DESARROLLO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MODELO REALISTA DE DEMANDAS Y FUGAS DEPENDIENTES DE LA PRESIÓN PARA REDES DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA URBANA

[EN] In urban water supply networks, the demanded flow and the latent leakage flow depend on the available pressure on the user's node. So when due to different circumstances (pipe breakage, pumps detention...) a pressure reduction occurs in the network, the real consumed flow can decrease considerably because the pressure may be insufficient to fully meet the users' demand. In this case it is said that the network is working under insufficient pressure conditions. Otherwise, in normal conditions, when the demand is fully satisfied, if pressure increases in the sevice conection, consume will slightly increase. Similarly, the latent leakage flow of the network will be higher as the pressure increases and vice versa. Traditional simulation models do not take into account this circumstance and suppose that demand is constant and independent of pressure, which represents an important limitation thereof. Due to this fact, it is necessary to have more realistic hydraulic simulation models that are able to model the behavior of urban distribution water networks under any operation and supply pressure conditions. In this work there have been reviewed the proposed PDD functions so far by various authors, it has been analyzed the behavior of demand as a function of pressure, from the theoretical and experimental point of view on a real network, and have been proposed some new functions that fit the analyzed behavior and also has the necessary mathematical properties to be integrated in a model. The proposed function has adjustment parameters that make it able to be adapted to different housing typologies, according to the heights, existence of pump or not, etc. In the work there have been tabulated the adjustment parameters for different housing typologies, so that they can be used without real information. This PDD function has been adjusted to the particular case of the network of Valencia, where during four months there have been made assays in a sector of the distribution network. After establishing a modification of pressure program its influence on the user's demand has been analyzed, for what the information given by the telemetry counters installed in this sector has been very important. Also, the pressure has been correlated with the leakage flow and the exponent of the potential law has been adjusted. Finally, it has been proposed a practical methodology to implement an integrated model of demands and leakages dependent of pressure from practical information available in any supply network. This model is able to provide, in every node of the network and under any regulation condition, the value of the pressure and the consumed flow, moreover, this last one is dissected in the terms that compose it (leakages, registered demand and non-registered demand). An additional data that the model provides is the deficit or surplus of the users' demand. The simulation of the network has been made under any operation circumstance, so the model is also valid in situations as transport pipe breakage, to analyze its impact in the demand fulfilling grade or analyzing the repercussion of a leakage management policy in both leakage and demand levels. Simulations that can't be done with a traditional model of fixed demands.[ES] En los sistemas de distribución de agua urbanos tanto el caudal demandado por los usuarios como el caudal de fugas latentes dependen de la presión disponible en la red. Cuando por diversas circunstancias (rotura de tubería, parada de bombas¿) se produce una reducción de presión, el caudal real consumido puede llegar a disminuir considerablemente debido la falta de presión para satisfacer por completo la demanda. En este caso se dice que la red trabaja en condiciones de insuficiencia de presión. Por otra parte, en condiciones normales, donde la demanda es plenamente satisfecha, si aumenta la presión en la acometida el consumo de agua del usuario se incrementará ligeramente. Del mismo modo, el caudal de fugas latente en la red será tanto mayor cuanto más elevada sea la presión y viceversa. Los modelos de simulación hidráulicos tradicionales no tienen en cuenta esta circunstancia y suponen que toda la demanda de agua es constante e independiente de la presión, lo cual representa una limitación importante de los mismos, sobre todo cuando se trata de simular situaciones de emergencia. Es necesario pues disponer de modelos de simulación hidráulicos más realistas, que puedan modelizar el comportamiento de las redes de distribución de agua urbana bajo cualquier condición de operación y presión de suministro. En este trabajo se han revisado las funciones DDP propuestas hasta la fecha por distintos autores, se ha analizado el comportamiento de la demanda en función de la presión desde el punto de vista teórico y experimental sobre una red real y se ha propuesto una nueva función que se ajusta al comportamiento analizado, a la vez que cumple una serie de propiedades matemáticas que permite integrarla en los modelos hidráulicos garantizando la estabilidad de los cálculos. La función propuesta dispone de varios parámetros de ajuste que permiten adaptarla a diferentes tipologías de viviendas, de acuerdo al nivel social o de equipamiento, al número de alturas, existencia o no de grupo de bombeo, etc. En el trabajo se han tabulado los parámetros de ajuste para distintas tipologías de suministro, a fin de que puedan ser empleados a falta de información real de campo. También la función DDP propuesta se ha ajustado al caso particular de la red de Valencia, donde durante cuatro meses se han realizado ensayos en un sector de consumo. Tras establecer un programa de modificación de la presión se ha analizado su influencia sobre la demanda de los usuarios. Para ello ha sido clave la información proporcionada por la telemedida de los contadores domiciliarios instalados en este sector. Además, se ha correlacionado la presión con el caudal de fugas y se ha ajustado el exponente de la ley potencial. Finalmente se ha propuesto una metodología práctica para implementar un modelo integrado de demandas y fugas dependientes de la presión a partir de la información fácilmente disponible en cualquier abastecimiento moderno. Este modelo es capaz de proporcionar, en todos los nudos de la red y bajo cualquier condición de regulación, la evolución del valor de la presión y el caudal real consumido, con el valor añadido de que este último es diseccionado en los términos que lo integran (fugas, demanda registrada y demanda no registrada). Otro dato adicional que proporciona el modelo es la evaluación del déficit o superávit de demanda de los usuarios para cada escenario. Al simular el comportamiento de la red bajo cualquier circunstancia de operación, el modelo es aplicable en situaciones de emergencia como la rotura de una tubería de transporte a fin de analizar su impacto en el grado de satisfacción de la demanda de los usuarios o para analizar la repercusión de una política de gestión de la presión tanto sobre el nivel de fugas como sobre la demanda. Simulaciones que no pueden realizarse con un modelo tradicional de demandas fijas.[CA] En els sistemes de distribució d'aigua urbans tant el cabal demandat pels usuaris com el cabal de fugues latents depenen de la pressió disponible en la connexió. Quan, per diverses circumstàncies (trencament de canonada, parada de bombes...) es produeix una reducció de pressió a la xarxa, el cabal real consumit pot arribar a disminuir considerablement a causa de que la pressió pot ser insuficient per satisfer del tot la demanda. En aquest cas es diu, que la xarxa treballa en condicions d'insuficiència de pressió. D'altra banda, en condicions normals, quan la demanda és plenament satisfeta, si augmenta la pressió en la connexió, el consum de l'usuari augmentará lleugerament. De forma anàloga, el cabal de fugues latent de la xarxa serà més gran com més elevada siga la pressió i viceversa. Els models de simulació hidràulics tradicionals no tenen en compte aquesta circumstància i suposen que tota la demanda d'aigua és constant i independent de la pressió, la qual cosa representa una limitació important dels mateixos. Cal doncs disposar de models de simulació hidràulics més realistes, que puguen modelitzar el comportament de les xarxes de distribució d'aigua urbana sota qualsevol condició d'operació i de pressió de subministrament. En aquest treball s'han revisat les funcions DDP proposades fins avui per diferents autors, s'ha analitzat el comportament de la demanda en funció de la pressió, des del punt de vista teòric i experimental sobre una xarxa real, i s'ha proposat una nova funció que s'ajusta al comportament analitzat alhora que disposa de les propietats matemàtiques necessàries per a ser integrades en un model. Aquesta funció proposta disposa de paràmetres d'ajust que permet adaptar-la a diferents tipologies d'habitatges, d'acord al nombre d'altures, existència o no de grup de pressió, etc. En el treball s'han tabulat els paràmetres d'ajust per a diferents tipologies d'habitatge, a fi que puguen ser emprats a falta d'informació real de camp. Aquesta funció DDP s'ha ajustat al cas particular de la xarxa de València, on durant quatre mesos s'han realitzat assajos en un sector de la xarxa d'abastament. Després d'establir un programa de modificació de la pressió s'ha analitzat la seua influència sobre la demanda dels usuaris per a això ha sigut clau la informació proporcionada per la telemesura dels comptadors domiciliaris instal·lats en aquest sector. A més s'ha correlacionat la pressió amb el cabal de fugues i s'ha ajustat l'exponent de la llei potencial. Finalment s'ha proposat una metodologia pràctica per implementar un model integrat de demandes y fugues dependents de la pressió a partir de la informació pràctica disponible en qualsevol abastiment. Aquest model és capaç de proporcionar, en tots els nusos de la xarxa i sota qualsevol condició de regulació, el valor de la pressió i el cabal consumit, amb el valor afegit que aquest últim és disseccionat en els termes que l'integren (fugues, demanda registrada i demanda no registrada). Una altra dada addicional que proporciona el model és el dèficit o superàvit de demanda dels usuaris. Com es simula la xarxa sota qualsevol circumstància d'operació, el model és molt vàlid en situacions com el trencament d'una canonada de transport a fi d'analitzar el seu impacte en el grau de satisfacció de la demanda dels usuaris o analitzar la repercussió d'una política de gestió de la pressió tant en el nivell de fugues com en el demanda. Simulacions que no poden fer-se amb un model tradicional de demandes fixes.Conejos Fuertes, P. (2015). DESARROLLO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MODELO REALISTA DE DEMANDAS Y FUGAS DEPENDIENTES DE LA PRESIÓN PARA REDES DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA URBANA [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/59798TESI

Applied Strategy to Characterize the Energy Improvement Using PATs in a Water Supply System

[EN] Sustainable development has been an idea raised in recent years. The results are related to the improvement and the use of new technologies to maximize efficiency in water management. However, energy consumption has been increasing as a consequence of new management and uses of water. Especially in pressurized water distribution systems, the use of pressure reduction valves (PRVs) increases the water usage efficiency but it decreases the energy consumption efficiency, since the valves dissipate energy that could be recovered. This research presents a proposal of a recovery system based on the installation of pumps used as turbines (PATs). These machines are located in different points of the high-pressure water distribution system in the Valencia Metropolitan System (Spain). An annual estimate of the theoretical recoverable energy as well as the "ideal" pump for each point were proposed. The theoretical recovered energy value was 847,301 kWh/year for a specific analyzed point. Besides, the characteristic curves of thePATsfrom a selected point were determined, estimating an improvement in the sustainable indexes. The calculus of these green parameters showed that the implementation of this solution caused a reduction in consumed energy of 1.50 kWh/m(3).Authors greatly acknowledge financial support from the "Catedra Aguas de Valencia" in the grant "Analysis of recoverable hydraulic energy using recovery systems in supply systems" for the first author of this contribution.Camilo Rosado, LE.; López Jiménez, PA.; Sánchez-Romero, F.; Conejos Fuertes, P.; Pérez-Sánchez, M. (2020). Applied Strategy to Characterize the Energy Improvement Using PATs in a Water Supply System. Water. 12(6):1-22. https://doi.org/10.3390/w12061818S122126Biggs, E. M., Bruce, E., Boruff, B., Duncan, J. M. A., Horsley, J., Pauli, N., … Imanari, Y. (2015). Sustainable development and the water–energy–food nexus: A perspective on livelihoods. Environmental Science & Policy, 54, 389-397. doi:10.1016/j.envsci.2015.08.002Gupta, A. D., & Kulat, K. (2018). Leakage reduction in water distribution system using efficient pressure management techniques. Case study: Nagpur, India. Water Supply, 18(6), 2015-2027. doi:10.2166/ws.2018.023Creaco, E., & Walski, T. (2017). Economic Analysis of Pressure Control for Leakage and Pipe Burst Reduction. Journal of Water Resources Planning and Management, 143(12), 04017074. doi:10.1061/(asce)wr.1943-5452.0000846Di Nardo, A., Di Natale, M., Giudicianni, C., Greco, R., & Santonastaso, G. F. (2017). Weighted spectral clustering for water distribution network partitioning. Applied Network Science, 2(1). doi:10.1007/s41109-017-0033-4Creaco, E., & Haidar, H. (2019). Multiobjective Optimization of Control Valve Installation and DMA Creation for Reducing Leakage in Water Distribution Networks. Journal of Water Resources Planning and Management, 145(10), 04019046. doi:10.1061/(asce)wr.1943-5452.0001114Santonastaso, G. F., Di Nardo, A., & Creaco, E. (2019). Dual topology for partitioning of water distribution networks considering actual valve locations. Urban Water Journal, 16(7), 469-479. doi:10.1080/1573062x.2019.1669201Pérez-Sánchez, M., Sánchez-Romero, F. J., López-Jiménez, P. A., & Ramos, H. M. (2018). PATs selection towards sustainability in irrigation networks: Simulated annealing as a water management tool. Renewable Energy, 116, 234-249. doi:10.1016/j.renene.2017.09.060Fernández García, I., & Mc Nabola, A. (2020). Maximizing Hydropower Generation in Gravity Water Distribution Networks: Determining the Optimal Location and Number of Pumps as Turbines. Journal of Water Resources Planning and Management, 146(1), 04019066. doi:10.1061/(asce)wr.1943-5452.0001152Creaco, E., Galuppini, G., Campisano, A., Ciaponi, C., & Pezzinga, G. (2020). A Bi-Objective Approach for Optimizing the Installation of PATs in Systems of Transmission Mains. Water, 12(2), 330. doi:10.3390/w12020330Bonthuys, G. J., van Dijk, M., & Cavazzini, G. (2020). Energy Recovery and Leakage-Reduction Optimization of Water Distribution Systems Using Hydro Turbines. Journal of Water Resources Planning and Management, 146(5), 04020026. doi:10.1061/(asce)wr.1943-5452.0001203Alberizzi, J. C., Renzi, M., Righetti, M., Pisaturo, G. R., & Rossi, M. (2019). Speed and Pressure Controls of Pumps-as-Turbines Installed in Branch of Water-Distribution Network Subjected to Highly Variable Flow Rates. Energies, 12(24), 4738. doi:10.3390/en12244738Rossi, M., Nigro, A., Pisaturo, G. R., & Renzi, M. (2019). Technical and economic analysis of Pumps-as-Turbines (PaTs) used in an Italian Water Distribution Network (WDN) for electrical energy production. Energy Procedia, 158, 117-122. doi:10.1016/j.egypro.2019.01.055Pérez-Sánchez, M., Sánchez-Romero, F., Ramos, H., & López-Jiménez, P. (2016). Modeling Irrigation Networks for the Quantification of Potential Energy Recovering: A Case Study. Water, 8(6), 234. doi:10.3390/w8060234Ramos, H. M., Zilhao, M., López-Jiménez, P. A., & Pérez-Sánchez, M. (2019). Sustainable water-energy nexus in the optimization of the BBC golf-course using renewable energies. Urban Water Journal, 16(3), 215-224. doi:10.1080/1573062x.2019.1648529Novara, D., & McNabola, A. (2018). A model for the extrapolation of the characteristic curves of Pumps as Turbines from a datum Best Efficiency Point. Energy Conversion and Management, 174, 1-7. doi:10.1016/j.enconman.2018.07.091Pérez-Sánchez, M., Sánchez-Romero, F. J., Ramos, H. M., & López-Jiménez, P. A. (2020). Improved Planning of Energy Recovery in Water Systems Using a New Analytic Approach to PAT Performance Curves. Water, 12(2), 468. doi:10.3390/w12020468Del Teso, R., Gómez, E., Estruch-Juan, E., & Cabrera, E. (2019). Topographic Energy Management in Water Distribution Systems. Water Resources Management, 33(12), 4385-4400. doi:10.1007/s11269-019-02375-9Stepanoff, A. J. (1957). Radial- und Axialpumpen. doi:10.1007/978-3-662-25101-0Yang, S.-S., Derakhshan, S., & Kong, F.-Y. (2012). Theoretical, numerical and experimental prediction of pump as turbine performance. Renewable Energy, 48, 507-513. doi:10.1016/j.renene.2012.06.002Barbarelli, S., Amelio, M., & Florio, G. (2017). Experimental activity at test rig validating correlations to select pumps running as turbines in microhydro plants. Energy Conversion and Management, 149, 781-797. doi:10.1016/j.enconman.2017.03.013Fernandes, J. F. P., Pérez-Sánchez, M., da Silva, F. F., López-Jiménez, P. A., Ramos, H. M., & Branco, P. J. C. (2019). Optimal energy efficiency of isolated PAT systems by SEIG excitation tuning. Energy Conversion and Management, 183, 391-405. doi:10.1016/j.enconman.2019.01.01

La simulación hidráulica como herramienta de apoyo a la toma de decisiones en Global Omnium

[ES] La moderna gestión de los sistemas de abastecimiento de agua requiere el uso de modelos matemáticos como herramienta de soporte para la toma de decisiones, tanto en el ámbito de la planificación como en la operación diaria de la red. Los modelos son, además, claves para garantizar una gestión eficiente de los recursos hídricos y energéticos disponibles, así como una reacción rápida y segura frente a una situación de emergencia. Con este objetivo Global Omnium tiene implantado desde hace años en su Centro de Control de la red de abastecimiento a Valencia y su área metropolitana un modelo matemático de simulación hidráulica de la red capaz de trabajar en tiempo real. Una aplicación se encarga de almacenar y tratar la información recibida del sistema de telecontrol, unos 20.000 datos horarios por día, y de alimentar con ella el modelo para simular el comportamiento de la red bajo cualquier circunstancia, actuando así como un Sistema de Apoyo a la Toma de Decisiones (DSS). Los últimos avances, realizados en colaboración con el IIAMA de la UPV, se han orientado a mejorar las capacidades de simulación del modelo, a su calibración automática, y a integrar fugas y demandas dependientes de la presión.[EN] The modern management of water supply systems requires the use of mathematical models as a decision support system, both in the field of planning and in the daily network operation. Moreover models are key to the efficient management of available water and energy resources and to having a rapid and safe reaction to emergencies. Therefore, the water supply and distribution network of Valencia (Spain) and its metropolitan area has implanted for years in its Control Center a highly accurate hydraulic simulation model, able to work in real time, which is fed through the measures received from the remote control system, with approximately 20,000 hourly data per day. The model simulate the behavior of the network under any scenario, acting as a DSS. Recent advances, in collaboration with the IIAMA of UPV, are focused to improve the capabilities of the model, to keep the model permanently calibrated, and to consider pressure dependent leakage and demands.Conejos Fuertes, P.; Gamón, A.; Urban Torres, P.; Martínez Alzamora, F.; Alonso-Campos, J. (2017). La simulación hidráulica como herramienta de apoyo a la toma de decisiones en Global Omnium. Tecnoaqua. (26):46-53. http://hdl.handle.net/10251/104735S46532

Digital Twins - A new paradigm for water supply and distribution networks

[EN] A digital twin (DT) is a virtual copy (a digital model) of a real system continuously fed with data to mimic the systems¿ past, present and future behaviour. This makes it possible to detect anomalies, test new ideas and changes in the virtual system and assess how it reacts, minimizing the risks to the real system. In this sense, the DT can be seen as a playground to explore the effects of different scenarios and to practice how to best react and operate the physical system under these circumstances. The concept of DT has been used traditionally in the industry field but it can also be developed and exploited in a city management context, and in particular in Water Supply and Distribution Networks (WSDN), where it can be applied to all aspects of the system.Martínez Alzamora, F.; Conejos Fuertes, MP.; Castro-Gama, M.; Vertommen, I. (2021). Digital Twins - A new paradigm for water supply and distribution networks. Hydrolink Magazine. 2:48-54. http://hdl.handle.net/10251/1901594854