生化池羅茨風(fēng)機(jī)鼓風(fēng)曝氣變頻調(diào)速的PID控制節(jié)能途徑

山東錦工有限公司是一家專業(yè)生產(chǎn)羅茨鼓風(fēng)機(jī)、羅茨風(fēng)機(jī)、回轉(zhuǎn)式鼓風(fēng)機(jī)等機(jī)械設(shè)備公司，位于有“鐵匠之鄉(xiāng)”之稱的山東省章丘市相公鎮(zhèn)，近年來，錦工致力于新產(chǎn)品的研發(fā)，新產(chǎn)品雙油箱羅茨鼓風(fēng)機(jī)、水冷羅茨鼓風(fēng)機(jī)、油驅(qū)羅茨鼓風(fēng)機(jī)、低噪音羅茨鼓風(fēng)機(jī)，贏得了市場好評和認(rèn)可。產(chǎn)品和服務(wù)遠(yuǎn)銷全國各地及東南亞，深受客戶好評。

羅茨鼓風(fēng)機(jī)曝氣系統(tǒng)的電耗一般占污水處理系統(tǒng)電耗的40%～60%，是污水處理節(jié)能的關(guān)鍵。最根本的節(jié)能措施是提高曝氣控制效率，降低氧的浪費(fèi)，減小風(fēng)量。最顯著的節(jié)能方法是羅茨鼓風(fēng)機(jī)氣量控制節(jié)能，即供氣供氧設(shè)備采用羅茨鼓風(fēng)機(jī)變頻控制，在PID自動控制下直到溶解氧（DO）濃度穩(wěn)定在設(shè)定值，可解決兩方面問題：第一，溶解氧濃度太低污水不能達(dá)標(biāo)；第二，溶解氧濃度太高，不僅浪費(fèi)電能還可能使活性污泥上浮使出水也不能達(dá)標(biāo)。根據(jù)鼓風(fēng)曝氣變頻調(diào)速PID控制系統(tǒng)應(yīng)用在桂林市排水工程管理處北沖污水處理廠污水處理工藝中的良好效果，分析了其系統(tǒng)的控制，對提高污水處理的節(jié)能和穩(wěn)定性有一定的實用性。

1 工程概況
1.1 自控概況
北沖污水處理廠坐落于桂林市西北面，2003年8月開始擴(kuò)建，新廠區(qū)占地面積38畝，于2005年4月開始試運(yùn)行，設(shè)計日處理能力為3萬t，目前實際進(jìn)廠污水量為2.5萬t/日，均達(dá)標(biāo)處理，其進(jìn)水以生活污水為主。采用A2/O活性污泥法處理工藝，出水水質(zhì)達(dá)到GB 18918-2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級B類標(biāo)準(zhǔn)。廠內(nèi)自動化控制系統(tǒng)由就地控制層、現(xiàn)場PLC控制層和中央監(jiān)控層組成；控制網(wǎng)絡(luò)為監(jiān)控通信光纖工業(yè)以太網(wǎng)。PLC控制系統(tǒng)采用西門子SIMETIC S7-300系列可編程控制系統(tǒng)。各現(xiàn)場控制站分布在各工藝段，與中控室監(jiān)控計算機(jī)通過工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)通信和數(shù)據(jù)傳輸。中心控制室對污水處理工藝參數(shù)采集、顯示、修改、設(shè)置和管理，對廠區(qū)內(nèi)被控設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)檢測、顯示，中控室監(jiān)控計算機(jī)通過工業(yè)以太網(wǎng)，與各現(xiàn)場PLC控制站交換數(shù)據(jù)、采集信息，遙控和管理各現(xiàn)場PLC控制站內(nèi)的機(jī)電設(shè)備，并按工藝要求實現(xiàn)對其控制。操作人員可在中心控制室完成集中監(jiān)控、報警處理、事件處理、報表打印、設(shè)備運(yùn)行能耗管理、單位水量處理成本等工作，實時監(jiān)視、控制整個污水處理工藝流程的運(yùn)行工況。
1.2 污水處理工藝及工藝流程圖
北沖污水處理廠采用A2/O活性污泥法處理工藝，具有除磷脫氮功能，采用微孔鼓風(fēng)曝氣，安裝有高度自動化控制系統(tǒng)及各類檢測設(shè)備和儀表，剩余污泥采用離心脫水干化后外運(yùn)，尾水消毒采用紫外消毒工藝，同時建設(shè)有強(qiáng)化除磷加藥車間用于穩(wěn)定除磷效果，處理后的出水排入江體。

2 A2/O生化池鼓風(fēng)曝氣變頻調(diào)速PID控制系統(tǒng)
2.1 系統(tǒng)功能
北沖污水處理廠A2/O生化池鼓風(fēng)曝氣變頻PID控制系統(tǒng)設(shè)計考慮如下兩點(diǎn)：第一，曝氣池所需風(fēng)量的變化與水質(zhì)和水量相關(guān)，而水質(zhì)和水量有一定規(guī)律，變化較小，而且A2/O工藝的曝氣池水位基本上保持不變。因為送風(fēng)管壓力變化較小，羅茨風(fēng)機(jī)具有恒轉(zhuǎn)矩輸出的特性，流量和轉(zhuǎn)速成正比例的關(guān)系，軸功率和轉(zhuǎn)速也成正比例關(guān)系，與離心風(fēng)機(jī)相比較在控制上更容易把握，所以選用節(jié)能、靈活的帶變頻調(diào)速的羅茨鼓風(fēng)機(jī)。第二，用變頻器改變交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速方式控制羅茨風(fēng)機(jī)流量，大幅度減少了用管道調(diào)節(jié)閥來調(diào)節(jié)空氣流量的機(jī)械方式所造成的能量損耗，不會產(chǎn)生附加壓力損失，調(diào)節(jié)風(fēng)量范圍0%～100%，調(diào)節(jié)范圍寬，處于低負(fù)荷下運(yùn)行，可延長設(shè)備使用壽命，節(jié)能效果顯著。第三，鼓風(fēng)曝氣是一種閉環(huán)調(diào)節(jié)的自動控制模式，根據(jù)溶解氧的偏差來調(diào)整鼓風(fēng)機(jī)流量，這種模式可以實現(xiàn)關(guān)于水質(zhì)、水量的最優(yōu)控制，曝氣效果最佳，節(jié)能的效果最顯著。
2.2 系統(tǒng)構(gòu)成
控制系統(tǒng)由以下設(shè)備構(gòu)成：主送風(fēng)管路裝設(shè)空氣流量計、壓力計、信號上傳至曝氣系統(tǒng)的控制裝置。曝氣池上根據(jù)氧的理論分布安裝溶解氧檢測儀，信號上傳至曝氣系統(tǒng)的控制裝置。每臺鼓風(fēng)機(jī)配備一套無速度反饋的U/f可調(diào)的變頻器，變頻器具備PI調(diào)節(jié)功能模塊，反饋控制信號可下傳至變頻器。曝氣系統(tǒng)的控制裝置采用PLC（可編程邏輯控制器）和相應(yīng)的HMI（人機(jī)界面），PLC具有PID操作指令，并配有全面、安全的輸入輸出接口，信號通過現(xiàn)場站PLC的模塊進(jìn)行采集后，通過全廠光纖網(wǎng)絡(luò)送至中心控制室，中心控制室通過工業(yè)以太網(wǎng)對現(xiàn)場PLC控制站采集到的信號數(shù)據(jù)，生成工藝監(jiān)控實時畫面，作為人機(jī)操作界面，供操作管理人員實時監(jiān)控和管理整個污水處理工藝流程。HMI通過文字和圖形動態(tài)地反映在線數(shù)據(jù)，如空氣流量、溶解氧值、壓力、頻率、電流以及設(shè)備狀態(tài)等，操作人員可以進(jìn)行即時的參數(shù)修改、分布操作或模式選擇。曝氣系統(tǒng)的PLC是污水處理廠自控系統(tǒng)的組成部分，與中央控制室的上位計算機(jī)實現(xiàn)通信。
2.3 系統(tǒng)控制
2.3.1 羅茨鼓風(fēng)機(jī)的控制
PLC采集每套鼓風(fēng)機(jī)的手動/自動位置、運(yùn)行狀態(tài)、故障信號；總出風(fēng)管風(fēng)壓值、總出風(fēng)管風(fēng)量值、每臺鼓風(fēng)機(jī)的頻率、電流等；同時給出鼓風(fēng)機(jī)的啟停指令。PLC記錄每臺羅茨鼓風(fēng)機(jī)的當(dāng)前運(yùn)行時間和累計運(yùn)行時間，時間以小時進(jìn)行記錄。中控室監(jiān)控計算機(jī)畫面上每臺羅茨風(fēng)機(jī)設(shè)置遙控/自動轉(zhuǎn)換按鈕。操作人員可以通過鼠標(biāo)在中控室監(jiān)控計算機(jī)對鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)行手動啟停控制。中控室監(jiān)控計算機(jī)實時顯示總出風(fēng)管風(fēng)壓值、總出風(fēng)管風(fēng)量值、每臺羅茨鼓風(fēng)機(jī)的頻率、電流等，每臺羅茨鼓風(fēng)機(jī)的當(dāng)前運(yùn)行時間和累計運(yùn)行時間。當(dāng)羅茨鼓風(fēng)機(jī)出現(xiàn)故障信號時，停止運(yùn)行或禁止啟動鼓風(fēng)機(jī)。
2.3.2 溶解氧（DO）控制
點(diǎn)擊中控室監(jiān)控計算機(jī)羅茨鼓風(fēng)機(jī)圖標(biāo)，可進(jìn)入羅茨鼓風(fēng)機(jī)控制畫面，羅茨鼓風(fēng)機(jī)的控制根據(jù)污水在生化池上出口的溶解氧濃度的溶解氧（DO）值保持在某一設(shè)定值（如2 mg/l）（或也可根據(jù)ORP來調(diào)節(jié)），都可根據(jù)按鈕來選擇，DO控制主要參數(shù)和PID控制參數(shù)都可在上位機(jī)設(shè)定。在實際控制中，羅茨鼓風(fēng)機(jī)的風(fēng)量設(shè)定值為工藝?yán)碚撝担@一值經(jīng)溶解氧反饋信號比較后，根據(jù)偏差實時調(diào)節(jié)風(fēng)量的增減，最終使污水溶解氧值穩(wěn)定在設(shè)定值（也可根據(jù)季節(jié)、水質(zhì)的變化等實際情況不斷調(diào)整）。
在上方的趨勢圖中可看到實際值和設(shè)定的值的曲線，進(jìn)而可方便的調(diào)節(jié)工藝參數(shù)，使鼓風(fēng)機(jī)的效率、出水水質(zhì)達(dá)到最優(yōu)化，畫面如圖2所示。
3 系統(tǒng)效應(yīng)
降低電耗：系統(tǒng)能降低污水處理廠曝氣系統(tǒng)能耗15%～40%；污水處理廠出水達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)：通過實時監(jiān)測滿足排放要求；增加污水處理廠的處理量：系統(tǒng)對處理工藝進(jìn)行優(yōu)化后，可評估污水處理廠的處理量；提高污水處理工藝可控性及穩(wěn)定性：在曝氣量和水量足夠的情況下，DO設(shè)置值和PID控制動態(tài)調(diào)整，使出水達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)；預(yù)警和工藝幫助：系統(tǒng)能依據(jù)數(shù)據(jù)來判斷污水處理廠的工藝何時需調(diào)整。
4 結(jié) 語
經(jīng)過幾年的使用，A2/O生化池鼓風(fēng)曝氣變頻調(diào)速PID控制系統(tǒng)在我廠運(yùn)行至今系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠、操作方便、使用安全、效率高、故障率低，污水處理效果好，提高了勞動生產(chǎn)率，有良好的節(jié)能效果，強(qiáng)化了自動化管理。

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