Digitalisering på reningsverk igår, idag och imorgon Lunds Tekniska Högskola 1 feb 2018
Sammanfattning Digitaliseringen Nya o fler mätgivare producerar mer data Analys skapar information ur data Beslut automatiska eller mänskliga transparenta på alla nivåer Förnyelsebar energi öppnar nya möjligheter till rent vatten utanför kraftnäten
Viktiga ingredienser i ett smart vattensystem Instrumentering Ställdon aktuatorer Datakraft Datorer har all nödvändig kapacitet Modeller o reglering Dynamiska modeller Reglermetoder Utbildning av operatörer, processingenjörer o processdesigners Incitament Processdesign för flexibel styrning borde få mer uppmärksamhet
1999 Kapitel 25 The Future
Opportunities in 1998 (Olsson-Newell 1999) New and cheaper sensors, particularly for nutrient measurement. Cheap computing power is available today Universal communications enables us to gather data from distant sites.
Instrumentering
Instrumentering Ingen drift kan bli bättre än kvaliteten på mätdata Väsentligt att det finns en tydlig uppgift för varje sensor Instrumentering - inte längre flaskhalsen i regleringen On-line instrument måste kombineras med adekvat analys av mätdata
Spektrometriska On-line mätgivare Olika våglängder NO 2, NO 3 COD, TOC DO Färg
Smarta mätare 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 ph Conductivity ph Conductivity Free Chlorine Free Cl 0 0 01/11 02/11 03/11 04/11 05/11 06/11 07/11 08/11 Data Turbidity 12 10 8 6 4 2 2 1.8 1.6 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 Turbidity Turbidity Flow Flow 0 0 19/02 20/02 21/02 22/02 Date 6 5 4 3 2 1 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 Flow Turbidity Flow Turbidity 14/08 15/08 16/08 17/08 18/08 19/08 20/08 21/08 Date 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0
Instrumentering idag >100 företag utvecklar sensorer för vatten Nätverk av givare Data fusion Internet det allestädes närvarande kontrollrummet
R & D needs in 1998 (Olsson-Newell 1999) Biomass measurements -.. nitrifiers, denitrifiers, and phosphorus accumulating organisms
Bättre o fler sensorer + nya processer en kraftig drivkraft för decentraliserade och diversifierade vattensystem 10-tal sensorer 1000-tals sensorer Vi behöver något typ av automation för att översätta massiva datamängder till användbar information.
Utmaningen Kan IoT tillsammans med många och enkla sensorer ersätta mer komplexa sensorer? Cyber insecurity
Datakraft Analys
R & D needs in 1998 (Olsson-Newell 1999) Detection early detection.. also in sewers and pumping stations Soft sensors - model based estimators.
Analysverktyg Analys av enkla signaler - Filtrering - Outliers - Reparera datafiler - Statistisk analys Matematiska modeller - Linjär regression - Multivariat regression - Diagnos - Enkla dynamiska modeller - Biologiska modeller Key performance indicators - KPI Benchmarking Sekunder Minuter Timmar Dagar Mån År
Modeller Reglering
Weaknesses in 1998 (Olsson-Newell 1999) Design tradition often does not take ICA into account.. Process complexity is increasing rapidly.
Ökande komplexitet (1) Bioreaktorerna anaeroba, anoxiska, aeroba zoner bärarmaterial granuler Sofistikerad luftning Separata luftarzoner Variabel tryckreglering Satsvisa system
Ökande komplexitet (2) Fler recirkulationer t.ex. nitratrecirkulation Kemikaliedosering förbättrad primärsedimentering bio P + kemisk fällning av P Fettsyror Dosering för Bio-P Externa kolkällor denitrifikation
R & D needs in 1998 models (Olsson-Newell 1999) Once past the main bioreactors, the sophistication of existing models falls off rapidly. Better settling and digester models Models for clarification, prefermenters, fixed-film processes and sludge handling Model calibration models not easily identifiable..no established protocols
Modeller Bioreactors ASM Reactor hydraulics Primary settler Pumping Sensors Settler Clarifier 1D 2D 3D settler models Anaerobic digester ADM GHG Interfacing unit processes Plant wide modelling
Modell - integration Interface för integrerade reningsverk Modellinterface ASM1 From Peter Vanrolleghem
Simulatorer Aquasim ASIM SSSP GPS-X WEST BioWin Matlab/ Simulink Simba Dynamita/ STOAT Sumo
Benchmarking Föreslogs 1993 Vi kunde inte ana succén! IWA Task Group ledd av Ulf Jeppsson, Lund Mer än 400 publikationer som utnyttjar benchmarking modeller (BSM) Enorm påverkan på modelleringsarbetet Mindre än väntat som verktyg att jämföra olika reglerstrategier
R & D needs in 1998 design (Olsson-Newell 1999) Trade-off between excess volumes and more control authority. Process intensification through the use of fixed-film processes Processes for water recycling and for the extraction of byproducts and impurities
Reglering handlar om Hur man styr en anläggning eller process mot ett definierat mål, trots störningar På alla nivåer: Utrustning Enhetsprocesser Anläggningsnivå Ledarskap Strategi tid
Regler-utmaningen Att förstå processen Max utbyte av sensorinformation Sensor placering, reglerstruktur Ställdon med tillräcklig reglerauktoritet Relevanta kriterier
Kunskapsgap Hur komplex behöver en regulator vara? >95% av alla regulatorer i processindustrin är PID Osäkerheter Vilka osäkerheter måste man förstå? Vilka osäkerheter kan elimineras via återkoppling?
Integrerad reglering
Systemvid reglering Kukudis, 1973: We must speak of automation in the entire system -- the network of sewers and the plants. Styrning av avloppsnät genomfördes i Cleveland på tidigt 1970-tal
Outlook in 1998 (Olsson-Newell 1999) : Urban water systems in 2020 Holistic. The wastewater water industry in 2020 will become just a part of a "water industry. Full cost recovery. Users of water will pay what it costs. No hidden subsidies.
Systemvid (integrerad) reglering Influent wastewater Det behövs ett strukturerat sätt att Bypass koordinera alla reglersystem! Primary clarifier 2-10 regulatorer 2-10 regulatorer 2-5 regulatorer 4-40 regulatorer Activated sludge reactors Thickener Additional loads Anaerobic digester Secondary clarifier Integrerad reglering! 2-4 regulatorer + 25-1000 pumpar 100-1000s ventiler o kontakter Dewatering Mixing Controllable flow rate Valve Sludge removal Tertiary clarifier 2-10 regulatorer 10-30 regulatorer Gas 2-5 regulatorer (from C. Rosen) Effluent water
På väg mot integrerad.. Utveckling mot integrerade modeller Datorstödsystem för att hantera komplexa beslut Matematiska modeller Regleralgoritmer Kunskapsbaserade system Erfarenheter från operatörer Existerande databaser
Integrerad reglering Nät reningsverk - recipient Minimera bräddning Minimera elektrisk energi Bäst utnyttjande av kolkälla Denitrifikation Bio P Biogas Minimera växthusgaser Alla delprocesser är kopplade till varandra
Kommunikation Decentralisering
Outlook in 1998 (Olsson-Newell 1999) : Urban water systems in 2020 Normally unmanned plants. Monitoring and control will be automatic. Centralised Quality Teams.will now look after ten or maybe even twenty plants
The Smart Water Utility Project Manager of plans and projects Pernille Ingildsen Kalundborg Utility, Denmark Professor Lund University Sweden
Globalt installeras mer förnyelsebar effekt än all ny fossil effekt
Trender förnyelsebar energy Sol PV och vind Skalbart från hushåll till regioner Isolerade områden utanför kraftnäten Urbana områden hybrid-elektriskt Vattensystem: Decentraliserade Återanvändning av vatten Användarengagemang
Småskalig vattenrening RO avsaltning Biologisk rening via solenergi Havsvatten, bräckt vatten, förorenat grundvatten 500 m 3 /dag desal 60 kw
I morgon ICA i hela vattencykeln: Icke-konventionella vattensystem. Det automatiska decentraliserade reningsverket Dricksvattenbehandling Smart vattendistribution Återanvändning av vatten
Water is life Let s treat it wisely Tack! Gustaf.Olsson@iea.lth.se Photo credentials: Unsplash.com and Jag_cz (Shutterstock)