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Tratamiento y distribución de agua municipal

Badger Meter optimiza la operación de aguas residuales en un municipio del Medio Oeste en crecimiento

Planta de tratamiento de aguas residuales

Necesitaba mediciones de flujo precisas para optimizar el funcionamiento de la estación elevadora

Los medidores de flujo ultrasónicos de tiempo de tránsito Dynasonics® mejoran el rendimiento, la fiabilidad y el costo total de propiedad de las estaciones de bombeo sanitario

Los procesos de tratamiento de aguas residuales son importantes para las ciudades y los pueblos de todos los tamaños. Estas operaciones son complejas e implican una amplia gama de aplicaciones de medición de flujo. Exigen la máxima precisión y fiabilidad de los medidores de flujo, así como una estabilidad a largo plazo y un bajo costo de propiedad.

Las estaciones de bombeo son una parte integral de cada red municipal de agua y tratamiento de aguas residuales. La medición del flujo en tales estaciones es un componente crítico para lograr un rendimiento óptimo. Los operadores necesitan información detallada de los medidores de flujo para los estudios de entrada e infiltración (I&I), los estudios de flujo y el análisis de rendimiento de las estaciones de bombeo, y para determinar el volumen de aguas residuales que se transportan a las plantas de tratamiento desde cuencas específicas en toda la ciudad.

Problemas operativos típicos

En la medida en que las redes de saneamiento y las plantas de tratamiento de aguas residuales se esfuerzan por lograr una mayor eficiencia y reducción de costos, es imperativo que vigilen y controlen las operaciones con mayor precisión. Cuando se producen fuertes lluvias u otros acontecimientos fuera de lo común, los niveles de aguas residuales en el sistema de captación y en los pozos húmedos pueden alcanzar rápidamente niveles críticos y se necesita información precisa del equipo de medición de flujo para tomar las medidas adecuadas.

Al igual que otros municipios, el pueblo de Lombard, Illinois, depende de estaciones de bombeo sanitario para bombear las aguas residuales de las elevaciones más bajas a las más altas, en particular cuando la elevación de la fuente no es suficiente para el flujo por gravedad o cuando el uso del transporte por gravedad implica profundidades de excavación costosas y altos costos de construcción de alcantarillas.

Los elementos clave de las estaciones de bombeo incluyen un pozo húmedo de recepción de aguas residuales que a veces está equipado con un filtro o un dispositivo de trituración para eliminar los materiales más gruesos; bombas y tuberías con válvulas asociadas; motores; un sistema de suministro de energía; un sistema de control y alarma de equipos; sistemas de control de olores y ventilación; y un generador de reserva para el suministro de energía de emergencia.

Los municipios tienen un interés financiero importante en el rendimiento de las estaciones de bombeo. Cuando las aguas subterráneas y las aguas pluviales entran en los sistemas de captación de las ciudades, los procesos de tratamiento se vuelven menos eficientes y los sistemas de alcantarillado sanitario se ven sometidos a una gran presión. Las bombas de las estaciones elevadoras funcionan durante más tiempo después de un período de lluvia y tienen un mayor número de arranques y paradas, lo que indica que las aguas pluviales han entrado en el sistema de alcantarillado sanitario y están en camino hacia su tratamiento. Estas aguas pluviales adicionales cuestan dinero a los municipios al aumentar el funcionamiento de las bombas y el tratamiento de las aguas residuales.

El funcionamiento fiable e ininterrumpido es un componente esencial para las estaciones de bombeo de aguas residuales. Las comunidades con grandes complejos residenciales y comerciales que descargan en una sola estación no pueden permitirse un tiempo de inactividad prolongado para el mantenimiento, las reparaciones o la instalación de nuevos equipos.

Según Luke Sharp, supervisor de tratamiento de agua y bombeo de aguas residuales de la aldea de Lombard, la aldea tiene 14 estaciones de bombeo sanitario existentes que requieren una supervisión permanente. Además, la cantidad de aguas residuales que entran y se tratan en la planta de tratamiento local es una medida clave.

"No teníamos ni idea del flujo real que estábamos bombeando desde las diferentes estaciones de bombeo, ya fuera en tiempo seco o en tiempo húmedo. Sabíamos que nuestras estaciones sanitarias funcionaban mucho más debido a las conexiones de I&I y de las bombas de achique y necesitábamos resolver este problema rápidamente para poder generar mejores datos de flujo", declaró Sharp.

En los últimos años, el pueblo de Lombard ha experimentado varios desbordamientos de alcantarillas sanitarias y sótanos inundados con aguas residuales como resultado de las fuertes lluvias en la primavera y el otoño y cuando las temperaturas cálidas del invierno derriten rápidamente la nieve. Estos eventos saturaban el sistema de captación del alcantarillado sanitario.

Valor de la medición de flujo

La experiencia ha demostrado que la medición del flujo es una herramienta valiosa para optimizar el funcionamiento de las estaciones de bombeo. Los datos de flujo precisos ayudan a los operadores a comprender si los sistemas funcionan de manera eficiente. La supervisión del flujo en las estaciones de elevación proporciona puntos de referencia importantes para los procesos generales de facturación, la evaluación de la eficiencia de las bombas, el análisis del impacto de la I&I y la planificación de los programas de mantenimiento.

El pueblo de Lombard antes usaba medidores de flujo ultrasónicos doppler en sus estaciones de bombeo sanitario, pero estos dispositivos de bajo costo no proporcionaban suficiente precisión en las mediciones. Además, los medidores habían presentado varias fallas, funcionaban mal y nunca se habían reparado adecuadamente. La inversión necesaria para reparar los medidores existentes tenía un costo prohibitivo.

El monitoreo del flujo es el primer paso para identificar la entrada y la infiltración para determinar dónde ocurren los problemas a fin de aislar las cuencas con las peores características de I&I. La división de agua y tratamiento de aguas residuales del pueblo de Lombard decidió que era necesario mejorar la instrumentación para:

  • Eliminar los desbordamientos crónicos de las alcantarillas sanitarias (SSO) durante los episodios de lluvia graves y leves.
  • Eliminar el problema crónico de los sótanos inundados con aguas residuales durante los episodios de lluvia graves y leves
  • Reducir la I&I dentro de todo el sistema de captación
  • Prevenir posibles fallos de alto riesgo en el sistema de captación
  • Analizar mejor la información del flujo de descarga de cada estación de bombeo
  • Reducir los costos de tratamiento de aguas residuales
  • Proporcionar un análisis para evaluar la capacidad para futuros proyectos de desarrollo importantes

El pueblo evaluó varias tecnologías comunes de medición de flujo basadas en limitaciones conocidas, como la incapacidad de cerrar las operaciones de la estación debido a la alta demanda y la dificultad de instalar medidores de flujo en línea en las tuberías existentes.

Aunque los dispositivos tradicionales en línea, como los medidores de flujo electromagnéticos, proporcionan una gran precisión en las mediciones, también requieren electricidad para funcionar, incluyendo conexiones sumergibles y a prueba de agua. Este costo, junto con el trabajo de excavación asociado, habría aumentado el alcance del proyecto y el precio de la instalación.

Seleccionar el medidor adecuado

Después de considerar cuidadosamente las soluciones de medición de flujo de los diferentes fabricantes, el pueblo de Lombard descubrió que los medidores de flujo ultrasónicos de tiempo de tránsito eran el mejor método para sus estaciones de bombeo. Los medidores ultrasónicos de tiempo de tránsito permiten mejorar los diagnósticos para medir el flujo con precisión, ayudan a identificar posibles fallos de las bombas e iniciar programas adecuados de mantenimiento preventivo en los equipos de las estaciones, con lo que se prolonga la vida útil de los bienes.

Los medidores de flujo ultrasónicos de tiempo de tránsito miden la tasa de flujo mediante la propagación de ondas de ultrasonido en tuberías llenas de líquido y miden el tiempo de vuelo. Con la tecnología de sujeción, el medidor no es intrusivo y su diseño ofrece ventajas como la reducción de los costos de instalación, la producción ininterrumpida, la flexibilidad de instalación en una amplia gama de tamaños de tuberías, sin pérdida de presión, sin contacto con el líquido interno y sin partes móviles que mantener. Este enfoque permite realizar actividades de mantenimiento rutinario durante toda la vida útil del medidor sin tener que hacer cortes en las tuberías.

El pueblo de Lombard tenía una relación existente con Badger Meter, una empresa innovadora en la medición de flujo, los productos de control y las soluciones de comunicaciones que abastece a empresas de servicios públicos de agua, municipios y clientes comerciales e industriales en todo el mundo, y eligió implementar los medidores de flujo ultrasónicos de tiempo de tránsito de Dynasonics® de la empresa.

"Basándonos en nuestra experiencia previa de trabajo con Badger Meter, sabíamos que tenían buenos productos y un buen soporte al cliente", dijo Sharp. "Nuestro objetivo era instalar medidores de flujo confiables y funcionales en cada una de nuestras estaciones de bombeo de la manera más económica, y fue genial trabajar con su equipo".

El medidor de flujo ultrasónico de pinza Dynasonics TFX-5000 es la solución más reciente para la medición de flujos volumétricos que contienen líquidos limpios así como líquidos con pequeñas cantidades de sólidos en suspensión, tales como aguas superficiales o aguas residuales sin tratar. El medidor está disponible en una variedad de configuraciones para satisfacer los requisitos de aplicaciones particulares. Es fácil de usar y tiene diagnósticos útiles para eliminar las conjeturas de la programación. Dependiendo de la programación e integración en el controlador lógico programable (PLC), los usuarios pueden recibir alertas sobre condiciones de flujo fuera de las especificaciones y acceder a un historial con las alarmas y códigos de error y eventos más recientes. Además, el medidor de flujo admite una salida de codificador para utilizar con terminales celulares para conectar con la suite de software basada en la nube AquaCUE® o de análisis de medición avanzada (AMA) de Beacon®. Este software recoge mediciones a intervalos de 15 minutos que se cargan en la nube en un cronograma regular (hasta dos veces por día) para ayudar a rastrear y analizar la información sobre el agua y las aguas residuales.

El medidor de flujo TFX-5000 cuenta con una pantalla gráfica grande y fácil de leer y proporciona opciones de conectividad Modbus RTU, Modbus TCP/IP, BACnet MS/TP y BACnet/IP. La configuración y la resolución de problemas se realizan a través de un teclado opcional o mediante un cable Bus Universal en Serie (USB) que utiliza el software gestionador de dispositivo de flujo SoloCUE®. El medidor utiliza un sistema de seguridad de código de acceso de cuatro niveles para las aplicaciones que requieren el bloqueo de la unidad.

Para las instalaciones al aire libre debajo de la línea de agua, como en fosos de medidores o pozos de registro, Badger Meter recomienda utilizar los transductores sumergibles de la serie Dynasonics DTTN, con clasificación IP68 y características de vulcanización a temperatura ambiente (RTV) a base de silicio, lo que reduce en gran medida la necesidad de mantenimiento futuro.

En el sistema de tratamiento de aguas residuales del pueblo de Lombard, el monitoreo de las estaciones de bombeo se realiza a través de un sistema de control de supervisión y adquisición de datos (SCADA). Toda la información se envía a una ubicación centralizada donde los operadores supervisan y mantienen cada estación. Los datos del sistema SCADA se supervisan continuamente para garantizar el mayor nivel posible de eficiencia.

Los medidores de flujo ultrasónicos de tiempo de tránsito de Dynasonics proporcionan una salida analógica de 4-20 mA que termina en una entrada de PLC. La información del flujo y todas las mediciones de la estación de bombeo se transmiten a la máquina SCADA usando una red de comunicación SCADA. Luego, todos los datos se analizan en el servidor principal SCADA y se ponen a disposición en el sitio de monitoreo central donde los operadores controlan cuidadosamente las tasas de flujo, los tiempos de funcionamiento de las bombas y otros parámetros de operación de las estaciones de bombeo. Las tasas de flujo diarias, los tiempos de funcionamiento de las bombas y los ciclos se añaden a un programa de informes XLR en la máquina SCADA para que se puedan generar informes mensuales.

El equipo de cuatro operarios de Sharp instaló los medidores ultrasónicos de pinza usando los conductos existentes de los pozos de registro para los medidores de flujo de la estación de bombeo. Se necesitó una entrada en un espacio confinado para cada sitio para realizar el trabajo. Después, los operadores tendieron los cables de los transductores, montaron los transductores en la tubería de descarga, instalaron la unidad principal en el gabinete de la SCADA y cablearon las unidades al PLC. Los representantes de Badger Meter ayudaron con la puesta en marcha visitando cada sitio con un dispositivo ultrasónico portátil para verificar las lecturas de flujo reales y calibrar los medidores de flujo instalados. El integrador del pueblo también participó en el proceso y el proyecto entero se completó en solo dos días.

"Los medidores de flujo ultrasónicos Dynasonics nos dan lecturas de flujo en tiempo seco y húmedo directamente desde la estación para que podamos extrapolar la información pertinente y analizar las condiciones de I&I relacionadas con las bombas de los sumideros, las fugas laterales o las tuberías de alcantarillado. Esto nos permite centrar los futuros trabajos de reparación en las cuencas utilizando los datos que vemos en los medidores", dijo Sharp. "Al mismo tiempo, el acceso a los datos de flujo detallados permite a nuestro departamento calcular la capacidad existente de las estaciones de bombeo para apoyar cualquier nuevo desarrollo comercial o residencial en el área".

En el pueblo de Lombard, los programas de mantenimiento de rutina basados en actividades de monitoreo continuo han demostrado ser efectivos para aumentar la eficiencia en las estaciones de bombeo. Con datos de flujo precisos, los operadores pueden responder rápidamente a las bombas que muestran un descenso en el rendimiento. Los operadores inspeccionan y remedian los problemas antes de que se conviertan en problemas graves que podrían dar lugar a obstrucciones en los sótanos o un desbordamiento de las SSO.

Beneficios para los usuarios de aguas residuales

Como se demostró en el pueblo de Lombard, los instrumentos de medición de flujo no invasivos, como el medidor de flujo ultrasónico de pinza Dynasonics TFX-5000, son una solución ideal cuando los usuarios no pueden cerrar sus operaciones de aguas residuales para instalar un medidor en línea tradicional. Como el medidor ultrasónico mide desde la pared de la tubería en el exterior, no hay desgaste en el dispositivo y casi no necesita mantenimiento. Todo el sistema de medidor de flujo, que consiste en transductores ultrasónicos y un transmisor de medición, se puede llevar fácilmente al sitio e instalarlo con un pequeño equipo. No hay necesidad de trabajar en la tubería de descarga, perforar nuevas válvulas, realizar excavaciones o llevar electricidad a los pozos de registro.

Gracias al uso de la tecnología de pinzas, el medidor de flujo TFX-5000 permite un despliegue muy simple y rentable de los puntos de medición de flujo dentro de una estación de elevación existente, aunque las condiciones no suelen ser fáciles debido a la falta de longitudes de tuberías rectas y a la proximidad de las bombas.

Según Sharp, el uso de la medición de flujo por tiempo de tránsito ultrasónico ha proporcionado un importante retorno de la inversión (ROI) para las operaciones de bombeo de aguas residuales de su departamento.

"Los medidores ultrasónicos de pinza fueron fáciles de instalar, lo que redujo nuestros costos generales del proyecto", dijo Sharp. "Podemos usar los datos de flujo precisos para planificar mejor los proyectos de mejora de capital relacionados con la I&I y verificar los costos de la planta de tratamiento de aguas residuales para priorizar nuestras asignaciones presupuestarias".

Agregó: "Badger Meter es reconocido por sus productos de calidad, y esta es una de las principales razones por las que nos sentimos cómodos eligiendo su medidor de flujo".

Conclusión

Las exigentes aplicaciones de las estaciones de bombeo en la industria del agua y las aguas residuales requieren una solución de medición de flujo fiable, precisa y no invasiva. Es crucial que el equipo de medición de flujo sea fácil de instalar en una estación de bombeo sin necesidad de interrumpir las operaciones normales.

La División de Tratamiento de Agua y Bombeo de Aguas Residuales del pueblo de Lombard evaluó a varios fabricantes de medidores de flujo, obtuvo propuestas y vio demostraciones de productos, pero finalmente decidió que el medidor de flujo ultrasónico de tiempo de tránsito Dynasonics de Badger Meter era la respuesta para optimizar el rendimiento, la confiabilidad y el costo total de propiedad de sus estaciones de bombeo sanitario.

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