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Maurizio Giugni » 14.Centrali di sollevamento

Gli impianti elevatori nei sistemi acquedottistici

Nell’ambito dei sistemi acquedottistici, attualmente spesso caratterizzati da estese interconnessioni e dalla frequente necessità di sollevare o “rilanciare” volumi idrici anche di notevole entità, le classiche problematiche poste dagli impianti elevatori acquisiscono un “peso” economico di notevole rilievo non solo in fase di progetto ma anche nella gestione del sistema.

Problematiche degli impianti di sollevamento

Scelta del materiale
Dimensionamento della condotta elevatoria
Scelta del gruppo di pompaggio
Analisi degli effetti di moto vario indotti da eventi accidentali (distacco istantaneo della potenza motrice)
Scelta dell’organo (o degli organi ?) di attenuazione di tali effetti

Condotte metalliche (acciaio e ghisa)

Modulo elastico elevato
Materiale elastico (proporzionalità diretta tra sforzo alla parete e deformazione)
Resistenze al moto più elevate rispetto ai materiali sintetici (maggiore prevalenza)
Incremento della scabrezza nel tempo (“invecchiamento”), con effetti sul punto di funzionamento della pompa
Celerità ≈ 900÷1300 m/s (effetti di moto vario)
Elevata sensibilità alla corrosione elettrochimica

Condotte sintetiche o composite (PEad e PRFV)

Modulo elastico sensibilmente minore
Resistenze al moto ridotte (minore prevalenza) ed invariate nel tempo
Celerità ≈ 300÷600 m/s (effetti di moto vario)
Materiale viscoelastico

Dimensionamento della condotta elevatoria

$C_i=\pi \cdot D \cdot s \cdot L_{tub} \cdot\gamma_{tub} \cdot C_{tub}$

$C_e= 9.81 \cdot \frac{Q \cdot H_m}{\nu} \cdot n \cdot C_{KWh}$

Υ_tub : peso specifico del materiale di condotta
D : diametro della tubazione
s : spessore della tubazione
C_tub : costo/kg della tubazione
Q : portata
H_m : prevalenza manometrica
η : rendimento del gruppo di sollevamento
n : numero di ore annue di funzionamento
C_KWh : costo del KWh

Ci: costo d’impianto (tubazioni e gruppo)
Ce: onere economico annuo
r: tasso di ammortamento annuo (funzione del tasso medio d’interesse praticato e del numero di anni di vita utile prevista per l’opera)

Calcolo economico di un impianto elevatorio

Dimensionamento della condotta elevatoria (segue)

Limitazioni di velocità

V≥0.50 m/s, per evitare problemi di sedimentazione
V≤1.5-2.00 m/s, per prevenire l’usura delle pareti interne della condotta e sollecitazioni elevate di colpo d’ariete

Scelta del gruppo di pompaggio

Fattori caratterizzanti un gruppo di pompaggio e condizionanti la scelta

Portata Q
Prevalenza H
Rendimento η
Potenza P
Installazione → NPSH (Net Positive Suction Head)

Scelta del gruppo di pompaggio (segue)

Scelta della tipologia del gruppo di pompaggio. Campi di utilizzazione di gruppi di pompaggio di diversa tipologia

Scelta del gruppo di pompaggio (segue)

Es. di diagramma "collinare"

Scelta del gruppo di pompaggio (segue)

Es. di curve caratteristiche per pompe centrifughe

Scelta del gruppo di pompaggio (segue)

La ripidità delle curve caratteristiche (in figura in funzione del numero di giri caratteristico n_s) può avere notevole influenza:

sulla stabilità di funzionamento del gruppo
sul consumo energetico

Spostamento del punto di funzionamento sulla curva caratteristica della pompa

Curve caratteristiche al variare del numero di giri caratteristico

Punto di funzionamento di un gruppo

Individuazione del punto di funzionamento di un gruppo, mediante intersezione della sua curva caratteristica H(Q) con la curva caratteristica ell'impianto

Punto di funzionamento di un gruppo (segue)

Spostamento del punto di funzionamento del gruppo sulla curva caratteristica dell'impianto in funzione della tipologia della girante

Pompe in parallelo e in serie

Elettropompe in parallelo

Elettropompe in serie

Pompe a velocità variabile

E’ ovvia, infine, la possibilità di ricorrere a pompe a velocità variabile, in particolare in sistemi idrici caratterizzati da notevoli variazioni di portate e carichi, al fine di conseguire:

una minimizzazione dei consumi energetici
una riduzione delle dispersioni idriche (legata alla riduzione delle pressioni d’esercizio nei periodi di minore consumo)

Velocità di rotazione:

n_s : numero di giri al minuto di un motore a corrente alternata (a induzione trifase o asincrono)
n_o : velocità di rotazione reale
f : frequenza della tensione di alimentazione, misurata in Hz
s : scorrimento
p : numero di coppie polari del motore (motori a 2, 4, 6, 8 poli)

Pompe a velocità variabile (segue)

Variazione della velocità di rotazione di una pompa

Interposizione tra motore e pompa di un organo di variazione del numero di giri della macchina:

variatore idraulico
variatore magnetico
variatore con cinghie e pulegge di diametro variabile

Organi di variazione del numero di giri di una pompa

Pompe a velocità variabile (segue)

Variazione della velocità di rotazione di una pompa

Dispositivi per variare direttamente il numero di giri del motore elettrico, agendo sul numero di coppie polari, sullo scorrimento o sulla frequenza:

Motore a doppia polarità (p)
Variatore di tensione a frequenza costante (s)
Variatore di tensione e di frequenza (f): convertitore di frequenza (inverter)

Es. di pompa a velocità variabile

Inverter

Inverter: dispositivo elettronico utilizzato per il controllo di tensione e frequenza atto alla regolazione della velocità di rotazione e della coppia di un motore elettrico (convertitore statico di frequenza).

Tipologie di inverter

a frequenza costante (es. : gruppo di continuità per PC)
a frequenza variabile:
- scalare; + semplice ed economico; – efficiente
- vettoriale
  più complesso e costoso; più efficiente

Inverter

Inverter (segue)

Vantaggi dell’inverter

Adeguata elasticità di funzionamento dei gruppi di pompaggio, con rendimenti sempre elevati, senza ricorrere a gruppi di diversa taglia o affrontare problemi di regolazione (minimizzazione consumi energetici)
Rampa controllata di accelerazione e decelerazione, consentendo avviamenti e distacchi “morbidi” e dilatati nel tempo:

riduzione delle correnti di spunto (minore riscaldamento del motore, vantaggi tariffari (*))
riduzione delle sollecitazioni e dell’usura degli elementi meccanici

(*) Dal Testo integrato delle disposizioni dell’Autorità per l’E.E. e il Gas per l’erogazione dei servizi di trasmissione, distribuzione, misura e vendita dell’energia elettrica”
“…….la potenza prelevata è, in ciascuna ora, il valore medio della potenza prelevata nel quarto d’ora fisso in cui tale valore è massimo; in alternativa, è facoltà dell’esercente assumere come potenza prelevata il 70% della potenza massima istantanea …”

Inverter (segue)

Avviamento/spegnimento di un gruppo di pompaggio

Inverter (segue) – Vantaggi dell’inverter

Andamento della pressione (prima dell'installazione di un inverter)

Andamento della pressione (dopo l'installazione di un inverter)

Inverter (segue)

Svantaggi dell’inverter

Costo fisso e di manutenzione spesso non trascurabile.

Ingenera disturbi elettromagnetici, per cui è necessario prevedere dispositivi di protezione (schermature), la cui installazione e manutenzione comporta un aggravio economico.

Effetti di moto vario negli impianti di sollevamento

Effetti di moto vario conseguenti ad una brusca interruzione della potenza motrice (distacco accidentale):

depressione → problemi di cavitazione
sovrappressione → problemi strutturali per la condotta premente

D.M. 12.12.1985: grande attenzione alle azioni dinamiche

Dispositivi di attenuazione

La vasca di oscillazione ed il tubo piezometrico

c : celerità della condotta;
c_t : celerità del tubo piezometrico;
V_o : velocità a regime in condotta;
g : accelerazione di gravità;
A . sezione della condotta;
F : sezione del tubo piezometrico;

Schema di un impianto di sollevamento con vasca di oscillazione

Dispositivi di attenuazione (segue)

Il volano

α ≈ 1.80
per
n_s < 127

1.30 ≤ α ≤ 1.75
per
500 ≤ n_s ≤ 950

E_v : forza viva delle masse volaniche;
E_c : energia cinetica della colonna liquida;
ΔY_max : sovrapressione massima ammissibile;
Y_o : carico statico sull’asse della pompa in centrale;
GD² : momento dinamico delle masse volaniche;
N_o : velocità di rotazione del gruppo.

Dispositivi di attenuazione (segue)

Schema di un impianto di sollevamento con cassa d'aria

La cassa d'aria: la trattazione "anelastica" di Evangelisti

Dispositivi di attenuazione (segue)

L’ipotesi anelastica è valida se Z_max e l Z_min l ≤ 1/2 * c/g* V₀

Z : variazione di carico in fase di moto vario in corrispondenza della cassa, misurata a partire dal carico statico assoluto Y_s.
L : lunghezza della condotta.
ω : sezione della condotta.
V : velocità media in condotta in un generico istante t del moto vario.
V₀ : velocità media in condotta a regime.
U : volume occupato dall’aria al carico assoluto Y.
Us : volume occupato dall’aria al carico assoluto statico Ys.
Y : carico assoluto in corrispondenza della cassa in moto vario.
Y_s : carico statico assoluto in corrispondenza della cassa.
H : perdite di carico in condotta in un generico istante del moto vario.
H₀ : perdite di carico in condotta a regime.
K : resistenza localizzata indotta dalla strozzatura in un generico istante del moto vario.
K₀ : resistenza localizzata indotta dalla strozzatura in corrispondenza della velocità di regime.

Dispositivi di attenuazione (segue)

Problemi per il dimensionamento delle casse d’aria

Caratterizzazione teorico-sperimentale dell’esponente n della politropica.
Influenza sul transitorio dell’elasticità del sistema liquido-condotta premente.
Funzionamento delle casse d’aria in impianti di modesta prevalenza.
Casse d’aria in serie.
Manovre “composte” (avviamento – distacco).
Influenza di una strozzatura diversa dalla “ottima” (De Sparre).
Influenza delle condizioni di valle, sostituendo al serbatoio a livello fisso ed invariabile un piezometro verticale a sezione costante.