Sterowanie biogazownią

Projekt sterowania i kontroli procesu produkcji w biogazowni fermentacyjnej

Wstęp

Biogaz jest mieszaniną metanu, dwutlenku węgla oraz niewielkich ilości azotu, wodoru, siarkowodoru i tlenu. Wytwarzany jest podczas beztlenowej fermentacji substancji organicznych. Przetwarzanie w procesie fermentacyjnym pozwala zagospodarować odpady z produkcji rolnej, przetwarzania płodów rolnych, produkcji biopaliw, jak również odpady komunalne. Wyprodukowany biogaz jest następnie przetwarzany na energię elektryczną oraz cieplną, co z kolei zmniejsza globalne zapotrzebowanie na paliwa kopalne. Obecnie trwają intensywne prace nad zwiększeniem wydajności biogazowni fermentacyjnych w celu maksymalizacji korzyści, zarówno dla środowiska naturalnego jak i ekonomicznej optymalizacji produkcji. Jednym z kierunków tych prac jest wykorzystanie tomografii pojemnościowej.


Rys. 1. Schemat instalacji grzewczej

Fermentator

Utrzymanie stałej oraz jednakowej temperatury w całej objętości fermentowanej biomasy, wymaga montażu w zbiorniku instalacji grzewczej najczęściej w formie orurowania na wewnętrznych ścianach zbiornika (rys 1). Przy zastosowaniu tomografii pojemnościowej daną instalację grzewczą należy wbudować w ściany komory fermentacyjnej i umieścić za elektrodami tomograficznymi tak, aby zminimalizować jej wpływ na wyniki pomiarów.
Mieszanie zawartości fermentatora ułatwia odgazowanie, pozwala zapewnić stałą temperaturę oraz jednakowy rozwój mikroorganizmów w całej objętości komory fermentacyjnej, jak również zapobiega powstawaniu kożucha na lustrze biomasy. Możemy wyróżnić trzy główne metody mieszania: mechaniczne, hydrauliczne i pneumatyczne. Najbardziej rozpowszechnione jest mieszanie z użyciem pionowych, poziomych lub skośnych mieszadeł mechanicznych (rys. 2b). W przypadku zastosowania tomografii pojemnościowej do badania zawartości fermentatora posiada ograniczone zastosowanie ze względu na wprowadzoną do badanego środowiska niejednorodność, która stanowi znaczne utrudnienie w określeniu stanu biomasy. Drugą bardziej użyteczną metodą jest mieszanie hydrauliczne, w którym do mieszania zawartości fermentatora wykorzystuje się pompowaną biomasę (rys 2a). Ostatnią z wyżej wymienionych metod jest metoda mieszania pneumatyczne (rys. 2c), która wykorzystuje pompowany pod ciśnieniem w dolnej części reaktora fermentacyjnego biogaz. Mieszanie hydrauliczne oraz pneumatyczne nie wymagają montowania urządzeń wewnątrz fermentatora, a zatem nie wprowadzają punktowych zakłóceń do badanego obiektu, co korzystnie wpływa na jakość pomiarów tomograficznych.


Rys. 2. Mieszanie biomasy a) hydrauliczne, b) mechaniczne c) pneumatyczne

System sterowania

System sterowania biogazownią można zbudować w oparciu o dowolny sterownik przemysłowy PLC, odpowiednio rozbudowany o wyjścia i wejścia analogowe i cyfrowe. Wyjścia i wejścia powinny zapewniać takie parametry, jakich wymaga zastosowana w instalacji aparatura kontrolno-pomiarowa oraz wykonawcza, przy czym w większości przypadków zarówno producenci sterowników, czujników, jak również elementów wykonawczych dbają o to, aby ich urządzenia implementowały podstawowe sposoby komunikacji. Ze względu na fakt, że instalacje i infrastruktura biogazowni zazwyczaj znajdują się na dość rozległym terenie (kilkadziesiąt-kilkaset metrów), zastosowane sterowniki powinny umożliwiać rozproszenie systemu kontroli i sterowania, zapewniając jednocześnie zgodność urządzeń i możliwość komunikacji pomiędzy poszczególnymi podsystemami. Przy projektowaniu systemu warto również zadbać o możliwość komunikacji z systemami zewnętrznymi np. powiadamiania o awariach czy systemami kontroli lub zdalnego sterowania. W przypadku zastosowania tomografii pojemnościowej powinniśmy również uwzględnić możliwość automatycznego wykorzystania wyników pomiarów tomograficznych w procesie sterowania poszczególnymi elementami systemu. Szczególnym przykładem integracji z systemem zewnętrznym jest podłączenie generatora do lokalnej sieci dystrybucji energii, a co za tym idzie realizacja układów synchronizacji z siecią energetyczną, rejestrowanie ilości prądu wyprodukowanego, jak również, jeśli to konieczne wymiana tych informacji z systemami instytucji odbierającej energię elektryczną.
Dostarczanie surowców może być realizowane w sposób ciągły lub cykliczny, co kilka godzin. Ilość wprowadzanych substratów powinna wynikać ze składu chemicznego (proporcja C : N 100 : 3), hydraulicznego czasu retencji wynoszącego od 20 do 60 dni w zależności od zastosowanych substratów oraz obciążenia komory ładunkiem zanieczyszczeń, które zazwyczaj wynosi od 3,5 do 6 kg s.m.o/m3/dobę.


Rys. 3.Schemat blokowy systemu pomiarowego tomografii pojemnościowej

Tomografia pojemnościowa

Zastosowanie tomografii pojemnościowej w badaniu biomasy (rys. 3) umożliwia monitorowanie procesu w sposób nieinwazyjny. Porównanie wyników uzyskanych z badań tomograficznych z wynikami uzyskanymi za pomocą tradycyjnych badań laboratoryjnych pozwoli wyznaczyć cechy wskazujące na problemy z procesem fermentacji. Warunkiem wyznaczenia takich zależności jest przygotowanie odpowiedniej sondy tomograficznej lub zespołu sond, zastosowanie wystarczająco czułych urządzeń pomiarowych oraz zastosowanie algorytmów rekonstrukcyjnych umożliwiających monitorowanie zmian parametrów zawartości reaktora fermentacyjnego w sposób ciągły oraz wyznaczenie zależności pomiędzy wynikami pomiarów, a stanem faktycznym ustalonym na podstawie danych zebranych w badaniach laboratoryjnych. Informacja o rozkładzie współczynnika przenikalności uzyskiwana jest przez wielokrotny pomiar pojemności na powierzchni obiektu, przy zmiennym położeniu elektrod pobudzających. Podstawowym problemem jest ustalenie na drodze eksperymentalnej zależności rozkładu przenikalności przy znanej i określonej budowie wewnętrznej badanego elementu. Mierzone pojemności są rzędu femtofaradów, co wymaga specjalnych technik pomiarowych. System pomiarowy składa się z czujnika, specjalizowanej elektroniki do pomiaru pojemności oraz systemu rekonstrukcji. Obecnie do rekonstrukcji najwygodniej jest zastosować komputer klasy PC. Elektryczna Tomografia Pojemnościowa umożliwia obserwację zachodzących zjawisk fizycznych i chemicznych bez potrzeby wnikania w ich wnętrze. Źródłem informacji są pojemności elektryczne pomiędzy elektrodami umieszczonymi na obwodzie czujnika pomiarowego. Na podstawie zebranych pomiarów pojemności elektrycznej – rozwiązując problem odwrotny dla pola elektrycznego, można uzyskać obraz rozkładu przenikalności elektrycznej wewnątrz obszaru czujnika pomiarowego. Bardzo ważną cechą pomiaru w przypadku Elektrycznej Tomografii Pojemnościowej jest brak konieczności fizycznej interakcji czujnika z badanym medium, dzięki czemu metoda ta jest bezinwazyjna; nie zaburza odbywającego się procesu przemysłowego. Inną zaletą tej techniki pomiarowej jest duża szybkość zbierania danych pomiarowych. Weryfikacja uzyskanych wyników zostanie przeprowadzona poprzez porównanie wyników symulacji z wynikami analizy analitycznej dla zestawu danych testowych. Mierzalnym efektem zadania będzie utworzony działający model symulacyjny, który pozwoli na dalsze badania w kierunku zastosowań praktycznych.

Podsumowanie

Wykorzystanie tomografii pojemnościowej w badaniu stanu fermentującej biomasy powinno przynieść korzyści w postaci większej ilości informacji na temat bieżącego stanu procesu fermentacji. Informacje te dostępne w sposób ciągły, będą mogły być wykorzystane w systemach sterowania biogazownią, a zatem przyczynią się do zwiększenia jej wydajności. Niestety ze względu na przedstawione w dokumencie problemy zaimplementowania tomografu pojemnościowego w istniejącej i pracującej biogazowni może okazać się trudne lub niemożliwe do realizacji, dlatego należy poszukiwać takich rozwiązań technologicznych, które spowodują, że wykorzystanie tomografii pojemnościowej w tej dziedzinie gospodarki stanie się możliwe. Implementacja tomografu pojemnościowego powinna zacząć się już na etapie projektowania biogazowni i procesu produkcyjnego, jednak ze względu na znaczące koszty takiej inwestycji, należy wcześniej przeprowadzić stosowne próby na modelach lub instalacjach doświadczalnych. Przewiduje się przeprowadzenie następujących prac w kilku obszarach: badania możliwości integracji przemysłowych systemów sterowania z tomografem pojemnościowym, badania tomograficznego biomasy w różnych stadiach fermentacji oraz badania możliwości budowy sondy pomiarowej dostosowanej rozmiarami i konstrukcją do przemysłowych reaktorów fermentacyjnych.
Projekt współfinansowany ze środków Unii Europejskiej.

Zapisz

Zapisz