Anvendelse af sensorer i vandforsyningen

Transkript

1 Anvendelse af sensorer i vandforsyningen Anders Lynggaard-Jensen DHI 2009

2

3 Indhold FORORD 5 SAMMENFATNING OG KONKLUSIONER 7 1 INDLEDNING 11 2 KILDEPLADSER, FORSØGSFORMÅL OG OMBYGNINGSKRAV KASTED FLØDAL 15 3 OMBYGNING AF KILDEPLADSER KASTED FLØDAL 23 4 INFORMATIONSSYSTEM 27 5 GENNEMFØRELSE AF FORSØG KASTED FLØDAL 31 6 FORSØGSRESULTATER KASTED FLØDAL 41 7 KONKLUSION 51 8 BILAG 55 3

4 4

5 Forord Der er gennemført en række forsøg med anvendelse af sensorer til måling af vandkvalitet/driftsøkonomi med henblik på at kunne udføre dynamisk kildepladsstyring. Forsøgene er udført i 2004 og 2005 på kildepladser hos Aalborg Kommunes Vandforsyning (AKV) og Århus Kommunale Værker (ÅKV) med Grundfos og Danfoss Analytical som udstyrsleverandører af henholdsvis pumper og sensorer. Projektet er fulgt af en styregruppe med deltagelse fra Christian Ammitsøe, Miljøstyrelsen, formand Pia Jacobsen, Århus Kommunale Værker Peter Frederiksen, Aalborg Forsyning Inden forsøgene blev igangsat gennemførtes et forprojekt, idet der var behov for at belyse en række problemstillinger vedr. udvælgelse af, hvilke vandværker der ville være relevante for et forsøg, valg af sensorer og pumper m.v. Resultaterne er beskrevet i Forprojekt om brug af sensorer ved dynamisk kildepladsstyring for vandværker. Rapport til Miljøstyrelsen, Juni DHI projekt nr Forprojektet er vedlagt som separat bilag til dette projekt. Deltagerne i såvel forprojekt som forsøgsprojekt, der er gennemført af DHI for Miljøstyrelsen var Aalborg Kommunes Vandforsyning, Århus Kommunale Værker, Grundfos og Danfoss Analytical. 5

6 6

7 Sammenfatning og konklusioner Med udgangspunkt i en faldende vandkvalitet i grundvandet i Danmark er der gennemført en række forsøg med anvendelse af sensorer til måling af vandkvalitet/driftsøkonomi med henblik på at kunne udføre dynamisk kildepladsstyring. Forsøgene er udført i 2004 og 2005 på kildepladser hos Aalborg Kommunes Vandforsyning (AKV) og Århus Kommunale Værker (ÅKV) med Grundfos og Danfoss Analytical som udstyrsleverandører af henholdsvis pumper og sensorer. Ved ÅKV blev det valgt at gennemføre forsøg på Kasted kildeplads på grund af forekomst af BAM i den nedre del af grundvandsmagasinet. Da BAM ikke kan måles on-line blev det specifikke formål således her at forsøge at måle en forskel på BAM holdigt og ikke BAM holdigt grundvand under anvendelse af tilgængelig sensorteknologi (her blev valgt in-situ måling af redox potentiale samt ledningsevne i det oppumpede vand), således at resultaterne kan anvendes i forbindelse med styret oppumpning fra nedre og øvre del af grundvandsmagasinet. Ved AKV blev det valgt at gennemføre forsøg på Flødal kildeplads, da denne har forhøjede værdier af nitrat. Det specifikke formål blev her at afprøve anvendelse af nitrat sensorer på kildepladsens 3 boringer og undersøge om styret oppumpning forskellig indvindingsmængde i de tre boringer vil give anledning til forskellige koncentrationer af nitrat i vandet fra disse, således at resultaterne kan anvendes i forbindelse med en minimering af den samlede nitratmængde fra kildepladsen. Inden forsøgene kunne gennemføres, er der modificeret betydeligt på de to kildepladser, således at montering af sensorer kan gennemføres, pumper er udskiftet, flowmålere og frekvensstyring af pumper er monteret, mv. Der er også etableret et integreret informationssystem, der har stået for opsamling af alle data og rapportering. Alle projektpartnere har via Internettet haft adgang til alle data og informationer fra dette informationssystem. Anvendelse af sensorteknologi til kontinuert in situ måling af redox potentiale samt nitratmåling på oppumpet vand er ikke afprøvet på kildepladser i Danmark før denne forsøgsrække. Som følge af denne pionerstatus har der naturligvis været praktiske problemer med gennemførelse af forsøgene, hvilket i ikke ubetydelig omfang har begrænset mængden af de data og informationer, der er indsamlet gennem forsøgsperioden på de to kildepladser. De opståede problemer og ikke mindst løsningen af disse giver imidlertid et betydeligt forbedret teknologisk fundament, når dynamisk kildepladsstyring efterfølgende ønskes gennemført i større skala på kildepladser. På kildepladsen ved Kasted blev det i forsøgsperioden konstateret, at de forhøjede koncentrationer af BAM (i råvand udvundet fra den nederste del af boringen) forsvandt. Kun i et enkelt tilfælde i forsøgsperioden nåede analyseresultater for BAM lige over detektionsgrænsen. Det har derfor ikke været muligt at konstatere om det faktisk kan lade sig gøre at skelne mellem BAM holdigt og ikke BAM holdigt vand. 7

8 Derimod har det vist sig at kontinuert in situ måling af redox potentiale er overordentligt vanskeligt, da sensorerne kræver en hel del vedligehold. Endvidere lykkedes det ikke at få det første valg af fabrikat af redox sensorer til at virke, hvorfor disse måtte udskiftes til andet fabrikat. Rent mekanisk er det dog lykkedes, at finde en metode til at placere sensorer præcist ud for filtrene direkte i selve boringen. Metoden gør det samtidigt muligt at vedligeholde/udskifte sensorerne uden at påvirke boringens drift. Måling af ledningsevne i det oppumpede vand (monteret i afgangsrørene fra boringen) volder ikke de store problemer dog skal måleren have et snævert og passende måleområde, da det er små variationer der måles på. På kildepladsen ved Flødal blev der på dennes tre boringer installeret kontinuert måling af nitrat med modificerede sensorer oprindeligt udviklet til måling af nitrat i spildevand. Sensorerne blev installeret på en delstrøm fra afgangsrørene fra boringerne, og på trods af en del driftsproblemer kan det konkluderes, at det på denne måde er muligt at anvende en nitratmåling på det oppumpede vand. Driftsproblemerne lå dels i starten driftsperioden dels i slutningen, hvor forsøgsperioden med styret oppumpning skulle gennemføres. Det var forventeligt med problemer i starten, da der først skulle designes en driftsstabil montage metode for sensorerne. Derimod må problemerne hen mod slutningen af driftsperioden tilskrives at sensorerne faktisk må betragtes som prototyper for denne anvendelse, idet de ikke har været langtidstestet på en lignende installation. Problemerne ville sandsynligvis ikke være konstateret, hvis ikke det var blevet nødvendigt at udskyde forsøgsperioden med et halvt år, på grund af en coli forurening opstået i forbindelse med udskiftning af pumper, mv. På trods af disse problemer er det lykkedes at indsamle sammenhørende værdier af nitrat koncentrationer og flow fra de tre boringer i en forsøgsperiode, hvor pumperne blev styret til at yde forskelligt, men med den samme totale oppumpede vandmængde fra kildepladsen. Resultaterne viser at nitrat koncentrationen er stabil i en boring for givne flow i alle boringerne, og at en ændring i de givne flow i boringerne også relativt hurtigt ændrer koncentrationen i den enkelte boring til et andet stabilt niveau. Forsøg med variationen i det styrede flow fra boringerne (summen konstant) strakte sig over 13 uger med en ny flow fordeling hver uge. Da der ses modsat rettede sammenhænge i en boring øges nitrat koncentrationen med den oppumpede vandmængde, og i en anden falder den kan det konkluderes at boringerne påvirker hinanden. Dette var forventeligt og kompleksiteten i kildepladsen må derfor nødvendigvis analyseres yderligere, før en styrestrategi for en minimering af nitrat mængden i den samlede oppumpede mængde kan fastlægges. Det vigtige resultat her er imidlertid, at der faktisk kan påvises en dynamisk sammenhæng mellem oppumpet vandmængde og den målte nitrat koncentration i den enkelte boring. En forudsætning for dynamisk at kunne styre en skilleflade mellem forskellige vandtyper i top og bund af en boring (Kasted) eller en skilleflade mellem boringer (Flødal) er naturligvis at pumperne drives kontinuert med dynamisk beregnede ydelser. Dette kan opnås ved at anvende frekvensstyring af pumperne, og erfaringerne fra de gennemførte forsøg viser klart at denne 8

9 styring skal udføres med en lukket lokal kontrolsløjfe mellem flowmåler, frekvensomformer og pumpe. Det vil sige, at den ønskede pumpeydelse anvendes som setpunkt til kontrolsløjfen. Det er ikke tilstrækkeligt blot at anvende en fast frekvens fra frekvensomformeren som setpunkt, idet pumpeydelsen jo er afhængig af trykket, der varierer med vandspejlet i boringen, der igen varierer med grundvandsstanden og driften af nærved liggende boringer. Den klassiske start/stop drift af pumper kan således ikke anvendes ved en aktiv styring, hvor det primære formål er styring efter vandkvalitets parametre. Dette vil indvirke på driftsøkonomien, idet den klassiske driftsform via dimensioneringen af pumperne vil sørge for at den ønskede oppumpede vandmængde i en given periode opnås under anvendelse af den mest energi effektive pumpeydelse i kortere eller længere tid. De gennemførte forsøg viser da også, at kontinuert drift af pumperne med en styret og varierende ydelse kræver mere energi. Det ekstra energiforbrug kan dog minimeres, hvis der ved pumpe dimensioneringen tages udgangspunkt i den typiske ønskede ydelse ved kontinuert drift. 9

10 10

11 1 Indledning Vandkvaliteten i Danmarks grundvand er faldende. Dette skyldes bl.a. en mere koncentreret indvinding fra færre kildefelter og tilførsel af forurenende stoffer. Det er derfor meget vigtigt, at grundvandsmagasinerne udnyttes optimalt og bæredygtigt, således at kildepladserne ved små og store vandforsyninger sikres en optimal levetid. Målinger har vist, at for et givet grundvandsmagasin varierer kvaliteten af det oppumpede vand afhængig af indvindingsmængden. Indholdet af pesticider, nitrat, salt m.m. vil i nogen udstrækning kunne styres ved en hensigtsmæssig drift. Nøgleparametrene i grundvandsindvindingen er derfor mængde, sænkningsniveau og vandkvalitet. En nærliggende mulighed for at optimere indvindingen er at måle disse nøgleparametre i råvandet og herudfra automatisk tilpasse oppumpningen på de enkelte kildepladser. Teknologien i automatisk online udstyr har dog indtil videre umuliggjort en automatisering af in-situ måling af grundvandskvalitet. Næst efter vandkvaliteten er vandindvindingens driftsøkonomi den styrende parameter for driften. Det viser sig desværre alt for ofte, at der vælges forkerte produkter eller driftsformer, hvilket medfører et unødvendigt højt energiforbrug og dermed spild af ressourcer og penge. I Danmark er der gennemført en række aktiviteter på disse områder, blandt andet inden for rammerne af Center for Vandkvalitetssensorer (VAKS), som har været støttet af Ministeriet for Videnskab, Teknologi og Udvikling. Disse aktiviteter har medført, at det nu vil være teknisk muligt at samle komponenter til et produkt, der kan styre drikkevandsindvindingen fra kildefelter ud fra et ønske om maksimal ydelse under hensyntagen til vandkvaliteten og driftsøkonomien. Dette kan gøres med online sensorer kombineret med intelligent databehandling og computerstyrede indvindingsstrategier i realtid. Teknologisk er der imidlertid stadig tale om prototyper, og denne rapport beskriver resultaterne af de første forsøg på vandværker i drift. Formålet med forsøgene var at afprøve en samlet anvendelse af sensorer til måling af vandkvalitet/driftsøkonomi i kombination med styret indvinding. Inden forsøgene blev igangsat gennemførtes et forprojekt, idet der var behov for at belyse en række problemstillinger vedr. udvælgelse af, hvilke vandværker der ville være relevante for et forsøg, valg af sensorer og pumper m.v. Resultaterne er beskrevet i Forprojekt om brug af sensorer ved dynamisk kildepladsstyring for vandværker. Rapport til Miljøstyrelsen, Juni DHI projekt nr Deltagerne i såvel forprojekt som forsøgsprojekt, der er gennemført af DHI for Miljøstyrelsen var Aalborg Kommunes Vandforsyning, Århus Kommunale Værker, Grundfos og Danfoss Analytical. 11

12 12

13 2 Kildepladser, forsøgsformål og ombygningskrav 2.1 Kasted Ved Århus Kommunale Værker (ÅKV) blev i forprojektet gennemgået tre vandværker med tilhørende kildepladser, og der blev her vurderet muligheder for styret oppumpning i forhold til klorid indhold (Stavtrup), BAM (Kasted, Åbo) og Arsen (Åbo). Kasted Åbo Stavtrup Figur 2.1: Placeringen af vurderede kildepladser ved Århus Kommunale Værker Som resultat af forprojektet blev det valgt at køre forsøg på Kasted kildeplads, da ÅKV netop havde iværksat forsøg med pumpeindstillinger til separationspumpning på denne på grund af stigende problemer med BAM i indvindingsboringen K18 (tabel 2.1). Boring Feb Nov Aug April 2002 K18 0,021µg/l 0,030µg/l 0,050µg/l 0,045µg/l Marts 2003: 1. prøve ved start separationspumpning viser BAM 0,025µg/l (til afløb) og BAM 0 (til vandværk) Tabel 2.1: Analyseresultater for BAM i boring K18 på Kasted kildeplads 13

14 Den generelle vandkvalitet i K18 viste, at der var forhøjet sulfatindhold (110 mg/l), forhøjet forvitringsgrad (1,3) samtidig med indhold af jern (1,5 mg/l) og ammonium (0,254 mg/l). Dette tydede på, at 2 vandkvaliteter, en oxideret og en reduceret, blev sammenblandet i filteret. BAM-forureningen (blandingsvand BAM ca. 0,04 µg/l) er formentlig knyttet til den oxiderede vandtype, hvorfor det vurderes, at den oxiderede vandtype strømmer til filterets nedre del (modsat forventet), mens den reducerede vandtype strømmer til den øvre del. Boring K18 har følgende specifikationer: Ø250 mm plastforerør fra terræn til 42 meters dybde Ø160 mm plastforerør fra meters dybde Ø160 mm plastfilter fra 74 til 86 meters dybde og var ved separationspumpningens start forsynet med følgende pumper fra Grundfos: SP17-3, 24 m galv.gevindstigrør (2½ ), nedstik (ro)=13,24m, nedstik (drift)=14,80 m SP14a-7, 81 m galv.gevindstigrør (2 ), nedstik (ro)=13,24m, nedstik (drift begge pumper)=15,88 m K18 (figur 2.2), var endnu ikke forsynet med ÅKVs standardopsætning for indvindingsboringer, der bl.a. indeholder flowmåling, tryk og niveau (andre parametre kan tilføjes) og standardmæssigt kan kobles til SRO/PLC for dataopsamling og styring. I K18 anvendte ÅKV som i andre indvindingsboringer pumper, som styres med stop/start, men ved opbygning af bedre styret separationspumpning er dette ikke tilstrækkeligt. Figur 2.2: Kastedværket (rød cirkel), Kasted Byvej 28, med markering af boringer (blå firkant), samt billeder af K18 og dennes indretning 14

15 Da separationspumpningerne blev startet noteredes flow derfor fra vandure, og prøver blev udtaget fra de to pumpestrenge og sendt til laboratorium for analyse for BAM. Pumpetider blev justeret manuelt, og analyseresultat som funktion af pumpeydelse skulle så vise den korrekte indstilling af separationspumpningen. Resultaterne fra de første forsøg er vist i tabel 2.2. Dato Filter 1 (faskine) Filter 2 (vandværk) Vandspejl Jern Vandur Ydelse geusbam lab BAM Vandur Ydelse geusbam lab BAM Fe2 Total Fe m3 m3/h µg/l µg/l m3 m3/h µg/l µg/l m u. mp. kote mg/l mg/l Max. tilladelse 1 1 0,1 0,1 0, ,74 19, start 0,025 0, start 0 0,015 13,57 19,1 0,015 1, ,25 0, ,34 13,64 19,03 0,44 1, ,15 0, ,08 13,57 19,1 0,5 1, ,21 0, ,05 13,74 18,93 0,5 1, ,25 0,048 0, ,05 0,011 13,84 18,83 0,52 1, ,74 0, ,93 15,09 17,58 0,75 1, , ,98 17,08 15, , ,42 15,84 16, ,63 0, ,69 0,011 15,01 17,66 0,85 1, , ,92 16,22 16, , ,59 16,33 16, , ,65 16,62 16,05 Tabel 2.2: Analyseresultater fra separationspumpninger på boring K18 inden forsøgsstart Dette er naturligvis en langsommelig proces, og hvis BAM sensorer havde eksisteret, ville det have været muligt at styre separationspumpningen præcist ved at placere en sensor i toppen af filteret og en sensor i filteret over den nederste pumpe, således at BAM bliver målt i begge vandstrømme. Pumpeydelserne, og dermed tilstrømningen af de to vandtyper, kunne så direkte styres ud fra disse målinger. Prototyper af BAM sensorer eksisterer, men såvel følsomhed som responstid er stadig for dårlige til at disse kan anvendes i forbindelse med separationspumpningen. I stedet skal det prøves om det er muligt at skelne mellem de to vandtyper ved online måling af kendte samleparametre som redox (i selve boringen på tilstrømmende vand) og ledningsevne (på afgangsrør fra pumper), således at et blandingsforhold kan bruges som styresignal til pumperne i stedet (via de frekvensomformere der også skal installeres). Herudover skal driften kunne følges ved måling af flow, tryk og vandspejl. 2.2 Flødal Aalborg Kommunes Vandforsyning (AKV) har deltaget i projektet med kildepladsen Flødal, der er placeret umiddelbart syd for Svenstrup (Figur 2.3). 15

16 Flødal Figur 2.3: Placering af Flødal kildeplads Boring DGU nr. Stigerør Længde Dim. Forerørs Vandsp. Ro. Sænket Vsp. Jord Type Meter Rør Diameter Kote Kote Kote Nord PE rør mm Ø225mm 8,88 3,75 33,5 Midt W.M. 41 4" Ø225mm 8,95 6,98 35,2 Syd W.M 48 4" Ø225mm 8,90 5,20 37,8 Tabel 2.3: Karakteristika for de tre indvindingsboringer Kildepladsen har tre indvindingsboringer (tabel 2.3) og to observationsboringer (placeringen af disse er vist i figur 2.4), hvorfra grundvandsanalyser har vist stigende indhold af nitrat og BAM. Herudover er der fundet indhold af pendimethalin og triklormetan (tabel 2.4). Figur 2.4: Placering af indvindingsboringer (blå cirkel) og observationsboringer (grøn cirkel) 16

17 Figur 2.5: Afskærmning over den midterste indvindingsboring åbnet, således der er adgang til toppen af selve boringen (til venstre) og afgangs røret (til højre). Afskærmning indeholder inden ombygning strømforsyning, signalkabler, varme og aftapningshane Projektet skal dog have fokus på nitrat problematikken og driftsøkonomien, idet det skal forsøges at mindske det samlede nitratindhold fra de tre indvindingsboringer ved at styre oppumpningen fra hver enkelt boring og samtidig tage hensyn til energiforbruget. 17

18 Boring Navn Nord Midt Syd Filtertop Kote -7,5-4,5-10,0 Filterbund Kote -25,5-22,5-28,0 Stof Enhed Gnms. Max. Gnms. Max. Gnms. Max. Calcium mg/l 69,0 82,6 65,2 71,0 58,9 60,0 Jern mg/l 0,20 0,97 <0,01 0,03 <0,01 <0,01 Klorid mg/l 23,2 25,0 26,6 28,0 26,0 28,0 Sulfat mg/l 22,2 25,0 20,4 23,0 24,0 25,0 Nitrat mg/l 38,0 45,0 44,6 58,0 19,5 27,0 BAM µg/l 0,015 0, Pendimethalin µg/l 0,013 0, Triklormetan µg/l 0,150 0,230 0,090 0,150 0,150 0,150 Boring Navn Top Midt Bund Filtertop Kote -2,5-42,5-63,5 Filterbund Kote -6,5-46,5-67,5 Stof Enhed Gnms. Max. Gnms. Max. Gnms. Max. Calcium mg/l 77,4 102,0 85,0 148,0 57,5 60,5 Jern mg/l 0,40 1,34 0,70 1,46 0,24 0,54 Klorid mg/l 26,5 28,0 23,5 26,0 24,8 28,0 Sulfat mg/l 23,8 27,0 21,3 23,0 19,3 21,0 Nitrat mg/l 54,8 64,0 38,8 50,0 <1 <1 BAM µg/l 0,069 0,070 0,056 0, Pendimethalin µg/l Triklormetan µg/l 0,120 0,180 0,110 0, Boring Navn Top Bund Filtertop Kote 6,0-12,0 Filterbund Kote 2,0-24,0 Stof Enhed Gnms. Max. Gnms. Max. Calcium mg/l 68,6 72,3 61,0 64,1 Jern mg/l 0,02 0,06 0,12 0,27 Klorid mg/l 23,8 25,0 16,8 19,0 Sulfat mg/l 22,8 24,0 17,0 25,0 Nitrat mg/l 52,8 58,0 3,3 5,0 BAM µg/l - - 0,010 0,010 Pendimethalin µg/l 0,019 0,028 0,012 0,013 Triklormetan µg/l 0,090 0,130 <0,05 <0,05 Tabel 2.4: Filtersætning og gennemsnit og maksimumværdier for analyseresultater for perioden for indvindingsboringer og observationsboringerne (flere dybder) De tre indvindingsboringer (opbygning figur 2.5) var alle forsynet med pumper af typen Grundfos SP45-9, 11 kw, m3/h, som pumper til en beholder i kote 68. Regulering af pumpernes ydelse sker via Omron frekvensomformere (15KW HV). Den enkelte pumpes ydelse kan dog ikke mindskes tilstrækkeligt til at opnå kontinuert drift, hvorfor der skal skiftes til en mindre model. Kontinuert drift skal sikre mindre mobilisering af nitrat og andre stoffer, idet sænkningstragten bliver mindre og grundvandstilstrømningen kommer fra et smallere opland (kildepladsen er omgivet af landbrugsarealer dog ikke opstrøms i forhold til grundvandsstrømningen). 18

19 Nitrat koncentrationen i det oppumpede vand fra hver af indvindingsboringerne ligger i gennemsnit i intervallet fra ca. 20 til ca. 40 mg/l med max. værdier op til ca. 60 mg/l (tabel 2.4). For at følge forventede ændringer i disse skal monteres nitrat sensorer, og da driften af de tre boringer påvirker hinanden, skal der også monteres vandstandsmålere samt flowmålere til styring af pumperne. Fokus på energiøkonomien kræver endvidere energimålere. PLC til dataopsamling, lokal styring og datatransmission til centralt SRO-system var installeret i forvejen. 19

20 20

21 3 Ombygning af kildepladser 3.1 Kasted K18 der oprindeligt bestod af et underjordisk borehus med en boring forsynet med: 2 stk. Grundfos dykpumper (SP14a-7 og SP17-3) Vandure El- og meldekabel (styring) til overvågning af pumpedrift, kommando start/stop, pumpefejl og adgangskontrol er blevet opgraderet med målere/sensorer, PLC og frekvensomformere. Konfigurationen er vist i figur 3.1. Figur 3.1: Oversigtsbillede K18 fra informationssystemet (se kapitel 4) 21

22 Mere detaljeret er følgende blevet installeret se også figur stk. Danfoss flowmålere mag 3100/ stk. Danfoss trykmålere 1 stk. HF Jensen niveaumåler 2 stk. Phoenix kompakt induktiv ledningsevnemålere fra Insatech 2 stk. Redox sensorer fra DHI (se også kapitel 4) 2 stk. Frekvensomformere Danfoss VLT 6005 HVAC inkl. temperaturføler (leveret af Danfoss) Rørinstallationer i rustfrit stål og pumpekabler med skærm El-skab inkl. alle el-komponenter, signalforstærkere, kwh-tællere, ventilation m.m. Figur 3.2: Installationen af målere/sensorer m.v. Der er opnået gode erfaringer med installationsmetoden for sensorer nede i selve boringen, idet disse umiddelbart kan nedsænkes på rette plads og let tages op for rensning/vedligehold. Det kan simpelthen mærkes når sensoren når sin rette plads i sensorstudsen (figur 3.3) for enden af sensorslangen, og da sensorslangen fastgøres til pumperøret (figur 3.4) vides det præcist hvor måling foretages. Figur 3.3: Sensorstuds til montering i enden af sensorslange 22

23 Figur 3.4: Sensorslange med sensorstuds fastgjort til pumperør og klar til nedsænkning Installationsmetoden er nødvendig for måling af parametre der nødvendigvis skal måles in-situ, da de påvirkes af en ændring i omgivelserne som eksempelvis at passere en pumpe, og da redox målingen er yderst følsom for dette, var det nødvendigt at finde en løsning. 3.2 Flødal På kildepladsen er foretaget følgende: Boring 1: Udskiftning af pumpe fra SP 45-9 til SP 8-18 Boring 2: Udskiftning af pumpe fra SP 45-9 til SP 17-8 Boring 3: Udskiftning af pumpe fra SP 45-9 til SP 8-18 Udskiftning af: PE stigerør til Well Master. Motorkabler til skærmet kabel, pga. frekvensomformer i tavlebygning. Ældre hovedtavle Vinkelmålere til Danfoss flowmålere Installation af: Ekstra styrekabel fra boringer til PLC tavler. Motorregulering med Omron frekvensomformere. Ny Ø 50 mm rustfri rørinstallation med nye ventiler. Danfoss nitratsensorer Ørum & Jensen niveaumålere. 23

24 Og den samlede konfiguration er vist i figur 3.5. Figur 3.5: Oversigtsbillede Flødal fra informationssystemet (se kapitel 4) Nitrat sensorer til måling på oppumpet grundvand er ikke standardudstyr, men der blev til Danfoss Analytical sensorer fra Insitu 5100 serien (oprindeligt udviklet til at måle i spildevand neddykket i åbne bassiner), udviklet en enhed til at sætte på sensorerne, således at en lille delstrøm af den oppumpede vandmængde kan ledes forbi disses membran. Delstrømmen udtages fra boringernes aftapningshaner, og sensorerne blev derfor monteret under afskærmningen over boringerne (figur 3.6). Herudover blev det nødvendigt at sætte højere sokkel på afskærmningen over boringerne ellers kunne Danfoss nitratsensorerne ikke være der i højden (figur 3.7). Delstrømmen påvirkes ikke af målingen, og denne blev derfor ledt tilbage i boringen. Princippet kan også bruges til de mere traditionelle analysatorer på markedet, men da den udtagne delstrøm her føres gennem analysatorerne og evt. tilsættes kemikalier, skal denne opsamles efterfølgende. 24

25 Figur 3.6: Montage af Danfoss Analytical sensorer med påsat enhed til måling på delstrøm Installationsarbejdet har givet anledning til overvejelser om muligheden af, at kabeltraceerne kan lede overfladevand ned til boringerne og hermed være årsag til de observerede forhøjede kimtal i drikkevandet. Efter installationsarbejdet blev anvendt en usædvanlig lang skylleperiode inden boringerne blev rene, hvilket naturligvis forsinkede forsøgene med styring af pumpeydelserne. Figur 3.7: Flødal kildeplads efter ombygning 25

26 26

27 4 Informationssystem DHI Netværk (DMZ) Browser DHI Projekt Web Server DHI Projekt DIMS Server Internet ÅKV Netværk DIMS TAD Figur 4.1 Oversigt informationssystem Informationssystemet håndterer indsamling af data og opdatering af beregnede værdier, samt udskrift til hjemmesiden af daglige driftsrapporter. Informationssystemet består af en (DIMS) database, som er placeret på DHI, og desuden en web-server med en hjemmeside til daglige rapporter. Fra hjemmesiden er det muligt at få adgang til alle data i databasen ved hjælp af en webklient. Hjemmesiden er placeret uden for firewall, således at alle projektdeltagere har adgang via en normal Internet browser. Databasen indeholder data fra begge kildepladser i fuld opløsning, d.v.s. minutværdier. Desuden udføres forskellige beregninger som min., max., middel pr. døgn samt andre beregninger f.eks. energiforbrug pr. oppumpet m 3. Disse resultater gemmes ligeledes i databasen, så de er til rådighed for brugeren, f.eks. i forbindelse med rapportering. ÅKV logger data til et informationssystem af samme type DIMS - som det, der anvendes i projektet. DIMS på ÅKV sender en gang i timen data til projektdatabasen på DHI. Ålborg vandforsyning gemmer data i en fil én gang i timen. For at undgå huller i tilfælde af svigt i dataoverførsel gemmes data 6 timer tilbage. DIMS systemet på DHI henter denne fil én gang i timen og skriver nye data i databasen. 27

28 28

29 5 Gennemførelse af forsøg 5.1 Kasted De første forsøg med måling af redox-potentiale blev udført med sensorer baseret på mikro-elektroder fra Unisense koblet sammen med en forforstærker fra Newport Electronics. Elektrode og forforstærker blev monteret i et stålrør, der efterfølgende blev fyldt med silicone (figur 5.1). Figur 5.1: Redox sensor baseret på mikroelektrode Det er nødvendigt at indbygge en forforstærker i selve sensoren, da responsen fra elektroden er en lille spænding med meget høj impedans. Sådan et signal er meget støjfølsomt og kan ikke transporteres ret langt gennem et kabel. Den monterede forforstærker laver spændingssignalet om til et signal med samme størrelse som det oprindelige signal, men med lav impedans, så signalet uden problemer kan sendes gennem de godt 80 meter kabel, der er monteret på sensorerne. Forsøg med disse sensorer viste fin respons i laboratoriet ved kortvarige målinger, men ved permanent neddykning i boringen, viste det sig, at sensorresponsen meget hurtigt svandt ind, så sensoren ikke kunne måle længere. Ved rensning i syre kunne responsen delvis genfindes, men i praksis kunne sensorerne ikke anvendes, hvorfor der i stedet blev lavet sensorer baseret på standard redox glas-elektroder fra Hamilton. 29

30 Figur 5.2: Forforstærkere og stik til Hamilton redox sensorer inden samling og indstøbning i stålrør Ledningsevnen måles i K18 med sensorer af typen Phoenix kompakt induktiv ledningsevnemåler type C3254, der har et måleområde fra 0 til 10 ms/cm. Disse er monteret på afgangsrørene, da de ikke som redox sensorerne kræver montage i selve boringen. Imidlertid er måleområdet for de monterede ledningsevnemålere relativt stort og dette kombineret med, at den monterede dataopsamlingselektronik kun fungerer med 8 bits opløsning, betyder, at der skal være en ændring på mindst 40 µs/cm, før der registreres en forskel på målingen. Så stor variation forventes der ikke, hvorfor installationen blev udstyret med en signal-konverter, der kan øge opløsningen på målingen på bekostning af en indskrænkning af måleområdet. Det blev således kun muligt at måle ledningsevne i intervallet fra 0,5 til 1,5 ms/cm, men til gengæld kan en variation på 4 µs/cm detekteres. Foruden redox potentiale og ledningsevne er flow, tryk, vandspejlsniveau og pumpehastigheden (udtrykt ved frekvens på frekvensomformer) målt som online værdier, der gemmes hvert minut. Herudover er en stribe parametre bestemt ved laboratoriemålinger i udtagne stikprøver. De vigtigste i denne sammenhæng er BAM, inddampningsrest, ph, ilt, jern, temperatur og ledningsevne. Sidstnævnte er udført for at kontrollere de monterede ledningsevnemålere. Forsøgene er udført gennem en meget lang periode, men med hovedvægt på perioden juli og august 2005, hvor pumpeydelserne på de to pumper har været varieret, dog således at den oppumpede vandmængde er søgt holdt konstant. De valgte pumpefrekvenser og de aktuelle pumpeydelser i perioden er angivet i tabel

31 Start Slut Flow Øverst Flow Nederst VLT-frekvens Øverst VLT-frekvens Nederst Dato Dato m 3 /h m 3 /h Hz Hz Tabel 5.1: Plan for forsøgsperiode med tilstræbt konstant flow fra K18 Da der kun er mulighed for at vælge en fast pumpefrekvens flowstyring er ikke blevet implementeret - vil flowet naturligvis variere med det modtryk pumperne oplever. De i tabel 5.1 anførte flow er derfor gennemsnitsværdier fra måleperioderne. Lige inden pumpehastighederne er blevet justeret, er der udtaget stikprøver til laboratorieanalyse, således at der har været god tid for boringen til at indstille sig i en ny ligevægt efter ændring af pumpeydelsen. 5.2 Flødal Forsøget strækker sig over perioden december 2004 november 2005, der har været en indledende fase, samt en slutfase med styring af pumper efter et fastlagt skema. Den indledende fase løb fra december 2004 hvor nitrat sensorerne blev leveret og til august 2005 hvor de var installeret på kildepladsen og slutfasen blev indledt. Den første fase blev dels brugt til at indkøre nitrat sensorerne i laboratoriet hos DHI, og dels til klargøring af kildepladsen. Som omtalt i kapitel 3 er den anvendte nitrat sensor en lidt ændret udgave af Danfoss nitrat sensor, som er konstrueret med en målekop hvor vandet pumpes igennem og forbi sensorens filter, i stedet for som normalt for den type sensor at sidde direkte i det medie den skal måle i (f.eks. en procestank på et renseanlæg). Denne konstruktion samt et krav om hurtigere responstid end standard sensorens på 15 min. betød at der i den første fase blev brugt resourcer til dels ændring af en del af standardopsætningen på sensoren, og dels at fastlægge hvilket flow der skulle være gennem målekoppen for at opnå tilstrækkelig udskiftning af vandet og samtidig tilstrækkelig lang opholdstid til at nitrat ionerne kunne passere gennem filteret: Filtreringsenheden blev skiftet ud med en tyndere type end standarden, idet det vil give en hurtigere transport af ioner fra vandet over til detektordelen i sensoren. Pumpehastigheden på intern pumpe i sensoren øges for at få hurtigere responstid. Frekvensen af den egentlige måling øges fra én gang hver 4. minut til én gang hvert ½ minut. 31