申请日2018.05.14
公开(公告)日2018.09.28
IPC分类号C02F3/00; C02F3/02; C02F3/12; C02F3/30
摘要
本发明公开了一种污水处理厂鼓风系统能耗最优的控制装置及方法，其中，装置包括：鼓风机最优工况控制模块，用于控制运行状态的鼓风机在满足给定总风量的前提下处于最优工况，提高鼓风机效率，降低鼓风机能耗;阀门补偿调节模块，用于控制阀门在满足曝气系统气量分配的前提下处于最大开度，降低曝气系统总压力，减少曝气系统压力损失;曝气器堵塞判定模块，用于监测曝气器堵塞情况并提示相应操作，降低曝气器的阻力损失，提高曝气系统整体效率;曝气系统能耗分析模块，用于计算鼓风曝气系统当前工况能耗与最优工况能耗的差距。该装置和方法可以有效提高鼓风系统的整体效率，降低鼓风系统整体能耗，提高污水处理厂运行管理水平。
翻译权利要求书
1.一种污水处理厂鼓风系统能耗最优的控制装置，其特征在于，包括：
设置于污水处理厂生化单元自控系统中的控制器，用于实现鼓风系统能耗最优控制;
设置于所述控制器中的鼓风机最优工况控制模块，用于控制运行状态的鼓风机在满足所需风量的前提下处于最优工控运行;
设置于所述控制器中的阀门补偿调节模块，用于控制阀门在满足曝气系统气量分配的前提下处于最大开度;
设置于所述控制器中的曝气器堵塞判定模块，用于监测曝气器堵塞情况并提示相应操作;
设置于所述控制器中的曝气系统能耗判定模块，用于计算鼓风曝气系统当前工况能耗与最优工况能耗的差距。
2.根据权利要求1所述的污水处理厂鼓风系统能耗最优的控制装置，其特征在于，在所述鼓风机为多台时，所述鼓风机最优工况控制模块进一步用于控制单台鼓风机的开度，以保证所述鼓风机的效率最高，其中，相同鼓风机保持相同风量，不同型号的鼓风机根据调整公式调整每台鼓风机的开度和风量值。
3.根据权利要求2所述的污水处理厂鼓风系统能耗最优的控制装置，其特征在于，其中，多台风机同时运行情况下，鼓风机的总电耗P的计算公式简化后为：
式中，P为鼓风机的总功率，单位kWh，Qi为第i台鼓风机的实际风量，单位m3/h，Hi为第i台鼓风机的出口压力，单位kPa，ηi为第i台鼓风机的效率，无量纲，HB为鼓风机主管出口压力，单位kPa，Qmax,i为i台风机在最佳工况点的额定风量，单位m3/s，A为系数，单位kg/m2·s;
通过求解的最小值，得到在给定需风量Q时，i台鼓风机在当前出口总风压HB下的最优风量Qi为当前组合工况下的最高鼓风机效率：
4.根据权利要求1所述的污水处理厂鼓风系统能耗最优的控制装置，其特征在于，还包括：
设置于曝气支管上的至少一个气体流量计、至少一个压力变送器和至少一个调节阀门，所述阀门补偿调节模块通过监测所述气体流量计的支管流量、所述压力变送器的支管压力和所述阀门的开度，通过阀门调节补偿算法对曝气支管阀门进行最大开度控制，其中，保持风量最大的支管的调节阀门开度始终保持为100%，在需要增减所述风量最大的支管流量时，将阀门的调节动作通过等比例方式补偿到其他支管阀门上，以保证曝气系统管线总阻力损失最小，
式中Qs,t为第i干管的设定风量，Qset,i为第i干管的实际控制目标风量，Qt,i为第i干管的当前风量，∑Qt,i为MOV补偿阀门之外的风量之和，ΔQt,MOV为计算得到的MOV补偿支管的变化风量。
5.根据权利要求1所述的污水处理厂鼓风系统能耗最优的控制装置，其特征在于，所述曝气器堵塞判定模块进一步用于根据调节算法在所述鼓风机每次启停时计算曝气器阻力系数及其变化量，并根据所述曝气器阻力系数及其变化量判定曝气器的当前状态及相应控制。
6.根据权利要求5所述的污水处理厂鼓风系统能耗最优的控制装置，其特征在于，其中，所述调节算法为：
其中，为给定进水流量区间的鼓风机流量-压力曲线拟合截距的长期平均值，Δh为曝气系统曝气器阻力的变化量，ha、hb、hc为曝气器阻力系数变化量设定值;
当ha≤Δh<hb时，根据预设的清洗时间对所述曝气器进行大冲洗，以延缓曝气器表面污染;
当hb≤Δh<hc时，提醒在线清洗，以降低曝气器阻力损失;
当Δh≥hc时，提醒更换曝气器，以降低曝气系统压力，且提高效率和节约曝气能耗。
7.根据权利要求1所述的污水处理厂鼓风系统能耗最优的控制装置，其特征在于，所述曝气系统能耗判定模块进一步用于根据所述曝气系统和所述鼓风机的运行参数获取所述曝气系统的整体效率和与最优工况的差距。
8.根据权利要求7所述的污水处理厂鼓风系统能耗最优的控制装置，其特征在于，所述曝气系统的整体效率的计算公式为：
其中，Ia、Ib和Ic为鼓风机当前运行电流值，Ia,0、Ib,0、Ic,0为鼓风机最优工况电流，U为鼓风机工作电压，cosφ为功率因数，P为曝气系统当前功率，P0为曝气系统最优工况功率。
9.一种污水处理厂鼓风系统能耗最优的控制方法，其特征在于，采用如权利要求1-8任一项所述的污水处理厂鼓风系统能耗最优的控制装置，其中，方法包括以下步骤：
检测曝气主管的当前流量和当前压力;检测曝气支管的当前流量和当前压力;
根据所述曝气主管的当前气流流量和当前气体压力、所述鼓风机的当前工况，对所述鼓风机进行控制;根据所述曝气支管的当前流量和当前压力、所述至少一个调节阀门的开度，对所述至少一个调节阀门进行控制;通过计算曝气器阻力系数及其变化量，对曝气器阻力进行评估计算，并通过相应操作延缓曝气器堵塞。
说明书
污水处理厂鼓风系统能耗最优的控制装置及方法
技术领域
本发明涉及城市污水处理技术领域，特别涉及一种污水处理厂鼓风系统能耗最优的控制装置及方法。
背景技术
我国污水处理主流工艺包括AAO(Anaerobic-Anoxic-Oxic，厌氧-缺氧-好氧法)、OD(Oxidation Ditch，氧化沟)和SBR(SequencingBatchReactor，序批式活性污泥法)等，其中AAO及SBR工艺采用鼓风曝气技术，OD主要采用表面曝气技术。近些年来，由于鼓风曝气良好的混合性能及更好的充氧效率，越来越多的OD工艺在设计或升级改造过程中将表面曝气改为鼓风曝气系统。鼓风曝气能耗占污水处理厂运行能耗的50%-60%。在满足风量需求的前提下提高鼓风机运行效率，降低鼓风机能耗，对污水处理厂的稳定运行及节能降耗具有重要意义。
鼓风曝气系统包括鼓风机、管道、阀门和曝气器。曝气过程主要是鼓风机将空气吸入空气室，进行压缩后推动在管道中流动，最后通过曝气器扩散进入水体的过程。在系统需风量一定的情况下，鼓风机出口压力越低，能耗也就越低。因此，研究鼓风曝气系统(包括鼓风机、管道、阀门、曝气器和静水位)的压力损失，并进行优化控制，就可以降低鼓风机出口压力，进而降低系统的能耗。
由于出水水质对总氮的考核要求及运行成本的考核，近年来污水处理厂运行管理过程中开始采用曝气控制系统或鼓风机模型控制柜MCP(Master Content Provider，鼓风机模型控制柜)来自动控制风机运行。目前鼓风机控制过程中，存在几个问题：(1)首先，缺少对出口风压的理解和控制。MCP主要控制目标为风量的控制，忽视了鼓风机风压和效率的控制管理。鼓风机出口压力仅作为鼓风机防喘振的保护参数，而不是作为一个系统优化的目标，对工艺设计和设备选型产生影响。(2)其次，缺乏多台风机并联的高效运行。污水处理厂为了取得良好的流量调节范围及设备故障时不影响正常生产，大多选择多台鼓风机协调运行，而鼓风机在两台或以上同时工作时，风机本身的性能会发生变化。对于多台鼓风机并联运行的情况，如何控制每台风机的开度及组合情况，使鼓风机在满足风量需求的前提下尽可能的处在高效区间，目前尚无有效的解决办法。(3)第三，缺少对鼓风系统压力损失的整体分析与控制。在工作过程中，鼓风机需要克服管道、阀门及曝气器的压力损失，还要克服曝气池静水压，这些因素对鼓风机的出口风压都有贡献，需要综合联系起来考虑。(4)最后，缺乏自动控制的设备与装置。目前还缺乏曝气系统压力损失的控制装置，即使有了好的控制方法，依靠人力很难做到适时调节与控制，从而难以保证优化的效果。
另外，在相关技术中，多台风机编组运行时，根据风量叠加原理，调节单台风机不能保持总体效率最高;多支管线路的阀门开度耦合严重，相互干扰导致开度不能保持最大，阀门的压力损失不能降到最低;曝气器的压力损失难以实时监控，缺少有效的控制措施来避免污染和阻塞。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的一个目的在于提出一种污水处理厂鼓风系统能耗最优的控制装置，该装置有效提高鼓风系统的整体效率，降低鼓风系统的能量损失，提高污水处理厂运行管理水平。
本发明的另一个目的在于提出一种污水处理厂鼓风系统能耗最优的控制方法。
为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种污水处理厂鼓风系统能耗最优的控制装置，包括：设置于污水处理厂自控系统中的控制器，用于实现鼓风系统能耗最优控制;设置于所述控制器中的鼓风机最优工况控制模块，用于控制运行状态的鼓风机在满足所需风量的前提下处于最优工控运行，提高鼓风机效率，降低鼓风机能耗;设置于所述控制器中的阀门补偿调节模块，用于控制阀门在满足曝气系统气量分配的前提下处于最大开度，降低曝气系统总压力，提高曝气系统整体效率;设置于所述控制器中的曝气器堵塞判定模块，用于监测曝气器堵塞情况并提示相应操作，降低曝气器阻力损失，提高曝气系统整体效率;设置于所述控制器中的曝气系统能耗判定模块，用于计算鼓风曝气系统当前工况能耗与最优工况能耗的差距;
本发明实施例的污水处理厂鼓风系统能耗最优的控制装置，通过鼓风机最优工况控制模块控制运行状态的鼓风机在满足所需风量的前提下处于最优工控运行，提高鼓风机效率;通过阀门补偿调节模块控制阀门在满足曝气系统气量分配的前提下处于最大开度，降低曝气系统总压力;通过曝气器堵塞判定模块实时监测曝气器堵塞情况并提示相应操作，降低曝气器阻力损失;通过曝气系统能耗判定模块实时计算鼓风曝气系统当前工况能耗与最优工况能耗的差距，便于运行管理人员及时掌握鼓风曝气系统整体能耗情况。
另外，根据本发明上述实施例的污水处理厂鼓风系统能耗最优的控制装置还可以具有以下附加的技术特征：
进一步地，在本发明的一个实施例中，在所述鼓风机为多台时，所述鼓风机最优工况控制模块进一步用于控制单台鼓风机的开度，以保证所述鼓风机的效率最高，其中，相同鼓风机保持相同风量，不同型号的鼓风机根据调整公式调整每台鼓风机的开度和风量值。
进一步地，在本发明的一个实施例中，多台风机同时运行情况下，鼓风机的总电耗P的计算公式简化后为：
式中，P为鼓风机的总功率，单位kWh，Qi为第i台鼓风机的实际风量，单位m3/h，Hi为第i台鼓风机的出口压力，单位kPa，ηi为第i台鼓风机的效率，无量纲，HB为鼓风机主管出口压力，单位kPa，Qmax,i为i台风机在最佳工况点的额定风量，单位m3/s，A为系数，单位kg/m2·s;
通过求解进一步地，在本发明的一个实施例中，还包括：设置于曝气支管上的至少一个气体流量计、至少一个压力变送器和至少一个调节阀门，所述阀门补偿调节模块通过监测所述气体流量计的支管流量、所述压力变送器的支管压力和所述阀门的开度，通过阀门调节补偿算法对曝气支管阀门进行最大开度控制，其中，保持风量最大的支管的调节阀门开度始终保持为100%，在需要增减所述风量最大的支管流量时，将阀门的调节动作通过等比例方式补偿到其他支管阀门上，以保证曝气系统管线总阻力损失最小，
式中Qs,i为第i干管的设定风量，Qset,i为第i干管的实际控制目标风量，Qt,i为第i干管的当前风量，∑Qt,i为MOV补偿阀门之外的风量之和，ΔQt,MOV为计算得到的MOV补偿支管的变化风量。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述曝气器堵塞判定模块进一步用于根据调节算法在所述鼓风机每次启停时计算曝气器阻力系数及其变化量，并根据所述曝气器阻力系数及其变化量判定曝气器的当前状态及相应控制。
进一步地，在本发明的一个实施例中，其中，所述调节算法为：
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述曝气系统的整体效率的计算公式为：
其中，Ia、Ib和Ic为鼓风机当前运行电流值，Ia,0、Ib,0、Ic,0为鼓风机最优工况电流，U为鼓风机工作电压，cosφ为功率因数，P为曝气系统当前功率，P0为曝气系统最优工况功率。
为达到上述目的，本发明另一方面实施例提出了一种污水处理厂鼓风系统能耗最优的控制方法，采用如上述所述的污水处理厂鼓风系统能耗最优的控制装置，其中，方法包括以下步骤：检测曝气主管的当前流量和当前压力;检测曝气支管的当前流量和当前压力;根据所述曝气主管的当前气流流量和当前气体压力、所述鼓风机的当前工况，对所述鼓风机进行控制，以使所述鼓风机的曝气量满足当前所需气量的同时，提高所述鼓风机的效率，降低所述鼓风机的能耗;根据所述曝气支管的当前流量和当前压力、所述至少一个调节阀门的开度，对所述至少一个调节阀门进行控制，以使所述阀门满足气量分配的同时，降低所述曝气系统总阻力损失，提高曝气系统整体效率;通过计算曝气器阻力系数及其变化量，对曝气器阻力进行评估计算，并通过相应操作延缓曝气器堵塞，提高曝气系统效率。
本发明实施例的污水处理厂鼓风系统能耗最优的控制方法，通过鼓风机最优工况控制模块控制运行状态的鼓风机在满足所需风量的前提下处于最优工控运行，提高鼓风机效率;通过阀门补偿调节模块控制阀门在满足曝气系统气量分配的前提下处于最大开度，降低曝气系统总压力;通过曝气器堵塞判定模块实时监测曝气器堵塞情况并提示相应操作，降低曝气器阻力损失;通过曝气系统能耗判定模块实时计算鼓风曝气系统当前工况能耗与最优工况能耗的差距，便于运行管理人员及时掌握鼓风曝气系统整体能耗情况。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
