Flow management and energy harvesting with the GreenValve System

Control valves are used in industrial and civil plants to control discharge and pressures in pipelines. The process through which valves are able to control the fluid dynamic parameters is flow throttling that consists of the dissipation of a certain amount of energy. In the last years’ new frontiers of water management opened the way to innovative solutions that are able to improve the efficiency of plants both from the energetic and functional points of view. In this context the GreenValveSystem project takes place. The core topic of the research is the development of the GreenValveSystem (GVS), a control valve patented by Politecnico di Milano and designed to control the flow and recover part of the energy dissipated in the process. The concept at the basis of the system is the creation of a control valve with additional functionalities that opens the way to innovative plant management strategies and improves plant efficiency. Part of the energy harvested is used to feed the instrumentations required for valve positioning according to defined, but remotely tunable, logics and to monitor the main parameters of the flow and of the system functioning. The data collected is then sent by an integrated communication system to a database for query. During PhD years the valve has been designed starting from a first prototype produced in the laboratory of hydraulic of Politecnico di Milano (LIF), then developed, with the support of a valve manufacturer, to a prototype that has the requirements for the installation on real plant. Multiple kinds of tests have been performed in the LIF to verify the effectiveness of several aspects that are the energy recovery, both mechanical and electrical performances, the quality of pressure control, the effectiveness of the control logic, the hydraulic characteristics such as cavitation aspects and flow capacity. During year 2019 three prototypes have been installed on real plants. The data collected allowed a detailed information on the functioning of the valve in a real environment and to verify the good performance of the system.

Le valvole di controllo sono dispositivi largamente diffusi in impianti industriali e civili utilizzati per il controllo del flusso e delle pressioni. Il processo attraverso il quale una valvola è in grado di regolare i principali parametri fluidodinamici è la laminazione che consiste nella dissipazione di una certa quantità di energia attraverso il dispositivo. Recentemente la necessità di rinnovamento degli impianti e delle reti hanno sollecitato la ricerca di soluzioni innovative per la loro ottimizzazione sia gestionale che funzionale ed energetica. In questo contesto prende posto il presente progetto di ricerca. L’argomento principale del lavoro è lo sviluppo del GreenValveSystem (GVS), una valvola di controllo innovativa, basata su un brevetto del Politecnico di Milano, progettata per controllare efficacemente il flusso e recuperare parte dell’energia che è necessario dissipare nel processo. L’energia recuperata viene utilizzata per l’alimentazione del sistema, in particolare della strumentazione per il posizionamneto dell’otturatore della valvola, che risponde a logiche predefinite, ma implementabili da remoto, e della strumentazione di monitoraggio e comunicazione. Lo scopo è quello di creare una valvola di controllo che metta a disposizione dei gestori alcune funzionalità aggiuntive rispetto ad una valvola di controllo standard. I dati registrati dalla strumentazione vengono raccolti e inviati dal sistema di comunicazione ad un database disponibile in cloud per effettuare interrogazioni. Durante gli anni di dottorato, la valvola, a partire da un primo prototipo eseguito presso il laboratorio di idraulica del Politecnico di Milano (LIF), è stata sviluppata per ottenere un dispositivo che avesse i requisiti per l’installazione in rete. Sono state eseguite numerose serie di test sperimentali per la valutazione delle performances della valvola sotto diversi aspetti: il recupero energetico, la funzionalità delle parti elettriche e meccaniche, la qualità del controllo della pressione, l'efficacia della logica di controllo, le caratteristiche idrauliche tra cui la resistenza alla cavitazione e la capacità idraulica. Nel 2019 sono stati installati tre prototipi in tre reti di distribuzione. I dati raccolti hanno permesso di ricavare informazioni dettagliate riguardo al funzionamento della valvola in un ambiente reale e verificarne le performances in campo.