Modernizacja zakładu wodociągów i kanalizacji w Szczecinie

Zakład Wodociągów i Kanalizacji Sp. z o.o. w Szczecinie eksploatuje 830 km sieci kanalizacyjnej i 1100 km sieci wodociągowej, w jego skład wchodzi 8 zakładów produkcji wody. W celu poprawy jakości wody przeznaczonej do picia przedsiębiorstwo zrealizowało szereg modernizacji oraz wybudowało nową stację filtrów na złożu węgla aktywnego w Zakładzie Produkcji Wody „Miedwie” – największym z należących do firmy obiektów tego typu i zarazem podstawowym źródle wody dla Szczecina. Zakład powstał na początku lat siedemdziesiątych, wydajność ujęcia wynosi około 100 tys. m3.

Nowopowstała stacja filtrów została wyposażona w nowoczesny system automatyki, w którym kluczową rolę pełni aplikacja Wonderware Application Server. Jest to system SCADA oparty na architekturze Wonderware Archestra. Poszczególne etapy wykonywane są w różnych obiektach, których praca została zoptymalizowana przy wykorzystaniu dostarczonego oprogramowania

Etapy pozyskiwania i uzdatniania wody Proces pozyskiwania i uzdatniania wody składa się z kilku etapów: Czerpanie i pompowanie wody z jeziora Miedwie (pompownia P1) Utlenianie wstępne – ozonowanie Koagulacja i sedymentacja Filtracja pospieszna – złoże antracytowo-piaskowe Ozonowanie pośrednie Adsorpcja na filtrach węglowych Dezynfekcja dwutlenkiem chloru

Etap pierwszy - filtry piaskowe

Jednym z elementów ciągu technologicznego uzdatniania wody powierzchniowej z jeziora Miedwie w Zakładzie Produkcji Wody „Miedwie” ZWiK Szczecin, są filtry pospieszne. Woda filtrowana jest przez 12 takich filtrów, które są otwarte, o powierzchni 36m2 każdy i mogą łącznie pracować z wydajnością 100 tys. m3/dobę. Filtry oddane do użytku w 1976 r. pracowały nieprzerwanie do czasu modernizacji w 2001 roku, podlegając jedynie bieżącym naprawom i konserwacjom. Modernizacja i kapitalny remont był konieczny z uwagi na pogarszający się stan techniczny, a jego celem było zarówno radykalne poprawienie stanu technicznego, ale też unowocześnienie obsługi filtrów poprzez zastosowanie monitoringu pracy i zautomatyzowanie ich obsługi. W efekcie uzyskano poprawę jakości filtrowanej wody i oszczędności płynące z automatyzacji procesów płukania. Zastosowano również złoża dwuwarstwowe, co pozwoliło uzyskać krótszy okres płukania z wykorzystaniem mniejszej ilości wody.

Zakres remontu i modernizacji filtrów piaskowych obejmował:

• remont komór filtracyjnych,
• remont ogólny hali filtrów,
• wymiana istniejącego złożą filtracyjnego na złoże dwuwarstwowe,
• wymiana części rurociągów technologicznych,
• wymiana armatury,
• wprowadzenie monitorowania pracy filtrów,
• automatyzację obsługi filtrów.

Rys. 1. Infrastruktura budynku filtrów węglowych

Rys. 2. Schemat poglądowy instalacji sterowania

Dotychczas złożem filtracyjnym był piasek kwarcowy o granulacji 0,6÷1,8mm, po modernizacji zastosowano złoże dwuwarstwowe antracytowo-piaskowe. Składają się na nie warstwa piasku kwarcowego 0,6÷1,4mm o wysokości 0,7m oraz warstwa antracytu 1,2÷3,0mm o wysokości 0,6m. W wyniku zmiany złoża wydłużono filtrację z 24h do 4÷5 dób, a co za tym idzie, zmniejszono pięciokrotnie ilość wody potrzebną do płukania (do około 400m3/dzień).

Remont filtrów obejmował naprawę płyt drenażowych wraz z wymianą dysz filtracyjnych (1600 szt./filtr). Zastosowano dysze grzybkowe, szczelinowe, z tworzywa sztucznego polskiej produkcji. Remontowi poddano komory filtracyjne i koryta przelewowe wymieniając powłoki na nowe, stosując produkty firm Arizoro, oraz częściowo wykładając ściany kafelkami. Dokonano również wymiany części rurociągów i całości armatury. Istniejące zasuwy wymieniono na przepustnice z napędami elektrycznymi firmy Auma. Na rurociągach technologicznych filtrów zamontowano przepływomierze dla kontroli ilości wody do płukania i wydajności filtrów oraz urządzenia pomiarowe do analityki wody. Modernizacja systemu obsługi pracy filtrów polegała na wprowadzeniu elementów monitoringu i automatyki umożliwiające zdalną kontrolę pracy filtrów.

W zakresie automatyzacji wykonano instalacje pozwalające na:

• kontrole przepływów i poziomów wody w filtrach,
• zdalne sterowanie płukania filtrów,
• zdalne operacje na przepustnicach na rurociągach technologicznych filtrów,
• sygnalizowanie poziomu oraz przetwarzanie różnicy ciśnień,
• pomiar ilości przepływającego powietrza,
• automatyczne sterowanie dmuchawami powietrza, pompami płuczącymi i przepustnicami.

Rys. 3. Instalacja w przepompowni

Rys. 4. Przepompownia pośrednia i zbiorniki ozonowania

Instalacja została zaprojektowana do pracy w trybie w pełni automatycznym realizowanym i nadzorowanym przez sterowniki programowalne GE Fanuc i system SCADA firmy Wonderware. Obowiązki obsługi sprowadzają się obecnie do akceptacji terminu płukania filtrów, nadzoru nad poprawnością filtrowania i płukania, kontroli parametrów pracy oraz konserwacji urządzeń.

Nadzór systemu

Omawiany system jest sterowany i nadzorowany przez sterowniki PLC GE Fanuc 90-30 z jednostkami centralnymi CPU363 oraz dotykowymi panelami operatorskimi QuickPanel. W przyjętym rozwiązaniu jeden sterownik obsługuje dwa filtry. Ponadto zastosowano sterownik do obsługi części wspólnej filtrów oraz do sterowania układami pomp wody płuczącej i dmuchaw. System składa się w sumie z 7 sterowników połączonych magistralą SNP ze stacją operatorską SO#1 znajdująca się w dyspozytorni.

Wizualizacja pracy filtrów wykonana została w oparciu o pakiet do sterowania i wizualizacji InTouch. Stacja operatorska realizuje funkcje kontroli, regulacji i nadzoru pracy instalacji, alarmowania dźwiękowego w przypadku nienormalnego działania, rejestracji działania podłączonych elementów oraz pozwala na przeprowadzanie obliczeń na zebranych danych. Ponadto pozwala ona na magazynowanie zbieranych danych w celu ich dalszego przetwarzania i prezentacji, wizualizację bieżącego stanu instalacji technologicznej, rejestrację czasu pracy każdego podłączonego do systemu silnika oraz zapis parametrów technologicznych. System umożliwia dokonywanie zmian wartości zadanych oraz prezentację wykresów i drukowanie alarmów.

Poszczególne filtry oraz urządzenia wspólne dla wszystkich filtrów, takie jak pompy, dmuchawy i część przepustnic mogą być również sterowane ręcznie z poziomu paneli operatorskich zainstalowanych przy poszczególnych sterownikach. Całość prac przy tej części instalacji została wykonana w latach 2001-2003, generalnym wykonawcą była firma ZUR Perfect Service, a wykonawcą systemu automatyki dla filtrów firma Meracomp.

System zasilania

Kolejny etap modernizacji ZPW Miedwie dotyczył bloku zasilania energetycznego o mocy 15kV. Projekt wykonano w 2004 roku, zrealizowano rok później, a generalnym wykonawcą modernizacji była firma ABB, natomiast wykonawcą systemu automatyki – Meracomp.

Rozdzielnię DLP 17, 20-polową dostarczyła Elektrobudowa, a jako sterownik pola zastosowano mikroprocesorowe przekaźniki Areva Micom P139 i Micom P922 oraz przekaźniki SO5403 firmy Micronica. Całością steruje urządzenie PLC GE Fanuc 90-30, przy czym komunikacja między sterownikiem, a urządzeniami wykonawczymi odbywa się za pomocą protokołu komunikacyjnego Modbus. Sterowanie zdalne rozdzielnią 15kV wykonywane jest według specjalnie przygotowanych procedur dla każdej operacji załączenia, wyłączenia i przełączenia.

Zmodernizowany komputerowy system sterowania złożony jest z trzech stacji operatorskich: SO#1 – zlokalizowanej w dyspozytorni budynku filtrów oraz SO#2 i SO#3, które umieszczone zostały w budynku biurowym. Na stacjach operatorskich SO#1 i SO#2 uruchomione jest oprogramowanie wizualizacyjne InTouch, które realizuje zadania podglądu pracy i sterowania układem technologicznym ZPW Miedwie oraz podglądu i sterowania pracą zainstalowanych na obiekcie urządzeń energetycznych rozdzielnicy 15kV i 0,4kV. Dodatkowo na dwóch pierwszych stacjach zainstalowano oprogramowanie ActiveFactory, które stanowi pakiet narzędzi przeznaczonych do raportowania i analizy danych z bazy Wonderware Historian. Baza ta działa na stacji operatorskiej SO# i umożliwia ona gromadzenie i wygodne zarządzanie informacją procesową oraz danymi ekonomicznymi ze wszystkich aplikacji równocześnie.

Ponadto monitorowane są wszystkie niezbędne parametry w instalacji elektroenergetycznej 15kV i 0,4kV takie jak: pobór mocy czynnej, biernej i chwilowej, pomiar prądów i napięć dla każdego zasilania i fazy, pomiary energii, pomiary częstotliwości, cosφ itd. Wszystkie parametry mierzone w polach pomiarowych są archiwizowane w bazie danych i służą do analizowania obciążeń poszczególnych linii zasilania, transformatorów i chwilowego poboru mocy – zwłaszcza w kontekście zamawiania mocy. Wszystkie trzy stacje operatorskie połączone są ze sobą siecią Ethernet.

Rys. 5. Sterowanie w ozonowni

Rys. 6. System sterowania filtrami

Filtry węglowe

W 2004 przedsiębiorstwo podjęło decyzję o budowie nowej stacji filtrów na złożu węgla aktywnego w ZPW „Miedwie”. Linia technologiczna filtrów węglowych obsługuje następujące etapy uzdatniania:

• dostarczanie wody wstępnie filtrowanej i pompowanie pośrednie,
• końcowe ozonowanie w dwóch komorach do utleniania,
• adsorpcja w filtrach z granulowanym węglem aktywnym,
• przesył do zbiorników wody uzdatnionej.

Rys. 7. Sterowanie instalacją uzdatniania wody

Proces uzdatniania przebiega grawitacyjnie od istniejących filtrów piaskowo-antracytowych do pompowni pośredniej.

Pompownia pośrednia

Pompownia zawiera trzy pompy, z czego dwie zawsze pracują, a jedna pełni funkcję rezerwową. Ponadto do pompowni zalicza się jedną rurę tłoczną do zbiorników kontaktowych ozonowania. Pompy wyposażone są w silniki elektryczne o zmiennej prędkości, co umożliwia im pracę przy różnych natężeniach przepływu, zależnie od napływu wody wstępnie przefiltrowanej. Regulacja prędkości silników pomp umożliwia regulację poziomu zbiornika pompowni pośredniej, którego łączna pojemność wynosi 1350m2. Czas retencji to 15 minut przy 5400m3/h.

W celu zapewnienia powyżej wydajności przy najniższym poziomie, pompy zostały zaprojektowane dla wydajności nominalnej 2700m3/h przy około 11 metrów wysokości podnoszenia. Zastosowano pompy typu poziomego ze sprzęgłem wału dostosowanym do suchej instalacji silnika elektrycznego. Silniki będą sterowane za pomocą układu zmiany prędkości w celu dostosowania natężenia przepływu w zakresie od 2000 do 5400m3/h.

Końcowy stopień ozonowania

Główny stopień ozonowania spełnia trzy funkcje, jakimi są dezynfekcja, utlenianie pozostałej materii organicznej i ewentualna redukcja pestycydów. Ozonowanie jest realizowane za pomocą dwóch linii technologicznych. Każda z nich jest wyposażona w komorę kontaktową z dwoma przedziałami ozonowania. Zdaniem pierwszej komory jest nasycenie ozonem do odpowiedniego poziomu. Druga zapewnia wystarczający czas kontaktu dla usunięcia wirusów i bakterii oraz utlenienia mikrozanieczyszczeń.

Filtry z granulowanym węglem aktywnym

Ostatnim elementem ciągu technologicznego uzdatniania wody w ZPW Miedwie jest zespół filtrów z granulowanym węglem aktywnym (GWA). Adsorpcja na węglu aktywnym zapewnia redukcję pestycydów, redukcję materii organicznej i usunięcie smaku, zapachu oraz mikrozanieczyszczeń.

Stopień uzdatniania GWA składa się z baterii filtrów zawierających 8 komór typu Degremont Carbazur GH. Działają one za zasadzie grawitacyjnej, a ich medium filtracyjnym jest granulat węgla aktywnego. Każdy filtr ma jednostkową powierzchnię 67,92m2, co odpowiada natężeniu filtracji 7,66m/h. Na wlocie baterii filtrów, strumień wody jest równomiernie rozkładany po to, aby każdy filtr uzdatniał tę samą objętość cieczy. Głębokość złoża granulatu węgla aktywnego wynosi 2,6m, co odpowiada obciążeniu złoża zbliżonemu do 3 objętości wody na objętość węgla na godzinę, czyli 20 minutom czasu kontaktu przy projektowym natężeniu przepływu: 4,167m3/h.

Automatyka i system SCADA

System automatyki opiera się na lokalnych sterownikach PLC z panelem operatorskim, podłączonych do sterownika głównego Siemens S7 414-2. Zarządza on elementami wspólnymi dla wszystkich filtrów, pracą pomp pośrednich, dmuchaw powietrza, pomp wody płuczącej, pomp do dezynfekcji oraz rozdzielnią 0,4kV.

Występująca w procesie technologicznym filtrów węglowych instalacja ozonowania jest wyposażona we własne sterowniki S7 313 nadzorujące proces ozonowania, które są również podłączone do głównego sterownika. Poszczególne filtry oraz urządzenia wspólne dla wszystkich filtrów, pompy dmuchawy, ozonowanie mogą być sterowane miejscowo z poziomu paneli operatorskich zainstalowanych przy poszczególnych sterownikach. W praktyce proces ten odbywa się automatycznie. Kluczową rolę w tym zakresie spełnia aplikacja Application Server pełniąca rolę systemu SCADA opartego na architekturze Wonderware Archestra.

Cechy SCADA

System SCADA cechuje się czteroma poziomami bezpieczeństwa i dostępu. Jego zadaniem jest:

• ciągłe monitorowanie i sterowanie procesem,
• zmiana parametrów instalacji,
• nadzór nad alarmami istniejącymi i historycznymi,
• raportowanie,
• monitorowanie poszczególnych urządzeń występujących w procesie.

Stacje operatorskie pracują redundantnie, na każdej z nich działa oprogramowanie wizualizacyjne InTouch, co pozwala na równoległa pracę na dwóch stanowiskach. Obiekty aplikacji przemysłowej Wonderware Application Server oraz komunikacja z głównym sterownikiem systemu wykonują się tylko na jednej ze stacji, a w przypadku jej awarii wykonywanie logiki aplikacji i komunikacja ze sterownikiem PLC przełączane są automatycznie na drugą stację, zapewniając ciągłość pracy obsługi z systemem. Komunikacja ze sterownikiem głównym odbywa się za pomocą serwera komunikacyjnego SIDirect, a sterownik ten obsługuje pozostałe podrzędne sterowniki PLC w systemie. Wizualizacja stacji filtrów składa się z 21 ekranów głównych, czyli przedstawiających obraz całej technologii, ekran alarmów oraz ekran nastaw.

Na jednej ze stacji pracuje także przemysłowa baza danych Wonderware Historian, do której dostęp poprzez pakiet analityczno-raportowy ActiveFactory mają obydwie stacje operatorskie. Wysoką niezawodność systemu zapewnia funkcja redundancji dostępna w oprogramowaniu Application Server.

Generalnym wykonawcą inwestycji było konsorcjum firm Degremont i Energopol, a wykonawcą systemu automatyki firma Mercomp Szczecin. Głównym autorem systemu wizualizacji jest inż. Marcin Gałek. Prace przy budowie filtrów zostały zakończone w grudniu 2006 roku, rozruch technologiczny zakończony został w połowie czerwca tego roku. Licencje oprogramowania Wonderware Application Server dostarczył jego polski dystrybutor, firma Astor. Cała inwestycja, której wartość wyniosła 10,8 mln euro, została sfinansowana przy udziale środków z funduszu spójności Unii Europejskiej.

Mariusz Patyk, Maciej Jutrzenka-Trzebiatowski

Zakład Wodociągów i Kanalizacji Sp. z o.o. w Szczecinie