Modelling, simulation and advanced control of small-scale reverse osmosis desalination plants

Resumen

Over the last few decades, desalination has become an effective technique to produce drinkable water, from sea and brackish water, in regions where the fresh water availability is insufficient to fulfil the water demand. From the nineties onwards, Reverse Osmosis (RO) has become the most popular technology for desalination. This is because the RO desalination plants require less energy, investment cost and maintenance than other alternative desalination processes. Around 50% of the plants operating, and most plants under construction, are based on RO technology. This thesis is focused on the modelling, simulation and advanced control of one particular type of RO desalination plants: small-scale plants situated in remote areas. Typically, these plants are powered by renewable energies (such as solar panels and wind turbines) and provide drinkable water for small villages and settlements. They are very popular in arid or semi-arid regions, where there is an important availability of solar radiation and wind, such as the Maghreb and the South of Europe. The correct operation of these plants fulfils the water demand and optimizes the use of the renewable energy. Besides, the advanced control deals with other issues, such as the minimization of the consumption of chemicals, the minimization of the volume of stored water, the scheduling of the stops and cleaning of the plant, the design of fault detection tools, etc. The first part of this thesis deals with the modelling of RO desalination plants. In line with this thesis, a dynamic simulation library was developed for RO desalination plants. This library is based on first principles, physical and chemical equations and correlations from the literature. It can be used for different purposes, such as the comparison of control strategies, optimization of variables, testing, capacity design, parameter estimation, data reconciliation, etc. Some of the components of the library were validated using an RO pilot plant. The second part of this thesis deals with the advanced control of RO desalination plants, powered by renewable energy. The advanced control was done using the developed simulation library, and it covers several issues, such as the model-based predictive control, the integration of process design and control, the economic optimization of the energy consumption and the cleaning scheduling, etc. The third and last part of this thesis deals with the multi-scale modelling of the RO membranes, which are the core of the RO desalination plants. In particular, the dynamic development of the salt gradient, which takes place in the boundary layer close to the membrane surface, was modelled. This modelling approach presents several improvements over other modelling strategies. ----------------- La desalinización de agua marina (y salobre) es una técnica ampliamente extendida, para la producción de agua potable en regiones con escasez de ella. Existen muchas técnicas de desalinización, siendo la ósmosis inversa la más popular, debido a su bajo consumo energético. Esta tesis está enfocada en el control de un tipo concreto de plantas de desalinización: plantas de pequeña capacidad (con una producción de varias decenas de metros cúbicos de agua potable al día), alimentadas por fuentes de energía renovable (placas fotovoltaicas y turbinas eólicas), y localizadas en zonas áridas y remotas. Este tipo de plantas es común en pequeños pueblos y asentamientos, situados en zonas de difícil acceso, como pueden ser en ciertas regiones del Magreb y sur de Europa. En muchos casos, existe una gran disponibilidad de energía renovable con la que poder alimentar a la planta; pero también presentan varios inconvenientes. Como la baja disponibilidad de productos químicos (necesarios en el pre y pos tratamiento del agua), limitaciones para el recambio de elementos de la planta, o la imposibilidad de tener un operario supervisando la planta de manera continua. Utilizando técnicas de control avanzado (tales como el control predictivo o el diseño integrado), se puede facilitar la operación y el diseño de la planta de desalinización: optimizar el tamaño de los depósitos y equipos, alargar la vida útil de los elementos de la planta, reducir el consumo de productos químicos, y en general, disminuir los gastos de operación e instalación; mientras se satisface la demanda de agua. En la presente tesis, se ha estudiado el control avanzado de estas plantas desde un nuevo punto de vista. Englobando al mismo tiempo, la operación de la planta, las limpiezas periódicas, y la producción de energía para su funcionamiento. Lo que presenta varias ventajas, explicadas a lo largo de la tesis. Además, se ha desarrollado una librería dinámica de simulación de plantas de ósmosis inversa (llamada ROSIM, por sus siglas en inglés), basada en primeros principios y ecuaciones físico químicas. Esta librería es complementaria a las librerías ya presentes en el mercado. Las librerías presentes en el mercado están enfocadas principalmente en el diseño del punto nominal del sistema, en la selección de los equipos adecuados de la planta, y en su configuración. Mientras que la librería ROSIM está enfocada en la evolución dinámica del sistema. Como puede ser el ensuciamiento de las membranas, la precipitación de sales, la posible rotura de las membranas, el crecimiento de microorganismos, el envejecimiento de los componentes, el comportamiento de los lazos de control, la puesta en marcha de la planta, las paradas y limpiezas periódicas, etc. Finalmente, se han estudiado las técnicas de modelado multiescala, aplicadas en el proceso de la desalinización. Desarrollando un nuevo modelo de la polarización de la concentración, que presenta varias ventajas frente a los enfoques clásicos. Gracias a una planta piloto de desalinización, se ha validado un simulador realizado con la librería ROSIM, el modelado multiescala y las técnicas de control avanzado.