彭小玉,秦 斌 ,王 欣,宋翼頡
(湖南工業(yè)大學 電氣與信息工程學院,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 電氣與信息工程學院,湖南 株洲 412007)
針對污水處理廠提升泵站普遍存在水泵機組啟停頻繁、集水井易發(fā)生溢流事故、泵站單元高能耗的問題,設計一種基于變參數PID控制算法和泵站分組輪詢的提升泵優(yōu)化控制系統(tǒng),并運用于株洲市某污水處理廠。實際運行結果表明:該系統(tǒng)可以適應進水水量的變化,在減少水泵的啟停次數,防止集水井溢流,降低系統(tǒng)能耗,保證安全生產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
隨著我國經濟的發(fā)展和城鎮(zhèn)化的推進,對城市污水處理的需求日益增加。當前,我國雖然在城市污水處理廠的建設方面取得了較大進展,但大部分污水處理廠都存在自動化水平低、輕視過程管理、能耗物耗高等問題。優(yōu)化污水處理廠自動控制及運營管理,降低污水處理廠運行成本,增強工藝穩(wěn)定性,是目前污水處理行業(yè)適應經濟發(fā)展的關鍵[1]。
提高城市污水處理廠的自動化控制水平,不僅要改善設備的自動化程度,還要優(yōu)化工藝流程各個單元的控制方法,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。原污水經過粗格柵間去除污水中體積較大的懸浮狀固體物質,然后進入細格柵及旋流沉砂池,去除大部分的懸浮物和部分有機物,從而提高污水的凈化效果。經過旋流沉砂池的出水進入氧化溝,在氧化溝內微生物的作用下分解大部分有機物、氮和磷。隨后污水流入二沉池絮凝沉淀,上層澄清液進入提升泵房,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。 提升泵房集水井出水至活性砂濾池,同時在集水井出水口加藥除磷;砂濾池出水后經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人工經驗實行本地控制或PLC自動控制。本地控制即由操作人員通過計算泵站集水井實際液位與目標液位偏差,根據經驗人為控制各臺泵的啟?;蜃冾l泵的給定頻率。PLC自動控制即通過液位計反饋的實際液位值與PLC預設的標記值比較,控制泵的啟?;蚋鶕涷灲o變頻器固定的頻率輸出,同時使用輪詢機制,盡量使每臺泵的運行時間基本相同。
目前常用的控制方式的不足之處是:控制策略與人的經驗密切相關,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)生產的情況下,容易造成因水泵頻繁啟停導致電機過熱而燒毀;在雨天或是進水流量突然增加時,則容易造成集水井溢流,不能保證污水處理廠的安全生產。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。
為此,本文結合變參數PID控制算法和泵站編組輪詢機制,設計一種泵站穩(wěn)流節(jié)能優(yōu)化控制系統(tǒng),并在實際工程中檢驗該系統(tǒng)穩(wěn)流節(jié)能的效果。
本研究設計的泵站穩(wěn)流節(jié)能優(yōu)化控制系統(tǒng)主要功能為:根據泵站當前水位、流量等參數優(yōu)化泵機組合方式,減少泵機起停頻率[3];通過使用變參數PID控制器控制變頻泵頻率,提高液位控制的穩(wěn)定性;同時對泵組進行編組輪詢控制,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)構成,各個環(huán)節(jié)對應的參數分別是Kp,Ki, Kd,其輸入偏差e(t)與輸出u(t)的關系可以描述為
在工程中控制器正式投入使用前,工程師都會按照工程和調試經驗事先設定好控制參數。但實際應用過程往往具有非線性、時變不確定性,控制對象存在較大的慣性和強干擾特性,固定參數的PID控制器難以實現(xiàn)高質量的穩(wěn)定控制。尤其當被控對象的參數變化超出實際范圍時,系統(tǒng)性能會明顯變差。為提高PID控制性能,學者們對自適應性能的PID控制器進行了深入研究。 例如,神經網絡PID控制器,它是利用RBF(radial basis function)神經網絡在線辨識對象模型,利用BP(back propagation)神經網絡再根據辨識模型在線調整PID參數,其計算量很大,在實際運用中難以實現(xiàn)[4]。如果利用變參數PID控制,既可以較好地解決常規(guī)控制器對工況的適應性問題,又可以通過編寫PLC程序得以實現(xiàn)。
提升泵液位變參數PID控制如圖2所示。其中提升泵房的集水井液位為被控量,采用超聲波液位計進行檢測;PID控制器通過變頻器控制軸流泵的轉速,從而控制集水井液位,根據液位的偏差e計算PID參數。
圖2 變參數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分別為經過變參數規(guī)則計算修正后的比例參數、積分參數和微分參數,各個參數與輸入量偏差值e、偏差積分和偏差微分 之間的數學關系為:
式(2)~(4)中:Kp0, Ki0, Kd0為修正系數;
a為常數。
Kp0, Ki0, Kd0主要取決于當系統(tǒng)穩(wěn)定時PID控制器的參數和在線調整參數的速度,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控制時的整定值。在偏差e的絕對值較?。ǚ€(wěn)態(tài)值附近)時,比例系數K′p取較小值,相反時取較大值,這樣有利于加快響應速度,同時保證有很好的穩(wěn)定性[5]。在偏差e積分的絕對值較?。ǚ€(wěn)態(tài)值附近)時,積分系數K′i取較大值,相反時取較小值(或者0),這樣既有利于保證穩(wěn)態(tài)無靜差,又不會引起積分飽和而使超調增大、調節(jié)時間延長。在偏差e微分的絕對值較?。ǚ€(wěn)態(tài)值附近)時,微分系數K′d取較大值,相反時取較小值,這樣有利于加快對小偏差的反應速度,提高控制器對干擾的靈敏度,出現(xiàn)干擾時能及時調節(jié)[6-9]。
2.2泵站編組輪詢方法
由于污水處理廠生產的連續(xù)性,要求確保提升泵站機組可以24 h不間斷工作,因此在工程中均實行電機備用制度。即系統(tǒng)含有N臺電機,一般情況下M(M≤N)臺投入使用即可滿足工藝要求,其余電機則作為備用泵。為避免泵組頻繁啟?;蛘邌闻_泵長時間連續(xù)運行、長時間閑置,可采用編組輪詢控制方法。
假設系統(tǒng)共有N臺提升泵,x臺變頻泵,y臺工頻泵,并將其分為變頻和工頻2組,在某一液位段需要i臺變頻泵,j臺工頻泵運行。計算每臺泵的累計運行時間和正在工作泵的連續(xù)運行時間,當液位達到泵的切換條件、正在工作的泵出現(xiàn)故障、設定的單臺泵連續(xù)運行時間等條件時,將累計運行時間值從小到大對應的泵的編號按順序自動置為1~i或1~j。系統(tǒng)根據液位情況,自動開啟編號為1~i的變頻泵和1~j的工頻泵,控制單臺變頻泵啟動的流程如圖3所示。
圖3 變頻泵控制流程圖Fig. 3 Flow chart of variable frequency pump control
將優(yōu)化控制系統(tǒng)應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目。該廠污水處理規(guī)模為 10萬m3/d,泵站設有 4臺軸流泵,單臺額定功率為40 kW,其中2臺泵配備45 kW的施耐德變頻器。集水井內設有一臺超聲波液位計,量程為0~6.0 m,提升泵站的各類設備和儀表經通訊進入施耐德PLC 系統(tǒng)。改造前,提升泵采用人工控制,啟停頻繁,這不僅導致能量浪費、設備使用壽命縮短,而且在夜間人工值守時容易造成集水井溢流、出水波動大。
3.1工程實施
在該次自動控制改造過程中,將4臺泵分成2組,一組為變頻泵,另一組為工頻泵。設置啟1臺泵、啟2臺泵、啟3臺泵、停1臺泵、停2臺泵、停3臺泵、恒液位7個液位標記值,當實際液位到達液位標記時泵的動作如圖4所示。進水流量在一定范圍內波動時,使用變參數PID控制器調節(jié)變頻泵頻率實現(xiàn)恒液位控制。
圖4 用液位標記位控制水泵啟停示意圖Fig. 4 Schematic of controlling pump on/off with the liquid level sign
每個泵均做連續(xù)運行時間和累計運行時間計算,比較同組泵的運行時間,達到泵的切換條件時,優(yōu)先開啟累計運行時間短的泵。如果系統(tǒng)長期穩(wěn)定運行在恒液位控制段,則在到達輪詢時間(可調)時切換成另一組泵,變頻泵組的頻率由變參數PID控制器根據液位偏差調節(jié)。使用與施耐德硬件配套的Unity Pro 軟件對提升泵站的自動控制進行編程,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
在設計上位機界面組態(tài)程序時,著重考慮了系統(tǒng)的易操作性和安全性,界面生動友好,實現(xiàn)的主要功能如下。
1)在提升泵控制畫面上,不僅可以看到各個設備的運轉情況及所有參數,還可以在泵處于遠程模式時實現(xiàn)上位機點動和PLC自動控制。
2)在畫面上可以設置各個液位標記位和自動輪詢時間等參數值,在上位機點動模式下還可調節(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為提升泵房上位機可視化界面。
圖6 提升泵房上位機界面Fig. 6 Lift pump station PC interface
3.2提升泵站運行結果分析
3.2.1集水井液位變化對比
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PID控制后,液位大幅波動的現(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出現(xiàn)液位過高溢流的問題,同時出水流量變化小,為后續(xù)化學除磷單元提供了較平穩(wěn)的進水量。
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
當泵負載時,其電機轉速n與流量Q、揚程H及泵的軸功率P有如下關系:
式中:n1, n2分別為電機轉速;
Q1, Q2分別為電機在轉速為n1, n2時的流量;
H1, H2分別為電機在轉速為n1, n2時的揚程;
P1, P2分別為電機在轉速為n1, n2時的軸功率。
電機轉速n與電源頻率f以及電機旋轉磁場的極對數p的關系為
式(5)和(6)表明:泵的流量與其轉速成正比,泵的揚程與其轉速的平方成正比,泵的軸功率與其轉速的立方成正比,電機轉速與電源頻率成正比。
當水泵的工作效率一定,要求調節(jié)流量下降時,轉速n可成比例地下降,而此時軸輸出功率P成立方關系下降,即水泵電機的耗電功率與轉速近似成立方比的關系[10]。 以單臺提升泵電機功率為40 kW計算,當轉速下降到原轉速的80%時,其耗電量為20.48 kW,省電48.8%;當轉速下降到原轉速的50%時,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,相對減小了吸水處水位與出水控制點水位的幾何高差,降低了污水提升揚程;另一方面變參數PID控制器合理調節(jié)變頻泵的頻率,使其適應于流量與揚程的變化,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個月與改造前1個月實際運行能耗對比如表 1所示。
表1 改造前后1個月泵站能耗對比Table 1 The energy consumption comparison of the pumping station for 1 months before and after the transformation
由表1計算可得,穩(wěn)流節(jié)能優(yōu)化控制系統(tǒng)實施后,單元能耗可節(jié)約22.8%,全廠節(jié)能 5.24%。
針對現(xiàn)有提升泵站能耗高、出水不穩(wěn)定、泵啟停頻繁的問題,設計了基于變參數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)的編組輪詢控制機制可使各個泵運行時間基本相同,能較好地延長泵的壽命。跟蹤液位變化規(guī)律動態(tài)修正PID控制器參數,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行,從而減少水泵啟停次數、降低提升能耗、節(jié)約運行費用。經工程實際應用證明,該系統(tǒng)穩(wěn)流節(jié)能效果良好,具有一定的普適性,對于相關工程具有一定的參考意義。
[1]郭思元,王浩昌,趙冬泉,等. 基于穩(wěn)流節(jié)能的污水處理廠進水泵站智能控制方法[J]. 中國給水排水,2010,26(20):135-138. GUO Siyuan,WANG Haochang,ZHAO Dongquan,et al. Intelligent Control Method of Influent Pumping Station of WWTP Based on Stable Flow Energy Saving[J]. China Water & Wastewater,2010,26(20):135-138.
[2]付紅. 機械設備自動化在污水處理工程中的應用[J]. 中國科技信息,2014(16) :50-51. FU Hong. Application of Mechanical Equipment Automation in Sewage Treatment Engineering[J]. China Science and Technology Information,2014(16) :50-51.
[3]宗圓. 污水泵站系統(tǒng)的節(jié)能機理及控制策略[J]. 城市建設理論研究(電子版),2014(36). doi:10.3969/j.issn. 2095-2104.2014.36.1376. ZONG Yuan. Energy-Saving Mechanism and Control Strategy of Sewage Pumping Station System[J]. Urban Construction Theory Research(Electronic Edition),2014(36). doi:10.3969/j.issn.2095-2104.2014.36.1376.
[4]鄭晉平. 基于RBF神經網絡辨識的單神經元PID模型參考自適應控制[J]. 電子技術與軟件工程,2015(19) :18-19. ZHENG Jinping. Single Neuron PID Model ReferenceAdaptive Control Based on RBF Neural Network Identification[J]. Electronic Technology & Software Engineering,2015(19) :18-19.
[5]李輝,楊超,趙斌,等. 風電機組電動變槳系統(tǒng)建模及運行特性評估與測試[J]. 電力系統(tǒng)自動化,2013,37(11) :20-25. LI Hui,YANG Chao,ZHAO Bin,et al. Modeling and Operation Performance Evaluation and Test of Electric Pitch System in Wind Turbine Generator System[J]. Automation of Electric Power Systems,2013,37(11) :20-25.
[6]尹媛. PID控制器參數整定方法研究[D]. 西安:西安理工大學,2014. YIN Yuan. The Research of PID Controller Parameter Tuning Methods[D]. Xi'an:Xi'an University of Technology,2014.
[7]趙敏. 智能自適應PID控制器設計及仿真研究[D]. 哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學,2012. ZHAO Min. Research on Design and Simulation of Intelligent Adaptive PID Controllers[D]. Harbin:Harbin Institute of Technology,2012.
[8]NABAVI-KERIZI S H,ABADI M,KABIR E. A PSOBased Weighting Method for Linear Combination of Neural Network[J]. Computers and Electrical Engineering,2010,36(5) :886-894.
[9]ZIEGLER J G,NICHOLS N B. Optimum Settings for Automatic Controllers[J]. Transactions ASME,1942,64(11):759-768.
[10]王文平. 淺析變頻器在水泵控制中的應用[J]. 能源與節(jié)能,2014(4) :174-175. WANG Wenping. Analysis of Frequency Converter in Water Pump Control[J]. Energy and Energy Conservation,2014(4) :174-175.
(責任編輯: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
湖南省科技計劃基金資助重點項目(2014FJ2018),湖南省自然科學基金資助項目(13JJ3110),湖南省教育廳科研基金資助重點項目(15A050),湖南省研究生科研創(chuàng)新基金資助項目(CX2015B564)
彭小玉(1991-),女,湖南湘鄉(xiāng)人,湖南工業(yè)大學碩士生,主要研究方向為復雜工業(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)大學教授,博士,主要研究方向為復雜工業(yè)過程建模與控制以及智能調度,E-mail:qinbin99p@163.com