污水處理廠提升泵站穩(wěn)流節(jié)能優(yōu)化控制系統(tǒng)

彭小玉，秦　斌 ，王　欣，宋翼頡

（湖南工業(yè)大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 株洲 412007）

污水處理廠提升泵站穩(wěn)流節(jié)能優(yōu)化控制系統(tǒng)

彭小玉，秦斌 ，王欣，宋翼頡

（湖南工業(yè)大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 株洲 412007）

針對(duì)污水處理廠提升泵站普遍存在水泵機(jī)組啟停頻繁、集水井易發(fā)生溢流事故、泵站單元高能耗的問題，設(shè)計(jì)一種基于變參數(shù)PID控制算法和泵站分組輪詢的提升泵優(yōu)化控制系統(tǒng)，并運(yùn)用于株洲市某污水處理廠。實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明：該系統(tǒng)可以適應(yīng)進(jìn)水水量的變化，在減少水泵的啟停次數(shù)，防止集水井溢流，降低系統(tǒng)能耗，保證安全生產(chǎn)方面取得了良好的效果。

污水處理；提升泵；優(yōu)化控制；節(jié)能降耗

1　研究背景

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城鎮(zhèn)化的推進(jìn)，對(duì)城市污水處理的需求日益增加。當(dāng)前，我國雖然在城市污水處理廠的建設(shè)方面取得了較大進(jìn)展，但大部分污水處理廠都存在自動(dòng)化水平低、輕視過程管理、能耗物耗高等問題。優(yōu)化污水處理廠自動(dòng)控制及運(yùn)營管理，降低污水處理廠運(yùn)行成本，增強(qiáng)工藝穩(wěn)定性，是目前污水處理行業(yè)適應(yīng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵［1］。

提高城市污水處理廠的自動(dòng)化控制水平，不僅要改善設(shè)備的自動(dòng)化程度，還要優(yōu)化工藝流程各個(gè)單元的控制方法，尤其是高能耗單元，例如占全廠耗電量20%～30%的污水提升泵站［2］。

污水處理工藝流程如圖1所示。原污水經(jīng)過粗格柵間去除污水中體積較大的懸浮狀固體物質(zhì)，然后進(jìn)入細(xì)格柵及旋流沉砂池，去除大部分的懸浮物和部分有機(jī)物，從而提高污水的凈化效果。經(jīng)過旋流沉砂池的出水進(jìn)入氧化溝，在氧化溝內(nèi)微生物的作用下分解大部分有機(jī)物、氮和磷。隨后污水流入二沉池絮凝沉淀，上層澄清液進(jìn)入提升泵房，下層污泥排入污泥回流泵房。污泥回流泵房的部分污泥回流至氧化溝，剩余污泥則濃縮脫水外運(yùn)。 提升泵房集水井出水至活性砂濾池，同時(shí)在集水井出水口加藥除磷；砂濾池出水后經(jīng)加氯消毒池深度處理，最后出水。從城市污水處理工藝流程可以看出，提升泵站位于二沉池和砂濾池之間，是為后續(xù)工藝提供水流動(dòng)力的重要單元 。

圖1　城市污水處理工藝流程Fig. 1　Technological process of urban sewage treatment

目前，我國污水處理廠提升泵站單元主要根據(jù)人工經(jīng)驗(yàn)實(shí)行本地控制或PLC自動(dòng)控制。本地控制即由操作人員通過計(jì)算泵站集水井實(shí)際液位與目標(biāo)液位偏差，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)人為控制各臺(tái)泵的啟?；蜃冾l泵的給定頻率。PLC自動(dòng)控制即通過液位計(jì)反饋的實(shí)際液位值與PLC預(yù)設(shè)的標(biāo)記值比較，控制泵的啟停或根據(jù)經(jīng)驗(yàn)給變頻器固定的頻率輸出，同時(shí)使用輪詢機(jī)制，盡量使每臺(tái)泵的運(yùn)行時(shí)間基本相同。

目前常用的控制方式的不足之處是：控制策略與人的經(jīng)驗(yàn)密切相關(guān)，在來水量變化頻繁，集水井容量較小，污水處理廠要求24 h連續(xù)生產(chǎn)的情況下，容易造成因水泵頻繁啟停導(dǎo)致電機(jī)過熱而燒毀；在雨天或是進(jìn)水流量突然增加時(shí)，則容易造成集水井溢流，不能保證污水處理廠的安全生產(chǎn)。變頻泵給定的是固定頻率，不考慮集水井水位變化，從而造成大量的能源浪費(fèi)。

為此，本文結(jié)合變參數(shù)PID控制算法和泵站編組輪詢機(jī)制，設(shè)計(jì)一種泵站穩(wěn)流節(jié)能優(yōu)化控制系統(tǒng)，并在實(shí)際工程中檢驗(yàn)該系統(tǒng)穩(wěn)流節(jié)能的效果。

2　污水提升泵站優(yōu)化控制系統(tǒng)方案

本研究設(shè)計(jì)的泵站穩(wěn)流節(jié)能優(yōu)化控制系統(tǒng)主要功能為：根據(jù)泵站當(dāng)前水位、流量等參數(shù)優(yōu)化泵機(jī)組合方式，減少泵機(jī)起停頻率［3］；通過使用變參數(shù)PID控制器控制變頻泵頻率，提高液位控制的穩(wěn)定性；同時(shí)對(duì)泵組進(jìn)行編組輪詢控制，降低提升泵的磨損和綜合能耗。

2.1提升泵液位變參數(shù)PID控制算法

工程中普遍使用的PID控制器由比例環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)、微分環(huán)節(jié)構(gòu)成，各個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)應(yīng)的參數(shù)分別是Kp，Ki， Kd，其輸入偏差e（t）與輸出u（t）的關(guān)系可以描述為

在工程中控制器正式投入使用前，工程師都會(huì)按照工程和調(diào)試經(jīng)驗(yàn)事先設(shè)定好控制參數(shù)。但實(shí)際應(yīng)用過程往往具有非線性、時(shí)變不確定性，控制對(duì)象存在較大的慣性和強(qiáng)干擾特性，固定參數(shù)的PID控制器難以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的穩(wěn)定控制。尤其當(dāng)被控對(duì)象的參數(shù)變化超出實(shí)際范圍時(shí)，系統(tǒng)性能會(huì)明顯變差。為提高PID控制性能，學(xué)者們對(duì)自適應(yīng)性能的PID控制器進(jìn)行了深入研究。 例如，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制器，它是利用RBF（radial basis function）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在線辨識(shí)對(duì)象模型，利用BP（back propagation）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)再根據(jù)辨識(shí)模型在線調(diào)整PID參數(shù)，其計(jì)算量很大，在實(shí)際運(yùn)用中難以實(shí)現(xiàn)［4］。如果利用變參數(shù)PID控制，既可以較好地解決常規(guī)控制器對(duì)工況的適應(yīng)性問題，又可以通過編寫PLC程序得以實(shí)現(xiàn)。

提升泵液位變參數(shù)PID控制如圖2所示。其中提升泵房的集水井液位為被控量，采用超聲波液位計(jì)進(jìn)行檢測(cè)；PID控制器通過變頻器控制軸流泵的轉(zhuǎn)速，從而控制集水井液位，根據(jù)液位的偏差e計(jì)算PID參數(shù)。

圖2　變參數(shù)PID控制方案原理圖Fig. 2　Schematic diagram of variable parameter PID control scheme

圖中K′p， K′i， K′d分別為經(jīng)過變參數(shù)規(guī)則計(jì)算修正后的比例參數(shù)、積分參數(shù)和微分參數(shù)，各個(gè)參數(shù)與輸入量偏差值e、偏差積分和偏差微分 之間的數(shù)學(xué)關(guān)系為：

式（2）～（4）中：Kp0， Ki0， Kd0為修正系數(shù)；

a為常數(shù)。

Kp0， Ki0， Kd0主要取決于當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)PID控制器的參數(shù)和在線調(diào)整參數(shù)的速度，取值范圍在0和1之間；取a=-0.3，取Kp， Ki， Kd為使用常規(guī)PID控制時(shí)的整定值。在偏差e的絕對(duì)值較?。ǚ€(wěn)態(tài)值附近）時(shí)，比例系數(shù)K′p取較小值，相反時(shí)取較大值，這樣有利于加快響應(yīng)速度，同時(shí)保證有很好的穩(wěn)定性［5］。在偏差e積分的絕對(duì)值較?。ǚ€(wěn)態(tài)值附近）時(shí)，積分系數(shù)K′i取較大值，相反時(shí)取較小值（或者0），這樣既有利于保證穩(wěn)態(tài)無靜差，又不會(huì)引起積分飽和而使超調(diào)增大、調(diào)節(jié)時(shí)間延長。在偏差e微分的絕對(duì)值較?。ǚ€(wěn)態(tài)值附近）時(shí)，微分系數(shù)K′d取較大值，相反時(shí)取較小值，這樣有利于加快對(duì)小偏差的反應(yīng)速度，提高控制器對(duì)干擾的靈敏度，出現(xiàn)干擾時(shí)能及時(shí)調(diào)節(jié)［6-9］。

2.2泵站編組輪詢方法

由于污水處理廠生產(chǎn)的連續(xù)性，要求確保提升泵站機(jī)組可以24 h不間斷工作，因此在工程中均實(shí)行電機(jī)備用制度。即系統(tǒng)含有N臺(tái)電機(jī)，一般情況下M（M≤N）臺(tái)投入使用即可滿足工藝要求，其余電機(jī)則作為備用泵。為避免泵組頻繁啟?；蛘邌闻_(tái)泵長時(shí)間連續(xù)運(yùn)行、長時(shí)間閑置，可采用編組輪詢控制方法。

假設(shè)系統(tǒng)共有N臺(tái)提升泵，x臺(tái)變頻泵，y臺(tái)工頻泵，并將其分為變頻和工頻2組，在某一液位段需要i臺(tái)變頻泵，j臺(tái)工頻泵運(yùn)行。計(jì)算每臺(tái)泵的累計(jì)運(yùn)行時(shí)間和正在工作泵的連續(xù)運(yùn)行時(shí)間，當(dāng)液位達(dá)到泵的切換條件、正在工作的泵出現(xiàn)故障、設(shè)定的單臺(tái)泵連續(xù)運(yùn)行時(shí)間等條件時(shí)，將累計(jì)運(yùn)行時(shí)間值從小到大對(duì)應(yīng)的泵的編號(hào)按順序自動(dòng)置為1～i或1～j。系統(tǒng)根據(jù)液位情況，自動(dòng)開啟編號(hào)為1～i的變頻泵和1～j的工頻泵，控制單臺(tái)變頻泵啟動(dòng)的流程如圖3所示。

圖3　變頻泵控制流程圖Fig. 3　Flow chart of variable frequency pump control

3　污水提升泵站優(yōu)化控制系統(tǒng)工程應(yīng)用

將優(yōu)化控制系統(tǒng)應(yīng)用于湖南省株洲市某 A2O工藝污水處理廠二次提升泵站改造項(xiàng)目。該廠污水處理規(guī)模為 10萬m3/d，泵站設(shè)有 4臺(tái)軸流泵，單臺(tái)額定功率為40 kW，其中2臺(tái)泵配備45 kW的施耐德變頻器。集水井內(nèi)設(shè)有一臺(tái)超聲波液位計(jì)，量程為0～6.0 m，提升泵站的各類設(shè)備和儀表經(jīng)通訊進(jìn)入施耐德PLC 系統(tǒng)。改造前，提升泵采用人工控制，啟停頻繁，這不僅導(dǎo)致能量浪費(fèi)、設(shè)備使用壽命縮短，而且在夜間人工值守時(shí)容易造成集水井溢流、出水波動(dòng)大。

3.1工程實(shí)施

在該次自動(dòng)控制改造過程中，將4臺(tái)泵分成2組，一組為變頻泵，另一組為工頻泵。設(shè)置啟1臺(tái)泵、啟2臺(tái)泵、啟3臺(tái)泵、停1臺(tái)泵、停2臺(tái)泵、停3臺(tái)泵、恒液位7個(gè)液位標(biāo)記值，當(dāng)實(shí)際液位到達(dá)液位標(biāo)記時(shí)泵的動(dòng)作如圖4所示。進(jìn)水流量在一定范圍內(nèi)波動(dòng)時(shí)，使用變參數(shù)PID控制器調(diào)節(jié)變頻泵頻率實(shí)現(xiàn)恒液位控制。

圖4　用液位標(biāo)記位控制水泵啟停示意圖Fig. 4　Schematic of controlling pump on/off with the liquid level sign

每個(gè)泵均做連續(xù)運(yùn)行時(shí)間和累計(jì)運(yùn)行時(shí)間計(jì)算，比較同組泵的運(yùn)行時(shí)間，達(dá)到泵的切換條件時(shí)，優(yōu)先開啟累計(jì)運(yùn)行時(shí)間短的泵。如果系統(tǒng)長期穩(wěn)定運(yùn)行在恒液位控制段，則在到達(dá)輪詢時(shí)間（可調(diào)）時(shí)切換成另一組泵，變頻泵組的頻率由變參數(shù)PID控制器根據(jù)液位偏差調(diào)節(jié)。使用與施耐德硬件配套的Unity Pro 軟件對(duì)提升泵站的自動(dòng)控制進(jìn)行編程，圖5為輪詢控制的部分梯形圖程序。

圖5　輪詢控制的部分程序Fig. 5　Part of the polling control program

在設(shè)計(jì)上位機(jī)界面組態(tài)程序時(shí)，著重考慮了系統(tǒng)的易操作性和安全性，界面生動(dòng)友好，實(shí)現(xiàn)的主要功能如下。

1）在提升泵控制畫面上，不僅可以看到各個(gè)設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)情況及所有參數(shù)，還可以在泵處于遠(yuǎn)程模式時(shí)實(shí)現(xiàn)上位機(jī)點(diǎn)動(dòng)和PLC自動(dòng)控制。

2）在畫面上可以設(shè)置各個(gè)液位標(biāo)記位和自動(dòng)輪詢時(shí)間等參數(shù)值，在上位機(jī)點(diǎn)動(dòng)模式下還可調(diào)節(jié)變頻器頻率。

3）在曲線顯示畫面上，可以觀察分析諸如各泵電流、集水井液位、變頻器頻率等模擬量的變化情況。

圖6為提升泵房上位機(jī)可視化界面。

圖6　提升泵房上位機(jī)界面Fig. 6　Lift pump station PC interface

3.2提升泵站運(yùn)行結(jié)果分析

3.2.1集水井液位變化對(duì)比

泵站控制系統(tǒng)改造前、后的液位變化規(guī)律分別如圖 7和圖8所示。由圖可知， 將控制策略切換為變參數(shù)PID控制后，液位大幅波動(dòng)的現(xiàn)象得到明顯改善。改造前集水井液位在1.5～6.0 m之間跳變， 改造后液位基本在設(shè)定的恒液位值附近保持穩(wěn)定。這有效地解決了在夜間無人值守時(shí)出現(xiàn)液位過高溢流的問題，同時(shí)出水流量變化小，為后續(xù)化學(xué)除磷單元提供了較平穩(wěn)的進(jìn)水量。

圖7　人工控制方式液位24 h的變化規(guī)律Fig. 7　The change law of liquid level in manual control mode for 24 h

圖8　PLC自動(dòng)控制方式液位24 h的變化規(guī)律Fig. 8　The change law of liquid level in PLC automatic control mode for 24 h

3.2.2泵站節(jié)能分析

當(dāng)泵負(fù)載時(shí)，其電機(jī)轉(zhuǎn)速n與流量Q、揚(yáng)程H及泵的軸功率P有如下關(guān)系：

式中：n1， n2分別為電機(jī)轉(zhuǎn)速；

Q1， Q2分別為電機(jī)在轉(zhuǎn)速為n1， n2時(shí)的流量；

H1， H2分別為電機(jī)在轉(zhuǎn)速為n1， n2時(shí)的揚(yáng)程；

P1， P2分別為電機(jī)在轉(zhuǎn)速為n1， n2時(shí)的軸功率。

電機(jī)轉(zhuǎn)速n與電源頻率f以及電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的極對(duì)數(shù)p的關(guān)系為

式（5）和（6）表明：泵的流量與其轉(zhuǎn)速成正比，泵的揚(yáng)程與其轉(zhuǎn)速的平方成正比，泵的軸功率與其轉(zhuǎn)速的立方成正比，電機(jī)轉(zhuǎn)速與電源頻率成正比。

當(dāng)水泵的工作效率一定，要求調(diào)節(jié)流量下降時(shí)，轉(zhuǎn)速n可成比例地下降，而此時(shí)軸輸出功率P成立方關(guān)系下降，即水泵電機(jī)的耗電功率與轉(zhuǎn)速近似成立方比的關(guān)系［10］。 以單臺(tái)提升泵電機(jī)功率為40 kW計(jì)算，當(dāng)轉(zhuǎn)速下降到原轉(zhuǎn)速的80%時(shí)，其耗電量為20.48 kW，省電48.8%；當(dāng)轉(zhuǎn)速下降到原轉(zhuǎn)速的50%時(shí)，理論上其耗電量為5 kW，省電 87.5%。因此在保證水位穩(wěn)定且不出現(xiàn)空載的狀態(tài)下，使用變頻器可大量減少電能消耗。

泵站控制系統(tǒng)改造后，一方面集水井液位基本穩(wěn)定在4.5～5.0 m之間，相對(duì)減小了吸水處水位與出水控制點(diǎn)水位的幾何高差，降低了污水提升揚(yáng)程；另一方面變參數(shù)PID控制器合理調(diào)節(jié)變頻泵的頻率，使其適應(yīng)于流量與揚(yáng)程的變化，減小了污水提升能耗。系統(tǒng)增加變頻器后，提高了電能利用率，降低了無功損耗。改造后1個(gè)月與改造前1個(gè)月實(shí)際運(yùn)行能耗對(duì)比如表 1所示。

表1　改造前后1個(gè)月泵站能耗對(duì)比Table 1　The energy consumption comparison of the pumping station for 1 months before and after the transformation

由表1計(jì)算可得，穩(wěn)流節(jié)能優(yōu)化控制系統(tǒng)實(shí)施后，單元能耗可節(jié)約22.8%，全廠節(jié)能 5.24%。

4　結(jié)語

針對(duì)現(xiàn)有提升泵站能耗高、出水不穩(wěn)定、泵啟停頻繁的問題，設(shè)計(jì)了基于變參數(shù)PID控制算法和泵站編組輪詢的泵站優(yōu)化控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)的編組輪詢控制機(jī)制可使各個(gè)泵運(yùn)行時(shí)間基本相同，能較好地延長泵的壽命。跟蹤液位變化規(guī)律動(dòng)態(tài)修正PID控制器參數(shù)，保證了液位控制的穩(wěn)定性，保持集水井在較高液位下安全運(yùn)行，從而減少水泵啟停次數(shù)、降低提升能耗、節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用。經(jīng)工程實(shí)際應(yīng)用證明，該系統(tǒng)穩(wěn)流節(jié)能效果良好，具有一定的普適性，對(duì)于相關(guān)工程具有一定的參考意義。

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（責(zé)任編輯：鄧光輝）

An Optimal Stable Flow Energy Saving Control System of Lift Pumping Station in Sewage Treatment Plant

PENG Xiaoyu，QIN Bin，WANG Xin，SONG Yijie
（School of Electrical and Information Engineering，Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007，China）

In order to solve the problems of start-stop frequently for lift pumps， overflow accidents for collection wells and high energy consumption for pump units， an optimal control system is proposed based on a variable-parameter PID control algorithm and lift pump station group polling and is applied to a sewage treatment plant of Zhuzhou. The actual operation results show that the control system adapts to the change of water inflow and achieves good effects in reducing the start-stop times， avoiding the overflow of collection wells， reducing the energy consumption and ensuring the production safety.

sewage treatment；lift pump；optimal control；energy saving

TP273

A

1673-9833（2016）02-0084-06

10.3969/j.issn.1673-9833.2016.02.016

2016-01-01

湖南省科技計(jì)劃基金資助重點(diǎn)項(xiàng)目（2014FJ2018），湖南省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（13JJ3110），湖南省教育廳科研基金資助重點(diǎn)項(xiàng)目（15A050），湖南省研究生科研創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目（CX2015B564）

彭小玉（1991-），女，湖南湘鄉(xiāng)人，湖南工業(yè)大學(xué)碩士生，主要研究方向?yàn)閺?fù)雜工業(yè)過程建模與集成優(yōu)化控制，E-mail：1248084903@qq.com

秦斌（1963-），男，湖南株洲人，湖南工業(yè)大學(xué)教授，博士，主要研究方向?yàn)閺?fù)雜工業(yè)過程建模與控制以及智能調(diào)度，E-mail：qinbin99p@163.com