Analisi sperimentale e modellistica del controllo in tempo reale della pressione ai fini della riduzione delle perdite idriche nelle reti di acquedotto

The present thesis addresses the benefits of the efficient pressure management in Water Distribution Networks (WDNs) by means of regulating valves for the establishment of proper pressure levels. In this context, over the last few decades, active control of pressure through optimal placement and regulation of pressure control valves (PCV) has been identified as a suitable method to reduce leakage in WDNs. The use of standard PCVs typically enables static control of pressure in the network (i.e., valve settings are fixed and do not allow managing pressure variations associated to the daily patterns of water consumptions in the network). During the recent years, remote real time control (RTC) has been proven to obtain improved pressure control in WDNs through dynamic adjustment of control valves based on pressure levels monitored at critical nodes of the network. Although remote RTC may provide significant benefits, available results mainly include the findings of analyses concerning model simulations, often far from real cases. Conversely, available literature results from physical experiments and simulations of calibrated models are rather scarce. In this work experimental tests were performed to demonstrate applicability of remote real time control (RTC) of pressures in water distribution networks (WDNs). The experiments were carried out in a laboratory pilot system equipped with a motorized plunger valve and a RTC system able to adjust the valve in real time for pressure control. In addition, a simple numerical model was specifically developed with Matlab/Epanet toolkit in order to simulate the laboratory experiments. Comparison between results of the simulations and experiments reveals that the model allows describing correctly the evolution of the pressure control processes observed in the laboratory pilot system. A case study with high pressures and high leakage was selected to test the potential benefit of installation of RTC systems, taking into account the simulation software developed for the laboratory. After two periods of measurements taken through specially made devices, the WDN model was calibrated by a genetic algorithm (GA) minimizing the difference between observed values and computed ones. In the GA the solution was driven to the optimum by setting in the model the simulated flows equal to the correspondent measurements. Hence, RTC simulation results obtained with the same software used for the laboratory analysis developed with Matlab/Epanet toolkit are presented for the case study. The comparison of different scenarios in terms of leakage reduction with traditional and RTC systems is highlighted, including the cases of multiple control in the district metered areas (DMAs) of the studied network. Moreover, stability issues of the implemented controllers are pointed out in the case of single and multiple RTC. The results of the simulations show that, under appropriate calibration of the control algorithm, the RTC systems are able to lead the control nodes pressures at the set-point values in a stable way. The comparisons reveal that RTC outperforms static control in all the considered scenarios in terms of leakage reduction, especially for the ones with higher demands.

La presente tesi discute i vantaggi di un’efficace gestione della pressione nelle reti di distribuzione idrica mediante valvole di regolazione in grado di stabilire livelli di pressione adeguati. In questo contesto, negli ultimi decenni, il controllo attivo della pressione attraverso il posizionamento e la regolazione ottimale delle valvole di controllo della pressione (PCV) è stato identificato come un metodo adatto per ridurre le perdite idriche in acquedotto. L'uso di PCV standard consente normalmente il controllo statico della pressione nella rete (le impostazioni delle valvole sono fisse e non consentono la gestione delle variazioni di pressione associate alle fluttuazioni giornaliere dei consumi idrici nella rete). Negli ultimi anni, è stato dimostrato che il controllo remoto in tempo reale (RTC) permette una migliore gestione della pressione in acquedotto attraverso la regolazione dinamica delle valvole di controllo in base ai livelli di pressione monitorati nei nodi critici della rete idrica. Sebbene l'RTC remoto possa offrire vantaggi significativi, i risultati disponibili in letteratura riguardano principalmente analisi relative a simulazioni di modelli matematici, spesso lontani da casi reali. Al contrario infatti, i risultati disponibili ottenuti da esperimenti fisici e simulazioni di modelli calibrati sono piuttosto rari. In questo lavoro sono stati eseguiti test sperimentali per dimostrare l'applicabilità del controllo remoto in tempo reale delle pressioni nelle reti di distribuzione dell'acqua. Gli esperimenti sono stati condotti in un sistema pilota di laboratorio dotato di una valvola a fuso motorizzata e di un sistema RTC in grado di regolare la valvola in tempo reale per il controllo della pressione. Inoltre, è stato sviluppato ad hoc un semplice modello numerico con il toolkit Matlab/Epanet al fine di simulare gli esperimenti di laboratorio. Il confronto tra i risultati delle simulazioni e degli esperimenti rivela che il modello consente di descrivere correttamente l'evoluzione dei processi di controllo della pressione osservati nel sistema pilota di laboratorio. È stato quindi selezionato un caso studio con pressioni e perdite idriche elevate per testare il potenziale vantaggio dell'installazione di sistemi RTC, tenendo conto del software di simulazione sviluppato per il laboratorio. Dopo due campagne di misura effettuate tramite dei dispositivi realizzati appositamente, è stato calibrato il modello della rete idrica caso studio attraverso un algoritmo genetico (GA) in grado di minimizzare la differenza tra i valori osservati e quelli calcolati. Nel GA la soluzione è stata condotta verso l’ottimo fissando nel modello le portate simulate pari alle corrispondenti misure. Dunque, i risultati della simulazione ottenuti con lo stesso software utilizzato per l'analisi di laboratorio sviluppata con il toolkit Matlab/Epanet vengono presentati per il caso di studio. Viene messo in evidenza il confronto tra diversi scenari in termini di riduzione delle perdite con i sistemi di controllo tradizionale e in tempo reale, inclusi i casi di controllo multiplo nei distretti idrici della rete studiata. Inoltre, nei casi di RTC singolo e multiplo vengono evidenziati problemi di stabilità dei controllori implementati. I risultati delle simulazioni mostrano che, con un'adeguata calibrazione dei controllori, i sistemi RTC sono in grado di condurre le pressioni dei nodi di controllo ai valori di set-point in modo stabile. I confronti rivelano che RTC supera il controllo statico in tutti gli scenari considerati in termini di riduzione delle perdite, in particolare per quelli con domande idriche più elevate.