Diseño de una Estación de Aforo Continua para el Canal de
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1. CAUDAL m s FIGURA 1 RELACI N ALTURA DE CARGA CAUDAL Medici n de caudales Con base en el principio del flujo cr tico se han desarrollado varias estructuras para la medici n de caudales En tales estructuras a menudo la profundidad cr tica se crea mediante la construcci n de una peque a elevaci n en el fondo del canal tal como un vertedero o mediante una contracci n en la secci n transversal tal como en un aforador de flujo cr tico La experiencia ha demostrado que el m todo m s adecuado para cada caso depende de tres factores importantes e La magnitud del caudal e Laprecisi n buscada e Las condiciones que impone el medio 2 4 Clasificaci n de las Estructuras de Aforo El flujo en estructuras de medici n de caudales puede ser Por desbordamiento e Vertederos de pared delgada Rectangular triangular Cipolletti e Vertederos de pared ancha Aforadores RBC e Por compuertas de fondo orificios Por contracci n e Medidores a r gimen cr tico Aforador Parshall aforador sin cuello aforador en H aforador de garganta larga FIGURA 2 AFORADOR PARSHALL EN LA PLANTA DE TRATAMIENTO DE EFLUENTES DE REE CAP TULO 3 f 3 DISE O DE LA ESTACI N DE AFORO 3 1 Selecci n del Punto de Aforo y del Tipo de Estructura Despu s de analizar algunas alternativas de posibles puntos de aforo a lo largo del canal se escoge un punto situado en el primer tramo del2. en tiempo real y acumulado del caudal de efluentes tratados vertidos mediante el empleo de una estaci n de aforo de caudales Para ello a este trabajo se lo ha dividido en varios cap tulos CAP TULO 1 1 LA REFINERIA ESTATAL DE ESMERALDAS 1 1 Antecedentes La Refiner a Estatal de Esmeraldas REE se encuentra a 7 Km de la ciudad en direcci n suroeste junto a la v a que conduce al cant n Atacames Las instalaciones se encuentran a 300 metros del R o Teaone a 3 kil metros del R o Esmeraldas y a 3 8 kil metros del Oc ano Pac fico en l nea recta El sitio se encuentra en una regi n tropical con un promedio anual de precipitaci n de 750 mm el rango de temperatura promedio es de 16 5 C a 36 C Para la refinaci n del petr leo la planta industrial emplea una serie de procesos altamente tecnol gicos y por consiguiente un consumo del recurso h drico en grandes cantidades Las instalaciones de la REE permiten reutilizar una fracci n del agua el resto se descarga como efluente Previa a este vertido el agua se procesa en la planta de tratamiento de efluentes 1 2 Necesidad de medici n del caudal de efluentes La contaminaci n entendida como degradaci n del medio ambiente es uno de los problemas ambientales m s importantes que afectan a nuestro planeta y surge cuando por presencia cuantitativa o cualitativa de materia o energ a se produce un desequilibrio ambiental 3 La Refiner a Estatal de Esmeraldas trata
3. en donde un observador no siempre este disponible 4 2 Clasificaci n de los Equipos de Medici n Contin a de Caudales Estos equipos pueden ser clasificados en dos grupos seg n sea la forma que registren o almacenen la informaci n El registro puede ser e Anal gico proveen como resultado una grafica e Digital perforando una cinta de papel almacenando en una memoria o transmitiendo los valores FIGURA 7 UNIDAD PROGRAMABLE A BATERIA OPERANDO EN UNA ESTACION DE AFORO CONCLUSIONES Se ha logrado realizar un inventario de los aforadores m s conocidos comparar las ventajas y desventajas de estos e identificar el m s adecuado para su utilizaci n en el rea de aplicaci n Se consigui calibrar matem ticamente el aforador dise ado con ayuda del programa Winflume versi n 1 05 Se ha elaborado una tabla de valores de caudal Q vs altura de carga H para la obra de medici n Aunque la totalidad de la teor a empleada en este proyecto corresponde a la hidr ulica de medici n en canales abiertos utilizada en los sistemas de irrigaci n su aplicaci n en el campo de la medici n de caudales de efluentes industriales es totalmente v lida ya que los principios f sicos son los mismos aunque las aplicaciones sean diferentes 10 e La medici n del caudal de efluentes de REE permitir hacer una evaluaci n constante respecto a la eficiencia con que se maneja el recurso h drico no tanto por el costo del tratamie
4. Dise o de una Estaci n de Aforo Continua para el Canal de Descarga de Efluentes Tratados de la Refiner a Estatal de Esmeraldas Fernando Guti rrez Lara Marco Pazmi o Barreno Ingeniero Mec nico 2005 email IgutierrGespol edu ec Director de Tesis Ingeniero Mec nico Escuela Superior Polit cnica del Litoral 1971 Postgrado EEUU Universidad New Hampshire 1974 Profesor de ESPOL desde 1974 Email mpazmino Oespol edu ec RESUMEN Este trabajo pretende ser un aporte principal en el tema del control de la contaminaci n de los cauces superficiales de agua a trav s de la medici n del volumen de efluentes industriales vertidos hacia los r os espec ficamente los efluentes que la Refiner a Estatal de Esmeraldas REE descarga hacia el r o Teaone El trabajo se lo ha divido en varias partes involucrando el conocimiento previo de la planta industrial y los antecedentes que propiciaron la generaci n del proyecto La idea consiste en implementar a futuro una estaci n de aforo continua en el canal abierto que conduce los efluentes tratados de REE con el prop sito de determinar en tiempo real el caudal que se esta vertiendo hacia el r o as como tambi n llevar un registro acumulado del mismo Para esto se deber dise ar una instalaci n hidr ulica que se ajuste a las condiciones del canal existente Adem s se deber seleccionar un equipo totalizador de caudales que facilite la lectura de datos Para cumplir este objeti
5. S FIGURA 4 REVISION DEL DISE O CON WINFLUME FIGURA 5 CONSTRUCCI N EN MARCHA DE UN VERTEDERO DE CRESTA ANCHA TRAPEZOIDAL EN EL ESTADO DE ARIZONA EEEUU CAP TULO 4 4 EL DISPOSITIVO SECUNDARIO SENSOR DE NIVEL 4 1 Caracter sticas Durante d cadas el m todo com n para el registro constante de los cambios de nivel de agua en un canal abierto era el empleo del limn grafo que consiste de un flotador cuyo ascenso y descenso en una poza de amortiguaci n se registraba en un diagrama movido por un aparato de relojer a La desventaja era la sensibilidad a errores accidentales y a un mal funcionamiento Afortunadamente la tecnolog a moderna ha mejorado considerablemente en lo que se refiere a la recopilaci n y el procesamiento de datos Por ejemplo los detectores no flotantes del nivel se pueden basar en la resistencia capacidad el ctrica en la presi n sobre un bulbo herm ticamente cerrado en la descarga de burbujas de aire o en transductores ultras nicos Las ventajas que presenta un equipo con capacidad para llevar un registro de valores sobre uno que no tiene esta capacidad son e En estructuras de aforo expuestas a fluctuaciones diarias del caudal un continuo registro del caudal permite la manera m s precisa de determinar un promedio diario de la descarga e Caudales m ximos y m nimos pueden ser registrados la duraci n y el instante en que ocurren e Registros pueden ser obtenidos de estaciones de aforo
6. TITUTO DE RECURSOS NATURALES INTENDENCIA DE RECURSOS HIDRICOS DE LOS EUA WinFlume Manual del usuario Software para el Dise o y Calibraci n de Aforadores de Garganta Larga y Vertederos de Cresta Ancha para Medici n de Descargas en Canales Abiertos traducci n al espa ol 2001 http www usbr gov wrrl winflume
7. audales bajos esta forma de secci n presenta el inconveniente de una construcci n m s complicada por la forma de la secci n de transici n que se forma En cambio en una secci n rectangular el dimensionamiento y construcci n de la obra es mucho m s sencilla que otro de cualquier forma El an lisis de los criterios anteriormente mencionados llevan a la selecci n de una estructura de aforo del tipo vertedero de pared ancha con una secci n de control rectangular FIGURA 3 TRAMO DEL CANAL CON SECCI N TRAPEZOIDAL QUE FUE SELECCIONADO 3 3 Dise o de la estructura con Winflume Con ayuda del programa de computaci n de libre acceso Winflume Versi n 1 05 se realiza el dise o del tipo de vertedero que se ha seleccionado para la implantaci n en el canal existente El WinFlume es un programa que sirve para 2 objetivos b sicos 1 La calibraci n de la estructura de medida del flujo existente 2 El dise o de nuevas estructuras en un canal existente Consideraciones geom tricas e hidr ulicas para el dise o con Winflume 1 Condiciones existentes en el canal Rango de caudales Influencia de alguna estructura de control corriente arriba Numero de Froude uniforme Pendiente de solera y secci n transversal del canal Material y rugosidad de paredes del canal coeficiente de Manning 2 Condiciones recomendadas para el punto de aforo Las Estructuras Canal Arriba Bordo libre del canal Freeboard requerido en condici
8. canal Esta parte del canal tiene una secci n transversal trapezoidal con paredes recubiertas de hormig n y una pendiente poco pronunciada entre otras ventajas que influyeron para su selecci n La selecci n del tipo de estructura de aforo a emplearse no fue tan sencilla debido a que no se pudo definir f cilmente entre los aforadores de cresta ancha y los aforadores de garganta larga con solera constante Es decir que como ambas estructuras mencionadas presentaban similares ventajas se tuvo que recurrir a otros par metros de diferenciaci n m s claros La selecci n final fue hecha en base a los siguientes argumentos Aunque el aforador de garganta larga con solera constante presenta la ventaja de que no opone ninguna restricci n al arrastre de s lidos es decir necesita menos mantenimiento sin embargo no se considera que este sea el criterio m s importante para la selecci n de la estructura de aforo Por otro lado el vertedero de pared ancha presenta la ventaja de que puede ser calibrado y dise ado por medio del computador que es un argumento de mayor peso Adem s este tipo de vertederos con una adecuada transici n hacia la secci n de control puede tambi n evitar eficientemente la restricci n al paso de s lidos Por otro lado la forma de la secci n de control tambi n fue muy discutida Si bien es cierto que aunque en un aforador de secci n de control de forma triangular o trapezoidal se pueden lograr lecturas m s precisas para c
9. ndo de seguir una pol tica ambiental que garantice una mejor calidad de vida para sus trabajadores y los habitantes de la ciudad de Esmeraldas en el a o 2001 realiza una Auditoria Ambiental Integral a la planta industrial Una de las recomendaciones que arroj este estudio tiene como objetivo determinar el caudal de los efluentes que la Refiner a vierte hacia el R o Teaone El cumplimiento de este objetivo permitir monitorear la din mica depuradora del r o especialmente durante su periodo de estiaje que es cuando la situaci n se vuelve cr tica CAP TULO 2 2 ESTRUCTURAS PARA MEDIR CAUDALES EN CANALES ABIERTOS 2 1 Caracter sticas Las razones por las cuales se desea medir el agua en movimiento en un canal generalmente est n ligadas a las actividades de riego al margen de aquellas que se efect an con fines espec ficos como corresponde al caso de la presente investigaci n en donde el motivo fundamental es controlar el vertido de efluentes industriales que realiza un usuario a un cauce de agua superficial Esta aplicaci n tiene cada d a mayor vigencia en muchos pa ses como por ejemplo los de la CEE que se han visto obligados a reformar su legislaci n ambiental para incluir art culos en donde se obliga a las industrias a instalar canales con totalizadores en todos los puntos de vertido 2 2 Conceptos Relativos a la Medici n de Caudales Tipos de flujo El flujo es clasificado en flujo en canales abiertos y en flujo en co
10. nductos cerrados Estado de flujo El estado o comportamiento de flujo en canales abiertos est gobernado b sicamente por los efectos de viscosidad y gravedad en relaci n con las fuerzas inerciales del flujo Efecto de la gravedad Esta relaci n esta dada por el n mero de Froude definido como y F Tek 2 1 Cuando F es igual a la unidad la ecuaci n 2 1 se convierte en V gh m 2 2 y se dice que el flujo esta en un estado cr tico Si F lt 1 el flujo es subcr tico 2 3 El Flujo Cr tico y Sus Aplicaciones Control de flujo El control de flujo en un canal abierto se define de muchas maneras Tal como se utiliza aqu el t rmino significa el establecimiento de una condici n definitiva de flujo en un canal o m s espec ficamente una relaci n definitiva entre el nivel y el caudal de flujo Cuando el control de flujo se alcanza en una cierta secci n de canal esta secci n es una secci n de control La secci n de control regula el flujo de modo que restringe la transmisi n de efectos de cambios en la condici n del flujo ya sea en una direcci n hacia aguas arriba o hacia aguas abajo Como la secci n de control mantiene una relaci n nivel caudal definitiva siempre es un lugar adecuado para una estaci n de aforo y para el desarrollo de una curva de calibraci n de caudales la cual es una curva que representa la relaci n altura de carga versus caudal en la estaci n de aforo ALTURA m
11. ner a Estatal de Esmeraldas REE es la planta industrial m s grande del pa s tiene como objetivo principal procesar el crudo proveniente del oriente ecuatoriano y transformarlo hasta obtener los diferentes derivados de consumo nacional y para la exportaci n como son gas licuado de petr leo naftas gasolinas diesel asfalto fuel oil etc La industria de refinaci n del petr leo emplea para cumplir su cometido procesos altamente tecnol gicos y por consiguiente un consumo en grandes cantidades del recurso h drico Aunque las instalaciones de la REE permiten reutilizar una parte del agua la mayor parte es descargada al R o Teaone despu s de ser procesada en la unidad de tratamiento de efluentes Con el prop sito de cumplir la normativa ambiental vigente en la REE se monitorea constantemente los efectos que tiene la descarga de aguas residuales se llevan a cavo an lisis a diario de la composici n qu mica del efluente y de la concentraci n de las sustancias contaminantes en los cuerpos h dricos circundantes y al interior de la planta industrial Para complementar el monitoreo de la composici n qu mica de los efluentes y por ende controlar de una mejor manera los efectos que tiene el vertido de stos se hace necesario determinar continuamente y llevar un registro acumulado del caudal de aguas residuales tratadas que descarga Refiner a La presente investigaci n se ha desarrollado con el objetivo de aportar al conocimiento
12. nto del agua sino por el costo ambiental implicado e FEl campo de aplicaci n de las estructuras de aforo y por ende de los equipos electr nicos totalizadores de caudal tienen gran proyecci n en el rea de la conservaci n ambiental ya que permiten realizar el control del vertido de efluentes a corrientes superficiales en especial cuando estas corrientes reciben la descarga de un numero elevado de industrias como ocurre en los parques y zonas industriales La totalizaci n de los caudales permitir conocer el aporte de cada uno de los usuarios a la contaminaci n del r o facilitando de esta manera el cobro de tasas de recargo por volumen vertido Desde este punto de vista la REE se estar a adelantando a la legislaci n ambiental vigente en nuestro pa s ya que en la actualidad no existe ning n art culo que regule el vertido de efluentes a trav s del caudal REFERENCIAS 1 http www petroecuador com ec pin refin esmeraldas 2 Estruch M Alejandro y Termes R Montserrat Universidad de Barcelona 1997 La Politica del Agua en Catalu a http www ub es graap wp1997 Termes PDF 3 French Open Channel Hydraulics Mc Graw HIll pp 336 365 4 U S Bureau of Reclamation Water Measurement Manual 3rd ed U S Government Printing Office Washington DC 1997 5 Bos Replogle and Clemmens Flow Measuring Flumes for Open Channel Systems John Wiley amp Sons New York NY 1986 pp 321 6 Wahi T MINISTERIO DE AGRICULTURA INS
13. ones de m ximo flujo Los Niveles del Canal Aguas Abajo Canal de Cola Transporte de Sedimentos 3 M todo de contracci n 4 Dimensiones sugeridas del aforador Altura de la cresta pl La longitud de canal de acceso La longitud de la transici n convergente La longitud de la secci n de control Pendiente de la secci n despu s de la garganta Criterio de p rdida de carga M todo de medici n de cabezal 7 Regla calibrada a emplearse DM y Procedimiento de C lculo del Software WinFlume construye aforadores virtuales basados en el dise o inicial y eval a entonces seg n 4 criterios del dise o primarios y 2 criterios del dise o secundarios Los cuatro criterios primarios son 1 El N mero de Froude del canal aguas arriba debe ser menor de 0 5 2 El bordo libre freeboard canal arriba en flujo m ximo debe reunir los requisitos especificados por el usuario 3 Tirante aguas abajo aceptable menor al tirante en condiciones de flujo m nimo 4 Tirante aguas abajo aceptable menor al tirante en condiciones de flujo m ximo Los criterios del dise o secundarios son 1 El dise o debe reunir los requisitos de exactitud a flujo m nimo 2 El dise o debe reunir los requisitos de exactitud a flujo m ximo Resultados Obtenidos El software presenta los resultados del dise o mediante un reporte en el que se eval a el cumplimiento de cada uno de los criterios de dise o Adem s para facilitar la construcci n del af
14. orador y la instalaci n de un dispositivo registrador de nivel se genera la siguiente informaci n e Curva de calibraci n altura de carga versus caudal H vs Q e Escala limnim trica graduada e Ecuaci n que rige el comportamiento hidraulico del aforador A ANS programalWinFlumelRECTANGULAR Flm Flume Dimensions SS File Flume 8 Canal Design Reports Graphs Options Help MEE a E BE fa ICI AA EEl oerinition sketon Kl Channel Depth Gage Bottom Profile AFORO DE EFLUENTES REE All dimensions are in centimeters 180 G Abrupt Expansion C Gradual Expansion Trungated Ramp IV Max WSP 7 Min wsp cs Sill Height ES e Drop J0 mo fiso fso Approach Converge Control Tailwater Approach Channel Control Section Tailwater Channel Upstream View Downstream View Type CTRL D for detailed design review Edit Control Section Design is acceptable but improvements are also possible gt Omax 800 00 l tersis Qmin 60 00 liters s ERRORS AND WARNINGS AT MAXIMUM DISCHARGE Converging section is too short side contraction is too abrupt Converging ramp length should be gt 208 53 em EVALUATION OF DESIGN CRITERIA Ok Froude number 2 Qmax 0 130 Ok Freeboard 2 Omax 43 180 cm 50 Ok Submergence Protection 2 Omax 35 771 om Ok Submergence Protection 2 Amin 36 108 om Ok Expected emor Omax 2 05 E
15. vo se realiza la selecci n de una secci n de control a lo largo del canal se analizan alternativas de dise o de la estaci n de aforo y se investiga acerca de los diferentes instrumentos para el aforo en canales abiertos SUMMARY This project intends to be a major contribution on the subject of pollution control of fluvial waters through the measurement of the volume of industrial effluent discharged into rivers the major concern being the discharge from the Esmeraldas State Refinery REE into Teaone River The project has been divided into several parts which include the review of previous knowledge about the industrial plant and the search for data that justifies the implementation of this project The idea consist of the implementation of a permanent data recording station in the open channel that carries the treated effluents from the REE with the purpose of making continuous measurements of discharge flow rate and maintaining a cumulative register at the same time For this it will be necessary to design a hydraulic installation that adjusts to the existing channel conditions Furthermore it would be necessary to look into what would be the most appropriate flow rate totalizing equipment to facilitate data reading To carry out this objective a control section along the channel would be chosen and alternatives for data recording station design and flow rate instruments for open channels would be investigated INTRODUCCI N La Refi
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