Measurement of CO2 leakage from pipelines under CCS conditions through acoustic emission detection and data driven modeling

CO2 leakage from carbon capture and storage (CCS) networks may lead to ecological hazards, bodily injury and economic losses. In addition, captured CO2 often contains impurities which affect the leakage behavior of CO2. This paper presents a method for continuous and quantitative measurements of CO2 leakage flowrate and the volume fraction of impurities by combining data-driven models with acoustic emission (AE) and temperature sensors. Three data-driven models based on artificial neural network (ANN), random forest (RF), and least squares support vector machine (LS-SVM) algorithms are established. The outputs from the three data-driven models are then integrated to give improved results. Experimental work was conducted on a purpose-built CO2 leakage test rig under a range of conditions. N2 was injected to the CO2 gas stream as an impurity medium. Results show that the integrated model yields a relative error within ±4.0% for leakage flowrate and ±3.4% for volume fraction of N2

Estimación Espectral de Series de Tiempo de Absorbancia Uv-Vis para el Monitoreo de Calidad de Aguas

Context: Signals recorded as multivariate time series by UV-Vis absorbance captors installed in urban sewer systems, can be non-stationary, yielding complications in the analysis of water quality monitoring. This work proposes to perform spectral estimation using the Box-Cox transformation and differentiation in order to obtain stationary multivariate time series in a wide sense. Additionally, Principal Component Analysis (PCA) is applied to reduce their dimensionality.Method: Three different UV-Vis absorbance time series for different Colombian locations were studied: (i) El-Salitre Wastewater Treatment Plant (WWTP) in Bogotá; (ii) Gibraltar Pumping Station (GPS) in Bogotá; and (iii) San-Fernando WWTP in Itagüí. Each UV-Vis absorbance time series had equal sample number (5705). The esti-mation of the spectral power density is obtained using the average of modified periodograms with rectangular window and an overlap of 50%, with the 20 most important harmonics from the Discrete Fourier Transform (DFT) and Inverse Fast Fourier Transform (IFFT).Results: Absorbance time series dimensionality reduction using PCA, resulted in 6, 8 and 7 principal components for each study site respectively, altogether explaining more than 97% of their variability. Values of differences below 30% for the UV range were obtained for the three study sites, while for the visible range the maximum differences obtained were: (i) 35% for El-Salitre WWTP; (ii) 61% for GPS; and (iii) 75% for San-Fernando WWTP.Conclusions: The Box-Cox transformation and the differentiation process applied to the UV-Vis absorbance time series for the study sites (El-Salitre, GPS and San-Fernando), allowed to reduce variance and to eliminate ten-dency of the time series. A pre-processing of UV-Vis absorbance time series is recommended to detect and remove outliers and then apply the proposed process for spectral estimation.Language: Spanish.Contexto: las señales registradas como de series de tiempo por sensores de espectrometría UV-Vis en diferen-tes instalaciones de saneamiento urbano, pueden ser no estacionarias, lo cual complica el análisis del monito-reo de la calidad del agua. Este trabajo propone realizar la estimación espectral aplicando la transformación de Box-Cox y la diferenciación con el fin de obtener series de tiempo estacionarias en sentido amplio y reducir su dimensionalidad con base en el análisis de componentes principales (PCA, por sus siglas en inglés).Método: la metodología se aplica a series de tiempo de absorbancia UV-Vis para tres sitios de estudio en Co-lombia: (i) Planta para el tratamiento de agua residual (PTAR) El-Salitre (Bogotá); (ii) Estación de Bombeo Gi-braltar (EBG) (Bogotá); y (iii) Planta para el tratamiento de agua residual (PTAR) San-Fernando (Itagüí). Las series de tiempo de absorbancia UV-Vis se registran con igual tamaño de 5705 muestras. Se realiza la estimación de la densidad espectral mediante el promedio de periodogramas modificados con ventana rectangular con un traslape del 50%, utilizando en el procedimiento DFT (Discrete Fourier Transform) e IFFT (Inverse Fast Fourier Transform) con los veinte armónicos más relevantes.Resultados: al reducir la dimensionalidad de las series de tiempo de absorbancia con PCA, se obtienen para cada sitio de estudio seis, ocho y siete componentes principales respectivamente, explicando en conjunto más del 97% de la variabilidad. Para los tres sitios de estudio, se obtuvieron valores de diferencias inferiores al 30% para el rango UV, mientras que para el rango visible se obtiene máximas diferencias de: (i) 35% para El-Salitre; (ii) 61% para EBG; y (iii) 75% para San-Fernando.Conclusiones: con la transformación de Box-Cox y el proceso de diferenciación aplicado a tres series de tiempo de absorbancia UV-Vis para los sitios propuestos de estudio, se logra reducir la varianza y se elimina la tenden-cia de las series de tiempo. Se recomienda realizar un pre-procesamiento de las series de tiempo de absorban-cia UV-Vis para detectar y remover los valores extremos y posteriormente aplicar el proceso propuesto para la estimación espectral.Idioma: Español

Forecasting of uv-vis spectrometry time series for online water quality monitoring in operating urban sewer systems

El monitoreo de contaminantes en sistemas de saneamiento urbano es generalmente realizado por medio de campañas de muestreo, las muestras deben ser transportadas, almacenadas y analizadas en laboratorio. Sin embargo, los desarrollos en óptica y electrónica han permitido su fusión y aplicación en la espectrometría UV-Vis. Los sensores UV-Vis tienen como propósito determinar la dinámica de las cargas de materia orgánica (Demanda Química de Oxigeno DQO y Demanda Bioquímica de Oxigeno DBO5), nitratos, nitritos y Sólidos Suspendidos Totales (SST). Adicionalmente a los métodos aplicados para la calibración de los sensores y el análisis las series de tiempo de los espectros de absorbancias UV-Vis, es necesario desarrollar métodos de pronóstico con el fin de ser utilizada en control de monitoreo en línea en tiempo real. La información proveniente de los datos recolectados puede ser utilizada para la toma de decisiones y en aplicaciones de control de tiempo real. Realizar pronósticos es importante en procesos de toma de decisiones. Por lo tanto, el objetivo de este trabajo de investigación fue desarrollar uno o varios métodos de pronóstico que puedan ser aplicados a series de tiempo de espectrometría UV-Vis para el monitoreo en línea de la calidad de agua en sistemas urbanos de saneamiento en operación. Cinco series de tiempo de absorbancia UV-Vis obtenidas en línea en diferentes sitios fueron utilizadas, con un total de 5705 espectros de absorbancia UV-Vis: cuatro sitios experimentales en Colombia (Planta de Tratamiento de Aguas Residuales (PTAR) El-Salitre, PTAR San Fernando, Estación Elevadora de Gibraltar y un Humedal Construido/Tanque de Almacenamiento) y un sitio en Austria (Graz-West R05 Catchment outlet). El proceso propuesto completo consta de etapas a ser aplicadas a las series de tiempo de absorbancia UV-Vis y son: (i) entradas, series de tiempo de absorbancia UV-Vis,(ii) pre-procesamiento de las series de tiempo, análisis de outliers, completar los valores ausentes y reducción de la dimensionalidad,y (iii) procedimientos de pronóstico y evaluación de los resultados. La metodología propuesta fue aplicada a la series de tiempo con diferentes características (absorbancia), esta consiste del enventaneo Winsorising como paso para la remoción de outliers y la aplicación de la transformada discreta de Fourier (DFT) para reemplazar valores ausentes. Los nuevos valores reemplazando o los outliers o los valores ausentes presentan la misma o al menos la misma forma de la serie de tiempo original, permitiendo una visión macro en la coherencia de la serie de tiempo. La reducción de la dimensionalidad en las series de tiempo de absorbancia multivariadas permite obtener menor número de variables a ser procesadas: el análisis por componentes principales (PCA) como transformación lineal captura más del 97% de la variabilidad en cada serie de tiempo (en un rango de una a seis, dependiendo del comportamiento de la series de tiempo absorbancia) y el proceso de Clustering (k-means) combinado con cadenas de Markov. Los procedimientos de pronóstico basados en señales periódicas como la DFT, Chebyshev, Legendre y Regresión Polinomial fueron aplicados y estos pueden capturar el comportamiento dinámico de las series de tiempo. Algunas técnicas de aprendizaje de máquina fueron probadas y fue posible capturar el comportamiento de las series de tiempo en la etapa de calibración, los valores de pronóstico pueden seguir el comportamiento general comparado con los valores observados (excepto ANFIS, GA y Filtro de Kalman). Por lo tanto, ANN y SVM tiene buen rendimiento de pronóstico para la primer parte del horizonte de pronóstico (2 horas). La evaluación de cada metodología de pronóstico fue realizada utilizando cuatro indicadores estadísticos tales como porcentaje absoluto de error (APE), incertidumbre extendida (EU), conjunto de valores dentro del intervalo de confianza (CI) y suma de valores de incertidumbre extendida más el conjunto de valores dentro del intervalo de confianza. El rendimiento de los indicadores provee información acerca de los resultados de pronóstico multivariado con el fin de estimar y evaluar los tiempos de pronóstico para cierta metodología de pronóstico y determinar cuál metodología de pronóstico es mejor adaptada a diferentes rangos de longitudes de onda (espectros de absorbancia) para cada serie de tiempo de absorbancia UV-Vis en cada sitio de estudio. Los resultados en la comparación de las diferentes metodologías de pronóstico, resaltan que no es posible obtener la mejor metodología de pronóstico, porque todas las metodologías de pronóstico propuestas podrían generar un amplio número de valores que permitirán complementar cada una con las otras para diferentes pasos de tiempo de pronóstico y en diferentes rangos del espectro (UV y/o Vis). Por lo tanto, es propuesto un sistema híbrido que es basado en siete metodologías de pronóstico. Así, los valores de los espectros de absorbancia pronosticados fueron transformados a los correspondientes indicadores de calidad de agua (WQI) para utilización en la práctica. Los resultados de pronóstico multivariado presentan valores bajos de APE comparados con los resultados de pronóstico univariado utilizando directamente los valores WQI observados. Estos resultados, probablemente, son obtenidos porque el pronóstico multivariado incluye la correlación presente en todo el rango de los espectros de absorbancia (se captura de forma completa o al menos gran parte de la variabilidad de las series de tiempo),una longitud de onda interfiere con otra u otras longitudes de onda. Finalmente, los resultados obtenidos para el humedal construido/tanque de almacenamiento presentan que es posible obtener apreciables resultados de pronóstico en términos de tiempos de detección para eventos de lluvia. Adicionalmente, la inclusión de variables como escorrentía (nivel de agua para este caso) mejora substancialmente los resultados de pronóstico de la calidad del agua. El monitoreo de contaminantes en sistemas de saneamiento urbano es generalmente realizado por medio de campañas de muestreo, las muestras deben ser transportadas, almacenadas y analizadas en laboratorio. Sin embargo, los desarrollos en óptica y electrónica han permitido su fusión y aplicación en la espectrometría UV-Vis. Los sensores UV-Vis tienen como propósito determinar la dinámica de las cargas de materia orgánica (Demanda Química de Oxigeno DQO y Demanda Bioquímica de Oxigeno DBO5), nitratos, nitritos y Sólidos Suspendidos Totales (SST). Adicionalmente a los métodos aplicados para la calibración de los sensores y el análisis las series de tiempo de los espectros de absorbancias UV-Vis, es necesario desarrollar métodos de pronóstico con el fin de ser utilizada en control de monitoreo en línea en tiempo real. La información proveniente de los datos recolectados puede ser utilizada para la toma de decisiones y en aplicaciones de control de tiempo real. Realizar pronósticos es importante en procesos de toma de decisiones. Por lo tanto, el objetivo de este trabajo de investigación fue desarrollar uno o varios métodos de pronóstico que puedan ser aplicados a series de tiempo de espectrometría UV-Vis para el monitoreo en línea de la calidad de agua en sistemas urbanos de saneamiento en operación. Cinco series de tiempo de absorbancia UV-Vis obtenidas en línea en diferentes sitios fueron utilizadas, con un total de 5705 espectros de absorbancia UV-Vis: cuatro sitios experimentales en Colombia (Planta de Tratamiento de Aguas Residuales (PTAR) El-Salitre, PTAR San Fernando, Estación Elevadora de Gibraltar y un Humedal Construido/Tanque de Almacenamiento) y un sitio en Austria (Graz-West R05 Catchment outlet). El proceso propuesto completo consta de etapas a ser aplicadas a las series de tiempo de absorbancia UV-Vis y son: (i) entradas, series de tiempo de absorbancia UV-Vis,(ii) pre-procesamiento de las series de tiempo, análisis de outliers, completar los valores ausentes y reducción de la dimensionalidad,y (iii) procedimientos de pronóstico y evaluación de los resultados. La metodología propuesta fue aplicada a la series de tiempo con diferentes características (absorbancia), esta consiste del enventaneo Winsorising como paso para la remoción de outliers y la aplicación de la transformada discreta de Fourier (DFT) para reemplazar valores ausentes. Los nuevos valores reemplazando o los outliers o los valores ausentes presentan la misma o al menos la misma forma de la serie de tiempo original, permitiendo una visión macro en la coherencia de la serie de tiempo. La reducción de la dimensionalidad en las series de tiempo de absorbancia multivariadas permite obtener menor número de variables a ser procesadas: el análisis por componentes principales (PCA) como transformación lineal captura más del 97% de la variabilidad en cada serie de tiempo (en un rango de una a seis, dependiendo del comportamiento de la series de tiempo absorbancia) y el proceso de Clustering (k-means) combinado con cadenas de Markov. Los procedimientos de pronóstico basados en señales periódicas como la DFT, Chebyshev, Legendre y Regresión Polinomial fueron aplicados y estos pueden capturar el comportamiento dinámico de las series de tiempo. Algunas técnicas de aprendizaje de máquina fueron probadas y fue posible capturar el comportamiento de las series de tiempo en la etapa de calibración, los valores de pronóstico pueden seguir el comportamiento general comparado con los valores observados (excepto ANFIS, GA y Filtro de Kalman). Por lo tanto, ANN y SVM tiene buen rendimiento de pronóstico para la primer parte del horizonte de pronóstico (2 horas). La evaluación de cada metodología de pronóstico fue realizada utilizando cuatro indicadores estadísticos tales como porcentaje absoluto de error (APE), incertidumbre extendida (EU), conjunto de valores dentro del intervalo de confianza (CI) y suma de valores de incertidumbre extendida más el conjunto de valores dentro del intervalo de confianza. El rendimiento de los indicadores provee información acerca de los resultados de pronóstico multivariado con el fin de estimar y evaluar los tiempos de pronóstico para cierta metodología de pronóstico y determinar cuál metodología de pronóstico es mejor adaptada a diferentes rangos de longitudes de onda (espectros de absorbancia) para cada serie de tiempo de absorbancia UV-Vis en cada sitio de estudio. Los resultados en la comparación de las diferentes metodologías de pronóstico, resaltan que no es posible obtener la mejor metodología de pronóstico, porque todas las metodologías de pronóstico propuestas podrían generar un amplio número de valores que permitirán complementar cada una con las otras para diferentes pasos de tiempo de pronóstico y en diferentes rangos del espectro (UV y/o Vis). Por lo tanto, es propuesto un sistema híbrido que es basado en siete metodologías de pronóstico. Así, los valores de los espectros de absorbancia pronosticados fueron transformados a los correspondientes indicadores de calidad de agua (WQI) para utilización en la práctica. Los resultados de pronóstico multivariado presentan valores bajos de APE comparados con los resultados de pronóstico univariado utilizando directamente los valores WQI observados. Estos resultados, probablemente, son obtenidos porque el pronóstico multivariado incluye la correlación presente en todo el rango de los espectros de absorbancia (se captura de forma completa o al menos gran parte de la variabilidad de las series de tiempo),una longitud de onda interfiere con otra u otras longitudes de onda. Finalmente, los resultados obtenidos para el humedal construido/tanque de almacenamiento presentan que es posible obtener apreciables resultados de pronóstico en términos de tiempos de detección para eventos de lluvia. Adicionalmente, la inclusión de variables como escorrentía (nivel de agua para este caso) mejora substancialmente los resultados de pronóstico de la calidad del agua.The monitoring of pollutants in urban sewer systems is generally conducted by sampling campaigns, and the resulting samples must be transported, stored and analyzed in laboratory. However, the developments in optics and electronics have enabled the merge of them into the UV-Vis Spectrometry. UV-Vis probes have the purpose of determining the dynamics of loads of organic materials (i.e. Chemical Oxygen Demand (COD) and Biochemical Oxygen Demand (BOD5)), nitrates, nitrites and Total Suspended Solids (TSS). In addition to the methods used for the calibration of the probes and the analysis of the time series of UV-Vis absorbance spectra, it is necessary to develop forecasting methods in order to use the online control monitoring in real time. The information from the collected data can also be used for decision making purposes and for real-time control applications. Forecasting is important for decision-making processes. Therefore, the objective of this research work was to develop either a forecasting method or forecasting methods applied to UV-Vis spectrometry time series data for online water quality monitoring in operating urban sewer systems. Five UV-Vis Absorbance time series collected at different on-line measurement sites were used, for a total of 5705 UV-Vis absorbance spectra data: four sites in Colombia (El-Salitre Wastewater Treatment Plant-WWTP, San Fernando WWTP, Pumping Station (PS) sewage called Gibraltar and constructed-wetland/reservoir-tank (CWRT)) and one site in Austria (Graz-West R05 Catchment outlet). The complete process proposed to be applied to UV-Vis absorbance time series has several stages and these are: (i) inputs, the UV-Vis absorbance time series,(ii) the time series pre-processing, outliers analysis, complete missing values and time series dimensionality reduction,and (iii) forecasting procedures and evaluation of results. The methodology proposed was applied to the time series with different characteristics (absorbance), this consists of Winsorising as a step in outlier removal and the application of the Discrete Fourier Transform (DFT) to complete the missing values. The new values replaced either outliers or missing values present the same, or almost the same, shape as the original time series, granted the macro vision of the time series coherence. Dimensionality reduction of multivariate absorbance time series allows to have less variables to be processed: PCA linear transformation captures more than 97% of variability for each time series (PC ranging from one to six, depending on absorbance time series behavior), and Clustering process (k-means) combined with Markov Chains. Forecasting procedures based on periodic signals as DFT, Chebyshev, Legendre and Polynomial Regression were applied and they can capture the dynamic behaviour of the time series. Several Machine Learning technics were tested and it was possible to capture the behaviour of the time series at calibration stage, the forecasting obtained valúes can follow the general behaviour compared with observed valúes (with exception of ANFIS, GA and Kalman Filter). Therefore, ANN and SVM have good forecasting performances for first part of forecasting horizon (2 hours). The evaluation of each forecasting methodology was done using four statistic indicators as Absolute Percentage Error (APE), Extended Uncertainty (EU), Set of observed values within Confidence Interval (CI) and sum of EU and Set of observed values within CI. The performance indicators provided valuable information about multivariate forecasting results to estimate and evaluate the forecasting time for a given forecasting methodology and determine which forecasting methodology is best suited for different wavelength ranges (absorbance spectra) at each study site s UV-Vis absorbance time series. Results from different comparison of several forecasting methodologies, highlight that there is not possibility to have a best forecasting methodology among the proposed ones, because all of them could provide a wide forecasting values that would complemented each other for different forecasting time steps and spectra range (UV and/or Vis). Therefore, it is proposed a hybrid system that is based on seven forecasting methodologies. Thus, the forecasted absorbance spectra were transformed to Water Quality Indicators (WQI) for practical uses. The multivariate forecasting results show lower APE values compared to the univariate forecasting results (APE values) using the observed WQI. These results, probably, were obtained because multivariate forecasting includes the correlation presented at whole absorbance spectra range (captures complete or at least great part of time series variability),one wavelength interferes with another and/or other wavelengths. Finally, the results obtained for a constructed-wetland/reservoir-tank system show that it is possible to obtain valuable forecasting results in terms of time detection for some rainfall events. In addition, the inclusion of runoff variables (water level in this case) improves the water quality forecasting results.Doctor en IngenieríaDoctorad

Numerical optimal control of a wind turbine system

textWith the development of wind turbine technology and the need for maximizing wind energy harvesting, more wind turbines operate in the partial load region. Among many control algorithms developed for this region, controllers based on feedback of the global maximum power coefficient have been widely used. These control schemes offer good performance with simple implementations, but they may not be suited for wind turbines with limited rotor speed ranges. In such cases, the controller is challenged because the main feature ---the global maximum power coefficient--- is not achievable due to the turbine speed constraint. It is necessary to develop a controller to seek the achievable maximum power coefficient that leads to optimal wind energy capture. In this dissertation, the development of an optimal control framework to maximize wind energy capture for wind turbines with constrained turbine speed is first presented. Numerical optimal control techniques are applied to search for the achievable maximum power coefficient, with proposed modifications to make this task more computationally feasible. Mitigating the turbine generator torque variation, thus reducing the fatigue loading on turbine generator shaft, is also important for the partial load region operation. Including this aspect in the optimal control is then discussed. Furthermore, an approach of incorporating time-varying weightings into developing the optimal controller is introduced to seek further improvement on turbine generator torque variation reduction, thus fatigue reduction. In addition, the power generated by the wind turbine varies due to variation in the wind speed. Depending on the load demand and the wind speed, the wind turbine's operation switches between two modes: a multi-input-single-output (MISO) mode and a single-input-single-output (SISO) mode. Due to the wind turbine changes its dynamic behavior during the switching process, applying the traditional control methods to each corresponding mode may not be capable of maximizing the overall wind energy capture throughout the entire turbine's operation. Therefore, the development of an optimal control framework to maximize the overall wind energy capture for a switched wind turbine system is subsequently presented.Mechanical Engineerin