EPANET ile hidrolik simülasyon yoluyla bir su dağıtım şebekesinin işletiminin enerji verimliliği açısından iyileştirilmesi

Öz

Su dağıtım şebekeleri, genellikle, şebekede basınç açısından en kritik noktalarda yeterli basınç olacak şekilde işletilir. Ancak günün saatleri içindeki debi salınımlarına uyacak ve enerji tüketimini en aza indirecek bir işletme tipi yerine, işletme kolaylığı için, genellikle, basınçların en düşük basıncın oldukça üstünde olduğu düşük basınç şikayetlerine göre bir işletim uygulanmaktadır. Su dağıtım sistemlerinde, zaman, tüketilen su miktarı ve basınç gibi parametreler dikkate alınarak şebeke işletiminin iyileştirilmesi, hem sistemde su kayıplarının önlenmesi hem de enerji verimliliğinin arttırılmasını sağlar. Yerel yönetimler için önemli bir maliyet kalemi olan içmesuyu dağıtım sistemlerindeki enerji tüketimi şebekenin optimum işletimi ile önemli miktarda azaltılarak enerji tasarrufu sağlanabilmektedir. Bu çalışmada, bir organize sanayi bölgesinin su dağıtım şebekesi örnek şebeke olarak ele alınmıştır. Örnek şebekede, su tüketim farklılıkları esas alınarak üç ayrı işletme bölgesi oluşturulmuştur. Bu bölgelerde minimum ve maksimum su tüketimlerinin debi için ekstrem koşullar olduğu kabul edilerek iki ayrı tüketim değeri ve üç işletme için sekiz farklı hidrolik durum oluşturulmuştur. Bu durumlarda oluşan hidrolik koşullar EPANET yazılımı ile simülasyon yoluyla çözümlenmiştir. İşletmede yapılacak iyileştirmelerle elde edilecek enerji tasarrufunu belirleyebilmek için örnek şebekede iki farklı işletme prosedürü tanımlanmıştır: (i) normal (basit) işletme ve (ii) iyileştirilmiş işletme. Çalışma sonunda, iyileştirilmiş işletmenin toplam enerji tüketimini %16 oranında azalttığı hesaplanmıştır. Birim enerji tüketimi normal işletme için 0.314 kWh/m³ değerinden iyileştirilmiş işletme için 0.261 kWh/m³ değerine düşmüştür. Bu çalışma, su dağıtım şebekeleri işletiminin su tasarrufu ve enerji verimliliği açısından iyileştirilmesine ilişkin planlanma çalışmalarında, hidrolik simülasyon yazılımı EPANET’in etkin bir araç olarak kullanılabileceğini ortaya koymaktadır.

Anahtar Kelimeler

• Su dağıtım şebekesi,Pompa,Basınç,İşletim,EPANET,Enerji verimliliği

Improvement of the operation of a water distribution network in terms of energy efficiency via hydraulic simulation with EPANET

Abstract

Water distribution systems are generally operated so as to provide enough pressure at all nodes that are critical in terms of pressure in the network. But, instead of applying an operational plan that fits the flowrate fluctuations in the hours of a day and thus minimizes the energy consumption, for the operation practicality, a complaints-based operational procedure in which pressures at all nodes are well above the minimum allowable pressure limit is preferred. In water distribution systems, improvement of the operational procedure of the network based on time, the amount of consumed water and pressures at the nodes allows both to reduce water losses in the network, to enhance sustainability and also to provide energy efficiency. In water distribution systems, energy consumption, one of the major expenses for local governments today, can be decreased significantly by optimization of water network operations. In this study, the water network of an organized industrial district was considered as the case water network. There operational zones in the network were identified based on the differences in water consumption patterns. With considering minimum and maximum water consumptions as the extreme conditions for flowrate, eight scenarios were identified for two flowrates (i.e. minimum and maximum) and three operational zones. Hydraulic conditions for these scenarios were then analyzed by hydraulic simulations in EPANET 2. In order to assess energy savings via operational improvements, two different operational procedures were identified for the case water network: (i) base operational procedure and (ii) improved operational procedure.  As the result of the study, improved operational procedure reduced energy consumption almost 16% for the case water network. Unit energy consumption lowered from 0.314 kWh/m³ for base operation procedure to 0.261 kWh/m³ for improved operational procedure. This study indicates that EPANET, a hydraulic simulation software, can effectively be applied in the planning of operational improvements of water distribution networks.

Keywords

• Water distribution network,Pump,Pressure,Operation,EPANET,Energy efficiency

References

1. Henden B, Karaman B. “Pompalarda Enerji Verimliği-Minimum Verimlilik İndeksinin Belirlenmesi”. MASGrup, http://www.masgrup.com/, 2015.
2. Yumurtacı Z, Sarıgül A. “Santrifüj pompalarda enerji verimliliği ve uygulamaları”. TMMOB Makine Mühendisleri Odası Tesisat Mühendisliği Dergisi, 122, 49–58, 2011.
3. Kaya D, Yağmur EA, Yiğit KS, Kılıç FC, Eren AS, Çelik C. “Energy efficiency in pumps”. Energy Conversion and Management, 49 (6), 1662–1673, 2008.
4. Lingireddy S, Wood D. “Improved operation of water distribution systems using variable-speed pumps”. Journal of Energy Engineering, 124(3), 90-103, 1998.
5. Marchi A, Simpson AR. “Correction of the EPANET inaccuracy in computing the efficiency of variable speed pumps”. Journal of Water Resources Planning and Management, 139(4), 456-459, 2013.
6. Kahraman AM. Optimal Design and Expansion of Water Distribution Systems using Genetic Algorithm”. Yüksek Lisans Tezi, Dokuz Eylül Üniversitesi, İzmir, Türkiye, İzmir, 2003.
7. Kahraman AM, Özdağlar D. “Su dağıtım sistemlerinin genetik algoritma ile optimizasyonu”. DEÜ Mühendislik Fakültesi Fen ve Mühendislik Dergisi, 6(3), 1-18, 2004.
8. Bohórquez J, Saldarriaga J, Vallejo D. “Pumping pattern optimization in order to reduce WDS operation costs”. 13th Computer Control for Water Industry Conference, 2015.

9. Georgescu AM, Georgescu SC, Cosoiu CI, Hasegan L, Anton A, Bucur DM. “EPANET simulation of control methods for centrifugal pumps operating under variable system demand”. 13th Computer Control for Water Industry Conference, 2015.
10. Georgescu AM, Cosoiu CI, Perju S, Georgescu SC, Hasegan L, Anton A. “Estimation of the efficiency for variable speed pumps in EPANET compared with experimental data”. Procedia Engineering, 89, 1404 – 1411, 2014.
11. Özdağlar D. İzmir Atatürk Organize Sanayi Bölgesi Su Dağıtım Projesi Raporu, DEÜ SUMER, 2001.
12. İl Bank. “İçmesuyu Tesisleri Etüt, Fizibilite ve Projelerinin Hazırlanmasına Ait Teknik Şartname”. Ankara, 2013.