Article de référence | Réf : BM4290 v1

Conclusion
Turbine Banki-Michell PRS pour la récupération d’énergie et la réduction de pertes d’eau

Auteur(s) : Antonietta SIMONE, Orazio GIUSTOLISI

Date de publication : 10 févr. 2021

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RÉSUMÉ

Cet article décrit un nouveau système de récupération d'énergie, appelé Power Recovery System PRs, inspiré de la turbine Banki-Michell, qui peut se combiner avec les vannes de contrôle de la pression déjà installées dans les réseaux d’eau. L’exemple d’un réseau réel avec une vanne de contrôle de la pression PCV et un Power Recovery System PRs disposés en série est étudié afin de montrer les avantages en termes de récupération d'énergie et contrôle/réduction des pressions.

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ABSTRACT

Banki-Michell PRs for energy recovery and water leakages reduction

This article describes a new energy recovery system, called the Power Recovery System, inspired by the Banki-Michell turbine, and the advantage of using it with pressure control valves already installed in water distribution systems. The example of a real network with a pressure control valve and a Power Recovery System arranged in series is described in order to show the advantages in terms of energy recovery and pressure control/ reduction.

Auteur(s)

INTRODUCTION

Au fil des années, la plupart des réseaux de distribution d’eau ont été conçus et dimensionnés selon le critère du coût minimal de construction en supposant des augmentations des valeurs de la demande en eau qui ne se sont pas concrétisées. Cette hypothèse a conduit à l’utilisation de diamètres supérieurs à ceux nécessaires, c’est-à-dire à un surdimensionnement des réseaux, menant à des pressions et des niveaux de pertes d’eau de plus en plus élevées. La surpression a entraîné une détérioration rapide des canalisations et des coûts d’exploitation pour le traitement, le transport et le pompage des volumes d’eau non utilisés. En outre, le volume considérable des pertes d’eau a eu des répercussions d’un point de vue économique, social et environnemental.

Face à cette situation, il est clair que les stratégies de gestion des réseaux de distribution d’eau, surtout pour le contrôle des pressions, représentent aujourd’hui un élément clé et indispensable pour limiter la détérioration des canalisations et le volume total des pertes dans ces systèmes.

Parmi les nombreuses pratiques techniques visant à contrôler les pressions et à réduire les pertes d’eau, on trouve la mise en place de vannes de contrôle de la pression (PCV), visant à maintenir une certaine pression cible immédiatement en aval ou en amont de la conduite sur laquelle elles sont installées, afin de réduire sa pression. Ces dispositifs permettent un contrôle en temps réel à la fois localement et à distance. Dans un premier cas, la valeur de pression fixée ne varie pas dans le temps en fonction du débit d’eau fourni, car le nœud contrôlé n’est pas stratégique pour un contrôle optimal de la pression dans le réseau. En effet, afin de maintenir la valeur de pression fixe, la régulation électrique doit contrôler le degré d’ouverture de la vanne de régulation. Dans un second cas le dispositif régule la pression, augmentant ou réduisant les fuites internes de manière à réduire ou augmenter la pression au nœud critique, afin d’atteindre la valeur de pression fixée. L’inconvénient dans l’utilisation de ces dispositifs réside dans l’excessive dissipation d’énergie, sans récupération, qui se produit dans la phase de réduction des pressions.

Pour remédier à ce problème, plusieurs études au cours des dernières années se sont prononcées sur la possibilité d’utiliser des dispositifs de récupération d’énergie (pompes comme turbines (PAT), microturbines…) dans les réseaux de distribution d’eau. Un nouveau dispositif, appelé Power Recovery System (PRS) inspiré des turbines Banki-Michell, a été proposé.

Le PRS combine des performances optimales dans la production d’énergie et dans la régulation des pressions. Il est particulièrement indiqué pour l’installation en ligne dans les réseaux existants car :

  • la direction du flux de sortie se trouve sur le plan de la roue tournante, simplifiant ainsi le retour du flux dans la direction d’origine de la conduite ;

  • il ne nécessite pas de systèmes de contrôle supplémentaires, typiques d’autres dispositifs similaires ;

  • il a des avantages effectifs en termes d’installation et de fonctionnement et peut se combiner à d’autres dispositifs de régulation de la pression existants.

Cet article décrit les caractéristiques des PRS, leur fonctionnement et sa combinaison avec des PCV existants basée sur la modélisation hydraulique.

Un exemple de réseau réel du sud de l’Italie, avec récupération d’énergie et contrôle hydraulique combinant PRS et PCV en série, est étudié. Les résultats numériques et les avantages opérationnels sont discutés d’un point de vue énergétique.

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KEYWORDS

water distribution   |   Banki-Michell turbine

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-bm4290


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6. Conclusion

La mise en œuvre de solutions capables de combiner la réduction de pression avec la récupération d’énergie permet une meilleure gestion des réseaux d’eau. Le dispositif PRS, évolution de la turbine Banki-Mitchell, représente actuellement un des meilleurs dispositifs de récupération d’énergie. L’objectif de cet article a été de décrire les avantages du dispositif PRS et de montrer le fonctionnement et le rendement énergétique effectif du modèle PRS-PCV (installés en série) sur un réseau réel, comme alternative à la vanne de contrôle de la pression PCV uniquement.

Différents scénarios d’exploitation ont été analysés et les résultats ont montré qu’en concevant le PRS afin d’obtenir la perte de charge de projet, la récupération d’énergie et la réduction du stress sur le PCV existant sont maximales (scénario 2 dans la configuration C1). En 2020, les bénéfices énergétiques annuels issus du remplacement du PCV en faveur du PRS sont quantifiés, pour le scénario 2 : 41,182 kWh avec une récupération économique de 8236,42 €.

Il est important de garder à l’esprit que les temps d’amortissement du PRS doivent également tenir compte du fait que la régulation des pressions ralentit l’évolution de la détérioration du réseau et des pertes de volume d’eau, ayant un impact économique.

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - BERARDI (L.), SIMONE (A.), LAUCELLI (D.B.), UGARELLI (R.M.), GIUSTOLISI (O.) -   Relevance of hydraulic modelling in planning and operating real-time pressure control: case of Oppegård municipality.  -  Journal of Hydroinformatics 20 (3): 535–550(2018).

  • (2) - RAMOS (H.), BORGA (A.) -   Pumps as turbines: an unconventional solution to energy production.  -  Urban Water 1(3), 261–263 (1999).

  • (3) - FONTANA (N.), GIUGNI (M.), PORTOLANO (D.) -   Losses reduction and energy production in water-distribution networks.  -  Journal of Water Resources Planning and Management, 138(3), 237–244 (2012).

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  • (5) - SINAGRA (M.), SAMMARTANO (V.), ARICÒ (C.), COLLURA (A.), TUCCIARELLI (T.) -   Cross-Flow turbine design for variable operating conditions.  -  In Procedia Engineering 70, 1539–1548 (2014).

  • ...

1 Logiciel

WDNetXL distribué par IDEA-RT

http://www.idea-rt.com

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2 Normes et standards

ISO 4401 (2005), Transmissions hydrauliques – distrubuteurs à quatre orifices Plan de pose

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3 Réglementation

REGOLAZIONE DELLA QUALITÀ TECNICA DEL SERVIZIO IDRICO INTEGRATO – RQTI (ARERA) – Novembre 2017

Direttiva quadro sulle acque dell’UE (WFD - 2000/60/CE)

Decreto legislativo 3 aprile 2006, n. 152, Norme in materia ambientale- (G.U. n. 88 del 14 aprile 2006)

Acqua potabile (98/83/CE; Wss TP 2010; 2017/0332(COD)

Legge 5 gennaio 1994, n. 36 Disposizioni in materia di risorse idriche- (GU Serie Generale n. 14 del 19-01-1994)

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4 Annuaire

Documentation - Formation – Séminaires

International Conference on ENERGY and ENVIRONMENT (CIEM), Timisoara, Romania Supporting Design of Combined Energy Recovery and Pressure Control in a Water Distribution System in...

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