SIMBA#

Tento modul seznamuje s nejdůležitějšími a prakticky zavedenými principy modelování čištění odpadních vod a představuje dynamické modelování a simulace čistíren odpadních vod pomocí softwaru SIMBA# na základě konstrukce jednoduchého modelu čistírny odpadních vod.

Obsah:

• Úvod do dynamických simulací čistíren odpadních vod: Úvod do principů modelů čištění odpadních vod
• Úvod do simulačního systému SIMBA#
• Struktura, simulace a interpretace výsledků jednoduchého modelu čistírny odpadních vod
• Poznámky k výběru, použití a parametrizaci použitých knihovních modulů
• Tipy pro vhodnou interpretaci výsledků simulace a běžných chybových hlášení a jejich korekce
• Diskuse: Požadavky a otevřené otázky účastníků kurzu

Doporučené předchozí znalosti:

• A.1 První kroky: SIMBA# kurz pro začátečníky (online video playlist)

Tento modul seznamuje s dynamickým modelováním a simulacemi vodních proudů v systému pomocí programu SIMBA#Supply na základě konstrukce jednoduchého modelu toku odpadních vod (flow diagram) v průmyslové aplikaci.

Obsah:

• Digitální dvojčata – úvod
• Úvod do simulačního systému SIMBA#Supply
• Struktura, simulace a interpretace výsledků jednoduchého modelu průmyslové aplikace
• Poznámky k výběru, použití a parametrizaci použitých knihovních modulů
• Nastavení vektoru toku definovaného uživatelem (pomocí editoru ASM)
• Nastavení jednoduchého uživatelsky definovaného converter modelu
• Provádění simulací, prezentace výsledků, export výsledků
• Diskuse: Požadavky a otevřené otázky účastníků kurzu.

Doporučené předchozí znalosti:

• A.1 První kroky: SIMBA# kurz pro začátečníky (online video playlist)

Kurz navazuje na kurz A.2, přičemž model, který byl vytvořen v rámci tohoto základního kurzu je dále diskutován z pohledu návrhů středoevropské Výzkumné simulační univerzitní skupiny (HSG) a doplněn s použitím vzorových dat z měření na přítoku.

Obsah:

• Vztah mezi návrhovými předpisy a simulací
• Nakládání s měřenými daty, příprava dat z měření
• Frakcionace přítoku podle HSG
• Průběh průtoku a zatížení za bezdeštného počasí podle HSG
• Metody pro pokročilé modelování přítoku na základě měřených dat

Doporučené předchozí znalosti:

• A.2 Základní modelování a simulace se softwarem SIMBA#

SIMBA# nabízí širokou škálu možností pro modelování kanalizačních sítí: pro simulaci odtoku jsou v SIMBA# k dispozici hydrologické a hydrodynamické moduly; transport rozpuštěných látek lze kromě konvenčního CSTR přístupu popsat alternativně také pomocí Lagrangeova přístupu (balíčky vody); pro biochemické transformační procesy je k dispozici flexibilní definice modelu pomocí Petersen-Gujerova maticového zápisu známého ze simulací ČOV.

Tento výukový modul poskytuje přehled těchto přístupů a vysvětluje, jak lze v SIMBA# používat příslušné moduly (a také je vzájemně kombinovat).
Ve druhé části modulu je podrobněji diskutována simulace sítě hydrologických kanálů a některé její možné aplikace.

Obsah:

• Souhrnný úvod: přístupy k modelování srážko-odtokových procesů, odtoku, transportu a přenosu hmot v kanalizačních sítích
• Definice ploch podle DWA-A 102-2 a odpovídající simulace
• Použití (v SIMBA# 5) nových funkcí bloku Evaluation
• Odhady: Potenciál opatření, jako jsou odpojení oblastí a řízení kanalizační sítě

Doporučené předchozí znalosti:

• A.1 První kroky: SIMBA# kurz pro začátečníky (online video playlist)

SIMBA# nabízí širokou škálu možností modelování kanalizačních sítí, včetně (podrobného) hydrodynamického modelování.

Tento výukový modul poskytuje přehled o různých možnostech pro hydrodynamické simulace stokových sítí v programu SIMBA# a také představuje novou knihovnu hydrodynamických bloků.

Obsah:

• Souhrnný úvod: Hydrodynamické modelování v SIMBA#
• Nová knihovna hydrodynamických bloků (v SIMBA#)
• Definice ploch podle DWA-A 102-2 a odpovídající simulace
• Představení modelového příkladu založeného na GIS
• Použití bloku Evaluation a souhrnné tabulky

Doporučené předchozí znalosti:

• A.4 Simulace stokových sítí – úvod do hydrologického modelování

Tento modul představuje modelovou knihovnu „Supply“ programu SIMBA#supply, kterou lze použít pro zjednodušené modelování systémů zásobování vodou (pitná voda, voda pro průmyslové aplikace).

Obsah:

• Koncept modelů řízených poptávkou (jednoduchý vs. podrobný)
• Úvod do knihovny Supply
• Struktura, simulace a interpretace výsledků jednoduchého modelu průmyslové aplikace (zásobování vodou)
• Kombinace běžných bloků pro směrování toku v programu SIMBA#supply se sítěmi zásobování řízenými poptávkou
• Zobrazení hmotnostních a energetických toků v Sankeyho diagramu
• Diskuse: Požadavky a otevřené otázky účastníků kurzu.

Doporučené předchozí znalosti:

• A.1 První kroky: SIMBA# kurz pro začátečníky (online video playlist)
• A.2sup Základní modelování a simulace s SIMBA#supply zaměřené na aplikace knihovny Supply nebo A.2

Síť látkových toků a různých druhů vod lze jednoduše modelovat pomocí knihovny Supply.

Obsah:

• Vodní bilance podniku
• Opatření směřující k provozu s oběhem vody (recirkulace, recyklace)
• Rozšíření systému o uživatelsky definované „converter“ bloky
• Příklady modelů

Doporučené předchozí znalosti:

• A.2sup Základní modelování a simulace s SIMBA#supply zaměřené na aplikace knihovny Supply nebo A.2
• A.6 Modelování toku zdrojů pomocí knihovny SIMBA Supply

V tomto modulu jsou představeny koncepty pro modelování tlakových potrubních sítí implementované v SIMBA#. Příslušnou modelovou knihovnu lze použít k simulaci tlaků a průtoků a přenosů hmot v plně zaplněných potrubních sítích. Tato knihovna je vhodná pro modelování:

• Vodovodních sítí
• Tlakových sítí pro odpadní vody (ČSOV, tlakové kanalizace)
• Přečerpávání odpadních vod v rámci čistíren odpadních vod
• Systémů procesní vody

Obsah:

• Úvod do knihovny tlakových potrubních sítí
• Základy modelování tlakových potrubních sítí, přístup k řešení z EPANETu
• Modelové aspekty spotřeby závislé na tlaku (PDD) a ztrát (na síti)
• Základy modelování přenosu hmot (advekce-disperze)
• Příklad systému pitné vody
• Příklad návrhu čerpadla

Doporučené předchozí znalosti:

• A.1 První kroky: SIMBA# kurz pro začátečníky (online video playlist)

V tomto modulu jsou představeny koncepty pro modelování tlakových potrubních sítí implementované v SIMBA#. Příslušnou modelovou knihovnu lze použít k simulaci tlaků a průtoků a přenosů hmot v plně zaplněných potrubních sítích. Školení bude zaměřeno na oblast modelování čerpacích stanic odpadních vod a přečerpávání odpadních vod v rámci ČOV.

Obsah:

• Úvod do knihovny tlakových potrubních sítí
• Základy modelování tlakových potrubních sítí, přístup k řešení z EPANETu
• Příklad tlakového potrubního systému
• Příklad čerpací stanice odpadních vod, návrh čerpadla
• Možnosti výpočtu energetické náročnosti čerpání (zjednodušený a detailní přístup)

Doporučené předchozí znalosti:

• A.1 První kroky: SIMBA# kurz pro začátečníky (online video playlist)

Tento modul seznamuje s psaním skriptů v softwaru SIMBA#. Skripty lze použít k automatizaci provádění simulačních studií, např. automatickou analýzou změn parametrů nebo dimenzováním zařízení (závodu). Skripty lze konfigurovat prostřednictvím dialogu i programovat v jazyce C#. V tomto modulu je představena první varianta – konfigurace prostřednictvím dialogu.

Obsah:

• Akce, podmínky a sekvence
• Globální a lokální proměnné
• Interakce s modelem
• Struktura modelového příkladu: návrh ČOV
• Vývojové diagramy

Doporučené předchozí znalosti:

• A.2 Základní modelování a simulace se softwarem SIMBA#

Tento modul seznamuje s psaním skriptů založených na jazyce C# v softwaru SIMBA#. Skripty lze použít k automatizaci provádění simulačních studií, např. automatickou analýzou změn parametrů nebo dimenzováním zařízení (závodu). Skripty lze konfigurovat prostřednictvím dialogu i programovat v jazyce C#. V tomto modulu je představena druhá varianta – programování v jazyce C#.

Obsah:

• Úvod do skriptů C#, důležité třídy
• Výstup výsledků v konzole
• Přístup k modelu a výsledkům simulace
• Generování diagramů výsledků
• Numerické výpočty: citlivost, kalibrace, optimalizace

Doporučené předchozí znalosti:

• A.2 Základní modelování a simulace se softwarem SIMBA#

Pro odstraňování mikropolutantů se prosadily procesy adsorpce na aktivním uhlí a/nebo ozonizace. Od verze 4.0 jsou v SIMBA# zahrnuty modely adsorpce na práškovém aktivním uhlí. V tomto modulu je prezentováno použití tohoto modelu.

Obsah:

• Základy modelu pro adsorpci
• Model SIMBA# PAM (model práškového aktivního uhlí)
• Kalibrace modelu (uhlík a matice odpadních vod)
• Příklad modelu (metoda Ulm)
• Přehled, další procesy, GAK (granulované aktivní uhlí)

Doporučené předchozí znalosti:

• A.2 Základní modelování a simulace se softwarem SIMBA#

Ve verzi 5.0 podporuje SIMBA# kromě modelování na základě procesního diagramu také grafické znázornění modelů na základě map nebo GIS. Tento typ zobrazení je vhodný zejména pro modelování kanalizačních sítí, sítí pitné vody a povodí.

Obsah:

• Nastavení projekce
• Zobrazení map a souborů ESRI shapefile
• Použití výškových modelů (DEM)
• Příklad modelu kanalizační sítě

Doporučené předchozí znalosti:

• A.4 Simulace stokových sítí – úvod do hydrologického modelování
• A.5 Simulace stokových sítí – hydrodynamické modelování

Často složité řízení čistíren odpadních vod typu SBR lze podrobně modelovat pomocí softwaru SIMBA#. V tomto výukovém modulu je modelován řídicí systém pro modul SBR z knihovny odpadních vod. Jsou zohledněny následující aspekty:

• Základy provozu SBR
• Vlastnosti modulu SBR
• Řízení pomocí Petriho sítí
• Řízení pomocí IEC kódu (strukturovaný text, IEC 61131-3)

Doporučené předchozí znalosti:

• A.2 Základní modelování a simulace se softwarem SIMBA#

Regulátory založené na modelech využívají interní simulační model (digitální dvojče) systému, který má být řízen, k simulaci budoucího chování, formulaci optimálního výsledku řízení (funkce kvality) a používají matematický optimalizační algoritmus k výpočtu manipulovaných proměnných. SIMBA# obsahuje knihovnu MBPC, která umožňuje uživateli navrhnout vlastní regulátory založené na modelech. Pomocí nástroje ifakFAST lze též tento regulátor připojit k reálným systémům.

Obsah:

• Základy modelově založeného prediktivního řízení (MBPC)
• Příklad modelu „single loop control“ (SISO)
• Příklad modelu „two-size control“
• Perspektivy procesních regulátorů na čistírnách odpadních vod

Doporučené předchozí znalosti:

• A.1 První kroky: SIMBA# kurz pro začátečníky (online video playlist)

Funkce aeračních systémů je pro čistírny odpadních vod klíčová. Protože se aerační systémy skládají z mnoha součástí (dmychadel, aeračních elementů, potrubí, ventilů, senzorů), je analýza reálných čistíren časově náročná. Pokud jsou modely aeračních systémů uvažovány integrovaně s modely čištění odpadních vod, lze analýzy výrazně urychlit.

Obsah:

• Detailní modely aeračních systémů
• Modelové bloky aeračních elementů, potrubí, okrajových podmínek, ventilů, dmychadel
• Validace modelů aeračních systémů
• Řízení aeračních systémů
• Implementace „constant pressure control, sliding pressure control, air distribution control“

Doporučené předchozí znalosti:

• A.2 Základní modelování a simulace se softwarem SIMBA#

SAmpSONS je bezplatný nástroj pro přibližné stanovení a vizualizaci materiálových toků (včetně dusíku, fosforu, stopových látek a zbytků léčiv) v sanitačních systémech orientovaných na zdroje (ROSS) a zjednodušené posouzení jejich životního cyklu.

Tento výukový modul poskytuje krátký úvod do používání tohoto nástroje, ale také vysvětluje, jak jej může uživatel několika jednoduchými kroky integrovat do prostředí SIMBA# a výrazně tak rozšířit možnosti jeho použití (dynamická simulace, modifikace bloků SAmpSONS, tvorba vlastních modulů).

Obsah:

• Souhrnný úvod do používání systému SAmpSONS
• Reprezentace materiálových toků a toků zdrojů
• Integrace systému SAmpSONS do systému SIMBA#
• Vytváření vlastních modulů, přidávání dalších kritérií udržitelnosti
• (Hrubé) hodnocení udržitelnosti sanitačních systémů a systémů odpadních vod

Doporučené předchozí znalosti:

• A.1 První kroky: SIMBA# kurz pro začátečníky (online video playlist)
• SAmpSONS online tutorial: www.youtube.com/watch?v=uxnsHmMQtIM

U mnoha kanalizačních sítí je řízení kanalizační sítě možným opatřením, jak zvýšit její výkonnost při nízkých nákladech na infrastrukturu. Zvýšení výkonnosti a flexibility v podstatě statického systému „kanalizační sítě“ může též pomoci lépe reagovat na výzvy spojené se změnou klimatu. Pro návrh a popis řízení kanalizační sítě jsou k dispozici tři přístupy: (1) formulace pravidel „pokud – pak“, (příp. jako fuzzy pravidel), (2) koncepce zobecněných hierarchických regulátorů, (3) modelově prediktivní řízení. V SW SIMBA# lze při vývoji, simulaci a implementaci řízení kanalizační sítě zohlednit všechny tyto přístupy.

Školící modul seznamuje se základními koncepty řízení kanalizačních sítí a vysvětluje jejich použití. Na závěr jsou uvedeny tipy pro praktickou implementaci, např. pomocí nástroje ifakFAST.

Obsah:

• Podmínky a cíle řízení kanalizační sítě
• Přehled materiálů DWA-M 180 a tematického svazku „Řízení odvodnění„
• Implementace v SIMBA#: systémy založené na pravidlech; zobecněné regulátory; modelově prediktivní řízení
• Praktická implementace pomocí ifakFAST

Doporučené předchozí znalosti:

• A.1 První kroky: SIMBA# kurz pro začátečníky (online video playlist)
• A.4 Simulace stokových sítí – úvod do hydrologického modelování

Management vodních zdrojů (nabídka – poptávka) hraje roli v mnoha oblastech aplikace, například při využívání dešťové vody, vyčištěné šedé vody nebo vody z průmyslových procesů. Za tímto účelem jsou k dispozici – spíše méně známé – knihovny SIMBA# SUPPLY a NEXUS. V tomto kurzu je ilustrováno použití modulů těchto knihoven na několika příkladech.

Obsah:

• Definice užívání vody: prioritní poptávka, proporcionální poptávka
• Propojení bloků za účelem informování o potřebách a dodávkách vody
• Použití poptávkově řízených akumulačních nádrží
• Příklady použití: Sběr dešťové vody, opětovné využití šedé vody
• Modely Nexus: Integrace různých, vzájemně se ovlivňujících materiálových toků – např. voda, energie, potraviny (modely „WEF nexus“).
• Vytváření „shit flow diagramů“ (GIZ/SuSanA)

Doporučené předchozí znalosti:

• A.1 První kroky: SIMBA# kurz pro začátečníky (online video playlist)

Otevřená platforma ifakFAST (Framework for Integrated Automation and Simulation Technologies) je určena k podpoře realizace řešení zaměřených na monitorování a optimalizaci provozu technických procesů. Aplikace se zaměřují na oblast vodohospodářských zařízení a procesů, zejména čistíren odpadních vod. Platforma ifakFAST je k dispozici od roku 2019 jako open source (https://fast.ifak.eu) a je vhodná zejména pro praktickou realizaci modelově založeného monitoringu a koncepcí řízení s využitím SIMBA# („digitální dvojče“).

Obsah:

• Představení softwarové platformy ifakFAST
• Ukázka nejdůležitějších funkcí
• Komunikační spojení s procesem pro výměnu dat
• Webový dashboard s vizualizačními funkcemi a správou alarmů
• Realizace výpočtů, např. pro implementaci kontrolérů, ve formě skriptů v jazyce C# a modelů SIMBA#
• Využití SIMBA# a ifakFAST pro virtuální uvedení do provozu

Doporučené předchozí znalosti:

• A.1 První kroky: SIMBA# kurz pro začátečníky (online video playlist)

Výroba plynu v bioplynových stanicích je založena na komplexních biochemických procesech. Vzhledem k dlouhé době tvorby biomasy lze přitom opatření ke zlepšení provozního řízení jen stěží vyhodnotit v rámci reálného procesu. S tímto mohou pomoci modely. S jejich použitím je možné vyhodnotit opatření (např. změnu substrátu) v rámci virtuálních experimentů, a to s ohledem na jejich krátkodobé a dlouhodobé účinky.

Obsah:

• Představení principů anaerobního biochemického modelu
• Modelové bloky fermentoru, modelování substrátů
• Sestavení vzorového modelu
• Spojení s plynovým systémem
• Řízení/regulace krmení
• Limity použití

Doporučené předchozí znalosti:

• A.1 První kroky: SIMBA# kurz pro začátečníky (online video playlist)
• SIMBA# Biogas (video tutorial): http://www.youtube.com/playlist?list=PLz-apvyQwQ-QFimdr8bLY9dJsNIL1FRYY

Anaerobní vyhnívání kalu je důležitou součástí technologických procesů na čistírnách odpadních vod. Opatření v aktivační části mají mimo jiné vliv, i když se zpožděním, na vyhnívání kalu a zpětné zatížení procesní vodou. To platí i pro opatření realizovaná v části zpracování kalu. K vyjádření a zkoumání těchto vzájemných vztahů je možné použít modelování.

Obsah:

• Prezentace principů anaerobních biochemických modelů
• Modelové bloky digesce, zahušťování a odvodňování
• Spojení s aktivační částí (ČOV)
• Řízení/regulace dávkování procesní vody
• Zohlednění kodigesce

Doporučené předchozí znalosti:

• A.2 Základní modelování a simulace se softwarem SIMBA#

Hodnocení vodohospodářských systémů obvykle zahrnuje také odhad nákladů životního cyklu (LCC) a dopadů s ohledem na definované environmentální ukazatele (např. emise skleníkových plynů, potřebu primární energie atd.) (LCA). Zde je třeba zohlednit náklady a dopady vyplývající z požadavků na investice i běžný provoz. SIMBA# nabízí možnost rozšířit simulační moduly o LCC/LCA evaluační moduly, které tato hodnocení provádějí „za běhu“ během simulace.
Tento modul školení seznamuje s používáním modulů LCC/LCA a s definicí příslušných parametrů a výpočtových pravidel.

Obsah:

• Základy analýzy životního cyklu a nákladů životního cyklu (LCA, LCC)
• Základy výpočtu, soubor středního bodu environmentálních ukazatelů
• Definice příslušných vyhodnocovacích skriptů

Doporučené předchozí znalosti:

• A.1 První kroky: SIMBA# kurz pro začátečníky (online video playlist)
• B.10 Zdrojově-orientované sanitační systémy simulované zjednodušeně

SIMBA# umožňuje modelovat též vypouštění (hydrologicky a hydrodynamicky) a biochemické transformační procesy v řekách. SIMBA# lze tedy použít i k vytváření modelů kvality vody v řekách. Simulace kvality vody může hrát významnou roli zejména při posuzování vlivu vypouštění z kanalizačních sítí a čistíren odpadních vod, především pokud jde o rozpuštěný kyslík a dusík (NH3, NH4). Postupy vyhodnocení umožňují posoudit kvalitu vody pomocí limitů doby a opakování podle britské příručky UPM (obdobně i viz přístup BWK).
Tento výukový modul vysvětluje, jak lze v programu SIMBA# sestavit hydrologické i hydrodynamické modely kvality vody, rozšířit je o libovolné biochemické transformační modely a poté je použít.

Obsah:

• Základy biochemických procesů v řekách a potocích
• Hydrologické a hydrodynamické modelování vodních útvarů v SIMBA#
• Předdefinované modely kvality vody v SIMBA#: SWQM, RWQM (IWA)
• Hodnocení kvality vody podle kritérií UPM a BWK

Doporučené předchozí znalosti:

• A.1 První kroky: SIMBA# kurz pro začátečníky (online video playlist)
• A.4 Simulace stokových sítí – úvod do hydrologického modelování
• A.5 Simulace stokových sítí – hydrodynamické modelování

Ve výukovém modulu jsou vysvětleny možnosti modelování chemických rovnovážných reakcí vody pomocí programu SIMBA#. Ty jsou vhodné pro modelování:

• Úpravy pitné vody
• Systémy procesní vody

Obsah:

• Úvod do knihovny chemie vody v softwaru SIMBA#
• Výpočet hodnoty pH, kyselinové a zásadité kapacity, rozpustnosti kalcitu
• Řešení systémů algebraických rovnic pomocí SIMBA#
• Import dat z databází PhreeqC
• Příklad: „Charge balance correction and analysis according to DIN 38404-10:2012-12 (1) and DIN 38402-62 (2014)“
• Příklad: Úprava rozpustnosti kalcitu přimícháním vody

Doporučené předchozí znalosti:

• A.1 První kroky: SIMBA# kurz pro začátečníky (online video playlist)
• A.2 Základní modelování a simulace se softwarem SIMBA#