Contribución al modelado e implementación de un control avanzado para un proceso de cloración de una estación de tratamiento de agua potable

Abstract

The effective disinfection in chlorination tanks of drinking water treatment plants depends on many factors that must be taken into account when designing a suitable control system. The chemical characteristics of the water to be treated, the possible flow disturbances or the contact time of the chlorine with the outgoing water must be taken into account in order to establish a control strategy that contemplates adaptation to the different possible scenarios. An excessive dosage of chlorine, or on the other hand a deficit in the dose, may lead to a legal failure to comply with the existing regulations that establish obligatory limit values. Likewise, an overdose generates an unnecessary expenditure of chlorine and, as a collateral effect, problems due to an increase in the maximum values allowed for by-products such as trihalomethanes. The contribution of the present work regarding chlorination in drinking water treatment tanks is divided into two areas: simulation and control. The studies and field work have been carried out on one of the largest drinking water treatment plants in southern Europe. The design and implementation of a simulator has made it possible to reproduce the behaviour of the system to test the proposed controller without the need to interfere in the production process, thus avoiding possible effects on the supply. The control implemented at the Plant is based on a control advance that compensates the disturbance of ammonium and other compounds and a feedback with planned gains depending on the flow rate and the temperature and origin of the water to be treated. The two control blocks (feedforward and feedback) are supervised by a diffuse system that, depending on the characteristics of the water to be treated, combines a control feedforward with a gains planning on a PI control.The simulation and experimental results obtained have been validated with real plant data from the Supervision System database. The control presented in this work has been integrated into the current Plant Control System. The results obtained, apart from being satisfactory, have allowed the Plant Control Room operator to move from the role of Process Control to that of Supervision of the Chlorination Process.

La desinfección efectiva en depósitos de cloración de Estaciones de Tratamiento de Agua Potable, depende de numerosos factores que hay que tener en cuenta a la hora de diseñar un sistema de control adecuado. Las características químicas del agua a tratar, las posibles perturbaciones de caudal o el tiempo de contacto del cloro con el agua de salida se deberán tener en cuenta para establecer una estrategia de control que contemple la adaptación a los diferentes posibles escenarios. Una dosificación excesiva de cloro o por el contrario un déficit en la dosis, puede incurrir en un incumplimiento legal de la normativa existente que fija unos valores límites de obligado cumplimiento. Así mismo, una sobredosificación genera un gasto innecesario de cloro y de forma colateral problemas por un incremento en los valores máximos permitidos de subproductos como los trihalometanos. La contribución del presente trabajo respecto a la cloración en depósitos de tratamiento de agua potable se divide en dos ámbitos: la simulación y el control. Los estudios y trabajos en campo se han realizado sobre una Estación de Tratamiento de Agua Portable de las más grandes del sur de Europa. El diseño y la implementación de un simulador ha permitido reproducir el comportamiento del sistema para testear el controlador propuesto sin necesidad de interferir en el proceso productivo, evitando así posibles afectaciones en el suministro. El control que se ha implementado en la Planta está basado en un avance del control que compensa la perturbación del amonio y otros compuestos y una realimentación con ganancias planificadas en función del caudal , la temperatura y el origen del agua a tratar. Los dos bloques de control (avance y realimentación) son supervisados por un sistema difuso que, en función de las características del agua a tratar, combina un avance del control (feedforward) junto a una planificación de ganancias sobre un control PI. Los resultados de simulación y experimentales obtenidos han sido validados con datos reales de Planta a partir de la base de datos del Sistema de Supervisión. El control presentado en este trabajo ha sido integrado en el actual Sistema de Control de la Planta. Los resultados obtenidos además de ser satisfactorios han permitido al técnico de la Sala de Control de Planta pasar del rol de Control del Proceso, al de Supervisión del Proceso de Cloración.