PROJEKTSAMMANFATTNING PROCESSINDUSTRIELL IT OCH AUTOMATION HÖSTEN 2014 Projektakronym PiiAwater Projektnamn 1 (5) Modellstudier för optimal vattenproduktion Projektfakta Sökt belopp från VINNOVA: 500.000 kr Sökande organisation: Lunds universitet Projektledare: Niklas Andersson Projektperiod: 2014-11-01 2015-03-31 1 Sammanfattning Malmö stad med kranskommuner hämtar sitt dricksvatten från Vombsjön och Vombverket är en infiltreringsanläggning där ytvatten från sjön renas via ett dammsystem innan det går igenom ett vattenverk för luftning, avhärdning och filtrering. Ett vattenverk karakteriseras av produktion direkt mot kund utan större möjligheter till mellanlager. Det innebär att säkerhetsaspekter, redundans och produktkvalitet är mycket viktiga frågor. Sydvatten AB som äger Vombverket har startat ett stort utvecklingsprojekt med visionen att skapa världens modernaste infiltrationsanläggning, en automatiserad processanläggning mitt i naturen. Denna förstudie är inledningen på ett samarbete mellan Sydvatten AB och Institutionen för kemiteknik, Lunds Universitet, och förstudien består av två parallella men kopplade aktiviteter; 1) Modellering av infiltrationsfältet och 2) Dynamisk simulering av vattenverket. Förstudien kommer att testa modeller för dessa två studier för att skapa underlag för större utvecklingsprojekt: Testa simulering av en modell av grundvattennivån i två dimensioner, där källtermer införs i form av dammar, pumpar och nederbörd. Studierna kommer att begränsas till en mindre del av fältet. Sedan testa on-line prediktion med ett utökat Kalman-filter baserat på en förenklad grundvattenmodell från ovan. Modellering och simulering av hela verkets dynamik. 2 Projektets bakgrund Malmö stad med kranskommuner hämtar sitt dricksvatten från Vombsjön genom Vombverket som drivs av Sydvatten AB. Vombverket är en infiltreringsanläggning där ytvatten hämtas från Vombsjön renas via ett dammsystem innan det går igenom ett vattenverk för luftning, avhärdning och filtrering. Ett vattenverk karakteriseras av produktion direkt mot kund utan större möjligheter till mellanlager. Det innebär att säkerhetsaspekter, redundans och produktkvalitet är mycket viktiga frågor. Vattenproduktion har många likheter med energiproduktion. Under de kommande åren kommer en större modernisering av vattenverket genomföras av Sydvatten som kommer att investera mer än 47 Mkr. En vision för detta stora projekt är att skapa världens modernaste infiltrationsanläggning, en automatiserad processanläggning mitt i naturen. Produktionsanläggningen kan delas upp i två delar; infiltrationsfältet och vattenverket. Vattenverket har stora likheter med en vanlig processindustri medan fältet har
2 (5) helt andra karakteristika. Moderniseringsprojektet kommer att innebära att infiltrationsfältet instrumenteras för att mäta på många fler ställen och att styrning av pumpsystemet kommer att förbättras. På sikt kommer detta att erbjuda helt ny sätt att styra produktionen på ett effektivt och säkert sätt. Detta förprojekt är inledningen på ett projektkonsortie mellan Lunds Universitet och Sydvatten AB. Projektet ska skapa förutsättningar för att utveckla tekniken för att kunna hantera framtidens vattenefterfrågan. Vattenrening genom infiltration är en miljövänlig teknik men behöver hållas uppdaterad för att möta framtidens utmaningar. 3 Projektets idé Vombverket ligger i anslutning till Vombsjön, där råvatten pumpas upp till dammar som genom infiltration får rinna igenom de naturliga sandbäddarna ner till grundvattnet. Från det renade grundvattnet pumpas vatten upp genom pumpstationer till Vombverket där ytterligare reningssteg och avhärdning utförs. Vattenverket måste kunna hantera stora dygnsvariationer från Malmö stad och är designat med redundans i samtliga delsteg. En överblick över processen finns i figur 1 där infiltrationsdelen och processdelen är inringade. Figur 1. En principskiss för hur ett vattenverk baserad på infiltrationsteknik ser ut. Processdelen till vänster är dammsystemet med stort antal borrhål med pumpar och själva vattenverket med olika processteg för vattenrening till höger. Ute på vombfältet finns idag ca 50 utgrävda dammar. Dammarna har en begränsad livslängd och befinner sig i olika faser. När dammen är nyutgrävd inleds initieringsfasen då det inpumpade vattnet rinner rätt igenom utan att bilda en vattenyta. Därmed är reningsförmågan liten. Filtreringen blir bättre efter hand som en biofilm bildas på dammbotten och blir till slut tillräcklig för att en effektiv rening av vattnet uppnås i nästa fas. I slutfasen har biofilmen växt sig så tät att genomflödet blir för litet och sandbädden måste därför tvättas för att inleda en ny cykel. Från grundvattnet pumpas vattnet genom borrhål till en gemensam ledning som går in i vattenverket. Vattenkvaliteten försämras om vattnet får stå stilla under längre perioder i brunnarna eller i efterföljande ledningssystem. Därför kan inte fältet stängas av vid låg produktion. I fältet finns 114 pumpar som idag styrs efter ett föråldrat schema. Nyligen uppgraderades verket med 200 nivågivare vilket ger en god möjlighet att modellera hur grundvattnet beter sig. Grundvattennivån varierar med nederbörd, infiltrationshastighet genom dammarna och pumpflöden. Pumparna befinner sig på olika höjder och skapar sänkor i grundvattnet. Detta medför att pumpanvändningen måste roteras med jämna mellanrum. Modelleringen av grundvattensystem för att förutsäga vattenproduktionen kommer att utföras med olika typer modeller för grundvattennivån. Dessa modeller kan sedan utnyttjas
3 (5) för off-line studier av fältets egenskaper och för on-line prediktion av grundvattennivåer. I förstudien kommer två delar att testas för att skapa underlag för större utvecklingsprojekt: Testa simuleringar av en modell av grundvattennivån i två dimensioner, där källtermer införs i form av dammar, pumpar och nederbörd. Studierna kommer att begränsas till en mindre del av fältet. Testa on-line prediktion med ett utökat Kalman-filter baserat på en förenklad grundvattenmodell från ovan. Baserat på en modell och mätdata från fältet kan ett Kalman-filter skatta grundvattennivån i fältet i realtid. I ett senare skede tillkommer många frågor som behöver lösas i ett utvecklingsprojekt. Modellen måste kalibreras mot experimentell data från fältet för ett antal olika driftsfall. Målet är att hitta ett optimalt sätt att styra pumparna både med hänsyn till dygns- och årsvariationer. Modellen behöver troligen kompletteras med fler egenskaper samtidigt som komplexitet och resursåtgång behöver bestämmas. Efter fältet så kommer vattnet till verket. Vattenverket har en mindre vattenbuffert på vattnets väg mot ett antal vattenbuffertar i form av vattentorn. Den totala buffertkapaciteten är dock relativt liten med tanke på att vattnet inte får stå still under en längre tid. Därför kommer Malmö stads efterfrågan att direkt påverka vattenverkets driftspunkt. Detta påverkar verkets samtliga delar, bestående av avhärdarreaktorer, fällningssteg och sedimenteringssteg. Det kommer också påverka behovet av grundvattenpumpning från fältet. Dynamiken i vattenverkets olika delar är därför central för förståelse av verket och skall därför studeras för ett antal driftsfall. Fältstudierna ovan kompletteras med en enkel studie av vattenverket: Modellering och simulering av hela verkets dynamik. Denna översiktsstudie ger insikt i Vombverkets produktionsegenskaper och ligger till grund för kommande detaljstudier för produktionsoptimeringar. 4 Potential Potential av projektidé Denna förstudie ska skapa en god grund för att i kommande FUI-projekt kunna modellera, simulera och införa reglerstrategier för hur pumparna ute på fältet ska kunna arbeta på ett optimalt sätt. Detta gäller både ur energisynpunkt, men även för att förlänga livslängden på pumparna. Större kunskap om hur efterfrågan på vatten varierar skapar möjlighet till framåtkoppling, vilket ger jämnare belastning på pumparna. Förstudien är inledningen på ett samarbete mellan Vombverket och Lunds Universitet för att uppfylla Sydvattens mål att skapa världens modernaste infiltrationsverk. Leveranser En översikt av tillgänglig mätdata, undersöka dess kvalitet och vad som är observerbart ute på fältet. Intressanta driftsfall ska väljas ut.
4 (5) Ta fram ett underlag med en enkel modell för att beskriva grundvattnets dynamik på Vombfältet. Meningen är att testa modellerna på experimentell data från Vombfältet för att se om de är tillräckliga för att beskriva grundvattendynamiken. En prototyp av en modell för att beskriva hur Malmö stads vattenefterfrågan slår igenom i vattenverket och ut mot Vombfältet. I ett framtida FUI-projekt kommer andra aktörer att vara aktuella såsom leverantörer av teknik. Kontaktade aktörer är Cactus UniView och Modelon som har kommersiella intressen att generalisera och sprida potentiella resultat och produkter. 5 Aktörer Förstudiens aktörer är Lunds universitet och Sydvatten AB. Projektledare är Niklas Andersson, Institutionen för kemiteknik, Lunds universitet. På Vombverket är produktionschef Johannes Flink en nyckelperson. Förstudien består av två delar där modelleringsutveckling kommer att göras på LU medan Sydvatten tar fram underlag, utrustning/instrument och mätdata. Forskargruppen för modellbaserad processteknik, Institutionen för kemiteknik, LU, leds av Bernt Nilsson och där projektledaren är aktiv och har stor erfarenhet av modellering, simulering och optimering av komplexa processystem. Gruppen har studerat många olika processtillämningar från termiska kraftverk till läkemedelsrening. Sydvatten AB är en av Sveriges största producenter av färskvatten. Det är ett kommunägt företag som producerar dricksvatten till 16 kommuner i västra Skåne. De driver Vombverket som ligger vid Vombsjön och producerar dricksvatten till Malmö och dess kranskommuner. 6 Genomförbarhet Förstudien består av två parallella men kopplade aktiviteter; 1) Modellering av infiltrationsfältet och 2) Dynamisk simulering av vattenverket. Modellering av infiltrationsfältet genomförs av personal vid Lunds universitet. Även stora delar av utvecklingen av Kalman-filtret för tillståndsskattning utförs vid LU med närhet till kompetens och erfarenhet. Stora delar av arbetet är förlagt vid Vomb. Detta för att förenkla hantering av driftsdata och mätstudier samt underlätta kommunikation vid framtagning av dataunderlag för modellutveckling. Vid on-line-test av Kalman-filter krävs tillgång till processdata vid Vomb samt stöd för uppkoppling mot databas. Avståndet mellan Lund och Vomb är kort vilket gör besök under dagen möjligt. Processimulering av vattenverket har en liknande karaktär som ovan. Dock kan denna studie inte göras vid Vomb explicit. Dock behövs framtagning av underlag för simuleringsstudierna göras vid Vomb med hjälp av produktionstekniker men större delen av arbete utförs sedan vid LU
5 (5) 7 Projektets kostnader och finansiering I tabell 1 och 2 nedan redovisas förstudiens kostnader vid LU respektive industripart. LUs kostnader täcks av bidrag från VINNOVA medan industriparten täcker sina egna kostnader. Förstudien bygger på en modellbaserad studie vid LU som är direkt kopplad till ett större industriellt projekt vid Sydvatten. Förstudien har 55% medfinansiering. Tabell 1: Kostnader vid LU som täcks av VINNOVA Ledning 10 000 4 000 14 000 Personal 58 000 236 000 294 000 Material - - - Resor 5 000 20 000 25 000 Övriga kostnader 37 000 130 000 167 000 Totalt 110 000 390 000 500 000 Tabell 2: Kostnader som täcks av SydVatten (in-kind). Ledning 13 000 16 000 43 000 Personal 160 000 384 000 544 000 Material 20 000 20 000 40 000 Resor - - 0 Övriga kostnader - - 0 Totalt 193 000 420 000 613 000 Tabell 3: Intäkter VINNOVA 110 000 390 000 550 000 Sydvatten 193 000 420 000 613 000 totalt 303 000 810 000 1 113 000 8 Övrigt och referenser