錢 宏

(中冶華天南京電氣工程技術(shù)有限公司，江蘇 南京 210019)

0 引 言

污水處理廠生化處理中，曝氣系統(tǒng)是其最為核心環(huán)節(jié)，其生化池內(nèi)溶解氧(DO)的含量的多少對活性污泥降解有機污染物至關(guān)重要。曝氣量的不足和過量對生化處理過程中溶解氧含量都會產(chǎn)生影響，過低則導(dǎo)致好氧池絲狀菌成倍增長引起污泥膨脹，過高則導(dǎo)致能源浪費嚴重，且通過回流攜帶DO進入缺氧池，從而減弱缺氧池反硝化能力，難以達到脫氮的效果。通過對污水處理過程全流程分析，曝氣環(huán)節(jié)約占整個污水廠生產(chǎn)中能耗的50%以上，是污水處理過程中能耗最高的環(huán)節(jié)[1,2]。同時，由于在污水處理廠設(shè)計階段缺少清晰的外圍數(shù)據(jù)，為了保證污水處理后出水能夠達標排放，通常在設(shè)計過程中對其安全系數(shù)留有較大的裕量，使得設(shè)備選型與實際情況有較大的出入[3,4]。又鑒于系統(tǒng)工況設(shè)計的局限性，大部分的污水處理廠都是采用集中供氣的設(shè)計理念，即面臨一根總管道分支給多條生化池供氣，鼓風(fēng)機分支安裝于總管，這樣導(dǎo)致無法從改變鼓風(fēng)機的運行工況來控制各個生化池溶解氧。一些學(xué)者嘗試于在每條生化池分支空氣管道安裝調(diào)節(jié)閥來解決以上問題，但是由于系統(tǒng)空氣管路長延遲大、來自于外部干擾多、難以較好的實現(xiàn)控制[5]。同樣，從鼓風(fēng)機側(cè)的總輸出進行調(diào)節(jié)，更難解決針對生化池各區(qū)域內(nèi)需氧量要求不一致的問題，控制效果不理想。

1 控制系統(tǒng)設(shè)計

針對前述問題設(shè)計一種多點組合式曝氣控制系統(tǒng)。將多條生化池每個池進行分區(qū)(如前、中、后段或者內(nèi)、中、外溝)。針對單條生化池，生化池內(nèi)至少安裝三組曝氣器，根據(jù)進水方向分別安裝于其前中后段，或者安裝在外中內(nèi)溝內(nèi)；同時，每組曝氣器總進氣口處裝有調(diào)節(jié)閥，根據(jù)工藝要求在每組曝氣器區(qū)域具有代表性的點處安裝有溶解氧測量儀；通過必要的隔離或信號轉(zhuǎn)換裝置將溶解氧測量儀測量的DO值y、調(diào)節(jié)閥開度反饋值x以及控制器輸出調(diào)節(jié)閥的執(zhí)行開度值i進行連接，組成單個溶解氧分區(qū)控制閉環(huán)回路，組成單個的溶解氧分區(qū)控制系統(tǒng)。將多條生化池內(nèi)的多個調(diào)節(jié)系統(tǒng)值通過控制器的函數(shù)f(x)加權(quán)運算，調(diào)節(jié)系統(tǒng)值來自于每個分區(qū)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)閥反饋值，加權(quán)運算其結(jié)果作為過程控制器和邏輯控制器輸入值計算鼓風(fēng)機投運臺數(shù)及調(diào)整運行頻率，同時，鼓風(fēng)機總管流量或壓力參數(shù)送入各分區(qū)控制器的前饋網(wǎng)絡(luò)，負反饋于調(diào)節(jié)分區(qū)控制器的輸入值，解決空氣管路長導(dǎo)致控制系統(tǒng)失控或控制效果差的問題。各分區(qū)控制器通過優(yōu)化控制算法對給定運行軌跡進行修正，使得各分區(qū)段溶解氧含量較好的跟蹤給定期望值；從而實現(xiàn)了一路空氣總管對多條生化池內(nèi)DO值精確控制，同時對生化池的不同區(qū)域不同需氧量要求進行區(qū)別控制。

控制系統(tǒng)的組成包括1、曝氣器；2、分區(qū)控制器；3、溶解氧測定儀；4、調(diào)節(jié)閥；5、曝氣空氣總管；6、加權(quán)運算器；7、過程控制器和邏輯控制器；8、變頻控制器；9、鼓風(fēng)機組合套件,其控制系統(tǒng)組成圖如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)組成圖

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

選用控制系統(tǒng)的動力源為電動，控制器設(shè)備含可編程邏輯控制器和工業(yè)控制計算機。其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

將多條生化池內(nèi)的多個調(diào)節(jié)系統(tǒng)值通過控制器的函數(shù)f(x)加權(quán)運算如式(1)：

f(t)=k(t)f(x);(t為時間常數(shù)，x=xk1xk2…)

(1)

其結(jié)果作為邏輯控制器和過程控制器輸入值計算鼓風(fēng)機投運臺數(shù)和調(diào)整鼓風(fēng)機變頻控制器的運行頻率fk(t)，從而實現(xiàn)按需分配供氣量、穩(wěn)定于最佳運行點。

單個分區(qū)控制器，均分設(shè)期望軌跡存儲器和控制存儲器，期望軌跡存儲器將工藝要求的溶解氧含量值在時間常數(shù)上進行離散存儲yd1，并將采集實際溶解氧值yk1對期望軌跡取誤差ek(t)和ek-1(t)。如式(2)：

ek(t)=yd(t)-yk(t),ek-1(t)=

yd(t)-yk-1(t);[t∈(0,T)]

(2)

通過實際輸出與期望輸出的相互比較產(chǎn)生系統(tǒng)誤差ek(t)，引入先進的迭代學(xué)習(xí)律計算產(chǎn)生修正后的輸入控制量，從而構(gòu)造控制序列{uk(t)}函數(shù)不斷的逼近一組控制量{ud(t)}，使得實際輸出與期望輸出間的誤差逐漸減少直至滿足控制的精度要求[6]。構(gòu)造目標函數(shù)式(3)用來界定學(xué)習(xí)律計算結(jié)果是否滿足控制的精度要求。當(dāng)J<ε時(ε為相對極小數(shù))，說明控制精度滿足，此時，存儲器記錄其產(chǎn)生本次結(jié)果的一組控制量uk(t)和控制效果溶氧值yk(t)，停止學(xué)習(xí)過程。當(dāng)J>ε時，說明超出了目標函數(shù)界定的控制精度要求，此時，啟動學(xué)習(xí)計算，再次修正輸入控制量的過程。如式(3)：

(3)

不斷循環(huán)對目標函數(shù)的比較過程，在精度滿足要求時，存儲產(chǎn)生本次結(jié)果的一組控制量uk(t)和控制效果溶氧值yk(t)，同時可以通過K1選擇開關(guān)自由切除或投入內(nèi)環(huán)控制器，增加控制系統(tǒng)的快速跟蹤性能。實現(xiàn)了鼓風(fēng)機組空氣總管內(nèi)的空氣流量和壓力的動態(tài)調(diào)整；同時將空氣總管內(nèi)空氣壓力P參數(shù)和流量F參數(shù)送入各分區(qū)控制器的前饋網(wǎng)絡(luò)，負反饋于調(diào)節(jié)分區(qū)控制器，實現(xiàn)預(yù)估補償?shù)目刂颇康模鉀Q空氣總管路長導(dǎo)致控制系統(tǒng)滯后、擾動或失控問題。

圖3 控制效果圖

2 控制效果及結(jié)論

從圖3可以看出，在切換到設(shè)計的精確控制系統(tǒng)后， 10min后即可從較大的溶解氧含量值達到設(shè)定的穩(wěn)態(tài)值，且控制精度達到2%以內(nèi)，其控制效果較為理想。在采用各分區(qū)控制器的前饋網(wǎng)絡(luò)，解決空氣管路長導(dǎo)致控制系統(tǒng)失控或控制效果差的問題。利用了部分解耦和尋優(yōu)控制方法，從而提高工藝參數(shù)的穩(wěn)定性、節(jié)約能源，達到精確曝氣的目的。同時，通過加權(quán)計算集成控制于鼓風(fēng)機組的輸出風(fēng)量，從而在保證出水達標的前提上，兼顧曝氣系統(tǒng)的經(jīng)濟型，對污水處理廠節(jié)能降耗，降低運營成本。