İçme suyu hızlı kum filtresinin zeki kontrolü
Intelligent control of a rapid sand filter for potable waters
Yazar: MUSTAFA ONAT
Danışman: DOÇ.DR. MURAT DOĞRUEL
Marmara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektronik-Bilgisayar Eğitimi Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2001
Konu: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol = Computer Engineering and Computer Science and Control ; Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Akıllı denetim = Intelligent control ; Filtreleme = Filtration ; Filtreler = Filters

Özet:
ÖZET İÇME SUYU HIZLI KUM FİLTRESİNİN ZEKİ KONTROLÜ Bu çalışmada, direkt filtrasyon yöntemi ve basınçla çalıştırılan derin yataklı hızlı kum filtresinin çıkış suyu bulanıklığı, oldukça nonlineer filtre dinamiğine rağmen, istenilen referans seviyesinde zeki kontrol yöntemi ile kontrol edilmesi incelenmiştir. Buna bağlı olarak filtre çalışma süresinin maksimuma çıkarılması ve optimum alum kullanımı sağlanmaktadır. Çıkış suyu bulanıklığını doğrudan etkileyen filtre debisi ve ham su bulanıklığı gibi bozucu etkiler, başarılı bir şekilde giderilmesi sağlanmıştır. Deney seti genel olarak, derin yataklı filtre sütunu, ham su seti, ölçüm ve kontrol elemanları, pentium-I bilgisayar, DAS kartları ve arabirimler, pompa ve sürücüler ve set için geliştirilen otomasyon programından meydana gelmiştir. Bütün deneylerde, başlangıç filtre yatak derinliği, 84 cm' dir. Üniformluk katsayısı 1.4 olan silisli kum, yatak malzemesi olarak kullanılmıştır. Ham su seti ile, filtreye ham suyun sürekliliği sağlanılmıştır. Bütün deneylerde (aksi belirtilmedikçe) ham su sıcaklığı 16-19 °C arasında değişmiştir ve ham su bulanıklığı, 7.5-8.5 NTU arasında tutulmuştur. Deney seti, filtre sütununda oluşabilecek aşın basınçlar gibi, tehlikelere karşı donanım ve yazılım ile korunmuştur. Filtrenin çalışma süresi, geri yıkama kriterleri ile sınırlandırılmıştır. Bu kriterlerde müsaade edilen maksimum yük kaybı 1.4 m ve çıkış kalitesi bozulma değeri 0.5 NTU' dur. Geliştirilen otomasyon programı ile, filtrasyon ve geri yıkama işlemleri bu kriterlere göre otomatik olarak gerçekleştirilmiştir. Ham su ve filtre çıkış suyu bulanıklıkları, yatak basınçları, filtre debisi ve ham su sıcaklığı on line ölçülerek filtrenin davranışı belirlenmiştir. Bilgisayarla kontrol edilen dozaj pompası ile, gerekli alum dozu direkt olarak filtreye verilmiştir. Fazla alum dozunda, filtre yatağının giriş yüzeyinde flok tabakası oluşmuş ve filtrenin daha kısa zamanda tıkanmasına neden olunmuştur. Buna bağlı olarak yük kaybı ve filtre yüzeyine yakın basınçlar hızla artmıştır. Yetersiz alum dozunda ise, istenilen çıkış suyu kalitesi sağlanılamamıştır. Kum ve polimer esaslı filtre setinin gerçeğe uygun matematik modelinin oluşturulması çok güç ya da çoğu kez mümkün olmadığından, filtre çıkış suyu bulanıklığının kontrolünde zeki kontrol yöntemi tercih edilmiştir.Filtrenin alum dozu oranı değiştirildiğinde, cevap süresinin 8.5 dakika ve en uygun örnekleme zamanının 1 dakika olduğu deneylerden tespit edilmiştir. Daha büyük örnekleme aralıklarında, çıkış bulanıklığı karasız (salınımlı) olmuştur. Bulanıklık ölçümlerinde kullanılan türbidimetrenin (Hach 1720D), seri portundan en az dakikada bir örnek alınabildiğinden, daha küçük örnekleme aralıkları seçilememiştir. Deney seti, aşağı yönde basınçlı filtre olarak çalıştırıldığı için, filtrasyon süresince filtre hızı sabit kalmıştır ve filtrasyon süresince değişen filtre yatak basınçlarından etkilenmemiştir. Bu nedenle, filtre hızı kontrol edilmemiştir. Gerçekleştirilen çalışmanın sonuçlan aşağıdaki gibi özetlenebilir. a Sabit ve zeki kontrollü alum dozu ile yapılan sabit filtre hızlı filtrasyon deney sonuçlan, karşılaştınlarak her iki yaklaşım irdelenmiştir. a Orta ve yüksek alum dozlarında, sırasıyla müsaade edilen maksimum yük kaybı ve çıkış suyu kalitesi bozulma sınırlan filtrasyon süresini kısaltmada etkili olmuştur. o Daha yüksek sabit alum dozlannda, yük kaybı daha yüksek olurken, çıkış bulanıklığı daha düşük ve daha kararlı olmuştur. a Sabit alum filtrasyon sonucuna göre, zeki kontrol yöntemi ile daha iyi bir filtre performansı sağlanmıştır. a Yük kaybı, filtre hızı ve alum dozu ile doğru orantılı olarak artmıştır. q Filtre süresince çıkış kalitesinin sabit tutulması, alum optimizasyonu sonucunu doğurmuştur. a Değişken filtre dinamiğinden dolayı alum tüketimi filtrasyon süresince nonlineer olarak değişmiştir. Bu nedenle, sabit dozda optimum alum kullanımı gerçekleştirilemez, a Çıkış bulanıklığının kontrol edilmesiyle alum optimizasyonu sağlandığından, jar testi işlemine gerek duyulmamıştır. 20.6.2001 Mustafa ONAT

Abstract:
SUMMARY INTELLIGENT CONTROL OF A RAPID SAND FILTER FOR POTABLE WATERS In this study, the effluent turbidity of a deep-bed rapid sand filter run by direct filtration is controlled at a desired level in spite of the highly nonlinear filter dynamics. The maximum filter run time and optimum alum usage is achieved. Effects of disturbances such as the filter flow rate and the influent (raw water) turbidity that directly affect the effluent turbidity are compensated successfully. The experiment setup mainly consists of a deep bed filter column, a raw water setup, measurement and control elements, a Pentium-I computer, DAS cards and interfaces, pumps and drivers, and a developed automation program. The initial bed depth in all experiments is 84 cm. The silica sand is used as the granular material and its uniformity coefficient is 1.4. Continuous raw water is supplied to the filter by the raw water setup. In all experiments (unless stated otherwise), the raw water temperature changes between 16 and 19 °C, and the raw water turbidity is held between 7.5 and 8.5 NTU. For safety reasons, the experiment setup is protected by both hardware and software against the excessive pressures that could occur in the filter column. The filter run time is limited by the backwashing criteria where the maximum allowable headloss is 1.4 m and, the break-through is 0.5 NTU. The automation program developed automatically realizes the filtration and the backwashing operations with regard to these criteria. The behavior of the filter is determined by on-line measuring of the influent and effluent turbidity, the bed pressure drops, the flow rate and, the temperature of the influent. The required alum dose is directly dosed into the filter by a dosage pump controlled by the main computer. In case of the excessive alum doses, a flock layer occurs at the surface of the bed and, it causes to clog the filter in a shorter time. Additionally, the headloss and pressure drops near the surface increase rapidly. In case of the insufficient alum doses, the desired effluent quality can not be achieved. Since the extraction of a mathematical model of a sand and polymer based filter setup is very difficult and many times impossible, one of the intelligent control techniques is preferred to control the filter.The response time of the filter to a change of alum rate is found to be 8.5 minutes and, the best sampling time is determined as 1 minute. The effluent turbidity becomes oscillatory at the higher sampling intervals. Since the turbidimeter (Hach 1 720) used in the turbidity measurements is capable of sending samples one-minute intervals to its serial port, the sampling time cannot be chosen less than one minute. Since experiment setup is operated in downward direction as a pressure filter, the filter flow rate remains constant during the filter run, and is not affected by the bed pressures. Hence, the flow rate is not controlled. The results of this study may be summarized as follows." a The results of filter run experiments performed by the constant and intelligently controlled alum doses at a constant filter rate are compared and both of the approaches are examined. a While the maximum allowable headloss is the limiting factor at low or medium alum doses, at higher doses the break-through becomes the limiting factor, o The higher constant alum dose, the lower and more stable effluent turbidity and the higher headloss. a The headloss is found to be proportional to the flow rate and the alum dose. a The intelligent control performance is better than the constant alum dosing in the filter run time and the effluent quality, a The effluent turbidity is controlled at a desired reference level during the filter run time. Hence, the optimum alum usage is achieved. a To keep the effluent quality constant, the alum consumption during the filter run time nonlinearly changes due to the complex filter dynamics. Therefore, dosing alum to the filter at a constant rate does not meet the optimum alum condition, a Since the alum optimization is achieved, the implementation of the jar test is not required. 20.6.2001 Mustafa ONAT