kilka refleksji o wykorzystaniu modeli matematycznych w symulacji ...

More documents

Recommendations

Info

198 (jakkolwiek istotnej) i niedostatecznie względem pozostałych (Melcer i in., 2003). W większości zastosowań modeli rodziny ASM występuje konieczność ich kalibracji, a więc dostosowania ich parametrów (kinetycznych i stechiometrycznych) oraz określenia stężenia poszczególnych frakcji zanieczyszczeń określonych w modelu w ściekach nieoczyszczonych oraz właściwości osadu do specyficznych warunków panujących w danym rzeczywistym systemie osadu czynnego. Czynność ta określana jest mianem kalibracji modelu biokinetycznego. Przeprowadzenie kalibracji polega zazwyczaj na wykonaniu pomiarów w obiekcie skali technicznej oraz dodatkowo w skali laboratoryjnej lub pilotażowej w celu wyznaczenia odpowiednich parametrów i wskaźników (Weijers i Vanrolleghem, 1997). PRZEZNACZENIE SKALIBROWANEGO MODELU DETERMINUJE METODYKĘ JEGO KALIBRACJI Określając przebieg i metodykę kalibracji należy wziąć pod uwagę planowany zakres i cel zastosowania skalibrowanego modelu oraz wymagany zbiór wyników symulacji. Czynność ta, choć może wydawać się mało istotna, ma znaczący wpływ na sposób przeprowadzenia procesu kalibracji (Langergraber i in., 2004). Dokładność i zakres kalibracji zależy od oczekiwanych zdolności prognostycznych modelu i może znacznie się różnić w zależności od postawionych celów, doświadczenia i wiedzy przeprowadzających ją osób oraz dostępnych środków. Głównym celem modelowania i symulacji procesów oczyszczania ścieków mogą być: • Rozwiązywanie problemów eksploatacyjnych, opracowywanie strategii sterowania pracy urządzeń, przewidywanie odpowiedzi układu na różne warunki prowadzenia procesu („co by było gdyby?”); • Zwiększenie efektywności usuwania zanieczyszczeń w świetle wymagań określonych prawem; • Tworzenie systemu kontroli procesów oczyszczania ścieków opartego na modelu oczyszczalni; • Wspomaganie projektowania oczyszczalni; • Szkolenie studentów i eksploatatorów oczyszczalni ścieków. Konieczny stopień uszczegółowienia modelu, zakres i jakość danych (zwłaszcza częstotliwość pomiarów) nie są jednakowe dla wymienionych powyżej celów. Najwyższy stopień specyfikacji modelu wymagany jest dla określenia strategii kontroli procesów. Podejmując decyzję o zakresie i metodach kalibracji należy również wziąć pod uwagę budżet i termin wykonania projektu (Vanrolleghem i in., 2003). MODELOWANIE i SYMULACJA WYMAGAJĄ DANYCH Ze względu na źródło pochodzenia dane wymagane do przeprowadzenia kalibracji modelu można podzielić na następujące kategorie: Dane literaturowe (domyślne) i założenia są podstawowym źródłem informacji, gdy dane konstrukcyjne i eksploatacyjne rzeczywistego systemu są niedostępne lub ograniczone. Sytuacja ta ma zwłaszcza miejsce podczas tworzenia modelu obiektu projektowanego lub hipotetycznego. Dane określające właściwości typowych ścieków oraz typowe wartości współczynników stechiometrycznych i kinetycznych modeli dostępne są w literaturze (np. w Henze i in., 2000 dla modeli ASM). Istotnym źródłem informacji mogą być wyniki modelowania oczyszczalni znajdujących się w tej samej strefie geograficznej. Jakkolwiek dane literaturowe wykorzystywane podczas modelowania powinny być traktowane z ostrożnością i inżynierską rozwagą, należy być świadomym, że uzyskano je (zwłaszcza w przypadku najpopularniejszych modeli jak np. ASM) w trakcie licznych symulacji i kalibracji modeli oraz w wyniku dodatkowych doświadczeń. Z tego względu wykorzystanie racjonalnie dobranych domyślnych wartości parametrów pozwala prognozować zachowanie systemu w sposób dokładniejszy, niż byłoby to możliwe przy użyciu tradycyjnych metod (wg wytycznych, podręczników, norm) (Melcer i in., 2003). Dane pochodzące z układu rzeczywistego najczęściej są niewystarczające do modelowania, jednak mogą posłużyć do wstępnej kalibracji modelu. Można je podzielić na dane konstrukcyjne i eksploatacyjne. Źródłem danych konstrukcyjnych jest dokumentacja projektowa obiektu. Natomiast dane eksploatacyjne to: • Dane archiwalne z rozpatrywanego obiektu zawierające wyniki pomiarów i analiz prowadzonych rutynowo w danym obiekcie (dzienniki laboratoryjne, system SCADA) oraz dokumentacja projektowa;
• Wyniki pomiarów on-line; • Wielkości niemierzone, wyznaczone na podstawie bilansu masy; • Wyniki pomiarów wykonanych dodatkowo w danym obiekcie w celu uzupełnienia danych koniecznych do przeprowadzenia kalibracji modelu danej oczyszczalni ścieków (Petersen, 2000). Wyniki badań prowadzonych na laboratoryjnym fizycznym modelu układu rzeczywistego umożliwiają wyznaczenie wartości wybranych parametrów modelu (na podstawie analizy czułości), jak również frakcji związków organicznych i azotu w dopływie. Zaletą badań laboratoryjnych jest możliwość kontroli większości aspektów procesu, co pozwala ograniczyć liczbę pobieranych prób. W układach laboratoryjnych niekorzystnym zjawiskiem, poddającym w wątpliwość jakość uzyskanych wyników, jest uzyskanie osadu o biocenozie różnej niż w skali technicznej (Melcer et al., 2003). W większości przypadków surowe dane zebrane w obiekcie wymagają obróbki. Należy zweryfikować procedury pobierania prób oraz uwzględnić ich specyfikę podczas analizy danych. Należy sprawdzić miejsce poboru prób tj. czy jest ono reprezentatywne dla procesu (dobrze wymieszane), czy postępowano wg metod standardowych (np. utrwalanie prób) i czy analizy są powtarzalne (Melcer et al., 2003). KONFIGURACJA MODELU ANALIZOWANEGO SYSTEMU Znając cel i zakres symulacji możliwe jest utworzenie wstępnej konfiguracji modelu analizowanego obiektu. Cel i planowany zestaw danych wyjściowych (wyników symulacji) określają zakres procesów, które powinny być zawarte w modelu obiektu. Modelowanie całej oczyszczalni nie jest konieczne, jeśli celem symulacji jest zbadanie pewnego fragmentu obiektu. Najczęściej modelowaniu i symulacji podlega proces osadu czynnego, włączając proces separacji zawiesin w osadnikach wtórnych, lecz z pominięciem np. ciągu przeróbki osadów oraz osadnika wstępnego (Hulsbeek i in., 2002). Należy jednak pamiętać, aby uwzględnić w modelu wszystkie strumienie mające wpływ na działanie systemu podlegającemu symulacji, np. strumień wód nadosadowych w przypadku modelowania procesu osadu czynnego. Korzystając z dostępnych danych konstrukcyjnych i eksploatacyjnych należy przeprowadzić analizę systemu mającą na celu określenie granic 199 modelu, z wyszczególnieniem podsystemów i obiektów/urządzeń oraz zachodzących między nimi zależności (np. transfer masy i energii lub sygnały regulacyjne). Wstępny etap budowy modelu systemu polega na jego dokładnej analizie m.in. określeniem zakresu modelu i jego składników: podsystemów, urządzeń i procesów i ich współzależności (przepływ masy, energii, objętości i sygnałów regulacyjnych) (Langergraber i in. 2004). Vanrolleghem w modelu sytemu osadu czynnego wyróżnił trzy grupy modeli: model transferu masy (hydrauliczny i transferu tlenu), model sedymentacji i model przemian biochemicznych (Vanrolleghem i in. 2003). Stopień dokładności opisu właściwości hydraulicznych systemu zależy od celu pracy i konfiguracji urządzeń systemu. Na podstawie właściwości hydrodynamicznych komory osadu czynnego mogą być modelowane za pomocą: pojedynczego modelu reaktora o pełnym wymieszaniu, szeregu lub rozbudowanego układu modeli tego typu (Langergraber i in., 2004). Określenie charakterystyki transferu tlenu polega na wyznaczeniu efektywności transportu tlenu (KLa) z uwzględnieniem czynników eksploatacyjnych i biochemicznych (np. temperatura, zasolenie). W przeciągu dwóch ostatnich dekad opracowano różnorodne metody wyznaczania współczynnika KLa. Dodatkowo warto zauważyć, że dane określające dzienne zużycie energii elektrycznej przez dmuchawy oraz informacje udostępnione przez producenta/ów systemu napowietrzania mogą mieć znaczenie podczas wyznaczania KLa (Vanrolleghem i in., 2003). Wybór modelu osadnika (wstępnego, pośredniego lub wtórnego), podobnie jak w przypadku modelu biochemicznego, zależy od celu projektu. Szczegółowy opis działania osadnika jest konieczny, jeśli ma ono znaczący wpływ na zachowanie całego systemu, np. na wartość ChZT oraz stężenie N i P w ściekach oczyszczonych lub jeśli celem symulacji jest optymalizacja pracy osadnika (np. obniżenie zawartości zawiesiny w odpływie z urządzenia). Ważnym źródłem informacji na temat procesów zachodzących w osadniku są wyniki doświadczeń prowadzonych w skali technicznej i laboratoryjnej, opisane przykładowo w pracach Daigger i Roper (1986) oraz Ekama i Marais (1986). W modelu oczyszczalni powinny zostać uwzględnione procesy biochemiczne mogące zachodzić w osadniku. Istnieje szereg modeli matematycznych procesów biochemicznych zachodzących
Page 1 and 2: KILKA REFLEKSJI O WYKORZYSTANIU MOD
Page 3: PROGRAMY SYMULACYJNE UMOŻLIWIJĄ W
Page 7 and 8: KTÓRE PARAMETRY MODELU NALEŻY ZMI
Page 9 and 10: DOLD, P., EKAMA, G.A., MARAIS, G.V.

kilka refleksji o wykorzystaniu modeli matematycznych w symulacji ...

Create successful ePaper yourself

Delete template?

Save as template?