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CONTROLLO E GESTIONE AUTOMATICI IN REAL-TIME DI UNA RETE DI DISTRIBUZIONE DELL’ACQUEDOTTO di Matteo Frisinghelli Chiara Costisella
GLI AUTORI Ing. Matteo FRISINGHELLI – Responsabile idrico, Novareti SpA Ing. Chiara COSTISELLA - Servizio idrico - Supporto operativo, Novareti SpA Novareti è la società del Gruppo Dolomiti Energia che si occupa della gestione dei servizi a rete. La società è leader in Trentino nella distribuzione del gas naturale con 290 milioni di mc distribuiti all’anno e un portafoglio clienti gas vicino alle 150 mila unità, in 108 comuni; grazie alla produzione da cogenerazione teleriscalda fabbricati per 1,6 milioni di metri cubi e distribuisce quasi 150 Gigawattora fra calore e vapore ogni anno; gestisce oltre 1200 chilometri di rete idrica da cui ogni anno transitano quasi 36 milioni di metri cubi d’acqua, destinati a 81.000 clienti, in 14 Comuni trentini. www.novareti.eu
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INTRODUZIONE Novareti SpA gestisce diversi acquedotti, tra cui quello del Comune di Trento. La città si sviluppa prevalentemente nel fondovalle; le numerose frazioni collinari sono collegate alla rete principale mediante rilanci e sono di fatto dei distretti idrici già definiti. L’elevata articolazione del sistema, caratterizzato da parecchie interconnessioni imprescindibili, rende molto complessa la gestione: nell’ottica di una gestione ottimizzata e sempre più efficiente, nei primi anni Duemila Novareti ha implementato il modello idraulico di tutta la rete di acquedotto, utilizzando il software InfoWorks WS, distribuito dalla HR Wallingford. Il modello è stato calibrato utilizzando sia le misure dal sistema di Telecontrollo, che le misure ricavate da campagne ad hoc. Il modello idraulico della rete è uno strumento molto potente e fondamentale per la gestione ordinaria e straordinaria della rete: la sua elevata affidabilità, derivante dalla precisa calibrazione, permette di utilizzarlo come base per scelte strategiche e progettuali; qualsiasi intervento sulla rete o sugli impianti viene preventivamente simulato a modello per verificarne gli impatti sull’intero sistema. Tra gli obiettivi che fin dall’inizio hanno caratterizzato e richiesto l’implementazione di un modello di simulazione vi era quello di analizzare e di ottimizzare la rete, al fine di valutare se vi fossero margini di miglioramento nella gestione delle pressioni, dei pompaggi e dei vari sistemi di regolazione che compongono l’acquedotto. Tra i primi elementi che si sono evidenziati da un’analisi dei risultati delle simulazioni (Figura 1) vi è la presenza nella rete di fondovalle di una zona (lungo il conoide del torrente Fersina) che, essendo a quote superiori, risente di bassa pressione di esercizio, mentre la restante rete manifesta, in certe zone, una sovrappressione necessaria per poter garantire un livello minimo di servizio alle utenze
più alte. Per livello minimo di servizio si prevede di garantire, al piano più elevato di ogni abitazione, almeno 7 m di colonna d’acqua (0.7 bar). Pressioni troppo basse, infatti, hanno un risvolto negativo nella fruizione del servizio; allo stesso tempo pressioni eccessive non danneggiano l’utenza, dotata solitamente di un riduttore di pressione, ma sono negative per le strutture della rete: una pressione eccessiva, infatti, sollecita in maniera troppo intensa tubazioni, valvole e giunzioni causandone la rottura. Il risultato è un calo della vita media degli asset che compongono l’acquedotto, correlato ad un aumento dei costi di gestione e di riparazione delle rotture. Figura 1. Risultati della modellazione della rete di Trento in termini di pressione: in rosso ed in giallo aree con pressione inferiore a 2.5 bar, in blu e viola aree con pressione superiore ai 4 bar
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Nei circa 700km di rete dell’acquedotto di Trento, in presenza fisiologica di un numero finito di piccoli fori, rotture o porosità, una maggiore pressione causa la fuoriuscita di una quantità maggiore di acqua e quindi la perdita di risorsa e lo spreco di energia elettrica. Poiché le perdite di sottofondo, che costituiscono la percentuale più elevata delle perdite di rete, sono di difficile individuazione, se non attraverso campagne di ricerca perdite estese ed intensive, è chiaro come risulti fondamentale, in considerazione della relazione di proporzionalità diretta tra pressione d’esercizio e perdite, abbassare il più possibile il cielo piezometrico della rete. Da tutte queste considerazioni e analisi è nata, all’interno del Servizio Idrico di Novareti, la spinta ad individuare soluzioni progettuali che permettessero di ridurre le pressioni di rete.
PROGETTO DI OTTIMIZZAZIONE DELLA RETE DI ACQUEDOTTO DI TRENTO La soluzione individuata dai tecnici di Novareti per ridurre le pressioni cittadine è quella di suddividere la rete in più distretti idrici, alcuni reali, ovvero regolati da opportune valvole di riduzione della pressione, altri virtuali, ossia presidiati da soli strumenti di misura della portata, utili alla definizione di un bilancio idrico. Nei distretti reali vi sarà una regolazione della pressione in funzione della domanda idrica e delle ore del giorno, in modo da assicurare sempre il livello minimo di servizio, senza eccessi di pressione. Il primo distretto reale, che è previsto essere realizzato entro la prima metà del 2018, comprende la zona lungo il conoide del Fersina: in questa maniera sarà possibile differenziare i regimi di pressione tra la zona più alta di Trento fondovalle e il resto della città. L’alimentazione del nuovo distretto verrà garantita dal serbatoio San Donà, che allo stato attuale contribuisce a sostenere i consumi di tutto il fondovalle insieme al serbatoio principale della città (10.000 mc). A valle del serbatoio verrà realizzato un pozzetto presidiato da idrovalvola, che regolerà la portata in maniera tale da mantenere una pressione di 2.5 bar nel punto più basso del distretto. Il serbatoio di San Donà riceve l’acqua prelevata dal subalveo del torrente Fersina, in quantità che nell’arco delle 24 ore è superiore a
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quelli che sono i consumi del distretto; poiché si tratta di acqua disponibile per gravità, il progetto prevede la realizzazione di un pozzetto di coda con valvola regolatrice, per permettere di spillare acqua dal distretto verso il resto della città: in questa maniera sarà possibile utilizzare l’acqua senza far sfiorare il serbatoio. Allo stato attuale la regolazione del flusso principale che alimenta il fondovalle della rete di Trento, ovvero la portata in partenza dal serbatoio “10.000 mc”, viene effettuata mediante valvola regolatrice posizionata direttamente all’uscita del serbatoio: la regolazione viene eseguita automaticamente sulla base del segnale di pressione registrato nella zona a ridosso del centro storico. Siccome il tubo in partenza dal serbatoio “10.000 mc” lavora nella prima parte a canaletta (ovvero non in pressione) vi è un ritardo strutturale tra la variazione della pressione in rete e la regolazione di feedback della valvola. Inoltre la città di Trento si sviluppa lungo l’asta dell’Adige e quindi la zona a Nord risulta più alta rispetto alla zona Sud: per questo motivo risente di problemi di bassa pressione. Per risolvere queste problematiche il progetto di Novareti prevede di spostare la regolazione primaria della pressione dal serbatoio al fondovalle, realizzando un nuovo impianto: in questa maniera si potrà quindi disporre di tutta la piezometrica data dal dislivello rispetto al serbatoio, ovvero circa 50 m. La valvola lavorerà modulando la sua apertura in funzione della pressione di rete misurata subito a valle della stessa, con un’elettronica locale, quindi con maggiore precisione e con una risposta praticamente istantanea rispetto alle richieste della rete. Poiché la regolazione comporterà una riduzione della pressione di circa 1 bar, con una portata transitante per il pozzetto di regolazione che si attesta su circa 300 l/s medi, l’opera è stata concepita per prevedere l’installazione, in parallelo alla valvola, di una turbina di regolazione, che nei momenti di convenienza produrrà energia elettrica sfruttando il salto di pressione. Con queste prime opere strutturali i due nuovi distretti (la zona lungo il conoide del Fersina e il resto della città di fondovalle) beneficeranno di un regime di pressioni molto più omogeneo e di un servizio migliore; si potrà inoltre procedere alla riduzione di circa 1 bar di pressione in gran parte del fondovalle, con conseguenze assai positive nella riduzione delle perdite e nella durata della vita utile della struttura. Vista la conformazione orografica della città, con questo primo step operativo si otterrà circa l’85% dei benefici ottenibili dalla regolazione delle pres-
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sioni; ogni altro distretto reale che si realizzerà nella città, quindi, porterà effetti positivi, ma in scala minore: si procederà di conseguenza un po’ alla volta a raffinare l’assetto di rete.
IMPLEMENTAZIONE DEL MODELLO IN TEMPO REALE E DEL CONTROLLORE AVANZATO Nel momento in cui gli interventi strutturali saranno implementati (nuovo distretto per la zona lungo Fersina e nuovo impianto di regolazione principale) il sistema sarà pronto per ricevere una regolazione di alto livello, capace quindi di adattarsi al meglio a tutte le condizioni e a tutti gli stimoli che proverranno dalla rete o dall’esterno. La rete di Trento, infatti, rispetto a molti altri acquedotti di pari dimensione, è un sistema assai impulsivo, che richiede estrema competenza nella gestione, ma allo stesso tempo permette margini rilevanti di miglioramento. Ad oggi il criterio adottato per la conduzione dell’acquedotto è quello dell’assicurare con adeguato margine di sicurezza la dotazione idrica alle utenze più sfavorite: questo da un lato permette un servizio ottimale, ma dall’altro lascia ampi margini di miglioramento che, per timore di incorrere in disservizi, non vengono esplorati. I parametri che intervengono in maniera più o meno rilevante nella dinamica idraulica di un acquedotto sono principalmente i consumi dell’utenza: questi non sono noti a priori, ma possono essere caratterizzati in maniera precisa analizzando lo storico dei consumi di più anni. Poiché i consumi dipendono molto anche dalle condizioni meteo, quali la pioggia, la temperatura e l’irraggiamento solare, questi dati possono essere previsti ed acquisiti da opportune stazioni meteorologiche. Per poter tenere conto di tutte le variabili che condizionano il comportamento dell’acquedotto, e predisporne la regolazione ottimale agendo su centinaia di apparati (valvole di regolazione, pompe, etc...), è necessario disporre di un controllore che possa elaborare in tempi brevi soluzioni di massima efficienza e preparare tutte le manovre che permettano di raggiungerle. In un contesto acquedottistico in cui il servizio all’utenza è fondamentale, ed in cui non è possibile di fatto posizionare un numero altissimo di sensori per l’acquisizione dello stato della rete in
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ogni punto nevralgico, è necessario disporre anche di un modello in tempo reale: sarà lui a fornire in un numero di punti significativi e rilevanti lo stato della rete al controllore. Il modello in tempo reale sarà la copia fisica di quello off-line, ma funzionerà in continuo; in particolare acquisirà tutte le grandezze idrauliche del sistema ed elaborerà una soluzione proiettata nel futuro di circa 2- 3 ore, andando a prevedere quindi quello che dovrebbe essere lo stato della rete in funzione dei parametri noti. Qualora si incorresse in situazioni (future e virtuali) di potenziale disservizio, si genererà un allarme che farà parte delle condizioni al contorno delle simulazioni seguenti. All’istante di calcolo successivo si ripeteranno le acquisizioni di dati, ovvero le condizioni al contorno reali, e si confronteranno con quanto previsto dalle simulazioni precedenti andando a interpretare eventuali scostamenti e ad effettuare le correzioni del caso. Come si evince dallo schema di Figura 2, il controllore agirà ad un livello superiore acquisendo a sua volta tutte le informazioni provenienti sia dalla rete che dalle simulazioni del modello in tempo reale ed elaborerà la soluzione ottima, che ha come obiettivi la minimizzazione della pressione di rete (mantenendo il livello di servizio) nei vari distretti e l’utilizzo massimo delle fonti rinnovabili (nel caso in esame i pannelli fotovoltaici presso il principale campo pozzi e l’eventuale produzione idroelettrica, dopo l’installazione della turbina di regolazione). Un altro fattore molto importante sarà quello di effettuare con cadenza prestabilita, per ogni distretto della rete, il bilancio idrico giornaliero e la ricerca della portata minima erogata durante la notte: tale grandezza rappresenta infatti il dato che più caratterizza il livello di perdita nei vari distretti. Le perdite, infatti, si presentano come un livello più o meno costante all’interno dell’erogazione giornaliera, dipendendo solo dalla pressione. Durante la notte, quando i consumi sono molto minori (permangono le fontane e pochi altri utilizzi se non sporadici), le perdite di sottofondo rappresentano una porzione assai elevata dell’erogazione, assumendo il massimo peso nel punto di minimo, come prima citato. Pertanto l’analisi della distribuzione dei minimi notturni nei vari distretti, eseguita su più giorni, può far capire al sistema se vi sia stata o meno l’insorgenza di perdite in qualche zona della rete: laddove si riscontri un incremento significativo dell’erogazione minima in un distretto, che permane per più giorni, vi è l’elevata probabilità che si tratti di una nuova perdita. Se fossero
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consumi reali, infatti, dovrebbero essere generalizzati a tutti i distretti e poi rientrare su livelli normali. Questo tipo di analisi è di fondamentale importanza in quanto permetterà di segnalare in automatico alle squadre di ricerca perdite dove indirizzare la loro ricerca, andando direttamente a bersaglio, nel distretto che ha manifestato anomalie, con un incremento nell’efficienza che si può definire storico. Figura 2. Logica di funzionamento del sistema APC
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CONCLUSIONI Il progetto di creare uno strumento così sofisticato ed ambizioso nasce dall’esigenza del gestore di disporre della massima tecnologia per massimizzare l’efficienza di sistemi sempre più complessi, contenendo al contempo i costi di gestione, per permettere di investire sempre più in qualità e servizio all’utenza. Si stima che, alla fine dei lavori per la realizzazione dei distretti, il calo della pressione comporterà una riduzione delle perdite dal 15% al 10%. Il tutto si è reso possibile grazie al lavoro svolto storicamente dai tecnici di Novareti, che hanno sviluppato dei dati di base estremamente solidi e preziosi (Cartografia digitale e Telecontrollo), che hanno permesso di implementare un modello off-line assai preciso e quindi uno strumento real-time molto affidabile. Lo step successivo dell’introduzione di un controllore di livello ancora superiore, nasce dall’opportunità di supervisionare più grandezze e fenomeni in modo da garantire che tutte le variabili, sia fisiche che virtuali, possano convergere in soluzioni che rappresentano l’ottimo possibile dal punto di vista energetico, ambientale e di servizio. Lo strumento realizzato non sarà statico, ma evolverà assieme all’evoluzione fisiologica della rete, e rappresenterà un nuovo standard tecnologico da applicare un po’ alla volta su tutti gli acquedotti gestiti da Novareti.
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