Gemelo Digital para la operación avanzada de una desaladora de agua de mar: el caso de Tseung Kwan O

La desaladora de Tseung Kwan O (TKO), construida por ACCIONA para el Water Supplies Department (WSD) de Hong Kong, tiene una capacidad de producción de 135.000 m³/día de agua potable mediante ósmosis inversa de agua de mar. Entregada en junio de 2024 y con 15 años de contrato O&M por delante es una instalación de referencia en el mundo de la desalación en el sudeste asiático, y en particular en Hong Kong (China).

 Recreación de una imagen aérea de la desaladora de Tseung Kwan O.

La complejidad de sus procesos, la necesidad de operar de forma flexible en función de la demanda y el elevado número de variables que intervienen en su funcionamiento convierten la planta en un entorno especialmente adecuado para la aplicación de herramientas avanzadas de simulación, formación y apoyo a la operación.

En este contexto, ACCIONA ha desarrollado el primer Gemelo Digital que reproduce el comportamiento de la instalación y combina la representación dinámica de sus equipos y procesos con modelos hidráulicos, físicos y químicos, herramientas de optimización e inteligencia artificial. Concebido también como un simulador para el entrenamiento de operadores, el sistema permite analizar escenarios operativos, contrastar el comportamiento del modelo con el de la planta real y generar recomendaciones que ayuden a mejorar la toma de decisiones, manteniendo siempre al operador como responsable de la actuación final.

El desarrollo ha requerido integrar la visión de negocio, las capacidades de ingeniería y digitalización, el conocimiento especializado en desalación y la experiencia del equipo de operación y mantenimiento. Esta colaboración multidisciplinar ha permitido transformar la representación digital de la planta en una herramienta orientada a su utilización práctica y a su mejora continua.

El proyecto ha requerido integrar la visión de negocio, las capacidades de ingeniería y digitalización, el conocimiento especializado en desalación y la experiencia del equipo de operación y mantenimiento.

La mejora continua forma parte del enfoque de ACCIONA y se traduce en el desarrollo de aplicaciones tecnológicas orientadas a optimizar la operación.

Desde 2015, ACCIONA ha desarrollado e implementado herramientas adaptadas a las necesidades del negocio, como medidores virtuales basados en aprendizaje automático para anticipar situaciones operativas, ajustar la dosificación de reactivos o planificar los lavados de membranas. Entre los ejemplos desarrollados por ACCIONA cabe citar el medidor del índice de Langelier (LSI) en las desaladoras de Copiapó (Chile, 2016) y Fouka (Argelia, 2017); el sistema de predicción de turbidez del agua de mar en las desaladoras de Qatar; el medidor virtual de boro para ajustar la dosis de sosa en Qatar (2018); el sistema de predicción de la calidad del agua remineralizada; el sistema de predicción del ensuciamiento y lavado de membranas de ósmosis inversa (OI) en Argelia (2019); y la puesta en marcha en remoto de la desaladora de Al Khobar-1 durante la pandemia (2020).

Cuando el Water Supplies Department (WSD) solicitó en 2021 una réplica virtual de la desaladora de Tseung Kwan O, ACCIONA identificó la oportunidad de desarrollar un gemelo digital completo y funcional. Los desarrollos previos aportaban una base tecnológica que debía integrarse en una misma plataforma para reproducir de forma conjunta el comportamiento del proceso.

El desarrollo del Gemelo Digital de la desaladora de Tseung Kwan O responde así a una necesidad operativa y se apoya en la integración de diversos desarrollos previos de ACCIONA. El resultado es una representación digital funcional, que permite reproducir diferentes condiciones de funcionamiento y utilizar ese conocimiento para apoyar tanto la operación como la formación de los equipos.

Desde la concepción del proyecto, el objetivo fue ir más allá de una digitalización convencional de la planta, integrando en una misma herramienta el conocimiento del proceso, los modelos de sus principales equipos y las capacidades necesarias para simular y analizar diferentes escenarios operativos.

Según WSD, la complejidad del sistema desarrollado por ACCIONA supera lo que el cliente había imaginado inicialmente.

Sobre la representación digital de la planta se incorpora una segunda capa de conocimiento específica del proceso de desalación.

Convertir una desaladora real en un Gemelo Digital requiere trasladar al entorno de simulación tanto su configuración física como el comportamiento dinámico de sus diferentes sistemas. Para ello fue necesario seleccionar una plataforma tecnológica capaz de integrar las distintas disciplinas involucradas y coordinar el desarrollo con proveedores tecnológicos como Schneider Electric y Aveva.

El punto de partida consistió en revisar la ingeniería de la planta y sus P&ID y adaptarlos a modelos que representan el comportamiento hidráulico y mecánico de la instalación y de sus sistemas auxiliares en un simulador dinámico de alta precisión. Esta base reproduce el comportamiento de la planta real en el entorno digital y permite incorporar posteriormente modelos específicos del proceso de desalación y herramientas avanzadas de optimización.

El gemelo digital se ha conectado al sistema informatizado de gestión del mantenimiento de la planta (CMMS, Abismo) para que los cambios en los activos de la desaladora puedan trasladarse al modelo de forma rápida y efectiva.

La arquitectura computacional que soporta el software se ha construido en un entorno local, sobre servidores físicos alojados en el centro de datos de la desaladora, ya que las restricciones de ciberseguridad no permiten conectar las redes de control a Internet.

El sistema está formado por un clúster de servidores con tecnología de virtualización. Las distintas máquinas desplegadas trabajan de forma coordinada para mantener actualizado el gemelo digital y recoger información de la planta real. La comparación entre ambos permite identificar oportunidades de mejora operativa.

Una de las características más importantes del sistema es la capacidad de comunicar a través de varios tipos de protocolos, tanto IT como OT, que le dotan de la conectividad necesaria para implementar herramientas avanzadas de predicción basadas en algoritmos de Machine Learning. Dos ejemplos de ello son los medidores virtuales de Boro y LSI que devuelven en tiempo real el valor calculado de estos parámetros del agua producto que, de otra forma, solo pueden ser obtenidos a través de un análisis de laboratorio externo, que requiere entre 24 y 48 h para facilitar los resultados. Gracias a esta habilidad, también puede intercambiar información con los modelos avanzados para la optimización de procesos.

Los medidores virtuales y los modelos de predicción y optimización amplían la información disponible para este análisis.

Sobre la representación digital de la planta se incorpora una segunda capa de conocimiento específica del proceso de desalación. Esta capa combina modelos fisicoquímicos, optimización matemática, análisis de históricos e inteligencia artificial desarrollados y adaptados por ACCIONA para apoyar algunas de las principales decisiones de operación.

En TKO, este enfoque se materializa actualmente en cuatro modelos que cubren diferentes etapas de la línea de tratamiento. Los cuatro modelos leen datos del SCADA cada 10 minutos, se ejecutan en contenedores Docker, muestran sus resultados en Grafana y están integrados en System Platform. Ninguno actúa directamente sobre los equipos: generan recomendaciones y el operador decide qué acción realizar.

FeCl3 Dosage: dosificación del coagulante

En el pretratamiento ACTIDAFF®, un modelo de IA entrenado con un histórico de 14 meses recomienda la dosis de cloruro férrico a partir de datos de turbidez, pH, conductividad, temperatura, alcalinidad y caudal. Ninguna variable explica la dosis por sí sola, lo que justifica el enfoque de aprendizaje automático. En un conjunto de prueba independiente se alcanzó un R² de 0,989 y un error medio de 0,011 ppm. El valor de R² supera el criterio contractual (R² ≥ 0,85).

ACRRO® Monitor: energía en la ósmosis inversa

ACRRO® identifica entre más de 87.000 registros históricos situaciones operativas con temperatura, conductividad, pH y caudal de agua de mar similares a las condiciones actuales y propone la configuración de bombas de alta presión y bastidores de membranas (racks) que alcanzó el menor consumo específico (kWh/m³). Si el algoritmo no encuentra una referencia válida, lo indica sin generar una recomendación. Su diseño modular, configurable mediante ficheros, facilita su adaptación a otras plantas.

WITNESS: predicción del ensuciamiento de membranas

WITNESS predice la presión diferencial (ΔP) de cada uno de los ocho racks de OI mediante siete modelos de IA, basados en redes LSTM, uno por horizonte de predicción, entre 1 y 14 días. El sistema se ha entrenado y evaluado con ciclos de operación completos de racks distintos para evitar fugas de información. Su error porcentual absoluto medio (MAPE) va del 0,89 % a un día al 5,86 % a 14 días, lo que permite planificar limpiezas antes de que el ensuciamiento aumente el consumo.

TKO Aqualize®: remineralización

Aqualize® resuelve el problema inverso de la remineralización: a partir de 18 parámetros de calidad del permeado y de los objetivos de pH, alcalinidad, dureza, calcio, índice de Langelier y sólidos disueltos, un optimizador evalúa distintas soluciones mediante el simulador fisicoquímico Aqualize®, desarrollado internamente por ACCIONA, y calcula en 10–30 segundos las dosis de CO2, cal y sosa que cumplen simultáneamente todos los requisitos.

ACCIONA ofrece este desarrollo a sus clientes para su aplicación en desaladoras, depuradoras, potabilizadoras y servicios de agua, así como en otras instalaciones industriales, incluso ajenas al sector del agua.

El equipo de Operación y Mantenimiento ha sido una pieza clave en el diseño y la implementación del gemelo digital, aportando el conocimiento del proceso y la experiencia de operación de la planta en el mismo. Por este motivo, ha participado en las diferentes fases de desarrollo y desempeña actualmente un papel esencial en la evolución del modelo, contrastando su comportamiento con el de la planta real y utilizando sus capacidades tanto para el entrenamiento de operadores como para el análisis y optimización de la operación.

La participación temprana del equipo de O&M en la definición de las bases de diseño y la arquitectura, así como en el desarrollo posterior del Gemelo Digital, ha permitido conectar el desarrollo tecnológico con las necesidades reales de la instalación. Esta colaboración contribuye a que la herramienta sea útil para evaluar sus aplicaciones, formar al personal y validar los resultados. El valor de un Gemelo Digital se materializa cuando pasa a formar parte de la operación diaria.

Desde la perspectiva de O&M, disponer de un espejo digital de la planta ofrece un entorno para estudiar su comportamiento, ensayar maniobras y evaluar escenarios antes de considerar su aplicación en la instalación real. El trabajo del equipo consiste en interpretar esa información teniendo en cuenta las condiciones de operación, la disponibilidad de los equipos y los requisitos de producción, calidad y seguridad. Las recomendaciones de las herramientas complementarias deben valorarse dentro de ese contexto; la decisión de realizar un ajuste permanece en el equipo de operación.

Los medidores virtuales y los modelos de predicción y optimización amplían la información disponible para este análisis. Entre sus aplicaciones destacan el seguimiento del boro y su relación con la dosificación de reactivos químicos en el segundo paso, la evaluación de la estabilidad del agua producto mediante el índice de Langelier y la vigilancia de los cloruros. A estas referencias se suman las recomendaciones de dosificación, la comparación de configuraciones operativas y la previsión del comportamiento de las membranas. Para O&M, su utilidad depende de contrastar los resultados con el proceso real y con los controles de laboratorio, que siguen siendo una referencia fundamental.

El Gemelo Digital funciona asimismo como un simulador de entrenamiento de operadores (Operator Training Simulator, OTS), que permite reproducir condiciones operativas y familiarizar a los operadores con la respuesta de la planta antes de afrontar determinadas situaciones en la instalación real.

La formación constituye una aplicación diaria del gemelo digital en la desaladora de TKO. Mediante el simulador de entrenamiento de operadores se practican arranques y paradas, aumentos y reducciones de producción, respuesta a fallos y variaciones de la calidad del agua de entrada. Estos ejercicios permiten analizar la respuesta de los sistemas y ejercitar la toma de decisiones sin intervenir en la operación de la planta real, complementando los procedimientos y la experiencia del personal.

La incorporación de estas capacidades también exige adaptar la forma de trabajar. Además de interpretar las recomendaciones, es necesario registrar las decisiones y sus resultados, comunicar las desviaciones y mantener actualizados los procedimientos, las instrucciones y los registros aplicables. Esta trazabilidad permite diferenciar una mejora potencial de un beneficio observado y aporta información para revisar tanto el uso de las herramientas como las prácticas operativas.

Como parte de este trabajo, el equipo de O&M está desarrollando documentos específicos de validación de los modelos, definiendo la metodología de evaluación y el seguimiento de sus resultados. El contraste de las predicciones con los datos de planta y, cuando corresponde, con los análisis de laboratorio permite evaluar su comportamiento, documentar las desviaciones e identificar sus límites de aplicación. Este proceso debe considerar distintas condiciones operativas y la evolución de los resultados, de modo que la confianza en cada herramienta se apoye en evidencias y no únicamente en su disponibilidad tecnológica.

La participación de O&M conecta así el diseño del gemelo digital con su aplicación y mejora continua. El conocimiento de la planta, la formación, el seguimiento documentado y el criterio técnico del equipo son esenciales para convertir sus capacidades en un apoyo fiable a la operación.

Como ventaja adicional, el Gemelo Digital también se ha conectado con el Sistema Computerizado de Mantenimiento (CMMS) para que todos los sistemas se alimenten entre sí, y estén alineados e integrados en una misma plataforma.

El Gemelo Digital de la desaladora de Tseung Kwan O es el resultado de la integración de distintas capas de conocimiento.

El Gemelo Digital de la desaladora de Tseung Kwan O es el resultado de la integración de distintas capas de conocimiento: la identificación de una necesidad de negocio, la construcción de una representación digital de la instalación, la incorporación de modelos específicos del proceso de desalación y su utilización y evolución desde O&M.

Esta combinación permite avanzar desde una representación digital de la planta hacia una herramienta de apoyo a la operación, el mantenimiento, la formación y la optimización, incorporando progresivamente el conocimiento generado por la propia instalación.

ACCIONA ofrece este desarrollo a sus clientes para su aplicación en desaladoras, depuradoras, potabilizadoras y servicios de agua, así como en otras instalaciones industriales, incluso ajenas al sector del agua. Esta experiencia constituye una base para abordar nuevos desafíos, y en ACCIONA, estamos preparados para afrontarlos.

El conocimiento de la planta, la formación, el seguimiento documentado y el criterio técnico del equipo son esenciales para convertir sus capacidades en un apoyo fiable a la operación

El Gemelo Digital también se ha conectado con el Sistema Computerizado de Mantenimiento (CMMS) para que todos los sistemas se alimenten entre sí, y estén alineados e integrados en una misma plataforma