Badania symulacyjne strategii sterowania opartej o pomiary stopnia

Stopień wykorzystania tlenu, symulacje komputerowe,
optymalizacja, sterowanie napowietrzaniem
Kamil JANIAK, Piotr BALBIERZ, Marta KNAP*
BADANIA SYMULACYJNE STRATEGII STEROWANIA
OPARTEJ O POMIARY STOPNIA WYKORZYSTANIA TLENU
METODĄ OFF-GAS
Osiągnięcie samowystarczalności energetycznej oczyszczalni ścieków jest możliwe. W tym celu należy zwiększyć ilość produkowanej energii elektrycznej, jak również zmniejszyć zapotrzebowanie na
energię poprzez optymalizację, w szczególności procesu napowietrzania, który jest zwykle najbardziej energochłonnym procesem w oczyszczalni ścieków. Ilość zużywanej energii w tym procesie jest
m.in. zależna od zastosowanej strategii sterowania. Praca przedstawia badania symulacyjne strategii
sterowania opartej o pomiar on-line stopnia wykorzystania tlenu, parametru określającego sprawność
transferu tlenu do ścieków. Wartość tego parametru może istotnie zmieniać się w trakcie doby, co
powoduje, że wymagana ilość energii potrzebnej do wpompowania jednostkowego ładunku tlenu do
reaktora jest również zmienna. W strategii tej, w godzinach niskiego transferu tlenu, napowietrzanie
jest więc ograniczane, co pozwala oszczędzić energię. W celu zbadania wpływu tej strategii sterowania wykorzystano model matematyczny leszczyńskiej oczyszczalni ścieków, w którym przeprowadzono symulację wpływu implementacji tej strategii na zużycie energii i skład ścieków oczyszczonych.
1. WSTĘP
Zużycie energii na napowietrzanie stanowi zwykle ponad 50% ogólnego zużycia energii w oczyszczalni i jednocześnie przeważnie istnieje możliwość istotnego jego ograniczenia, ponieważ stosowane algorytmy sterowania są dalekie od optymalnych. Wszystkie
standardowo wykorzystywane algorytmy opierają się na założeniu stałej sprawności napowietrzania i informacja o rzeczywistej sprawności nie jest parametrem uwzględnianym
w takim algorytmie, podczas gdy może się ona istotnie zmieniać w dobie i wpływać na
koszty napowietrzania. Postęp w technice pomiarowej powoduje, że obecnie możliwe są
__________
* Instytut Inżynierii Ochrony Środowiska, Politechnika Wrocławska, pl. Grunwaldzki 9, Wrocław,
[email protected]
222
K.JANIAK i in.
pomiary sprawności (inaczej stopnia wykorzystania tlenu) on-line, za pomocą analiz powietrza wylotowego z reaktora tlenowego. W tym celu na reaktorze montuje się specjalny
kaptur ujmujący to powietrze oraz moduł pomiarowy, w którym powietrze wylotowe jest
analizowane pod kątem zawartości tlenu. Im większy ubytek tlenu w tym powietrzu tym
wyższa sprawność napowietrzania. Przykładowy kaptur oraz moduł pomiarowy pokazano
na rysunku 1.
Rys. 1. Kaptur (po lewej) oraz moduł pomiarowy (po prawej)
W algorytmie sterowania opartym o pomiar on-line stopnia wykorzystania tlenu wartość zadana stężenia tlenu w danej chwili jest uzależniona od rejestrowanej sprawności
napowietrzania. Im niższa sprawność tym wyższe koszty natleniania ścieków, stąd zadawana wtedy wartość stężenia tlenu jest niska. Gdy sprawność napowietrzania rośnie, wtedy rośnie również wartość zadana stężenia tlenu. Najpoważniejszym problemem jest wyznaczenie takiej zależności pomiędzy wartością zadaną stężenia tlenu, a sprawnością
napowietrzania, która zapewnia utrzymanie odpowiednich parametrów ścieków oczyszczonych (przy czym w Polsce normowane są średnie roczne, co oznacza, że możliwe są
chwilowe przekroczenia).
2. MODEL LESZCZYŃSKIEJ OCZYSZCZALNI ŚCIEKÓW
Badania strategii sterowania przeprowadzono w programie symulacyjnych SymOS, na
modelu reaktorów biologicznych i osadników wtórnych leszczyńskiej oczyszczalni ścieków (LOŚ). Leszczyńska oczyszczalnia ścieków składa się z węzła mechanicznego
oczyszczania ścieków, dwóch osadników wstępnych, dwóch reaktorów biologicznych
wykonanych w technologii A2O oraz dwóch osadników wtórnych. Powstające osady poddawane są fermentacji w otwartej komorze oraz odwadnianiu.
Badania symulacyjne strategii sterowania opartej o pomiary stopnia wykorzystania tlenu ...
223
Program symulacyjny SymOS wykorzystuje rozbudowany model ASM1 [1] oraz model sedymentacji Takacs’a [2], co pozwala na symulowanie pracy osadu czynnego, w zakresie usuwania zawiesin, związków organicznych oraz azotowych. Podstawowe parametry oczyszczalni oraz parametry ścieków mechanicznie oczyszczonych przedstawiono
w tabeli 1. System napowietrzania LOŚ składa się z trzech dmuchaw HV Turbo o łącznej
maksymalnej wydajności 17 400 m3N/h. Na oczyszczalni realizowana jest regulacja stałowartościowa stężenia tlenu, z wartością zadaną wynoszącą 2 g O2/m3. Średni stopień wykorzystania tlenu wynosi 23% [3], a jednostkowy koszt zakupu energii elektrycznej to
0,30 zł/kWh.
Tabela 1. Podstawowe parametry LOŚ oraz skład ścieków mechanicznie oczyszczonych
Parametr
Objętość komory AN [m3]
Objętość komory AX [m3]
Objętość komory OX [m3]
Recyrkulacja azotanów [m3/d]
Recyrkulacja osadu [m3/d]
Powierzchnia osadnika wtórnego [m2]
Głębokość czynna osadnika wtórnego [m]
Wiek osadu [d]
Temperatura w KOCz. [°C]
Wartość
2400
5544
13811
69120
8640
2770
4
15
15
Parametr
Q [m3/d]
ChZT [g O2/m3]
BZT5 [g O2/m3]
TKN [g N/ m3]
NH4 [g N/ m3]
NO3 [g N/ m3]
Zawiesina org. [g sm/m3]
Zawiesina min. [g sm/m3]
Zasadowość [val/m3]
Wartość
14 000
531
305
61
53 (87% TKN)
0
155
40
9,2
Zmienność godzinową podstawowych parametrów ścieków mechanicznie oczyszczonych (Q, Ł ChZT, Ł TKN) wykorzystaną w badania symulacyjnych pokazano na rysunku
2.
Rys. 2. Zmienność godzinowa najważniejszych parametrów ścieków mechanicznie oczyszczonych
224
K.JANIAK i in.
Jak widać, dopływający w godzinach 5 – 11 chwilowy ładunek ChZT oraz TKN stanowi około 60%, a w godzinach 12 – 02 przekracza 100% średniego godzinowego ładunku . Jest to związane z istotną zmiennością natężenia dopływu ścieków surowych.
3. BADANIA SYMULACYJNE
W celu przeprowadzenia badań symulacyjnych założono na początku przebieg notowanej przez urządzenie off-gas zmienności czasowej sprawności napowietrzania. Przyjęto,
że współczynnik zmienności godzinowej sprawności napowietrzania będzie odwrotnie
proporcjonalny do współczynnika zmienności dopływającego ładunku ChZT tzn. wzrost
ładunku ChZT będzie przekładał się na spadek sprawności. Jest to założenie logiczne,
ponieważ na zmienność sprawności napowietrzania kluczowy wpływ mają zanieczyszczenia (w szczególności związki powierzchniowo czynne) w ściekach zasilających komorę
tlenową. Im większe stężenie zanieczyszczeń tym mniejsza sprawność. Przyjęty charakter
zmienności sprawności napowietrzania pokazano na rysunku 3. Przyjęty rozrzut wartości
chwilowych (godzinowych) wokół średniej dobowej jest zdecydowanie większy niż typowy rejestrowany na oczyszczalniach ścieków. Badania symulacyjne zostały więc przeprowadzone dla warunków bardzo korzystnych dla proponowanego algorytmu sterowania.
Rys. 3. Przyjęta zmienność godzinowa sprawności napowietrzania
W celu określenia korzyści płynących z implementacji proponowanej strategii sterowania, przeprowadzono również symulacje pracy referencyjnej stałowartościowej strategii
sterowania stężeniem tlenu, która jest aktualnie eksploatowana na LOŚ. Przyjmowana
wartość zadana stężenia tlenu w tej strategii była równa średniemu stężeniu tlenu w komorach w trakcie testów strategii sterowania opartej o pomiar stopnia wykorzystania tlenu.
W badaniach założono również idealną pracę regulatorów stężenia tlenu.
Badania symulacyjne strategii sterowania opartej o pomiary stopnia wykorzystania tlenu ...
225
3.1. REGULACJA STAŁOWARTOŚCIOWA
Na rysunku 4. pokazano wybrane wyniki symulacji pracy oczyszczalni przy założeniu
stałowartościowej regulacji stężenia tlenu (Szad=2 g O2/m3). Oczyszczalnia spełnia wymagania dotyczące jakości ścieków oczyszczonych. Azot ogólny na odpływie wynosi około
10 g N/m3 (rys.4), przy wartości dopuszczalnej wynoszącej 15 g N/m3. Pozostałe parametry również są spełnione. Dobowe zużycie energii wynosi 5324 kWh (i koszcie zakupu
energii około 1600 zł/d), przy istotnej zmienności godzinowej (rys 4.).
Rys. 4. Zmienność godzinowa zużycia energii oraz stężenia azotu ogólnego w ściekach oczyszczonych
3.1. REGULACJA OPARTA O POMIAR SPRAWNOŚĆ NAPOWIETRZANIA – WARIANT I
W pierwszym wariancie przyjęto, że średnia dobowa wartość zadana stężenia tlenu będzie wynosiła również 2 g O2/m3, a współczynniki godzinowe wartości zadanej stężenia
tlenu będą analogiczne jak współczynniki godzinowe sprawności napowietrzania. Uzyskano pomijalny spadek zużycia energii wynoszący 2% wartości początkowej (31 zł/d
oszczędności). Było to związane z faktem, że wartości zadane stężenia tlenu w godzinach
wysokiej sprawności przekraczały często 3,0 g O2/m3, co powodowało, że wysoka sprawność napowietrzania była częściowo niwelowana przez zbyt wysokie stężenie tlenu,
a w godzinach niskiej sprawności wartości zadane oscylowały w przedziale 1,1 – 1,5 g
O2/m3, co było również wartością zbyt dużą.
3.1. REGULACJA OPARTA O POMIAR SPRAWNOŚĆ NAPOWIETRZANIA – WARIANT II
W kolejnym wariancie przyjęto więc następujące ograniczenia:
1. Wartość zadana stężenia tlenu nie może przekraczać 2 g O2/m3.
226
K.JANIAK i in.
2. Wartość zadana stężenia tlenu w godzinach, gdy sprawność napowietrzania spada
poniżej 17% (tzn. gdy współczynnik zmienności ma wartość poniżej 0,75) będzie
równa 1 g O2/m3.
Przyjęcie tych założeń, spowodowało, że średnie dobowe stężenie tlenu spadło do wartości
1,5 g O2/m3, stąd powtórzono symulację stanu referencyjnego (regulacja stałowartościowa)
przy wartości zadanej 1,5 g O2/m3. Przy referencyjnym algorytmie, uzyskano praktycznie
identyczne parametry ścieków oczyszczonych przy spadku zużycia energii do wartości
4987 kWh/d (z 5324 kWh/d). Zmiana sposobu sterowania, podobnie jak w poprzednim
przypadku przyniosła jedynie niewielkie zyski energetyczne. Zużycie energii spadło
z 4987 kWh do 4877 kWh (oszczędność 33 zł/d) Porównanie wyników symulacji regulacji
stałowartościowej i wariantu II regulacji opartej o pomiar sprawności napowietrzania pokazano na rysunku 5.
Rys. 5. Zmienność godzinowa zużycia energii i stężenia tlenu – wariant II
3.1. REGULACJA OPARTA O POMIAR SPRAWNOŚĆ NAPOWIETRZANIA – WARIANT III
W tym wariancie zdecydowano się na przyjęcie wartości zadanej stężenia tlenu w liniowej
zależności ze sprawnością napowietrzania, przy założeniu, że przy najniższej wartości
sprawności napowietrzania stężenie tlenu wynosi 0,3 g O2/m3, a przy najwyższej
2,0 g O2/m3. Przy takim założeniu średnie dobowe stężenie tlenu w reaktorze wynosiło
0,9 g O2/m3, stąd powtórzono symulację referencyjną. Podobnie jak wcześniej obniżenie
stężenia tlenu nie spowodowało pogorszenia parametrów ścieków oczyszczonych. Porównanie godzinowej zmienności zużycia energii dla obydwu algorytmów pokazano na rysunku 6.
Badania symulacyjne strategii sterowania opartej o pomiary stopnia wykorzystania tlenu ...
227
Rys. 6. Zmienność godzinowa zużycia energii i stężenia tlenu – wariant III
Dzięki takiemu algorytmowi uzyskano obniżenie dobowego zużycia energii z 4609
kWh do 4366 kWh (oszczędność 73 zł/d). Podobnie więc jak w poprzednich przypadkach
uzyskane efekty ekonomiczne są niewielkie.
4. PODSUMOWANIE
Zakładając orientacyjny koszt wdrożenia tej strategii na poziomie przynajmniej
200 000 zł i wymagany czas zwrotu nie przekraczający 5 lat oraz pomijając koszty eksploatacyjne (!), dobowe oszczędności powinny wynosić przynajmniej 110 zł/d. W żadnym
przypadku wartość ta nie jest osiągana.
Biorąc więc pod uwagę duży koszt wdrożenia takiego algorytmu sterowania i niewielkie oszczędności oraz możliwość zastosowania alternatywnych algorytmów (np. opartych
o pomiar stężenia NH4 w ściekach biologicznie oczyszczonych) należy stwierdzić, że jego
implementacja jest prawdopodobnie nieopłacalna, niezależnie od faktu, że w badaniach
symulacyjnych sprawdzono jedynie niewielką liczbę możliwych wariantów sterowania
uwzględniającego pomiar sprawności napowietrzania.
LITERATURA
[1]
[2]
[3]
HENZE M., GUJER W., GRADY Jr C.P.L., Activated sludge model no.1. Scientific and Technical
Report No.1, IAWPRC London 1987
TAKACS I.,PATRY G.G., NOLASCO D. A dynamic model of the clarification thickening process,
Water Research, No. 25, 1991, 1263-1271
SZETELA R., JANIAK K., BALBIERZ P., KNAP M., Badania kalibracyjne oczyszczalni ścieków
m .Leszna, Raport z badań, Raport SPR, Politechnika Wrocławska 2012
228
K.JANIAK i in.
SIMULATION STUDIES OF AERATION CONTROL BASED ON OXYGEN TRANSFER
EFFICIENCY MEASUREMENTS BY OFF-GAS METHOD
Aeration is the most energy-consuming process in wastewater treatment. Amount of energy consumed
on aeration depends among others on aeration control strategy. This article presents simulation studies of
novel aeration control strategy based on on-line measurements of oxygen transfer efficiency. Efficiency of
this strategy is tested by simulation studies conducted on model of Leszno wastewater treatment plant.
Presented results clearly show that this control strategy is probably not cost effective enough to justify
implementation cost.