Automazione e Telecontrollo dei piccoli impianti di Depurazione Una nuova strategia verso il risparmio energetico e l ottimizzazione della gestione

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1 ATO2 Basso Valdarno Automazione e Telecontrollo dei piccoli impianti di Depurazione Una nuova strategia verso il risparmio energetico e l ottimizzazione della gestione Rev.4 Agosto

2 SOMMARIO 1. Introduzione e obiettivi Definizione del Campione di Intervento Suddivisione del campione in classi Risparmio Energetico Massimo Atteso Interventi Previsti Descrizione Componenti dei kit Descrizione segnali Ingresso per RTU Telecontrollo Descrizione comandi Uscita da RTU Telecontrollo Descrizione parametri per RTU Telecontrollo Effetti sulla Gestione Degli Impianti Operazioni di Manutenzione Scelta da installare Criteri di scelta kit

3 1. Introduzione e obiettivi Acque SpA da tempo ha attivato una serie di interventi di risparmio energetico nel settore depurazione. Acque SpA sta puntando molto sul Telecontrollo come strumento di supporto alla gestione delle utenze del SII, compresi gli impianti di depurazione. I suddetti interventi sono stati fino ad adesso concentrati, per ovvi motivi strategici, sugli impianti di depurazione di maggiore dimensione nei quali risuta maggiore sia l impronta energetica che l attenzione verso la qualità dello scarico. Però vi sono numerosissimi impianti di depurazione al di sotto dei 10'000 Abitanti Equivalenti che ancora non sono stati coinvolti in queste attività poiché gli interventi mirati su singoli impianti di piccole dimensioni trovano poco spazio nei piani di sviluppo per elevati costi e ridotti margini di rientro economico. Il presente progetto in definitiva si pone i seguenti obiettivi : Ottimizzazione della gestione dei piccoli impianti di depurazione attraverso il telecontrollo; Riduzione dei consumi energetici A tal fine, in questo progetto si definisce una strategia di intervento standardizzata per tutti gli impianti di piccole dimensione, la quale prevede di installare un KIT sia per il telecontrollo che per ridurre i consumi energetici degli impianti. 3

4 2. Definizione del Campione di Intervento Nelle tabelle sottostanti è riportata una analisi statistica dei depuratori gestiti da Acque SpA relativa all anno I depuratori sono stati divisi per fasce di potenzialità. Numero MWh/anno AE AE AE AE Totale ,345 Tab. 3.1 Analisi statistica per fasce di potenzialità ( Fascia A AE; Fascia B AE; Fascia C '000 AE) Distribuzione del Numero di Impianti, distribuzione consumi energetici, distribuzione abitanti equivalenti di potenzialità. N Consumi AE % % % AE 68% 10% 7% AE 21% 24% 20% AE 11% 66% 73% Tab. 3.2 Analisi statistica per fasce di potenzialità ( Fascia A AE; Fascia B AE; Fascia C '000 AE) Distribuzione Percentuale del Numero di Impianti, distribuzione percentuale consumi energetici, distribuzione percentuale abitanti equivalenti di potenzialità. Gli impianti di maggiori dimensioni sono solamente 15 (ovvero l 11% del totale) ma servono circa il 73% degli abitanti equivalenti complessivi, per un consumo di circa MWh all anno, ovvero circa il 66% dei consumi energetici complessivi. Fig.3.1 Analisi statistica per fasce di potenzialità ( Fascia A AE; Fascia B AE; Fascia C '000 AE) Distribuzione Percentuale del Numero di Impianti, distribuzione percentuale consumi energetici, distribuzione percentuale abitanti equivalenti di potenzialità. 4

5 Acque SpA ha iniziato da tempo ad intervenire in modo mirato sugli impianti della fascia di maggiore dimensione ( '000 AE) con l intento di migliorare l efficienza energetica ed ottimizzare i processi depurativi. L improntra energetica dei maggiori impianti giustifica ampiamente una pianificazione di interventi mirati impianto per impianto. Oggetto del presente progetto è quello di proporre una strategia di intervento standard per tutti gli impianti di piccola taglia, ovvero gli impianti da AE e da 2000 a AE. Eliminando dalla fascia intermedia l impianto di depurazione Vecchiano da 9000 AE, il quale risulta peraltro oggetto di altri interventi di adeguamento, il campione di intervento si restringe a n 125 impianti da 50 AE a 6700 AE. Da sottolineare che tutti gli oltre i 9000 AE sui quali non siano stati fatti interventi di Telecontrollo o di efficientamento energetico, per il loro peso specifico in termini di abitanti serviti e consumi energetici, dovrebbero essere da subito oggetto di interventi mirati. 3. Suddivisione del campione in classi Il campione di intervento è stato suddiviso in classi, in funzione della diversa distribuzione percentuale dei loro consumi energetici ; in particolare sono stati identificati gli impianti privi di allaccio alla rete EE (TIPO A), quelli privi di sistema di aerazione (TIPO B), gli impianti con soli consumi relativi al sistema di aerazione (TIPO C). Oltre a questi sono state identificate altre tre classi, a seconda dell incidenza percentuale dei consumi energetici di aerazione a prescindere dalla distribuzione percentuale degli altri consumi. Il riepilogo delle classi è riportato nello schema seguente. TIPO A Impianti Senza Allaccio EE TIPO B BIODISCHI, Vasche Imhoff, Percolatori (No Aerazione) TIPO C Impianti con 100% Consumi Aerazione TIPO D Impianti con consumo Aerazione maggiore del 75 % TIPO E Impianti con consumo Aerazione tra il 50% ed il 75% TIPO F Impianti con consumo Aerazione sotto il 50% Tab. 4.1 Definizione delle classi di suddivisione in funzione della distribuzione percentuale dei consumi. La suddivisone è stata effettuata a partire dai dati messi a disposizione da Acque SpA relativi alle elettromacchine installate sui vari impianti di depurazione. I risultati della suddivisione sono riepilogati nelle tabelle e nelle figure seguenti. 5

6 Fig.4.1 Distribuzione numero impianti per classe Fig.4.2 Distribuzione percentuale numero impianti per classe Totale Costi EE (0,13 /kwh) Costo EE Cadauno (0,13 /kwh) Incidenza Consumi Aerazione Consumo EE Totale Consumo EE Cadauno Numero Num % kwh/anno kwh/anno /anno /anno % TIPO A 11 9% TIPO B 9 7% TIPO C 33 26% % TIPO D 33 26% % TIPO E 36 29% % TIPO F 3 2% % Totale % Tab. 4.2 Riepilogo suddivisione dei depuratori per classi Da notare che accorpando le classi C,D ed E, si ottengono 103 impianti di depurazione (ovvero 92% del campione) dove i consumi del sistema ossidativo sono superiori al 50% dei consumi complessivi; in particolare mediamente tali consumi incidono per più del 67% sui consumi energetici complessivi. Nel complesso le classi C,D,E coprono il 27,8% dei consumi energetici di tutti i depuratori di Acque. Solamente in n 3 impianti l incidenza dei consumi di aerazione (ove presente) è inferiore al 50% dei consumi energetici complessivi. 6

7 4. Risparmio Energetico Massimo Atteso Data la forte incidenza dei consumi relativi ai sistemi di aerazione, si ipotizza in questa fase di intervenire proprio sulla sola riduzione dei consumi energetici di aerazione. Caratteristiche Impianti correttamente dimensionati Impianti Sovradimensionati Impianti Sottodimensionati Impianti di maggiori dimensioni Intervento di massima Temporizzazione aerazione periodo notturno 23:00-7:00; 15 minuti OFF- 45 minuti ON. Temporizzazione aerazione periodo notturno e diurno Temporizzazione aerazione da valutare Temporizzazione aerazione e funzionamento a soglia ossigeno disciolto Riduzione % consumi Aerazione Attesa 8,3 % 12,0% 4,0 % 11% Tab. 5.1 Esempi di interventi per la riduzione dei consumi energetici di aerazione Con tali interventi, si stimano i margini di risparmio disponibili, suddivisi per classi di impianti. Consumo EE Totale Consumo EE Cadauno Totale Costi EE Costo EE Cadauno Incidenza Consumi Aerazione Margine Risparmio Aerazione Margine Risparmio annuo per Classe Margine Risparmio Medio Annuo Cad. kwh/anno kwh/anno /anno /anno % % /anno /anno TIPO A % 0 % 0 0 TIPO B % 0 % nn nn TIPO C % 10% 6, TIPO D % 12% 34,270 1,038 TIPO E % 11% 39,259 1,091 TIPO F % 10% Totale ,382 Tab. 5.2 Stima margini di riduzione dei costi energetici di aerazione suddivisi per classe di impianti. Questa stima fatta per classi non considera le effettive dimensioni degli impianti. Una stima più realistica dei margini di risparmio è riportata al paragrafo 8 del presente documento. 7

8 5. Interventi Previsti Date le caratteristiche del campione, si ipotizzano diverse tipologie di possibili. Caratteristiche 1.0 RTU Telecontrollo per acquisizione stati, allarmi e misuratori esistenti 1.1 RTU Telecontrollo per acquisizione stati, allarmi, misuratori e Temporizzazione Aerazione 2.0. RTU Telecontrollo per acquisizione stati, allarmi, misuratori + Temporizzazione Aerazione + Installazione Ossimetro per funzionamento a soglia RTU Telecontrollo per acquisizione stati, allarmi, misuratori + Temporizzazione Aerazione + Installazione Ossimetro per funzionamento a soglia + Installazione Torbidimetro uscita RTU Telecontrollo per acquisizione stati, allarmi, misuratori + Temporizzazione Aerazione + Installazione Ossimetro per funzionamento a soglia + Installazione Torbidimetro uscita + Installazione Misuratori di Portata ove non presenti RTU Telecontrollo per acquisizione stati, allarmi, misuratori + Temporizzazione Aerazione + Installazione Ossimetro per funzionamento a soglia ed al set-point (ove presente inverter) 5.1. Descrizione Componenti dei kit kit 2.2 kit 3.0 RTU B-200 X X x x x x Monitor Locale integrato RTU e/o centralina Sonde x x x x x x Timer Timer da TLC (gira in locale, ma è impostato da remoto) X X X X x Selettore Selettore ON/OFF/Automatico per abilitare Automazione via RTU x x x x x Ossimetro Ossimetro digitale con centralina dotata di diagnostica integrata, X X X x relè attuatori per pulizia automatica e relè stato sonde. Centralina n 2 o più canali Funzionamento a Soglia Ossimetro Funzionamento a Set-point Ossigeno Torbidimetro Pulizia automatica Sonde Diagnostica Sonde Misuratore di Portata Centralina di acquisizione segnali sonde digitali da ossimetri e torbidimetro. In ogni installazione sarà predisposta una centralina con n 2 ingressi/uscite libere per future implementazioni. Da TLC possono essere impostate delle soglie massime e minime di attivazione di 1,..,n aeratori come in una stazione di pompaggio. Sarà disposto un torbidimetro nel pozzetto di uscita impianto il quale sarà impostato su valori di NTU per ovviare ai problemi di taratura continua al variare delle condizioni del fango. Elettrovalvola su stacco aria da soffiante. L elettrovalvola viene azionata dalla centralina all occorrenza. L aria viene convogliata sulla sonda con ugelli mirati. La centralina esegue una diagnosi continua delle sonde. Qualora risultassero non efficienti, le centraline emettono un segnale di avaria analogo a quello delle pompe. Le centraline possono azionare da 1 a 3 relè per avaria. Sarà installato un nuovo misuratore di portata sulla spinta delle pompe in ingresso. Per ridurre tempi e costi di installazione si prevede di adottare misurati esterni a tempo di transito (oppure ad inserzione). X X X x X X X X X x X X X x X X X x X 8

9 5.2. Descrizione segnali Ingresso per RTU Telecontrollo DIGITALI Marcia Pompe di Sollevamento P1,,Pn x x x x x Avaria Pompe di Sollevamento P1,,Pn x x x x x Marcia Soffianti/Aeratori S1, Sn x x x x x Avaria Soffianti/Aeratori S1, Sn x x x x x Marcia Pompe di Ricircolo R1,,Rn (ove presenti) x x x x x Avaria Pompe di Ricircolo R1,,Rn (ove presenti) x x x x x Avaria Ossimetro Oxi1, Oxi2 x x x Avaria Torbidimetro Torb1 x x Avaria altre utenze (ove presenti) x x x x x Marcia altre utenze (ove presenti) x x x x x. ANALOGICI Misuratore di Portata Qin (ove presente) (m3/h) x x x x x Ossigeno Disciolto Oxi1, Oxi2 (mgo2/l) x x x Temperatura Oxi1, Oxi2 ( C) x x x Torbidità uscita depuratore Torb1 (NTU - mgss/l) x x Nuovo misuratore di Portata Qin (m3/h) x Potenza assorbita da Multimetro generale (kw) (ove presente) x x x x x 5.3. Descrizione comandi Uscita da RTU Telecontrollo Marcia soffianti x x x x 5.1. Descrizione parametri per RTU Telecontrollo Da rete TLC Tempo di Pausa (impostato da remoto su timer interno RTU) x x x x Tempo di Lavoro (impostato da remoto su timer interno RTU) x x x x Soglia massima Ossigeno Disciolto (impostato da remoto su RTU) x x x Soglia minima Ossigeno Disciolto (impostato da remoto su RTU) x x x Set-point ossigeno (ove presente inverter) x x x Soglia Allarme Torbidimetro Torb1 (NTU - mgss/l) x x Soglia Allarme Oxi1, Oxi2 (mgo2/l) x x x 9

10 6. Effetti sulla Gestione Degli Impianti In generale, gli interventi sopradescritti portano i seguenti effetti sulla gestione: Controllo in tempo reale dello stato delle elettromacchine Riduzione dei rischi di infrazione dei limiti allo scarico Ottimizzazione comparto di Aerazione Riduzione dei consumi energetici Ovviamente, soprattutto per gli impianti più piccoli, l economia degli interventi deve essere valutata anche alla luce dei costi di gestione/manutenzione, i quali, per talune applicazioni potrebbero risultare anche economicamente più onerosi del risparmio energetico correlato all intervento Operazioni di Manutenzione In generale, la frequenza di operazione di manutenzione nei confronti delle elettromacchine dovrebbe rimanere la stessa, dato che questi interventi non dipendono dal telecontrollo ma dalle caratteristiche e dai malfunzionamenti delle apparecchiature elettromeccaniche. In realtà tali interventi saranno resi più tempestivi proprio dalla presenza del telecontrollo, permettendo di garantire una maggiore continuità del servizio. Ossimetro La reale frequenza delle operazioni di pulizia e taratura dovrà essere verificata sul campo e potrà essere diversificata impianto per impianto; dovrà essere verificato l effetto dell eventuale sistema di auto pulizia in tutti gli impianti privi di pretrattamenti, dove le sostanze oleose di superficie possono interferire con la superficie dei sensori di misura. Il sistema di auto pulizia, se correttamente funzionante, permette di intervenire solo una volta all anno sugli ossimetri. Torbidimetro La reale frequenza delle operazioni di pulizia dovrà essere verificata sul campo e potrà essere diversificata impianto per impianto; dovrà essere verificato l effetto dell eventuale sistema di auto pulizia a seguito di eventuali eventi di fuoriuscita cospicua di solidi sospesi. Il sistema di auto pulizia, se correttamente funzionante, permette di intervenire solo una volta all anno sui torbidimetri. Le operazioni di taratura servono per passare dal segnale ottico in NTU al valore di SS. Tale taratura deve essere ripetuta ogni volta che cambiano le caratteristiche del fango (circa 3 volte all anno). Se si imposta la sonda sempre sul valore di NTU, non risulta necessaria nessuna taratura. 10

11 Caratteristiche Durata, Frequenza, costo Competenza materiale richiesta Nessun Intervento programmato richiesto nn nn Pulizia Ossimetro con acqua (no strofinamento con 30 minuti; 2 volte all anno; nn bassa panno) e taratura automatica della sonda esposta all aria atmosferica Sostituzione caps Ossimetri e manutenzione generale 1 ora cad.; max 1 volta all anno; 120 /cad. elevata Pulizia Torbidimetro con acqua (no strofinamento 30 minuti; 2 volte all anno; nn bassa con panno) Taratura Torbidimetro NTU -> mgss/l 2 ore; 3 volte all anno; nn elevata (non richiesta se permane il segnale in NTU) (misure SS cono) manutenzione generale Torbidimetro 1 ora cad; 1 volta all anno elevata Taratura e manutenzione generale misuratore di portata 2 ore; 1 volta all anno; eventuali consumabili elevata (*) Se Effettuate da Tecnici Acque SpA durante le consuete visite agli impianti; (**) Se effettuate da Acque Servizi srl o altre ditte di manutenzione competenti, durante i normali interventi di manutenzione impianto; (***) Se effettuate contestualmente alla manutenzione degli ossimetri; (****) Se programmate in serie su tutti gli impianti; Oltre alle Caratteristiche Traffico dati TLC 7. Scelta da installare 7.1. Criteri di scelta kit La scelta del tipo di KIT da installare è stata fatta sia in funzione del la classe di impianto che in funzione della potenzialità degli stessi. In particolare in tutti gli impianti con potenzialità minori di 1000 AE con allaccio alla rete EE sarà installato il kit 1.1 che non prevede l installazione di sonde, mentre sopra i 1000 AE saranno installati anche kit i quali prevedono n 1 ossimetro. Sotto i 1000 AE, a prescindere dalla ripartizione dei consumi e dalle caratteristiche degli impianti, l installazione di sonde (nello specifico ossimetri) risulta troppo onerosa sia in termini di rientro economico che in termini di costi di manutenzione (seppure bassi). La soglia sotto la quale fare questa valutazione potrebbe essere alzata anche fino a 2000 AE; al di sopra dei 2000 AE, data la diversa normativa legata alla qualità dello scarico, si consiglia in ogni caso si installare comunque almeno un ossimetro. Negli impianti sotto la soglia dei AE si prevedono comunque delle installazioni minimali (kit.1.1) che garantiscono un rientro economico minimo. Tali interventi sono da considerare strategici non tanto dal punto di vista del rientro economico o del risparmio energetico, quanto soprattutto da quello del telecontrollo: con le vigenti norme in materia di scarichi in corpi idrici superficiali, una rete di telecontrollo che avvisi delle avarie delle utenze elettromeccaniche permette di alzare il livello di attenzione nei 11

12 confronti delle piccole utenze (le quali per ovvie ragioni di scala hanno una frequenza di controlli molto bassa da parte di Acque SpA) e di intervenire tempestivamente per il ripristino del corretto funzionamento delle stesse, limitando peraltro il rischio di segnalazioni da parte della cittadinanza o degli organi competenti. In questa fase si consiglia, anche con impianti dotati di due vasche di ossidazione, di procedere all installazione di un solo ossimetro (magari in corrispondenza del muro divisorio tra le vasche, ove possibile) che potrà essere ubicato nella vasca maggiormente rappresentativa del funzionamento dell impianto. In questa fase non si prevedono installazioni di torbidimetri e misuratori di portata, i quali potranno essere inseriti successivamente (lasciando le predisposizioni per sonde e segnali). In definitiva, si prospettano i seguenti interventi: Classi di Impianto Potenzialità Impianti Tipologia da Installare N kit per tipo TIPO A AE Nessun (piccole utenze prive di EE) 0 TIPO B AE 1.0 (solo TLC per impianti privi di Aerazione) 9 TIPO C AE kit 1.1 (temporizzazione Aerazione) 33 TIPO D AE kit 1.1 (temporizzazione Aerazione) 19 TIPO D AE kit 2.0 (temporizzazione + soglie) 14 TIPO E AE kit 1.1 (temporizzazione Aerazione) 13 TIPO E AE kit 2.0 (temporizzazione + soglie) 23 TIPO F AE kit 1.1 (temporizzazione Aerazione) 3 A questo livello di conoscenza degli impianti ed a segfuito dei criteri di scelta sopradescritti, si prevede di installare i KIT come riassunto nella tabella seguente. Tipologia Totale Installazioni TOTALE