Analisi sperimentale dei parametri di controllo del sistema GreenValve

The development of new strategies in order to control pressures in water distribution is a special topic that has got a lot of interest in the last few years. The control of pressures, in fact, is becoming more and more dynamic due to the willing of managers to reduce dispersions along the whole water network. In particular, a too high pressure can cause a pipe to break and a consequence leak of fluid, whilst, a too low pressure can cause problems to the users so, at the end, a more balanced pressure means less waste of resources. In order to avoid all these problems a new kind of regulation valves have been created; they are called PRV (Pressure Reducing Valves) and allow to handle the downstream pressure to prevent overpressure on the upstream side of the valve. The device that has been studied in this thesis has, in fact, the same basic characteristics of these valves. Specifically, it’s a ball valve containing an impeller that allows energy recover during the normal regulation process and, thanks to the presence of a generator, to transform it into electric energy. The prototype, patented by Prof. Stefano Malavasi of the Politecnico di Milano, has been called “GreenValve”. On this device there’s a full experimental programme complete with lab tests in order to verify its proper functioning; activities which are for sure primary to a real field installation. The valve has been integrated with an actuator (an electric dispositive that governates its closure and opening) which is connected to a pc that analyses the input data coming from the pressure sensors. The main topic of this thesis is the experimental analyses and the performance evaluation of the GreenValve in its automatic mode, meaning, when a value of pressure is being set and that it must be kept constant. Depending on the value of the signal coming from the downstream pressure sensor, the system will command the electric actuator that, consequently, will operate the valve (by opening or closing the ball). In the document there’s also an estimation of times of reaction of the valve in order to evaluate the overpressures that can occur in the system. The thesis starts with a generic introduction of the GreenValve device followed by a bibliographic research on the PRVs and a comparison between the two of them with the main aim to valuate which one is a better solution to “old” water systems problems. After a quick description of the lab and the softwires used in the acquisition process, two different kinds of experimental analyses are presented in order to get to conclusions and to delineate the future steps towards a real field installation of the GreenValve.

Una delle tematiche che recentemente riscuote maggiore interesse nell'ambito delle reti di distribuzione riguarda lo sviluppo di strategie per la gestione delle pressioni. Il controllo delle pressioni si sta spostando sempre più in direzione di una gestione dinamica. La ragione principale di questa tendenza riguarda la volontà dei gestori di ridurre le dispersioni di risorsa lungo le condotte. Una pressione più bilanciata significa minore spreco di risorsa idrica. In particolar modo una pressione troppo elevata può aumentare le probabilità e i rischi dovuti a una rottura delle tubazioni, quindi perdite di fluido. Viceversa una pressione troppo bassa può creare un problema relativo alla consegna dell’acqua richiesta dai diversi utenti ed eventuali problemi di infiltrazione. Per questo motivo sono presenti negli impianti le valvole di regolazione di pressione chiamate anche PRV (Pressure Reducing Valves) che permettono di gestire la pressione di valle per evitare il verificarsi di sovrapressioni elevate nella rete e limitare in generale le pressioni di esercizio. In questo contesto è stato possibile sviluppare il dispositivo di cui mi sono occupato nel lavoro di tesi. Il dispositivo è una valvola a sfera che al suo interno contiene una turbina, la quale permette il recupero di energia durante il processo di regolazione e consente di sfruttarla sotto forma di energia elettrica. Questo prototipo, brevettato dal professore Stefano Malavasi del Politecnico di Milano, prende il nome di GreenValve, le caratteristiche del dispositivo lo vedono protagonista nell’ambito di temi attuali quali il recupero di energia dispersa e la modernizzazione delle reti di distribuzione. Su questo prototipo vi è un ampio progetto di ricerca sperimentale che comprende l'esecuzione delle prove di laboratorio necessarie per la verifica del corretto funzionamento del dispositivo, attività essenziale per la futura installazione su un impianto reale. Per permettere alla valvola il funzionamento corretto come dispositivo di controllo si inserisce un attuatore che è uno strumento elettrico collegato alla valvola che manovra l’apertura e la chiusura della stessa. L'attuatore viene regolato da una logica di controllo basata sull'utilizzo di un pc che analizza i dati di ingresso provenienti dai sensori. In questo caso i sensori considerati sono sensori di pressione. Il mio lavoro di tesi riguarda principalmente l'analisi sperimentale del dispositivo e la valutazione delle performance della valvola in modalità automatica, cioè quando viene impostato un valore di pressione, in questo caso quella a valle della valvola, da mantenere costante. Il sistema a seconda del segnale proveniente dal sensore di pressione di valle della valvola comanderà l'attuatore elettrico che movimenta la valvola, per aprire o chiudere la sfera a seconda del rapporto tra pressione target e pressione attuale. La logica di movimentazione della valvola è basata sull'impostazione di alcuni parametri di funzionamento, il mio lavoro di tesi prende in esame l’analisi di questi parametri per valutare il loro effetto sulle performance di regolazione del dispositivo. La definizione e la stima di alcuni tempi caratteristici di reazione della valvola ha permesso la valutazione delle sovrappressioni che possono generarsi nel sistema a valle della valvola. Un altro punto affrontato nel lavoro è stato la valutazione dell'incertezza legata alla stima della portata attraverso l'utilizzo del sistema GreenValve. L’elaborato inizia con un’introduzione generale sulla Green Valve, segue poi una ricerca bibliografica sulla PRV e un confronto tra PRV e il nuovo sistema GVS per valutare le migliorie che esso può portare in caso di sostituzione del “vecchio” sistema. Successivamente dopo una descrizione del laboratorio, dei software utilizzati per l’acquisizione e l’elaborazione dati, vengono presentate tutte le tipologie di prove sperimentali effettuate in modo da poter trarre delle conclusioni utili ad effettuare i passi successivi verso l’installazione in campo.