Innehåll. Vad är reglerteknik? Forskning inom processtyrning - Resurseffektiv avloppsvattenrening genom reglerteknik

Transkript

1 Forskning inom processtyrning - Resurseffektiv avloppsvattenrening genom reglerteknik Bengt Carlsson Uppsala universitet Innehåll Vad är reglerteknik? (kortversionen!) Överordnad syrereglering ILC ett nytt sätt att styra våra reningsverk? Konstant kan vara optimalt- Vad är reglerteknik? Konsten att automatiskt styra processer Styrsignal Process Störning Utsignal (mätsignal, processvärde) Huvudproblem: Det tar tid innan en inverkan av styrsignalen syns i utsignalen (dynamik).

2 Exempel: Reglering av vätskenivån i en tank Reglerventil Inflöde TANK Nivågivare Varierande utflöde Vätskenivån ska styras med inkommande flöde via en reglerventil. Utflöde Börvärde Styr signal Inflöde Nivå Regulator Ventil Tank Nivågivare Nivåreglering i tankblockschema Konstruera en regulator som via mätningar av nivån (utsignalen) beräknar ett ventilläge (styrsignalen) så att nivån hålls nära ett givet värde (börvärde) trots variationer i utflödet (störningen). Notera återkoppling Uppmätt nivå Ställdon och givare - Ställdonet måste vara rätt dimensionerat - Givaren: tillräckligt snabb och kalibrerad => Periodiskt underhåll, Larmfunktioner - Regulatorn: måste ha ett skyddsnät

3 Allmänt blockschema Börvärde Regulator Styrsignal Ställdon Process Störning Givare Utsignal Regulatorn ska styra processen så att utsignalen hålls nära börvärdet trots störningar. PI-regulatorn ( arbetshästen ) Styrsignalen i en PI-regulator beräknas enligt u = K ( e+ T e(t)dt ) i Där K kallas förstärkningen och T i integraltid. Regulatorns parametrar måste trimmas för den process som ska regleras Framkoppling Idé: utnyttja mätning av en störning och kompensera innan störningen påverkar reglerfelet Exempel: Nivåregleringen då utflödet kan mätas: Reglerventil Inflöde TANK Nivågivare Flödesgivare Varierande utflöde 3

4 Utnyttja mätningen av utflödet (störningen) genom att direkt låta inflödet (via reglerventilen) påverkas Ventilläge Framkopplingsregulator Ventil Flödesgivare Inflöde Tank Utflöde Nivå Normalt bör framkoppling kombineras med återkoppling: Börvärde Regulator Σ Framkopplingsregulator Process Störning Utsignal Reglering av syrehalt i en aktivslamprocess Standardlösning: Kaskadreglering BV BV Syrehaltsregulator Luftflödesregulator Syrehaltsgivare Luftflödesgivare Reglerventil O

5 Överordnad syrereglering Antag: ASP med kväverening. Hur välja syrehalter (börvärden till syreregulatorerna)? Reglera syrehalten så att ammoniumhalten hålls på en låg nivå. Fördel: Optimering av luftförbrukning. NH, ref Överordnad regulator DOref Syrehalts regulator V V V3 DO DO DO NH V V V3 Exempel på överordnad syrereglering 0 Nitrat ut i P & P, Ammonium P och Syrehalt P Nitrat P Nitrat P Syre Ammonium tid [dagar] Resultat från test i pilotanläggning

6 Fullskaleförsök Käppala (Andreas Thunberg) Resultat från Käppala Körs fn i linjer. Minskad luftförbrukning med cirka % och med oförändrad kväverening! Nettovinst pga minskad energiförbrukning 0-00 kkr/år (/3 av verket) Driftoptimering av en fördenitrifikationsprocess Influent, Q Effluent Styrsignaler: Internrecirkulationsflödet Q i (Energikostnad!) Extern kolkälla Utsignal Nitrat Anoxic Internal recirculation, Qi Sludge recirculation Aerobic Settler Excess sludge

7 Arbetsdiagram visar hur internrec och extern kolkälla påverkar nitrathalten Möjligt att studera olika kostnadsfunktioner för utsläpp t ex Ingen kostnad Konstant kostnad per kg Konstant kostnad per kg upp till en viss gräns. Över denna: Extra avgift + Annan högre konstant kostnad per kg Olika driftskostnader (energikostnader och kostnader för extern kolkälla) => Kostnadseffektiva arbetsområden x Q i [m 3 /day] Q [m 3 /day] car * Viktigt att INTE bara fokusera på energi! suboptimera delprocesser Kostnader för utsläpp ger (bättre) incitament för driftsoptimering! Vision: Minimera totala miljöpåverkan

8 Iterative Learning Control (ILC) ett nytt sätt att styra våra reningsverk? Om en störning har en delvis periodisk karaktär är det naturligt att successivt försöka förbättra styrningen genom att lära sig av tidigare misstag ILC populär metod för reglering av robotar (samma uppgift utförs gång på gång). Reningsverk: Normal belastning har ofta en tydlig dygnsvariation (dock skillnad mellan helger och vardagar). => ILC kan vara användbart! Princip Exempel Reglering av syrehalt med ILC Inledande simuleringsstudie med IWA Benchmarksmodell : Ambition: Illustrera konceptet! Reglermål: Styr luftflödet så att syrehalten hålls nära mg/l (börvärde)

9 Belastningsvariation Behandla vardagar och helger separat! Resultat ILC (v) Resultat ILC (v) 9

10 Verkar fungera! Behöver detektera onormala dygn Kan kombineras med återkoppling (=> ökad robusthet) Ex på möjliga tillämpningar: syrereglering, överordnad syrereglering, styrning av luftad volym, pumpstyrning (intern rec) Börvärdesoptimering Vilken är det resurseffektivaste styrsignalen givet att ett fixt dygnsmedelvärde ska hållas? Slutsats (kortversionen) Reglerteknik behövs för energi- och resurseffektivisering i reningsverken! Mera? Gå kursen Reglerteknik och mikrobiologi i avloppsreningsverk