LA REGOLAZIONE DELLA PRESSIONE DI ESERCIZIODELLA RETE CON MINIMA DISSIPAZIONE ENERGETICA

 

1)PREMESSA

Uno degli inconvenienti che compromettono l’efficienza di molti acquedotti sono le perdite occulte che in Italia in questi ultimi anni ed a seguito dell’invecchiamento delle strutture acquedottistiche, hanno assunto valori elevatissimi e molto spesso assolutamente ingiustificati anche in considerazione delle difficoltà sempre crescenti di produzione dell’acqua potabile. Uno dei rimedi che si sta imponendo ovunque perché atto a diminuirne sensibilmente l’incidenza senza dover ricorrere al rifacimento totale delle reti, è la regolazione della pressione di esercizio. Assodato che si tratta di un provvedimento di estrema efficacia, si è fatto ricorso a tutti i mezzi possibili per riportare in ogni evenienza ed in ogni situazione la pressione entro limiti corretti. Un intervento spesso magnificato dalla letteratura tecnica nazionale ed internazionale è basato sulla distrettualizzazione cioè sulla suddivisione della rete in tante parti che si possono facilmente tenere sotto controllo. Un altro provvedimento effettivamente realizzato, e che si sta espandendo a macchia d’olio ovunque per i buoni risultati che se ne possono ottenere, si basa sulla posa in opera e gestione automatica di valvole di riduzione della pressione asservite all’impianto centralizzato di telecomando e telecontrollo con le quali non solo si riesce a mantenere la pressione entro un massimo compatibile con la tenuta e la durata delle tubazioni di rete ma anche a modularla diminuendola sensibilmente durante la notte ed in genere tutti i periodi di bassi consumi. È ben noto come sia durante la notte e più in generale durante i periodi di minore richiesta che si concentra la maggior parte delle perdite.
Si deve rilevare ancora una volta che, se la distrettualizzazione rappresenta una vera sconfitta della moderna tecnica acquedottistica in quanto conduce alla perdita di alcuni dei pregi principali delle reti magliate e cioè la sicurezza di esercizio e le ridotte perdite di carico che ne sono alcune delle ottime prerogative, dall’altro lato la riduzione della pressione operata dalle valvole rappresenta una altrettanto ingiustificata dissipazione energetica, dissipazione non tollerabile soprattutto negli acquedotti che funzionano a sollevamento meccanico in quanto rappresenta né più né meno, la distruzione di una parte di ciò che si è appena creato a prezzo di elevati consumi di energia elettrica.
Il fenomeno è identico a quello che accade quando si azionano i freni di una autovettura: si dissipa una notevole parte dell’energia prodotta dal motore a prezzo di un notevole consumo di carburante.
L’esempio del freno delle autovetture porta ad una ulteriore ed interessante similitudine: così come le autovetture di recente concezione riescono a recuperare gran parte dell’energia di frenata ricaricando con essa gli accumulatori elettrici, in maniera del tutto analoga con le opere qui proposte si ricupera quasi per intero il carico che normalmente viene dissipato dalle valvole di regolazione ottenendo suo tramite l’accumulo dell’acqua in serbatoi distribuiti in rete.

 

2) I CONCETTI FONDAMENTALI

Le valvole di regolazione o, per essere più precisi, di riduzione della pressione di cui si è detto, raggiungono il loro scopo trasformando l’energia in calore che viene immediatamente dissipato. Un diverso modo per ottenere lo stesso effetto di riduzione del carico consiste nel mutarne totalmente la destinazione e precisamente restare in campo prettamente acquedottistico ed approfittare di detto esuberante carico per compiere un’azione utile cioè per accumulare l’acqua, e conservarla pronta per l’uso, in un apposito serbatoio ubicato lontano dalla produzione all’interno della rete di distribuzione. In pratica si tratta di sostituire la valvola di regolazione presente in una condotta principale con un serbatoio effettuando così lo scambio di due dispositivi, valvola e serbatoio che in questo caso hanno funzioni simili ma risultati totalmente diversi. Infatti nel primo caso lo scopo è raggiunto strozzando al punto giusto la valvola di riduzione e nell’altro aprendo opportunamente la valvola di immissione dell’acqua nel serbatoio. In questo caso, che è quello che interessa particolarmente, l’abbassamento della pressione è in gran parte dovuto alle maggiori perdite di carico provocate dall’aumento di portata che si è indotto nella rete, aumento di portata che si traduce in un proficuo collettamento idrico da centro di produzione a serbatoio senza alcun ulteriore dispendio energetico all’infuori del carico idraulico già presente in origine e che le valvole di riduzione andrebbero a dissipare. Permane una piccola perdita dovuta alla dissipazione operata dalla valvola di immissione in serbatoio. La differenza abissale tra i due sistemi citati e cioè valvola nel primo e serbatoio nel secondo, è ovvia ed è data dalla facoltà propria del serbatoio ed assolutamente inattuabile nel caso della valvola, di poter non solo abbassare la pressione in eccesso operando secondo le modalità indicate, ma di agire anche in direzione diametralmente opposta e cioè intervenire positivamente nella regolazione della rete quando la sua pressione di esercizio è insufficiente sia pur a prezzo di un modesto consumo energetico. In definitiva quella proposta è una doppia regolazione della pressione ed è quindi atta quindi a soddisfare tutte le necessità del momento.

 

3) LA RETE REGOLATA A MEZZO SERBATOI

La soluzione che si vuole proporre prevede l’inserimento in rete degli impianti di regolazione della pressione notturna ognuno dei quali è costituito da un serbatoio di accumulo con annessa centrale di risollevamento non presidiati da personale ma asserviti al sistema di telecontrollo e telecomando centrale.
Per chiarire meglio i concetti sarà utile un esempio.
Si debba regolare la pressione di una rete come quella di figura 1 avente una grande estensione in territorio pianeggiante e supponendo sia alimentata da un solo centro di produzione e pompaggio.

 

Figura 1 = esempio di rete unificata di tipo tradizionale ed in gterritorio pianeggiante

La soluzione comunemente adottata è quella di figura 1 avente una vasca di carico (ad esempio serbatoio pensile) ubicata in testa alla rete nei pressi del centro di produzione e posta ad un’altezza di 70 m necessari perché nell’ora di punta la parte terminale del territorio possa contare su almeno 25 m di colonna d’acqua rispetto al suolo. Si tratta di un sistema di approvvigionamento idrico tra i più diffusi e che, a fronte di una grande semplificazione costruttiva e di esercizio, presenta gli inconvenienti ben noti di pressioni di consegna dell’acqua all’utenza molto variabili, perdite occulte elevate soprattutto durante la notte ed i periodi di bassi consumi quando si registrano anche le maggiori pressioni, ed infine dispendio energetico di pompaggio. Da rilevare che si tratta di territorio pianeggiamte

Figura 2 = rete unificata in territorio pianeggiante con alimentazione a pressione regolata

Nella figura 2 è illustrata una prima possibilità di razionalizzazione consistente nell’eliminare la vasca di carico e nell’adottare il pompaggio diretto in rete a pressione regolata in funzione della portata assorbita. i risultati sono notevoli sia in merito al consumo energetico e alle perdite che subiscono un consistente calo. All’inizio occorre fissare una serie di abbinamenti tra portata immessa in rete e pressione di pompaggio. Il sistema si regola in modo da rispettare in ogni caso la citata corrispondenza tra portata totale immessa in rete e pressione di pompaggio la quale pertanto risulterà tanto più elevata quanto maggiore sarà il consumo dell’utenza. La notte, caratterizzata da bassa richiesta idrica, può usufruire di una pressione di esercizio moderata cui corrisponde una notevole riduzione delle perdite occulte.

Figura 3 = Rete unificata con con pompaggio in diretta a pressione variabile e con valvole di regolazione della pressione

Nella fig. 3 è riportato un ulteriore miglioramenti della rete ottenuto aggiungendo alla precedente  versione di fig. n 2 le valvole di regolazione delle condotte principali cui si devono affiancare quelle installate direttamente in corrispondenza del contatore privato degli allacciamenti di utenza collegati alle condotte non regolate. Il risultato è una pressione di consegna all’utenza sempre ottimale. Unico inconveniente è quello della dissipazione energetica che, come detto in precedenza, viene operata dalle valvole di regolazione.

FIGURA 4= RETE UNIFICATA CON LA REGOLAZIONE IN PROGETTO

 

Infine la fig. 4 illustra la proposta che forma specificatamente l’oggetto del presente lavoro e che è sinteticamente descritta nel seguito.

La centrale è sempre del tipo con pompaggio diretto in rete a pressione variabile asservita all’impianto di telecontrollo. In rete sono presenti tre serbatoi di compenso locale (n.1 vicino alla centrale di produzione, n. 2 in posizione baricentrica e n. 3 nella parte terminale della rete). Ogni serbatoio è alimentato dalla rete tramite una valvola a fuso che consente di modulare la portata derivata dalla rete ed è munito di pompa a velocità variabile destinata a reimmettere di giorno nella rete stessa il volume d’acqua prelevato dalla rete medesima la notte precedente; il tutto non presidiato da personale ma asservito all’impianto centrale di telecontrollo. La capacità totale dei tre serbatoi è bene sia superiore a quella di normale compensazione delle portate giornaliere in quanto il loro ruolo comprende oltre alla compensazione stessa anche la regolazione della pressione di consegna dell’acqua all’utenza. Da rilevare subito che la possibilità di iniettare una portata suppletiva in diversi punti della rete costituisce di per sé un vantaggio notevole sia in merito alle perdite di carico generali che diminuiscono, sia alla facilità di regolazione della pressione ed infine alla compensazione delle portate giornaliere la quale garantisce che gli impianti di produzione possano mantenere una portata pressoché costante per tutte le 24 ore della giornata tipo.
La procedura da adottare prevede innanzitutto la definizione a priori del diagramma giornaliero delle pressioni da mantenere minuto per minuto nei punti di consegna dell’acqua all’utenza. Essendo anche necessario stabilire nella rete una certa pendenza notturna della superficie piezometrica necessaria per il riempimento dei tre serbatoi, si può fissare approssimativamente di notte una pressione di 25 m all’inizio rete, di 20 m nella parte mediana e di soli 15 m in quella finale. Durante la giornata non sussiste il problema del riempimento dei serbatoi e quindi si fisseranno le stesse pressioni massime in tutto il territorio pari a 40 m nell’ora di punta ( ore 9 del mattino ) per calare man mano fino alle 23. Per quanto riguarda i livelli dei serbatoi di rete occorre tener presente che essi devono riempirsi durante la notte ( ad esempio nell’intervallo dalle ore 23 alle ore 6 del mattino) nel mentre durante il periodo diurno devono svuotarsi completamente. Allo scopo si dovrà, analogamente alle pressioni, fissare preventivamente anche il grafico giornaliero dei livelli dei serbatoi in parola tenendo presente che non sarà possibile vengano rigorosamente rispettati ma che venga tenuto conto solo del valore risultante dalla media aritmetica dei valori fissati per il medesimo istante di tutti i serbatoi, come si vedrà più avanti.
Quelli citati sono soltanto dati indicativi, le serie di valori effettivi da prefissare potranno essere definiti meglio in sede di gestione reale della rete.

Una parte determinante è rappresentata dall’organizzazione generale di funzionamento data dall’impianto di telecontrollo telecomando che deve soprintendere al funzionamento degli impianti di pompaggio, alla pressione di consegna all’utenza ed ai livelli dei serbatoi.

Una possibile regolazione è la seguente.

– Durante la giornata (ad esempio dalle ore 6 alle 23) la valvola di immissione nei tre serbatoi è chiusa. Tutta la portata emessa dalla centrale principale annessa all’impianto di produzione viene pompata direttamente in rete. In aggiunta a detta portata ognuno dei tre serbatoi immette nella rete stessa il volume precedentemente invasato e lo fà tramite pompa a velocità variabile asservita alla già citata curva preimpostata delle pressioni di rete in modo da farvi coincidere quella effettiva rilevata dai manometri di rete posti nella porzione di utenza di competenza di ciascuno di essi. In questo modo si fa fronte alle punte di consumo senza modificare la portata della centrale principale che in ogni caso si mantiene pari approssimativamente al valore del consumo medio giornaliero. Da rilevare come sia la portata immessa dall’impianto principale a soddisfare la base del diagramma dei consumi mentre sono i tre serbatoi locali a fronteggiare le punte di consumo.

– Nel restante periodo notturno le pompe dei tre serbatoi di rete sono ferme e la regolazione della pressione di rete viene attuata variando l’apertura delle tre valvole a fuso di immissione dell’acqua in serbatoio con una modesta perdita di carico. Ad esempio se i manometri segnalano una pressione maggiore di quella del grafico preimpostato, il telecomando ordina una maggiore apertura della valvola cui corrisponde un maggior volume immesso in serbatoio ed inoltre una minor pressione di rete.

– La centrale di pompaggio principale modula la sua pressione e portata giornaliera in funzione della media aritmetica del valore reale dei livelli dei tre serbatoi di rete che vengono in tempo reale corretti riportandoli mediamente e minuto per minuto al valore prefissato nel diagramma giornaliero tramite regolazione della velocità di rotazione della pompa. In questo modo si otterrà, sia pure in maniera approssimativa in quanto la regolazione è unica per tutti i serbatoi, il loro totale e razionale svuotamento e riempimento giornaliero, ferme restando sia la modalità di regolazione delle valvole di immissione in serbatoio e sia quello di pompaggio in rete da parte delle pompe a velocità variabile annesse ai serbatoi e già indicate.

– A favore di una buona regolazione generale del funzionamento della rete giocano il magliaggio con le molteplici interconnessioni che lo caratterizzano e che produrranno una distribuzione omogenea in tutto il territorio anche al verificarsi di anomalie locali sia nell’alimentazione e sia nel prelievo da parte dell’utenza.

– Il risultato finale dell’organizzazione tecnica descritta sarà caratterizzato dai seguenti elementi:

a) La centrale principale funzionerà con una portata sempre di valore prossimo alla media giornaliera di consumo ma con la caratteristica di immettere in rete una maggior portata durante la notte essendo necessaria per il riempimento dei serbatoi. Tutto ciò offre notevoli vantaggi economici nel costo dell’energia elettrica da impiegare e nella possibilità di sfruttare maggiormente le fonti nei periodi notturni che spesso hanno maggior disponibilità. La pressione sarà regolata in funzione dell’andamento dei livelli dei tre serbatoi di rete ed in modo che, durante tutte le 24 ore della giornata tipo, abbiano a seguire mediamente l’andamento dei livelli stessi in conformità con quanto prefissato nel diagramma giornaliero.

b) La pressione di consegna dell’acqua all’utenza sarà quella fissata preliminarmente ora per ora essendo, nel periodo notturno, modulata dai prelievi dei serbatoi ed in quello diurno dal pompaggio a pressione variabile degli impianti annessi ai tre serbatoi di rete.

c) I serbatoi di rete saranno interamente sfruttati in tutte le giornate e quindi anche in quelle di basso consumo dell’utenza. Sarà proprio in tali giornate, statisticamente in numero preponderante durante l’anno, che essi svolgeranno l’importante ruolo di richiedere un maggior pompaggio notturno rispetto a quello giornaliero con conseguente vantaggio dato dai minori costi dell’energia elettrica e nella maggiore disponibilità delle fonti soprattutto nel caso di prelievo di falda.

d) Il bilancio energetico sarà positivo in quanto;

– la centrale principale funziona con portate vicine alla media giornaliera evitando totalmente quelle di punta e con una bassa prevalenza manometrica totale in quanto atta soltanto a riempire i serbatoi utilizzando tutta la rete la cui caratteristica, come ben noto, è quella di effettuare trasporto di grandi portate con basse perdite di carico;

– l’energia consumata per il risollevamento dai serbatoi locali è minima perchè effettuata a bassa prevalenza vista la loro ubicazione in vicinanza dell’utemnza da servire

 

4) L’APPLICAZIONE PRATICA DELLA METODOLOGIA PROPOSTA

Nel capitolo precedente si è descritto un esempio il cui unico scopo era soltanto rendere comprensibili i concetti base della soluzione che viene proposta. Si vuole ora far rilevare come essa possa essere utilizzata principalmente per sistemare reti esistenti sia a sollevamento meccanico e sia se funzionanti totalmente o parzialmente a gravità, raggiungendo il duplice scopo di regolarne la pressione e al tempo stesso di fronteggiare le punte di consumo eccezionale. Inutile ricordare come siano questi i difetti che spesso lamentano le vecchie reti di distribuzione ed in maniera più accentuata quelle funzionanti a gravità essendo maggiormente soggette ad escursioni di pressione. Piazzare nei punti dove tali inconvenienti si manifestano in maniera più grave un serbatoio che, riempiendosi durante la notte, riesce ad abbassare fino al giusto limite la pressione e che è pronto nella giornata successiva a soddisfare quelle punte di consumo che mettevano in crisi il sistema, rappresenta, a giudizio di chi scrive, un vero successo ma non l’unico. Infatti se i benefici più consistenti si ottengono nei giorni di punta, quelli relativi a tutto il restante periodo non sono da sottovalutare. Come è ben noto, le normali strutture acquedottistiche sono dimensionate per i consumi dell’ora di punta ma sono ben noti anche gli inconvenienti che si verificano quando la richiesta idrica è molto bassa, inconvenienti che, oltre alle pressioni eccessive in rete, mantengono i serbatoi di compenso sempre pieni 24 0re su 24 impedendo loro di effettuare la compensazione delle portate ed obbligando la produzione a variare in continuazione la portata. Ebbene l’inserimento dei nuovi serbatoi che obbligatoriamente si svuotano in tutte le giornate come sono quelli in progetto, esplica una importante azione di regolazione generale del sistema acquedottistico. I risultati sono amplificati dalle innovative modalità di regolazione descritte nri capitoli precedenti.

5) CONCLUSIONI

Si è descritta una rete di distribuzione in territorio pianeggiante che basa le sue costituzione e regolazione sui seguenti elementi:

Una regolazione capillare della pressione di consegna dell’acqua all’utenza essendo proprio questa la condizione di base che determina la buona qualità di un servizio di alimentazione idropotabile;
– Trattandosi di acquedotto a sollevamento meccanico la soluzione presenta notevoli possibilità di economia energetica;
– Un altro punto fondamentale è costituito dalla possibilità di ridurre al minimo le perdite occulte grazie alla oculata regolazione delle pressioni di esercizio;
– È assicurata una ottimale compensazione delle portate giornaliere ottenuta tramite volumi di invaso distribuiti in rete e quindi in prossimità dei consumi;
– Si sfrutta tutta la rete per il trasporto dell’acqua sia fornita direttamente all’utenza sia di riempimento dei serbatoi di rete e quindi le perdite di carico sono contenute al massimo essendo questa una delle prerogative caratteristiche della rete magliata;
le perdite di carico doivute alle valvole di immissione nei serbatoi di rete e quelle delle pompe di risollevamento dei serbatoi di rete sono modeste e rappresentano una piccola percentiuale delle economie energetiche realuzzate dal sistema.

Da rilevare il duplice e molto diversificato regime di esercizio durante le 24 ore della giornata tipo rispettivamente per la notte e per il giorno. L’impiego prioritario di tutta la rete è concentrato nel periodo notturno allo scopo di trasferire nei serbatoi distribuiti in rete una grande volume idrico che vi permane allo scopo di fronteggiare le punte di consumo del giorno dopo. Tale risultato è ottenuto in maniera del tutto particolare e cioè approfittando dello stesso trasporto idrico per contrastare la naturale tendenza della rete ad assumere elevati valori notturni di pressione in condotta. Una volta riempiti in loco i serbatoi diventa estremamente facile ed economico seguire qualunque richiesta idrica che si presenti nel corso della giornata.
Nel corso della trattazione si è anche indicata l’opportunità di utilizzare le stesse modalità per razionalizzare le reti esistenti ed in maniera particolare quelle funzionanti a gravità.

Il risultato complessivo può definirsi ottimale.

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