论文导读：通过鼓风机风量和电动蝶阀开启度相结合的调节方式，最大限度的进行曝气量的优化控制，节约运行费用。针对这种情况，茌平县污水处理厂对鼓风机曝气系统的二重回路控制系统进行了改进，大胆的降低了自动控制的精密度和速度，通过采样开关将主回路的信号由连续信号转变为离散信号，实现控制系统的离散式分布调节。
关键词：污水曝气，自动控制，优化
聊城市茌平县污水处理厂是一座日处理能力4万吨的二级城市污水处理厂，在设计时采用改良A2O工艺，使该厂在节省投资、节能及处理质量上有了很大的提高，形成了独具特色的水处理体系。但是在影响处理效果和占据主要生产成本的溶解氧（DO）的调节系统上，在设计时采用了国内污水厂多采用的半自动控制，不仅很难保证DO浓度的准确性，而且由于控制系统本身的“不健全”，极易造成顾此失彼，直接影响处理效果。论文格式。茌平污水处理厂针对这种现象，对原有的控制系统进行改进，合理应用自动控制技术，将控制系统改为二重回路反馈控制系统并根据实际运行对系统进行优化，避免手动或半自动调节DO造成的主观误差和设备波动等局限、降低运行成本。
1.自动控制技术在曝气系统中的应用
1.1曝气系统的控制原理
一个控制系统至少应该有测量变送元件、调节器和执行调节机构三部分装置与受控对象组成。在污水处理曝气系统中主要有鼓风机、电动调节蝶阀和溶氧仪三部分构成调节机构，用于控制生物池中的DO（受控对象），来保证生物处理系统的正常工作。
1.1.1单回路控制系统的组成与原理
图1是污水处理曝气系统那中单回路控制系统的原理图。从图中可以看出，它的每一个环节都接受前一个缓解的作用，同时又对后一个环节产生影响；但是控制系统并不控制鼓风机，鼓风机的曝气量需要进行人工调节。当DO受到扰动d时，变化后溶解氧值经溶解氧仪传送，与给定值r进行比较产生偏差值e=r-y；e送入调节器，在调节器中进行控制规律运算后，输入控制信号u；该信号经执行调节机构（电动蝶阀）调节阀门的开关，使进入生物池的风量发生变化，而溶解氧y也恢复到给定值或设定值。
图1 单回路控制系统原理图
1.1.2二重回路反馈控制系统的组成与控制原理
二重回路反馈控制的曝气系统与单回路控制的曝气系统相比主要是增加了一套副控制回路，增加了对鼓风机的自动控制，其控制元件组成个与原理如图2.
图2 二重回路反馈控制系统原理图
由图2可以看出鼓风机曝气系统由主、副两个控制回路组成，DO浓度作为主调参数，它是工艺调节的主要指标；鼓风机的压力是副调参数，是为了稳定DO而引入的辅助参数。在稳定状态下，进水量、水质、回流污泥浓度等条件基本不变，电动蝶阀开启度不变，鼓风机出口压力及曝气量不变，生物池内供氧速率平衡，DO浓度将基本稳定在设定值。但是，鼓风机曝气系统作为污水处理的一道工序，由于干扰进入的位置不同，现分情况进行分析。
（1）干扰进入副回路。当鼓风机风量发生变化，或由于电动蝶阀开启度的变化造成鼓风机出口压力变化，副控制回路测量变送的元件压力变送器将压力偏差值e2=pv-sp(pv设定值，sp实际值)反映到PI控制器（副回路）的输入端，此时PI控制器进行控制规律运算后及时调节鼓风机的扩散器叶片至适当角度，从而保证鼓风机风量恒定或者压力恒定。若e2变化量较小，经副回路调节后即可消除干扰克服其对主回路的影响；即使e2变化量较大，经过副回路调节后输入至主回路，变化量已较小，再由主回路进一步调节可彻底消除干扰，使DO恢复设定值。
（2）干扰进入主回路。当生物池内DO浓度因进水量或水质变化而破坏原来的平衡后，主回路测量变送元件溶氧仪将4~20mA的电信号传送至PI控制器（主回路），与副控制回路PI控制器串联使用，总的放大倍数等于两个调节放大器的乘积，显然加快了调节速度，使电动蝶阀和鼓风机扩散器能够在较短的时间内反应，从而保证DO的准确性。在二重回路控制系统中，干扰影响造成的DO偏差值一般比单回路控制系统小2-5倍。
（3）干扰同时进入主、副回路。①DO浓度升高（降低），鼓风机风量升高（降低）：即干扰使DO和鼓风量向同一方向变化，此时主、副回路的PI控制器对电动蝶阀的作用方向一致，使超前作用显著，调节质量大大提高。论文格式。②溶解氧浓度升高(降低)，鼓风机风量降低（升高）
若干扰使溶解氧浓度和鼓风机风量向相反方向变化，即一个升高、一个降低，例如，因进水量突然增加造成溶解氧浓度降低，这时要求电动蝶阀开启度加大，而此时却出钱鼓风机风量增加，要求电动蝶阀关小以节流，在这种情况下，主、副回路要求矛盾，出现对峙局面，但是因为主参数DO必须要求稳定，调节作用必须按照DO的要求进行。论文格式。于是，主回路PI控制器因溶解氧浓度降低（升高）而使输出增加，送至副回路PI控制器的要求减少的信号进行比较，如果恰好两者相等，则副回路PI控制器偏差e2=0，输出不变，电动蝶阀和鼓风机的伺服电动机不动作；即使控制信号u1不等于u2偏差也不会太大，执行调节机构只需稍作调整即可使系统达到稳定状态。
1.2二重回路控制系统较之单回路控制系统的优点及运行中的不足
通过二重回路控制系统与单回路控制系统的原理可以看出来，二重回路控制系统较之单回路控制系统存在以下优点。
（1）增加了对鼓风机的控制，避免了系统发生变化时，手动调节鼓风机的不及时和主观误差。
（2）通过鼓风机风量和电动蝶阀开启度相结合的调节方式，最大限度的进行曝气量的优化控制，节约运行费用。
(3)通过主、副PI控制器的联合控制，不仅可以加快系统整体的调节速度和准确度，而且降低了在单回路控制系统中，因电动蝶阀开启过快、鼓风机没有及时进行调节而造成鼓风机喘振的频率。
但是，在实际运行中这样的二重回路控制系统仍然存在不足，容易产生“水波效应”，表现为鼓风机存在偶尔发生喘振的情况，电动蝶阀等频繁开启。不仅影响污水处理工艺的运行，同时还对鼓风机、电动蝶阀造成损坏，所以茌平县污水处理厂对此套系统进行了优化改进，将系统由连续调节改为离散式分布调节，解决了鼓风机喘振的故障，使电动调节蝶阀使用寿命加长。
2.二重回路控制系统的优化改进
2.1系统改进的思路和原理图
在实际生产中，由于二重回路控制系统中主回路采用了连续调节，通过对控制信号的连续采样使被控制量在较短的时间内得到有效的控制，但是污水处理工艺反应慢、滞后时间长也给连续调节带来了难度。而且连续调节虽然提高了被控制量的准确性，但控制系统的稳定性却很难保证，控制中易产生“水波效应”。
针对这种情况，茌平县污水处理厂对鼓风机曝气系统的二重回路控制系统进行了改进，大胆的降低了自动控制的精密度和速度，通过采样开关将主回路的信号由连续信号转变为离散信号，实现控制系统的离散式分布调节。
具体方法是在主回路的PI控制器前后增加信号转换接口，实现信号的转换并且引入“死区”避免系统的频繁调节。图3是主回路改进后的离散式分布调节系统原理图，可以看出溶解氧的偏差值e(t)经过A/D接口转换为离散的数字信号e(kt),再经过PI控制器得到控制信号u(kt)并送至D/A接口，D/A接口将连续信号e(t)转换为离散信号e(kt),这个过程成为信号的采样（等时间间隔）；D/A接口作为A/D接口相反，它将离散信号u(kt)变换为连续控制信号u(t),这个过程称之为信号的复现。
在鼓风机曝气系统中，溶氧仪—电动蝶阀和电动蝶阀—鼓风机控制段，通过信号的采样和复现均实现了离散式分布调节，并且为避免微小误差引起的跟踪频率调节在调节器内又引入了“死区”:一旦被空置量的偏差值较小，处于死区范围内，则执行调节机构不发生响应，进一步延长了设备的使用寿命，节约能耗，使整个控制系统更加平稳、可靠。
 
图3 离散式分布调节系统原理图
2.2改进后控制品质
茌平县污水处理厂的鼓风机曝气系统经过两次改进后，当主控制量—溶解氧浓度因外界因素发生变化时，通过系统自身的自动控制作用，经过一定的谷底时间，溶解氧浓度又可以恢复到原来的稳定值或新的设定值，其动态变化特性示意图如图4.
由图4可以看出相邻的两个波峰的振幅在衰减，调节时间也在逐渐缩短。这表明被控制量受到扰动后初始变化速度较快，达到一个峰值后，然后就下降到一个波谷，如此往复被控量再振荡几次就可以稳定下来，恢复到设定值附近，而不会出现太高或者太低的现象，更不会出现“水波效应”。因此，整个系统可以快速、准确、稳定。
 
图4 鼓风机曝气系统控制动态特性
3.实际运行状况
茌平县污水处理厂的鼓风机曝气系统在将单回路控制系统改为二重回路控制系统后，使鼓风机进行自动控制，避免手动或半自动调节DO造成的主观误差和设备波动等局限，降低生物池的鼓风耗电量，吨水电耗由0.215Kw.h/t降低到0.165Kw.h/t，但是电动蝶阀的开启仍太过频繁，而且鼓风机仍有喘振情况。在对二重回路控制系统进行优化即将主回路改为离散式分布调节、引入“死区”后，系统运行平稳、准确，鼓风机很少出现喘振，并且耗电量进一步降低，吨水电耗降低至0.145Kw.h/t.
4.结论
（1）在污水处理厂的曝气系统中引入自动控制技术，可以提高溶解氧的控制品质，节约能耗，达到曝气系统的最优化控制。
（2）由于污水处理厂的曝气系统的滞后性和反应慢，自动控制系统不宜采用连续调节，应采用离散式分布调节，降低设备故障频次，延长使用寿命。
（3）结合二重回路控制系统的离散式分布调节，引入控制“死区”，有利于进一步降低成本，保证系统平稳运行。
|
