figaro flexible and precise irrigation platform to … · • automatización general de una red de...

1

Saving water and energy in pressurized irrigation networks under FIGARO platform. The Picassent pilot site for citrus

International FIGARO Conference, 19 September 2016, Brussels, Belgium

Fernando MartinezTechnical University of Valencia

FIGARO FLEXIBLE AND PRECISE IRRIGATION PLATFORM TO IMPROVE FARM-SCALE WATER PRODUCTIVITY

III Jornada sobre Gestión Eficiente del Agua de Riego 2

Outline

• The Technical Irrigation Management

• Use and Optimization of Water, Energy and Fertilizers

• The Picassent case study

• Integrating the optimiser in FIGARO platform


THE TECHNICAL IRRIGATION MANAGEMENT

• Hydraulic management (network level)How to provide precisely the water needs for each plot by considering :

• Agronomic management (plot level)

Technical Irrigation Management

• Soil texture• Type of crop• Phenological status• Weather forecasting• Soil moisture• Plant stress …

• Water needs per day• Irrigation strategy• Fertilizer dosing

Available water at sources in quantity, quality and production costs

Network constraints: Pumping stations, reservoirs and network capacity

The irrigation management: on demand, by shifts, by request, automation level,..

Minimizing energy, costs and fertilizers, while keeping quality standards

5

Crop WaterRequirements

General optimization scheme

Irrigation scheduling

Fertigationturns

ENERGY

SAVINGS

WATER

SAVINGS

FERTILISER

SAVINGS

Adjust waterneeds

Improve EnergEfficiency

Adjuste Irriga-tion times

Reducing

GHG emission

Reserve waterfor other uses

Lessenvironmentaldegradation

Energydemansmoothing

ChooseElectricitytariffs

Adjustefertiliserneeds

COST

SAVINGS

COST SAVINGS

USE AND OPTIMIZATION OF WATER, ENERGY AND FERTILIZERS


General issues


• The irrigation technology• The irrigation management• The conception of the irrigation network• The scheme and operation of the Pumping Station• The electrical tariffs• The fertigation system• The hydraulic simulation• The optimisation procedures

Any algorithm intended to optimise the use of water, energy and fertilisers must take into account for:

The irrigation technology and management


The irrigation technologies


– Sprinkler irrigation Irrigation shfits are spaced 1 or 2

weeks The Irrigation efficiency is lower due

irregular distribution, evaporation, wind dispersion...

The pressure at hydrant raise to 40 m

Drip irrigation Highly frequency (daily or less) Greater efficiency because water is

applied directly to the root zone Pressures required at dripper are

lower (10 – 15 m)


– On demand irrigation

• Free demand

• Restricted on demand

– Irrigation by shifts

• Programmed shifts

• Flexible shifts

• Optmised shifts

– Operated by valves

• According the user requests

• According water needs estimation

The irrigation management

The conception of the irrigation network


17

Sistemas de suministro del agua de riego

Existen diversas tipologías de redes de riego a fin de proporcionar la presión requerida en los hidrantes

• Suministro por gravedad desde un embalse situado a cota suficiente y alimentado por una canal de transporte

• Red de captación y elevación a embalses de regulación, independiente de la red de riego.

• Red de captación y elevación a embalses de regulación, formando parte de la red de distribución de riego.

• Inyección directa mediante grupos de elevación desde depósito a red de distribución.

• Red de riego con múltiples puntos de captación y varias obras de regulación interconectadas en la red de riego.

18

Different water supply schemes

Captación y embalse en cabecera

Captación y embalse formando parte de la red

Bombeo con inyección directa

Sistema mixto con varios bombeos y depósitos

19

Automation levels

• Automatización individual del riego en parcela, normalmente con un programador y un conjunto de válvulas hidráulicas o electroválvulas.

• Automatización general de una red de riego y su gestión, habitualmente realizado con un ordenador central y una red en anillo de unidades de campo que controlan cada uno de los hidrantes, tomas o unidades de control remoto.

• Regulación y control de la estación de bombeo para adaptar la demanda de caudal y presión a las necesidades de la red con el fin de reducir el coste energético.

• Automatización integral del sistema para programar los riegos, la fertirrigación, la limpieza de cabezales, etc.

The scheme and operation of the Pumping Station


Variables de operación en una E. Bombeo


– Variables de operación de una E. Bombeo

• Estado de marcha y paro de las bombas

• Caudal impulsado por cada bomba

• Altura de bombeo

• Velocidad de giro de las bombas de veloc. variable

– Potencia y energía absorbida por una bomba

𝑷 𝒌𝑾 =

𝟗. 𝟖𝟏 𝑸𝒎𝟑

𝒔𝑯(𝒎)

𝜼

E 𝒌𝑾𝒉/𝒎𝟑 =𝟎.𝟎𝟎𝟐𝟕𝟐 𝑯(𝒎)

𝜼, 𝒄

€

𝒎𝟑= 𝒑(

€

𝒎𝟑) 𝑬 (𝒌𝑾𝒉

𝒎𝟑)

• Si H = 100 m , h = 0,75 y p = 10 c€/kWh → c = 3,6 c€/m3

Variables de operación en una E. Bombeo


– Variables consignables con BVF

• Número de bombas en operación

– Variables consignables con BVV

• Número y tipo bombas en operación

• Velocidad de giro de las BVV

• Altura de impulsión

Variables consignables en una E. Bombeo


– Modo de operación real de las E.B.

• En la práctica las E.B. van provistas de un sistema de control propio que arranca o para las bombas por consignas

• Usualmente trabajan con consignas de presión y de velocidad mínima para las BVV

– Variables consignables en la práctica

• El caudal horario demandado

o Depende de la organización de los turnos o de las horas de apertura y cierre de las válvulas

• La altura de bombeo (no siempre)

The electrical tariffs


25

Determinación de la secuencia de riego de los distintos sectores

– Estructura tarifaria para potencias medias medias y bajas (BT)

Valle (descuento 43%) Llano Punta (recargo 100%)

Optimización económica de la jornada de riego

26

– Estructura tarifaria en el marco de la nueva ley del mercado eléctrico para P > 450 kW –A T (tarifas decrecientes de P1 a P6)


27

– Coste del kWh en el mercado eléctrico en tiempo real para el 30-6-2016 (Red Eléctrica)


28

– Coste del kWh en el mercado eléctrico para la semana 24/30 junio 2016 (Red Eléctrica)


The fertigation system


30

‒ Fertirrigación a nivel de parcela• El agricultor dispone de sus propios equipos de fertilización

• Usualmente fuerza el riego durante el periodo de fertilización

‒ Fertirrigación por turnos• En determinados turnos de riego se inyecta un fertilizante en

cabecera de red

• El fertilizante tardará un tiempo para llegar a los puntos de aplicación, viajando a través de la red

• Por contra, el agua con fertilizante puede permanecer un tiempo en la red tras finalizar el turno de fertirrigación

‒ Fertirrigación en continuo• Toda el agua suministrada a la red va dosificada con fertilizante en

pequeñas dosis

• La fertilización se suprime en determinadas épocas del año

Sistemas de fertirrigación

31

– Comunidades de regantes donde predomina el monocultivo (frutales)

– Explotaciones de tamaño pequeño (0.5-1 ha)

– Organización del riego por Sectores/Turnos

– Equipo de inyección central • Venturi

• Bombas– Pistón

– Centrífugas

– Automatización• Tiempos de inicio y parada

• Caudal de inyección

Características Fertirrigación centralizada

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‒ Necesidades UF de las parcelas

• Diferentes necesidades según especie, tamaño, época del año, análisis foliares

– Determinación de los fertilizantes a utilizar

• Composición óptima según la época del año

– Número y frecuencia de riegos con fertirrigación

• Concentr. Max Fert : 0,5 gr/l agua de riego (Producción Integrada)

– Tiempo de Fertirrigación

• Tiempo de llegada desde el cabezal a las TomasTiempo de Riego < > Tiempo de Fertirrigación Real

Gestión de la fertirrigación

33

• Sectores que no fertirriegan– Resulta difícil garantizar que no reciban fertilizante

– Se produce el “lavado” del Fertiliizante de la red

Ejemplo. Sector teóricamente sin Fertirrigación

Gestión de la fertirrigación. Ejemplo

The hydraulic simulation


35

– El proceso de optimización conlleva realizar múltiples simulaciones de la respuesta de la red ante las estrategias de operación

– Aunque las redes sean aparentemetneramificadas, la presencia de varias fuentes de suministro las convierte en malladas

– Demandas fijas o dependientes de la presión

– Nivel hidrante, toma, aspersor o gotero

– Leyes de control

– Condiciones inyección fertilizantes

La Simulación Hidráulica

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– Consumo de los grupos de bombeo

– Comportamiento de la red (presiones máximas y mínimas,

caudales y velocidades en tuberías…)

– Distribución del fertilizante en red

Simulación hidráulica escenarios de riego

Calibración

Modelo hidráulico

EPANET

Ejemplo. Simulación avance de un fertilizante

376:00

386:30


397:30


409:30


4113:30


4215:30


4316:30


4418:00


45

DUFavg= 86.67%

DUFStd= 24.21%.

TFert/TRieg%

0

20

40

60

80

100

H- 12

C- 1

H- 12

C- 2

H- 12

C- 5

H- 16

C- 1

H- 16

C- 4

H- 17

C- 2

H- 17

C- 3

H- 17

C- 4

H- 17

C- 7

H-

2 8

C- 2

H- 3

C- 1

H- 3

C- 2

H- 3

C- 3

H- 3

C- 4

H- 3

C- 5

H- 3

C- 7

H-

3 0

C- 2

H-

3 6

C- 2

H-

3 6

C- 4

H-

3 6

C- 5

H-

3 6

C- 6

H- 4

C- 1

H- 4

C- 2

H- 4

C- 3

H-

4 2

C- 2

H-

4 2

C- 3

H-

4 2

C- 4

H-

4 2

C- 6

H-

4 2

C- 8

H-

4 2

C- 9

H-

5 6

C- 10

H-

5 6

C- 3

H-

5 6

C- 5

H-

5 6

C- 7

H-

5 6

C- 8

H-

5 6

C- 9

H-

Noe

C- 1

H-

Noe

C- 2

H-

Noe

C- 3

H-

Noe

C- 4

%

Sector S1


46

DUFavg= 86.67%

DUFStd= 24.21%.

%TFert/TRieg

0

20

40

60

80

100

H-12 C-3 H-12 C-6 H-18 C-3 H-18 C-4 H-18 C-5 H-20 C-1 H-29 C-1 H-33 C-4 H-38 C-5 H-38 C-6 H-39 C-5 H-39 C-7 H-42 C-5 H-5 C-1 H-51 C-4 H-56 C-6 H-57 C-1

%

Sector S6

Arviza, J.; Martínez, F.; Jiménez. M.A.; Balbastre, I.(2015). Integración de la gestión de la fertirrigación colectiva de

una comunidad de regantes en un entorno SIG. Actas del IIII Congreso de Agro-ingeniería 2005, Resumen pp 73-74.

ISBN 84-9773-208-1


47

Posibilidades de mejora

– Rotar los sectores de riego. De este modo todos los sectores son igualmente perjudicados óbeneficiados

– Instalar válvulas sectorizadoras para aislar las parcelas sin fertirrigación (cultivos ecológicos)

– Compensar los déficits de suministro a dichas parcelas durante los turnos sin fertirrigación


The Optimization procedures


Sectoring optimization with 2 VSP by GA

Jiménez, M.A., Martínez, F., Bou, V., Bartolín, H (2010) Methodology for grouping intakes of pressurised irrigation

networks into sectors to minimise energy consumption. Biosystems engineering. Vol 105, Issue 4, pg 429-438.

Irrigation network sectoring by Genetic Algorithms (GA)

Beforeappyling GA sectoring

Afterappyling GA sectoring

This methodology was designed for stricted turns

No water performance is improved

50

Optimization of valve operation by GA

First improvement: Irrigation run times are adjusted to the required time

BEFOREAFTER

All intakes grouped in a turn are operated on the same time

Each intake can operate at different starting time and run for the required time

First improvement: Irrigation run times are adjusted to the required time

Number of intakes

• Cromosome:

Time slot to start operating (1 to n)

• Irrigation time is divided in n slots. Ej. every 5 min in 10 h n = 120

• Goal function: 𝐸𝑑𝑎𝑦(𝐾𝑤ℎ) =

𝑖 𝑠𝑙𝑜𝑡𝑠

𝑗 𝑝𝑢𝑚𝑝𝑠

9,81 𝑄𝑖𝑗𝑚3

𝑠𝐻𝑖𝑗 𝑚 ∆𝑡(ℎ)

𝜂𝑖𝑗= Min

𝑄𝑖 =

𝑗 𝑝𝑢𝑚𝑝𝑠

𝑄𝑖𝑗 = 𝑘 𝑖𝑛𝑡𝑎𝑘𝑒𝑠𝑎𝑡 𝑠𝑙𝑜𝑡 𝑖

𝑞𝑖𝑘s.t. for each slot i

Jiménez Bello, M.A., Royuela, A., Manzano, J., García Prats, A.,Martínez- Alzamora, F. (2015) Methodology to

improve water and energy use by proper irrigation schedulin in pressurized networks. Agricultural Water

Management 149 (2015) 91-101. Feb 2015


pmin

head loss

Pumping

Gravity

Terrain elevation

Second improvement: Maximize the number of intakes operating by gravity


Jiménez Bello, M.A., Royuela, A., Manzano, J., García Prats, A.,Martínez- Alzamora, F. (2015) Methodology to

improve water and energy use by proper irrigation schedulin in pressurized networks. Agricultural Water

Management 149 (2015) 91-101. Feb 2015

• Cromosome:

• For the remaining intakes, irrigation time is divided in n slots, as before

• Goal function:

𝐼𝑂𝐶 = 𝑁𝑢𝑚𝑏𝑒𝑟 𝑖𝑛𝑡𝑎𝑘𝑒𝑠 / 𝑝𝑖,𝑂𝐶 ≥ 𝑝𝑚𝑖𝑛s.t.

𝐼𝑁𝑂𝐶 = 𝑁𝑢𝑚𝑏𝑒𝑟 𝑖𝑛𝑡𝑎𝑘𝑒𝑠 / 𝑝𝑖,𝑂𝐶 < 𝑝𝑚𝑖𝑛

𝑀𝑎𝑥 (𝐼𝑂𝐶 − 𝐼𝑁𝑂𝐶)

(Operate Correctly)

(Not Operate Correctly)

Remaining intakes

Bit meaning if the intake is fed or not by gravity (0/1)

Time slot to start operating (1 to n)

Remaining intakes

• In a first step, intakes which elevation is higher than (WHI - pmin ) are removed

Second improvement: Maximize the number of intakes operating by gravity


CASE STUDY


Case study

Picassent Sector XI (Valencia, Spain)

• Irrigated area: 180 ha

• Average plot size: 3276 m3

• Crops: Fruit trees (95% citrus)

• 62 multi-outlet hydrants

• 342 irrigation intakes

• Central fertigation

• Automation at intake level

• Irrigation scheduling under request

Analysis of results

1. The model error of the predicted energy consumption was 2%

(0.138 kWh m-3 vs 0.134 kWh m-3)

2. 3 scenarios were simulated with different minimun pressure

required at hydrant

3. The maximun number of intakes that could operate without extra

energy were determined

4. The remaining intakes were operated by pumping for the minimum

energy consumption

EscPmin_Hid

(MPa)

WHI

(MPa)INOC

Vpump

(m3)

Vgrav

(m3)EDI(%)

CEVTp

(kWh m-3)

CEVTT

(kWh m-3)

1 (2012) - 0.319 36 4224 1676 71.6 0.134 0.096

2 0.20 0.245 - 2604 3296 44.1 0.109 0.048

3 0.22 0.275 - 3428 2472 58.1 0.123 0.072

4 0.25 0.295 - 3559 2341 60.3 0.129 0.078

50 % saving 18.4 % saving

Analysis of results

Year 2015

Volgrav = 1676 m3

EDI (%) = 71.6 %

CEVTp= 0.134 kWh m-3

CEVTT= 0.096 kWh m-3

PminHid= 0.25 MPa

Volgrav = 2341 m3

EDI (%) = 60.3 %



PminHid= 0.20 MPa

Volgrav = 3296 m3

EDI (%) = 44.1 %



Gravity Pumped

Analysis of results

b) Scenario 4 with Pmin_Hid = 0.25 Mpa

Total demanded flow (Q, ls-1), consumed energy per total volume of pumped irrigation water (CEVTp, kWh m-3) and pump efficiencies of the variable speed pump (η1 VSP) and the two Fixed Speed Pumps (η2 FSP and η3 FSP) Parameters were calculated every 5 minutes

a) Scenario 2012

CEVTp CEVTp

Q (

l/s)

Q (

l/s)

Pu

mp

eff

icie

nci

es

Pu

mp

eff

icie

nci

esCEVTp CEVTp

INTEGRATING THE OPTIMISER

IN FIGARO PLATFORM


Flexible and precIse irriGation plAtform to improve faRm

scale water prOductivitySlide62

The hydraulic network is declared trough the INP file

The INP file is build using external tools (EPANET, GISRed)

The structure of hydrants, optimization options, and other constrains are provided in a .xml file (or a .txt file)

This file is produced using and external tool like GISRed

The electricity tariffs, in an hourly basis, is given as a .txt file

Or is produced from a general tariff schedule

The water needs for all irrigated plot served by the network must be provided the next day, using also external tools

Integrating the optimizer in FIGARO platform

Input Data



The optimizer provides the opening and closing time of each valve to minimize the total energy consumption or total cost

The result is a text file with two data for each valve, the opening and closing time (or a time series for each valve giving the valve status at each time)

As a time series, optimum valve scheduling can be easily integrated in uManage

Integrating the optimizer in FIGARO platform

Results

Strategie to asses on energy savings



Read daily supplied volume by the pumping station

Compare with the total registered volume at all intakes

Correct registered volume at intakes to match with that supplied

Register the pump real scheduling and total energy consumption

Calibrate the pump curves if necessary

Optimize the pump scheduling for the past day, by providing the same volume to each plot

Repeat the pump optimization for the past day with the estimated water required per each plot

Procedures



Compare and evaluate for the past day

Real pump scheduling vs optimal scheduling for the same daily volume delivered

Real pump scheduling vs optimal scheduling for the estimated required volume at each plot

Hourly real energy consumption vs hourly energy consumption for both optimization (real volumes & required volumes)

Hourly real energy costs vs hourly energy costs for both optimization, according to the electricity tariffs

Accumulate the daily saving the build a monthly or annual report

Strategie to asses on energy savings

Reports

• Una metodología previamente desarrollada por los autores para

minimizar el consumo de energía agrupando las tomas por turnos ha

sido mejorada permitiendo que cada toma opere el tiempo requerido

– De esta forma, se pueden ajustar con precision las necesidades de

riego, ahorrando agua y energía

• En sistemas donde la balsa tiene cota suficiente para alimentar

algunas tomas sin bombeo, una extension del método anterior ha

permitido maximizar el número de tomas alimentadas por gravedad

– Gracias a ello se obtienen ahorros de energía adicionales

• El método anterior ha sido aplicado a un caso de estudio habiendo

obtenido un ahorro realista de energía del 18.4 %

– Ello se debió funamentalmente al incremento del número de tomas

regadas por gravedad

• Sin embargo, si la presión minima requerida en el hidrante se

redujera un 20 %, se podrian haber obtenido ahorros hasta del 49 %

para el caso de estudio.

Conclusions (to review)

Thank you for your attention


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