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La regolazione della pressione ( esperienza brasiliana )
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Articoli di ingegneria idraulica
Per ridurre drasticamente le perdite occulte, male endemico degli acquedotti, è sufficiente livellare la pressione di consegna dell'acqua all'utenza per tutte le 24 ore della giornata. E' questo l'eclatante risultato che emerge dall'attività di una ditta brasiliana in alcuni interventi effettivamente realizzati e descritti nell'articolo. Senza che ce ne fosse bisogno, è dimostrata la necessita degli interventi  rivoluzionari che chi scrive questa nota và sollecitando da anni: abbandonare gli schemi classici di reti alimentate a pressione fissa con serbatoio di testata ed adottare il pompaggio diretto in rete a pressione regolata oppure, per gli acquedotti a gravità, la regolazione puntuale della pressione di esercizio tramite valvole controllate da computer.

Scritto da: Marcello Meneghin

LA REGOLAZIONE DELLA PRESSIONE NELLE RETI ACQUEDOTTISTICHE.

L'ESPERIENZA BRASILIANA


Viene riportata qui di seguito una memoria concernente l’installazione su reti di distribuzione d'acqua potabile preesistenti, una delle quali di grandissima importanza essendo quantificabili in ben 26 milioni gli abitanti da essa serviti, di un sistema completo di regolazione della pressione d’esercizio. La memoria, redatta direttamente dalla società responsabile dell'installazione e della sua gestione iniziale, viene qui fedelmente riprodotta allo scopo di non alterarne minimamente i contenuti fatte salve le inevitabili imperfezioni dovute alla traduzione in italiano, dalla lingua originale cioè dal portoghese.

Dopo aver sommariamente indicato le possibilità offerte ed i risultati ottenibili, vengono in essa descritti due interventi effettivamente realizzati in reti acquedottistiche preesistenti precisandone caratteristiche e risultati ottenuti.

Ne risulta inequivocabilmente che la regolazione della pressione delle reti di distribuzione acquedottistiche, pur essendo nel caso specifico effettuata tramite valvole di riduzione e cioè con dissipazione dei carichi idraulici in atto, presenta notevoli vantaggi sia dal punto di vista meramente economico e sia da quello gestionale. L'economia di esercizio è data dal minor fabbisogno idrico conseguente alla netta riduzione delle perdite occulte, dalla diminuzione dei piccoli guasti di rete, merito indiscusso della minore pressione notturna di esercizio ed infine dalla diminuzione, del tutto analoga, dei guasti all'interno delle abitazioni degli utenti.

Dal punto di vista tecnico-gestionale si ottengono i benefici di una maggior durata delle apparecchiature idrauliche ed inoltre di un servizio migliore per gli utenti ai quali l'acqua può essere fornita con pressioni livellate. Tali ambiziosi traguardi sono garantiti dalle esperienze fatte sul campo dalla ditta brasiliana BBL e sommariamente visibili nel sito internet bbl@bbl.com.br, la quale si propone di applicare anche in Italia la sua metodologia ed il know-how acquisito avendo un suo rappresentante commerciale in Milano ai n. Telefonici 0240915696 -3358130408

Le conclusioni finali che a questo punto si possono trarre vanno ben oltre le considerazioni sopra riportate. 

Ad avviso del sottoscritto l'elemento fondamentale che risulta inconfutabilmente dalla memoria è la prova che le perdite occulte dipendono essenzialmente dalla pressione di funzionamento delle reti acquedottistiche. A conferma di tale conclusione viene qui riportata testualmente una frase della relazione."le perdite occulte nei sistemi di distribuzione idrica sono molto più sensibili alle variazione di pressione che alle altre cause, essendo la pressione stessa uno dei parametri più importanti per le perdite e per la frequenza con cui esse si manifestano".

Se ne deduce immediatamente che la regolazione della pressione di esercizio rappresenta un’operazione essenziale  per tutte le reti acquedottistiche, sia se funzionanti a gravità sia a sollevamento meccanico e che pertanto il funzionamento a pressione di testata fissa, caratteristico della maggior parte degli acquedotti in normale servizio e che contrasta nettamente con i principi enunciati nella memoria stessa, è tecnicamente ed economicamente da considerarsi errato. Una volta stabilito quest’importantissimo concetto di base si arriva inevitabilmente alla seguente determinante considerazione: la regolazione della pressione degli acquedotti 24 ore su 24  attuata mediante installazione in rete delle valvole di riduzione è indispensabile in tutti gli acquedotti funzionanti a gravità. Per le reti il cui carico piezometrico è ottenuto tramite sollevamento meccanico, la regolazione tramite le valvole deve essere considerata, visti gli ottimi risultati che in ogni caso essa è in grado di dare, una "estrema ratio" da attuare su quelli preesistenti o nei quali non sia possibile apportare sostanziali modifiche di assetto. Invece in complessi idrici di nuova costruzione e più in generale, tutte le volte che le caratteristiche degli impianti lo consentono, si deve abbandonare lo schema idrico classico a pressione di testata fissa per adottare invece il sistema basato sulla regolazione generale della pressione di testata attuata tramite pompaggio diretto in rete a pressione variabile asservita alla pressione finale dell'acqua al domicilio dell'utenza.  Il compito affidato alle valvole di cui sopra resta, nel caso in esame, limitato alla sola regolazione minuta della pressione nelle aree nelle quali la modulazione di pompaggio ora citata risulta inefficace od insufficiente.

Dalla memoria risulta confermato un altro concetto molto importante e cioè che la maggior parte delle perdite occulte delle reti acquedottistiche ha luogo di notte quando il consumo degli utenti è minimo e la pressione, in assenza di valvole o di altri sistemi di regolazione, cresce. Infatti, nei due esempi riportati, è bastato abbassare con le valvole la pressione notturna, e soltanto quella, fino a livellarla con quella diurna per ottenerne una drastica riduzione. Come logica deduzione si arriva a concludere che le regolazioni auspicate dal sottoscritto in numerosi suoi articoli (vedi http://altratecnica.it) e basate su un ulteriore abbassamento della pressione  notturna fino a portarla ad un valore ancora più basso ed appena sufficiente per il recapito della poca acqua che viene consumata la notte, produrrebbe risultati ancora più interessanti di quelli annunciati nella memoria.

Da rilevare un ulteriore aspetto. Nella memoria si pone in risalto, anche mediante un grafico che ne quantifica i benefici, come la riduzione della pressione contribuisca anche a diminuire sensibilmente il numero di rotture in rete. A tale riguardo occorre aggiungere come tali rotture siano in genere provocate non tanto dalla pressione elevata in condotta quanto piuttosto dai colpi d'ariete che vi si verificano. Ebbene la presenza delle valvole, il cui scopo principale è quello di livellare la pressione, esplica anche una importante azione, secondaria ma altrettanto importante, di riduzione dei colpi d'ariete sia come numero che come intensità dell'onda pressoria da essi generata, azione cui si deve la citata diminuzione di rotture.



LA PRESSIONE NEI SISTEMI DI DISTRIBUZIONE DELL'ACQUA

RELAZIONE TECNICA ORIGINALE REDATTA DA BBL Engenharia (Bureau Brasileiro s/c) ltda      (bbl@bbl.com.br)


INTRODUZIONE


Di fronte alla necessità di conservazione e mantenimento delle risorse idriche, la gestione delle perdite di acqua viene ad assumere una posizione importante nel settore della distribuzione e trattamento delle acque, con necessità sempre più urgenti di ottimizzazione degli interventi da mettere in atto e nell'applicazione di tecniche di controllo.

Per le società che prestano servizio in questo settore, la riduzione delle perdite reali nel sistema di distribuzione dell'acqua è un requisito essenziale per raggiungere l'efficacia e l'efficienza nel controllo operativo del sistema, nel recupero di ricavi e nell'economia degli investimenti.

Fra le azioni sviluppate dalla società che operano nel settore per la riduzione e controllo delle perdite, il controllo della pressione è stato introdotto con grande intensità nei sistemi di distribuzione dell’acqua, ottenendo un grande successo nel raggiungimento della riduzione delle perdite reali d'acqua e per il rapido ritorno degli investimenti fatti.

Questa relazione ha come scopo presentare i concetti e l'importanza del controllo della pressione nei sistemi di distribuzione dell'acqua, i risultati ottenuti con l'applicazione di questa tecnologia dalla SABESP (*) e la presentazione dello studio di un esempio di installazione effettuato nella Regione Metropolitana della città di S Paulo (RMSP), Stato di Sao Paulo -Brasile-


(*)SABESP è la società responsabile per l' erogazione dell'acqua potabile ed il trattamento degli effluenti nella regione della città di S Paulo e non solo, servendo circa 26.000.000 di abitanti   (www.sabesp.com.br)


IL CONTROLLO DELLA PRESSIONE


L'ammontare delle perdite reali di acqua dipende dalle caratteristiche dell'infrastruttura del sistema ed in special modo dei materiali, dall'età delle reti, dalla pressione media di esercizio, dalle variazioni della pressione di esercizio, dal tipo di terreno, dagli effetti del traffico e dalle caratteristiche costruttive delle reti.

Al tempo stesso però le perdite occulte nei sistemi di distribuzione idrica sono molto più sensibili alle variazione di pressione che alle altre cause, essendo la pressione stessa uno dei parametri più importanti per le perdite e per la frequenza con cui esse si manifestano.

L'impatto che la pressione esercita sull'ammontare delle perdite è molto maggiore di quello che originalmente si pensava.  Test realizzati internazionalmente hanno dimostrato che la frequenza delle rotture aumenta rapidamente in sistemi operanti a pressioni maggiori di 35-40 metri di colonna d'acqua. La figura 1 illustra la relazione fra la frequenza delle rotture e la pressione media notturna di una campionatura di dati di una compagnia inglese.


 


Figura 1 - Relazione tra la frequenza delle rotture (in ascissa) e la pressione media notturna (in ordinata) . In rosso la frequenza media prima dell'intervento, in verde dopo.


Il controllo delle pressioni consiste non solo nelle tecniche di riduzione della pressione ma anche nelle tecniche di sostegno della pressione o controllo dell'alimentazione in modo da garantire una distribuzione di acqua regolare in termini di pressione e di volumi richiesti dai consumatori. In questo senso il sistema è progettato per operare con pressioni vicine alle condizioni di servizio minimo richiesto nei punti più sfavorevoli.

La soluzione per la razionalizzazione delle pressioni è la regolazione zona per zona della superficie piezometrica definita dal livello dell'acqua di un serbatoio, dalla quota piezometrica risultante da una centrale di sollevamento, da un booster, o da una valvola riduttrice di pressione.

In sistemi alimentati con pompaggio diretto è essenziale evitare le variazione brusche della pressione, originate dalle operazioni di attacca e stacca delle pompe. Queste operazioni accelerano oltremodo il deterioramento dell'infrastruttura delle reti aumentando significativamente il ripetersi di perdite. In questi tipi di sistemi la pressione di sollevamento deve essere programmata in funzione delle variazioni dei consumi per tutte le 24 ore.  Nei sistemi dove questa previsione non è fatta, qualsiasi diminuzione del consumo comporta un notevole aumento delle perdite.

In sistemi alimentati a gravità generalmente le fluttuazioni nell'alimentazione sono più equilibrate e le pressioni non oscillano in modo improvviso e con notevoli escursioni, se non per l'apertura o chiusura rapida delle valvole. In condizioni normali di alimentazione a gravità le perdite sono meno influenzate dal fattore pressione. Fanno eccezione a questa regola le reti dei territori montani o collinari funzionanti con elevate pressioni di esercizio le quali, a causa dei dislivelli notevoli del territorio servito da una  unica rete, presentano gli stessi inconvenienti  indicati.

I benefici dovuti al controllo della pressione sono:

- diminuzione dell'ammontare delle perdite per la diminuzione della pressione di esercizio,

- diminuzione del tasso di frequenza di nuove perdite per la diminuzione della pressione di esercizio,

- aumento di vita utile delle reti per la regolazione della pressione di esercizio con variazioni minime,

- diminuzione della frequenza di danni alle installazioni interne degli utenti causate dalla  anomala pressione della rete di distribuzione.

- miglioramento del controllo delle perdite di acqua


CONTROLLO DELLA PRESSIONE MEDIANTE INSTALLAZIONE DI VALVOLE RIDUTTRICI DI PRESSIONE


Le valvole utilizzate nel controllo della pressione sono chiamate di Valvole Riduttrici di Pressione (VRP)

La diminuzione delle perdite reali di acqua mediante la riduzione delle pressioni ottenuta con installazione di VRPs è un fenomeno conosciuto già da molto tempo dalle Società che operano nel settore acquedotti essendo una delle forme più immediate di riduzione delle perdite occulte dovute alle carenti condizioni di tenuta delle tubazioni. Si ottiene anche una diminuzione del tasso di frequenza di nuove perdite.

Oltre alla configurazione volta alla riduzione della pressione di entrata, le VRPs  possono essere destinate ad altri scopi, come sostenitrici di pressione, alleggerimento di pressione e regolatrice della portata. Si possono anche combinare due o più funzioni


Esiste nel mercato una grande varietà di valvole ed in seguito descriviamo le principali:

- VRP con uscita fissa che limita la pressione di valle ad un valore prestabilito in funzione dei parametri di regolazione fissati dal circuito di pilotaggio,

- VRP modulata con pressione di uscita variabile e configurata per mantenere un valore costante di pressione nel punto critico del sistema,

- VRP modulata in funzione del tempo . La pressione di uscita è modulata anche in presenza di  pressioni di entrata ridotte per periodi specifici in un ciclo di 24 ore.


La valvola riduttrice di pressione è un dispositivo che permette di ridurre automaticamente una pressione variabile di monte a una pressione stabile di valle per mezzo di un meccanismo di controllo meccanico o elettronico.

Nel caso di controllo meccanico della valvola, la regolazione previamente determinata è fissa, ossia garantisce una pressione a valle della valvola stabilita anteriormente, indipendentemente dalla condizioni di valle e dalla pressione di monte.  Quando invece si tratta di controllo elettronico, il lavoro della VRP è fatto attraverso programmi prestabiliti che permettono monitorare e controllare le portate e pressioni a valle della valvola garantendo le condizioni adeguate alla fornitura durante le 24 ore del giorno.

La corretta scelta del tipo di valvola e del tipo di controllo dipende da alcuni fattori: grandezza e complessità del sistema di distribuzione, conseguenze della riduzione della pressione; costo delle installazioni e manutenzione, previsioni di economia dell'acqua e condizione minima del servizio.


LA INSTALLAZIONE  DELLE VRPs EFFETTUATE  DALLA SABESP NELLA RETE ACQUEDOTTISTICA DI SAN PAOLO  DEL BRASILE


Fra le azioni per combattere le perdite reali, la riduzione e controllo delle pressioni nella rete di distribuzione di acqua e lo sviluppo tecnologico in equipaggiamento in questo settore, sono gli argomenti di studi e misure concrete del Programma di Controllo e Riduzione di Perdite della SABESP per la RMSP fin dal 1997.

Fin da quel momento il Programma di Riduzione di Pressioni, per mezzo di installazioni di VRPs nei punti critici della rete di distribuzione, ha costituito una soluzione corrente per l'adeguamento delle pressioni operative, risultando nella installazione di  n. 778 VRPs (dato del settembre 2004) che rappresenta approssimativamente una copertura del 30% della rete di distribuzione e una economia stimata di circa 3.200 l/s (economia media di 4 l/s per VRP)

Le VRPs installate rappresentano soluzioni tecnologiche che permettono il controllo preciso di pressione, fornendo risposte adeguate per i differenti scenari riferiti alle differenti richieste specifiche di ogni area posta sotto controllo .

I benefici tecnici ed economici ottenuti a partire dal momento dell’installazione delle VRPs, come esemplificato nello studio del caso presentato in seguito, giustificano azioni immediate e la ricerca costante di nuove aree per essere controllate, come pure la ottimizzazione operativa delle installazioni esistenti.


STUDIO DEL CASO: MOACI e SABIA'


L'area controllata dalle VRPs  denominate VRPs Moaci e Sabià è localizzata nel settore di fornitura Jabaquara, operata dall Unità Operativa Centro della SABESP.

Il sottosettore dell VRPs Moaci e Sabià comprende 49,10 Km di estensione della rete, con quote altimetriche che variano da 735 a 750 m, ed è rifornito attraverso due reti, essendo una di 450 mm di diametro e l'altra di 350 mm di diametro. A partire dalle caratteristiche dell'area in termini di volumi in entrata e pressioni operative in tutto il sottosettore, sono state dimensionate due VRPs, essendo una del diametro di 350 mm e l'altra del diametro di 250 mm, installate rispettivamente nelle condotte di 450 mm e 350 mm.

I parametri di regolazione dei controllori delle VRPs sono stati stabiliti per rispettare il punto critico del sottosettore entro due fasce richieste di pressione, essendo le due valvole regolate con modulazione della portata in uscita.

Questo tipo di modulazione consiste nella connessione di un misuratore di portata atto a fornire i segnali di impulso a un controllore responsabile della modulazione della pressione di uscita delle VRPs in funzione portata stessa tenendo conto automaticamente delle perdite di carico aggiuntive fra la VRP ed il punto critico.

Il grafico di portata di fig. 2 è la dimostrazione più eloquente degli effetti del controllo della pressione. La sovrapposizione dei profili prima e dopo la regolazione permette osservare l'economia di acqua ottenuta nell'area con il controllo della pressione. In questo caso l'economia ottenuta è nell’ordine di 101,48 l/s.

La figura 3 rappresenta i grafici con i risultati della regolazione per quanto riguarda il grafico della portata e della pressione nel punto critico

 

 

Figura 2 - Grafico della portata di una valvola (in ordinata) in funzione della 24 ore della giornata tipo (in ordinata) prima (con colore blu) e dopo l'installazione della valvola di regolazione (con colore giallo)


 

 

Figura 3 - Grafico della pressione (in ordinata) in funzione delle 24 0re della giornata tipo prima (con colore rosso) e dopo l'installazione della valvola di regolazione (con colore blu).


Per quanto riguarda il tempo di ritorno dell'investimento per l'installazione, allo scopo di quantificare il beneficio generato dalla stessa, si è stabilito come indicatore il parametro della portata di alimentazione del sottosettore.  Questo parametro è definito dalla sovrapposizione dei profili della portata misurata prima e dopo la regolazione delle VRPs, quali risultano in una campionatura dell'economia dell'acqua conseguita con il controllo della pressione.

A partire da questo indicatore e dai valori investiti per la installazione e la operatività dell insieme dei riduttori di pressione, il pay-back stimato in questa installazione è stato approssimativamente di 2 mesi
 
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