一種精確曝氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用①

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(jī)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(fèi)嚴(yán)重，且通過回流攜帶DO進(jìn)入缺氧池，從而減弱缺氧池反硝化能力，難以達(dá)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(jì)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(dá)標(biāo)排放，通常在設(shè)計(jì)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(shí)際情況有較大的出入[3,4]。又鑒于系統(tǒng)工況設(shè)計(jì)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(jì)理念，即面臨一根總管道分支給多條生化池供氣，鼓風(fēng)機(jī)分支安裝于總管，這樣導(dǎo)致無法從改變鼓風(fēng)機(jī)的運(yùn)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(shí)現(xiàn)控制[5]。同樣，從鼓風(fēng)機(jī)側(cè)的總輸出進(jìn)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(jì)

針對前述問題設(shè)計(jì)一種多點(diǎn)組合式曝氣控制系統(tǒng)。將多條生化池每個池進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(diǎn)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(jìn)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(yùn)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(yùn)算其結(jié)果作為過程控制器和邏輯控制器輸入值計(jì)算鼓風(fēng)機(jī)投運(yùn)臺數(shù)及調(diào)整運(yùn)行頻率，同時，鼓風(fēng)機(jī)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(fù)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(yùn)行軌跡進(jìn)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(shí)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(jìn)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(yùn)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(jī)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(jì)算機(jī)。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(yùn)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(jì)算鼓風(fēng)機(jī)投運(yùn)臺數(shù)和調(diào)整鼓風(fēng)機(jī)變頻控制器的運(yùn)行頻率fk(t)，從而實(shí)現(xiàn)按需分配供氣量、穩(wěn)定于最佳運(yùn)行點(diǎn)。

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(jìn)行離散存儲yd1，并將采集實(shí)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(shí)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(jìn)的迭代學(xué)習(xí)律計(jì)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(shí)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(biāo)函數(shù)式(3)用來界定學(xué)習(xí)律計(jì)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(biāo)函數(shù)界定的控制精度要求，此時，啟動學(xué)習(xí)計(jì)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(biāo)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(shí)現(xiàn)了鼓風(fēng)機(jī)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(fù)反饋于調(diào)節(jié)分區(qū)控制器，實(shí)現(xiàn)預(yù)估補(bǔ)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(jì)的精確控制系統(tǒng)后， 10min后即可從較大的溶解氧含量值達(dá)到設(shè)定的穩(wěn)態(tài)值，且控制精度達(dá)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(dá)到精確曝氣的目的。同時，通過加權(quán)計(jì)算集成控制于鼓風(fēng)機(jī)組的輸出風(fēng)量，從而在保證出水達(dá)標(biāo)的前提上，兼顧曝氣系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)型，對污水處理廠節(jié)能降耗，降低運(yùn)營成本。