Strategies to improve the energy efficiency of pressurized water systems

[EN] As time goes by, the need to move water is greater and this water will be pressurized. Layout flexibility, security, quality care, control, lower environmental impact and higher efficiency justify pressurized transport rather than natural gravitational water transport. On the negative side, we find the enormous amount of energy pressurized systems require with the associated negative economic and environmental impacts. Therefore, it is crucial to minimize these impacts and that only can be achieved by improving the energy efficiency of these systems. To achieve that final goal, the first step is to perform an assessment to estimate the margin of improvement from the actual performance of the system to the maximum achievable level of efficiency [1]. The second step is to perform an energy audit in order to identify exactly how the energy is used and where it is lost [2], with the third step being identification of the different actions that can be implemented in practice in a system. The final step is to perform the cost benefit analysis of the selected actions to prioritize execution. The focus of attention of this paper is on the third step, actions that can be classified in operational actions (do not require investments) and structural actions (require investments).Cabrera Marcet, E.; Gomez Selles, E.; Espert Alemany, VB.; Cabrera Rochera, E. (2017). Strategies to improve the energy efficiency of pressurized water systems. Procedia Engineering. 186:294-302. doi:10.1016/j.proeng.2017.03.248S29430218

Graphical method to calculate the optimum replacement period for water meters

Calculating the optimum replacement period of meters has always been a major concern for water utility managers. Its determination is time-consuming and requires multiple calculations. This note presents a graphical method to obtain, in a simple but accurate manner, the optimum replacement period of installed meters. For this purpose, a chart has been produced, in which the most in¿uencing variables are considered. These variables include the degradation rate of the weighted error of the meters, the selling price of water, the acquisition and installation cost of the meters, the volume consumed by the users and the discount rate. The chart also allows for a quick sensitivity analysis of different options. For example, by plotting straight lines it is possible to determine by how much the optimum replacement frequency of a meter would change if it degrades at a different rate than expected or if the selling price of water increases.Spanish Ministry of Science and Innovation, through Project No. CGL2008-01910.Arregui De La Cruz, F.; Cobacho Jordán, R.; Cabrera Rochera, E.; Espert Alemany, VB. (2011). Graphical method to calculate the optimum replacement period for water meters. Journal of Water Resources Planning and Management. 137(1):143-146. https://doi.org/10.1061/(ASCE)WR.1943-5452.0000100S143146137

Energy Assessment of Pressurized Water Systems

[EN] This paper presents three new indicators for assessing the energy efficiency of a pressurized water system and the potential energy savings relative to the available technology and economic framework. The first two indicators are the ideal and real efficiencies of the system and reflect the values of the minimum energy required by users the minimum amount of energy to be supplied to the system (because of its ideal behavior) and the actual energy consumed. The third indicator is the energy performance target, and it is estimated by setting an ambitious but achievable level of energy loss attributable to inefficiencies in the system (e.g., pumping stations, leakage, friction loss). The information provided by these three key performance indicators can make a significant contribution towards increasing system efficiency. The real efficiency indicator shows the actual performance of the system; the energy performance target provides a realistic goal on how the system should be performing; and finally, the ideal efficiency provides the maximum and unachievable level of efficiency (limited by the topographic energy linked to the network topography). The applicability and usefulness of these metrics will be demonstrated with an application in a real case study.The authors acknowledge the very valuable contributions made by the reviewers of this paper, because their comments and suggestions have helped to significantly improve the contents. Additionally, we thank the staff of Aguas de Valencia for providing helpful advice and real case studies used to tune the software tool developed based on this paper. And last but not least, the research leading to these results received funding from the European Union Seventh Framework Programme (FP7/2007-2013) under grant agreement number 265122. The translation of this paper was funded by the Universitat Politècnica de València, Spain.Cabrera Marcet, E.; Gomez Selles, E.; Cabrera Rochera, E.; Soriano Olivares, J.; Espert Alemany, VB. (2014). Energy Assessment of Pressurized Water Systems. Journal of Water Resources Planning and Management. 141(8):1-12. https://doi.org/10.1061/(ASCE)WR.1943-5452.0000494S112141

Large pipelines filling model

[EN] The filling of pipelines must be made in conditions of maximum safety, since it is a delicate operation that can generate important system overpressures. The need, therefore, arises to design a filling protocol for big pipelines, which requires the use of a mathematical simulation model. The model is able to predict the evolution of pressure and flow during operation, as well as the filling time with enough precision, having compared the results with experimental data obtained on the field and those that the Allievi model provides, which uses the piston model as well as the method of characteristics. A restriction of this method is the application to a section of constant slope with a maximum of five suction cups distributed along the pipeline.[ES] El llenado de conducciones debe realizarse en condiciones de máxima seguridad, ya que es una operación delicada que puede generar importantes sobrepresiones en el sistema. Surge por tanto la necesidad de elaborar un protocolo de llenado de grandes conducciones, que requiere utilizar un modelo matemático de simulación. El modelo es capaz de predecir la evolución de presión y caudal durante la operación, así como el tiempo de llenado con bastante precisión, habiéndose comparado los resultados con datos experimentales obtenidos en campo y los que proporciona el programa Allievi, el cual utiliza el modelo pistón y el método de las características. El modelo elaborado tiene como limitación la aplicación a un tramo de pendiente constante con un máximo de cinco ventosas distribuidas a lo largo de la conducción.La elaboración del modelo matemático referido en el presente artículo para el cálculo del tiempo de llenado de una tubería, así como los ensayos de llenado de tuberías, forman parte de un Contrato de Investigación y Desarrollo entre la empresa Global Omnium y la Universitat Politècnica de València, para elaborar un protocolo de llenado y vaciado de grandes conducciones.Romero Sedó, AM.; Arrué, P.; García-Serra, J.; Espert, VB.; Biel, F. (2018). Modelo de llenado de grandes conducciones. Ingeniería del Agua. 22(4):239-254. doi:10.4995/ia.2018.9642SWORD239254224Abreu, J., Cabrera, E., Espert, V.B., García-Serra, J., Sanz, F. 2012. Transitorios Hidráulicos. Del régimen estacionario del golpe de ariete. Editorial UPV, Valencia, Spain.Arrué, P., Romero, A.M., Espert, V., García-Serra, J., Ponz, R. 2017. Caracterización de ventosas de admisión y expulsión de aire. V Jornadas de Ingeniería del Agua, Octubre 25-26, A Coruña, Spain, 233-234.Asociación Española de Normalización y Certificación - AENOR. 2001. UNE-EN 1074-1: Válvulas para el suministro de agua. Requisitos de aptitud al uso y ensayos de verificación apropiados. Parte 1: Requisitos generales. Madrid, Spain.Asociación Española de Normalización y Certificación - AENOR. 2001. UNE-EN 1074-2: Válvulas para el suministro de agua. Requisitos de aptitud al uso y ensayos de verificación apropiados. Parte 2: Válvulas de seccionamiento. Madrid, Spain.Asociación Española de Normalización y Certificación - AENOR. 2012. UNE-EN 1267. Válvulas industriales. Ensayo de resistencia al flujo utilizando agua como fluido de ensayo. Madrid, Spain.Harrison L. P. 1965. Fundamental Concepts and Definitions Relating to Humidity and Moisture Measurement and Control in Science and Industry. Proc. Int. Symp. On Humidity and Moisture, Vol.3 Fundamentals and Standards, Reinhold, New York, 3-256.Hyland, R.W., Wexler, A. 1983. Formulations for the thermodynamic properties of the saturated phases of H2O from 173.15K to 473.15K. ASHRAE Trans. 89, 500-519.Iglesias-Rey, P. L., Fuertes-Miquel, V. S., García-Mares, F. J., Martínez-Solano, J. J. 2014. Comparative Study of Intake and Exhaust Air Flows of Different Commercial Air Valves. Procedia Engineering, 89, 1412-1419. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2014.11.467International Organization for Standardization. 2008. ISO 9644 Agricultural irrigation equipment. Pressure losses in irrigation valves. Test method. Geneva, Switzerland.Izquierdo, J., Fuertes, V. S., Cabrera, E., Iglesias, P. L., Garcia-Serra, J. 1999. Pipeline start-up with entrapped air. Journal of Hydraulic Research, 37(5), 579-590. https://doi.org/10.1080/00221689909498518Tran, P. D. 2016. Pressure Transients Caused by Air-Valve Closure while Filling Pipelines. Journal of Hydraulic Engineering, 143(2), 04016082. https://doi.org/10.1061/(ASCE)HY.1943-7900.0001245.U.S. Standard atmosphere. 1976. National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA), National Aeronautics and Space Administration (NASA), and the United States Air Force. Available from National Geophysical Data Center, Boulder, CO. Washington DC. EEUU.Wu, Y., Xu, Y., Wang, C. 2015. Research on air valve of water supply pipelines. Procedia Engineering, 119, 884-891. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2015.08.959Zhou, L., Liu, D. 2013. Experimental investigation of entrapped air pocket in a partially full water pipe. Journal of Hydraulic Research, 51(4), 469-474. https://doi.org/10.1080/00221686.2013.78598

Sustitución de bombeos aspirando de depósitos de rotura de carga por bombeos con aspiración directa de red. El caso de la estación de bombeo de Adsubia-Cabanes (Jávea)

[ES] En sistemas de distribución de agua urbanos, en los puntos donde la presión es insuficiente para abastecer adecuadamente una parte de la red, se instalan estaciones de bombeo que refuerzan la presión solamente en esta parte del sistema. Es el caso, por una parte, de los grupos hidropresores instalados en edificios altos, mediante los cuales se puede suministrar sin problemas a partir de aproximadamente el tercero o cuarto piso. Y por otra parte están las estaciones de bombeo que impulsan el agua de la red hacia sectores con cota elevada, los cuales no pueden ser suministrados directamente desde el o los puntos de cabecera del sistema. Tanto en unos casos como en otros la aspiración de los grupos de bombeo se puede realizar desde depósitos a presión atmosférica, los cuales se alimentan del agua de la red (depósitos de rotura de carga), o bien aspirando directamente de la propia red. En el caso del bombeo desde depósitos de rotura de carga el agua de alimentación de los grupos de bombeo se despresuriza al entrar al depósito, perdiendo la energía de presión de la que dispone en el interior de la red (Cobacho et al., 2012). En este caso los transitorios de puesta en marcha o parada de los grupos de bombeo no afectan al sistema de distribución. En el caso de aspiración directa de red se aprovecha la energía de presión del agua aspirada, con lo cual la altura de bombeo y la energía consumida en la impulsión son menores. Esta es una razón importante que justifica la adopción de esta solución, máxime con el ahorro en potencia contratada y en consumo energético que se puede conseguir. Además, de esta manera se contribuye a la reducción de emisiones de gases de efecto invernadero que supone el ahorro en consumo energético (Basupi et al., 2014). Pero en contra de esta solución actúa el hecho de que los transitorios originados por las maniobras de los grupos de bombeo pueden llegar a afectar a la red (Davis, 210; Soriano et al., 2014), lo que obliga en instalaciones de importancia a disponer de adecuados sistemas de protección contra transitorios hidráulicos. En este sentido, la presente comunicación trata sobre la sustitución de los grupos de la estación de bombeo de Adsubia-Cabanes, la cual ha estado aspirando de un depósito de rotura de carga alimentado desde la red de distribución de agua potable de Jávea, por nuevos grupos de bombeo con aspiración directa de red. Se definen además los sistemas de protección contra transitorios hidráulicos a instalar tanto en la parte de aspiración como en la de impulsión de la estación de bombeo modificada, en los cuales se combinan calderines con válvulas de protección. Para llevar a cabo el estudio se utiliza el programa Allievi para cálculo y simulación de transitorios hidráulicos.Espert Alemany, VB.; Henarejos Cardona, J.; Cabrera Marcet, E.; Ladrón De Guevara Diego, P. (2015). Sustitución de bombeos aspirando de depósitos de rotura de carga por bombeos con aspiración directa de red. El caso de la estación de bombeo de Adsubia-Cabanes (Jávea). Universidad de Córdoba. 1005-1014. http://hdl.handle.net/10251/141657S1005101

Metodología para la calibración de modelos de calidad de aguas

[ES] Se presenta una metodología para calibrar modelos de dispersión de contaminantes en cauces receptores unidimensionales (modelos de calidad de aguas). Esta metodología está basada en la diferenciación de las variables que afectan a dicha calibración en parámetros internos al modelo (coeficientes semiempíricos que intervienen en las ecuaciones y proceden de la bibliografía); y parámetros externos o mediciones en el medio representado, que también intervienen en las ecuaciones del modelo. Para los parámetros internos se realiza una búsqueda mediante la técnica del algoritmo genético y los parámetros externos se considera que afectan a la precisión de los resultados mediante el análisis de incertidumbre. Este análisis de incertidumbre permite conocer la varianza de los resultados calculados y definir un criterio objetivo para determinar si el proceso de calibración ha terminado. Para avalar el modelo y metodología, se presentan los resultados de la modelación y calibración de los procesos ligados a la dinámica del Oxígeno Disuelto en un cauce de la Comunidad Valenciana. El ajuste que experimenta el modelo con la realidad que se mide, tras haber implementado la sistemática de calibración propuesta, es muy satisfactorio y abre un campo hacia las posibilidades de autocalibración de los modelos de calidad de aguas.López Jiménez, PA.; Espert Alemany, VB.; Carlos Alberola, MDM.; Martínez Solano, FJ. (2003). Metodología para la calibración de modelos de calidad de aguas. Ingeniería del agua. 10(4):501-516. https://doi.org/10.4995/ia.2003.2593OJS501516104Beasley, D.; Bull, D.; Martin, R. (1993). An Overview of Genetic Algorithms. Part 2. Research Topics. University Computing, Vol 15, Nº 4. Pp 170-181.Bowie, G.L.; Mills, W.B. (1985). Rates, Constants and Kinetics Formulations in Surface Water Quality Modelling. Second Edition. Ed. EPA.Canal de Isabel II. (1992). GRYM. Un modelo para la gestión de la calidad de los ríos de la Comunidad de Madrid.Chapra, S.C. (1997). Surface Water Quality Modelling Mc. Ed. Graw-Hill. New York.Engelhardt, M.O.; Dandy, G.C. (1999). The developement of an Optimal Strategy to Schedulle Main Replacements. En el libro: Water Industry Systems: Modelling, optimization and aplications. Savic, D. y Walters, G. Editores. Ed. Research Studied Press LTD.Ferreira, J.S.; Costa, M. Lobo, F.; Câmara, A. (2002) Estuarine Transport model calibration using genetic algorithms. Hydroinformatics.Goldberg, D.E. (1989). Genetic Algorithms search, optimisation and machine learning. Addison-Wesley Publishing Co. Reading. Mass.Holland, J. (1975). Adaptation in natural and artificial systems. Ann Arbor. University of Michigan Press.López, P.A. (2001). Metodología para la calibración de modelos matemáticos de dispersión de contaminantes incluyendo regímenes no permanente. Tesis doctoral. Universidad Politécnica de Valencia.Mac Berthouex; P., Brown, L. (1994). Statistics for Environmental Engineers. Lewis Publishers. U.S.A.Mulligan, A.; Brown, L. (1998). Genetic Algorithms for calibrating water quality models. Journal of Environmental Engineering. ASCE 1998. Vol 3 pp 202-211.Robinson, S. (1999). Simulation, verification, validation and confidence. A tutorial. Transactions of the Society of Computer Simulation International. Volume 16. Nº2, pp 63-69.Rocha, F. (1997). Modelaçao da Eutrofizaçao do rio Guadiana. Aplicaçao de técnicas heurísticas de optimizaçao à calibraçao do modelo. Tese de especialista. Laboratorio Nacional de Engenharia Civil. Lisboa. Portugal

Método para la obtención de las curvas características de ventosas mediante ensayos en laboratorio

[ES] En este trabajo se propone y describe un método para la obtención experimental de las curvas que relacionan la presión en el interior de la tubería con el caudal másico expulsado o admitido por ventosas. El método de ensayos se caracteriza por su capacidad para reproducir las condiciones termodinámicas que se darían en el funcionamiento normal de las ventosas en redes de distribución de agua a presión. Mediante el procedimiento descrito, se ensayaron 35 modelos comerciales de ventosas de diámetros comprendidos entre 50 y 100 mm. Se presentan las curvas obtenidas, tanto en ensayos de admisión como de expulsión de aire, y se comparan los resultados con los datos proporcionados por los fabricantes.Arrue-Burillo, P.; Romero-Sedo, A.; Espert Alemany, VB.; García-Serra García, J.; Ponz Carcelén, R.; Biel Sanchís, F. (2020). Método para la obtención de las curvas características de ventosas mediante ensayos en laboratorio. Tecnoaqua. 1(41):2-10. http://hdl.handle.net/10251/171674S21014

Caracterización experimental de flujos de admisión y expulsión de aire en ventosas

[EN] The present paper summarizes the results obtained in air release and admission tests in air valves with diameter between 50 and 150 mm. The pressure-flow curves are presented and the pressure values at which dynamic closure is produced (before the water reaches the air valve) in the cases it occurs, as well as the pressure values at which the first float closes in non-slam air valves. Finally, the aforementioned values are compared with those listed in the manufacturers¿ catalogues.[ES] El presente artículo resumen los resultados obtenidos en ensayos de expulsión y admisión de aire en ventosas de entre 50 y 150 mm de diámetro. Se presentan las curvas presión-caudal y los valores de presión a los que se produce cierre dinámico (antes de que llegue el agua a la ventosa) en los casos en los que éste tiene lugar, así como también los valores de la presión a la que se produce el cierre del primer flotador en el caso de ventosas non-slam. Finalmente, se comparan los citados valores con los que figuran en los catálogos de los fabricantes.Arrue-Burillo, P.; Romero-Sedo, A.; Espert Alemany, VB.; García-Serra García, J.; Ponz Carcelén, R.; Biel Sanchís, F.; Alonso Campos, JC. (2019). Caracterización experimental de flujos de admisión y expulsión de aire en ventosas. Tecnoaqua. 1(35):74-82. http://hdl.handle.net/10251/160579748213

Simulation of the turbines transient operation using the allevi program

[EN] When designing hydroelectric power plants it is fundamental to simulate the system behavior in unsteady conditions following a total load rejection. The main objective of this simulation is to define wicket gates closure laws that allow the system to meet certain design specifications. To carry out this simulation the turbine characteristic curves should be used, which are obtained from the hill diagrams of turbines geometrically similar to those to be installed. The Allievi program can be used to carry out this simulation, extrapolating the turbine hill diagram beyond the area covered by the available data. In this paper the simulation of three Francis turbines total load rejection is presented, showing the capabilities of the program and its possibilities to be used in hydropower projects.Espert Alemany, VB.; Koelle, E.; Soriano Olivares, J.; Cabrera Marcet, E. (2014). Simulation of the turbines transient operation using the allevi program. PCH Notícias & SHP News. 60(1):8-13. http://hdl.handle.net/10251/103130S81360

Discussion of "Measuring energy efficiency in urban water systems using a mechanistic approach" by Leon F. Gay nad Sunil K. Sinha

Se analiza un artículo publicado en la Revista y se evidencia que los indicadores propuestos por los autores no tienen demasiado sentido. En su lugar se proponen indicadores alternativos.Cabrera Rochera, E.; Cabrera Marcet, E.; Espert Alemany, VB.; Pardo, MÁ. (2013). Discussion of "Measuring energy efficiency in urban water systems using a mechanistic approach" by Leon F. Gay nad Sunil K. Sinha. Journal of Infrastructure Systems. 19(6):503-505. doi:10.1061/(ASCE)IS.1943-555X.0000072S50350519