SFRUTTAMENTO IDROELETTRICO DELL'ACQUEDOTTO …

I Progettisti

Scala

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Elaborato

Il Legale Rappresentante

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N° Descrizione Redatto Verificato

Approvato

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Ing. Giovanni BARONE Ing. Cristian BONETTI

Via L.A. Muratori n°13 - 90127 PALERMO

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L'Impresa

engineering

Società di Ingegneria

Redazione: Società di Ingegneria AKWA Engineering s.r.l. - Via L. A. Muratori n°13, 90127 PALERMO - PEC: [email protected] - www.akwaengineering.com

RELAZIONI

RELAZIONE IDRAULICA

CNS-1.1

Marzo 2020

AKWAMarzo 2020

CNS-1.1.doc

SFRUTTAMENTO IDROELETTRICO

DELL'ACQUEDOTTO SCILLATO

CENTRALE DISCONNESSIONE CONSONA

- Progetto Definitivo -

PROGETTO DEFINITIVO Sfruttamento idroelettrico delle risorse idropotabili acquedotto Nuovo Scillato – Centrale Consona

RELAZIONE IDRAULICA

INDICE GENERALE 1. PREMESSA ................................................................................................................ 2 2. CONCESSIONE IDROELETTRICA ...................................................................... 2 2.1. Obiettivi dell’intervento ............................................................................................... 2 2.2. La rete degli acquedotti ................................................................................................ 2 2.3. Portate e volumi disponibili ......................................................................................... 5

2.4. Salto ............................................................................................................................. 5 2.5. Potenza nominale di concessione ................................................................................. 5 2.6. Risorse effettivamente disponibili ............................................................................... 6 2.7. Altre risorse teoricamente disponibili .......................................................................... 8

3. VERIFICHE IDRAULICHE .................................................................................. 13 3.1. Perdite continue .......................................................................................................... 13 3.2. Perdite localizzate ...................................................................................................... 14 3.3. POTENZE E PRODUCIBILITÀ ............................................................................... 17

4. TURBINA SELEZIONATA E CURVE DEI RENDIMENTI ............................. 18 5. VARIAZIONI DI PRESSIONE SULL’ACQUEDOTTO .................................... 20 6. FUNZIONAMENTO CENTRALE IN CASO DI MOTO VARIO ..................... 22


RELAZIONE IDRAULICA

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1. PREMESSA Nell’ambito della progettazione definitiva della centrale idroelettrica “Consona” è stata redatta

la presente relazione idraulica che illustra i calcoli a supporto del dimensionamento delle

infrastrutture in progetto in termini di richiesta di concessione idroelettrica, della produzione

idroelettrica attesa della centrale, delle sollecitazioni sulle infrastrutture esistenti e degli

accorgimenti atti a ridurre i fenomeni di moto vario.

2. CONCESSIONE IDROELETTRICA

2.1. Obiettivi dell’intervento

Stante l’esistenza delle infrastrutture idrauliche per il convogliamento delle acque, in

relazione alle disponibilità idriche già assegnate al comune di Palermo per

l’approvvigionamento idropotabile dello stesso comune e dei carichi disponibili dettati dalle

condizioni idrauliche di funzionamento, il progetto prevede di realizzare una centrale dove

turbinare i volumi consegnati ad uso idropotabile al manufatto di disconnessione Consona

del comune di Bagheria, derivandoli a monte dello stesso, turbinandoli per poi reimmetterli

nell’acquedotto, realizzando un intervento su acquedotto esistente senza incremento di

portata derivata.

La centrale utilizzerà il surplus di carico disponibile in condizioni dinamiche, con una portata

media di 500 l/s, sfruttando fino alla portata di 650 l/s, inferiore a quella posta a base della

concessione di derivazione ad uso idropotabile.

2.2. La rete degli acquedotti Il servizio di distribuzione idrica nella città di Palermo e delle cittadine poste sulla fascia

costiera a mezzo di un moderno acquedotto può farsi risalire agli albori del novecento,

quando si cominciò ad utilizzare l’acqua ricavata dalle sorgenti di Scillato.

Le sorgenti si trovano ad una quota superiore a quella del piccolo paesino Madonita da cui

prende il nome il gruppo delle sorgenti stesse, appunto Scillato. Le copiose sorgenti di

Scillato, dalle quali sono derivate le acque che alimentano l’acquedotto omonimo, si possono

considerare formanti un sol gruppo, scaturiscono alle falde estreme del monte Fanusi che fa

parte della catena delle Madonie. Le acque che scorrono nel sottosuolo affiorano alla quota

di 376,68 metri, a monte del paese, nella località detta contrada Sorgive; le tre diverse

sorgenti che si creano prendono il nome di Agnello, Calabria e Golfone.

Lo sfruttamento delle acque di Scillato nacque dall’esigenza di portare in città acqua salubre

in quanto, in seguito a due epidemie di colera che avevano colpito la popolazione della città

di Palermo tra il 1884-1885, si ritenne opportuno, alle soglie del Novecento, dotare la città di


RELAZIONE IDRAULICA

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un sistema di distribuzione dell’acqua moderno ed efficiente.

La portata addotta in città era tra i 350 e i 500 litri al secondo. Fanno parte dell’acquedotto,

lungo circa 70 km quasi tutto realizzato a pelo libero, oltre al comprensorio delle fonti, tutto il

sistema di tubazioni che porta l’acqua a Palermo e poi la smista alla cittadinanza;

ovviamente, il percorso è relativamente lungo, quindi sono previsti passaggi attraverso ponti-

canale, scivoli ed altre strutture adatte. All’arrivo alle porte della città, l’acqua veniva raccolta

in due serbatoi, in località San Ciro, alle porte di Palermo, per poi essere distribuita nelle

case dei palermitani, mediante le condotte di distribuzione.

L’acquedotto fino al primo dopoguerra sopperì adeguatamente ai bisogni dei palermitani.

All’inizio degli anni ’80, stante la vetustà e le problematiche del vecchio adduttore, è stata

portata a termine la costruzione del nuovo Acquedotto di Scillato, costituito da una condotta

in pressione che affianca il vecchio canale Scillato.

Il nuovo acquedotto Scillato è stato realizzato con una condotta in acciaio DN 900,

opportunamente dimensionato per trasferire la portata massima di oltre 1.000 l/s, che inizia il

suo percorso a quota 369.90 m slm e che dopo un percorso di oltre 60,0 km giunge al

manufatto posto a quota 189,0 m slm, in cima a monte Grifone.

Lungo il percorso, al fine di limitare il carico piezometrico sulla condotta in acciaio, sono stati

realizzati due manufatti interruttori che spezzano la continuità idraulica dell’acquedotto e

riducono, dunque, la pressione.

I manufatti interruttori sono in corrispondenza della c.da “Cozzo Imperatore”, nel comune di

Termini Imerese, alla quota 287,75 m slm, ed in corrispondenza di c/da “Consona”, nel

comune di Bagheria, alla quota 219,00 m slm.

L’attuale distribuzione è influenzata dal ridotto funzionamento dell’acquedotto Scillato, esso

oggi risulta in esercizio ad una portata inferiore rispetto alla sua potenzialità per una

riduzione di sezione operata su due tratti siti in C/da Burgitabus e Scacciapidocchi a causa di

una frana.

In particolare è stato operato un relining dell’acquedotto che limita la portata massima

veicolabile a 450 l/s a fronte dei 900 l/s di progetto; è altrettanto vero che la portata media

dell’acquedotto, funzione della disponibilità delle sorgenti, è compresa tra 600 e 800 l/s, in

questa fase ridotta a 450 l/s.

Come detto nei paragrafi precedenti, allo stato attuale, l’acquedotto Scillato, a monte del

manufatto di Cozzo Imperatore a causa di un evento franoso verificatosi nel 2011, è stato

oggetto di un intervento di relining realizzato con la posa in due tratti distinti per una

lunghezza complessiva di circa 2,0 km di tre condotte in tubolare flessibile con diametro DN

250 per il primo tratto e DN 300 per il secondo tratto.

Tale intervento limita la portata veicolabile dalle sorgenti Scillato a 450 l/s.

È attualmente in corso l’appalto dei lavori per il ripristino del tratto con una condotta in


RELAZIONE IDRAULICA

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acciaio DN 900, che ripristinerà l’intera funzionalità dell’acquedotto.

Lo schema acquedottistico suggerisce l’inserimento di due centrali idroelettriche in

corrispondenza dei due manufatti interruttori che dissipano il surplus di energia facendo

innescare un moto a canaletta nell’acquedotto e mantengono più basso il cielo piezometrico.

L’inserimento delle turbine, senza modificare il regime delle portate, solleverà il cielo

piezometrico, permettendo la dissipazione dell’energia nelle turbine e non facendo innescare

il moto a canaletta nell’acquedotto.

Il presente progetto si riferisce alla realizzazione di una centrale idroelettrica da realizzare sul

manufatto interruttore di C/da Consona.

Per una valutazione dell’energia producibile si sono acquisiti i dati gestionali dell’azienda, dai

quali risulta, che prima degli interventi di relining la portata media veicolata dall’acquedotto

Scillato al manufatto di interruzione è di 500 l/s a regime, provenienti interamente dal

manufatto interruttore di Cozzo Imperatore posto a quota 287,75.

✓ Centrale Consona: Qmedia= 500 l/s - Qmax=650 l/s – Salto utile medio 49,50 m

Il presente progetto intende realizzare una centrale idroelettrica su acquedotto esistente,

senza incremento di portata derivata, ed utilizzando le portate già disponibili ai fini

idropotabili senza modificare la distribuzione giornaliera asservita alla distribuzione

idropotabile.


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2.3. Portate e volumi disponibili

Le portate richieste per la produzione idroelettrica in argomento sono direttamente collegate

all’alimentazione idropotabile dei comuni serviti dall’acquedotto Scillato e sottesi alla quota

piezometrica del manufatto interruttore di C/da Consona, allo stesso ogni anno, vengono

consegnati circa 15.800.000,00 m3, che corrisponde ad un valore medio di portata di circa

500 l/s.

Per quanto riguarda le portate massime e minime, in relazione ai dati gestionali, possono

variare da:

• Portata minima: 400 l/s

• Portata media: 500 l/s

• Portata massima: 650 l/s

2.4. Salto

Il salto utile lordo ai fini della concessione idroelettrica è dato dalla differenza tra la quota del

pelo libero di monte, fissato dalla quota del manufatto di Cozzo Imperatore (287,75) al

manufatto di C/da Consona (219,00 m slm).

Acquedotto Dislivello H (m)

C/da Cozzo Imperatore - C/da Consona Monte - Valle 68,75

Il salto utile netto, cioè il salto effettivamente disponibile all’ingresso del meccanismo motore,

varia in funzione della portata e delle caratteristiche geometriche e idrauliche del sistema di

adduzione a monte ed a valle.

2.5. Potenza nominale di concessione

2.5.1. Centrale Consona Pnc = Potenza nominale di concessione= 75,68500,081,9HQ 9,81 med g,nom med = = 337,21 kW

2.5.2. Dati nominali Qmax = portata massima turbinabile: 0,650 m3/s

Qmed nom = portata media nominale di concessione: 0,500 m3/s

Hn = salto utile lordo: 68,75 m

Pnc = potenza nominale di concessione: 337,21 kW


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2.6. Risorse effettivamente disponibili

Le risorse idropotabili che vengono oggi convogliate e che, ragionevolmente, in futuro

saranno convogliate dall’Acquedotto Nuovo Scillato sono essenzialmente quelle delle

sorgenti Scillato.

I dati del vigente Piano Regolatore Generale degli Acquedotti (PRGA) relativamente alle

risorse vincolate per le sorgenti Scillato (Tab.1) prevede un volume annuo destinato al

prelievo per usi civili di 19.236.960 m3, che equivalgono ad una portata media di 610 l/s.

Tab. 1: Stralcio Tab.PA/R2 del P.R.G.A risorse vincolate e dettaglio ingrandito

Se si fa riferimento al Piano di Tutela della Acque della Sicilia, dai dati relativi al Bacino

dell’Imera Settentrionale (Tab.2), si rileva un volume disponibile per le sorgenti Scillato di

21.088.895 m3, che equivalgono ad una portata media di circa 670 l/s.

Entrambi i dati sono in linea con i valori di circa 20÷22 Mm3 generalmente indicati da AMAP

per valutare la potenzialità annua di resa dell’acquifero.

Tab. 2 : Piano di Tutela delle Acque – Bacino Imera Settentrionale – Sorgenti destinate ad uso potabile

Volendo fare una simulazione sulle portate turbinabili, con riferimento al volume utilizzabile

programmato dal P.R.G.A. (V=19.236.960 m3), è stata ricavata una possibile e ragionevole


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curva di durata delle sorgenti, considerando quali valori estremi disponibili della portata di

900 l/s e 530 l/s. Sono stati considerati due possibili scenari:

• Scenario 1 : più coerente con la normale gestione della risorsa. Si prevede che alla

centrale Consona arrivi una portata inferiore, calcolata al netto della quota immessa

nel Vecchio Canale Scillato e di quella distribuita alle utenze lungo il percorso.

Nell’ipotesi sviluppata, cautelativamente, è stata ipotizzata in 100 l/s la portata media

da detrarre a quella in arrivo a Consona (generalmente è di 150 l/s). In questa ipotesi

(Fig. 1), considerando una portata massima turbinabile di 650 l/s, il volume utile

sarebbe di circa V=14.782.000 m3, dello stesso ordine di grandezza del volume

richiesto in concessione. La turbina potrebbe funzionare oltre 330 giorni l’anno;

Fig. 1 : Curva di durata sorgenti Scillato – Scenario 1

• Scenario 2 : Si prevede che alla centrale Consona arrivi integralmente la portata

delle sorgenti. In questa ipotesi (Fig. 2), considerando una portata massima

turbinabile di 650 l/s, il volume utile sarebbe di circa V=14.433.000 m3, sempre dello

stesso ordine di grandezza del volume richiesto in concessione. La turbina potrebbe

funzionare oltre 290 giorni l’anno.


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Fig. 2 : Curva di durata sorgenti Scillato – Scenario 2

E’ evidente che questi due scenari servono solo a chiarire l’idea generale di funzionamento

della centrale e di sfruttamento dello stesso, in quanto ogni anno la variabilità delle portate in

transito (minimo e massimo) può condurre a curve di durata differenti, sia pure riconducibili a

quelle sopra rappresentate.

Va anche evidenziato che fermo restando il volume massimo annuo richiesto in concessione,

pari a V=15.800.000 m3, la turbina potrebbe anche funzionare per valori di portata fino a 800

l/s (per un salto utile di circa 25 m), con una riduzione comunque accettabile della

produzione istantanea (inferiore del 25%). In questa ipotesi, anche con variazioni

significative della curva di durata (che potrebbe anche essere per assurdo piatta) e delle

portate in gioco, l’impianto consentirà agevolmente il raggiungimento degli obiettivi minimi

prefissati dalla scrivente PROIDRO.

Ciò vale ancor di più, se si considera un volume in transito maggiore, come ad esempio

quello indicato nel Piano di Tutela delle Acque (V=21.088.895 m3).

2.7. Altre risorse teoricamente disponibili Nel corso dell’iter istruttorio AMAP S.p.A., attuale gestore dell’infrastruttura, ha evidenziato la

possibilità di convogliare nel sistema del Nuovo Acquedotto Scillato anche le acque delle

sorgenti Presidiana, delle portate della Traversa Imera e dell’Adduttore Rosamarina Est.

In merito a quanto asserito da AMAP si precisa meglio quanto segue.


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2.7.1. Sorgente Presidiana

La sorgente Presidiana è una sorgente salmastra, ricca di cloruri, che sgorga in adiacenza al

porto di Cefalù, ad una quota di qualche metro sopra il livello del mare (circa 3,00 m slm),

che necessita di un trattamento di dissalazione (ad es. osmosi inversa) per potere essere

utilizzata.

In passato, con un’apposita deroga degli Organi Sanitari competenti, veniva in parte

utilizzata, miscelandola alle acque delle sorgenti Scillato. In merito, nel piano industriale

AMAP 2016 – 2018 è scritto che per quanto riguarda espressamente la sorgente Presidiana,

essa risulta inutilizzata non essendo stata più concessa la deroga alla miscelazione con le

sorgenti Scillato in considerazione dell’elevata concentrazione di cloruri.

Fig. 3 : Localizzazione Sorgente Presidiana

Il P.R.G.A. prevede un volume annuo utilizzabile ai fini civili di 7.410.000 m3, come rilevabile

dalla tab.3 relativa alle risorse vincolate. Di questo volume una quota importante è destinata

a Cefalù, dove nei primi anni 2000 è stato realizzato un dissalatore in project financing ad

esclusivo servizio dello stesso comune, i cui costi di produzione dell’acqua hanno portato

AMAP nel 2017 a rinunciare a prendersi in carico la gestione del Servizio Idrico Integrato

della cittadina, come facilmente rilevabile anche da alcuni articoli giornalistici sull’argomento

1.

1 https://www.palermotoday.it/cronaca/emergenza-acqua-cefalu-sospesa-attivita-potabilizzatore.html

https://www.palermotoday.it/cronaca/emergenza-acqua-cefalu-sospesa-attivita-potabilizzatore.html


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Tab. 3: Stralcio Tab.PA/R2 del P.R.G.A risorse vincolate e dettaglio ingrandito – Sorgente Presidiana

In ogni caso, per un utilizzo da parte di AMAP delle acque della sorgente Presidiana,

dovrebbe essere realizzato un apposito potabilizzatore/dissalatore, di cui non vi è traccia nel

piano industriale AMAP 2019 – 2021.

Infine, si evidenzia che i costi di produzione dell’acqua con tecniche di dissalazione (osmosi

inversa o elettrolisi) sono dell’ordine di almeno 0,50-0,60 €/m3, da tre a quattro volte superiori

ai costi di un trattamento normale di potabilizzazione di acque superficiali. A ciò si

aggiungono i costi di sollevamento per il convogliamento delle acque da Cefalù in prossimità

di Buonfornello, dove è previsto l’inserimento nel Nuovo Scillato. Questi ulteriori costi,

trascurando le perdite di carico lungo l’adduttore, considerando solo il dislivello geodetico tra

la sorgente ed il manufatto interruttore di Cozzo Imperatore (circa 290 m), un rendimento

delle pompe del 65% ed un costo dell’energia di 0,15 €/kWh, possono essere stimati - per

difetto - in circa 0,18 €/m3.

L’ipotesi di convogliare le acque di Presidiana sul Nuovo Acquedotto Scillato è

antieconomica ed irrazionale dal punto di vista gestionale, in quanto questa risorsa ha come

naturale bacino di utilizzo quello delle utenze della fascia costiera tra Termini Imerese e

Cefalù.

La sorgente Presidiana, dall’altro lato, ragionevolmente, potrebbe assumere una valenza

strategica in caso di crisi idrica della città di Palermo, da utilizzare in caso di necessità, quale

misura di riserva per integrare le risorse disponibili. Solo in questi casi, veramente critici e

rari, avrebbe senso immettere queste acque sull’acquedotto Nuovo Scillato.

Dal 2011 al 2017, AMAP ha gestito i propri acquedotti senza utilizzare l’importantissima

risorsa di Scillato, ancora oggi parzialmente utilizzata. Appare, quindi, ancor di più,

pretestuosa l’ipotesi di convogliare le acque della sorgente Presidiana nello Scillato.


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2.7.2. Traversa di presa sull’Imera Settentrionale

L’ulteriore risorsa che può essere convogliata dal Nuovo Acquedotto Scillato, indicata da

AMAP, è costituita dalle acque intercettabili dalla traversa di presa sul Fiume Imera

Settentrionale, realizzata all’altezza del comune di Scillato.

La traversa alimenta poi il vicino Potabilizzatore Imera, posto a quota di circa 182 m slm.

Il sistema prevede l’alimentazione in linea del Nuovo Acquedotto Scillato, che nel tratto ha un

carico dettato dalla quota delle sorgenti (circa 369 m slm). Per realizzare questa immissione

è previsto un impianto di sollevamento con prevalenza manometrica di circa 200 m.

Fig. 4 : Localizzazione Traversa di Presa sul F.Imera S. e Potabilizzatore Imera

Il P.R.G.A. prevede per questa risorsa un volume annuo utilizzabile ai fini civili di 2.000.000

m3, come rilevabile dalla tab.4 relativa alle risorse vincolate, che equivale ad una portata

media di circa 70 l/s. Da oltre 10 anni né la traversa, né il potabilizzatore sono in

esercizio.

Il recupero e l’utilizzo di queste infrastrutture, con ingenti investimenti di revamping, ha un

senso (e maggiore sostenibilità dal punto di vista economico) in un’ottica di alimentazione

delle utenze della fascia costiera tra Termini Imerese e Cefalù, evitando onerosi

sollevamenti, in quanto si avrebbero risorse idropotabili convenzionali con costi di

produzione ridotti. I costi di produzione dell’acqua sono stimabili in circa 0,15-0,20 €/m3,

mentre quello del sollevamento per l’immissione nel Nuovo Acquedotto Scillato in circa 0,12

€/m3.


RELAZIONE IDRAULICA

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Tab. 4: Stralcio Tab.PA/R4 del P.R.G.A risorse vincolate – Traversa di presa Scillato sul Fiume Imera S.

Resterebbe comunque la possibilità di un’ulteriore riserva per l’alimentazione dell’acquedotto

Scillato nei periodi di crisi idrica e riduzione delle portate delle relative sorgenti. Questa

ultima possibilità, consentirebbe alla PROIDRO di poter disporre di ulteriori 70 l/s medi annui

nei periodi di magra delle sorgenti Scillato, che sarebbero turbinati in toto ed in parte anche

su altre centrali in progetto, quali Cozzo Imperatore e San Ciro Alto.

Questa maggiore portata potrebbe anche essere turbinata in condizioni normali scegliendo

un gruppo turbina-generatore in grado di gestire anche portate fino ad 800 l/s, avendosi di

contro solo una minore resa nella produzione di energia, comunque accettabile.

2.7.3. Acquedotto Rosamarina Est

L’acquedotto Rosamarina Est, realizzato nell’estate del 2002 a seguito della crisi idrica di

quegli anni, come si legge dal piano industriale AMAP, è condizionato dalla potenzialità

dell’esistente Potabilizzatore Imera, che era stato dimensionato per trattare fino a 200 l/s.

Nel breve periodo in cui è stato utilizzato (appena qualche anno), l’acquedotto Rosamarina

Est ha fornito una portata media annua di circa 70 l/s.

Passata l’emergenza, stante i notevoli costi di potabilizzazione e sollevamento delle acque in

testa all’acquedotto Scillato, è stato posto fuori esercizio, non essendo assolutamente

conveniente dal punto di vista economico, avendo nel frattempo realizzato anche il

collegamento del Rosamarina Ovest al potabilizzatore Risalaimi.

Attingendo alla stessa risorsa, costituita dalle acque del Lago Rosamarina, i minori costi di

produzione e sollevamento, hanno portato ad utilizzare esclusivamente l’acquedotto

Rosamarina Ovest.

Per quanto riguarda l’Acquedotto Rosamarina Est, da una decina di anni un lungo tratto di

condotta è stato divelto dal Fiume Imera e non è mai stato riparato. Oggi, qualora ripristinato,

l’acquedotto potrebbe essere utilizzato in senso inverso per l’alimentazione della fascia

costiera.


RELAZIONE IDRAULICA

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3. VERIFICHE IDRAULICHE

3.1. Perdite continue Per le verifiche idrauliche del sistema è stato utilizzato il software EPANET 2.0 sviluppato

dall’Enviroment Protection Agency degli Stati Uniti d’America, che costituisce uno standard

internazionale per i moduli di calcolo delle reti in pressione.

Nel caso specifico è stato necessario modellare l’intero adduttore, secondo quanto

schematizzato negli elaborati “Corografia” e “Profilo schematico”.

Per i calcoli idraulici si é adottata la espressione della cadente piezometrica J di Darcy-

Weisbach:

J=

D

V 2

2g=

16

2g 2

Q 2

D 5

valutando l'indice di resistenza mediante la formula di Colebrook:

1

= -2 log(

3,7D+

2, 51

Re )

essendo:

D il diametro della tubazione;

la scabrezza assoluta (Acciaio 1,0 mm);

V la velocità;

Q la portata;

la viscosità cinematica dell'acqua, assunta pari a 1,008 x 10-6 m2 s-1

Re il numero di Reynolds Re = VD/

Da cui le perdite di carico Y, in m, tramite la relazione:

Y = J L

in cui L rappresenta la lunghezza in m dei singoli tratti.

Nel profilo schematico di cui all’elaborato di progetto 2.3 sono indicate le portate (max e

media) convogliate e le relative piezometriche.


RELAZIONE IDRAULICA

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Alle perdite di carico del tratto principale sono da aggiungere quelle relative alla condotta di

derivazione per l’alimentazione della turbina.

Nel paragrafo che segue sono riportate le perdite di carico nei diversi tratti per la portata,

media e massima.

Fig. 5: Profilo schematico acquedotto Scillato

3.2. Perdite localizzate Le perdite di carico sono dovute alla presenza, sul circuito idraulico, di organi meccanici e/o

di pezzi speciali che fanno variare la direzione ovvero la sezione di passaggio del fluido e

vengono a crearsi per la turbolenza che si manifesta in vicinanza di tali pezzi (curve,

raccordi, misuratori, valvole, saracinesche, riduzioni, eccetera). Tali perdite di pressione,

possono essere calcolate con uno dei seguenti metodi, più utilizzati:

✓ metodo diretto, utilizza i coefficienti di attrito che dipendono dalla forma e dalle

dimensioni dei pezzi speciali;

✓ metodo indiretto, utilizza le lunghezze equivalenti, ossia sostituisce ad ogni pezzo

speciale, un tratto di tubo lineare, in grado di dare le stesse perdite di carico.

Nel caso in oggetto, per il dimensionamento delle apparecchiature e del gruppo turbina

generatore si è utilizzato il metodo diretto.

Con tale metodo, le perdite di carico localizzate si possono calcolare con la formula:

H = k x v2/2g

in cui v è la velocità media, che si stabilisce in una sezione caratteristica e k un parametro

adimensionale (cd coefficiente di resistenza localizzata) che dipende, essenzialmente, dalla

configurazione geometrica e dal numero di Reynolds. Spesso, però, la dipendenza di k dal

numero di Reynolds è trascurabile.

Di seguito si riportano i coefficienti di perdita localizzata utilizzati ai fini dei calcoli idraulici:


RELAZIONE IDRAULICA

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Per imbocco/sbocco da serbatoio

k = 0,50 imbocco a spigolo vivo;

k = 1,00 imbocco con tubo rientrante a spigolo vivo;

k = 0,08 imbocco arrotondato;

k = 1,00 sbocco a spigolo vivo;

k = 0,60 sbocco con tubo svasato (1,40 volte il diametro)

Per curve a gomito

k = 0,12 per curve a 45° con r/D = 1,0;




k = 0,17 per curve a 60° con r/D = 1,5 e r/D = 2,0;


k = 0,24 per curve a 90° con r/D = 1,5 e r/D = 2,0

Per allargamenti e restringimenti di sezione:

k = 0,20 per allargamento di sezione con D/d = 1,5;

k = 0,50 per allargamento di sezione con D/d = 2;

k = 0,75 per allargamento di sezione con D/d = 4;

k = 0,20 per restringimento di sezione con D/d = 1,5;

k = 0,30 per restringimento di sezione con D/d = 2;

k = 0,40 per restringimento di sezione con D/d = 4;

k = 0,50 per allargamento graduale (L/d = 2) di sezione con d/D = 1/2;

k = 0,09 per allargamento graduale (L/d = 2) di sezione con d/D = 2/3 ;

k = 0,07 per allargamento graduale (L/d = 2) di sezione con d/D = 3/4;

k = 0,06 per allargamento graduale (L/d = 2) di sezione con d/D=4/5

Per organi meccanici

k = 0,60 per valvole a farfalla, a completa apertura;

k = 0,25 per valvole a fuso, a completa apertura

k = 2,70 per valvola di ritegno a cerniera, a completa apertura;

k = 3,00 per saracinesche piane, con apertura a metà;

k = 10,00 per valvola a globo (sede libera), a completa apertura.


RELAZIONE IDRAULICA

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Portata massima (650 l/s)

Portata Quota geodetica monte Quota geodetica valle Dislivello motore

Q (l/s) 650 Hm (m slm) 287,75 Hv (mslm) 219 H (m) 68,75

Perdite continue Hd 258,3 Y (m) 29,45

Perdite localizzate

Imbocco k= 0,5 DN 900 H (m) 0,027

Partitore k= 0,5 DN 400 H (m) 0,683

Riduzione k= 0,3 DN 400 H (m) 0,410


Curva derivazione k= 0,24 DN 400 H (m) 0,328

Curva planimetrica k= 0,24 DN 400 H (m) 0,328

Curva altimetrica k= 0,24 DN 400 H (m) 0,328

Valvola a farfalla k= 0,600 DN 400 H (m) 0,820

Totale H (m) 3,333

Salto utile netto 35,967


RELAZIONE IDRAULICA

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Portata media (500 l/s)

Portata Quota geodetica monte Quota geodetica valle Dislivello motore

Q (l/s) 500 Hm (m slm) 287,75 Hv (mslm) 219 H (m) 68,75

Perdite continue Hd 270,23 Y (m) 17,52

Perdite localizzate

Imbocco k= 0,5 DN 900 H (m) 0,016

Partitore k= 0,5 DN 400 H (m) 0,404


Curva derivazione k= 0,24 DN 400 H (m) 0,194

Curva planimetrica k= 0,24 DN 400 H (m) 0,194

Curva altimetrica k= 0,24 DN 400 H (m) 0,194

Valvola a farfalla k= 0,600 DN 400 H (m) 0,485

Totale H (m) 1,730

Salto utile netto 49,500

3.3. POTENZE E PRODUCIBILITÀ Trattandosi di un sistema interconnesso che opera su portate utilizzate ai fini idropotabili e

quindi indipendenti dalla possibilità di regolare le portate turbinate con gli organi di

regolazione previsti in centrale di seguito sono riportati gli scenari di funzionamento della

turbina da installare a Consona nelle due ipotesi di portata massima e di portata media.

Qmed

Q (l/s) 500 H (m) 49,50 h 0,87 kW 211,10 h 8760 kWh 1849266 500,00

Q (l/s) 650 H (m) 35,97 h 0,87 kW 199,40 h 6739 kWh 1343775 500,04

EnergiaOre di

funzionamento

PotenzaRendimentoSalto utilePortata

Pinst = potenza massima = ≈ 210,00 kW

Pinst = potenza elettrica installata = ≈ 260,0 kVA


RELAZIONE IDRAULICA

18

3.3.1. Dati effettivi Hg,min = salto utile netto minimo: 35,97 m

Hg,med = salto utile medio: 49,50 m

Qmax = portata massima della derivazione: 0,650 m3/s

Qmed = portata media della derivazione: 0,500 m3/s

Pinst = potenza elettrica installata: 260 kVA

Peff = potenza massima impianto: 210 kW

E = produzione media annua: 1.840.000 kWh

4. TURBINA SELEZIONATA E CURVE DEI RENDIMENTI Nel caso in esame è prevista l’installazione di una turbina Francis ad asse verticale con

funzionamento in contropressione.

Fig. 6 : Esempio di Turbina Francis ad asse orizzontale

Essendo in fase di progettazione definitiva, non è stata ancora scelta nel dettaglio la

macchina, per cui non si ha la curva di rendimento specifica della stessa. Si tratta infatti di

macchine artigianali realizzate ad “hoc” per ogni singola applicazione.

Per fornire un’indicazione in merito, si riportano le specifiche tecniche ed il grafico relativo ad

una macchina similare da 250 kW di potenza, prevista dallo stesso gruppo di progettazione

per un'altra centrale (Fig.7).

Nel grafico viene rappresentata la curva del rendimento al variare del rapporto tra la portata

turbinata e la portata massima (Q/Qmax).


RELAZIONE IDRAULICA

19

Per portate comprese tra il 50% ed il 100% della portata massima il rendimento si mantiene

superiore all’85%, variando tra l’86% e l’88%. Per portate inferiori, fino al 25% il rendimento

tende a scendere fino all’80%, che comunque costituisce un valore accettabile.

La turbina funziona per un notevole range di variazione delle portate (dal 25% al

100%).

Nel caso in esame, facendo riferimento alle curve di durata prima ipotizzate, se si sceglie un

gruppo turbina-generatore in grado di turbinare fino ad una portata massima di 800 l/s, i

rendimenti in gioco si mantengono compresi tra l’83,5% e l’88,2% (Tab.5). Per la turbina che

verrà poi effettivamente scelta, i valori saranno dello stesso ordine, con al massimo qualche

punto percentuale di differenza, del tutto irrilevante ai fini della validità dell’iniziativa.


RELAZIONE IDRAULICA

20

Fig. 7 : Caratteristiche tecniche e curve di rendimento Turbina Francis ad asse orizzontale tipo

Il gruppo turbina-generatore potrà certamente funzionare per portate comprese tra 400 e 800

l/s, assicurando una buona produzione, sebbene per 800 l/s si avrebbe una apprezzabile

riduzione della potenza. E’ evidente che per portate tra 500 e 650 l/s si avrà il massimo di

produzione di energia ed una ottimale resa dell’impianto.

Q Q/Qmax h H P

[l/s] % [m] [kW]

800 100,00 0,878 24,4 168

750 93,75 0,880 29,7 192

700 87,50 0,882 34,7 210

650 81,25 0,880 39,3 221

600 75,00 0,878 43,6 225

550 68,75 0,875 47,6 225

500 62,50 0,870 51,2 218

450 56,25 0,850 54,5 205

400 50,00 0,835 57,4 188 Tab. 5: Portate turbinabili, rendimenti e potenze sviluppate

5. VARIAZIONI DI PRESSIONE SULL’ACQUEDOTTO Al fine di evidenziare meglio le variazioni di pressione nell’acquedotto, è stata elaborata la

tavola 2.3 con il profilo schematico dell’acquedotto.

In particolare, sono state considerate tre condizioni di esercizio:

A) Condizione idrostatica, nell’ipotesi di sezionamento a valle dell’adduttore;

B) Condizione di massimo funzionamento, nell’ipotesi di convogliare la portata massima

di progetto di 1000 l/s;

C) Condizione portata media turbinabile, nell’ipotesi di turbinare 500 l/s. Per portate

maggiori la piezometrica si abbassa, avendosi pressioni minori.


RELAZIONE IDRAULICA

21

Nel profilo, in corrispondenza di alcuni punti caratteristici dello stesso, sono stati calcolati i

relativi carichi idraulici nelle condizioni B) e C), essendo la condizione A) costante. E’ stata

anche rappresentata la piezometrica per una portata turbinabile di 750 l/s.

Va detto che, se l’acquedotto fosse gestito da valle, come accade in quasi tutti gli acquedotti

italiani e come vorrebbe la normale regola tecnica ed il rispetto delle norme igienico

sanitarie, il confronto non avrebbe alcun senso, avendosi un regime piezometrico del tutto

analogo, prima e dopo l’installazione della turbina. Non trovandoci in queste condizioni, si

ritiene utile fare le seguenti considerazioni.

Innanzitutto, è evidente che la condizione più gravosa in tutti i punti dell’adduttore è quella

idrostatica, e già questo è indicativo della capacità dell’adduttore di resistere alle pressioni in

gioco. Se, per assurdo, si trascura questo fatto e ci si sofferma sulle due condizioni di

esercizio prima indicate, si rileva quanto segue. L’adduttore è stato realizzato con tubazioni

in acciaio DN 900 avente lo stesso spessore per tutto il tratto, per cui è stata presa in

considerazione la condizione più gravosa, relativa alla sezione 5, dove la quota dell’asse

tubo è circa 17,60 m slm (Fig.5). In questo punto, la pressione idrostatica in metri di colonna

d’acqua è di 270,15 m. Nella condizione B la pressione di esercizio è pari a 254,02 m,

mentre nella condizione C è di 266,03 m, con una variazione di circa 12 m, pari ad un

incremento di meno del 5%.

Tenuto conto che queste tubazioni, come da norme tecniche, sono state dimensionate per

resistere ad una prova idraulica con pressione pari a 1,5 volte la pressione di esercizio, è

conseguenziale ipotizzare che la tubazione sia stata provata ad almeno 38 bar (254 x 1.5).

L’incremento di pressione dovuto all’inserimento del gruppo turbina-generatore è

sostanzialmente irrilevante, essendo di poco superiore ad 1 bar. Con l’istallazione della

turbina, facendo riferimento al profilo, le pressioni varieranno in funzione delle portate in

transito, mantenendosi le piezometriche all’interno di quelle rappresentate in verde e

magenta, di cui alle condizioni sopra dette.


RELAZIONE IDRAULICA

22

Fig. 8 : Profilo schematico tratto Nuovo Acquedotto Scillato da Cozzo Imperatore a Consona

6. FUNZIONAMENTO CENTRALE IN CASO DI MOTO VARIO In primo luogo si evidenzia che in sede di presentazione della richiesta di concessione ex

R.D. n°1775/1933 è stato allegato il progetto di massima dell’intervento, (coincidente oggi

con uno studio di fattibilità tecnico economico), con i limiti del livello progettuale richiesto.

Nella nota era già stato detto che con lo sviluppo progettuale successivo (progetto definitivo)

sarebbe stata meglio dettagliata la soluzione progettuale e le misure per eliminare le

problematiche legate al moto vario.

In questa sede, in ottemperanza alla richiesta del Genio Civile, è stata sviluppata a livello di

progetto definitivo la tavola 2.4.2, con l’affinamento del layout della centrale e l’inserimento in

aggiunta delle valvole anticolpo d’ariete, che sebbene non strettamente necessarie,

aggiungono un’ulteriore protezione all’importante adduttore.


RELAZIONE IDRAULICA

23

Fig. 9: Pianta edificio centrale – Stato di progetto

Fig. 10: Sezione A-A edificio centrale – Stato di progetto


RELAZIONE IDRAULICA

24

Fig. 11: Sezione B-B edificio centrale – Stato di progetto

In particolare, per il sezionamento dell’adduttore in ingresso alla vasca è stata inserita una

valvola a fuso DN 900 (12) che ha anche la funzione di attivarsi in sincrono in caso di arresto

della centrale. Nello specifico, l’apertura della valvola e relativi tempi, verranno definiti in

modo da mantenere pressocché invariata la portata in ingresso alla vasca durante la fase di

chiusura della turbina o di intervento della valvola di macchina (7) di protezione di

quest’ultima. Questa misura, standard per tutte le centrali idroelettriche, già di per sé, elimina

il rischio di fenomeni di colpo d’ariete.

Va anche sottolineato che la turbina sarà progettata per girare alla massima rotazione a

vuoto (in assenza del moto torcente dovuto alla resistenza generata dal generatore

asincrono) per oltre 100 sec, periodo nel quale, nell’improbabile ipotesi di mancato

funzionamento della valvola a fuso, a protezione della turbina e dell’acquedotto,

opportunamente regolata, la valvola di sicurezza a contrappeso oleodinamica si chiuderà

con tempi di chiusura tali da limitare l’eventuale sovrappressione ad un valore massimo di 3

bar, in linea con le previsioni più restrittive indicate al D.M. LL. PP. del 12.12.85.

In ogni caso, in aggiunta, attraverso una modifica del piezometro esistente all’interno della

stessa camera di manovra, è stata prevista l’installazione di n°2 idrovalvole anticolpo d’ariete

(16) DN 150 PN 10 (la seconda per ridondanza e riserva). Le due condotte saranno

collegate al tronchetto DN 500 che collega l’adduttore in arrivo con il piezometro. Questo


RELAZIONE IDRAULICA

25

diametro è stato scelto uguale a quello di scarico esistente collegato allo stesso tubo, in

modo da evitare restringimenti di diametro. Le due idrovalvole saranno tarate per intervenire

in caso di superamento di 1 bar dell’idrostatica.

Fig. 12: Dettaglio planimetria centrale – Stato di progetto

Il sistema sarà completato dall’istallazione sulla linea di alimentazione della turbina DN 400,

in sequenza, di una valvola di sezionamento (15), di un misuratore di portata (6), del gruppo

turbina generatore ad asse verticale (10), di una valvola di sezionamento (11) per isolare del

tutto la turbina durante le eventuali manutenzioni. La centralina oleodinamica (14) permetterà

l’intervento della valvola di macchina anche in assenza di energia, in modo da assicurare la

sicurezza del sistema in tutte le possibili condizioni di esercizio e di crisi del sistema.

In questa condizione, nella sezione 5 di cui sopra, dove la pressione è più alta, l’incremento

rispetto alla condizione C sarebbe di circa 6 m, valore sostanzialmente irrilevante.

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