Energi- och resurseffektiv avloppsvattenrening genom reglerteknik Bengt Carlsson Uppsala universitet
Innehåll Inf forma ationst teknologi Om mig Vad är reglerteknik? (5-min varianten!) Överordnad syrereglering Arbetsdiagram en hjälp för driftsoptimering ILC ett nytt sätt att styra våra reningsverk?
Om mig Inf forma ationst teknologi Forskar sedan 1991 (bl a) på styrning, modellering och simulering av ARV. Handledare för 4 doktorander och en massa examensarbetare. Ordförande för Mälardalsklustret: www.va-malardalen.se Undervisar inom VA, reglerteknik och modellering. Föreläser bl a i SV 3- dagarskurs Reglerteknik och mikrobiologi i ARV.
Vad är reglerteknik? Konsten att automatiskt styra processer ogi Inf forma ationst teknol Störning Styrsignal Process Återkoppling: styr mha utsignalen Utsignal (mätsignal, processvärde) Framkoppling: styr mha störningen
Exempel: Reglering av vätskenivån i en tank Inf forma ationst teknologi Nivågivare Reglerventil Inflöde TANK Varierande utflöde Vätskenivån ska styras med inkommande flöde via en reglerventil.
ogi Börvärde Utflöde Styr Uppmätt signal Inflöde Nivå nivå Regulator Ventil Tank Nivågivare Inf forma ationst teknol Nivåreglering g 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
Ställdon och givare Inf forma ationst teknologi - Ställdonet måste vara rätt dimensionerat - Givaren: tillräckligt snabb och kalibrerad => Periodiskt underhåll, Larmfunktioner - Regulatorn: måste ha ett skyddsnät och reglerteknisk kompetens
Allmänt blockschema ogi Inf forma ationst teknol Störning Börvärde Styrsignal Utsignal Regulator Ställdon Process Givare Regulatorn ska styra processen så att utsignalen hålls nära börvärdet trots störningar.
PI-regulatorn ( arbetshästen ) Inf forma ationst teknologi Styrsignalen i en PI-regulator beräknas enligt u= K ( 1 e+ T T i e(t)dt Där K kallas förstärkningen och T i integraltid. Regulatorns parametrar måste trimmas för den process som ska regleras )
Reglering av syrehalt i en aktivslamprocess Inf forma ationst teknologi Standardlösning: Kaskadreglering Luftflödesgivare Reglerventil BV Luftflödesregulator Syrehalts- BV regulator Syrehaltsgivare O2
Överordnad syrereglering Inf forma ationst teknologi 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 4, ref Överordnad regulator DOref Syrehalts regulator V1 V2 V3 ogi Inf forma ationst teknol DO DO DO NH 4 V1 V2 V3 Exempel på överordnad syrereglering
20 Nitrat ut i P1 & P2, Ammonium P1 och Syrehalt P1 18 Inf forma ationst teknologi 16 Nitrat P2 14 12 10 8 Nitrat P1 6 4 Syre 2 Ammonium 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 tid [dagar] Resultat från test i pilotanläggning
Fullskaleförsök Käppala (Andreas Thunberg) teknologi ationst forma Inf
Resultat från Käppala Inf forma ationst teknologi Körs fn i 6 linjer. Minskad luftförbrukning med cirka 25% och med oförändrad d kväverening! Nettovinst pga minskad energiförbrukning 220-500 kkr/år (1/3 av verket)
Andra exempel ogi Inf forma ationst teknol Styrning av luftad volym (antal zoner) Extern kolkälla (återkoppla från nitrathalt!) Kem fällning (återkoppla från fosfathalt!)
Driftoptimering av en fördenitrifikationsprocess Influent, Q Effluent Inf forma ationst teknologi Anoxic Internal recirculation, Qi Sludge recirculation Styrsignaler: Aerobic Settler Excess sludge Internrecirkulationsflödet Q i (Energikostnad!) Extern kolkälla Utsignal Nitrat
Arbetsdiagram visar hur internrec och extern kolkälla påverkar nitrathalten Inf forma ationst teknologi 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 + högre kostnad per kg Olika driftskostnader (energikostnader och kostnader för extern kolkälla) => Kostnadseffektiva arbetsområden
4 7 10 x 104 0.1 6 3 2 1.5 15 12 5 2200 1400 11 10 11 6 0.05 8 5 0.3 1 2000 1800 0.03 1800 1600 10 7 0.5 8 1300 9 8 4 5 1600 1400 9 2000 1300 9 0.3 14 13 6 0.05 7 6 5 * 7 3 6 5 1 12 8 1.5 2 10 2200 6 1400 7 0.1 0.03 0.3 1800 15 0.01 0.5 11 7 8 1800 1600 Informationsteknol ogi Q 3 i [m /day] 1300 0.005 4 7 0.3 8 9 2000 1400 1600 0.003 8 10 14 3 9 9 1 0.1 0.05 0.03 13 10 11 11 12 4 3 2 1 2200 1600 2 1.5 0.01 1800 2400 0.3 0.5 2000 10 11 2800 13 14 12 12 1800 2200 15 2600 2400 0.3 13 2000 0.001 3000 15 14 0.1 0.05 0.005 0.003 0.01 0.03 13 2200 2800 2400 400 2600 600 15 14 0 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 Q car [m 3 /day]
Inf forma ationst teknologi Viktigt att INTE bara fokusera på energi! suboptimera delprocesser Utsläppskostnader ger (bättre) incitament för driftsoptimering! Vision: Minimera totala miljöpåverkan
Iterative Learning Control (ILC) ett nytt sätt att styra våra reningsverk? Inf forma ationst teknologi 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 teknologi ationst forma Inf
Exempel Reglering av syrehalt med ILC Inf forma ationst teknologi Inledande simuleringsstudie med IWA Benchmarksmodell : Ambition: Illustrera konceptet! Reglermål: Styr luftflödet så att syrehalten hålls nära 2 mg/l (börvärde)
Belastningsvariation teknologi ationst forma Inf Behandla vardagar och helger separat!
Resultat ILC (2v) teknologi ationst forma Inf
Resultat ILC (6v) teknologi ationst forma Inf
Inf forma ationst teknologi Verkar fungera! Behöver detektera onormala dygn Kan kombineras med återkoppling (=> ökad robusthet) Ex på möjliga tillämpningar: syrereglering, g överordnad syrereglering, g styrning av luftad volym, pumpstyrning (intern rec)
Slutsats (kortversionen!) ogi Inf forma ationst teknol Reglerteknik (rätt använd) ger energi- och resurseffektivisering i i i reningsverken!
Inf forma ationst teknologi Framkoppling Idé: utnyttja mätning av en störning och kompensera innan störningen påverkar reglerfelet Exempel: Nivåregleringen då utflödet kan mätas: Nivågivare Reglerventil Inflöde TANK Flödesgivare Varierande utflöde
Utnyttja mätningen av utflödet (störningen) genom direkt låta inflödet (via reglerventilen) påverkas forma ationst teknologi Framkopplingsregulator Ventilläge Flödesgivare Inflöde Ventil Utflöde Tank Nivå Inf
Normalt bör framkoppling kombineras med återkoppling: ogi Inf forma ationst teknol Börvärde Regulator Σ Framkopplingsregulator Process Störning Utsignal