MPWiK Kraków – Zintegrowany System Efektywności Energetycznej w Oczyszczalni Płaszów

 

Historia Miejskiego Przedsiębiorstwa Wodociągów i Kanalizacji sięga 1901 roku. Obecnie, dzięki wdrożeniu nowoczesnych systemów zarządzania i stosowaniu innowacyjnych rozwiązań technologicznych, MPWiK S.A. w Krakowie świadczy wysokiej jakości usługi. Jedną z oczyszczalni ścieków, które zawarte są w infrastrukturze Wodociągów Krakowskich, jest Oczyszczalnia Ścieków Płaszów. Odbiera ona ścieki z obszaru Krowodrzy, Śródmieścia, Nowej Huty oraz Podgórza.

W ramach podnoszenia efektywności produkcji ścieków i przy wsparciu środków krajowych z NCBiR i NFOS podjęto realizację projektu, którego celem było stworzenie pasywnej energetycznie oczyszczalni dzięki wdrożeniu zintegrowanego systemu efektywności energetycznej. System ZSEE powstał w wyniku prac badawczo-rozwojowych zrealizowanych przez Miejskie Przedsiębiorstwo Wodociągów i Kanalizacji S.A. w Krakowie w konsorcjum z Akademią Górniczo-Hutniczą w Krakowie w ramach projektu Narodowego Centrum Badań i Rozwoju z 2015 roku, w zakresie programu GEKON – Generator Koncepcji Ekologicznych (umowa nr GEKON2/02/266926/3/2015).

Firma ASTOR wraz z firmą Semako wykonała „Zintegrowany System Efektywności Energetycznej” w oparciu o projekt uzyskany od beneficjentów: MPWiK w Krakowie oraz Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie – Katedry Robotyki i Mechatroniki – będącymi jedynymi właścicielami praw własności intelektualnej do rezultatów projektu. Projekt objął przebudowę obiektów, podłączenie analizatorów energii elektrycznej, podłączenie sygnałów z obiektów, analizę, opracowanie algorytmów sterowania i wizualizację danych. Zakres projektu obejmował zmiany w obiektach takich jak przepompownie, bioreaktory, dmuchawy oraz rozdzielnia główna.

Wyzwania

Celem w projekcie było zmniejszenie ilości energii elektrycznej, która jest potrzebna do pracy Oczyszczalni Ścieków. Docelowo planowano obniżenie kosztów eksploatacji, a także ograniczenie emisji np. gazów cieplarnianych. Aby zwiększyć efektywność, zostało wprowadzone monitorowanie sprawności układu i optymalizacja regulacji wydajności, aby urządzenia pracowały w preferowanym dla nich zakresie wydajności, a dzięki temu zużycie energii elektrycznej było jak najmniejsze.

Zdiagnozowano następujące wyzwania:

• zapewnienie nadrzędnego systemu kontroli i sterowania,
• zapewnienie bezpieczeństwa działania i pewności przetwarzania i gromadzenia danych pomiarowych,
• optymalizacja algorytmów sterowania obiektami.

Opis systemu

Zintegrowany System Efektywności Energetycznej to nadrzędny system w stosunku do istniejącego już od kilku lat systemu kontroli i sterowania Oczyszczalni Płaszów. System ma na celu dostarczanie i agregowanie parametrów pracy urządzeń oraz parametrów środowiskowych – opadów czy poziomów wód. Tak zgromadzony zestaw skorelowanych i przetworzonych danych ma pomóc obsłudze podejmować decyzje doboru jak najlepszych parametrów nastawczych urządzeń wykonawczych w kontekście optymalizacji zużycia energii elektrycznej w określonych warunkach.

System zbudowany został tak, aby rozwiązania informatyczne oraz komunikacyjne były kompatybilne z przyjętymi i stosowanymi w Oczyszczalni Ścieków Płaszów standardami. Dodatkowo, ze względu na bezpieczeństwo systemu, pracuje on w środowisku zwirtualizowanym. Takie rozwiązanie zapewnia wiele korzyści, a jedną z nich jest wydłużenie czasu życia instalacji przez uniezależnienie wymagań wersji systemów operacyjnych, oprogramowania, od specyfikacji serwerów.

Aplikacja oparta jest o Platformę Systemową Wonderware. Wybór tego rozwiązania dobrze współgra z charakterem instalacji Zintegrowanego Systemu Efektywności Energetycznej dzięki obiektowemu modelowaniu instalacji technologicznych. W aplikacji odwzorowano technologiczne obiekty, przez co dostarczane dane są zawsze umiejscowione kontekstowo, co pozwala na spójną prezentację danych bieżących oraz alarmów, a także, analizując dane historyczne, wpływu czynników zewnętrznych na poziom zużycia energii elektrycznej.

Zastosowanie pakietu oprogramowania Platformy Systemowej Wonderware podyktowane było także względami doboru elastycznej architektury rozwiązania oraz dbania o bezpieczeństwo systemu. Wdrożenie środowiska domenowego Windows Active Directory, z którym Platforma Systemowa Wonderware natywnie się integruje i które wykorzystuje, pozwala uzyskać centralnie zarządzany, bezpieczny dostęp do aplikacji, stosować reguły uprawnień i kontrolować dostęp do systemów operacyjnych, stacji operatorskich oraz danych. Takie środowisko domenowe może służyć także jako szkielet informatyczny dla pozostałych, pracujących już lub nowoprojektowanych instalacji.

W systemach, gdzie decyzje podejmuje się na podstawie danych historycznych dla długich okresów czasu, bardzo ważnym aspektem jest wydajny system akwizycji, przechowywania i udostępniania danych.

Platforma Systemowa Wonderware posiada wbudowaną, wydajną i skalowalną przemysłową bazę danych historycznych Wonderware Historian z wbudowanymi mechanizmami na potrzeby raportowania danych procesowych w czasie. Narzędzia do analizy danych historycznych Historian Client, integrując się z używanym na co dzień pakietem Microsoft Excel, stanowią efektywne narzędzie dla technologów.

– podsumowuje Marcin Woźniczka, ekspert ds. rozwiązań Wonderware w firmie ASTOR.

Do prezentacji danych dla operatorów oraz technologów wybrano Wonderware InTouch w technologii usług terminalowych. Z punktu widzenia technologów oraz nadzoru, umożliwia ona szybkie reagowanie poprzez zdalny dostęp z każdego typu urządzenia – smartfonu, tabletu czy komputera przenośnego – w każdym miejscu i każdym momencie poprzez wykorzystany firmowy VPN. Wartości danych prezentowane są liczbowo na wykresach lub w postaci stosu wykresów, dając możliwość porównywania kilku różnych wartości na wykresach w jednym układzie współrzędnych. Dodatkowo dostępne są też raporty, które pokazują dobowe, tygodniowe, miesięczne i roczne zużycie energii elektrycznej, czy też przepływy ścieków.

Funkcjonalności systemu

Interfejs Zintegrowanego Systemu Efektywności Energetycznej składa się z trzech bloków. Pierwszy blok zawiera menu aplikacji. Drugi blok zawiera tabelę alarmów i nawigację między elementami aplikacji. Trzeci blok to ekran synoptyczny, w którym wyświetlane są dane.

Przykładem jest wybór ekranu zawierającego bilans mocy chwilowej za pomocą kliknięcia przycisku „Moce” z menu aplikacji. Centralną część ekranu stanowi wykres kołowy przedstawiający graficznie bilans mocy chwilowej dla Oczyszczalni Ścieków Płaszów. W górnej części diagramu wizualizacyjnego, nad wykresem kołowym, przedstawione zostały chwilowe moce pobierane z sieci elektroenergetycznej. Z lewej strony oraz poniżej wykresu, zgrupowano dane na temat wartości chwilowych mocy oddawanych przez własne źródła energii elektrycznej, tj. turbiny gazowe, jednostki kogeneracyjne, generator termoelektryczny, panele fotowoltaiczne oraz turbinę wodną.

Zintegrowany System Efektywności Energetycznej umożliwia także porównanie danych pochodzących z farmy fotowoltaicznej – czyli energii własnej Oczyszczalni Ścieków Płaszów – z trzech wybranych lat. Poza tym Zintegrowany System Efektywności Energetycznej wizualizuje, które obiekty znajdują się w stanie optymalnym (praca/postój), a których stan powinno się zmienić.

Korzyści

Projekt składa się z kilku przedsięwzięć, których zadaniem jest wytwarzanie energii elektrycznej, ograniczenie zużycia energii elektrycznej oraz optymalizacja pracy oczyszczalni.

Przy zachowaniu wszystkich parametrów technologicznych uzyskaliśmy wysoką pasywność obiektu, co pozwoli na ograniczenie zakupów energii elektrycznej u dostawców, dając wymierne korzyści finansowe. W obiekcie pracują pompy pierwszego i drugiego stopnia. Zainstalowane są 3 pompy o mocy 160 kW oraz 7 pomp o mocy 132 kW. Zwykle pracuje ich sześć. Według przewidywań, wprowadzone modyfikacje przyniosą oszczędności na poziomie 15%. Rocznie daje to ok. 1000 MWh oszczędności w zużyciu energii elektrycznej. W przypadku dmuchaw zmiana sposobu sterowania pracą reaktorów pozwoli na uzyskanie oszczędności w zużyciu energii elektrycznej na poziomie 20%. W oczyszczalni zamontowanych jest sześć dmuchaw o mocy 400 kW. Zwykle pracują trzy, cztery z nich. Po zastosowaniu planowanych zmian roczne oszczędności wyniosą 2100 MWh.

– podsumowuje Tadeusz Żaba, Dyrektor ds. Produkcji MPWiK Kraków.

Efektem wdrożonego rozwiązania dla Oczyszczalni Ścieków Płaszów jest zatem optymalna praca urządzeń, co przekłada się na niższe koszty użycia energii elektrycznej. Ponadto kontrola urządzeń umożliwia szybką diagnostykę, a archiwizacja danych pozwala na porównywanie określonych stanów urządzeń.

Artykuł „MPWiK Kraków – Zintegrowany System Efektywności Energetycznej” opracowany został w oparciu o niniejsze publikacje oraz materiały projektowe uzyskane od Miejskiego Przedsiębiorstwa Wodociągów i Kanalizacji SA w Krakowie oraz Akademii Górniczo Hutniczej – Katedra Robotyki i Mechatroniki.

• Biuletyn „Woda i my” 03/2017 (wydawca: MPWiK Kraków), Tadeusz Żaba, Projekt „Energetycznie pasywna oczyszczalnia ścieków”.
• Zintegrowany System Efektywności Energetycznej jako istotny element podnoszący niezawodność systemów wodociągowo-kanalizacyjnych, Piotr Małka, Tadeusz Uhl, Joanna Kłapyta, Ryszard Langer, „Gaz, Woda i Technika Sanitarna”, 2017, 4/2017, str. 154–156.
• Instalacja turbiny wodnej na zrzucie ścieków oczyszczonych w Zakładzie Oczyszczania Ścieków „Płaszów” w Krakowie analiza SWOT – [Installation of water turbine on the discharge of treated sewage located in the Waste Water Treatment Plant „Plaszow” SWOT analysis], Zbigniew Śliwa, Tadeusz Uhl, Krzysztof Grabowski, w: Projektowanie mechatroniczne: zagadnienia wybrane. Praca zbiorowa pod red. Michała Mańka, Kraków, Akademia Górniczo-Hutnicza, Katedra Robotyki i Mechatroniki, 2016, ISBN 978-83-64755-26-2, str. 151–159
• Analiza możliwości obniżenia energochłonności zakładu oczyszczania ścieków przez zmiany w sposobie sterowania dużymi odbiornikami energii, Paweł Król, Jakub Bryła, Michał Lubieniecki, Tadeusz Uhl, w: Projektowanie mechatroniczne: zagadnienia wybrane. Praca zbiorowa pod red. Michała Mańka, Kraków, Akademia Górniczo-Hutnicza, Katedra Robotyki i Mechatroniki, 2016, ISBN 978-83-64755-26-2, str. 97-108.