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生化池罗茨风机鼓风曝气变频调速的PID控制节能途径

生化池罗茨风机鼓风曝气变频调速的PID控制节能途径

山东锦工有限公司是一家专业生产罗茨鼓风机、罗茨风机、回转式鼓风机等机械设备公司,位于有“铁匠之乡”之称的山东省章丘市相公镇,近年来,锦工致力于新产品的研发,新产品双油箱罗茨鼓风机、水冷罗茨鼓风机、油驱罗茨鼓风机、低噪音罗茨鼓风机,赢得了市场好评和认可。产品和服务远销全国各地及东南亚,深受客户好评。

罗茨鼓风机曝气系统的电耗一般占污水处理系统电耗的40%~60%,是污水处理节能的关键。最根本的节能措施是提高曝气控制效率,降低氧的浪费,减小风量。最显著的节能方法是罗茨鼓风机气量控制节能,即供气供氧设备采用罗茨鼓风机变频控制,在PID自动控制下直到溶解氧(DO)浓度稳定在设定值,可解决两方面问题:第一,溶解氧浓度太低污水不能达标;第二,溶解氧浓度太高,不仅浪费电能还可能使活性污泥上浮使出水也不能达标。根据鼓风曝气变频调速PID控制系统应用在桂林市排水工程管理处北冲污水处理厂污水处理工艺中的良好效果,分析了其系统的控制,对提高污水处理的节能和稳定性有一定的实用性。

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1 工程概况
1.1 自控概况
北冲污水处理厂坐落于桂林市西北面,2003年8月开始扩建,新厂区占地面积38亩,于2005年4月开始试运行,设计日处理能力为3万t,目前实际进厂污水量为2.5万t/日,均达标处理,其进水以生活污水为主。采用A2/O活性污泥法处理工艺,出水水质达到GB 18918-2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级B类标准。厂内自动化控制系统由就地控制层、现场PLC控制层和中央监控层组成;控制网络为监控通信光纤工业以太网。PLC控制系统采用西门子SIMETIC S7-300系列可编程控制系统。各现场控制站分布在各工艺段,与中控室监控计算机通过工业以太网实现通信和数据传输。中心控制室对污水处理工艺参数采集、显示、修改、设置和管理,对厂区内被控设备运行状态检测、显示,中控室监控计算机通过工业以太网,与各现场PLC控制站交换数据、采集信息,遥控和管理各现场PLC控制站内的机电设备,并按工艺要求实现对其控制。操作人员可在中心控制室完成集中监控、报警处理、事件处理、报表打印、设备运行能耗管理、单位水量处理成本等工作,实时监视、控制整个污水处理工艺流程的运行工况。
1.2 污水处理工艺及工艺流程图
北冲污水处理厂采用A2/O活性污泥法处理工艺,具有除磷脱氮功能,采用微孔鼓风曝气,安装有高度自动化控制系统及各类检测设备和仪表,剩余污泥采用离心脱水干化后外运,尾水消毒采用紫外消毒工艺,同时建设有强化除磷加药车间用于稳定除磷效果,处理后的出水排入江体。
应用案例
2 A2/O生化池鼓风曝气变频调速PID控制系统
2.1 系统功能
北冲污水处理厂A2/O生化池鼓风曝气变频PID控制系统设计考虑如下两点:第一,曝气池所需风量的变化与水质和水量相关,而水质和水量有一定规律,变化较小,而且A2/O工艺的曝气池水位基本上保持不变。因为送风管压力变化较小,罗茨风机具有恒转矩输出的特性,流量和转速成正比例的关系,轴功率和转速也成正比例关系,与离心风机相比较在控制上更容易把握,所以选用节能、灵活的带变频调速的罗茨鼓风机。第二,用变频器改变交流电机的转速方式控制罗茨风机流量,大幅度减少了用管道调节阀来调节空气流量的机械方式所造成的能量损耗,不会产生附加压力损失,调节风量范围0%~100%,调节范围宽,处于低负荷下运行,可延长设备使用寿命,节能效果显著。第三,鼓风曝气是一种闭环调节的自动控制模式,根据溶解氧的偏差来调整鼓风机流量,这种模式可以实现关于水质、水量的最优控制,曝气效果最佳,节能的效果最显著。
2.2 系统构成
控制系统由以下设备构成:主送风管路装设空气流量计、压力计、信号上传至曝气系统的控制装置。曝气池上根据氧的理论分布安装溶解氧检测仪,信号上传至曝气系统的控制装置。每台鼓风机配备一套无速度反馈的U/f可调的变频器,变频器具备PI调节功能模块,反馈控制信号可下传至变频器。曝气系统的控制装置采用PLC(可编程逻辑控制器)和相应的HMI(人机界面),PLC具有PID操作指令,并配有全面、安全的输入输出接口,信号通过现场站PLC的模块进行采集后,通过全厂光纤网络送至中心控制室,中心控制室通过工业以太网对现场PLC控制站采集到的信号数据,生成工艺监控实时画面,作为人机操作界面,供操作管理人员实时监控和管理整个污水处理工艺流程。HMI通过文字和图形动态地反映在线数据,如空气流量、溶解氧值、压力、频率、电流以及设备状态等,操作人员可以进行即时的参数修改、分布操作或模式选择。曝气系统的PLC是污水处理厂自控系统的组成部分,与中央控制室的上位计算机实现通信。
2.3 系统控制
2.3.1 罗茨鼓风机的控制
PLC采集每套鼓风机的手动/自动位置、运行状态、故障信号;总出风管风压值、总出风管风量值、每台鼓风机的频率、电流等;同时给出鼓风机的启停指令。PLC记录每台罗茨鼓风机的当前运行时间和累计运行时间,时间以小时进行记录。中控室监控计算机画面上每台罗茨风机设置遥控/自动转换按钮。操作人员可以通过鼠标在中控室监控计算机对鼓风机进行手动启停控制。中控室监控计算机实时显示总出风管风压值、总出风管风量值、每台罗茨鼓风机的频率、电流等,每台罗茨鼓风机的当前运行时间和累计运行时间。当罗茨鼓风机出现故障信号时,停止运行或禁止启动鼓风机。
2.3.2 溶解氧(DO)控制
点击中控室监控计算机罗茨鼓风机图标,可进入罗茨鼓风机控制画面,罗茨鼓风机的控制根据污水在生化池上出口的溶解氧浓度的溶解氧(DO)值保持在某一设定值(如2 mg/l)(或也可根据ORP来调节),都可根据按钮来选择,DO控制主要参数和PID控制参数都可在上位机设定。在实际控制中,罗茨鼓风机的风量设定值为工艺理论值,这一值经溶解氧反馈信号比较后,根据偏差实时调节风量的增减,最终使污水溶解氧值稳定在设定值(也可根据季节、水质的变化等实际情况不断调整)。
在上方的趋势图中可看到实际值和设定的值的曲线,进而可方便的调节工艺参数,使鼓风机的效率、出水水质达到最优化,画面如图2所示。
3 系统效应
降低电耗:系统能降低污水处理厂曝气系统能耗15%~40%;污水处理厂出水达到排放标准:通过实时监测满足排放要求;增加污水处理厂的处理量:系统对处理工艺进行优化后,可评估污水处理厂的处理量;提高污水处理工艺可控性及稳定性:在曝气量和水量足够的情况下,DO设置值和PID控制动态调整,使出水达到排放标准;预警和工艺帮助:系统能依据数据来判断污水处理厂的工艺何时需调整。
4 结 语
经过几年的使用,A2/O生化池鼓风曝气变频调速PID控制系统在我厂运行至今系统稳定、可靠、操作方便、使用安全、效率高、故障率低,污水处理效果好,提高了劳动生产率,有良好的节能效果,强化了自动化管理。

成功案例

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