Biogazownia, która sama reaguje na awarie. Operator może sterować nią ze telefona

Zdjęcie: Biogazownia, która sama reaguje na awarie. Operator może sterować nią ze smartfona

Nowoczesna biogazownia coraz mniej przypomina instalację, której pracę operator musi nieustannie kontrolować na miejscu. Setki odczytów z czujników trafiają do systemów sterowania, automatyka może w ułamku sekundy reagować na niebezpieczne zdarzenia, a o problemie obsługa dowiaduje się przez SMS lub powiadomienie. Coraz większą rolę odgrywa również sztuczna inteligencja – potrafi analizować proces fermentacji, a choćby obraz z kamer umieszczonych wewnątrz fermentora.

Biogazownia pracuje przez całą dobę. Człowiek nie musi wszystkiego pilnować

Produkcja biogazu opiera się na procesie biologicznym, który wymaga utrzymywania odpowiednich warunków przez całą dobę. Temperatura, pH, ciśnienie, poziom substratu czy skład powstającego gazu nie mogą być pozostawione bez kontroli.

W nowoczesnych instalacjach coraz większą część tej pracy wykonuje automatyka. Sieć czujników dostarcza informacje do sterowników PLC, które analizują aktualną sytuację i odpowiednio sterują urządzeniami. Systemy SCADA pozwalają natomiast obserwować przebieg procesu w czasie rzeczywistym, generować wykresy oraz uzyskiwać zdalny dostęp do instalacji.

Automatyzacja obejmuje także dozowanie substratu. Algorytmy mogą określać ilość podawanego wsadu na podstawie jego gęstości i składu, a jednocześnie koordynować pracę jednostki kogeneracyjnej oraz pochodni.

Czujniki pilnują choćby bakterii

Sercem biogazowni jest fermentacja beztlenowa. Proces przebiega w kilku etapach, a zachwianie równowagi pomiędzy poszczególnymi grupami mikroorganizmów może doprowadzić do problemów z produkcją biogazu. Właśnie tutaj ogromne znaczenie mają dane. Czujniki kontrolują stężenie metanu i dwutlenku węgla, temperaturę, ciśnienie oraz poziom cieczy. Sondy pH pomagają wykryć zmiany środowiska fermentacji.

System może również wykorzystywać informacje o współczynniku FOS/TAC, który pozwala ocenić relację między zawartością lotnych kwasów organicznych a zdolnością środowiska do ich neutralizacji. jeżeli parametry wskazują na ryzyko zakwaszenia, sterownik może ograniczyć lub całkowicie wstrzymać podawanie kolejnej porcji substratu. Co ciekawe, jednym z bardzo wczesnych sygnałów ostrzegawczych może być zmiana poziomu wodoru w gazie resztkowym. System może dzięki temu otrzymać informację o problemie jeszcze przed wyraźną zmianą pH czy spadkiem udziału metanu.

Systemy sterowania pozwalają operatorowi na bieżąco kontrolować najważniejsze parametry pracy biogazowni i gwałtownie reagować na pojawiające się nieprawidłowości. Fot. D. Tomaszewski

Na niektóre zagrożenia system reaguje w mniej niż sekundę

Automatyzacja biogazowni nie służy wyłącznie zwiększaniu wydajności. Jednym z jej najważniejszych zadań jest bezpieczeństwo.

W przypadku zdarzeń krytycznych system nie może czekać na reakcję człowieka. Według opisanego w materiale modelu zabezpieczeń część sytuacji może wymagać działania w czasie krótszym niż jedna sekunda. jeżeli ciśnienie gazu przekroczy wartość krytyczną, automatyka może uruchomić odpowiednie zabezpieczenia i pochodnię, aby odprowadzić nadmiar gazu.

Podobnie wygląda reakcja na wykrycie niebezpiecznego wycieku. Czujniki mogą uruchomić wentylację awaryjną, zamknąć odpowiednie zawory i odłączyć urządzenia, których dalsza praca mogłaby zwiększać zagrożenie.

Mieszadło się zablokowało? System może próbować poradzić sobie sam

Nie każda awaria wymaga natychmiastowego zatrzymania całej instalacji. Automatyka może reagować również na problemy technologiczne pojawiające się podczas normalnej pracy.

Przykładem jest przeciążenie mieszadła. Wzrost poboru prądu lub momentu obrotowego może wskazywać na powstanie kożucha albo zablokowanie wirnika. Sterownik może wówczas zmienić kierunek obrotów. o ile to nie pomoże, urządzenie zostaje wyłączone, a system może uruchomić mieszadło zapasowe.

Podobnie może wyglądać reakcja na sygnały świadczące o problemach z fermentacją. jeżeli parametry wskazują na ryzyko zakwaszenia, automatyka może zatrzymać podajniki i pompy dostarczające kolejne porcje wsadu.

Alarm trafia prosto na telefon

Dopiero gdy automatyka wykona zaprogramowane działania zabezpieczające, do procesu włącza się człowiek. System SCADA może wysłać technikowi lub serwisantowi wiadomość z informacją o konkretnym problemie. Co więcej, niektóre instalacje umożliwiają zdalną diagnostykę. Inżynier znajdujący się setki kilometrów od biogazowni może sprawdzić parametry na telefonie, przeanalizować trendy, zmienić wybrane nastawy lub wymusić określony cykl pracy urządzenia. System może pilnować choćby tego, czy człowiek zareagował na alarm. jeżeli pierwsza osoba nie potwierdzi jego odebrania w określonym czasie, informacja może zostać automatycznie przekazana kolejnej osobie lub zewnętrznemu serwisowi.

Biogazownia może przewidywać, ile gazu wyprodukuje

Kolejnym etapem automatyzacji jest odejście od prostego działania według ustalonego harmonogramu. Zaawansowane systemy mogą analizować bieżące parametry procesu i na tej podstawie dostosowywać pracę instalacji. Modele predykcyjne mogą prognozować produkcję biogazu z kilkugodzinnym wyprzedzeniem. System analizuje skład wsadu i na tej podstawie może wyznaczać moment oraz wielkość kolejnej dawki substratu.

Możliwe jest również powiązanie produkcji energii z sytuacją na rynku. Według koncepcji opisanej w materiale przy niskich cenach energii biogaz może być gromadzony, natomiast w okresach wyższych cen system może zwiększać wykorzystanie agregatów kogeneracyjnych. To już znacznie więcej niż zwykłe włączanie i wyłączanie pomp. System próbuje jednocześnie pogodzić stabilność biologiczną fermentacji, możliwości techniczne instalacji oraz ekonomię produkcji.

Automatyka steruje nie tylko samym procesem fermentacji, ale również pracą pomp, dmuchaw, mieszadeł i innych urządzeń pomocniczych. Fot. D. Tomaszewski

21 biogazowni można obserwować z jednego miejsca

Cyfryzacja daje również możliwość centralnego zarządzania wieloma instalacjami. W materiale wskazano przykład Polskiej Grupy Biogazowej, której Centrum Monitoringu i Analiz nadzoruje 21 biogazowni z jednej lokalizacji.

Dane z poszczególnych obiektów mogą trafiać do chmury, a następnie być prezentowane na wspólnych pulpitach. Osoby zarządzające mogą sprawdzać m.in. wydajność produkcji metanu, ilość wyprodukowanej energii czy zapasy biomasy. Dostęp do takich informacji jest możliwy również z komputera lub telefona.

W praktyce oznacza to, iż fizyczna odległość między instalacjami przestaje być tak dużym ograniczeniem w bieżącym monitorowaniu ich pracy.

Sztuczna inteligencja zagląda do wnętrza fermentora

Jeszcze ciekawsze możliwości otwierają systemy wykorzystujące sztuczną inteligencję. Oprogramowanie może łączyć wyniki badań laboratoryjnych z danymi zbieranymi na bieżąco przez instalację, a następnie tworzyć modele przewidujące przebieg produkcji biogazu.

AI może być wykorzystywana również w systemach wizyjnych. Kamery instalowane wewnątrz fermentorów pozwalają obserwować powierzchnię cieczy. Algorytmy analizujące obraz mogą rozpoznawać powstawanie piany, kożucha lub problemy z mieszaniem substratu. Na podstawie tych informacji system może korygować pracę mieszadeł bez konieczności interwencji człowieka.

Na zewnątrz instalacji zastosowanie znajdują z kolei kamery termowizyjne. Mogą kontrolować kopuły i rurociągi, pomagając wykrywać wycieki metanu oraz przegrzewające się elementy mechaniczne.

Czy biogazownia może działać bez operatora?

Automatyzacja pozwala ograniczyć konieczność ciągłej obecności człowieka przy instalacji, ale nie oznacza całkowitego wyeliminowania obsługi. Operator przez cały czas odpowiada za nadzór, serwis, podejmowanie części decyzji oraz reagowanie w sytuacjach, których system nie może rozwiązać samodzielnie.

Zmienia się natomiast charakter tej pracy. Zamiast nieustannie obserwować poszczególne urządzenia, człowiek coraz częściej nadzoruje cały proces za pośrednictwem systemu informatycznego. Automatyka reaguje na część zdarzeń natychmiast, a operator otrzymuje informację wtedy, gdy potrzebna jest jego uwaga.

Nowoczesna biogazownia staje się więc cyfrową instalacją, która nie tylko zbiera dane, ale coraz częściej sama wykorzystuje je do podejmowania prostych decyzji i korygowania swojej pracy.