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污水处理厂提升泵站稳流节能优化控制系统

发表时间：2021/5/19 来源：《基层建设》2020年第35期作者：李淑萍

[导读] 摘要：现阶段，虽然我国城市污水处理厂建设取得了很大进展，但大多存在自动化水平低、忽视过程管理、能耗物耗高等问题。

        中煤平朔集团有限公司山西省朔州市 036000
        摘要：现阶段，虽然我国城市污水处理厂建设取得了很大进展，但大多存在自动化水平低、忽视过程管理、能耗物耗高等问题。优化污水处理厂的自动控制和运行管理，降低污水处理厂的运行成本，提高工艺稳定性，是污水处理行业适应当前经济发展的关键。
        关键词：污水处理；提升泵；优化控制；节能降耗
        针对污水处理厂提升泵站普遍存在水泵机组启停频繁、集水井易发生溢流事故、泵站单元高能耗的问题，设计一种基于变参数PID控制算法和泵站分组轮询的提升泵优化控制系统，并运用于某污水处理厂。实际运行结果表明：该系统可以适应进水水量的变化，在减少水泵的启停次数，防止集水井溢流，降低系统能耗，保证安全生产方面取得了良好的效果。
        一、污水提升泵站优化控制系统方案
        1.提升泵液位变参数PID控制算法。工程中普遍使用的PID控制器由比例环节、积分环节、微分环节构成，各个环节对应的参数分别是Kp，Ki，Kd，其输入偏差e（t）与输出u（t）的关系可以描述为

在工程中控制器正式投入使用前，工程师都会按照工程和调试经验事先设定好控制参数。但实际应用过程往往具有非线性、时变不确定性，控制对象存在较大的惯性和强干扰特性，固定参数的PID控制器难以实现高质量的稳定控制。尤其当被控对象的参数变化超出实际范围时，系统性能会明显变差。为提高PID控制性能，学者们对自适应性能的PID控制器进行了深入研究。例如，神经网络PID控制器，它是利用RBF神经网络在线辨识对象模型，利用BP神经网络再根据辨识模型在线调整PID参数，其计算量很大，在实际运用中难以实现。如果利用变参数PID控制，既可以较好地解决常规控制器对工况的适应性问题，又可以通过编写PLC程序得以实现。提升泵液位变参数PID控制如图1所示。

图1 变参数PID控制方案原理图
其中提升泵房的集水井液位为被控量，采用超声波液位计进行检测；PID控制器通过变频器控制轴流泵的转速，从而控制集水井液位，根据液位的偏差e计算PID参数。图中K′p，K′i，K′d分别为经过变参数规则计算修正后的比例参数、积分参数和微分参数，各个参数与输入量偏差值e、偏差积分和偏差微分之间的数学关系为：

        上式中：Kp0，Ki0，Kd0为修正系数；a为常数。Kp0，Ki0，Kd0主要取决于当系统稳定时PID控制器的参数和在线调整参数的速度，取值范围在0和1之间；取a=-0.3，取Kp，Ki，Kd为使用常规PID控制时的整定值。在偏差e的绝对值较小（稳态值附近）时，比例系数K′p取较小值，相反时取较大值，这样有利于加快响应速度，同时保证有很好的稳定性。在偏差e积分的绝对值较小（稳态值附近）时，积分系数K′i取较大值，相反时取较小值（或者0），这样既有利于保证稳态无静差，又不会引起积分饱和而使超调增大、调节时间延长。在偏差e微分的绝对值较小（稳态值附近）时，微分系数K′d取较大值，相反时取较小值，这样有利于加快对小偏差的反应速度，提高控制器对干扰的灵敏度，出现干扰时能及时调节。
        2.泵站编组轮询方法。由于污水处理厂生产的连续性，要求确保提升泵站机组可以24h不间断工作，因此在工程中均实行电机备用制度。即系统含有N台电机，一般情况下M（M≤N）台投入使用即可满足工艺要求，其余电机则作为备用泵。为避免泵组频繁启停或者单台泵长时间连续运行、长时间闲置，可采用编组轮询控制方法。假设系统共有N台提升泵，x台变频泵，y台工频泵，并将其分为变频和工频2组，在某一液位段需要i台变频泵，j台工频泵运行。计算每台泵的累计运行时间和正在工作泵的连续运行时间，当液位达到泵的切换条件、正在工作的泵出现故障、设定的单台泵连续运行时间等条件时，将累计运行时间值从小到大对应的泵的编号按顺序自动置为1~i或1~j。系统根据液位情况，自动开启编号为1~i的变频泵和1~j的工频泵，
        二、污水提升泵站优化控制系统工程应用
        1.工程实施。在该次自动控制改造过程中，将4台泵分成2组，一组为变频泵，另一组为工频泵。设置启1台泵、启2台泵、启3台泵、停1台泵、停2台泵、停3台泵、恒液位7个液位标记值，当实际液位到达液位标记时泵的动作如图2所示。

        图2 用液位标记位控制水泵启停示意图
        进水流量在一定范围内波动时，使用变参数PID控制器调节变频泵频率实现恒液位控制。每个泵均做连续运行时间和累计运行时间计算，比较同组泵的运行时间，达到泵的切换条件时，优先开启累计运行时间短的泵。如果系统长期稳定运行在恒液位控制段，则在到达轮询时间（可调）时切换成另一组泵，变频泵组的频率由变参数PID控制器根据液位偏差调节。使用与施耐德硬件配套的UnityPro软件对提升泵站的自动控制进行编程，。在设计上位机界面组态程序时，着重考虑了系统的易操作性和安全性，界面生动友好，实现的主要功能如下。1）在提升泵控制画面上，不仅可以看到各个设备的运转情况及所有参数，还可以在泵处于远程模式时实现上位机点动和PLC自动控制。2）在画面上可以设置各个液位标记位和自动轮询时间等参数值，在上位机点动模式下还可调节变频器频率。3）在曲线显示画面上，可以观察分析诸如各泵电流、集水井液位、变频器频率等模拟量的变化情况。
        2.提升泵站运行结果分析。（1）集水井液位变化对比。泵站控制系统改造前、后的液位变化规律，将控制策略切换为变参数PID控制后，液位大幅波动的现象得到明显改善。改造前集水井液位在1.5~6.0m之间跳变，改造后液位基本在设定的恒液位值附近保持稳定。这有效地解决了在夜间无人值守时出现液位过高溢流的问题，同时出水流量变化小，为后续化学除磷单元提供了较平稳的进水量。（2）泵站节能分析。当泵负载时，其电机转速n与流量Q、扬程H及泵的轴功率P有如下关系：

式中：n1，n2分别为电机转速；Q1，Q2分别为电机在转速为n1，n2时的流量；H1，H2分别为电机在转速为n1，n2时的扬程；P1，P2分别为电机在转速为n1，n2时的轴功率。电机转速n与电源频率f以及电机旋转磁场的极对数p的关系为

        泵的流量与其转速成正比，泵的扬程与其转速的平方成正比，泵的轴功率与其转速的立方成正比，电机转速与电源频率成正比。当水泵的工作效率一定，要求调节流量下降时，转速n可成比例地下降，而此时轴输出功率P成立方关系下降，即水泵电机的耗电功率与转速近似成立方比的关系。以单台提升泵电机功率为40kW计算，当转速下降到原转速的80%时，其耗电量为20.48kW，省电48.8%；当转速下降到原转速的50%时，理论上其耗电量为5kW，省电87.5%。
        结束语：
        总之，针对现有提升泵站能耗高、出水不稳定、泵启停频繁的问题，设计了基于变参数PID控制算法和泵站编组轮询的泵站优化控制系统。该系统的编组轮询控制机制可使各个泵运行时间基本相同，能较好地延长泵的寿命。跟踪液位变化规律动态修正PID控制器参数，保证了液位控制的稳定性，保持集水井在较高液位下安全运行，从而减少水泵启停次数、降低提升能耗、节约运行费用。
        参考文献：
        [1]郭冬泉，浅谈污水处理厂提升泵站稳流节能优化控制系统.2020.
        [2]赵小红.机械设备自动化在污水处理工程中的应用.2019.