comune di sanremo sollevamento acque reflue pian di … delle pompe esistenti non cambierà in modo...

COMUNE DI SANREMO SOLLEVAMENTO ACQUE REFLUE "PIAN DI NAVE"

RELAZIONE IDRAULICA

Novembre 2018 Pag. 1

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Sommario 1 Premessa .................................................................................................................................................... 2

2 Verifiche in moto stazionario ..................................................................................................................... 2

2.1 Metodologia e dati di base ................................................................................................................. 2 2.2 Interventi in progetto: verifica dei punti di funzionamento .................................................................... 7 2.3 Interventi in previsione: verifica dei punti di funzionamento ................................................................. 9

3 Verifiche in moto vario ............................................................................................................................. 10

3.1 Metodologia e dati di base ............................................................................................................... 10 3.2 Interventi in progetto: 1 pompa AFP4003 in funzione ......................................................................... 13 3.3 Interventi in progetto: 2 pompe AFP4003 in funzione ......................................................................... 14

4 Altre verifiche ........................................................................................................................................... 15

4.1 Verifica del volume della camera di aspirazione .................................................................................. 15 4.2 Verifica dello spessore minimo dovuto alla pressione interna ............................................................... 16


RELAZIONE IDRAULICA



1 Premessa La relazione idraulica è parte integrante del progetto esecutivo relativo alla rifunzionalizzazione della

stazione di sollevamento Pian di Nave di Sanremo.

Le analisi qui riportate interessano le opere in progetto ed in previsione necessarie ad una completa

riabilitazione dell’impianto di pompaggio in oggetto. Alcune verifiche sono estese ad opere in previsione

perché interessano impianti comuni che sono disposti in opera con gli interventi di progetto (es. collettore

di mandata, pompe).

Gli interventi previsti sono i seguenti:

Pulizia vasche, svuotamento e smaltimento rifiuti a discarica

Nuovo piping in acciaio zincato con nuova collocazione delle pompe esistenti e fornitura slitte per la

loro manutenzione (estrazione dell’albero)

Fornitura e posa pompe pilota orizzontali con slitte per manutenzione motori

Adattamenti opere elettriche, quadri elettrici ed inverter, automazione

Sistema di estrazione delle sabbie

2 Verifiche in moto stazionario

Nel seguito si riportano i principali aspetti metodologici relativi alla verifica del sistema. La ricollocazione

delle pompe esistenti non cambierà in modo sostanziale le caratteristiche dell'impianto in termini di

portata sollevabile e rendimento. La posa in configurazione ad asse orizzontale permetterà l'esercizio con

un regime di accensioni e spegnimenti razionale e compatibile con la frequenza ottimale di azionamento

dei motori.

2.1 Metodologia e dati di base Lo studio del corretto funzionamento dell’insieme costituito dalla stazione di sollevamento e dalla sua

relativa condotta di mandata viene sviluppato costruendo le curve caratteristiche dell’impianto e

determinandone il punto di intersezione con le curve caratteristiche del sistema di pompaggio. In seguito si

definiscono le ipotesi ed il procedimento di calcolo seguito, rimandando alla restante documentazione di

progetto per ciò che riguarda i dimensionamenti elettromeccanici delle apparecchiature delle quali è

prevista l'installazione.

La curva caratteristica dell’impianto definisce il valore della prevalenza che deve essere fornita dal gruppo

di pompaggio al variare della portata circolante. Tale valore viene determinato con l’espressione:

Il contributo dato dalla differenza di quota tra i serbatoio di valle e di monte è dato da .

Le perdite di carico in condotta sono indicate come somma di perdite distribuite e concentrate

.

Le perdite distribuite sono valutate facendo riferimento all’espressione di Darcy-Weisback:


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Lg

V

DJLH distr

2

2

con fattore si scabrezza λ espresso secondo la nota formula di Colebrook-White:

Le scabrezze ε considerate sono pari a:

0.2 mm per le tubazioni in acciaio

0.02mm per le tubazioni in PE

Tali valori definiscono condizioni di esercizio normali per condotte nuove o ben manutenute ed in buone

condizioni. Tale assunzione permette di ricavare le massime portate circolanti, con enfatizzazione di tutte le

problematiche in moto stazionario (sovra potenza) ed in moto vario connesse. Per tale ragione, a maggior

sicurezza, si è considerato ragionevole l'assunzione di tali parametri anche per condotte già in esercizio.

Le perdite di carico concentrate, talvolta trascurate nel calcolo delle lunghe condotte, sono state valutate

con l’espressione:

g

VkH conc

2

2

I coefficienti di perdita di carico concentrata k adottati nei calcoli sono riportati in tabella:

ing

resso n

on

ra

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.75

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V

coefficienti di perdita di carico k 0.5 1.0 0.1 0.2 0.2 1.2 1.7 0.6 0.1 1.1 0.1

La curva caratteristica dell'impianto, curva che lega la portata circolante alla prevalenza necessaria perché

ciò avvenga, viene rappresentata in un diagramma prevalenza / portata assieme alla corrispondente curva

caratteristica del gruppo di pompaggio. Questa mostra le portate in relazione al carico che può essere loro

attribuito dal gruppo di sollevamento in questione. L'intersezione tra le curve individua il punto di

funzionamento dell'impianto.

La figura seguente riporta un esempio dell'area dei possibili punti di lavoro.


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Le tubazioni di mandata esistenti sono costituite da:

condotta in acciaio DN800, spessore ipotizzato 6.3mm, lunghezza L=1976m

condotta in PE DE710 PN6.3, spessore 27mm, lunghezza L=3533m

Allo stato attuale sono installate n° 3 pompe mod. ABS AFP 4003 con motore di potenza pari a 300kW e

caratteristiche secondo le curve di figura. La frequenza attuale di funzionamento è pari a 48Hz (curva

rossa).


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Le pompe pilota di previsione, per quanto non installate negli interventi correnti ma unicamente oggetto di

predisposizione, saranno definite da una curva analoga a quella di figura seguente: sono rappresentate le

curve a frequenza nominale (50Hz) e ridotta (39.84Hz) caratteristiche di ciascuna pompa di potenza 90kW.


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La condotta di mandata presenta due punti di immissione di portata localizzati aventi le seguenti

caratteristiche:

premente San Martino: pk 1.976 portata: 100l/s - 200l/s

premente Tre Ponti: pk 3.429 portata: 70l/s - 80l/s


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La vasca di aspirazione delle pompe presenta una variabilità di livello compresa entro le due quote:

massimo riempimento: +0.10m slm

minimo riempimento: -1.60m slm

Le verifiche sono state condotte nell'ipotesi di un riempimento medio della vasca, assumendo un livello pari

a -0.75m slm.

La condotta di mandata alimenta la vasca di carico del depuratore Capo Verde, con un livello idrico assunto

pari a 10.50m slm.

Il riassetto della stazione permetterà in progetto la ricollocazione di n°2 pompe tipo AFP 4003 esistenti e,

in previsione, la nuova posa di n° 2 pompe pilota.

Lo schema di funzionamento previsto vede in funzione, al completamento delle opere, 1 pompa tipo AFP

4003 ed 1 pompa pilota, per una portata sollevata massima dell'ordine di 750l/s. In tal modo si disporrà di

una completa ridondanza delle macchine

La possibilità di esercizio con n°2 pompe tipo AFP 4003 in contemporanea, pur tecnicamente compatibile

con il dimensionamento dell'impianto, non è al momento previsto in ragione della non disponibilità da

parte del depuratore di accogliere la portata derivante dal funzionamento contemporaneo.

In considerazione del fatto che tale possibilità di esercizio contemporaneo costituisce comunque uno

scenario teoricamente ammissibile in futuro, si ritiene utile e significativo assumere tale condizione come

riferimento per alcune verifiche, quale ad esempio quella di dimensionamento del volume della camera di

aspirazione.

2.2 Interventi in progetto: verifica dei punti di funzionamento

Caso 1: nessuna immissione lungo la condotta di mandata

La figura seguente mostra le curve caratteristiche delle pompe e dell'impianto calcolate sulla base delle

ipotesi riportate ai paragrafi precedenti: con tratto continuo sono rappresentate le curve pompe

supportate dal motore installato, con linea tratteggiata quelle che necessitano di una potenza superiore e

non sono dunque disponibili. Le curve impianto per una e due pompe in funzione sono calcolate in assenza

di immissioni lungo la condotta di mandata.

La verifica dei punti di funzionamento alla messa in servizio delle opere in progetto mostra quindi le

condizioni possibili riportate nel seguito:

1 pompa tipo AFP 4003 a 50Hz: funzionamento non possibile

1 pompa tipo AFP 4003 a 48Hz: Q=710l/s @ 30m

2 pompe tipo AFP 4003 a 50Hz: Q=960l/s @ 47m



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Caso 2: immissioni lungo la condotta di mandata a piena portata

Le curve impianto per una e due pompe in funzione sono calcolate considerando le seguenti immissioni:

1 pompa: immissione premente San Martino: portata: 100l/s

premente Tre Ponti: portata: 70l/s

2 pompa: immissione premente San Martino: portata: 200l/s

premente Tre Ponti: portata: 80l/s


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1 pompa tipo AFP 4003 a 50Hz: funzionamento non possibile

1 pompa tipo AFP 4003 a 48Hz: Q=640l/s @ 34m



2.3 Interventi in previsione: verifica dei punti di funzionamento Si considera la possibilità di funzionamento delle due pompe pilota, da sole o in combinazione con 1 pompa

tipo AFP 4003. Le casistiche esaminate anche in questo caso sono differenziate a seconda che sulla

mandata siano presenti o meno le immissioni puntuali segnalate in precedenza. Per semplificare la lettura

dei risultati, senza un'apprezzabile perdita di informazioni, è rappresentata la sola curva caratteristica

dell'impianto con 2 pompe in funzione.

Caso 1: nessuna immissione lungo la condotta di mandata



1 pompa pilota tipo XFP250M-CH2 a 50Hz: funzionamento non possibile

1 pompa pilota tipo XFP250M-CH2 a 39.8Hz: 230l/s @ 13m

2 pompe pilota tipo XFP250M-CH2 a 50Hz: 550l/s @ 22m

2 pompe pilota tipo XFP250M-CH2 a 39.8Hz: 400l/s @ 16m

1 pompa tipo AFP 4003 a 48Hz + XFP250M-CH2 a 50Hz: Q=780l/s @ 30m


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Caso 2: immissioni lungo la condotta di mandata a piena portata



1 pompa pilota tipo XFP250M-CH2 a 50Hz: funzionamento ai limiti della curva, non raccomandato

1 pompa pilota tipo XFP250M-CH2 a 39.8Hz: 200l/s @ 16m

2 pompe pilota tipo XFP250M-CH2 a 50Hz: 480l/s @ 28m

2 pompe pilota tipo XFP250M-CH2 a 39.8Hz: 310l/s @ 20m

1 pompa tipo AFP 4003 a 48Hz + XFP250M-CH2 a 50Hz: Q=670l/s @ 39m

3 Verifiche in moto vario Le problematiche di moto vario costituiscono un aspetto di massima importanza per la verifica strutturale

delle tubazioni. La verifica dell’impianto in progetto deve essere condotta con giusta attenzione per il

complesso costituito da stazione di pompaggio-condotta di mandata.

3.1 Metodologia e dati di base I problemi di moto vario sono generalmente riconducibili a manovre di avviamento od arresto delle pompe,

siano esse volontarie o involontarie (guasto elettrico che comporti interruzione dell’alimentazione).

Generalmente, durante le manovre ordinarie, una corretta gestione delle macchine può minimizzare gli

effetti degli attacchi e stacchi, specialmente nel caso di più unità installate in parallelo.

In occasione di una brusca variazione di portata e pressione in condotta, infatti, si innescano delle

oscillazioni di carico che possono indurre eccessive sollecitazioni nelle tubazioni o condizioni operative

inaccettabili, ove non siano previsti opportuni sistemi di smorzamento (ad esempio le casse d’aria).


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Alcuni possibili scenari critici sono riconducibili alle seguenti situazioni:

avviamento delle pompe;

arresto volontario delle pompe;

interruzione inaspettata dell’alimentazione elettrica e conseguente arresto delle pompe;

manovra di chiusura inaspettata di valvole di sezionamento.

Il brusco arresto dell’alimentazione elettrica è la situazione usualmente più impegnativa e temuta in

impianti di sollevamento analoghi a quello in esame.

Il fenomeno di colpo d’ariete induce delle variazioni di pressione il cui valore massimo può essere calcolato

con la nota espressione di Allievi:

nella quale si ha:

: celerità di propagazione dell’onda (m/s)

: velocità del fluido in condotta (m/s)

: accelerazione di gravità (m/s2)

La celerità di propagazione dell’onda è definita dall’espressione:

nella quale si ha:

: comprimibilità del fluido (N/m2)

: densità del fluido (kg/m3)

: diametro interno del tubo (m)

: modulo elastico del tubo (N/m2)

: spessore della parete del tubo (m)

Nel caso in esame sono stati considerati valori di celerità calcolati in funzione dei diametri seguenti

- DN 800 in acciaio: c=1113m/s

- DE700 PE: c=300m/s


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Concorrono alla formazione del fenomeno di transitorio sia le condizioni iniziali (velocità iniziale), sia le

caratteristiche del fluido (comprimibilità, densità), sia quelle della tubazione (diametro, modulo elastico,

spessore della parete).

Il valore ΔH così calcolato è rappresentativo della variazione di pressione conseguente ad una manovra

istantanea, come cautelativamente si assume sia l’arresto di un sistema di pompaggio.

Nella realtà, altri fattori esterni possono intervenire a limitare l’entità delle variazioni di pressione: l’inerzia

del sistema di pompaggio e di eventuali volani, la presenza di casse d’aria o altri dispositivi di protezione,

l’esistenza di bypass delle pompe.

Interviene inoltre l’aspetto normativo (D.M. 12/12/1985) che impone l’adozione di dispositivi di protezione

nei confronti del colpo d’ariete, indipendentemente dal materiale e dalle caratteristiche meccaniche delle

tubazioni, nel caso in cui la sovrappressione di calcolo superi i valori riportati in tabella, in funzione della

pressione idrostatica.

Pressione idrostatica (bar) Fino a 6 6-:-10 10-:-20 20-:-30

Sovrapressione da colpo d’ariete (bar) 3 3-:-4 4-:-5 5-:-6

Nel caso in esame la sovrappressione ammissibile senza ricorrere a dispositivi di protezione è pari a 3-6 bar.

Il calcolo degli effetti di moto vario è stato affrontato con il software Hammer, distribuito da Bentley

Software.

Si è assunta la presenza ed il corretto funzionamento di alcune valvole di sfiato con funzione di rientro aria

per protezione dalle depressioni, secondo il profilo fornito dalla committente. Le apparecchiature sono

caratterizzate dalla curva di portata - pressione riportata nel seguito per il diametro DN150/200.

Gli sfiati esistenti sono posizionati alle pk:

pk 1250 sfiato SCA150


pk 2252 sfiato

pk 2236 sfiato

pk 2538 sfiato

pk 3124 sfiato SCF150


pk 4907 sfiato SCF150


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Gli sfiati dei quali non è indicato il diametro sono stati assunti non efficaci ai fini del contenimento delle

depressioni.

In stazione sono attualmente installate n°2 valvole di dissipazione delle sovrapressioni delle quali non è

stato possibile reperire la curva di funzionamento né definire la taratura. Il confronto con il gestore ha

tuttavia evidenziato come non sia usuale l'entrata in funzione di tali valvole. Per questo motivo, e più in

generale perché la pressione di taratura deve comunque essere sufficientemente alta da garantire il

funzionamento in condizioni stazionarie, non si è considerato l'intervento delle protezioni. L'andamento

delle sovrapressioni in condotta durante il transitorio si dimostra infatti sempre inferiore alla pressione

stazionaria iniziale, evitando l'intervento delle valvole che, infatti, devono presentare una taratura

superiore alla stazionaria iniziale.

Si è considerato il caso di assenza di immissioni puntuali in condotta.

3.2 Interventi in progetto: 1 pompa AFP4003 in funzione Si è indagato il comportamento del sistema in caso di arresto inatteso di una singola pompa in funzione,

nell'ipotesi che tutte le apparecchiature di protezione installate allo stato attuale siano in piena

funzionalità. La portata circolante è assunta pari a circa 700l/s.Si è considerata inoltre l'installazione di una

nuova valvola di sfiato con funzione di rientro aria per protezione dal transitorio all'interno dell'impianto di

sollevamento; le caratteristiche della valvola sono analoghe a quelle riportate al paragrafo precedente.

L'immagine seguente rappresenta il profilo della condotta (colore verde), la linea dei carichi piezometrici

stazionari (nero), l'inviluppo delle sovrapressioni (rosso) e delle sottopressioni (blu) ottenute dal calcolo

dell'arresto brusco di una pompa.


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Si evidenzia l'insorgere di significative depressioni ,contenute in modo efficace dal nuovo sfiato in progetto

entro la stazione e dagli sfiati disposti lungo la condotta. Alcune zone sia nella parte in acciaio (pk: 0 -

1975m circa) sia nella parte in PE (pk: 1975 circa - fine) sono tuttavia sollecitate da depressione che

raggiunge mediamente un valore massimo di 5m. Tale condizione non è ottimale perché contribuisce ad

un'eccessiva sollecitazione della condotta, seppure non sia riconducibile ad una situazione di esercizio

frequente.

3.3 Interventi in progetto: 2 pompe AFP4003 in funzione Si è indagato il comportamento del sistema in caso di arresto inatteso di due pompe, con una portata

circolante assunta pari a circa 950l/s.

Si evidenzia anche in questo caso l'insorgere di significative depressioni con un comportamento

qualitativamente analogo a quello riscontrato nel caso precedente. Valgono quindi le medesime

considerazioni.

L'andamento delle portate di rientro aria richiamate dallo sfiato predisposto in stazione di sollevamento

sono rappresentate in figura, in combinazione con la pressione.


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4 Altre verifiche

4.1 Verifica del volume della camera di aspirazione Il calcolo del volume della camera di aspirazione deve essere effettuato in modo da contenere il numero

degli avvii delle pompe entro i limiti di sicurezza elettrica definiti dal costruttore. Nel caso di pompe come

quelle installate in stazione, il numero di avviamento/h è stato considerato pari a 6, sebbene tecnicamente

sia possibile una frequenza maggiore.

Nel caso di stazione equipaggiata con n elettropompe attive uguali che si avviano in sequenza

all’aumentare del livello e, sempre in sequenza, si staccano al diminuire del livello, il volume totale da

assegnare alla camera di pompaggio è definito dalla seguente formula:

tot (n 1) h

dove:

- V tot [m3] è il volume necessario per la regolarizzazione dei cicli di accensione;

- V [m3] è il volume nel caso di una singola pompa;

- Δh [m] è la differenza di quota che determina i successivi avvii delle pompe e può essere assunto

pari a 0,30 m;

- S [m2] è la superficie della camera di pompaggio.

Il volume necessario V per una singola pompa, senza rotazione ciclica degli avviamenti a favore di una

ulteriore sicurezza, è dato dall'espressione:

/ z


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dove:

- V [m3] è il volume nel caso di una singola pompa;

- Q [m3/h] è la portata della singola pompa (assunta pari a 500l/s)

- z [-] è la frequenza massima di avviamenti orari

ottenendo un valore V=75m3.

Nel caso in esame si è verificata la capacità della vasca nell'ipotesi molto cautelativa che la stessa venga

esercita impostando l'avviamento in sequenza delle due pompe tipo AFP 4003 comandato dal livello in

vasca, senza pompa di riserva e senza rotazione ciclica.

Si è ottenuto un valore necessario per una singola pompa pari a V=75m3 ed un volume necessario

complessivo pari a 100.5m3.

La capacità della vasca esistente, a fronte di una superficie in pianta pari ad 85m2 e di un'escursione di

livello compresa tra +3m e +1.30m, raggiunge un volume pari a 144.5m3, significativamente maggiore di

quello necessario.

L'esercizio della vasca in una configurazione diversa, purché razionalmente entro la portata massima

prevista, non comporterà un impegno di volume superiore a quello disponibile.

4.2 Verifica dello spessore minimo dovuto alla pressione interna Il calcolo viene eseguito alla massima pressione di esercizio, pari a 5 bar, cui, cautelativamente, si aggiunge

1 bar, considerando eventuali sovrappressioni da colpo di ariete non risultanti dai calcoli, per un totale

cautelativo di 6 bar.

Si esegue il calcolo in via preliminare allo scopo di verificare le basse tensioni sul materiale adottato per il

piping.

DIAMETRO ESTERNO mm

SPESSORE mm

DIAMETRO INTERNO

mm

DIAMETRO MEDIO

mm

RAPPORTO SPESSORE/DIAMETRO

MEDIO

800 7.9 784.2 792.1 0.01

Il calcolo viene eseguito utilizzando la teoria semplificata di Mariotte.

Le ipotesi di base sono illustrate nella figura seguente.


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Nel caso della condotta di diametro DN800 le ipotesi di base sono soddisfatte. Nel caso in esame non si

considerano gli effetti di fine-inizio condotta, che non risultano a favore di sicurezza (riducono le tensioni

tangenziali).

Seguendo le ipotesi di Mariotte, si ha la seguente formulazione, che lega le pressioni interne alla tensione

tangenziale nel materiale:

Nella tabella seguente vengono riportati i dettagli di calcolo nel caso in esame, nella condizione più

cautelativa di un piping realizzato con acciaio di prestazioni di basso livello (grado A – norme API 5L).


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D(medio): 792.1 mm, pari a 0.6969 Spessore S: 7.9 mm, pari a 0.0143 Pressione max. P. incluso colpo ariete: 6 bar, pari a 0.300 N/mmq (Mpa)

Sigma di snervamento acciaio: 207 N/mmq (MPa), pari a 207000000 N/mq (Pa)

Sigma di calcolo in base alla pressione: 30 N/mmq (MPa), pari a 30079747 N/mq (Pa)

Fattore di sicurezza sulla sigma snervamento: 6.88 Verifica: 30 Mpa<< 207 MPa VERIFICA SODDISFATTA

Il coefficiente si sicurezza garantisce quindi un sufficiente grado di cautela nei confronti della resistenza alla

pressione interna.

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