Este trabalho apresenta um modelo híbrido, que após calcular as cargas e as vazões para o regime permanente e para o regime extensivo, utiliza um algoritmo genético para otimizar o controle operacional de redes hidráulicas. Para se calcular os regimes permanente e extensivo utilizou-se o Método Matricial. O Algoritmo Genético utilizou números binários. A função objetivo minimiza a soma das potências hidráulicas dissipadas na rede como um todo de todos os períodos de cálculo do regime extensivo. A parte do modelo híbrido que se refere ao cálculo hidráulico está funcionando a contento, pois os valores obtidos pelo modelo para as duas redes utilizadas como exemplo neste projeto estão próximos dos valores originais obtidos da literatura pesquisada. A parte do modelo híbrido que se refere ao algoritmo genético está funcionando a contento, pois os valores da função objetivo obtidos pelo modelo convergiram em todos os cálculos nos quais o elitismo foi utilizado. A otimização proposta neste trabalho serve para ser utilizada em redes de abastecimento que apresentem problemas operacionais e que precisem ser resolvidos com a instalação de válvulas ou que tenham válvulas instaladas. / This report presents a hybrid model that calculates the heads and flows of a hydraulic network system and then uses a genetic algorithm to optimize the operational control of the hydraulic network. To calculate the steady flow and the extensive period it was used the Matrix Method. The GA used binary numbers. The objective function minimizes the sum of the dissipated hydraulic power in the whole network of all calculated periods during the day. The hybrid model part that refers to the hydraulic calculation is working well, because the values calculated by the model applied to the networks used as examples are similar to the ones obtained from the technical literature. The hybrid model part that refers to the GA is working well, because the objective function values calculated by the model converged whenever the elitism was used. The proposed optimization of this work is to be used in hydraulic networks that present operational problems that need to be solved either installing valves or having installed valves.

Made available in DSpace on 2014-06-12T17:40:36Z (GMT). No. of bitstreams: 2 arquivo6245_1.pdf: 792554 bytes, checksum: 4331c12331e71d6f4db5b2cea9857406 (MD5) license.txt: 1748 bytes, checksum: 8a4605be74aa9ea9d79846c1fba20a33 (MD5) Previous issue date: 2007 / O trabalho proposto teve como objetivo a construção de um modelo de otimização para redes hidráulicas de pequeno e grande porte. Esse modelo é composto por duas partes essenciais: uma função objetivo e um conjunto de restrições. A função principal do modelo é otimizar os diâmetros da rede em estudo, sujeitos a restrições que possibilitem que a demanda necessária chegue aos pontos solicitados atendendo aos requisitos de pressão mínima, entre outros. Para isso utilizou-se a Programação Não-Linear Inteira Mista devido à não linearidade das equações que descrevem os processos hidráulicos e o fato de que os diâmetros são variáveis discretas. Então o modelo proposto utilizou o algoritmo do Gradiente Reduzido Generalizado para solução da Programação Não-Linear, associado ao algoritmo Branch and Bound (Ramificação e Limite) para solução da Programação Inteira, cujos algoritmos estão presentes na interface do programa GAMS com os solvers CONOPT e SBB. O modelo foi avaliado em quatro casos e aplicado a redes de irrigação, sendo duas redes de pequeno porte, uma de grande porte e uma rede de médio porte. Os resultados obtidos mostraram que o modelo funciona perfeitamente para redes de pequeno porte, e todos os valores encontrados foram satisfatórios. Nas redes de grande porte os diâmetros comerciais foram calculados como variáveis contínuas e adotou-se o valor do diâmetro comercial imediatamente superior ao valor real encontrado em cada trecho da rede. Esta simplificação tornou-se necessária porque os solvers utilizados não suportam a programação não-linear inteira mista com um grande número de variáveis de decisão

Este trabalho apresenta um modelo híbrido, que após calcular as cargas e as vazões para o regime permanente e para o regime extensivo, utiliza um algoritmo genético para otimizar o controle operacional de redes hidráulicas. Para se calcular os regimes permanente e extensivo utilizou-se o Método Matricial. O Algoritmo Genético utilizou números binários. A função objetivo minimiza a soma das potências hidráulicas dissipadas na rede como um todo de todos os períodos de cálculo do regime extensivo. A parte do modelo híbrido que se refere ao cálculo hidráulico está funcionando a contento, pois os valores obtidos pelo modelo para as duas redes utilizadas como exemplo neste projeto estão próximos dos valores originais obtidos da literatura pesquisada. A parte do modelo híbrido que se refere ao algoritmo genético está funcionando a contento, pois os valores da função objetivo obtidos pelo modelo convergiram em todos os cálculos nos quais o elitismo foi utilizado. A otimização proposta neste trabalho serve para ser utilizada em redes de abastecimento que apresentem problemas operacionais e que precisem ser resolvidos com a instalação de válvulas ou que tenham válvulas instaladas. / This report presents a hybrid model that calculates the heads and flows of a hydraulic network system and then uses a genetic algorithm to optimize the operational control of the hydraulic network. To calculate the steady flow and the extensive period it was used the Matrix Method. The GA used binary numbers. The objective function minimizes the sum of the dissipated hydraulic power in the whole network of all calculated periods during the day. The hybrid model part that refers to the hydraulic calculation is working well, because the values calculated by the model applied to the networks used as examples are similar to the ones obtained from the technical literature. The hybrid model part that refers to the GA is working well, because the objective function values calculated by the model converged whenever the elitism was used. The proposed optimization of this work is to be used in hydraulic networks that present operational problems that need to be solved either installing valves or having installed valves.

Submitted by Victor Hugo Albuquerque Rizzo (victor.rizzo@ufpe.br) on 2015-04-14T14:55:20Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) DISSERTAÇÃO Jônata Ferreira de Melo.pdf: 4496803 bytes, checksum: 608a870941a111c2fef5e1ad33e18180 (MD5) / Made available in DSpace on 2015-04-14T14:55:20Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) DISSERTAÇÃO Jônata Ferreira de Melo.pdf: 4496803 bytes, checksum: 608a870941a111c2fef5e1ad33e18180 (MD5) Previous issue date: 2013 / Este trabalho propõe a utilização da teoria dos grafos e simulação computacional para analisar redes hidráulicas industriais, isto com o intuito principal de reduzir o tempo desprendido na simulação dos cenários propostos. Esta metodologia é baseada principalmente em sete etapas: converter a rede hidráulica em um grafo correspondente, sistematizar o cálculo das perdas de carga para cada trecho; automatizar a análise do grafo no MATLAB®; analisar o resultado do ponto hidraulicamente mais desfavorável; elaborar de acordo com o ponto hidraulicamente mais desfavorável, novos cenários alterando parâmetros como diâmetro das tubulações; dimensionar bomba para os cenários viáveis e analisar o custo de cada cenário proposto. Com este método de análise as simulações dos diversos cenários puderam ser realizadas em poucos minutos. A agilidade na elaboração e decisão envolvidas na etapa de projeto é essencial para que a etapa de construção e montagem providencie os recursos com mais antecedência o que dá uma folga maior para absorver os imprevistos da construção e montagem.

Os projetos de redes hidráulicas dimensionam a capacidade de vazão e pressão para atender a uma demanda e prever a resistência necessária para garantir a estabilidade da instalação. Os esforços solicitantes não deverão ultrapassar as resistências estruturais, mantendo-se um coeficiente de segurança que garanta a estabilidade, mesmo nos casos de falhas operacionais. Deve-se proceder à simulação hidráulica tanto para o regime permanente quanto para o regime transitório. Na fase operacional haverão situações transitórias ocasionadas por manobras intencionais ou falhas não previstas que provocarão mudanças do regime permanente para o regime transitório, cuja variação de carga é diretamente proporcional à velocidade de propagação da onda ou celeridade e, dependendo da intensidade do transitório hidráulico, haverá a necessidade de instalar dispositivos de proteção de redes. A concepção dos dispositivos de proteção baseia-se na dissipação do fenômeno transitório por meios de descargas, amortecimento em câmaras de ar comprimido e por reservatórios intermediários que absorvem e suprem os picos de pressão e vazão no início da perturbação, de tal forma que a onda de pressão seja controlada. A celeridade, por sua vez, é função das características do meio fluido, do material da tubulação e da geometria. Ao provocar uma mudança na compressibilidade do meio fluido, tem-se redução no coeficiente de compressibilidade volumétrico da mistura fluida que vai ocasionar uma redução na velocidade de propagação da onda ou celeridade, amortecendo o impacto da variação de carga para níveis que possam ser absorvidos pela instalação. Esta dissertação aborda um dispositivo de redução da velocidade de propagação ou celeridade que pode ser usado como proteção de redes hidráulicas ou atenuador de celeridade, que junto com outros dispositivos e associados em série, distribuídos ao longo da tubulação, podem absorver os excessos de pressão e vazão gerados pelos transitórios e manter os esforços solicitantes inferiores à resistência oferecida pela instalação. / The projects of hydraulic networks define the capacity of outflow and pressure to meet a demand and to achieve the necessary resistance to guarantee the installation stability. The applied loading must not exceed structural resistance, there remaining a safety coefficient which guarantees the stability even in case of operational failure. The hydraulic simulation must be performed both for permanent and transitory regime. In the operational phase, there will be transitory situations caused by intentional maneuvers or unpredicted failures which will cause changes from permanent to transitory regime, with changes in load directly proportional to the propagation speed of the wave or celerity and, depending on the intensity of the hydraulic transient, it will be necessary to provide devices for the network protection. The conception of protection devices is based on the transient phenomena dissipation by means of discharges, shock absorption in air compressed chambers and though intermediate reservoirs, which absorb and supply the outflow and pressure peaks in the beginning of the disturbance. This dissertation approaches a device so that the pressure wave is controlled. The celerity, in its turn, is a function of the fluid characteristics, the network material and geometry. Provoking a change in the mean fluid compressibility there is a reduction in the volumetric compressibility coefficient and also in the specific mass of the mixture, which will cause a reduction in the speed of propagation of the wave or celerity, cushioning the impact of the pressure head variation to a level that can be absorbed by the installation. Therefore, the reduction in the speed of propagation or celerity canbe used is as a protection device for hydraulic nets, or celerity attenuation, which together with other devices, associated in series and distributed along the duct may absorb the excess of pressure and outflow generated by the transitory and keep the applied loading inferior to the resistance supplied by the installation.

Os projetos de redes hidráulicas dimensionam a capacidade de vazão e pressão para atender a uma demanda e prever a resistência necessária para garantir a estabilidade da instalação. Os esforços solicitantes não deverão ultrapassar as resistências estruturais, mantendo-se um coeficiente de segurança que garanta a estabilidade, mesmo nos casos de falhas operacionais. Deve-se proceder à simulação hidráulica tanto para o regime permanente quanto para o regime transitório. Na fase operacional haverão situações transitórias ocasionadas por manobras intencionais ou falhas não previstas que provocarão mudanças do regime permanente para o regime transitório, cuja variação de carga é diretamente proporcional à velocidade de propagação da onda ou celeridade e, dependendo da intensidade do transitório hidráulico, haverá a necessidade de instalar dispositivos de proteção de redes. A concepção dos dispositivos de proteção baseia-se na dissipação do fenômeno transitório por meios de descargas, amortecimento em câmaras de ar comprimido e por reservatórios intermediários que absorvem e suprem os picos de pressão e vazão no início da perturbação, de tal forma que a onda de pressão seja controlada. A celeridade, por sua vez, é função das características do meio fluido, do material da tubulação e da geometria. Ao provocar uma mudança na compressibilidade do meio fluido, tem-se redução no coeficiente de compressibilidade volumétrico da mistura fluida que vai ocasionar uma redução na velocidade de propagação da onda ou celeridade, amortecendo o impacto da variação de carga para níveis que possam ser absorvidos pela instalação. Esta dissertação aborda um dispositivo de redução da velocidade de propagação ou celeridade que pode ser usado como proteção de redes hidráulicas ou atenuador de celeridade, que junto com outros dispositivos e associados em série, distribuídos ao longo da tubulação, podem absorver os excessos de pressão e vazão gerados pelos transitórios e manter os esforços solicitantes inferiores à resistência oferecida pela instalação. / The projects of hydraulic networks define the capacity of outflow and pressure to meet a demand and to achieve the necessary resistance to guarantee the installation stability. The applied loading must not exceed structural resistance, there remaining a safety coefficient which guarantees the stability even in case of operational failure. The hydraulic simulation must be performed both for permanent and transitory regime. In the operational phase, there will be transitory situations caused by intentional maneuvers or unpredicted failures which will cause changes from permanent to transitory regime, with changes in load directly proportional to the propagation speed of the wave or celerity and, depending on the intensity of the hydraulic transient, it will be necessary to provide devices for the network protection. The conception of protection devices is based on the transient phenomena dissipation by means of discharges, shock absorption in air compressed chambers and though intermediate reservoirs, which absorb and supply the outflow and pressure peaks in the beginning of the disturbance. This dissertation approaches a device so that the pressure wave is controlled. The celerity, in its turn, is a function of the fluid characteristics, the network material and geometry. Provoking a change in the mean fluid compressibility there is a reduction in the volumetric compressibility coefficient and also in the specific mass of the mixture, which will cause a reduction in the speed of propagation of the wave or celerity, cushioning the impact of the pressure head variation to a level that can be absorbed by the installation. Therefore, the reduction in the speed of propagation or celerity canbe used is as a protection device for hydraulic nets, or celerity attenuation, which together with other devices, associated in series and distributed along the duct may absorb the excess of pressure and outflow generated by the transitory and keep the applied loading inferior to the resistance supplied by the installation.

[ES] El objetivo general de la presente Tesis es investigar metodologías que permitan obtener en tiempo real los parámetros de operación de redes hidráulicas a presión que minimicen el consumo y/o el coste energético, garantizando el cumplimiento de las condiciones de funcionamiento necesarias para una adecuada calidad del servicio. Al tratarse del ámbito de la operación diaria de la red, una de las condiciones indispensables que deben reunir los métodos de optimización es una respuesta lo suficientemente rápida como para que no solo se pueda disponer de las soluciones más convenientes en el momento de ejecutar las consignas de operación, sino que además se habilite un procedimiento flexible que permita dar respuesta a posibles cambios en las predicciones o eventos que puedan producirse. Se ha abordado de manera aislada la optimización energética de los subsistemas de transporte de agua y la de los subsistemas de distribución debido a las distintas características que se pueden observar en ellos. En la parte relativa a los subsistemas de distribución, particularizada al caso de un sistema de riego con bombeo directo a red, se han explorado los métodos metaheurísticos de optimización, realizando varias aportaciones originales orientadas a la mejora en la eficiencia computacional de los mismos, debido a la necesidad de obtener una respuesta rápida compatible con la toma de decisiones en tiempo real. En cuanto a los subsistemas de transporte, se ha explorado la aplicabilidad del método determinista de optimización por programación lineal, a la vista de las importantes ventajas que presenta respecto al resto de métodos generales de optimización. Asimismo, en el contexto de los subsistemas de transporte, se ha trabajado en la definición de una heurística basada en el cálculo del coste energético y/o económico del agua entregada en los puntos de consumo y almacenada en los depósitos intermedios, que ha permitido formular un algoritmo voraz para la optimización energética en cada instante de tiempo. Este método ha conseguido igualar el desempeño alcanzado mediante la programación lineal y se espera que ofrezca unas mejores capacidades en sistemas con un comportamiento marcadamente no lineal, así como también una mejor adaptación a problemas de optimización con la participación de energías renovables. / [CA] L'objectiu general de la present Tesi és la investigació de metodologies que permeten obtindre en temps real els paràmetres d'operació de xarxes hidràuliques a pressió que minimitzen el consum i/o el cost energètic, garantint el compliment de les condicions de funcionament necessàries per a una adequada qualitat del servei. En tractar-se de l'àmbit de l'operació diària de la xarxa, una de les condicions indispensables que han de reunir els mètodes d'optimització és una resposta prou ràpida com perquè no sols es puga disposar de les solucions més convenients en el moment d'executar les consignes d'operació, sinó que a més s'habilite un procediment flexible que permeta donar resposta a possibles canvis en les prediccions o esdeveniments que puguen produir-se. S'ha abordat de manera aïllada l'optimització energètica dels subsistemes de transport d'aigua i la dels subsistemes de distribució (reg per injecció directa) a causa de les diferents característiques que es poden observar en ells. En el treball amb els subsistemes de distribució s'han explorat les possibilitats que ofereixen els mètodes meta-heurístics d'optimització, realitzant diverses aportacions originals orientades a la millora en l'eficiència computacional dels mateixos a causa de la necessitat d'obtindre una resposta més ràpida que siga compatible amb la presa de decisions en temps real. Quant als subsistemes de transport, s'ha explorat l'aplicabilitat del mètode determinista d'optimització per programació lineal a la vista dels importants avantatges que presenta respecte a la resta de mètodes generals d'optimització. Així mateix, en el context dels subsistemes de transport, s'ha treballat en la definició d'una bona heurística basada en el càlcul del cost energètic i/o econòmic de l'aigua entregada en els punts de consum i en els dipòsits intermedis, que ha permés formular un mètode voraç per a l'optimització energètica en cada instant de temps. Aquest mètode ha aconseguit igualar l'acompliment aconseguit mitjançant la programació lineal i s'espera que oferisca unes millors capacitats en sistemes amb un comportament més marcadament no lineal, així com també una millor adaptació a problemes d'optimització amb participació d'energies renovables. / [EN] The general objective of this Thesis is the research of methodologies to obtain in real time the operating parameters of pressurized hydraulic networks that minimize energy consumption and/or cost, ensuring compliance with the operating conditions necessary for an appropriate quality of service. Since this is the field of daily network operation, one of the indispensable conditions that optimization methods must meet is a response fast enough so that not only the most convenient solutions are available at the time of executing the operating instructions, but also a flexible procedure is provided to allow a response to possible changes in the predictions or events that may occur. The energy optimization of the water transport subsystems and that of the distribution subsystems (direct injection irrigation) have been approached separately due to the different characteristics that can be observed in them. In the work with distribution subsystems, the possibilities offered by metaheuristic optimization methods have been explored, making several original contributions aimed at improving their computational efficiency due to the need to obtain a faster response that is compatible with real-time decision making. Regarding transport subsystems, the applicability of the deterministic method of optimization by linear programming has been explored in view of the important advantages it presents with respect to the rest of the general optimization methods. Also, in the context of transport subsystems, there has been a work on the definition of a good heuristic based on the calculation of the energy and/or economic cost of the water delivered at the consumption points and intermediate reservoirs, which has allowed to formulate a greedy method for energy optimization at each time instant. This method has been able to match the performance achieved by linear programming and is expected to offer better capabilities in systems with a more marked non-linear behaviour, as well as a better adaptation to optimization problems involving renewable energies. / Alonso Campos, JC. (2021). Desarrollo e implementación de algoritmos para la optimización energética en tiempo real de redes hidráulicas a presión [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/180389 / TESIS