CN108585173B - 污水处理厂鼓风***能耗最优的控制装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种污水处理厂鼓风***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***气量分配的前提下处于最大开度，降低曝气***总压力，减少曝气***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***整体效率；曝气***能耗分析模块，用于计算鼓风曝气***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***的整体效率，降低鼓风***整体能耗，提高污水处理厂运行管理水平。
Description
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***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***。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***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***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***(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***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***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***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***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***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***能耗最优的控制装置，该装置有效提高鼓风***的整体效率，降低鼓风***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***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***能耗最优的控制装置，包括：设置于污水处理厂自控***中的控制器，用于实现鼓风***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***气量分配的前提下处于最大开度，降低曝气***总压力，提高曝气***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***整体效率；设置于所述控制器中的曝气***能耗判定模块，用于计算鼓风曝气***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***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***气量分配的前提下处于最大开度，降低曝气***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***能耗判定模块实时计算鼓风曝气***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***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***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
的最小值，即可得到在给定需风量Q时，i台鼓风机在当前出口总风压HB下的最优风量Qi，即为当前组合工况下的最高鼓风机效率：
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***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：
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***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气量冲洗，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***压力，且提高效率和节约曝气能耗。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述曝气***能耗判定模块进一步用于根据所述曝气***和所述鼓风机的运行参数获取所述曝气***的整体效率和与最优工况的差距。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述曝气***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***当前功率，P0为曝气***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***能耗最优的控制方法，采用如上述所述的污水处理厂鼓风***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***总阻力损失，提高曝气***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***效率。
本发明实施例的污水处理厂鼓风***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***气量分配的前提下处于最大开度，降低曝气***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***能耗判定模块实时计算鼓风曝气***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***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。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本发明一个实施例的污水处理厂鼓风***能耗最优的控制装置的结构示意图；
图2为根据本发明一个具体实施例的鼓风机曝气能耗最优控制***的结构示意图；
图3为根据本发明一个实施例的两台风机同时运行时单台鼓风机性能曲线和压力损失曲线示意图；
图4为根据本发明一个实施例的总风量为1.7Q时两台风机风量分别为Q、0.7Q时对应开度情况下鼓风机性能曲线和压力损失曲线示意图；
图5为根据本发明一个实施例的总风量为1.7Q时两台风机风量分别为0.85Q时对应开度情况下鼓风机性能曲线和压力损失曲线示意图；
图6为根据本发明一个实施例的阀门补偿调节算法流程图；
图7为根据本发明一个实施例的污水处理厂鼓风***能耗最优的控制方法的流程图。
附图标记：
曝气池1、鼓风机2、安装在曝气主管的气体流量计3，安装在曝气支管的气体流量计 3a、3b、安装在曝气干管的压力变送器4、安装在曝气支管的压力变送器4a、4b、为安装在曝气支管上的电动调节阀门5a、5b、可编程逻辑控制器(PLC)6，鼓风机曝气能耗最优控制***7。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参照附图描述根据本发明实施例提出的污水处理厂鼓风***能耗最优的控制装置及方法，首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的污水处理厂鼓风***能耗最优的控制装置。
图1是本发明一个实施例的污水处理厂鼓风***能耗最优的控制装置的结构示意图。
如图1所示，该污水处理厂鼓风***能耗最优的控制装置10包括：控制器100、鼓风机最优工况控制模块200、阀门补偿调节模块300、曝气器堵塞判定模块400、曝气***能耗判定模块500。
其中，设置于污水处理厂生化单元自控***中的控制器100，用于实现鼓风***能耗最优控制；设置于控制器中的鼓风机最优工况控制模块200，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，以使鼓风机的曝气量满足当前所需气量的同时，提高鼓风机的效率，降低鼓风机的能耗；设置于控制器中的阀门补偿调节模块300，用于控制阀门在满足曝气***气量分配的前提下处于最大开度，以使阀门满足气量分配的同时，降低曝气***总阻力损失，提高曝气***整体效率；设置于控制器中的曝气器堵塞判定模块400，用于监测曝气器堵塞情况并提示相应操作；设置于控制器中的曝气***能耗判定模块500，用于计算鼓风曝气***当前工况能耗与最优工况能耗的差距
具体而言，如图2所示，包括曝气池1、具有调节性能的鼓风机2、安装在曝气主管上的气体流量计3及压力变送器4，安装在曝气支管上的电动调节阀门5a、5b，支管气体流量计3a、3b及支管压力变送器4a、4b。
如图2所示，本发明实施例的控制***7通过PLC(Programmable LogicController，可编程逻辑控制器)6采集鼓风机2，气体流量计3、3a、3b，压力变送器4、4a、4b，电动调节阀门5的数据，根据需气量自动调节鼓风机2的频率(或开度)及启停，及电动调节阀门5a、5b的开度，使鼓风机曝气量满足所需气量，并降低鼓风机2的能耗。鼓风机曝气能耗最优控制***7可以部署在工业平板电脑或工业控制计算机上，实现人机交互或远程监控。
进一步地，如图3所示，为鼓风机性能曲线和压力损失曲线，两条曲线交叉点即为鼓风机工况点。鼓风机运行曲线的形状近似抛物线，因此可以按二次函数拟合，可以得到：
H≈Hm-a1Q2-a2Q
h≈b1Q2+b2Q+H0
式中：H为鼓风机出口压力，h为曝气***压力，Hm为鼓风机最大出口压力，H0为曝气***静水压力，单位都为kPa，Q为鼓风机风量，单位m3/h，a1、a2、b1、b2为系数，无量纲。
鼓风机***电耗P与有用功Q·H、效率η有关，有如下公式：
式中：P为鼓风机电耗，单位kWh，Q为鼓风机风量，单位Nm3/h，H为鼓风机出口压力，单位kPa，η为鼓风机效率，无量纲。
因此当工作输出风量Q一定时，要实现能耗P的降低，需要提高鼓风机效率η和降低曝气***风压H。提高鼓风机效率η主要通过优化风机运行工况点来实现，降低曝气***风压H需要考虑管路***的调节。
由鼓风***工作原理和设计规范可知，曝气***出口压力H包含如下4种因素：
H＝h1+h2+h3+h4，
式中，h1是曝气器空气释放点以上静水压力，h2是管路沿程阻力损失、h3是管路局部阻力损失、h4是曝气器阻力损失，单位均为kPa。其中，h1由设计参数及进水流量决定；h3与阀门阀芯形状、开度大小有关，对于安装好的阀门，主要由阀门开度决定；h4由曝气器本身特性及运行过程中堵塞、污染等因素决定。
静水压力h1主要受池内液位的影响，当流量较大时，静水压力也随之有轻微升高，一般很难进行控制。管路***损失h2可以忽略，这是因为曝气***设计风量有明确的规定范围，运行过程中的管线阻力损失的变化幅度不大，一般为数千帕，远远小于调节阀门和曝气器引起的阻力损失。所以，降低和优化曝气***出口压力H的方法主要有两种：降低阀门压力损失h3和降低曝气器阻力损失h4。
下面将分别对提高鼓风机效率、降低阀门压力损失、降低曝气器阻力损失和压损损失与效率***分析功能做详细的介绍。
进一步地，在本发明的一个实施例中，在鼓风机为多台时，鼓风机最优工况控制模块200进一步用于控制单台鼓风机的开度，以保证鼓风机的效率最高，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。
具体而言，当两台风机同时运行时，如图3所示，当风量由q增加到2q时，单台风机工况点由B转移到C，随着***稳定后，单台风机工况点停留在D点，此时，风机风压增加ΔH＝hD-hB，风量增加ΔQ＝qD-q。
多台风机同时运行情况下，当目标风量Q一定时，有：
此时，n台风鼓风机的总电耗P有：
式中，Qi为第i台鼓风机曝气量，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，Pi为第i台鼓风机的功率，单位kWh。
根据鼓风机的相似性原理，当鼓风机调节转速，使得风量从最佳工况额定风量Qmax变为Q时，对应出口风压和效率变化比例为：
由于鼓风机为并联运行， i台鼓风机出口压力相同，即Hi＝HB，因此，上式可进一步简化为，
式中HB为鼓风机主管出口压力，单位kPa，Qi为i台风机的实际风量，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。
因此，只需求解
的最小值，即可得到鼓风机在当前出口总风压HB下的最佳风量，即为当前组合工况下的最高鼓风机效率。
进一步地，将上述优化问题抽象为代数问题，为以下待求问题：
已知x1+x2+…+xn＝Q，求
的最小值。
对上述问题求解，然后将i台风机实际流量Qi代入xi，将i台风机额定流量Qmax,i代入ai，可以得到给定需风量Q时，第i台风机的最优风量Qi，使得风机整体为最低功率P。
对于n台相同规格的鼓风机(最佳工况点额定风量Qmax,i＝Qm)并联运行的情况，有：
此时，总功率P为最优状态：
如果运行多台风机或多种规格的风机，均可参考通用公式进行计算。
污水处理厂实际设计时，还可能采用2种规格的鼓风机配合运行，设为x型和y 型，对应最佳工况点额定风量为Qm,x、Qm,y。若各取1台鼓风机运行，则对于需风量Q 而言，单台鼓风机的风量应该设置为：
其中，x和y为鼓风机型号，Qm,x为x型号鼓风机对应最佳工况点额定风量，Qm,y为y型号鼓风机对应最佳工况点额定风量，Q为需风量。
根据以上算法，在两台及以上鼓风机同时运行时，鼓风机曝气能耗最优控制***会自动调整单台鼓风机开度，以保证鼓风机整体效率最高。例如，如图4和图5所示，两台风机风量分别为Q、2Q时对应开度情况和两台风机风量分别为0.85Q时对应开度情况鼓风机性能曲线和压力损失曲线，调节原则是：相同鼓风机保持相同的风量，不同型号的鼓风机按上面的算法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，阀门补偿调节模块300进一步用于根据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***管线总阻力损失最小。
具体而言，本发明实施例布置干管压力计、支管调节阀、支管压力计和支管气体流量计。通过调节阀门开度D，可以改变阀门的流通面积S。根据伯努利方程，在调节过程中，通过阀门的流量Q可以近似与压力损失ΔP有如下的关系：
对上式进行化简处理，得到
其中，Q为流过阀门的风量，A为阀门流通的最大截面积，ρ为气体密度，S为阀门流通面积，与阀门开度D存在固定函数关系。因此，可以看到随着S的逐渐增大，ΔP就成平方关系减小。
根据以上算法，鼓风机曝气能耗最优控制***阀门调节补偿算法对曝气支管阀门进行最大开度控制。具体调节时，记实际风量最大的支管为k，保持k支管的调节阀门开度D始终保持为100％，需要增减该支管流量时，将该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***管线阻力损失h3最优。
其中，阀门调节补偿算法如图6所示，具体包括：
即ΔQ1≥M时(M为风量调节死区)，补偿算法首先判定阀门1是否处于最大开度，如果不在最大开度，***自动将阀门1调至最大开度；当阀门1所在支管需要增大曝气量即ΔQ1＞M时(M为风量调节死区)，判定阀门VFi是否大于该阀门最小开度VFimin，如果
调小
直到阀门
所在支管风量变化量ΔQ等于该支管风量调节量ΔQi叠加上阀门1分配的气量ΔQ1i，如果阀门VFi处于最小开度VFimin，则该阀门的调节量继续向阀门i-1按照相同原理进行补偿；同理，当阀门1所在支管需要减小曝气量即ΔQ1＜M时(M为风量调节死区)，判定阀门VFi是否小于该阀门最大开度VFimax，如果
调大
直到阀门
所在支管风量变化量ΔQ等于该支管风量调节量ΔQi叠加上阀门1分配的气量ΔQ1i，如果阀门VFi处于最大开度VFimax，则该阀门的调节量继续向阀门i-1按照相同原理进行补偿。
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MOV补偿支管风量设定值的变化量。
进一步地，在本发明的一个实施例中，曝气器堵塞判定模块400进一步用于根据调节算法在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。
具体而言，如图7所示，当进水流量发生较大变化时，静水压力h1随之变化，导致运行鼓风机出口压力H也发生变化。为了降低曝气器阻力损失h4，需要计算曝气器的阻力损失，评估其幅度大小，再采取对应的措施。
由鼓风***工作原理可知，曝气***压力由曝气器空气释放点以上静水压力、管路沿程阻力损失与局部阻力损失、曝气器阻力损失构成。设曝气池进水总流量(进水流量+内外回流量)QIN，曝气池停留时间T，曝气池有效面积A，池体设计水深ha，曝气器安装位置距离地面ha0，可以计算实际运行条件下的静水压H0：
如果曝气池安装有液位计，可直接测得曝气池液位hb，计算H0：
H0＝hb-ha0，
考虑到阀门开度不变化，管路***沿程损失幅度较小，因此主要的压力损失可以归结为曝气器的阻力特性。在t时刻，以鼓风机的风量Q为自变量，风压H为因变量，进行线性拟合得到截距为Ht。计算静水压H0后，压力变化值ΔH＝|Ht-H0|表征了曝气器堵塞状况。
在本发明的一个实施例中，其中，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***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，单位都为kPa。
进一步地，在本发明的一个实施例中，其中，当ha≤Δh＜hb时，根据预设的清洗时间对曝气器进行大气量冲洗，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***压力，且提高效率和节约曝气能耗。
具体而言，鼓风机曝气能耗最优控制***在鼓风机每次启停时计算曝气器阻力系数h及其变化量Δh，并对曝气器阻力系数变化量Δh进行判定，当ha≤Δh＜hb时，***自动定时对曝气器进行大气量冲洗，以延缓曝气器表面污染，定时时间为1天或1周，由运行人员设定；当曝气器无机盐结垢逐渐严重时，即hb≤Δh＜hc时，提醒运行人员进行曝气器在线清洗，以降低曝气器阻力损失；当在线清洗也无法降低曝气器阻力损失，即Δh≥hc时，***提醒运行人员更换曝气器，以降低曝气***压力，提高效率，节约曝气能耗。
进一步地，在本发明的一个实施例中，曝气***能耗判定模块500进一步用于根据曝气***和鼓风机的运行参数获取曝气***的整体效率和与最优工况的差距。
具体而言，污水处理厂在日常运行管理过程中，只能直观的观测曝气***中鼓风机运行参数与主管压力、风量等信息，对曝气***整体效率与能耗损失构成并没有具体认识，鼓风机曝气能耗最优控制***可以通过对曝气***仪表及鼓风机运行参数的监测，计算出曝气***的整体效率与最优工况的差距等。
进一步地，在本发明的一个实施例中，曝气***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***当前功率，P0为曝气***最优工况功率。
具体而言，以图2为例，说明本***压损损失与效率***分析功能，将鼓风机设备及运行参数输入至鼓风机曝气能耗最优控制***7，由“提高鼓风机效率”模块可以计算出每台鼓风机效率最高时的风量Qa、Qb、Qc，并由***在日常运行时记录的最优工况下对应的电流值Ia,0、Ib,0、ic,0，将鼓风机当前运行电流值与最优工况电流进行比较即为当前工况下鼓风机整体效率，如下：
非最优条件下的曝气***，总能耗的一部分为鼓风机不在最优工况条件下增加的能耗，一部分为曝气***阻力损失增加造成的额外能耗。按下时计算增加的总能耗ΔP：
综上，本发明实施例装置10目的主要是实现污水处理厂曝气控制***中单台或多台鼓风机运行时，根据所需气量自动调节鼓风机开度及阀门开度，使鼓风机满足所需气量的前提下提高鼓风机效率，降低鼓风机能。本发明实施例将鼓风机、阀门、管线、曝气器作为一个整体进行研究，提出解决方案和自动控制装备，使多台鼓风机协做运行时处于高效率状态、阀门和管线压力损失最小、曝气器压力损失得到实时控制。本发明实施例根据鼓风机的性能特性自动调节风量，并对效率进行计算和优化，并根据阀门的调节特性和管线结构特征，进行适时调节和补偿控制，以及检测曝气器的阻力特性，采取自动措施进行冲刷或清洗。
根据本发明实施例提出的污水处理厂鼓风***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，降低鼓风机能耗；通过阀门补偿调节模块控制阀门在满足曝气***气量分配的前提下处于最大开度，降低曝气***总压力，提高曝气***整体效率；通过曝气器堵塞判定模块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***整体效率；通过曝气***能耗判定模块计算鼓风曝气***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***整体能耗情况；该装置和方法可以有效提高鼓风***的整体效率，降低鼓风***整体能耗，提高污水处理厂运行管理水平。
图7是本发明一个实施例的污水处理厂鼓风***能耗最优的控制方法的流程图。
如图7所示，该污水处理厂鼓风***能耗最优的控制方法，采用本发明实施例的污水处理厂鼓风***能耗最优的控制装置，其中，方法包括以下步骤：
步骤一，检测曝气主管的当前流量和当前压力，根据曝气主管的当前气流量和当前气体压力、鼓风机的当前工况，对鼓风机进行控制，以使鼓风机的曝气量满足当前所需气量的同时处于最优工况；
步骤二，检测曝气支管的当前流量和当前压力，据曝气支管的当前气流量和当前气体压力、至少一个调节阀门的开度对至少一个调节阀门进行控制，以使阀门满足气量分配的同时，处于最大开度；
步骤三，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阻塞，降低曝气器阻力损失；
步骤四，计算鼓风机***当前工况能耗与最优工况能耗的差距，从而便于管理人员及时掌握鼓风机曝气***整体能耗情况，提高鼓风机的效率，降低鼓风机的能耗，提高污水处理厂运行管理水平。
需要说明的是，前述对污水处理厂鼓风***能耗最优的控制装置实施例的解释说明也适用于该实施例的污水处理厂鼓风***能耗最优的控制方法，此处不再赘述。
根据本发明实施例提出的污水处理厂鼓风***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，降低鼓风机能耗；通过阀门补偿调节模块控制阀门在满足曝气***气量分配的前提下处于最大开度，降低曝气***总压力，提高曝气***整体效率；通过曝气器堵塞判定模块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***整体效率；通过曝气***能耗判定模块计算鼓风曝气***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***整体能耗情况；该装置和方法可以有效提高鼓风***的整体效率，降低鼓风***整体能耗，提高污水处理厂运行管理水平。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (7)
1.一种污水处理厂鼓风***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***中的控制器，用于实现鼓风***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况运行,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；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为第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，第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：
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***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***能耗判定模块，用于计算鼓风曝气***当前工况能耗与最优工况能耗的差距；
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***管线总阻力损失最小。
2.根据权利要求1所述的污水处理厂鼓风***能耗最优的控制装置，其特征在于，其中，
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。
3.根据权利要求1所述的污水处理厂鼓风***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。
4.根据权利要求3所述的污水处理厂鼓风***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***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***压力，且提高效率和节约曝气能耗。
5.根据权利要求1所述的污水处理厂鼓风***能耗最优的控制装置，其特征在于，所述曝气***能耗判定模块进一步用于根据所述曝气***和所述鼓风机的运行参数获取所述曝气***的整体效率和与最优工况的差距。
6.根据权利要求5所述的污水处理厂鼓风***能耗最优的控制装置，其特征在于，所述曝气***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***当前功率，P0为曝气***最优工况功率。
7.一种污水处理厂鼓风***能耗最优的控制方法，其特征在于，采用如权利要求1-6任一项所述的污水处理厂鼓风***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、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***管线总阻力损失最小；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。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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