Optimización del reparto de caudales de suministro de redes malladas de distribución de agua por bombeo con varias fuentes de abastecimiento

Abstract

[EN] The growth that urban areas have today requires a growing demands of both water resources and energy resources for their delivery. From this point of view cities require progressively increase their supply sources while optimizing the maximum energy consumption. One of the main problems that represent the addition of a new point of supply to an existing network is that it can modify the hydraulic operation thereof. These modifications may generate variations in the operation of existing delivery systems causing that an originally efficient system but with insufficient capacity, it becomes to a sufficient but inefficient system. The aim of this work is to define a methodology for optimizing the distribution of flow rates of the sources of supply of a network of meshed water distribution by pumping. Generically is considered that exist a mathematical model of the existing network with a reasonably accurate. From this model the distribution of flow to be performed from each of the sources of supply to ensure the supply pressures and flow rates required, while the minimum energy consumption is sought is analyzed. The method developed in the concept of setpoint curve of a given supply network for a single delivery point. This concept is extremely easy to calculate with the aid of a mathematical model. Subsequently a valid generalize the concept of setpoint curve for the case in which it has multiple sources of supply methodology arises. Thus, using the mathematical model and the concept of curve setpoint can be determined, for a global fixed network demand and distribution of this demand between the different points of production, which is the energy cost associated with the provision under review. In short, for a deal flow is produced has an energy cost associated with it. The optimization problem begins precisely at this point. The question is what is the most suitable deal from each of the sources of production would flow to ensure that the overall system power consumption is minimized? The optimization problem defined uses in combination an optimization algorithm and model hydraulic analysis of the existing network. The analysis model is the EPANET hydraulic calculation model developed by the USEPA and has a library that allows integration with other models or analysis packages. As the objective function of the optimization problem has raised the amount of pumping energy costs from each of the sources of supply considered. The problem posed in terms of energy cost is non-linear when considering the relationship of the height provided with flow driven from each source. This relationship is clearly quadratic nonlinear behavior due to losses in the models of water transport networks. Therefore as optimization engine was used Hooke Jeeves classic algorithm. This algorithm, originally designed for search and detection of patterns has been extremely effective when adapted to solve this kind of problems. The methodology developed initially considered consumption at nodes independent of their pressure values. This form of representation of consumption is common in modeling water distribution networks. Considering consumption as pressure independent greatly simplifies the problem of determining the setpoint curve whether it is a supply point, as if it is a supply from different production sources. However, there are certain consumption (as leaks of the system) relative to the pressure which is direct. Thus a more sophisticated technique of representation of the network is to represent part of the consumption of it as independent of pressure, and elsewhere as pressure dependent. The presence of these pressure dependent consumption for calculation of the setpoint curve. Just in the case of a single supply source determining the setpoint height required for each of the supplied flow should be obtained iteratively. The problem is further complicated in the event that there are multiple sources of supply. Therefore, the methodology of flow distribution optimization has been generalized to the case of consumption are both independent and dependent pressure. Therefore, in the event that the demands of the nodes dependent on the pressure values therein, based on successive approximation for determining the value of the curve setpoint for either one or for multiple power supply method defined . Once it has the generalized model for determining the curve setpoint dependent consumption of the pressure, the optimization engine based on the method of Hook Jeeves similar way as is done for the case of independent consumption is applied to said model pressure. The end result is a compact model with two levels of internal iteration just establishing for each flow supplied sharing the same from each power supply minimizing energy consumption. To validate the results of the methodology developed several cases have been analyzed. First we have analyzed various synthetic networks in which the codes and to validate the methodology developed. These networks have a reasonable level of simplicity so that could solve the problem of the optimization using the algorithm developed or through successive iterations. This has enabled a functional check of the optimization model and it can be applied to larger networks. Finally, the method has been applied to a real network. this match to an existing network that currently has two fundamental contributions and a series of wells pumping from occasional contributions are generated in an emergency It is. It raised the problem of analysis is whether the current pumping capacity would be possible to continue providing this population in the event of a fault from one of the critical points in the network. From the perspective of the available capacity, it seems that all the wells can reach sufficient water supply to meet demand. The question is what are the wells that is more convenient start function in global demand that has the system? The developed model has been applied to the network while considering an important restriction: the maximum pumping capacity of each one of the wells. The outcome is a performance management rule which provides for the operation of the supply system to function if one source of supply has a fault. That strategy also aloows to check the hydraulic conditions of pressure and minimum flow rates, while optimizing the overall energy consumption of the production system.

[ES] El crecimiento que presentan los núcleos urbanos hoy en día requiere de unas demandas cada vez mayores tanto de recursos hídricos como de recursos energéticos para su suministro. Desde este punto de vista las ciudades requieren aumentar progresivamente sus fuentes de abastecimiento al mismo tiempo que se optimizan al máximo los consumos energéticos. Uno de los principales problemas que presenta la adición de un nuevo punto de suministro a una red existente es que puede modificar el funcionamiento hidráulico de la misma. Estas modificaciones pueden generar variaciones en el funcionamiento de los sistemas de suministro existentes originando que un sistema originalmente eficiente aunque insuficiente en capacidad pase a ser suficiente pero ineficiente. El objetivo del presente trabajo es definir una metodología de optimización para el reparto de caudales de las fuentes de suministro de una red de distribución mallada de agua por bombeo. De forma genérica se considera que se dispone de un modelo matemático de la red existente razonablemente preciso. A partir de este modelo se analiza el reparto de caudales que debe realizarse desde cada una de las fuentes de suministro para garantizar las presiones y caudales de suministros necesarios, al mismo tiempo que se busca el mínimo de consumo energético. El método desarrollado parte del concepto de curva de consigna de una determinada red de abastecimiento para con un único punto de suministro. Este concepto es sumamente sencillo de calcular con la ayuda de un modelo matemático. Posteriormente se plantea una metodología válida para generalizar el concepto de curva de consigna para el caso en el que se dispone de múltiples fuentes de suministro. De esta forma, mediante el modelo matemático y el concepto de curva de consigna se puede determinar, para una demanda determinada global de la red y un reparto de dicha demanda entre los diferentes puntos de producción, cuál es el coste energético asociado al suministro considerado. En definitiva, para un reparto del caudal producido se dispone de un coste energético asociado al mismo. El problema de optimización comienza precisamente en este punto. La cuestión es ¿cuál sería el reparto de caudales más adecuado desde cada una de las fuentes de producción para garantizar que el consumo energético global del sistema sea el mínimo posible? El problema de optimización definido utiliza de forma combinada un algoritmo de optimización y un modelo de análisis hidráulico de la red existente. El modelo de análisis es el modelo EPANET de cálculo hidráulico desarrollado por la USEPA y que dispone de una librería que permite su integración con otros modelos o paquetes de análisis. Como función objetivo del problema de optimización se ha planteado la suma de los costes energéticos de bombeo desde cada una de las fuentes de suministro consideradas. El problema planteado en términos de coste energético es de tipo no lineal si se considera la relación que tiene la altura suministrada con el caudal impulsado desde cada fuente. Dicha relación es claramente no lineal debido al comportamiento cuadrático de las pérdidas en los modelos de redes de transporte de agua. Por este motivo como motor de optimización se ha utilizado el clásico algoritmo de Hooke Jeeves. Este algoritmo, originalmente diseñado para la búsqueda y detección de patrones se ha mostrado sumamente eficaz cuando se adapta para la resolución de este tipo de problemas. La metodología inicialmente desarrollada considera los consumos en los nudos como independientes de los valores de presión en los mismos. Esta forma de representación de los consumos es habitual en la modelización de redes de distribución de agua. La consideración de los consumos como independientes de la presión simplifica notablemente el problema de la determinación de la curva de consigna tanto si se trata de un punto de suministro, como si se trata de un suministro desde diferentes fuentes de producción. No obstante, existen ciertos consumos (como las fugas del sistema) cuya relación con la presión es directa. De esta forma una técnica más sofisticada de representación de la red consiste en representar parte del consumo de la misma como independiente de la presión, y otra parte como dependiente de la presión. La presencia de estos consumos dependientes de la presión complica el cálculo de la curva de consigna. Simplemente para el caso de una única fuente de suministro la determinación de la altura de consigna necesaria para cada uno de los caudales suministrados debe obtenerse de forma iterativa. El problema se complica más aún en el caso de que existan múltiples fuentes de suministro. Por este motivo, la metodología de optimización del reparto de caudales se ha generalizado para el caso de que los consumos sean tanto independientes como dependientes de la presión. Para ello, en el caso de que las demandas de los nudos dependan de los valores de presión en los mismos, se define un método basado en aproximaciones sucesivas que permite determinar el valor de la curva de consigna tanto para una como para varias fuentes de suministro. Una vez se dispone del modelo generalizado de determinación de la curva de consigna para consumos dependientes de la presión, se aplica sobre dicho modelo el motor de optimización basado en el método de Hook Jeeves de forma similar a como se realiza para el caso de consumos independientes de la presión. El resultado final es un modelo compacto, que con dos niveles de iteración internos acaba estableciendo para cada caudal suministrado el reparto del mismo desde cada fuente de suministro minimizando los consumos energéticos. A fin de validar los resultados de la metodología desarrollada se han analizado diversos casos. En primer lugar se han analizado diversas redes sintéticas en las que poder validar los códigos y la metodología desarrollada. Estas redes disponen de un nivel de sencillez razonable de forma que se ha podido resolver el problema de la optimización tanto mediante el algoritmo desarrollado, como mediante iteraciones sucesivas. Esto ha permitido realizar una comprobación del funcionamiento del modelo de optimización y poder aplicarlo a redes de tamaño mayor. Finalmente se ha aplicado el método a una red real. Se ha partido para ello de una red existente que tiene en la actualidad dos aportes fundamentales y una serie de pozos de bombeo desde los que ocasionalmente se generan aportes en caso de emergencia. La problemática de análisis planteada es si con la capacidad de bombeo actual sería posible seguir suministrando esta población en el caso de un fallo desde uno de los puntos críticos de la red. Desde la perspectiva de la capacidad disponible, parece que el conjunto de pozos pueden llegar a suministrar agua en cantidad suficiente como para atender la demanda. La cuestión es ¿cuáles son los pozos que es más conveniente arrancar en función de la demanda global que tenga el sistema? El modelo desarrollado se ha aplicado para dicha red considerando al mismo tiempo una restricción importante: la capacidad máxima de bombeo de cada uno de los pozos. El resultado final es una regla de gestión del funcionamiento, que dispone la operación del sistema de abastecimiento para poder funcionar en caso de que una de las fuentes de suministro tenga un fallo. Estrategia que además de verificar las condiciones hidráulicas de presión y caudales mínimos, optimiza al mismo tiempo el consumo de energía global del sistema de producción.