污水廠鼓風機控制系統(tǒng)設計及應用

董文琦,徐兆蓮，高 恒，曹玉波*

(1.吉林化工學院 信息與控制工程學院，吉林 吉林 132022；2.遼寧中集哈深冷氣體液化設備有限公司 技術中心,遼寧 開原 150000)

曝氣鼓風機是污水處理廠的核心動力設備，主要用于曝氣池中的生化反應，為污泥中的好氧微生物提供足夠的氧氣來維持活性，同時進行混合攪拌，防止污泥沉積，使污水與好氧微生物充分接觸，從而達到高效除污的作用[1-2].防喘振是鼓風機控制系統(tǒng)最重要的工作任務之一，鼓風機一旦出現(xiàn)喘振現(xiàn)象，不僅自身會受到損害，與之相連的管網(wǎng)設備等也會受到影響，進而影響污水處理曝氣環(huán)節(jié)的正常運作[3-4].本文通過SIEMENS S7-300PLC和WinCC組態(tài)軟件設計了曝氣鼓風機的防喘振自動控制系統(tǒng)，保證鼓風機的穩(wěn)定運行.

1 鼓風機防喘振原理及系統(tǒng)工藝流程

1.1 鼓風機防喘振原理

鼓風機的特性曲線大體呈駝峰狀，如圖1所示，圖中橫坐標為風機流量，縱坐標為風機出口壓力[5].鼓風機在工作時，一般情況下入口導葉角度保持不變，由于SBR反應池循環(huán)曝氣的影響，會導致管網(wǎng)系統(tǒng)阻力增加，從而使鼓風機出口壓力陡增，流量下降.入口導葉片氣流沖角加大，在葉片背面產(chǎn)生氣體分離，形成脫離區(qū)，導致鼓風機出口排氣壓力突然下降.當管網(wǎng)中的壓力大于鼓風機出口壓力時，管網(wǎng)中的氣體會倒流回鼓風機內直到管網(wǎng)壓力小于鼓風機出口壓力，脫離區(qū)一般會隨著壓力下降而分離消失，鼓風機繼續(xù)向管網(wǎng)供氣，當壓力再上升時又產(chǎn)生氣體分離，氣體又重新倒流，氣體在鼓風機內部出現(xiàn)分離反復從而產(chǎn)生喘振現(xiàn)象[6-7].由于管網(wǎng)阻力與SBR反應池結構及工作流程有關，難以控制，只有從流量、壓力入手，在即將發(fā)生喘振時，加大鼓風機入口流量，減小出口壓力，進而來避免喘振的發(fā)生.

圖1 喘振原理圖

1.2 鼓風機系統(tǒng)工藝流程

鼓風機系統(tǒng)的工藝流程如圖2所示.空氣在經(jīng)過濾風室以后由入口進入鼓風機，增速器對流入的空氣進行做功提速，形成具有一定風壓的氣流，經(jīng)過入口導葉的調節(jié)后從鼓風機出口通道排出，排風通道形成4路，分別通向主、副防喘振閥，放風閥和管網(wǎng)系統(tǒng).在鼓風機的入口設有氣體壓力、流量以及溫度的檢測裝置；鼓風機的出口設有氣體壓力檢測點.當鼓風機啟動時，主防喘振閥PV-101、副防喘振閥PV-102、放風閥XV-101完全打開，送風閥XV-102以及入口導葉完全關閉.正常工作的情況下，主、副防喘振閥和放風閥都處于關閉狀態(tài)，鼓風機產(chǎn)生的氣流通過送風閥進入SBR反應池管網(wǎng)；如果鼓風機進入喘振狀態(tài)，系統(tǒng)會根據(jù)設計好的控制邏輯打開防喘振閥等裝置進行調節(jié)，最終使鼓風機恢復到正常工況.

圖2 鼓風機控制系統(tǒng)工藝流程圖

2 鼓風機系統(tǒng)控制策略與設計

2.1 鼓風機防喘振控制策略

針對污水處理廠對鼓風機安全運行的需求，系統(tǒng)采用變極限流量法來實現(xiàn)鼓風機的防喘振控制，利用PID算法來控制防喘振閥，入口導葉動作，對喘振消除與連鎖邏輯進行有效控制.圖3為防喘振原理圖.

風機流量Q

橫坐標為鼓風機流量Q，縱坐標為鼓風機出口壓力P，在轉速n下，C點為喘振點，喘振線右側為穩(wěn)定區(qū)，左側為喘振區(qū).

(1)防喘振閥自動控制

系統(tǒng)的防喘振閥采用分區(qū)間控制，設置了主、副2個氣動防喘振閥，閥門具有氣關特性，當壓力變送器檢測到鼓風機的出口壓力超過防喘振線后，PLC會發(fā)出開閥信號，副防喘振閥PV-102先打開.當副防喘振閥的開度達到一定程度時，若出口壓力沒有恢復到正常工況，此時主防喘振閥PV-101打開.程序控制流程如圖4所示.

圖4 程序流程圖

防喘振閥使用了快開慢關的控制策略，當鼓風機的工作點越限時，防喘振閥要快速動作確保鼓風機在短時間內恢復到正常工況，當鼓風機出口壓力恢復正常時，防喘振閥要平緩慢速動作來避免壓力出現(xiàn)大波動.

(2)入口導葉開度控制

入口導葉開度的改變可以控制鼓風機向管網(wǎng)中的供風量，保證管網(wǎng)中有足夠的風壓，同時可以對系統(tǒng)的防喘振起到輔助作用.入口導葉開度與鼓風機入口流量連鎖，鼓風機入口流量低于喘振流量時則通過PLC輸出開大信號，加大入口導葉開度.控制系統(tǒng)流程如圖5所示.

圖5 鼓風機防喘振控制系統(tǒng)流程圖

鼓風機防喘振控制系統(tǒng)主要包括控制、通信及監(jiān)控操作3個部分的設計.控制部分采用比較安全穩(wěn)定的SIEMENS S7-300PLC，通訊部分采用PROFINET總線通信協(xié)議，監(jiān)控操作部分由SIEMENS公司開發(fā)的WinCC組態(tài)軟件進行搭建設計[8-10].

2.2 防喘振控制

系統(tǒng)啟動時，鼓風機出口壓力、入口流量較小，不足以克服管網(wǎng)阻力，極易發(fā)生喘振現(xiàn)象.因此主防喘振閥PV-101、副防喘振閥PV-102全部打開，兩閥同時開到位后，鼓風機開始運行，當鼓風機到達一定的轉速后，緩慢減小主、副防喘振閥的開度直至完全關閉，系統(tǒng)開始正常運轉，由鼓風機出口壓力進行連鎖，對防喘振閥進行實時調節(jié).根據(jù)鼓風機的固有機械特性，需要為喘振調節(jié)留出一定的安全裕量，通過在線傳感器檢測鼓風機進出口流量、壓力、溫度，喉部壓差等參數(shù)，從而計算出當前狀態(tài)下的極限參數(shù)，進而計算出防喘振參數(shù).鼓風機運行時受到轉速、溫度等因素的干擾較多，因此以上都是動態(tài)參數(shù)，防喘振線一般為喘振線的91%.將鼓風機入口流量經(jīng)過折線計算后得到的出口壓力作為控制器的設定值，設定值也是動態(tài)參數(shù)，當壓力傳感器PIC-103檢測到實際出口壓力高于防喘振線時，壓力變送器將4～20 mA電信號通過模擬量輸入模塊給到PLC控制器中與壓力設定值計算得出偏差，依據(jù)PID算法公式計算出閥門開度，再經(jīng)模擬量輸出模塊轉化為電信號對副防喘振閥PV-102進行控制.當副防喘振閥的開度達到70%時，若鼓風機還沒有脫離喘振區(qū)，控制器會根據(jù)計算對主防喘振閥PV-101輸出閥門開度，使其快速打開.PID控制程序如圖6所示.

圖6 PID控制程序

2.3 入口導葉開度控制邏輯

當鼓風機啟動時，入口導葉全部關閉來減小鼓風機的起車阻力，當入口流量達到安全流量值時，入口導葉開啟到一個合適的角度來向管網(wǎng)供風.當流量計FIC-101檢測到入口流量高于喘振流量時，變送器將4～20 mA電信號通過模擬量輸入模塊給到PLC控制器中與流量設定值計算得出偏差，依據(jù)PID算法公式計算出入口導葉開度，再經(jīng)模擬量輸出模塊轉化為電信號對入口導葉開度進行控制.根據(jù)控制邏輯選擇STL語言進行編程，程序如圖7所示.

圖7 入口導葉開度控制程序

2.4 鼓風機報警設計

為了鼓風機的安全平穩(wěn)運行，使操作人員及時了解鼓風機的運行情況，系統(tǒng)加入了報警程序的設計，主要分為鼓風機起車報警、運行報警兩部分.鼓風機只有在相關的機械條件全部滿足后才能進行正常工作，包括入口導葉、主防喘振閥PV-101、副防喘振閥PV-102、放風閥XV-101等位置條件，只要有一個未達到起車條件，系統(tǒng)將發(fā)出報警提示；整個控制系統(tǒng)具有多個模擬量變送器，對鼓風機出口壓力、入口流量等進行監(jiān)控.一般情況下，報警控制線為喘振線的89%，當出口壓力、入口流量超過報警線時，系統(tǒng)會發(fā)出報警信號；當兩者超過喘振線時，系統(tǒng)將發(fā)出停車信號來保證鼓風機組的安全.控制程序如圖8所示.

圖8 報警控制程序

3 UI人機交互界面設計

鼓風機防喘振控制系統(tǒng)有現(xiàn)場手動模式、遠程手動模式和遠程自動模式3種工作方式.現(xiàn)場手動模式下工作人員可以在現(xiàn)場對設備儀表進行操控；切換為遠程手動模式后，工作人員可以在監(jiān)控室通過人機交互界面對現(xiàn)場設備進行遠程手動操控；切換為遠程自動模式后，系統(tǒng)按照設計程序自動運行，工作人員只需要對整個系統(tǒng)進行監(jiān)控即可.

人機交互界面的設計通過WinCC組態(tài)軟件來完成，利用自帶的工具箱進行靜態(tài)圖形、按鈕等的繪制，然后進行動畫連接.人機交互界面如圖9所示.

圖9 人機交互界面

4 結 論

基于某污水處理廠曝氣鼓風機運行中存在的喘振問題，采用SIEMENS S7-300PLC與WinCC組態(tài)軟件設計了鼓風機防喘振自動控制系統(tǒng)，大幅度提高了曝氣鼓風機運行的穩(wěn)定性，減少了喘振現(xiàn)象的發(fā)生概率，確保了整個機組的運行安全，為SBR反應池中的生化反應提供充足穩(wěn)定的溶氧量，保證污水處理環(huán)節(jié)的高效運作.WinCC組態(tài)軟件加持下的UI人機交互界面簡潔明了，操作方便，大大降低了操作人員的工作難度，系統(tǒng)整體運行取得了良好效果.