Un modello matematico per la distribuzione gas

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1 Un modello matematico per la distribuzione gas Un utile strumento per gestire la rete gas a Bologna G Hera Bologna nell anno 2007 ha portato a compimento la riqualificazione e l affinamento del modello matematico simulante il comportamento del sistema di distribuzione del gas metano in media e bassa pressione della città di Bologna e di alcuni Comuni limitrofi. La Società ha oggi così disponibile un potente e flessibile strumento da utilizzare in modo predittivo, sia nell ottica di ottimizzazione della gestione della risorsa, sia per le necessarie verifiche nei casi di richieste di nuovi allacciamenti. di Francesca Ravelli, Lorenzo Corti, Cristian Galdini, Francesco Leone OGGETTO DELLO STUDIO Il sistema oggetto dello studio è composto da 4 sistemi di rete distinti tra loro: Bologna (1010 km di cui 370 in media pressione e 640 in bassa pressione); interessa i comuni di Bologna, Castenaso, Sala Bolognese, Casalecchio di Reno, Granarolo dell Emilia, Calderara di Reno per un totale di utenze servite pari a Castelmaggiore (54 km, 25 in media pressione e 29 in bassa pressione); interessa il Comune di Castelmagggiore per utenze San Lazzaro di Savena (87 km, 76 in media pressione e 11 in bassa pressione); interessa il Comune di San Lazzaro per utenze Ponticella (7 km): Comune di San Lazzaro di Savena, utenze. I DATI DI PARTENZA Trattandosi di una rete di notevole estensione, è risultata di primaria importanza una sua precisa e dettagliata conoscenza, quindi poter disporre di dati in possesso del settore cartografico di Hera effettivamente precisi e dettagliati: la cartografia territoriale in formato raster i file georeferenziati descrittivi delle condotte e dei punti significativi della rete in oggetto,comprensivi di quote altimetriche e toponomastica i dati di censimento dei civici del territorio. E stato possibile disporre, inoltre, dei dati di utenza contenenti i codici di riferimento, gli indirizzi e i consumi annui (con ratei mensili per alcune categorie) e dei dati giornalieri del telecontrollo delle reti, in particolare delle portate erogate dalle cabine Remi e delle pressioni di alcune estremità della rete stessa. Benchè tali dati si siano rivelati estremamente precisi e accurati è stata comunque essenziale una fase di trattamento e controllo topologico di tali informazioni, poiché tramite essa è stato possibile individuare i punti critici che caratterizzano la rete in esame e le eventuali imprecisioni commesse in fase di digitalizzazione e schematizzazione della rete. Analizzare i primi avvalendosi delle conoscenze dei tecnici Hera e correggere i secondi è stato di fondamentale importanza SERVIZI A RETE LUGLIO/AGOSTO

2 Un modello matematico per la distribuzione gas al fine di disporre di un modello in grado di riprodurre nel modo più fedele possibile la reale struttura della rete oggetto di tale studio. AMBIENTE DI LAVORO Per lo sviluppo del modello si è adottato il software Marte GAS 2007 di DEK, già in uso presso l azienda, che permette la gestione, la progettazione, il calcolo e la modellazione delle reti di distribuzione del gas. Il modulo rende disponibili diversi codici di calcolo ed opera attraverso una interfaccia all interno di uno degli ambienti di lavoro CAD/GIS supportati. Il modello matematico alla base del codice di calcolo Gasnet 2.0 adottato nello studio è finalizzato alla definizione delle condizioni di flusso entro condotte di gas in regime stazionario, con temperatura e comprimibilità del gas supposte costanti per ogni porzione di rete della stessa specie. E stata condotta una verifica delle condizioni di funzionamento della rete oggetto di studio in termini di velocità massime nei condotti, scambi termici e massime variazioni di pressione, che ha potuto confermare l idoneità del modello di calcolo adottato nel rappresentare correttamente le reali condizioni idrodinamiche di funzionamento della rete in esame. STRUTTURAZIONE E ALLOCAZIONE DEI CONSUMI Per raggiungere gli scopi prefissi in termini di accuratezza e completezza dei dati di utenza la struttura dati del modello è stata opportunamente predisposta al fine di poter inserire tutte le derivazioni di utenza, che costituiscono le entità FIGURA1: SCHEMA DELLA STRUTTURA DATI DEI CONSUMI IMPIANTO DI PRIMO SALTO DI PROPRIETÀ DEL GRUPPO HERA FIGURA2: RETE GAS BOLOGNA DATI TELECONTROLLO CABINE DI PRIMO SALTO - ANDAMENTO DELLA PORTATA MASSIMA TOTALE IMMESSA NELLA RETE E DELLA TEMPERATURA MINIMA GENNAIO 2006 che permettono la connessione tra l utilizzatore finale e la rete di distribuzione. A partire dalla banca dati georeferenziata dei civici la procedura di creazione degli allacci della rete ha permesso di creare un collegamento logico e cartografico con la rete di distribuzione, ipotizzando i consumi derivanti dalle utenze dell allaccio gravanti sulla condotta a cui l allaccio stesso viene collegato. In termini strettamente topologici l allaccio è un elemento lineare collegato logicamente e fisicamente 76 SERVIZI A RETE LUGLIO/AGOSTO 2008

3 FIGURA 3: ANDAMENTI TERMICI ASSOCIATI AI SOTTOINSIEMI UTENZE INDUSTRIALI E ANDAMENTO A SACCO. UTENZE IN DEROGA 2003 STIMA DELLE PERCENTUALI DI CONSUMO MENSILE CONFRONTO UTENZE INDUSTRIALI ANDAMENTO A SACCO ad un ramo. L estremo opposto di tale elemento lineare è rappresentato dal punto in cui è ipotizzata l ubicazione dell utenza. Ad ogni allaccio così definito sono state associate le utenze di competenza ovvero quelle utenze che hanno le medesime proprietà toponomastiche (comune,via, civico, subcivico). Tale struttura è completata e integrata da una serie di moltiplicatori a diversi livelli che permettono di configurare assetti di consumo variabili in funzione di caratteristiche di distribuzione spaziale o delle tipologie di utenza. MODELLAZIONE PRELIMINARE Una volta terminata la fase di importazione e validazione dei dati di rete e di consumo è stata condotta una fase di modellazione preliminare, eseguendo una serie di simulazioni al fine di analizzare il comportamento della rete sollecitata da diverse condizioni di esercizio riferite al giorno di massimo consumo dell anno La modellazione preliminare ha lo scopo di verificare, nella schematizzazione della rete, la presenza di errori non individuati durante l analisi topologica. Inoltre, questa fase di primo calcolo è da ritenersi propedeutica all individuazione dei punti delle rete in cui posizionare i misuratori di pressione e portata. La calibrazione preliminare del modello è stata condotta operando sul solo parametro idraulico a cui una rete di distribuzione di gas metano è sensibile: la portata erogata, ovvero il prelievo associato all utente. Operativamente si è adottato come parametro di calibrazione un coefficiente moltiplicatore dei consumi e come grandezza da calibrare la portata erogata da ciascuna cabina di primo salto. Si è stimato quale coefficiente moltiplicatore determinasse la concordanza tra portata calcolata e portata oraria espressa in smc/h misurata dalla strumentazione, nel giorno di massimo consumo durante l anno Tale moltiplicatore concettualmente condensa il contributo del coefficiente di punta e quello del coefficiente di contemporaneità. INDIVIDUAZIONE DEI PUNTI DI MISURA L individuazione dei punti di misura è stata condotta mutuando una metodologia ampiamente nota e utilizzata nella modellazione delle reti di approvvigionamento idrico: l analisi di sensitività. Essa si basa sull assunzione che i punti in cui posizionare gli strumenti di misura al fine di tarare un modello calibrandone i parametri sono i punti in cui il modello stesso presenta una maggiore sensitività della grandezza output rispetto al parametro input. Note le zone a maggiore sensitività alla variazione dei parametri di moltiplicazione dei consumi, si è pianificata, avvalendosi delle conoscenze dei tecnici di Hera, la campagna di misure di pressione. L analisi di sensitività ha quindi permesso di evidenziare i punti della rete in cui risultasse più conveniente, in termini di affidabilità della calibrazione del modello, il posizionamento degli strumenti di misura. DEFINIZIONE DEI PROFILI DI PRELIEVO Parallelamente alla pianificazione e messa in campo della campagna di misure è stata condotta un approfondita analisi dei dati di consumo che ha avuto come scopo principale la definizione dei profili di prelievo per tipologia di utenza, ovvero la definizione delle percentuali di consumo mensile per ciascuna categoria di consumo. Tale analisi è indispensabile al fine di ottenere uno specifico dato di consumo per ogni simulazione che si voglia effettuare. La fase preliminare della definizione dei profili d utenza è stata caratterizzata dalla individuazione delle categorie di consumo. In particolare, all interno della macrocategoria di utenze per cui risultavano disponibili i ratei mensili di consumo, chiamate a seguire utenze in deroga, sono stati definiti due sottoinsiemi caratterizzati da andamenti significativamente diversi. Il primo sottoinsieme definito utenze produttive è caratterizzato da un andamento mensile che non risente delle temperature stagionali e quindi dei consumi per il riscaldamento; il secondo sottoinsieme definito andamento a sacco è caratterizzato da tutti i contatori di utenza, in deroga, che presentano un significativo decremento del consumo di gas metano nei mesi estivi in particolare tra il mese di maggio e settembre. Una volta raggruppato in queste due macro-sezioni l insieme delle utenze in deroga, è stata condotta un analisi delle singole utenze produttive. In particolare sulla base della ragione sociale associata ad ogni singolo contatore è stata condotta una indagine informativa al fine di poter associare univocamente alla ragione sociale una tipologia di attività. Tale procedura ha condotto all individuazione di diverse categorie di consumo, a ciascuna delle quali è stato associato un profilo medio calcolato. Al fine di definire il profilo di consumo associato al riscaldamento nell insieme di utenze in deroga precedentemente definito a sacco, sono stati selezionati i contatori il SERVIZI A RETE LUGLIO/AGOSTO

4 Un modello matematico per la distribuzione gas TABELLA 1 Andamento termico delle categorie di utilizzo adottate nel modello CATEGORIA_CONSUMO GENNAIO FEBBRAIO MARZO APRILE MAGGIO GIUGNO LUGLIO AGOSTO SETTEMBRE OTTOBRE NOVEMBRE DICEMBRE RISCALDAMENTO TORREFAZIONE CAFFE USI OSPEDAL_TAR_CIVILE MANIFATTURA TABACCHI LAVORAZIONE LATTE-CASEIFICI LAVANDERIE-LAVASECCO-TINTORIE INDUSTRIE POLIGRAFICHE-EDITORIALI E AFFINI INDUSTRIE MANIFATTURIERE-ESTRATTIVE INDUSTRIE DI SERVIZI COSTRUZIONI ATTIVITA TECNICO PROFESSIONALI FORNI DA PANE DOMEST_COTT_CIBI E-O ACQ_CALDA HERA_USI_INTERNI_SERVIZIO_ENERGIA HERA_USI_INTERNI_ALTRI_SERVIZI HERA_USI_INTERNI_CENTRI_ACQUA HERA_USI_INTERNI_CENTRI_SOA HERA_USI_INTERNI_SERVIZIO_GAS HERA_USI_INTERNI_RISCALDAMENTO_SEDI COMMERCIO RISTORAZIONE VARIE UD_ANDAMENTO A SACCO UD_COSTRUZIONI UD_FORNI DA PANE UD_INDUSTRIE DI SERVIZI UD_INDUSTRIE MANIFATTURIERE- ESTRATTIVE UD_INDUSTRIE POLIGRAFICHE-EDITORIALI EAFFINI UD_LAVANDERIE-LAVASECCO-TINTORIE UD_LAVORAZIONE LATTE-CASEIFICI UD_MANIFATTURA TABACCHI UD_TERMOVALIZZATORE UD_TORREFAZIONE CAFFE UD_USI OSPEDAL_TAR_CIVILE UD_ANDAMENTO A SACCO_ CIVILE CONDOMINI DISTRIBUITI_SU_VIA UTENZE_DEROGA UTENZE_DEROGA_PARZIALI cui consumo nei mesi di maggio, giugno, luglio, agosto e settembre era nullo ed avente i dati di consumo per tutti i 12 mesi dell anno. Si è fatta l ipotesi che tali contatori potessero essere associati alla categoria d uso riscaldamento. Tale ipotesi è suffragata dal fatto che essendo l area in esame appartenente alla zona climatica E, per legge gli impianti termici degli edifici possono essere attivati dal 15 ottobre al 15 aprile per una durata giornaliera massima pari a 14 ore. Per quanto riguarda le utenze per le quali risultavano disponibili i soli dati di consumo annuo, - chiamate a seguire utenze civili - allo scopo di definirne l andamento di prelievo, ci si è avvalsi delle informazioni di codice tariffa e codice attività del sistema di fatturazione. Note le attività e la descrizione delle tariffe associate ai diversi codici alfanumerici è stato possibile associare univocamente ad ogni utenza una categoria di consumo. Nel caso in cui le categorie di consumo per le utenze civili fossero simili alle categorie d uso definite per le utenze in deroga, si è supposta la coincidenza delle due categorie d uso, ovvero si sono assegnati alle utenze civili i medesimi coefficienti percentuali stimati per le corrispondenti categorie d uso delle utenze in deroga. Nel caso contrario - ovvero nel caso in cui non vi fosse verosimiglianza tra categoria d uso da utenza civi- FIGURA 4: MACROSOTTORETE BOLOGNA 1 MARZO 2007 ANDAMENTO DELLA PORTATA EROGATA CONFRONTO RISULTATI SIMULAZIONI DATI MISURATI 78 SERVIZI A RETE LUGLIO/AGOSTO 2008

5 le e categoria d uso da utenza in deroga - sono state introdotte nuove categorie i cui andamenti termici sono stati desunti da letteratura oppure avvalendosi di studi analoghi prodotti da alcune municipalizzate italiane. E possibile affermare che la procedura descritta ha permesso di disporre di una informazione completa riguardo le utenze in termini di localizzazione territoriale, tipologia e consumo periodico. CALIBRAZIONE Al fine di poter di disporre di una serie di dati acquisiti sul campo, in particolare dati di pressione, sono state condotte due campagne di misura della durata di una settimana ciascuna. La prima ha interessato la settimana tra il 26 febbraio e il 5 marzo con l installazione di 18 strumenti, la seconda ha permesso la misurazione della pressione tra il 5 ed il 12 marzo. La calibrazione del modello in esame è stata condotta adottando le misure di campo di pressione FIGURA 5: MACROSOTTORETE DI BOLOGNA 1 MARZO 2007 ANALISI DEI RISULTATI CONTRONTO PORTATA SIMULATA / PORTATA MISURATA FIGURA 6: MACROSOTTORETE BOLOGNA SCOSTAMENTO PRESSIONE CALCOLATA / PRESSIONE MISURATA DAI DATA LOGGER SIMULAZIONE 2 SCENARIO MEDIO CONSUMO 1 MARZO 2007

6 Un modello matematico per la distribuzione gas IMPIANTO DI PRIMO SALTO DI PROPRIETÀ DEL GRUPPO HERA CABINA DI DISTRETTO DEL GRUPPO HERA fornite sia dai manometri che dalle periferiche di controllo (data logger) utilizzate da Hera per l acquisizione, l archiviazione ed il controllo puntuale dei dati di pressione. Sulla base dei dati acquisiti sono state condotte una serie di simulazioni atte all individuazione di eventuali significative discrepanze tra valori misurati e valori calcolati. Verificata la loro assenza si è potuto condurre la successiva fase di fine tuning. Lo scopo principale di tale fase è il progressivo affinamento del modello al fine di ottenere una rispondenza tra i valori di pressione misurati sul campo e quelli calcolati attraverso il modello. Il processo consiste nel modificare i coefficienti di consumo e il posizionamento degli allacci di utenza al fine di poter ridurre lo scarto medio tra valori misurati e valori calcolati al di sotto di una soglia minima di riferimento pari al 10%. Sono state condotte una serie di simulazioni relative a diversi scenari di erogazione, in corrispondenza di condizioni caratteristiche di sollecitazione della rete. La riproduzione dei diversi scenari di erogazione è stata condotta stimando il valore del coefficiente globale dei consumi in grado di riprodurre la portata istantanea erogata dalle cabine di primo salto. La concordanza tra portata globale richiesta e portata erogata permette la riproduzione corretta delle diverse condizioni di sollecitazione a cui le macrosottoreti sono soggette. Per tutti i sistemi esaminati si è riscontrata un ottima concordanza tra valore medio orario del consumo di marzo e la portata media oraria erogata dalle cabine di primo salto nel giorno di riferimento. Tale concordanza è un ulteriore verifica della correttezza della metodologia adottata per la definizione dei profili di consumo per le utenze, in particolare della ripartizione mensile del consumo annuo per le diverse categorie di consumo individuate. I risultati del processo di taratura sono stati più che soddisfacenti, rilevando nella quasi totalità dei casi, un margine di errore medio del 5%. Casi particolari evidenzianti errori maggiori sono stati analizzati con maggior dettaglio, rilevando provvisorie tarature fuori standard per gruppi di riduzione o errori di cartografia. SERVIZI A RETE LUGLIO/AGOSTO

7 Un modello matematico per la distribuzione gas HERA BOLOGNA CONCLUSIONI Il lavoro, durato un anno, ha mantenuto le promesse della vigilia: la calibrazione ha dato infatti dei buoni risultati di precisione, permettendo ad Hera di disporre di uno strumento di fondamentale importanza per la gestione della rete di distribuzione del gas. Il modello realizzato - conclude l ing. Francesca Ravelli di Hera - costituisce uno strumento di analisi preciso e potente, in relazione soprattutto alle dimensioni e alla completezza dei dati trattati. Gli strumenti per l analisi dei risultati sono di facile uso ed interpretazione e lo rendono uno strumento di uso corrente in azienda. Di grande utilità risulta l evoluta struttura dei dati di utenza e di consumo che, a condizione di un loro aggiornamento periodico, del resto fortemente agevolato dalla completezza del dato gestito all interno del modello stesso, consente di spingere al massimo dettaglio le analisi locali. D altra parte lo strumento è pure fondamentale per analisi di scala intercomunale, consentendo di evidenziare criticità potenziali legate HERA Bologna è la Società Operativa Territoriale del Gruppo Hera che opera nella provincia di Bologna; garantisce il servizio gas a abitanti, tramite uno sviluppo di rete di Km, distribuendo 780 milioni di mc di gas (dati 2007). Il modello realizzato copre uno sviluppo di circa 1200 Km di rete tra bassa e media pressione e contiene i dati relativi a delle circa utenze servite. Il modello lavora all interno di un sistema di gestione territoriale del dato che mira a garantire velocità ed efficienza di analisi, aggiornamento, gestione e calcolo. a differenti scenari evolutivi di urbanizzazione, e agevolando, in ultimo, il governo dei processi evolutivi del servizio a rete, auspicabilmente paralleli agli stessi sviluppi urbanistici. Ing. Francesca Ravelli francesca.ravelli@gruppohera.it Ingegneria Reti Hera Bologna srl Ing. Lorenzo Corti corti@iaing.it IA.ING srl Ing. Cristian Galdini cristian.galdini@dek.it DEK srl Ing. Francesco Leone leone@iaing.it IA.ING srl GLI AUTORI Servizi di escavatori a risucchio e trasporto materiali con cassoni scarrabili