⎠

2

(3.9’’)

3

(3.9’’’)

Dada la imposibilidad de lograr una semejanza completa, al aplicar estas relaciones se desprecian las diferencias que producirán la viscosidad (efecto conocido como de escala), las pérdidas de carga acusadas en los extremos de los álabes y la posible cavitación. Aplicando las relaciones (3.9’) y (3.9’’) a la ecuación (3.8) se obtiene: H 1 = a 0 ⋅ N 2 + a1 ⋅ N ⋅ Q1 + a 2 ⋅ Q12

(3.10)

Que permite obtener la altura de elevación de la bomba en función del caudal para el régimen de revoluciones N1 a partir de las correspondientes a régimen N0. Siendo la relación de giro N =

N1 . N0

Por otro lado, para obtener la curva η(Q) se partirá de los valores de potencia en función del caudal (interpolando puntos en la curva de la potencia consumida por la bomba a régimen nominal N0 proporcionada por el fabricante o utilizando los datos obtenidos en los ensayos). Estos puntos (Q,P) se pueden transformar en puntos (Q,η) mediante la expresión: 21

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P=

Capítulo 3. Materiales y métodos

γ ⋅Q ⋅ H η

(3.11)

También es frecuente ajustar la curva característica de rendimiento mediante un polinomio que pase por el origen. Así, el rendimiento en función del caudal a régimen nominal será:

η 0 = b1 ⋅ Q0 + b2 ⋅ Q02

(3.12)

Y aplicando las leyes de semejanza cinemática a la ecuación (3.12) se obtiene la curva de rendimiento en función del caudal para la relación de giro N: Q ⎛Q ⎞ η1 = b1 ⋅ 1 + b2 ⋅ ⎜ 1 ⎟ N ⎝N⎠

2

(3.13)

Una vez determinadas las curvas H(Q) y η(Q), se puede obtener la curva P(Q) para diferentes regímenes de revoluciones a partir de la expresión (3.11).

Funcionamiento de las bombas acopladas en paralelo:

Dos o más bombas acopladas en paralelo funcionan sumando sus caudales para una altura de elevación común. La Figura 3.2 representa las curvas H(Q) de dos bombas funcionando aisladas y acopladas en paralelo.

H H 1max Hi

Ψ B1+B2 Ψ B1 Q1

Ψ B2 Q2

Q 1 +Q 2

Q

Figura 3.2. Suma de las curvas características de dos bombas acopladas en paralelo.

22

Trabajo Fin de Carrera

Capítulo 3. Materiales y métodos

La forma de las curvas representadas es típica, pero no exclusiva, de las bombas centrífugas. Es por ello, que esta forma se toma como base para los razonamientos que siguen. Cabe destacar, que en el acoplamiento en paralelo, la bomba B1 de la figura, no participa activamente en el funcionamiento hasta que la altura de elevación toma un valor menor o igual a su altura de elevación máxima H1max. En la instalación de bombeo estudiada, el modo de funcionamiento Maestro/Esclavo de los convertidores de frecuencia implica que todas las bombas que estén en marcha funcionan al mismo régimen de revoluciones. Por tanto, en el bombeo en paralelo estudiado en el presente trabajo se cumple que la altura de elevación es la misma para todas las bombas (H = Hi), el régimen de giro también es común (N = Ni), y el caudal es la suma del caudal de cada bomba (Q = ΣQi). La potencia total del conjunto, para un punto de funcionamiento (Q,H), será la suma de las potencias de cada una de las bombas, y el rendimiento total se puede obtener mediante la ecuación (3.11), teniendo en cuenta que Q es ahora el gasto total bombeado e igual a ΣQi. La automatización programada contempla dos casos posibles de acoplamiento en paralelo. El primer caso es el funcionamiento de las dos bombas de mayor capacidad, Bomba B1 + Bomba B2 (CR90 + CR90) (ver Plano 2):

Por ser las bombas iguales, las curvas características del funcionamiento en paralelo serán: H = a10 ⋅ N 2 + a11 ⋅ N ⋅

η = b11 ⋅

Q ⎛Q⎞ + a12 ⋅ ⎜ ⎟ n ⎝n⎠

Q ⎛ Q ⎞ + b12 ⋅ ⎜ ⎟ N ⋅n ⎝ N ⋅n⎠

2

(3.16)

2

(3.16’)

Donde n es el número de bombas. En este caso n = 2 23

Trabajo Fin de Carrera

Y

el

segundo

caso

Capítulo 3. Materiales y métodos

es

el

de

las

tres

bombas

en

funcionamiento,

Bomba B1 + Bomba B2 + Bomba B3 (CR90 + CR90 + CR45) (Plano 2): La curva H(Q) del conjunto resulta de sumar en horizontal las curvas H(Q) de dos modelos CR90-3-2 y la del modelo CR45-3. Así, para una altura de elevación H, el caudal bombeado será Q1+Q2+Q3. Y el rendimiento se obtiene aplicando la ecuación (3.11), teniendo en cuenta, como se indicó antes, que Q es la suma de caudales, y que P es la suma de las potencias consumidas por las bombas.

3.3.2. Caracterización experimental del bombeo. Para determinar las curvas características de las bombas de la estación de bombeo en condiciones reales de trabajo, se realizaron varios ensayos, cuyos resultados se adjuntan en el Anexo III, para observar el comportamiento de las bombas funcionando por separado y acopladas en paralelo. En la Figura 3.3 se representa un esquema del bombeo en el que aparecen los elementos de medida que a continuación se mencionan. El esquema hidráulico se corresponde con la instalación representada en los Planos 2, 3 y 4. El recorrido del agua en la estación de bombeo durante los ensayos es el indicado por las flechas de la Figura 3.3: Parte del estanque, las bombas la impulsan, atraviesa el filtro y retorna al estanque. Y las variables que se midieron fueron: -Caudal Q (m3/s), medido con un caudalímetro de ultrasonidos situado aguas abajo del filtro, y todavía dentro de la estación, como puede verse en el Plano 2. -Presiones p1 y p2 (bar), medidas con transductores de presión situados a la entrada y la salida del filtro respectivamente. El rango de medida de los transductores está comprendido entre 0 y 10 bar. Para la determinación de las curvas características, por conveniencia, se emplearán las alturas de presión h1 y h2 (m), siendo h = p/γ. -Potencia absorbida P (kW) relativa a cada bomba, proporcionada por el convertidor de frecuencia de la bomba correspondiente. Por tanto, el rendimiento bomba-convertidor se expresa conjuntamente.

24

Trabajo Fin de Carrera

Capítulo 3. Materiales y métodos

-Frecuencia f (Hz), también proporcionada y controlada por el convertidor correspondiente. La relación de giro N se obtiene dividiendo el valor de f por la frecuencia nominal (50Hz).

Balsa de regulación

Válvula de alivio

Llave de mariposa Válvulas de retención

B1 Llaves de mariposa

B2

B3

Filtro de malla 10"

Caudalímetro de ultrasonidos Q (m3/s)

Transductor de presión p2(bar)

Transductor de presión p1(bar)

Llave de mariposa LL1 A la red Llave de mariposa motorizada LL2 (cerrada)

Llaves de mariposa

Depósito hidroneumático

Figura 3.3. Esquema de la estación de bombeo. Funcionamiento durante los ensayos.

Maniobrando la llave LL1, se demandaron distintos caudales. Una vez observado que se hubo alcanzado el régimen permanente, se tomaron los valores de caudal, presión y, además, la potencia para cada bomba en funcionamiento. Con estos datos, aplicando la metodología descrita en el apartado 3.3.1, se determinan las curvas características del bombeo a la salida del filtro, puesto que es en ese punto donde se controla la presión. Antes de aplicar dicha metodología hay que tener en cuenta una serie de consideraciones y simplificaciones que a continuación se detallan. En primer lugar, para la estricta determinación de la curva H(Q), la altura de elevación de las bombas se debería haber medido mediante dos manómetros que hubiesen registrado la diferencia de presiones entre la sección de aspiración y la de impulsión (secciones A y B de la Figura 3.4). Sin embargo, el punto más cercano a la sección de impulsión en el que se ha medido la presión es el correspondiente al manómetro que

25

Trabajo Fin de Carrera

Capítulo 3. Materiales y métodos

precede al filtro (sección 1). También se ha despreciado el desnivel existente entre la balsa, cuando se encuentra totalmente llena, y la bomba, por ser pequeño en relación con la altura de elevación. Por otro lado, se han despreciado las pérdidas de carga entre la sección inmediatamente aguas abajo de la bomba (sección B) y el manómetro 1.

Balsa de regulación

Filtro de malla Manómetro 1

Manómetro 2

B

1 A

2

Bomba centrífuga

Figura 3.4. Esquema de las simplificaciones aceptadas en la obtención de las curvas características de las bombas.

En los ensayos se tomaron, para cada bomba funcionando por separado, los valores de caudal Q, las alturas de elevación antes y después del filtro (h1 y h2 respectivamente) y la potencia P. Y todo ello a distintos regímenes de giro. Para aplicar la metodología descrita en el apartado 3.3.1, todos los datos deberán estar referidos al régimen nominal. Esto se consigue aplicando las leyes de semejanza cinemática [Ecuaciones (3.9)]. Pero dichas leyes deben ser aplicadas a las secciones más próximas a las bombas, es decir, a los valores de presión medidos antes del filtro. Así pues, se obtienen, para cada bomba funcionando individualmente, los puntos (Q, h1) y (Q,P) a régimen nominal (ver Tabla III.7 del Anexo III). Con la nube de puntos (Q, h1) de cada una de las bombas a régimen nominal se obtienen las respectivas curvas h1(Q) a régimen nominal antes del filtro, mediante ajuste a la ecuación (3.8), siguiendo la metodología descrita en el apartado 3.3.1.

26

Trabajo Fin de Carrera

Capítulo 3. Materiales y métodos

Puesto que el valor de presión que se desea controlar mediante la estación de bombeo es el que se mide a la salida del filtro h2, hay que introducir en la ecuación anterior las pérdidas de carga en dicho filtro. Más adelante, en el apartado 3.3.3, se explica la metodología para determinar las pérdidas de carga en el filtro. Estas pérdidas de carga se consideran localizadas y obedecen a una expresión del tipo hf = K ⋅ Q 2 . Así, las curvas h2(Q) a régimen nominal serán de la forma:

(3.17)

h2 0 = a 0 + a1 ⋅ Q0 + (a 2 − K ) ⋅ Q02 Donde h20 es la altura de presión en cabeza de la red a régimen nominal N0

En cuanto a la obtención de las curvas η(Q) a la salida del filtro, partiendo de los puntos

(Q,P) a régimen nominal, se obtienen los puntos (Q,η) correspondientes mediante la ecuación (3.11). Para incluir el efecto de las pérdidas de carga en el filtro, los valores a introducir en H en dicha ecuación, en vez de ser los de h1 serán los de h2 = h1-KQ2. (ver Tabla III.7 del Anexo III) Ajustando la nube de puntos (Q,η) de cada bomba a la ecuación (3.12), se obtienen los parámetros que definen las curvas η(Q) después del filtro a régimen nominal. Y aplicando las leyes de semejanza cinemática han de obtenerse las curvas características de altura de elevación y rendimiento a la salida del filtro a distinto régimen de revoluciones. Una vez obtenidas las curvas características de las bombas funcionando aisladas, el funcionamiento en paralelo se ha modelado sumando dichas curvas, siguiendo la metodología desarrollada en del apartado 3.3.1.

3.3.3. Caracterización de las pérdidas de carga en el filtro.

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Trabajo Fin de Carrera

Capítulo 3. Materiales y métodos

El efecto del filtro en el bombeo se ha analizado como una pérdida de carga localizada. La ecuación general de la hidráulica proporciona la siguiente expresión para el estudio de pérdidas de carga en transiciones singulares: 2 ⎛l l ⎞ U hf = K ⎜ , ,.., ℜ ⎟ ⋅ ⎝ l' l' ' ⎠ 2g

(3.18)

En régimen de turbulencia completa, el coeficiente K de pérdida de carga en la transición es independiente de ℜ , y por tanto, constante para una forma geométrica dada. De tal modo que las pérdidas de carga en el filtro tendrán una expresión del tipo:

hf = K ⋅ Q 2

(3.19)

La obtención del coeficiente K que caracterizará el filtro se ha realizado mediante ajuste con los datos observados en los diferentes ensayos de la estación de bombeo (Anexo III). Concretamente, la diferencia de presión entre los manómetros situados a la entrada y la salida del filtro para diferentes valores de caudal. Con estos valores se realiza el ajuste del parámetro K. Cabe destacar que este valor K no permanece constante, sino que varía conforme se ensucia el filtro. Valores superiores de K representan un estado de mayor suciedad en el filtro.

3.4. Automatización de la estación de bombeo. Según se indicó en el Capítulo 1, el objetivo central del presente trabajo es ajustar la automatización del bombeo para conseguir un uso eficiente de los recursos en el riego de los Campos de Prácticas. El funcionamiento previsto, que se muestra en el apartado 2.3.1, se resume en que ante una demanda pequeña de caudal, arrancará la bomba B3 (CR45-3). Conforme aumente la demanda, se detendrá esta bomba y arrancará la bomba B1 (CR90-3-2) de manera

28

Trabajo Fin de Carrera

Capítulo 3. Materiales y métodos

simultánea. Posteriormente trabajarán en paralelo las bombas B1 y B2 (CR90-3-2) según el funcionamiento Maestro-Esclavo, es decir, a idéntico número de revoluciones, y finalmente funcionarán todas las bombas en paralelo, también en modo MaestroEsclavo. La parada de las bombas se realiza siguiendo la secuencia inversa. El problema a resolver es la determinación de las frecuencias de giro a las que se deben conectar y desconectar las bombas, con la menor energía consumida posible. Se desea que la presión a la salida del filtro se ajuste a la curva característica del sistema

Ψsistema (ver Figura 3.5). Sin embargo, no es posible programar los convertidores de frecuencia para que la presión describa una curva continua. La automatización instalada permite realizar un control de la presión en el que ésta varía de forma escalonada según el número de bombas en funcionamiento. La Figura 3.5 representa este tipo de funcionamiento.

H B1+B2+B3

Ψsistema B1+B2

B1 B3

Q

Figura 3.5. Control de la presión según la curva del sistema o según el número de bombas en funcionamiento.

En este capítulo, se describe la metodología empleada para desarrollar una herramienta que permita calcular estas frecuencias de cambio de modo que la energía consumida sea la menor posible. En primer lugar, se explicará para el caso de una curva del sistema continua, y posteriormente para un control de la presión escalonado.

3.4.1. Control de la presión según la curva del sistema.

29

Trabajo Fin de Carrera

Capítulo 3. Materiales y métodos

Esta automatización regularía el funcionamiento de las bombas manteniendo a la salida del filtro una presión que varía con el caudal según la curva del sistema obtenida por el procedimiento explicado en el apartado 3.2. Se dispone de las curvas H(Q) y η(Q) de las bombas, y de la curva del sistema, que proporciona la altura de elevación necesaria para cualquier valor de caudal. En el momento del cambio de una bomba a otra, el caudal y la altura de elevación deberán ser los mismos en ambas bombas; y el punto óptimo de cambio será aquel donde la potencia absorbida por las bombas sea la misma (o lo que es lo mismo, de acuerdo con la ecuación (3.11), que se igualen los rendimientos de ambas bombas). El fundamento y procedimiento de determinación se explica a continuación. La Figura 3.6 representa el punto de cambio óptimo de una bomba A a otra bomba B. 60

1,00

NA

0,90

50 0,80

NB

0,70 40

H (m)

0,60 PUNTO DE CAMBIO A→B

30

ΨSISTEMA

ηA

0,50

0,40 20 0,30

0,20

EA

10

EB

0,10

125

0,00 150

0 0

25

50

75

100

Q (m3/h)

Figura 3.6. Punto de cambio óptimo de una bomba A a otra bomba B

En la figura se ha representado:

30

3 η, E (kW·h/m ), N

ηB

Trabajo Fin de Carrera

Capítulo 3. Materiales y métodos

-La curva del sistema, (ΨSISTEMA en azul oscuro). Las bombas han de elevar el caudal a la altura que indica dicha curva. -La relación de giro N necesaria para cada punto de funcionamiento. (NA y NB, líneas discontinuas marrones). -El rendimiento η de las bombas en cada punto de funcionamiento (ηA y ηB en azul claro). -La energía consumida por unidad de volumen elevado E, que resulta de dividir la potencia absorbida entre el caudal elevado. (EA y EB en verde). En el punto de cambio de la bomba A a la bomba B, el rendimiento de las bombas se iguala, como se dijo anteriormente. Se observa que antes del cambio (caudales menores de 76 m3/h), la energía consumida por la bomba A es menor que la que consumiría la bomba B, y después del cambio (caudales mayores de 76 m3/h) sucede lo contrario. Por tanto, se alcanza el objetivo deseado: realizar el cambio de modo que la energía consumida sea la mínima. Cabe destacar que, en ausencia de histéresis, el punto de cambio de A a B (demanda de caudal creciente) es el mismo que el punto de cambio de B a A (demanda de caudal decreciente). Sin embargo, en una aplicación real, probablemente sería necesario desplazar dichos puntos de cambio respecto al punto óptimo de cambio, para evitar inestabilidades en el funcionamiento, como se comenta más adelante, en el apartado 3.4.2. La figura permite determinar las frecuencias de cambio de una bomba a la otra. En este caso, ante una demanda de caudal creciente, al alcanzar la bomba A una relación de giro

NA = 0,87 (que se corresponde con una frecuencia f = 43,5 Hz), se producirá el cambio de la bomba A a la B. Y con caudales decrecientes, si la relación de giro de la bomba B desciende de NB = 0,72 (f = 35,9), se producirá el cambio de B a A. Mediante programación en hoja de cálculo se pueden obtener de forma automática las frecuencias de cambio de B3 a B1, de B1 a B1+B2 y de B1+B2 a B1+B2+B3. Los datos a introducir son los parámetros de las curvas H(Q) y η(Q) de las bombas y de la curva del sistema. Y empleando la hoja se calculan las frecuencias de cambio que igualan los rendimientos de las bombas, con las condiciones de que sus caudales y alturas de

31

Trabajo Fin de Carrera

Capítulo 3. Materiales y métodos

elevación también coincidan. En el CD adjunto se encuentra la hoja de cálculo empleada (TFC_02.xls), cuya estructura se trata en el Anexo IV. El propio archivo dispone de un menú de ayuda para facilitar su utilización.

3.4.2. Control de la presión según el número de bombas en funcionamiento. Este es el tipo de control que puede realizarse en la estación de bombeo de los Campos de Prácticas de la ETSI Agrónomos. El objetivo es el mismo que en el apartado anterior: determinar las frecuencias de cambio de una bomba a otra de modo que la energía consumida sea la menor posible. Pero ahora, en el punto de cambio no coinciden las alturas de elevación, puesto que cada una de las bombas eleva el agua a una altura constante. Por tanto tampoco se igualarán los rendimientos de las bombas en dicho punto de cambio. La Figura 3.7 muestra un ejemplo de cambio de una bomba a otra bajo esos condicionantes.

32

Trabajo Fin de Carrera

Capítulo 3. Materiales y métodos

60

1,0

NA 0,9

NB

0,8

50

ηB H (m)

0,6

ηA

Cambio B→A

40

0,5

HB

HA

0,4

ΨSISTEMA Cambio A→B

0,3

30 0,2

EA EB

0,1

Cambio óptimo 20 0

25

50

75

100

125

0,0 150

Q (m3/h)

Figura 3.7. Cambio de una bomba A a otra bomba B. Las alturas de elevación de las bombas son constantes y distintas entre sí.

En la figura se representa la altura de elevación de las bombas (HA y HB), el rendimiento (ηA y ηB), la energía consumida por m3 elevado (EA y EB), y relación de giro (NA y NB), en función del caudal. En la situación representada, la bomba A eleva el caudal a una altura constante de 35 m, y la bomba B a una altura también constante de 38 m. La línea roja vertical señala el punto de cambio óptimo, ya que a la izquierda de dicha línea, la energía consumida por la bomba A es menor que la que consumiría la bomba B, y a la derecha de la línea sucede lo contrario. Puesto que las alturas de elevación son distintas, los rendimientos de las bombas ya no coinciden, de acuerdo a la ecuación (3.11). Los puntos de cambio de A a B y de B a A, aparecen desplazados respecto al punto óptimo de cambio. Esto se debe a que la programación de los convertidores de frecuencia no permite que la frecuencia con la que entra a funcionar una bomba tras el cambio, coincida con la frecuencia de desactivación de dicha bomba. Si esto sucediera, se producirían inestabilidades en el funcionamiento.

33

3 η, E (kW·h/m ), N

0,7

Trabajo Fin de Carrera

Capítulo 3. Materiales y métodos

La programación de los convertidores hace que la altura de elevación sea la misma al funcionar en paralelo las bombas B1 y B2, y al funcionar en paralelo todas las bombas. Por ello, el cambio de B1+B2 a B1+B2+B3 se realizará de la misma forma que en el apartado anterior. Más detalles al respecto se encuentran en el Anexo II. Mediante hoja de cálculo se ha programado la resolución de las frecuencias óptimas de cambio entre las bombas B3 y B1, B1 y B1+B2, y B1+B2 y B1+B2+B3. Los datos a introducir son las curvas H(Q) y η(Q) de las bomba y las alturas de elevación constantes para cada bomba. Empleando dicha herramienta, se calculan las frecuencias que igualan las potencias absorbidas por las bombas que intervienen en el cambio, con el condicionante de que sus caudales también coincidan. Una vez determinadas las frecuencias de cambio, se puede predecir el funcionamiento del bombeo. Así, para un valor de caudal, podrá conocerse la combinación de bombas en funcionamiento, la altura de elevación, el rendimiento y la potencia absorbida en el bombeo. Los resultados de este modelo se presentan más adelante, en el apartado 4.4.2. Y en el apartado 4.4.3 se contrasta dicho modelo con los datos obtenidos mediante el ensayo de la estación de bombeo. En el CD adjunto se encuentra la herramienta empleada (TFC_03.xls) para determinar las frecuencias de cambio y predecir el funcionamiento del bombeo. La estructura de la hoja de cálculo se comenta en el apartado 3 del Anexo IV, y para facilitar su utilización, se incluye un menú de ayuda en el propio archivo. Otra herramienta útil para conocer el funcionamiento real de la estación de bombeo son los datos registrados por el ordenador ubicado en la Sala de Control de los Campos de Prácticas (ver apartado 2.3.5). Sin embargo, estos datos únicamente han permitido analizar el funcionamiento de la programación instalada a finalizar la instalación de la estación de bombeo, puesto que la temporada de riegos finalizó antes de determinar la programación que se propone en el presente trabajo (Anexo V). Otro aspecto a tener en cuenta es que los datos registrados pueden corresponder a situaciones en las que no se ha alcanzado el régimen permanente, por lo que conviene tener cautela en su utilización.

34

Trabajo Fin de Carrera

Capítulo 4. Resultados y discusión

4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN.

4.1. Introducción. En este capítulo, se muestran y analizan los resultados obtenidos de la aplicación de la metodología descrita en el Capítulo 3. Así, siguiendo la misma estructura de dicho capítulo, en primer lugar se estudia la curva H(Q) del sistema, que define la altura de presión requerida en la cabecera de la red en función del caudal. Después, se presentan las curvas características de las bombas instaladas, tanto las dadas por el fabricante como las determinadas experimentalmente. Con estas curvas se simula el bombeo con las bombas trabajando de forma independiente y acopladas en paralelo. Y en el último apartado se muestran los resultados de la modelación del funcionamiento automático de la estación de bombeo de los Campos de Prácticas. Se modela el bombeo de dos formas: regulando la presión a la salida del filtro según una curva del sistema continua, y según una curva escalonada en función del número de bombas en funcionamiento. Éste último caso es el que es factible en la estación objeto de estudio, por lo que dicho modelo se contrasta experimentalmente. Finalmente, se aplica el modelo a otras posibles redes de riego futuras de los Campos de Prácticas.

4.2. Curva del sistema. La Figura 4.1 muestra los valores de altura de elevación necesaria en la estación de bombeo en función del caudal demandado. Dichos valores se han obtenido mediante la simulación del funcionamiento de la red de riego, según la metodología descrita en el apartado 3.2. Se han realizado del orden de 400 sorteos de bocas haciendo variar la simultaneidad de uso desde 0 al 100%. La herramienta empleada para la simulación se encuentra en el CD adjunto (archivo TFC_01.xls).

35

Trabajo Fin de Carrera

Capítulo 4. Resultados y discusión

45

40

H (m)

35

30

25

20

15 0

50

100

150

200

250

Q (m3/h) Simulteneidad < 30%

Simultaneidad 30-60%

Simultaneidad>60%

Ψsistema

Figura 4.1. Altura de elevación necesaria en función del caudal demandado.

Los datos obtenidos se han diferenciado por colores en función de la simultaneidad de uso de las bocas. Y sobre estos puntos, se ha representado la curva del sistema adoptada para caracterizar las necesidades de altura de elevación en función del caudal en la estación de bombeo (Ψsistema). La envolvente superior de la nube de puntos, se ha considerado como la curva característica del sistema. El ajuste a la ecuación (3.3), proporciona los siguientes valores para los parámetros de la misma: TABLA 4.1. Valores de los parámetros de la curva del sistema

Parámetro

Valor

c0 (m) c2 (m-5·h2)

30 9·10-5

Si en la estación de bombeo, para el gasto Q demandado, se mantiene la altura de elevación que indica dicha curva, todas las bocas dispondrán de presión suficiente para las distintas situaciones de riego simuladas. Sin embargo, las bocas que se riegan por goteo, excepto la N1 por su elevada cota, dispondrán de un posible exceso de presión. Por ello, como se dice en Unidad de Hidráulica y Riegos (2004), se considera recomendable la instalación de reguladores de presión en dichas bocas.

36

Trabajo Fin de Carrera

Capítulo 4. Resultados y discusión

Cabe destacar que según esta curva del sistema, se eleva el caudal a la altura que satisface las necesidades de la combinación de bocas que más energía requiere de las obtenidas aleatoriamente, que puede no coincidir con la requerida por las bocas que realmente están abiertas. Lo ideal sería identificar exactamente dichas bocas en cada situación de riego, y elevar el caudal, precisamente, a la altura necesaria para abastecerlas. Esto supondría un uso muy eficiente de la energía. Por ello se considera un aspecto a tener en cuenta en el futuro en los Campos de Prácticas.

4.3. Curvas características del bombeo. Siguiendo la metodología desarrollada en el apartado 3.3, se obtienen las curvas características de las bombas y se determinan los parámetros de las mismas. Con dichas curvas, se simula el funcionamiento de las bombas tanto aisladas como acopladas en paralelo para diferentes regímenes de giro. También sirven de base para determinar las zonas de funcionamiento más adecuadas de cada combinación de bombas en el funcionamiento en modo automático en la estación de bombeo. Se han analizado por separado las curvas que facilita el fabricante, y las obtenidas mediante los procedimientos experimentales definidos en el apartado 3.3.2.

4.3.1. Bombas funcionando por separado.

- Curvas características proporcionadas por el fabricante. Las Figuras 4.2 y 4.3, muestran las curvas características a régimen nominal de los modelos CR45-3 y CR90-3-2 respectivamente. Se han obtenido interpolando del orden de una docena de puntos (Tablas 4.2 y 4.3) en las curvas de altura de elevación y potencia dadas por el fabricante (ver Figura 3.1). El rendimiento se ha obtenido aplicando la ecuación (3.11).

37

Trabajo Fin de Carrera

Capítulo 4. Resultados y discusión

TABLA 4.2. Puntos de las curvas características dadas por el

90

20

fabricante del modelo CR45-3.

80

18

4,3 4,9 5,5 6,1 6,8 7,5 8 8,6 9,1 9,5 9,9 10,1

14

60

0,0 21,4 37,9 50,9 60,1 67,2 73,6 76,7 78,0 76,8 74,3 71,2

12 50

P (kW)

76,5 77 76,5 76 75 74 72 68 64 59,5 54 48

H (m), η (%)

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55

16

70

Q(m3/h) H(m) P (kW) η (%)

10 40 8 30

6

20

4

Modelo CR45-3

10

2

0

0 0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

3

H(Q) H(Q)

η(Q) P(Q)

3 Q (m Q /h) (m /h)

P(Q) η(Q)

Figura 4.2. Curvas características del modelo de bomba CR45-3 a régimen nominal.

TABLA 4.3. Puntos de las curvas características

dadas

por

90

el

30

80

fabricante del modelo CR90-3-2.

25 70

Q(m3/h) H(m) P (kW) η (%) 10,3 11 11,5 12,3 13,3 14 14,8 15,7 16,3 17 17,5 17,7 17,7

0,0 19,8 37,2 50,8 60,9 69,6 75,1 77,8 77,2 75,0 69,3 59,3 46,2

20

50

P (kW)

81,5 80 78,5 76,5 74,3 71,5 68 64 58 52 44,5 35 25

H (m), η (%)

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120

60

15 40 30

10

20 5 10

Modelo CR90-3-2

0 0

10

20

30

40 H(Q)

50

60 η(Q)

70

80

P(Q)

90

0 100 110 120 130 3

Q (m /h)

Figura 4.3. Curvas características del modelo de bomba CR90-3-2 a régimen nominal.

Para poder simular el bombeo con las curvas del fabricante, se han ajustado los puntos (Q,H) y (Q,η) de las Tablas 4.2 y 4.3 a las ecuaciones (3.8) y (3.12). De modo que se obtienen las expresiones aproximadas de las curvas características, para operar con ellas 38

Trabajo Fin de Carrera

Capítulo 4. Resultados y discusión

algebraicamente. De acuerdo con la nomenclatura empleada en el Capítulo 3, se denomina a estas curvas H0(Q), η0(Q) y P0(Q). Los parámetros y las estadísticas de los ajustes aparecen en las Tablas 4.4 y 4.5. TABLA 4.4. Parámetros y estadísticas de los ajustes de las curvas características del modelo CR45-3

Curva H0(Q) Curva η0(Q) Parámetro Valor Error estándar Parámetro Valor Error estándar a20 (m) 75,957 0,371 b21 (m-3·h) 0,03943 0,00082 a21 (m-2·h) 0,2522 0,0313 b22 (m-6·h-2) 0,00049 0,00002 a22 (m-5·h2) -0,0138 0,0006 Coeficiente de determinación r2= 0,9979 Coeficiente de determinación r2= 0,9926 Error en la estimación de H0 = 0,5019 Error en la estimación de η0 = 0,02270 TABLA 4.5. Parámetros y estadísticas de los ajustes de las curvas características del modelo CR90-3-2.

Curva H0(Q) Curva η0(Q) Parámetro Valor Error estándar Parámetro Valor Error estándar a10 (m) 79,971 0,750 b11 (m-3·h) 0,02124 0,00012 -2 -6 -2 a11 (m ·h) 0,4750 0,0290 b12 (m ·h ) 0,00014 0,000001 a12 (m-5·h2 -0,0041 0,0002 Coeficiente de determinación r2= 0,9973 Coeficiente de determinación r2= 0,9994 Error en la estimación de H0 = 1,0442 Error en la estimación de η0 = 0,00637

El primer subíndice de los parámetros a y b de las tablas hace referencia al modelo de bomba: si es 1, se trata de la bomba CR90-3-2, y si es 2, de la CR45-3. Para la bomba CR45-3, el caudal nominal de la bomba es Q = 40 m3/h, a la altura H = 64 m, con un rendimiento η = 0,79. Y para la bomba CR90-3-2, el caudal nominal es Q = 74 m3/h, a la altura H = 61 m, con un rendimiento η = 0,78. Estas curvas corresponden a las bombas funcionando a régimen nominal. Como se dijo en los capítulos anteriores, las bombas tienen instalados sendos convertidores de frecuencia, y por tanto, el régimen de revoluciones puede regularse en función de las necesidades del sistema. Introduciendo los coeficientes de la Tablas 4.4 y 4.5 en las ecuaciones (3.10) y (3.13) se obtienen las expresiones algebraicas de las curvas características a distintos regímenes de revoluciones. En las Figuras 4.4 y 4.5 se representa el funcionamiento de las bombas CR45-3 y CR90-3-2 a distintas relaciones de giro. La relación de giro N, según se dijo en el apartado 3.3.1, es el régimen de

39

Trabajo Fin de Carrera

Capítulo 4. Resultados y discusión

⎛ Ni ⎞ ⎟. funcionamiento respecto al régimen nominal ⎜⎜ N = N 0 ⎟⎠ ⎝ N

80

1

40

η

50

60

Modelo CR 45-3

70

75

η max

70 0,9 60

75

H (m)

70

0,8

50

60 0,7

40

50 0,6

30

0,5

20

10

0 0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

70

Q (m 3/h)

Figura 4.4. Funcionamiento aproximado de la bomba CR45-3 con convertidor de frecuencia.

90

N

η

40

1

80

50

Modelo CR 90-3-2

60 70 75

70

η max

0,9

60

H (m)

0,8

75

50

70 0,7

40

60 0,6

30 0,5

20 10 0 0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

Q (m 3/h)

Figura 4.5. Funcionamiento aproximado de la bomba CR90-3-2 con convertidor de frecuencia.

Se han representado también las curvas de isorrendimiento. Para un punto (Q0,H0) con un rendimiento dado, se cumple, aplicando las leyes de semejanza cinemática

40

Trabajo Fin de Carrera

Capítulo 4. Resultados y discusión

[Ecuaciones (3.9)], que otro punto de funcionamiento homólogo (Qi,Hi) tiene el mismo 2

⎛Q ⎞ H rendimiento. Por lo que las curvas de isorrendimiento tienen la forma: i = ⎜⎜ i ⎟⎟ . H 0 ⎝ Q0 ⎠ La curva de máximo rendimiento aparece en trazo más grueso. Se desea que las bombas funcionen en puntos cercanos a dicha curva.

- Curvas características determinadas experimentalmente. Las Figuras 4.6 (a) y 4.6 (b) muestran los datos de altura de elevación en función del caudal h1(Q), medidos en el transductor de presión M1 situado en la sección inmediatamente aguas arriba del filtro, durante los ensayos 1 y 2 (ver apartado III.1 del Anexo III). En dichos ensayos, se hizo funcionar por separado a cada una de las tres bombas, en primer lugar a régimen nominal (N=1), y después a una relación de giro

N=0,8. El objetivo es comprobar si, en efecto, se cumplen las leyes de semejanza cinemática. 90

90

80

80

Modelo CR45-3

70

60

60

50

50

h 1(m)

h 1 (m)

70

40

Modelo CR90-3-2

40

30

30

20

20

10

10 0

0 0

10

N=1

20

N = 0,8

30

40

50

Ptos homólogos

60

0

70

Q (m 3/h)

N=1

(a)

20

40

60

N = 0,8

80

100

Ptos homólogos

120

Q (m 3/h)

(b)

Figura 4.6. Funcionamiento homólogo en las bombas de la estación de bombeo. a) Modelo CR45-3 (Bomba 3). b) Modelo CR90-3-2 (Bombas 1 y 2)

Los puntos representados en naranja son los puntos homólogos a régimen nominal de los puntos representados en color fucsia (en los que la relación de giro es N=0,8). Se han obtenido aplicando las leyes de semejanza cinemática [Ecuaciones (3.9’) y (3.9’’)].

41

Trabajo Fin de Carrera

Capítulo 4. Resultados y discusión

Se comprueba que dichos puntos homólogos se sitúan a lo largo de la curva que describen los puntos de funcionamiento a régimen nominal (en color azul), por lo que parece razonable aceptar las simplificaciones realizadas al aplicar las leyes de semejanza, descritas en el apartado 3.3.2. También se observa, que en todas las bombas se alcanza un valor máximo de caudal, a partir del cual no es conveniente que éstas trabajen. Los posibles efectos de cavitación pueden tener un papel relevante en estas observaciones. Dicho valor máximo es de unos 62 m3/h para el modelo CR45-3, y de aproximadamente 110 m3/h para el modelo CR90-3-2. Asimismo se observó un funcionamiento inestable de las bombas para caudales menores de 20 m3/h en el modelo CR45-3 y de 30 m3/h en el modelo CR90-3-2. Estos valores de caudal máximos y mínimos representan los límites de validez de las curvas. Al comprobar que los datos de los ensayos de las bombas 1 y 2 fueron muy similares, se decidió obtener una única curva, con los datos de los ensayos de ambas, para representar a las dos bombas modelo CR90-3-2.

La Figura 4.7 representa la caracterización de las pérdidas de carga en el filtro. Éstas se determinan mediante la diferencia de lecturas de los transductores de presión situados en la sección inmediatamente aguas arriba M1 y en la inmediatamente aguas abajo M2 ⎡ ⎤ 1 del filtro ⎢hf = ( p1 − p 2 )⎥ . Ajustando la nube de puntos a la ecuación (3.19), se γ ⎣ ⎦ obtiene un coeficiente de pérdida de carga K = 4,51·10-5 (m-5·h2). En el Anexo III se encuentran los datos empleados para obtener los puntos (Q,hf) representados.

42

Trabajo Fin de Carrera

Capítulo 4. Resultados y discusión

3,0

2,5

2,0

K =4,51·10-5 (m -5h2) hf (m)

1,5

1,0

0,5

0,0 0

50

-0,5 hf Ensayo1

100

150

200

250

Q (m3/h) hf Ensayo2

hf Ensayo3

hf Ensayo4

hf Ensayo5

hf Filtro

Figura 4.7. Caracterización de las pérdidas de carga en el filtro de la estación de bombeo

Según se aprecia en la figura, la dispersión de los puntos respecto a la curva obtenida es considerable. Entre los factores que pueden haber influido se encuentran errores de lectura de los transductores de presión, que hacen que se hayan obtenido valores negativos de pérdida de carga o valores positivos con caudal nulo, puesto que dichos transductores no fueron seleccionados para estudiar las pérdidas de carga en el filtro, sino para permitir el control automático de la instalación. La incertidumbre del estado de limpieza del filtro es otro factor a tener en cuenta. Puede que ésta sea una de las razones que provocaron que las pérdidas de carga en la segunda parte del ensayo 5 (haciendo descender el caudal de 250 m3/h a 0), se mantuvieran en torno a 2,5 m, independientemente del caudal (puntos de color verde de la figura). Esta curva de pérdidas de carga se ha empleado para determinar las curvas h20(Q) y

η0(Q) experimentales después del filtro (Figuras 4.8 y 4.9). La importancia de determinar las curvas incluyendo el efecto del filtro, radica en que, según se dijo en el apartado 3.3.2, la presión que se desea controlar mediante la estación de bombeo, es la de cabecera de la red, que se mide con el transductor de presión M2 situado aguas abajo del filtro.

43

Trabajo Fin de Carrera

Capítulo 4. Resultados y discusión

90

0,8

Modelo CR45-3

80

0,7

70

0,6 0,5

50 0,4 40 0,3

30

η , hf (m )

h 1 ,h 2 (m)

60

0,2

20

0,1

10 0

0,0 0

10

20

h10(Q)

Figura 4.8.

30

h20(Q)

40

50

60

Q (m 3/h)

hf filtro

η0

70

Ajuste de las curvas características experimentales a régimen nominal de la bomba CR45-3.

90

Modelo CR90-3-2

80

0,7

70

0,5

50

0,4

40 30

0,3

20

0,2

10

0,1

0 0

20

h10(Q)

40

h20(Q)

60

η0

80

hf filtro

100

η , hf (m)

0,6

60 h 1 ,h 2 (m)

0,8

0,0 120

Q (m3/h)

Figura 4.9. Ajuste de las curvas características experimentales a régimen nominal de las bombas CR90-3-2.

Los puntos que aparecen destacados en amarillo, corresponden a los puntos (Q,h2) y (Q,η) obtenidos haciendo funcionar a las bombas a régimen nominal (ver apartado III.1 del Anexo III), para los que no es necesario aplicar las leyes de semejanza cinemática. Los puntos en los que el caudal es mayor de 62 m3/h, para el caso de la bomba CR45-3,

44

Trabajo Fin de Carrera

Capítulo 4. Resultados y discusión

y mayor de 110 m3/h, para el caso del modelo CR90-3-2, se han representando en tonos oscuros. Estos puntos están fuera de la zona de funcionamiento adecuado de las bombas, y por ello se han descartado al ajustar las curvas características. El resto de puntos representados, son los puntos (Q,h2) y (Q,η) (que se encuentran en la Tabla III.7 del Anexo III) obtenidos según la metodología descrita en el apartado 3.3.2, a partir de datos tomados a regímenes de giro menores al nominal. Al ajustar los puntos (Q,h2) y (Q,η) de las Figuras 4.8 y 4.9 a las ecuaciones (3.8) y (3.12) respectivamente, se obtienen las curvas características a régimen nominal h20(Q) y η0(Q) de las bombas de la estación de bombeo de los Campos de Prácticas. En las figuras, las curvas h10(Q) y h20(Q) aparecen superpuestas, porque las pérdidas de carga en el filtro (definidas por la curva obtenida en este mismo apartado) son prácticamente nulas para los valores de caudal representados. No obstante, la programación de limpieza automática del filtro permite una pérdida de caga de 0,3 bar (≈ 3 m), por lo que estas curvas podrían separarse hasta dicho valor de presión. Los parámetros de las curvas obtenidas en los ajustes se encuentran en las Tablas 4.6 y 4.7, junto con los parámetros estadísticos que definen la calidad de dichos ajustes. TABLA 4.6. Parámetros y estadísticas de los ajustes de las curvas características del bombeo, cuando funciona únicamente el modelo CR45-3

Curva h20(Q) Curva η0(Q) Parámetro Valor Error estándar Parámetro Valor Error estándar a20 (m) 79,030 0,962 b21 (m-3·h) 0,03422 0,00107 -2 -6 -2 a21 (m ·h) 0,2184 0,0649 b22 (m ·h ) -0,00044 0,00002 a22 (m-5·h2) -0,0168 0,0010 Coeficiente de determinación r2= 0,9888 Coeficiente de determinación r2= 0,9303 Error en la estimación de H0 = 1,5337 Error en la estimación de η0 = 0,04812 TABLA 4.7. Parámetros y estadísticas de los ajustes de las curvas características del bombeo, cuando funciona únicamente el modelo CR90-3-2

Curva h20(Q) Curva η0(Q) Parámetro Valor Error estándar Parámetro Valor Error estándar -3 a10 (m) 81,077 0,797 b11 (m ·h) 0,01883 0,00013 a11 (m-2·h) -0,0384 0,0290 b12 (m-6·h-2) -0,00013 0,000002 a12 (m-5·h2 -0,0038 0,0002 Coeficiente de determinación r2= 0,9891 Coeficiente de determinación r2= 0,9899 Error en la estimación de H0 = 1,4267 Error en la estimación de η0 = 0,01462

45

Trabajo Fin de Carrera

Capítulo 4. Resultados y discusión

Según las curvas h20(Q) y η0(Q) obtenidas, para la bomba CR45-3, el caudal nominal es

Q = 39 m3/h, a la altura H = 62 m, con un rendimiento η = 0,67. Y para la bomba CR90-3-2, el caudal nominal es Q = 71 m3/h, a la altura H = 59 m, con un rendimiento

η = 0,67. La Figura 4.10 representa, de forma conjunta, las curvas características del bombeo obtenidas experimentalmente y las facilitadas por el fabricante (Grundfos, 2006). Como era de esperar, en las curvas experimentales, el rendimiento es menor, ya que éste incluye, además del rendimiento de las bombas, el rendimiento de los convertidores de frecuencia y las pérdidas de energía desde la salida de la bomba hasta el transductor M1 y las debidas al filtro. Este último factor provoca que las curvas H(Q) determinadas experimentalmente sean más verticales que las del fabricante. Asimismo, la altura de elevación para caudal nulo es mayor en las curvas experimentales, debido, probablemente al desnivel existente entre la balsa de regulación y las bombas. Sin embargo, los caudales nominales de las bombas están muy próximos en los dos tipos de curvas. 90 0,8 0,7

70

H (m)

η

H (m)

0,7

0,4

30

0,3

30

20

0,2

20

0,1

10

0,0

0

Modelo CR45-3

0 0

20

40

h2(Q) Experimental

3

Q (m /h)

0,5

50

40

10

0,6

60

0,5

50

80 70

0,6

60

0,8

0,4

η

80

90

40

0,3 0,2

0,0 0

60

H(Q) Fabricante

0,1

Modelo CR90-3-2

40

η(Q) Experimental

80

3

Q (m /h)

120

η(Q) Fabricante

Figura 4.10. Curvas características de las bombas CR45-3 y CR90-3-2 determinadas experimentalmente frente a las curvas suministradas por el fabricante.

De igual forma que se hizo con las curvas dadas por fabricante, se ha simulado, con las curvas características experimentales, el funcionamiento de las bombas de la estación de bombeo para diferentes frecuencias de giro. Introduciendo los parámetros de las Tablas

46

Trabajo Fin de Carrera

Capítulo 4. Resultados y discusión

4.6 y 4.7 en las ecuaciones 3.10 y 3.13 se obtienen las curvas representadas en las Figuras 4.11 y 4.12, dando diferentes valores a N. También se representan las parábolas de isorrendimiento.

90 N

η

1

80

40

Modelo CR 45-3

50 60

η max

65

70

0,9

60

65 0,8

H (m)

50

60 0,7

40

50

0,6

30

0,5

20 10 0 0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

Q (m 3/h)

Figura 4.11. Simulación del funcionamiento del bombeo con el modelo CR45-3 con convertidor de frecuencia. 90 N

η

1

80

40

Modelo CR 90-3-2

50 60 65

70

η max

0,9

60

65

H (m)

0,8

50

60 0,7

40 30

0,6

20

0,5

50

10 0 0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

Q (m 3/h)

Figura 4.12. Simulación del funcionamiento del bombeo con el modelo CR90-3-2 con convertidor de frecuencia.

47

Trabajo Fin de Carrera

Capítulo 4. Resultados y discusión

4.3.2. Bombas en su conjunto. Se ha simulado el bombeo en la estación de los Campos de Prácticas utilizando las curvas características dadas por el fabricante y las obtenidas experimentalmente. El resultado se muestra en las Figuras 4.13 y 4.14. - Curvas características proporcionadas por el fabricante. 90

η maxB3 =0,79

N

η maxB1 =0,78

0,741

80

η maxB1+B2=0,78

0,731

1

70

0,775 1

0,9

60

η maxB1+B2+B3=0,78

H (m)

1 0,9

50

1

0,8 0,9 0,8

40

0,9

0,8 30 0,8 20 10 0 0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

240

3

B3

B1

B1+B2

B1+B2+B3

Q (m /h)

Figura 4.13. Simulación del bombeo con las curvas dadas por el fabricante.

Zonas de

funcionamiento de las bombas aisladas y en paralelo al mismo régimen de giro.

En la figura se representa el comportamiento de las bombas a distintos regimenes de giro, funcionando por separado, y acopladas en paralelo de la forma descrita en el apartado 3.3.1. Junto con las curvas de rendimiento máximo de cada bomba o combinación de bombas (líneas discontinuas de trazo grueso), se han representado los rendimientos que determinan el momento óptimo de cambio de una bomba a otra (líneas color fucsia). Sobre estas curvas, el rendimiento de las combinaciones bombas que intervienen en el cambio se igualan, de modo que una combinación se desconecta cuando la otra comienza a tener mayor rendimiento. Los puntos (Q,H) destacados en amarillo, representan los puntos de funcionamiento a régimen nominal en los que el

48

Trabajo Fin de Carrera

Capítulo 4. Resultados y discusión

rendimiento es máximo. La Tabla 4.8 resume los valores que se obtienen. TABLA 4.8. Puntos de funcionamiento a régimen nominal con rendimiento máximo.

Bomba B3 B1 B1+B2 B1+B2+B3

Qnominal (m3/h) Hnominal (m) 40,1 63,9 73,7 61,1 147,4 61,1 187,5 61,5

η 0,791 0,781 0,781 0,783

Las zonas de funcionamiento de las bombas quedan definidas por las curvas de rendimiento máximo y las de cambio óptimo. Así, con caudales pequeños funcionará la bomba B3. Conforme aumente el caudal, su rendimiento irá aumentando hasta alcanzar el máximo, y luego comenzará a disminuir. Y al alcanzarse el rendimiento η = 0,741, se deberá producir el cambio a la bomba B1. Si el caudal sigue incrementándose, por el mismo razonamiento, el cambio de la bomba B1 a B1+B2 se producirá al alcanzase el rendimiento η = 0,731 y el cambio de B1+B2 a B1+B2+B3 se producirá sobre la curva

η = 0,775. Con caudales decrecientes, los cambios se producirían siguiendo la secuencia inversa (ver apartado 2.3.1).

- Curvas características determinadas experimentalmente. De forma análoga a la Figura 4.13, en la Figura 4.14 se muestran las curvas características h2(Q) a diferentes regímenes de giro de las bombas funcionando aisladas y acopladas en paralelo, con sus curvas de rendimiento máximo, y las curvas de isorrendimiento que determinan el momento de cambio óptimo de una bomba a otra. En el momento del cambio, la combinación de bombas que entra en funcionamiento comienza a tener un rendimiento mayor que la combinación que se detiene (ver apartado 3.4.1).

49

Trabajo Fin de Carrera

Capítulo 4. Resultados y discusión

90 N

η

η maxB3=0,67 0,64

80

η maxB1=0,67

η maxB1+B2=0,67

0,63

70

1

60

0,9

η maxB1+B2+B3=0,67

0,66 1

h 2(m)

1

50

1

0,9

0,8 0,9

40

0,8 0,7

0,9

0,8

30

0,7 0,7

0,8

20 0,7

10 0 0

20

40 B3

60 B1

80 B1+B2

100

120

140

160

180

200

220

3

Q (m /h)

B1+B2+B3

Figura 4.14. Simulación del bombeo con las curvas determinadas experimentalmente. Zonas de funcionamiento de las bombas aisladas y en paralelo al mismo régimen de giro.

La zona de funcionamiento de cada combinación de bombas, está comprendida entre las curvas de rendimiento de cambio que hay a izquierda y derecha de su curva de rendimiento máximo. De igual forma que en la Figura 4.13, los puntos (Q,H) destacados en amarillo, representan los puntos de funcionamiento a régimen nominal en los que el rendimiento es máximo. La Tabla 4.9 resume dichos puntos junto con su rendimiento. TABLA 4.9. Puntos de funcionamiento a régimen nominal con rendimiento máximo.

Combinación de bombas B3 B1 B1+B2 B1+B2+B3

Qnominal (m3/h) Hnominal (m) 39,1 71,3 142,6 181,7

61,7 58,8 58,8 59,4

η 0,668 0,672 0,672 0,670

Al comparar la Tabla 4.8 con la Tabla 4.9 se observan diferencias sustanciales, especialmente en lo que se refiere a rendimientos, que son menores en las curvas determinadas experimentalmente, por las razones ya mencionadas en el apartado 4.3.1.

50

Trabajo Fin de Carrera

Capítulo 4. Resultados y discusión

Potencia absorbida.

En una bomba centrífuga, pueden darse situaciones, a la derecha de la curva de rendimiento máximo, en las que la potencia absorbida al elevar un determinado caudal a una altura H1, sea menor que al elevar ese mismo caudal a la altura H2, siendo H1> H2 (ver Figura 4.15). En la situación representada, esto se debe a que el rendimiento η2 es menor que η1 en tal medida que

H1

η1

H2

es menor que

η2

, y por tanto, de acuerdo a la

ecuación (3.11), la potencia P1 será menor que la potencia P2. Así pues, puede existir una curva de isorrendimiento, por debajo de la cual la bomba no debe trabajar, puesto que se produciría la situación descrita. H N1

η max η1

N2

H1

1

η2 H2

2

Q1

Q

Figura 4.15. Relación entre el rendimiento y la altura de elevación para un caudal determinado.

El análisis del funcionamiento de las distintas combinaciones de bombas, permite afirmar que el rendimiento mínimo buscado coincide con el eje de abscisas. Por tanto no es necesario tener en cuenta este condicionante en el estudio del bombeo en la estación de los Campos de Prácticas. Este análisis, realizado mediante programación en hoja de cálculo, se sirve de las curvas

H(Q) y η(Q) de las distintas combinaciones de bombas, que también son función de la relación de giro N (ver ecuaciones 3.10 y 3.13). Fijando un valor de caudal Q, se hace variar la relación de giro N, haciendo un barrido desde N = 1 hasta la relación de giro que hace H = 0. Se comprueba que la potencia (obtenida a partir de Q, H y η, según la ecuación 3.11) siempre desciende conforme lo hace la relación de giro N, en todas las 51

Trabajo Fin de Carrera

Capítulo 4. Resultados y discusión

combinaciones de bombas. El rendimiento también desciende al hacerlo la relación de giro, y alcanza su valor mínimo cuando la altura de elevación toma el valor H = 0. Lo que permite afirmar que en ningún caso ocurrirá la situación descrita arriba.

4.4. Automatización de la estación de bombeo. En este apartado se muestran los resultados de la aplicación de la metodología descrita en el apartado 3.4. Así, se modela el funcionamiento automático de la estación de bombeo, empleando las curvas características determinadas experimentalmente, y se definen los parámetros para programar la misma con criterio de máxima eficiencia energética. De acuerdo con el apartado 3.4, se obtienen dos modelos: uno en caso de regular la presión según la curva del sistema continua obtenida en el apartado 4.2, y otro, en caso de realizar un control de la presión según una curva discreta o escalonada, en función del número de bombas en funcionamiento. Éste último caso es el que permite la programación de los convertidores de frecuencia instalados. En el apartado 4.4.3 se compara la predicción del segundo modelo con los datos obtenidos al ensayar la estación de bombeo, programada con los parámetros desprendidos de dicho modelo. Por último, se aplica el modelo a dos posibles redes de riego futuras de los Campos de Prácticas, y se abordan otros aspectos prácticos como el llenado de la red.

4.4.1. Simulación del bombeo según la curva del sistema. La Figura 4.16 muestra la simulación del funcionamiento automático de la estación de bombeo ante diferentes demandas de caudal, regulando la presión a la salida del filtro de acuerdo a la curva del sistema de la Figura 4.1. Según se dijo en el apartado 3.4, no es posible, en este caso particular, introducir en la programación de los convertidores de 52

Trabajo Fin de Carrera

Capítulo 4. Resultados y discusión

frecuencia una curva de ese tipo, por lo que el funcionamiento simulado es hipotético. Sin embargo, este bombeo sería el que mejor se adaptaría a las necesidades del sistema, según la curva de la Figura 4.1. En el CD adjunto se encuentra la hoja de cálculo (TFC_02.xls) empleada para realizar la simulación. Se representan las curvas de altura de elevación h2(Q) y de rendimiento η(Q) en función del caudal, y la energía consumida por unidad de volumen elevado E(Q). También se muestran los puntos óptimos de cambio de una bomba a otra y las frecuencias máxima y mínima entre las que trabaja cada bomba o combinación de bombas.

0,80 0,75

60

0,70

B1+B2+B3 fmax

0,65 50

0,60 0,55

h 2(m)

Cambio B3 a B1

Cambio B1 a B1+B2

Cambio B1+B2 a B1+B2+B3

0,45 0,40

30

0,35 0,30 B3 fmax

20

B3 fmin

B1 fmax

B1+B2 fmax B1+B2 fmin

B1 fmin

η , E (kW·h/m 3)

0,50

40

0,25 0,20

B1+B2+B3 fmin

0,15

10

0,10 0,05

0 0

25

50

Ψsistema

75

100

h2(Q)

125

150

η(Q)

175

E(Q)

200

225

250

0,00 275

Q (m 3/h)

Figura 4.16. Simulación del funcionamiento automático de la estación de bombeo según la curva del sistema.

Se comprueba que la altura de elevación describe la curva del sistema (Ψsistema) hasta que las tres bombas acopladas en paralelo alcanzan su régimen de revoluciones máximo. A partir de ese momento, describe la curva H(Q) a frecuencia máxima de dicha combinación de bombas (B1+B2+B3 fmax). Esta frecuencia máxima, se puede definir a voluntad en los convertidores de frecuencia. No se ha encontrado ningún aspecto que desaconseje que la frecuencia máxima sea la nominal (f = 50 Hz).

53

Trabajo Fin de Carrera

Capítulo 4. Resultados y discusión

Como se dijo en el apartado 3.4.1, en el momento del cambio de una bomba a otra, la altura de elevación, el caudal y la potencia absorbida (y por tanto el rendimiento) deberán ser iguales para las dos bombas. En la Figura 4.16 se comprueba que en dichos puntos, la curva H(Q) de la bomba que se desactiva se corta con la de la bomba que arranca, (véase en la figura el corte de B3 fmax con B1 fmin en el punto de cambio de B3 a B1) y que los rendimientos se igualan. Así, antes de que la energía absorbida por m3 elevado E(Q) (que se obtiene al dividir la potencia absorbida por el caudal elevado) de la combinación de bombas en funcionamiento supere a la que consumiría la siguiente combinación en la secuencia de cambio, se produce el paso de una a otra. Se conseguiría que el consumo energético en la estación de bombeo se mantuviese entre 0,12 y 0,13 kWh/m3 para caudales de hasta 150 m3/h, valor que no se prevé superar frecuentemente en el riego de los Campos de Prácticas (ver apartado 2.2). Cabe destacar que el bombeo se ha simulado de la misma forma cuando el caudal aumenta que cuando disminuye, puesto que, de acuerdo con el apartado 3.4.1, los puntos de cambio son los mismos con caudales crecientes que con caudales decrecientes. En el funcionamiento real de la instalación esto no sería aconsejable, por motivos de estabilidad. También se ha considerado que se produce el cambio de la bomba B1 a la bomba B3, que en el momento de la toma de datos no estaba implementado. Las frecuencias de funcionamiento máximas y mínimas de cada bomba, se encuentran en la Tabla 4.10. Estas frecuencias serían necesarias para programar la activación y desactivación de las bombas en los convertidores de frecuencia. TABLA 4.10. Frecuencias de funcionamiento máximas y mínimas.

Bomba

Frecuencia mínima (Hz)

Frecuencia máxima (Hz)

B3 B1 B1+B2 B1+B2+B3

30,80 33,43 33,45 35,28

38,42 40,17 37,76 50

54

Trabajo Fin de Carrera

Capítulo 4. Resultados y discusión

4.4.2. Predicción del bombeo según el número de bombas en funcionamiento. La Figura 4.17 representa la predicción del comportamiento de la estación de bombeo funcionando con la automatización que permiten los convertidores de frecuencia instalados. Es decir, regulando la presión a la salida del filtro h2 según una curva discreta (ver apartado 3.4.2). Se representan los mismos aspectos que en la Figura 4.16. Además de la forma de regular la presión, existe otra diferencia importante entre las dos figuras: ahora, por motivos de estabilidad, el comportamiento de la estación de bombeo es diferente al aumentar el caudal que al disminuir, puesto que los puntos de cambio con caudal creciente y con caudal decreciente no coinciden, según se trató en el apartado 3.4.2. La hoja de cálculo (TFC_03.xls) empleada para modelar el bombeo se encuentra en el CD adjunto.

0,75

45

0,70 B1+B2+B3 fmax

0,65 0,60

40

0,55

35 h 2(m)

Cambio B1+B2 a B1

0,45

Ψ sistema

Cambio B1+B2+B3 a B1+B2

0,40 0,35

Cambio B1+B2 a B1+B2+B3

30

0,30

Cambio B1 a B1+B2

Cambio B3 a B1

η , E (kW·h/m 3)

0,50

0,25 0,20 0,15

25

0,10

B3 fmax B3 fmin

B1 fmax

B1 fmin

B1+B2 fmax B1+B2 fmin

0,05

B1+B2+B3 fmin

20

0,00 0

25

50

h2 (Q creciente) ptos cambio (Q decr.) η (Q decr.)

75

100

125

150

h2 (Q decreciente) ptos cambio óptimo E (Q crec.)

175

200

225

ptos cambio (Q crec.) η (Q crec.) E (Q decr.)

250

275 Q (m 3/h)

Figura 4.17. Predicción del funcionamiento automático de la estación de bombeo según una curva discreta.

55

Trabajo Fin de Carrera

Capítulo 4. Resultados y discusión

Las curvas de altura de elevación, rendimiento y energía consumida, con demanda de caudal creciente, se han representado en trazo más grueso que las curvas con caudal decreciente. Las combinaciones de bombas funcionan elevando el caudal a una altura constante y diferente para cada una de ellas (ver apartado 3.4.2). De acuerdo con la curva del sistema que puede verse en la Figura 4.1, las presiones de consigna propuestas son: 2,95 bar (30,14 m) para la bomba B3, 3 bar (30,65 m) para la bomba B1, y 3,15 bar (32,18 m) para los acoplamientos en paralelo B1+B2 y B1+B2+B3. De esta forma, sólo podrá faltar presión con caudales superiores a 150 m3/h, que son poco frecuentes en el riego de los Campos de Prácticas, según se dijo en el apartado 2.2. Sin embargo, en el tramo de caudal comprendido entre 75 y 150 m3/h, la altura de presión es mayor que la que requiere el sistema (Ψsistema). Por motivos de estabilidad (ver apartado 3.4.2), se han desplazado los puntos de cambio respecto al punto óptimo. Para caudales crecientes, la frecuencia de cambio se ha incrementado un 3%. Y se ha reducido un 2% para caudales decrecientes. Esta desviación respecto al óptimo, produce en las curvas E(Q) unos pequeños picos en los que el incremento del consumo energético es del orden del 5%. Hay que destacar que el autómata programable que realiza el cambio de B3 a B1, en el momento de realizar el presente trabajo, no estaba programado para efectuar el cambio en sentido inverso. Así, la bomba B1, con caudales decrecientes, funcionará desde que se produzca el cambio de B1+B2 a B1, hasta que el caudal demandado sea nulo. Como puede apreciarse en la figura, el consumo energético con caudales pequeños (en torno a 25 m3/h) es mucho mayor al funcionar la bomba B1 que al funcionar la bomba B3. Así, la bomba B3 permite realizar riegos con un consumo menor de 0,13 kW·h/m3 con caudales a partir de 25 m3/h, mientras que utilizando la bomba B1 se consigue ese consumo a partir de los 35-40 m3/h. En el Anexo II, se incluye una propuesta para realizar el cambio de B1 a B3. La Figura 4.18 representa de manera conjunta la energía consumida por unidad de volumen elevado regulando la presión según la curva continua y según el número de

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Trabajo Fin de Carrera

Capítulo 4. Resultados y discusión

bombas en funcionamiento. Son las curvas E(Q) de las Figuras 4.16 y 4.17 a escala ampliada. Con caudales crecientes, el consumo energético al funcionar las bombas B3 y B1 (caudales de hasta 75m3/h) es prácticamente el mismo en ambos casos. Sin embargo, entre 75 y 150 m3/h el consumo es en torno a un 4% mayor en caso de regular la presión según la curva discreta. A partir de 150 m3/h, el consumo es menor empleando la curva discreta, pero esto se debe a que se eleva el caudal a una altura menor de la que requiere el sistema. 0,19 0,18

E (kW·h/m 3)

0,17 0,16 0,15 0,14 0,13 0,12 0,11 0

25

50

75

100

125

150

175

200

225

250

275

300 3

Q (m /h) Continua(Q crec.)

Figura 4.18.

Continua(Q decr.)

Discreta(Q crec.)

Discreta(Q decr.)

Energía consumida por m3 elevado. Curva continua frente a curva discreta.

Las frecuencias de funcionamiento máximas y mínimas de cada bomba, en el funcionamiento automático según el número de bombas en funcionamiento (Figura 4.17), se encuentran en la Tabla 4.11. En base a estas frecuencias se ha programado la automatización actual de la estación de bombeo (ver parámetros en el Anexo V). TABLA 4.11. Frecuencias de funcionamiento máximas y mínimas.

Bomba

Frecuencia mínima (Hz)

Frecuencia máxima (Hz)

B3 B1 B1+B2 B1+B2+B3

30,87 30,74 34,13 35,09

38,89 42,83 39,47 50

57

Trabajo Fin de Carrera

Capítulo 4. Resultados y discusión

Si se comparan estas frecuencias con las que aparecen en la Tabla 4.10, se comprueba que el control de la presión según una curva discreta, hace que las bombas alcancen regímenes de revoluciones mayores. El fabricante Danfoss facilita el programa informático MUSEC (MUSEC,2000), que permite determinar las frecuencias de activación y desactivación de hasta cinco bombas iguales, en el funcionamiento maestro/esclavo. Los datos necesarios son: el número de bombas y los valores de los puntos señalados en la Figura 4.19. Con estos últimos se construye la curva del sistema, y las curvas características de la bomba con el convertidor maestro, por un lado, y del funcionamiento en paralelo de todas las bombas, por el otro.

Figura 4.19. Datos necesarios para el empleo del programa MUSEC Fuente: MUSEC, 2000

Introduciendo en dicho programa las características del modelo CR90-3-2, se obtienen las frecuencias de la Tabla 4.12 para la programación de los convertidores de la estación de bombeo de los Campos de Prácticas. TABLA 4.12. Frecuencias de funcionamiento máximas y mínimas según el programa MUSEC.

Bomba

Frecuencia mínima (Hz)

Frecuencia máxima (Hz)

B1 B1+B2 B1+B2+B3

18 23

39 36 -

Fuente: MUSEC, 2000.

58

Trabajo Fin de Carrera

Capítulo 4. Resultados y discusión

Las frecuencias máximas tienen cierta similitud con las obtenidas mediante la metodología propia (Tabla 4.11), pero las frecuencias mínimas que proporciona el programa obligarían a realizar los cambios en puntos en los que el rendimiento sería muy bajo. De hecho, dichas frecuencias no permitirían elevar el caudal a la altura requerida. Puede que estas diferencias se deban a que el programa considera que funcionan tres bombas modelo CR90-3-2, cuando realmente una de las bombas es diferente.

4.4.3. Contraste experimental del modelo. En la Figura 4.20 se representan, de manera conjunta, la predicción del funcionamiento de la estación de bombeo, y los datos obtenidos al ensayar la estación. Los datos del ensayo, que se encuentran en la Tabla III.6 del Anexo III (Ensayo 5), se representan mediante puntos, y el funcionamiento se representa mediante líneas. Antes de realizar dicho ensayo, se programaron los convertidores de frecuencia utilizando los valores de presión de consigna y las frecuencias de la Tabla 4.13, obtenidas mediante el modelo desarrollado. Para ensayar el funcionamiento automático de la estación, se fueron demandando caudales crecientes desde 0 a 250 m3/h, y, después, caudales decrecientes desde 250 a 0 m3/h, siguiendo la metodología descrita en el apartado 3.3.2. TABLA 4.13.

Frecuencias de funcionamiento y presiones de consigna programadas para la realización del Ensayo 5.

Bomba

Frecuencia mínima (Hz)

Frecuencia máxima (Hz)

Presión de consigna (bar)

B3 B1 B1+B2 B1+B2+B3

32,85 32,73 36,54 37,51

41,40 45,84 42,19 50

3,34 3,4 3,6 3,6

59

Trabajo Fin de Carrera

Capítulo 4. Resultados y discusión

60

0,75 0,70

η (Q )

0,65

50

0,60 0,55 0,50

h 2(m)

h 2(Q )

0,45 0,40

30

0,35 0,30

20

3 η, E (kW·h/m )

40

0,25

E (Q )

0,20 0,15

10

0,10 0,05

0 0

25

50

ptos cambio (Q crec.) B1 (Q decr.) B1+B2+B3 (Q decr.) η (Q decr.)

75

100

125

ptos cambio (Q decr.) B1+B2 (Q crec.) E (Q crec)

150

175

B3 (Q crec.) B1+B2 (Q decr.) E (Q decr.)

200

225

250

B1 (Q crec.) B1+B2+B3 (Q crec.) η (Q crec)

0,00 275

Q (m3/h)

Figura 4.20. Funcionamiento automático de la estación de bombeo observado en el Ensayo 5 frente a la predicción del modelo desarrollado.

Se representan, las curvas previstas por el modelo, de altura de elevación después del filtro h2(Q), de rendimiento η(Q), y de energía consumida por m3 elevado E(Q), y los puntos del ensayo, donde los círculos representan los valores observados en la parte del ensayo con caudales crecientes, y los cuadrados, los observados en la parte con caudales decrecientes. Para los datos del ensayo, la altura de elevación del bombeo h2 es la observada en el transductor de presión situado aguas abajo del filtro (ver Figura 3.3), la energía por m3 elevado resulta del cociente de la potencia (dada por los convertidores de frecuencia) y el caudal. Y conocida la potencia, el rendimiento se obtiene aplicando la ecuación (3.11) a los puntos (Q,h2). Se aprecia que la curva h2(Q) predice satisfactoriamente la altura de elevación medida a la salida del filtro [puntos (Q,h2)], y que los cambios de combinación de bombas se producen según lo esperado. La energía absorbida por m3 también se ajusta a la predicción, especialmente durante la primera parte del ensayo (caudales crecientes).

60

Trabajo Fin de Carrera

Capítulo 4. Resultados y discusión

En cuanto al rendimiento, se ajusta razonablemente bien durante la primera parte del ensayo, pero en la segunda parte (caudales decrecientes), el rendimiento observado es algo menor al esperado. La explicación a este hecho podría encontrarse en las pérdidas de carga en el filtro, que por alguna causa no determinada fueron bastante mayores que las esperadas aplicando la curva de pérdidas de carga de la Figura 4.7. Esto provoca que la altura a la que las bombas elevan el caudal h1(Q), sea mayor que la prevista según la curva de pérdidas de carga en el filtro. Por tanto la potencia consumida es también mayor, lo que implica un menor rendimiento. En las Figuras 4.21 (a) y 4.21 (b) se representa la altura de elevación prevista en las secciones inmediatamente aguas arriba (h1modelo) y aguas abajo (h2modelo) del filtro, junto

40

40

39

39

38

38

37

37

36

36

35

35

34

34 0

50

100

150

200

Q(m 3/h)

h2 modelo

h1 modelo

250 250

150

100

50

0

h2

h1

Q(m3/h) h2

h1

h2 modelo

(a) Figura 4.21.

200

h1 modelo

(b)

Alturas de elevación antes y después del filtro, previstas por el modelo y medidas en el Ensayo 5. a) Primera parte del ensayo b) Segunda parte del ensayo

La altura de presión prevista a la salida del filtro h2modelo es la de consigna fijada en los convertidores de frecuencia. Y las curvas h1modelo se obtienen sumando a la altura de elevación de consigna h2modelo las pérdidas de carga en el filtro modeladas con la ecuación (3.19) y tomando el valor de K obtenido en el apartado 4.3.1. Se comprueba que en la segunda parte del ensayo, h1 es mayor que h1modelo. Esta diferencia es la que provoca que el rendimiento en la segunda parte del Ensayo 5 sea 61

h(m)

h (m)

con las medidas en esas secciones (h1 y h2 respectivamente) en el Ensayo 5.

Trabajo Fin de Carrera

Capítulo 4. Resultados y discusión

menor que el esperado. Sin embargo, h2 toma valores muy cercanos a h2modelo, por lo que se puede afirmar que, independientemente de las pérdidas de carga que se produzcan en el filtro, la presión en la cabecera de la red se mantiene según el valor de consigna fijado, a costa de incrementar el consumo energético. Al estar limitada la pérdida de carga en el filtro a 0,3 bares (momento en el que el filtro procede automáticamente a su limpieza), éste incremento del consumo se mantendrá siempre dentro de unos límites razonables, como puede verse en la Figura 4.22. En dicha figura se representa la energía consumida por m3 elevado E (en rosa) de la Figura 4.20 frente a la energía E’ (en azul) que se consumiría en caso de que las pérdidas de carga fuesen de 0,3 bar independientemente del caudal. 0,20 0,19

E (kW·h/m 3)

0,18 0,17 0,16 0,15 0,14 0,13 0,12 0

25

E (Q creciente)

Figura 4.22.

50

75

100

125

E (Q decreciente)

150

175

E' (Q crec.)

200

225

250

E' (Q decr.)

275

Q (m 3/h)

Energía consumida por m3 elevado. Funcionamiento normal y funcionamiento cuando la pérdida de carga en el filtro es la máxima permitida.

Se observa que, si en el filtro se produjera la pérdida de carga máxima permitida, el incremento del consumo energético nunca sería mayor del 7 %, valor que se considera aceptable.

62

Trabajo Fin de Carrera

Capítulo 4. Resultados y discusión

4.4.4. Aplicación a otras redes de riego. En Unidad de Hidráulica y Riegos (2004) se propone una futura red de riego para los Campos de Prácticas. Dicha red, a diferencia de la considerada en este trabajo, se extiende por la totalidad de los Campos y dispone de bocas de riego en todas las parcelas. En la Figura 4.23 aparece la altura de elevación necesaria en la estación de bombeo en función del caudal empleando dicha red. 50

45

H(m)

40

35

30

25 0

50

100

150

200

250

300

350

400

Q(m 3/h)

Figura 4.23. Altura de elevación necesaria en función del caudal demandado. Tomado de la Memoria de la propuesta para el proyecto de riego de los Campos de Prácticas (Unidad de Hidráulica y Riegos, 2004)

La altura de elevación necesaria es mayor que en la red aquí considerada, principalmente porque se abastecen bocas de riego a cotas superiores. Sirva como ejemplo la boca de la parcela 39 (Plano 1, en Anexo VI), que tendría una cota 10 m mayor que la boca de la parcela 1, que es la más elevada de la red considerada en el presente trabajo. Aplicando el modelo de predicción del bombeo a estas necesidades del sistema, se obtienen, para las distintas combinaciones de bombas, las presiones de consigna y frecuencias de giro de la Tabla 4.14. La estación de bombeo podría programarse de acuerdo a estos datos, en caso de ejecutarse el proyecto.

63

Trabajo Fin de Carrera

Capítulo 4. Resultados y discusión

TABLA 4.14. Presiones de consigna y frecuencias de funcionamiento máximas y mínimas.

Bomba

Presión de consigna(bar)

Frecuencia mínima (Hz)

Frecuencia máxima (Hz)

B3 B1 B1+B2 B1+B2+B3

4 4,2 4,4 4,4

35,9 36,4 40,3 41,9

46,3 49,6 46,19 50

También se ha simulado la red resultante de unir la red principal actual con la secundaria. Como se dijo en el apartado 2.2, eliminar la estación de bombeo secundaria permitiría incrementar en 3,2 ha la superficie a regar desde la estación de bombeo principal. En la Figura 4.24 se muestra la altura de elevación necesaria en la estación de bombeo para las diferentes situaciones de riego simuladas (siguiendo la metodología descrita en el apartado 3.2). También aparece representado el bombeo [h2(Q)] según la programación propuesta para la red actual. Se observa que con esta programación se abastecería de forma correcta a la red. Faltaría presión en algunas de las bocas de la actual red secundaria (bocas N8 a N16 del Plano 1, en Anexo VI), debido a las elevadas pérdidas de carga que se producen en los tramos D5-N9 y N9-N10. Dichos tramos tienen un diámetro relativamente pequeño, por lo que no sería recomendable regar simultáneamente más de 2 ó 3 unidades cuyas bocas estén aguas abajo de los tramos mencionados. De otra forma, la velocidad sería muy elevada, y por tanto también lo serían las pérdidas de carga. 45

40

35

H (m)

h 2 (Q )

30

25

20 0

50

100

150

200

250

300

3

Q (m /h)

Figura 4.24. Altura de elevación necesaria en la cabecera de la red en función del caudal

64

Trabajo Fin de Carrera

Capítulo 4. Resultados y discusión

demandado, en caso de unir la red principal con la secundaria.

4.4.5. Aspectos prácticos. La Figura 4.25, muestra la evolución del caudal y la presión aguas abajo del filtro, durante un riego de la campaña 2006. Los datos se han tomado del ordenador de la Sala de Control (ver apartado 2.3.5). Se observa que al comenzar el riego, la presión en la red es muy baja, y el caudal aumenta hasta prácticamente el máximo que pueden elevar las tres bombas funcionando a la vez, hasta que se alcanza la presión de consigna (3 bar) y el caudal desciende y se estabiliza en el valor requerido por la boca o bocas abiertas. Esta situación se ha repetido la mayor parte de los días que se ha utilizado la estación de bombeo, durante la campaña de riegos de 2006. 350

4

300

3,5

3

250

2 150

p 2 (bar)

3

Q (m /h)

2,5 200

1,5 100

1

50

0,5

0 0

10

20

Q(t)

30

40

50

60

70

80

90

100

0 110

t (min)

p2(t)

Figura 4.25. Evolución del caudal y la presión a la salida del filtro, en un riego de aproximadamente dos horas de duración, realizado el día 11 de Julio de 2006.

De la figura se deduce que la red tiene fugas o que se abren las bocas antes de que esté en marcha la estación, de modo que se vacía de agua y el aire llena parcialmente las tuberías. Al ponerse en funcionamiento la estación de bombeo y abrir una boca de riego, el agua ocupa rápidamente el espacio que ocupaba el aire, puesto que éste puede salir fácilmente de la red y además comprimirse. Durante ese periodo de tiempo (7 u 8 primeros minutos del riego de la figura), el caudal bombeado desde la estación es mayor del que sale por la boca abierta. Al salir todo el aire, el cambio de velocidad del agua,

65

Trabajo Fin de Carrera

Capítulo 4. Resultados y discusión

podrá provocar un golpe de ariete nada despreciable. También se produce otro efecto importante sobre el bombeo: El aumento de caudal hasta valores tan elevados, implica que se realiza toda la secuencia de cambios de bombas, hasta funcionar las tres bombas en paralelo (ver apartado 2.3.1). Posteriormente, conforme el caudal disminuye, las bombas se van desactivando según la secuencia descrita en el apartado 2.3.1. Puesto que no es posible hacer el cambio B1-B3, siempre que se produzca el pico de caudal de la Figura 4.25, la bomba más pequeña (B3) no podrá funcionar sola. Esto supone que para elevar caudales pequeños, se utilizará la bomba B1 en vez de la B3, con el consiguiente consumo de energía (ver Figura 4.17). Para solucionar este problema, es necesario realizar un llenado de la red lento, que puede conseguirse de dos formas: -

Programando los convertidores de frecuencia (Danfoss, 2006), concretamente ajustando los parámetros 230 (velocidad de llenado) y 231 (referencia de llenado). Se requeriría un estudio específico de la red para realizar la programación correcta.

-

Realizar un llenado de la red manual, haciendo funcionar únicamente la bomba B3 (CR45-3) a frecuencia f = 40 Hz, con un caudal en torno a 45 m3/h durante un tiempo aproximado de 25-30 minutos. Este cálculo resulta de obtener el volumen de agua bombeado en el riego de la Figura 4.25 durante los 8 primeros minutos (V = 22m3), y luego determinar el tiempo necesario para bombear dicho volumen con un caudal de 45 m3/h.

En cualquier caso, se recomienda no abrir ninguna boca de riego en el caso de que la estación de bombeo esté apagada manualmente.

66

Trabajo Fin de Carrera

Capítulo 5. Conclusiones y recomendaciones

5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES. En este Capítulo, se resumen, en primer lugar, las aportaciones del presente Trabajo Fin de Carrera, en segundo, las conclusiones y recomendaciones que se derivan de los capítulos anteriores, y finalmente se exponen posibles desarrollos futuros a partir de este trabajo.

5.1. Aportaciones. 1. Se ha descrito el marco en que se riega en los Campos de Prácticas. Y con base en esa información, se ha modelado la red de riego, que proporciona la curva característica del sistema. Esto es, la altura de presión necesaria aguas abajo de la estación de bombeo en función del caudal, para dotar a las bocas de presión suficiente para el riego de las parcelas.

2. Se han determinado experimentalmente las curvas características de las bombas de la estación de bombeo de los Campos de Prácticas, funcionando aisladas y acopladas en paralelo. Y con ellas se ha predicho el comportamiento de las bombas a diferentes regímenes de giro, incluyendo las pérdidas de carga del filtro. Y se han comparado los resultados de esta predicción con los obtenidos a partir de las curvas que suministra el fabricante.

3. Se han obtenido dos modelos, que permiten predecir el bombeo en estaciones donde no todas las bombas son iguales y el control de la presión se realiza en un punto alejado de la salida de las bombas, con pérdidas de carga intermedias, como las que tienen lugar en el filtro. Uno de los modelos regula la presión según una curva del sistema continua, y el otro según una curva discreta, en función del número de bombas en funcionamiento. Estos modelos, proporcionan las frecuencias de cambio de una bomba a otra para que la energía consumida en el bombeo sea la menor posible. El segundo de los

67

Trabajo Fin de Carrera

Capítulo 5. Conclusiones y recomendaciones

modelos se ha contrastado experimentalmente en la estación de los Campos de Prácticas, con resultados satisfactorios.

4. Teniendo en cuenta los resultados que proporciona el segundo modelo, se han determinado los parámetros a introducir en la programación de la estación de bombeo de los Campos de Prácticas para conseguir un uso eficiente del agua y la energía.

5. Se han programado tres hojas de cálculo, una por cada modelo de simulación del bombeo y otra para simular la red de riego. Estos archivos se encuentran en el CD adjunto, y cuentan con un menú de ayuda para facilitar su utilización.

5.2. Conclusiones y recomendaciones.

1. El consumo de energía por m3 elevado estará en torno a los 0,13 kW·h/m3, siempre que el caudal esté comprendido entre 20 y 160 m3/h. Caudales menores de 20 m3/h podrán suponer un funcionamiento inestable de la instalación. Y con caudales mayores de 220 m3/h el consumo energético será superior a 0,15 kW·h/m3.

2. Una vez realizado el cambio de la bomba B3 a la bomba B1, no se deberá regar con caudales menores de 35 m3/h, puesto que el consumo energético sería elevado y el sistema funcionaría de forma inestable. En caso de introducir en la programación la posibilidad de realizar el cambio de B1 a B3, se resolvería esta situación.

3. El grado de suciedad del filtro no afecta a la calidad de la regulación de la presión en cabeza de la red, aunque sí al consumo de energía. Sin embargo, la limpieza automática del filtro hace que el consumo se mantenga dentro de límites razonables.

68

Trabajo Fin de Carrera

Capítulo 5. Conclusiones y recomendaciones

4. La unión de la red de riego principal con la secundaria permitiría ampliar la superficie a regar de 4,6 a 7,8 ha empleando la estación de bombeo estudiada, y estando garantizada la calidad del suministro de energía para el riego. En la actualidad ésta se ve comprometida, debido al estado de la estación de bombeo secundaria.

5. Se recomienda un llenado lento de la red previo a las operaciones de riego, y no abrir las bocas de riego hasta que la estación esté encendida, de manera que ante una demanda la estación responda inmediatamente sin dar posibilidad al vaciamiento de la red. De no ser así, podrán existir problemas de golpe de ariete. Y, por otro lado, se imposibilitaría el uso de la bomba B3 de forma independiente, por lo que no sería posible realizar riegos con caudales menores de 35 m3/h.

5.3. Desarrollos futuros. 1. Elección de la altura de elevación y combinación de bombas en función de las bocas abiertas. Una vez determinadas, se podría disponer de un eficiente sistema de riego, donde, tras identificar las bocas abiertas, el caudal se elevaría a la altura de presión estrictamente necesaria para abastecer dichas bocas.

69

Trabajo Fin de Carrera

Capítulo 6. Referencias

6. REFERENCIAS:

Danfoss (2006).

www.danfoss.com. Convertidores de frecuencia. VLT 800 AQUA. Manual de funcionamiento y opción de controlador escalonado

Faber (2006)

http://www.faber.es/es/difusores_1.html. Fabricantes de equipos de riego. Especificaciones técnicas de aspersores y difusores de riego. (Última entrada el día 24 de mayo de 2007)

Grundfos (2006).

http://net.grundfos.com/Appl/WebCAPS/Literature?userid=BGE. Catálogo de bombas centrífugas verticales multicelulares (modelos CR45-3 y CR90-3-2).(Última entrada el día 24 de mayo de 2007)

Hunter Riego

http://www.hunterriego.com/Productos/Difusores/psspecs.html.

(2006)

Sistemas de riego. Especificaciones técnicas de aspersores y difusores de riego.(Última entrada el día 24 de mayo de 2007)

REBT (2002)

Reglamento Electrotécnico para Baja Tensión. 2002.

Losada A. (2000)

El Riego. Fundamentos hidráulicos. Ed. Mundi-Prensa, Madrid. Barcelona. Mexico

Serón, C. (2006).

“Ahorro de energía usando variadores de frecuencia”. Revista Electroindustria, Abril 2006)

STF Filtros (2006).

www.stf-filtros.com/index.php?pag=riego_fmaelectricos. Características

y

funcionamiento

de

filtros

de

autolimpiantes. (Última entrada el día 24 de mayo de 2007)

70

malla

Trabajo Fin de Carrera

Capítulo 6. Referencias

Talleres Cardeña

Documentación técnica del grupo de presión para el regadío del

(2005).

campo de prácticas de la Escuela Técnica de Ingenieros Agrónomos. Talleres Cardeña s.l., 2005.

Unidad de

MEMORIA. Propuesta para el proyecto de riego de los Campos

Hidráulica y

de Prácticas. Unidad de Hidráulica y Riegos de la ETSI

Riegos (2004).

Agrónomos de Madrid, diciembre 2004.

Otras fuentes bibliográficas no referenciadas:

-Guerrero García A., 1987., “Cultivos herbáceos extensivos”. Ed. Mundi Prensa.

-Losada Villasante A. “El riego II. Fundamentos de su hidrología y de su práctica”. Ed. Mundi-Prensa, Madrid 2005.

-Luna Sánchez, L., García Fernández, J.L., Benavente León, R.M. “Instalaciones eléctricas de baja tensión”. Servicio de publicaciones de la ETSI Agrónomos, Madrid 2005.

-Montalvo López, T. “Ingeniería hidráulica” Ed. VJ, Valencia 2006.

-Moya Talens J.A. “Riego localizado y Fertirrigación”. Ed. Mundi-Prensa.

-Tarjuelo, J.M. “El riego por aspersión y su tecnología”. Ed. Mundi Prensa.

-Planels, P. et al. “Selección de bombas en redes de riego a presión”. Revista Ingeniería del Agua, Marzo 2006. Ed. Fundación para el fomento de la Ingeniería del Agua.

-www.infoagro.com. -www.agroinformación.com. -www.electrotecnia.org.

71

Trabajo Fin de Carrera

Anexo I

ANEXO I. PARCELAS DE LOS CAMPOS DE PRÁCTICAS DE LA ETSI AGRÓNOMOS. En la Tabla I.1 figuran las parcelas de los Campos de Prácticas, junto con información relativa a su uso y aprovechamiento.

TABLA I.1. Parcelas de los Campos de Prácticas de la ETSI Agrónomos.

Nº Superficie Parcela (m2)

Red que la abastece

Método de riego

1

6.904

Principal

Goteo

2

820

Principal

Superficie*

3

3.035

Principal

Goteo

4

2.270

Canal Isabel II

Goteo

5

1.930

Principal

Aspersión

6

510

Principal

Aspersión

7

976

Principal

Goteo

8

2.000

Principal

Goteo

9

3.853

Principal

Goteo

10

6.240

Principal

Aspersión

11

3.182

Principal

Aspersión

12

664

Principal

Goteo

13

2.788

Principal

Aspersión

14

1.460

Principal

Goteo

15

5.268

Principal

Goteo

16

7.200

Canal Isabel II

Goteo

17

4.560

Principal

Superficie*

*

Departamento que la usa

Actividad

Biología Biología vegetal Prod. Vegetal: Arboricultura Fitotecnia Biología Biología vegetal Biología Biología vegetal Servicios Jardines centrales Biotecnología Prod. Vegetal: Fitotecnia Prod. Vegetal: Fitotecnia Prod. Vegetal: Fitotecnia Prod. Vegetal: Fitotecnia Prod. Vegetal: Fitotecnia Prod. Vegetal: Fitotecnia Servicios centrales Prod. Vegetal: Fitotecnia Prod. Vegetal: Fitotecnia Prod. Vegetal: Fitotecnia

Genética Viticultura Arboricultura Arboricultura Genética Genética Arboricultura Jardines Arboricultura Viticultura Viticultura

Prod. Vegetal: Arboricultura Fitotecnia

Persona responsable Jose Luis Ceresuela Fernando Gil-Albert Jose Luis Ceresuela Jose Luis Ceresuela Román Zurita Jose María Carrillo Vicente Sotés Casimiro García Fernando Gil-Albert Francisco Vázquez Francisco Vázquez Fernando Gil-Albert Román Zurita Fernando Gil-Albert Jose Ramón Lisarrague Jose Ramón Lisarrague Fernando Gil-Albert

Realmente no se trata de un riego por superficie, sino de un riego sin presión, particular de los campos de Prácticas. Consiste en acoplar una serie de tubos a la boca de riego e irlos separando de forma secuencial.

72

Trabajo Fin de Carrera

Nº Superficie Parcela (m2)

Red que la abastece

18

2.869

Principal

19

4.034

Secundaria

20

6.035

Secundaria

21

1.581

Canal Isabel II

22

974

Canal Isabel II

23

1.196

Canal Isabel II

24

1.161

Canal Isabel II

25

1.115

Canal Isabel II

26

2.215

Canal Isabel II

27

578

Canal Isabel II

28

1.436

Secundaria

29

2.812

Secundaria

30

2.008

Secundaria

31

1.991

Secundaria

32

4.534

Secundaria

33

3.280

Secundaria

34

1.100

Secundaria

35

785

Secundaria

36

2.128

Secundaria

37

233

Canal Isabel II

38

433

Canal Isabel II

39

1.175

Canal Isabel II

40

585

Canal Isabel II

41

418

Canal Isabel II

42

3.001

Canal Isabel II

Anexo I

Método de riego

Departamento que la usa

Actividad

Persona responsable

Prod. Vegetal: Fernando Arboricultura Fitotecnia Gil-Albert Prod. Vegetal: Jesús Aspersión Botánica Botánica Fernández Jesús Prod. Vegetal: Botánica Aspersión Fernández Botánica Jose Ramón Prod. Vegetal: Viticultura Goteo Lisarrague Fitotecnia Prod. Vegetal: Jose Ramón Goteo Viticultura Fitotecnia Lisarrague Prod. Vegetal: Jose Ramón Goteo Viticultura Fitotecnia Lisarrague Prod. Vegetal: Jose Ramón Goteo Viticultura Fitotecnia Lisarrague Prod. Vegetal: Jesús Goteo Botánica Botánica Fernández Prod. Vegetal: Jesús Goteo Botánica Botánica Fernández Prod. Vegetal: Jesús Goteo Botánica Botánica Fernández Casimiro Prod. Vegetal: Arboricultura Goteo García Fitotecnia Prod. Vegetal: Cultivos Jose María Aspersión Fitotecnia herbáceos Durán Prod. Vegetal: Cultivos Jose María Aspersión Fitotecnia herbáceos Durán Prod. Vegetal: Cultivos Jose María Aspersión Fitotecnia herbáceos Durán Prod. Vegetal: Cultivos Jose María Aspersión Fitotecnia herbáceos Durán Prod. Vegetal: Cultivos Jose María Aspersión Fitotecnia herbáceos Durán Prod. Vegetal: Cultivos Jose María Aspersión Fitotecnia herbáceos Durán Servicios Román Aspersión Jardines centrales Zurita Ingeniería Ensayos No previsto Rural maquinaria Román Servicios Jardines Aspersión Zurita centrales Servicios Román Goteo Jardines centrales Zurita Servicios Román Aspersión Jardines centrales Zurita Servicios Román Aspersión Jardines centrales Zurita Huerto Goteo Alumnos Alumnos ecológico Aspersión

Goteo

Varios

Invernaderos Invernaderos

Fuente: Dirección técnica de los Campos de Prácticas, Julio de 2006.

73

Trabajo Fin de Carrera

Anexo I

Puesto que muchas de las parcelas no están destinadas actualmente a ningún uso, los datos de la tabla puede que no se correspondan con el estado actual de los Campos de Prácticas.

Calendario de riegos para la campaña de 2006:

En la siguiente tabla se resume el calendario de riegos previsto por la dirección técnica de los Campos de Prácticas de la ETSI Agrónomos.

TABLA I.2. Calendario de riegos previsto para la campaña 2005-2006

Nº Parcela 2 4 5

Método de riego Superficie Goteo Aspersión

7

Goteo

Principal

8 9 11 13 17 18 18b 19 20 28 29 30 31 37 38 39 40 41

Goteo Goteo Aspersión Aspersión Superficie Aspersión Aspersión Aspersión Aspersión Goteo Aspersión Aspersión Aspersión Aspersión Goteo Aspersión Aspersión Goteo

Principal Principal Principal Principal Principal Principal Secundaria Secundaria Secundaria Secundaria Secundaria Secundaria Secundaria Canal Isabel II Canal Isabel II Canal Isabel II Canal Isabel II Canal Isabel II

Red de riego empleada

Días de riego

Principal Canal Isabel II Principal

Jueves (cada 15 días) Todos los días Martes y Viernes Lunes, Miércoles y Viernes Lunes y Jueves Lunes y Jueves Martes y Viernes Martes y Viernes Jueves (cada 15 días) Viernes Viernes Lunes y Jueves Lunes y Jueves Lunes y Jueves Miércoles Miércoles Miércoles Viernes Viernes Martes y Viernes Martes y Jueves Cada dos días

Duración del riego 2 horas 1 hora 1,5 horas 3 horas 4 horas 4 horas 2 horas 1,5 horas 4 horas 1,5 horas 1,5 horas 2,5 horas 2,5 horas 4 horas 4 horas 4 horas 4 horas 1,5 horas 3 horas 1,5 horas 1,5 horas 3 horas

Fuente: Dirección técnica de los Campos de Prácticas

Este calendario ha sufrido algunas modificaciones según se desarrollaba la campaña de riegos. Así, las parcelas 7, 8 y 9 se regaron finalmente con agua del Canal de Isabel II, y la sustitución de la bomba del pozo en el mes Junio supuso también reestructuraciones en el calendario. Por tanto se regaron empleando la estación principal de bombeo las parcelas 2, 5, 11, 13, 17 y 18. Y habitualmente las parcelas 5, 11, 13 se regaron a la vez.

74

Trabajo Fin de Carrera

Anexo I

La Figura I.1 muestra el calendario real de riegos. Aparecen resaltados los días en que la estación de bombeo fue utilizada. Se puede ver que la utilización media de la estación es de dos días a la semana.

L 1 8 15 22 29

L

M 2 9 16 23 30

M 1 7 8 14 15 21 22 28 29

MAYO X J V S D 3 4 5 6 7 10 11 12 13 14 17 18 19 20 21 24 25 26 27 28

JUNIO J V S D 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30

AGOSTO X J V S D 2 3 4 5 6 9 10 11 12 13 16 17 18 19 20 23 24 25 26 27 30 31

SEPTIEMBRE M X J V S 1 2 4 5 6 7 8 9 11 12 13 14 15 16 18 19 20 21 22 23 25 26 27 28 29 30

L

M X

L

D 3 10 17 24

JULIO J V

L

M X

S 1 3 4 5 6 7 8 10 11 12 13 14 15 17 18 19 20 21 22 24 25 26 27 28 29 31

L

OCTUBRE M X J V

D 2 9 16 23 30

S

D 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 Figura I.1. Calendario real de riegos desde la estación principal de bombeo Fuente: Datos recogidos por el ordenador de la Sala de Control de los Campos de Prácticas.

Los caudales medios de cada riego, agrupados por meses y días de la semana, son: TABLA I.3. Riegos efectuados en la campaña 2006

Mes MAYO

JUNIO

JULIO

AGOSTO

SEPTIEMBRE

Día Martes Miércoles Jueves Viernes Martes Miércoles Viernes Martes Miércoles Jueves Viernes Lunes Martes Miércoles Jueves Viernes Martes Miércoles Viernes

Caudal medio (m3/h) Duración media del riego 50 75 66 65 75 100 75 100 90 60 90 130 85 120 120 115 100 90 105

3 horas 5 horas y 30 minutos 3 horas y 30 minutos 2 horas y 45 minutos 3 horas 1 hora y 30 minutos 2 horas y 40 minutos 2 horas y 45 minutos 4 horas y 40 minutos 2 horas y 30 minutos 2 horas 2 horas 1 horas y 45 minutos 2 horas y 45 minutos 1 hora y 30 minutos 1 horas y 45 minutos 2 horas 1 horas y 45 minutos 2horas

Fuente: Datos recogidos por el ordenador de la Sala de Control de los Campos de Prácticas.

75

Trabajo Fin de Carrera

Anexo I

La información que reflejan la Figura I.1 y la Tabla I.3, se ha extraído de los datos registrados por el ordenador de la Sala de Control, que está comunicado con la estación de bombeo. Del análisis de dichos datos se desprende que el riego medio realizado desde la estación de tiene una duración aproximada de 2 horas y 30 minutos, con un caudal en torno a 90 m3/h. Y no es habitual realizar riegos de caudales menores de 40 m3/h ni mayores de 150 m3/h.

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Trabajo Fin de Carrera

Anexo II

ANEXO II. ESPECIFICACIONES TÉCNICAS DE LAS BOMBAS, CONVERTIDORES DE FRECUENCIA, Y DEPÓSITO HIDRONEUMÁTICO. En este anexo, se incluyen aclaraciones de conceptos relativos a los elementos de la estación de bombeo.

II.1. Bombas centrífugas. El funcionamiento de una bomba a un determinado régimen de giro, desde el punto de vista hidráulico, queda definido mediante sus curvas características H(Q), P(Q) y η(Q) (altura de elevación, potencia y rendimiento en función del caudal). Generalmente, cuando se habla de la curva característica de una bomba, se trata de la curva H(Q). En la Figura II.1 aparecen representadas las curvas características de una bomba centrífuga a régimen nominal. También, para explicar algunos de los conceptos que aparecen en la Tabla 2.2, se destacan algunos puntos representativos del funcionamiento de una bomba, como el rendimiento máximo, el caudal nominal, la altura de elevación nominal, el caudal máximo y la altura de elevación máxima. H; η ;P H max

η max H nominal

C

A B P

D H

η Q nominal

Q max

Figura II.1. Curvas características de una bomba y puntos singulares.

77

Q

Trabajo Fin de Carrera

Anexo II

En una bomba funcionando a régimen nominal, los valores de Q y H que hacen que el rendimiento alcance su valor máximo (punto A) son respectivamente el caudal y la altura de elevación nominales (coordenadas del punto B). La altura de elevación máxima, es el máximo de la curva H(Q) a régimen nominal (punto C). En las bombas de la estación de bombeo de los Campos de Prácticas, la altura de presión máxima se produce para caudal Q = 0, o muy próximo a este valor. El caudal máximo es el gasto máximo que puede impulsar una bomba a régimen nominal (punto D). El resto de conceptos de la Tabla 2.2, que a continuación se detallan, aparecen en la placa de características del motor eléctrico de las bombas. Tensión del motor: Se refiere a la tensión nominal del aparato, es decir la tensión prevista de alimentación del aparato y por la que se le designa. En caso de alimentación trifásica, la tensión nominal se refiere a la tensión entre fases (REBT, 2002). Potencia del motor: Se refiere a la potencia nominal del motor, es decir, la potencia mecánica disponible sobre su eje, expresada en vatios, kilovatios o megavatios. (REBT, 2002). El motor tomará de la red la potencia activa Pactiva =

Pno min al

η

, que es la que

miden los convertidores de frecuencia. De acuerdo con el fabricante (Grunfos, 2006), se considera un valor de rendimiento η = 0,9.

Intensidad motor. Se refiere a la intensidad nominal del motor, que se calcula I=

Pactiva 3 ⋅ U ⋅ cos ϕ

. El fabricante (Grunfos, 2006) considera un cosφ = 0,86.

Frecuencia del motor. Se refiere a la frecuencia de la corriente alterna que circula por la red a la que está conectado el motor. En España, esta frecuencia es de 50 Hz.

Velocidad nominal. Es la velocidad de giro del motor cuando la frecuencia es la nominal (50Hz). La velocidad de giro de un motor trifásico depende de sus características constructivas y de la frecuencia de la corriente.

78

Trabajo Fin de Carrera

Anexo II

II.2. Convertidores de frecuencia. Básicamente, un convertidor de frecuencia funciona convirtiendo la corriente alterna de tensión y frecuencia constantes de la red, en corriente continua, para luego convertirla en corriente alterna de tensión y frecuencia variables, con la que se alimenta el motor eléctrico de la bomba. Esto permite una regulación continua de la velocidad del motor. Las figuras II.2 a) y b) representan el funcionamiento de una bomba de velocidad fija y el de una bomba con convertidor de frecuencia. Si la bomba no dispone de convertidor de frecuencia, la curva característica de la bomba (línea azul) y la del sistema (línea roja), determinarán un único punto de funcionamiento. Sin embargo, el convertidor de frecuencia permite modificar la curva característica de la bomba, consiguiendo puntos de funcionamiento que se ajustan a la altura requerida para cada caudal, definida por la curva del sistema. H

H

Puntos de funcionamiento

Punto de funcionamiento

Q

Q

a) b) Figura II.2. Funcionamiento de una bomba centrífuga. (a) De velocidad fija (b) Con convertidor de frecuencia

II.3. Particularidades de la automatización de la estación de bombeo. De acuerdo con el Capítulo 2, las bombas funcionan, conforme el caudal aumenta, según la siguiente secuencia: Primero B3, después B1, luego B1+B2, y finalmente B1+B2+B3. Si el caudal disminuye, la secuencia es la inversa. El cambio de B3 a B1, lo realiza un autómata programable. La figura II.3 representa la forma en que se realiza el cambio.

79

Trabajo Fin de Carrera

Anexo II

H Cambio B1 a B3

H2 H (Q )

Cambio B3 a B1

H1

B3 fmax

B1 fmin

Q H(Q creciente)

H(Q decreciente)

Figura II.3. Altura de elevación al producirse los cambios de bomba B3 a B1 y B1 a B3.

Observando la línea azul de la figura, según aumenta el caudal, la bomba B3 mantiene la altura de elevación requerida por el sistema, hasta que se alcanza la frecuencia máxima, fijada por el usuario en los parámetros de configuración del convertidor de dicha bomba (ver parámetro 202 en la Tabla V.4 del Anexo V). A partir de ese momento, la altura de presión comienza a descender según la curva H(Q) a dicha frecuencia (B3 fmax). Y si desciende del valor H1 (valor que se introduce en el autómata mediante la pantalla táctil del cuadro de mandos (ver apartado 2.3.5)), se produce el cambio de B3 a B1. Sin embargo, la automatización instalada no permite el cambio de B1 a B3, a pesar de ser interesante, como se aprecia en la figura 4.17. Por ello, se propone añadir al autómata la posibilidad de realizar dicho cambio, de una forma similar al cambio de B3 a B1. De esta manera, conforme el caudal disminuya, la bomba B1 funcionaría manteniendo la altura requerida por el sistema, hasta alcanzar la frecuencia mínima, que debería fijar el usuario en el convertidor de frecuencia (parámetro 201 de la Tabla V.1 del Anexo V). A partir de ese punto, la altura de elevación describiría la curva H(Q) a dicha frecuencia (B1 fmin), y al alcanzarse la altura de presión H2 (a determinar en un parámetro del autómata), se produciría el cambio de B1 a B3. La línea roja de la figura representaría este proceso. Otra particularidad de la automatización se encuentra en el control de la presión. La programación de los convertidores no permite regular la presión según una curva del 80

Trabajo Fin de Carrera

Anexo II

sistema continua, sino que el convertidor maestro calcula una curva virtual discreta a partir de dos valores de presión, (la necesaria cuando funciona la bomba B1 a régimen máximo, y la necesaria cuando funcionan todas las bombas al máximo de revoluciones) entre los que interpola según el número de bombas en funcionamiento. De modo que la estación de bombeo funcionará de la siguiente forma: mantendrá una presión constante cuando sólo funcione la bomba pequeña (B3), otra cuando funcione sólo la bomba B1, otra cuando funcionen B1 y B2, y otra al funcionar todas a la vez. En la versión actual del software que incorporan los convertidores, el modo de funcionamiento Maestro-Esclavo ha sido concebido para que todas las bombas sean iguales. Puesto que en la estación se han instalado bombas de diferentes tamaños, de acuerdo con el Servicio Técnico de convertidores de frecuencia de Danfoss España, el sistema no funcionará exactamente de la forma descrita anteriormente, sino que la estación de bombeo mantendrá la misma presión constante al funcionar B1+B2 y al funcionar todas las bombas juntas. La Figura II.4 muestra este funcionamiento. H

B1+B2

B1+B2+B3

Ψsistema B1 B3

Q

Figura II.4. Control de la presión en la estación de bombeo.

II.4. Depósito hidroneumático. El calderín de los Campos de Prácticas tiene un volumen de 700 litros, una presión de precarga de 1,5 bares y una presión máxima de 10 bares. Por tanto a una presión de 1,5 bares, el aire del globo ocupa todo el volumen del depósito (700 litros). Se puede calcular el volumen ocupado por el aire en condiciones de trabajo, es decir, entre la presión mínima en la red igual a 2 bares y la máxima

81

Trabajo Fin de Carrera

Anexo II

proporcionada por las bombas, de 8 bares. Si se considera que el aire del depósito sufre una expansión politrópica, se cumple la siguiente expresión:

Po ⋅ V0n = P1 ⋅ V1n

(AII.1)

[n=1,5]

Puesto que P0=1,5 bar y V0=700 L y considerando n=1,5: Para P1=2 bar, aplicando la expresión (AII.1) se obtiene V1=441 L. Para P1´ = 8 bar, aplicando la expresión (AII.1) se obtiene V1´ = 251 L.

82

Anexo III

Trabajo Fin de Carrera

ANEXO III. DATOS OBTENIDOS EN LOS ENSAYOS DE LAS BOMBAS. FUNCIONAMIENTO HOMÓLOGO. III.1. Ensayos del bombeo en funcionamiento manual. Los ensayos 1 y 2 se realizaron siguiendo la metodología descrita en el apartado 3.3.2. Se ensayó por separado cada una de las tres bombas, haciéndolas funcionar con los respectivos convertidores en modo manual, lo que permite mantener fija la frecuencia de giro. Los valores tomados fueron los de presión alcanzada antes del filtro (p1) y después del filtro (p2) para diferentes demandas de caudal (Q,), junto con los de potencia absorbida (P). Según se dijo en el apartado 3.3.2, para la determinación de las curvas características, por conveniencia, se emplearon las alturas de presión h1 y h2 (m), siendo h = p/γ. TABLA III.1. Datos del Ensayo 1 de la estación de bombeo.

Bomba

f (Hz)

40

CR45-3 (B3)

50

40 CR90-3-2 (B1) 50

CR90-3-2 (B2)

40

p1 (bar) 2,29 4,04 4,93 5,08 4,86 3,65 1,74 2,78 6,01 6,86 7,11 7,3 7,8 3,3 4,5 4,92 5,21 2,68 3,94 6,78 7,2 7,61 8 2,81 3,85 4,48

83

p2 (bar) 2,23 4,02 4,92 5,08 4,86 3,63 1,67 2,73 5,98 6,88 7,1 7,32 7,83 3,25 4,48 4,89 5,2 2,63 3,92 6,77 7,22 7,61 8 2,73 3,8 4,48

Q (m3/h) 45,6 29,5 12,3 0 14,7 35 49,2 61,8 38,8 28,9 24,5 21,1 0 67,5 33 19 0 105,5 89,5 43 32,5 19,2 0 71,5 5 32,5

Anexo III

Trabajo Fin de Carrera

Bomba

f (Hz)

CR90-3-2 (B2)

50

p1 (bar) 3,15 5,35 6,77 6,93 7,62 7,81 8,03

p2 (bar) 3,07 5,31 6,77 6,94 7,63 7,83 8,03

Q (m3/h) 105 79 46 42,5 22,7 13,2 0

TABLA III.2. Datos del Ensayo 2 de la estación de bombeo.

Bomba

f (Hz)

40

CR45-3 (B3)

50

40

CR90-3-2 (B1)

50

40 CR90-3-2 (B2) 50

p1 (bar) 5,02 4,94 4,38 3,19 2,27 1,82 5,72 6,83 6,85 7,05 7,49 7,66 7,75 1,99 3 3,55 4,22 4,56 4,86 4,98 5,16 6,95 6,85 6,4 5,85 5,23 4,66 4,12 3,4 1,96 3,15 3,99 4,39 4,79 5,2 6,94 6,81 5,95 4,38

p2 (bar) 5,02 4,92 4,36 3,13 2,24 1,79 5,7 6,83 6,88 7,05 7,49 7,66 7,76 1,93 2,96 3,53 4,2 4,54 4,86 4,98 5,17 6,94 6,85 6,4 5,84 5,21 4,65 4,08 3,33 1,9 3,12 3,97 4,37 4,77 5,19 6,94 6,81 5,94 4,37

84

Q (m3/h) 0 11,3 25,3 38,5 47 48 40,5 29,1 28,5 25,1 16 12,6 0 84,9 73,2 63,7 41,3 31,2 20,8 12,8 0 39,5 42,7 57,9 71,7 82,2 88,9 94,8 103,7 85,7 70,5 49,7 35,3 24,8 0 41,3 45 69,8 92,9

P (kW) 2 3 4 5 5 5 10,6 9,2 9,2 8,5 7,6 6,9 5,4 9,55 9,4 9,1 8,15 7,25 6,8 6,3 5,9 14,7 14,9 16,3 17,1 17,7 18,1 18,5 18,6 9,55 9,3 8,6 7,7 6,9 5,9 14,6 14,8 17,1 18,5

Anexo III

Trabajo Fin de Carrera

III.2. Ensayos del bombeo en funcionamiento automático. En los ensayos 3,4 y 5, se programaron los convertidores de frecuencia para mantener unas presiones de consigna determinadas a la salida del filtro (Tabla III.3), y se ensayó dicha programación en modo de funcionamiento automático. Las variables a medir para las diferentes demandas de caudal fueron: la presión antes y después del filtro (P1 y P2, respectivamente), y la bomba o bombas en funcionamiento con sus respectivas frecuencias y potencias. TABLA III.3 Presiones de consiga fijadas en los ensayos 3,4 y 5:

Convertidor Maestro Ensayo Consigna 1 (bar) Consigna 2 (bar) 3 3,4 4 3,6 4,1 5 3,4 3,6

Convertidor de la bomba B3 (Ajuste 2)* Consigna 1(bar) 3,4 3,5 3,34

Mediante los datos obtenidos en el ensayo 5, se realizó la comprobación experimental de los resultados que proporciona el modelo de predicción del bombeo desarrollado en los apartados 4.4.2 y 4.4.3. Los ensayos 3 y 4 sirvieron evaluar el modelo en su fase de desarrollo y para familiarizarse con la programación y descubrir las particularidades de la misma. TABLA III.4. Datos del Ensayo 3 de la estación de bombeo.

Q (m3/h) 272 229 190 166 156 138 115 101 87 64,5 46 33 24

p1 (bar) 2,44 3,52 3,51 3,48 3,5 3,5 3,51 3,51 3,5 3,49 3,47 3,47 3,58

p2 (bar) 2,24 3,41 3,4 3,38 3,39 3,4 3,4 3,41 3,41 3,41 3,41 3,41 3,53

Bombas B1+B2+B3 B1+B2+B3 B1+B2+B3 B1+B2+B3 B1+B2+B3 B1+B2+B3 B1+B2+B3 B1+B2 B1+B2 B1 B1 B1 B1

*

f(Hz) 50 49,1 43,65 40,7 39,7 38,3 36,8 38,1 37 40,4 37,3 35,5 35

PB1(kW) 18,8 17,9 12,1 9,6 8,8 7,7 6,6 7,6 6,7 9,4 7 5,45 4,9

PB2(kW) 18,8 17,9 12,1 9,6 8,8 7,7 6,6 7,6 6,7 0 0 0 0

PB3(kW) 5,8 5,6 5,6 5,6 5,2 4,75 4,75 0 0 0 0 0 0

El convertidor de la bomba B3 tiene dos ajustes: el primero para el funcionamiento como esclavo del convertidor maestro, y el segundo para el caso en que sólo funciona esta bomba B3.

85

Anexo III

Trabajo Fin de Carrera TABLA III.5. Datos del Ensayo 4 de la estación de bombeo.

Q (m3/h) 14 16 20 28 33 34,5 40 43 57 65 70 50 71 81 61 75 78 85,5 96 106 120 139 175 191 213 234 250 277 244 214 158 120 103 94 87 78 69 57 44 31 28 21 17 16

p1 (bar) 3,55 3,55 3,55 3,56 3,56 3,57 3,58 3,38 3,69 3,7 3,71 3,69 3,72 3,74 3,71 3,73 3,73 3,74 3,75 3,76 3,78 3,77 3,82 3,83 3,84 3,85 3,87 2,8 3,85 3,85 3,78 3,76 3,76 3,78 3,76 3,76 3,76 3,75 3,72 3,7 3,7 3,7 3,7 3,69

p2 (bar) 3,51 3,53 3,52 3,52 3,53 3,53 3,52 3,3 3,63 3,63 3,63 3,63 3,63 3,63 3,63 3,63 3,63 3,635 3,63 3,63 3,63 3,63 3,63 3,63 3,63 3,63 3,63 2,56 3,63 3,63 3,63 3,63 3,63 3,63 3,63 3,63 3,63 3,63 3,63 3,63 3,63 3,63 3,63 3,63

Bombas B3 B3 B3 B3 B3 B3 B3 B3 B1 B1 B1 B1 B1 B1+B2 B1+B2 B1+B2 B1+B2 B1+B2 B1+B2 B1+B2 B1+B2+B3 B1+B2+B3 B1+B2+B3 B1+B2+B3 B1+B2+B3 B1+B2+B3 B1+B2+B3 B1+B2+B3 B1+B2+B3 B1+B2+B3 B1+B2+B3 B1+B2+B3 B1+B2+B3 B1+B2+B3 B1+B2+B3 B1+B2+B3 B1+B2 B1 B1 B1 B1 B1 B1 B1

86

f(Hz) 34,3 34,6 35,5 37,6 39,35 40 42,4 42,6 39,5 41 42,6 38,6 42,7 37,5 40,6 37 37,2 37,7 38,5 39,2 38,3 39,6 42,3 43,9 46 48,4 50 50 50 46,1 41 38,4 37,45 37,1 36,6 36,1 36,7 39,9 37,9 36,2 35,8 35,2 34,6 34,4

PB1(kW) 0 0 0 0 0 0 0 0 8,6 9,75 11,1 7,8 11,2 6,7 9,5 6,3 6,5 7 7,65 8,3 7,5 8,6 10,7 12,1 14,3 17,1 18,5 18,7 18,6 14,3 9,7 7,6 6,7 6,3 5,8 5,6 6 8,8 7,1 5,5 5,3 4,8 4,4 4,2

PB2(kW) 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 6,7 0 6,3 6,5 7 7,65 8,3 7,5 8,6 10,7 12,1 14,3 17,1 18,5 18,7 18,6 14,3 9,7 7,6 6,7 6,3 5,8 5,6 6 0 0 0 0 0 0 0

PB3(kW) 2,65 2,8 3,3 4,3 5,1 5,5 6,6 6,8 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 4,5 5,1 6,3 7,3 8,6 10,1 11 11,1 11,2 8,6 5,8 4,5 4,1 3,9 3,6 3,2 0 0 0 0 0 0 0 0

Anexo III

Trabajo Fin de Carrera TABLA III.6. Datos del Ensayo 5 de la estación de bombeo.

Q (m3/h) 23 26 32 38 43 50 61 68 71 80 91 102 119 134 145 164 180 195 230 249 250 281 225 164 132 110 78 59 40 35 30 24

p1 (bar) 3,39 3,39 3,39 3,39 3,39 3,45 3,45 3,44 3,45 3,45 3,66 3,66 3,66 3,67 3,68 3,71 3,76 3,76 3,79 3,83 3,78 2,72 3,87 3,88 3,84 3,86 3,84 3,63 3,61 3,62 3,61 3,72

p2 (bar) 3,36 3,35 3,35 3,36 3,35 3,41 3,41 3,42 3,41 3,41 3,61 3,62 3,61 3,62 3,61 3,61 3,62 3,62 3,61 3,61 3,55 2,45 3,63 3,63 3,61 3,61 3,61 3,41 3,4 3,41 3,41 3,51

Bombas B3 B3 B3 B3 B3 B1 B1 B1 B1 B1 B1+B2 B1+B2 B1+B2 B1+B2 B1+B2+B3 B1+B2+B3 B1+B2+B3 B1+B2+B3 B1+B2+B3 B1+B2+B3 B1+B2+B3 B1+B2+B3 B1+B2+B3 B1+B2+B3 B1+B2+B3 B1+B2 B1+B2 B1 B1 B1 B1 B1

f(Hz) 34,8 35,8 38,5 40,4 42,8 37,2 39,4 40,9 42 43,8 37,7 38,5 39,7 41,5 39,4 40,95 42,7 44,1 47,5 50 50 50 47,6 41,7 39,4 39,9 37,6 39,5 36,95 36,3 35,8 35,5

PB1(kW) 0 0 0 0 0 7,14 8,76 9,93 10,8 12,4 7,2 7,78 8,81 10,2 8,5 9,74 11,1 12,4 15,7 18,6 18,8 18,8 15,9 10,2 8,25 8,7 6,6 8,66 6,55 5,87 5,5 5,06

PB2(kW) 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 7,25 7,86 8,85 10,2 8,5 9,82 11,3 12,5 15,8 18,6 18,7 18,7 16 10,2 8,28 8,75 6,65 0 0 0 0 0

PB3(kW) 3,19 3,68 4,86 5,75 6,93 0 0 0 0 0 0 0 0 0 5,07 5,8 6,75 7,5 9,5 11,1 11,4 11,3 9,6 6,2 4,99 0 0 0 0 0 0 0

III.3. Puntos de funcionamiento homólogo y pérdidas de carga en el filtro. De acuerdo con el apartado 3.3.3, para obtener las curvas características de las bombas a régimen nominal después del filtro, es necesario referir todos los puntos a dicho régimen e introducir las pérdidas de carga en el filtro. Para ello, en las tablas anteriores se han seleccionado, los puntos de funcionamiento con frecuencias menores que la nominal para cada bomba sólo cuando trabajan individualmente. Después, se han aplicado las leyes de semejanza cinemática [Ecuaciones (3.9)] para obtener el caudal, 87

Anexo III

Trabajo Fin de Carrera

altura de elevación y potencia a régimen nominal. Finalmente se ha determinado la altura de elevación después del filtro h2, restando a h1 las pérdidas de carga del filtro. El resultado aparece en las Tablas III.7 (a) y III.7 (b). TABLA III.7.

Puntos de funcionamiento homólogo y efecto del filtro. a)Modelo CR90-3-2, b) Modelo CR45-3

(a)

(b)

MODELO CR90-3-2

MODELO CR45-3

Q (m /h) h1 (m) P (kW) h2=h1-K·Q (m) 0 82,36 11,52 82,36 0 83,00 11,52 83,00 16,00 79,49 12,30 79,48 23,26 79,64 12,90 79,61 24,57 78,93 13,28 78,90 26,00 77,57 13,28 77,54 29,83 76,26 13,76 76,22 31,00 76,46 13,48 76,41 33,80 75,39 14,14 75,33 34,29 74,64 14,29 74,58 39,00 72,79 14,16 72,72 41,90 71,94 14,98 71,86 42,82 72,11 14,49 72,03 44,13 70,07 15,04 69,98 46,48 70,32 15,23 70,22 48,21 70,16 15,34 70,06 51,63 67,36 15,92 67,24 54,13 67,53 16,23 67,40 58,05 66,14 16,30 65,99 61,66 63,70 16,86 63,52 62,13 63,69 16,80 63,51 64,77 63,25 16,95 63,06 67,20 63,67 17,34 63,47 71,43 60,16 17,32 59,93 72,15 60,40 17,44 60,16 74,68 59,42 17,56 59,17 77,41 56,76 17,90 56,49 79,27 56,21 17,68 55,93 79,63 56,66 17,77 56,38 82,16 52,21 17,95 51,91 83,14 52,11 17,98 51,79 84,52 49,95 18,22 49,63 88,13 50,28 18,16 49,93 91,32 45,93 18,45 45,55 91,50 47,89 18,36 47,51 106,13 31,76 18,65 31,26 107,13 31,29 18,65 30,77 115,00 22,98 18,55 22,39 116,88 19,31 18,55 18,70 123,13 7,98 18,16 7,30 3

2

Q (m /h) h1 (m) P (kW) h2=h1-K·Q2 (m) 0 80,13 3,91 80,13 14,13 78,85 5,86 78,84 20,41 77,06 8,21 77,04 23,12 75,73 8,45 75,71 28,17 71,94 9,22 71,90 31,63 69,91 7,81 69,87 33,05 71,49 9,46 71,44 36,31 67,55 10,03 67,49 37,23 64,31 10,11 64,25 41,56 58,41 10,65 58,33 41,93 58,72 10,46 58,64 43,13 56,98 10,74 56,90 47,03 53,04 10,90 52,94 47,17 50,86 10,82 50,76 48,13 50,92 9,77 50,81 50,23 47,26 11,05 47,15 50,47 47,57 10,99 47,45 58,75 36,23 9,77 36,08 60,00 29,05 9,77 28,89 63,75 22,67 9,77 22,48 68,75 9,58 10,84 9,36 3

88

Trabajo Fin de Carrera

Anexo IV

ANEXO IV. ESTRUCTURA DE LAS HOJAS DE CÁLCULO

En el CD adjunto, se encuentran las hojas de cálculo TFC_01.xls, TFC_02.xls y TFC_03.xls, empleadas en la modelación de la red de riego y del bombeo. La estructura de dichas hojas se expone a continuación.

IV.1. Modelación de la red de riego. TFC_01.xls. En este archivo se recogen los datos de las redes de riego principal y secundaria de los Campos de Prácticas. La numeración de las bocas de riego y las parcelas a las que abastecen se corresponde con la del Plano 1 (Anexo VI).

Mediante el empleo de esta hoja de cálculo, se obtiene el caudal y la altura de presión necesaria en la cabecera de la red para diferentes situaciones de riego. La columna V de la hoja “Red Existente” representa el estado (1 = abierto / 0 = cerrado) de las bocas de riego. Las situaciones de riego pueden definirse manualmente (introduciendo 1 ó 0 en la celda correspondiente), o de forma automática (pulsando Ctrl+s). En este último caso, se realizan 200 sorteos aleatorios de bocas, haciendo variar la simultaneidad de uso de la red desde 0 (todas las bocas cerradas) hasta 1 (todas las bocas abiertas). El resultado de la simulación y la representación gráfica de los pares de valores (Q, H) obtenidos aparece en la hoja “Simulaciones”.

IV.2. Modelación del bombeo controlando la presión según la curva del sistema. TFC_02.xls. Esta hoja de cálculo permite determinar las frecuencias de cambio, entre las distintas combinaciones de bombas, que suponen un consumo de energía mínimo, regulando la presión según la curva del sistema.

89

Trabajo Fin de Carrera

Anexo IV

Los datos necesarios son: las curvas características H(Q) y η(Q) de los dos modelos de bomba de la estación (CR45-3 y CR90-3-2) y la curva del sistema. Las frecuencias de cambio entre las combinaciones de bombas B3 a B1 y B1 a B1+B2 se determinan automáticamente tras introducir los valores arriba mencionados. Para determinar la frecuencia de cambio de B1+B2 a B1+B2+B3 es necesario emplear la herramienta Solver©. La celda a optimizar y los condicionantes están definidos, por lo que simplemente habrá que pulsar Resolver, y una vez se haya encontrado la solución pulsar Aceptar.

Para resolver el cambio de una combinación de bombas A a otra bomba B, la hoja de cálculo emplea el siguiente desarrollo matemático:

Datos de partida: La curva del sistema: H Re q = c0 + c2 ⋅ Q 2 Las curvas características H(Q) y η(Q) de las dos combinaciones de bombas: H A = a A1 ⋅ N A2 + a A1 ⋅ N A1 ⋅ Q A + a A2 ⋅ Q A2 H B = a B1 ⋅ N B2 + a B1 ⋅ N B1 ⋅ QB + a B 2 ⋅ QB2

η A = bA1 ⋅

QA Q2 + b A 2 ⋅ A2 NA NA

η B = bB1 ⋅

Q2 QB + bB 2 ⋅ B2 NB NB

η A = ηB

En el punto de cambio se debe cumplir:

Q A = QB = Q H A = H B = H Re q

Igualando η A y η B se obtiene: Q2 Q Q2 QA Q A2 QB QB2 QA =QB =Q Q + b A 2 ⋅ 2 = bB1 ⋅ + bB 2 ⋅ 2 ⎯⎯ ⎯⎯→ b A1 ⋅ + b A2 ⋅ 2 = bB1 ⋅ + bB 2 ⋅ 2 b A1 ⋅ NA NA NB NB NA NA NB NB

Y despejando Q resulta:

90

Trabajo Fin de Carrera

Anexo IV

bB1 b A1 − NB NA Q= b A 2 bB 2 − N A2 N B2

Por tanto se tiene Q en función de NA y NB. La hoja de cálculo, partiendo de unos valores iniciales de NA y NB realiza sucesivas iteraciones hasta conseguir que HA(Q) y HB(Q) sean iguales a HReq. Los valores resultantes de NA y NB serán los regímenes de giro de cambio buscados. Con esta metodología se resuelven los cambios de la bomba B3 a la B1, y de B1 a B1+B2, introduciendo las curvas H(Q) y η(Q) de la bomba o combinación de bombas correspondiente.

Sin embargo, para el cambio B1+B2 a B1+B2+B3, la metodología para determinar las frecuencias de cambio es diferente, puesto que no se han determinado las ecuaciones de las curvas H(Q) y η(Q) de la combinación B1+B2+B3.

La potencia consumida por la combinación B1+B2+B3 se puede obtener como suma de las potencias consumidas por las combinaciones B1+B2 y B3 tras el cambio: PB1+ B2+ B3 = PB1+ B2 + PB3 ⇒ γ ⋅ H req ⋅

QB1+ B2+ B3

η B1+ B2+ B3

⎛Q Q ⎞ = γ ⋅ H req ⋅ ⎜⎜ B1+ B2 + B 3 ⎟⎟ ⎝ η B1+ B2 η B 3 ⎠

Despejando, el rendimiento de la combinación B1+B2+B3 es:

η B1+ B2+ B3 =

QB1+ B2+ B3 QB1+ B2 QB3 +

η B1+ B2

η B3

=

QB1+ B2 + QB3 QB1+ B2 QB3 +

η B1+ B2

η B3

La herramienta Solver© determina el valor máximo de este rendimiento, variando las celdas correspondientes a los regímenes de giro de la combinación B1+B2 antes y después del cambio con las condiciones que deben cumplirse en el momento del cambio: - PB1+ B2 (en el instante antes del cambio) = PB1+ B2 + PB3 (en el instante después del cambio).

91

Trabajo Fin de Carrera

Anexo IV

- QB1+ B2 (en el instante antes del cambio) = QB1+ B2 + QB3 (en el instante después del cambio). -En el funcionamiento maestro/esclavo todas las bombas giran al mismo régimen de revoluciones. NB1+B2 (después del cambio) = NB3 (después del cambio) Los valores resultantes de NB1+B2 (antes del cambio) y NB1+B2 (después del cambio) serán los regímenes de giro de cambio buscados.

IV.3. Modelación del bombeo controlando la presión según el número de bombas en funcionamiento. TFC_03.xls. El empleo de esta hoja de cálculo permite determinar las frecuencias de cambio, entre las distintas combinaciones de bombas, que suponen un consumo de energía mínimo, regulando la presión según el número de bombas en funcionamiento. Los datos necesarios son: las curvas características H(Q) y η(Q) de los dos modelos de bomba de la estación (CR45-3 y CR90-3-2) y las alturas de presión constantes a las que elevará el caudal cada una de las combinaciones de bombas. En este caso, se recurre a la herramienta Solver© para resolver todos los cambios de combinaciones de bombas.

Para resolver el cambio de una combinación de bombas A a otra bomba B, la hoja de cálculo emplea el siguiente desarrollo matemático:

Los datos de partida en este caso son: La altura de presión constante a la que cada una de las bombas que intervienen en el cambio elevan el caudal HA y HB. Las curvas características H(Q) y η(Q) de las dos bombas:

H A = a A1 ⋅ N A2 + a A1 ⋅ N A1 ⋅ Q A + a A2 ⋅ Q A2 H B = a B1 ⋅ N B2 + a B1 ⋅ N B1 ⋅ QB + a B 2 ⋅ QB2

η A = bA1 ⋅

QA Q2 + bA 2 ⋅ A2 NA NA

92

Trabajo Fin de Carrera

Anexo IV

QB QB2 η B = bB1 ⋅ + bB 2 ⋅ 2 NB NB Puesto que HA y HB son datos conocidos, despejando QA y QB, resulta:

QA =

QB =

(

)

(

)

− a A1 ⋅ N A1 − a A21 ⋅ N A2 − 4a A2 a A0 ⋅ N A2 − H A 2a A 2

− a B1 ⋅ N B1 − a B21 ⋅ N B2 − 4a B 2 a B 0 ⋅ N B2 − H B 2a B 2

Mediante la herramienta Solver© de la hoja de cálculo, se maximiza el caudal QA variando NA y NB, con las condiciones de que QA sea igual a QB, y que la potencia consumida por la bomba A sea igual a la consumida por la bomba B, PA = PB. Con esta metodología se resuelven los cambios de la bomba B3 a la B1, y de B1 a B1+B2, introduciendo las curvas H(Q) y η(Q) de la bomba o combinación de bombas correspondiente.

El cambio entre las combinaciones B1+B2 y B1+B2+B3 se resuelve de forma similar a la desarrollada en el apartado anterior.

93

Trabajo Fin de Carrera

Anexo V

ANEXO V. PARÁMETROS BÁSICOS PARA LA PROGRAMACIÓN DE LOS CONVERTIDORES DE FRECUENCIA. VALORES PROPUESTOS.

A la hora de programar los convertidores se ha seguido el proceso descrito en el manual de funcionamiento de los mismos (Danfoss, 2006). En las Tablas V.1 a V.4, figuran los valores de los parámetros propuestos para la programación de la automatización de la estación de bombeo. Actualmente, la estación funciona de acuerdo a esa programación. La programación propuesta provoca una respuesta relativamente lenta ante desviaciones de la presión respecto al valor de consigna. Con ello se consigue que los cambios de una bomba a otra se produzcan de una forma suave, y se evitan oscilaciones bruscas en el régimen de giro de las bombas. Esta respuesta lenta, puede provocar que al abrir una boca de riego, el tiempo hasta alcanzar la presión deseada dure unas decenas de segundos. Pero dadas las características del riego en los Campos de Prácticas, resulta irrelevante una ligera falta de presión durante ese tiempo.

Cabe destacar que el convertidor de la bomba B3 dispone de dos ajustes distintos: uno para el caso en que solamente funciona dicha bomba y otro para el funcionamiento como esclavo del convertidor maestro. El cambio de un ajuste al otro se realiza mediante un autómata programable (ver Anexo III).

TABLA V.1. Programación propuesta para el convertidor de frecuencia Maestro.

Parámetro 002 100 102 103 104 105 106 201 202 206 207

Descripción Ajuste activo Configuración Potencia motor Tensión motor Frecuencia motor Intensidad motor Régimen nominal motor Frecuencia mínima Frecuencia máxima Tiempo rampa aceleración Tiempo rampa deceleración

94

Unidades

Ajuste propuesto

kW V Hz A rpm Hz Hz s s

Ajuste múltiple Lazo cerrado 18,5 380 50 36 2930 30 50 3 42

Trabajo Fin de Carrera

Parámetro

Anexo V

Descripción

413 414 415 723

Realimentación mínima Realimentación máxima Unidades de bucle cerrado Modo de funcionamiento

712

Combinación de bombas

714 715 417 418 419

Retardo desactivación Retardo activación Función de realimentación Valor consigna 1 Valor consigna 2 Frecuencias activación por etapas M/S Frecuencias desactivación por etapas M/S Control PID Frecuencia arranque PID Ganancia proporcional de PID Tiempo de integral de PID Tiempo cero activo Función tras tiempo cero activo

739 740 420 422 423 424 317 318

Unidades

Ajuste propuesto

bar bar

0 10 bar Maestro/Esclavo (M/S) R6,R7@100% (dos esclavos) 10 10 Curva control virtual 3 3,15 [1] 42,8 [2] 39,5 [1] 34,13 [2] 35,09 Normal 38 1,5 12 10 Paro

s s bar bar Hz Hz Hz s s

TABLA V.2. Programación propuesta para el convertidor de frecuencia de la bomba B2.

Parámetro 002 100 102 103 104 105 106 201 202 206 207 415

Descripción

Unidades

Ajuste activo Configuración Potencia motor Tensión motor Frecuencia motor Intensidad motor Régimen nominal motor Frecuencia mínima Frecuencia máxima Tiempo rampa aceleración Tiempo rampa deceleración Unidades de bucle cerrado

kW V Hz A rpm Hz Hz s s

95

Ajuste propuesto Ajuste 1 Lazo abierto 18,5 380 50 36 2930 30 50 3 42 bar

Trabajo Fin de Carrera

Anexo V

TABLA V.3. Programación propuesta para el convertidor de frecuencia de la bomba B3. Ajuste 1

Parámetro 002 100 102 103 104 105 106 201 202 206 207 415

Descripción

Unidades

Ajuste activo Configuración Potencia motor Tensión motor Frecuencia motor Intensidad motor Régimen nominal motor Frecuencia mínima Frecuencia máxima Tiempo rampa aceleración Tiempo rampa deceleración Unidades de bucle cerrado

kW V Hz A rpm Hz Hz s s

Ajuste propuesto Ajuste 1 Lazo abierto 11 380 50 21,5 2930 30 50 3 42 bar

TABLA V.4. Programación propuesta para el convertidor de frecuencia de la bomba B3. Ajuste 2

Parámetro 002 100 102 103 104 105 106 201 202 206 207 413 414 415 417 418 420 422 423 424 317 318

Descripción

Unidades

Ajuste activo Configuración Potencia motor Tensión motor Frecuencia motor Intensidad motor Régimen nominal motor Frecuencia mínima Frecuencia máxima Tiempo rampa aceleración Tiempo rampa deceleración Realimentación mínima Realimentación máxima Unidades de bucle cerrado Función de realimentación Valor consigna 1 Control PID Frecuencia arranque PID Ganancia proporcional de PID Tiempo de integral de PID Tiempo cero activo Función tras tiempo cero activo

kW V Hz A rpm Hz Hz s s bar bar

bar Hz s s

Ajuste propuesto Ajuste 2 Lazo cerrado 11 380 50 21,5 2930 30 38,9 3 42 0 10 bar Máxima 2,95 Normal 35 1,5 12 7 Paro

Y en la pantalla táctil del cuadro de mandos, hay que fijar la presión de cambio de B3 a B1. Se propone una presión de 2,9 bar.

96

Trabajo Fin de Carrera

Anexo VI

ANEXO VI. PLANOS

1. Campos de Prácticas. Parcelas y redes de riego

2. Estación de bombeo (PLANTA)

3. Estación de bombeo (ALZADO)

4. Estación de bombeo (PERFIL)

97