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文獻標識碼：B文章編號：1003-0492（2023）05-086-05中圖分類號：TP273

★趙洪濤（北京碧水源科技股份有限公司，北京102206）

關鍵詞：超濾膜；PID控制；自適應；水錘

1　緒論

隨著對環境越來越重視，對污水的排放要求越來越高，進而對污水處理中的工藝提出了更高的要求。處理工藝也從傳統活性污泥法、氧化溝工藝發展到A/O、A2/O、SBR等多種工藝^[1]。

近些年來，超濾技術的發展極為迅速，不但在特殊溶液的分離方面有獨到的作用，而且在污水處理方面也用得越來越多。例如在海水淡化、純水及高純水的制備中，超濾可作為預處理設備確保反滲透等后續設備的長期安全、穩定運行。在食品飲料、礦泉水生產中，超濾也發揮了重要作用。

目前，在大型超濾膜污水處理技術應用中，進水泵的使用效率較低，能耗較高，使用壽命較短，其控制策略不夠完善與合理，有待進一步改進與優化，進而提升整個水廠的運行效果。

2　超濾膜系統及項目簡介

2.1　超濾膜系統簡介

超濾是一種膜分離技術，膜為多孔性不對稱結構。其分離過程是在流體壓力差的作用下，利用膜對被分離組分的尺寸選擇性，將膜孔能截留的微粒及大分子溶質截留，而使膜孔不能截留的粒子或小分子溶質透過膜，使用壓力通常為0.03~0.6MPa，篩分孔徑為0.005~0.1μm，截留分子量為1000~500,000道爾頓左右^[2]。

OW-UF超濾膜系統由進水單元、膜單元、反洗單元和空氣擦洗單元、化學清洗及中和單元、藥劑投加單元、壓力檢測單元及閥門供氣單元組成，每一個子單元由相關的構筑物、設備、閥門、儀表和管道管件組成。

2.2　項目簡介

本文所結合的污水處理項目為再生水項目，工程設計規模為日處理污水100萬噸，設計流量的峰值系數取1.2，出水主要用于河湖補水、工業回用、城市雜用等。按照處理廠出水的主要用途，設計出水水質滿足相關再生水水質要求、部分水質達到《地表水環境質量標準》IV類水體標準。

本再生水項目超濾單元共分四個獨立超濾產水系列，每系列日產水25萬m³/d，每系列都配有獨立的進水、產水、反洗、藥洗、空氣擦洗等系統。此外，每系列膜系統的進水系統又分成2個獨立進水單位，即單個進水單位處理量為12.5萬m³/d，便于系統靈活運行。整套系統均按全自動運行設計。

其超濾單元工藝流程如圖1所示。

圖1 超濾單元工藝流程圖

2.3　自動控制系統簡介

該自動控制系統共設置4套現場PLC控制站（每個系列設置了1個PLC主站），每個主站擴展5個本地PLC柜、4個遠程IO站、20個閥島箱。各個PLC主站之間通過光電交換機相連接，采用光纖環網的網絡拓撲結構實現信息共享。控制系統網絡拓撲圖如圖2所示。

圖2 控制系統網絡拓撲圖

3 進水系統控制策略

3.1　進水單元概述

本文所結合的工程項目：超濾膜架總數為80套，分4個系列，每個系列包括20套，每個系列又分為2組，每組10套超濾模架。每組設置進水泵為4臺，每個系列中的2組膜架共用1臺備用進水泵，當有一側進水泵不能滿足進水需求時，啟動備用泵。進水泵總數為36臺，每臺進水泵的參數為：Q=2150m³/h，H=34m，N=315kW。

3.2　進水系統在整個控制系統中的作用

超濾系統進水系統是將前一個工藝段生物濾池的出水，先輸送至自清洗過濾器初步過濾，然后再送至超濾膜系統精細過濾，最后將超濾膜產水輸送至后續的其他工藝段，如臭氧、紫外消毒等。進水泵的轉速、運行頻率、運行數量等均會影響到膜組的產水量，同時進水泵自身的使用效率、穩定性、維護性等會影響整個水廠運行的安全、可靠，以及水廠的運行費用、經濟效益等。所以，進水系統在超濾膜整個控制系統中起著至關重要的作用，故進水系統合理、優越的控制策略顯得尤為重要，這也是本文研究的重點和意義所在。

3.3　進水泵控制策略的分析比較

在超濾膜污水處理系統中，進水泵控制的通用常規條件如下：

（1）可以手動控制設備啟停。

（2）將現場轉換開關全部置于自動狀態，當超聲波液位計（進水池）處于高值，進水泵才能啟動。

（3）與超濾組器的進水氣動蝶閥（見膜核心單元）聯動，任意一個氣動蝶閥啟動，進水泵啟動。

（4）超聲波液位計（進水池）處于低值時，進水泵停止運行并報警。

（5）根據壓力變送器的設定值恒壓PID控制進水泵變頻運行，壓力變送器值設定為100kPa（可調）。

（6）進水泵前的電動閥在進水泵啟動時自動打開，進水泵在此電動閥打開后開始啟動。

在以上控制條件的前提下，下面從五個方面來分析比較進水泵的控制策略。

3.3.1　單臺泵的PID調節

進水泵的功率為315kW，如果工頻直接啟動，由于啟動電流是額定電流的幾倍甚至十幾倍，不僅對電網造成沖擊，影響其他用電設備的正常運行，而且對超濾膜也會造成巨大沖擊，可能導致超濾膜的破損，影響整個水廠的產水量，增加運行維護費用等，故應該變頻啟動，那么PID調節就是重中之重。下面就PID調節的過程分析比較。

PID控制器的數學模型如下：

u(t)=Kp(e(t)+1/Ti∫e(t)dt+Td*de(t)/dt)

常規PID調節過程是：通過設定比例系數Kp、積分時間常數Ti、微分時間常數Td，使進水泵從0Hz啟動直接進入PID自動調節，使其進水泵逐漸趨于穩定，雖然結果能滿足恒壓要求，但通常調節時間太長，波動較大，進而導致進水泵的使用效率低，能耗高，同時因為趨于穩定時間長，影響膜系統的進水要求，從而對最終的產水量有一定的影響，偏離了目標值。其常規PID調節曲線如圖3所示。

圖3 常規PID調節曲線

在工程項目實際的調試過程中，我們經過不斷的試驗論證，最后總結出一種更為合理可靠的調節方法，其調節過程如下：

初始頻率不再從0Hz開始，而是選擇30Hz開始，這樣既可大大縮短PID的調節時間，能夠更快速地達到穩定，又不影響進水泵的正常啟動以及對其造成的沖擊，進而提高了進水泵的使用效率，降低了能耗，也不影響膜組器的產水量。改進后PID調節曲線如圖4所示。

圖4 改進后PID調節曲線

3.3.2　水錘的影響與防止措施

水錘是指在密閉管路系統（包括泵）內，由于流體流量急劇變化而引起較大的壓力波動并造成振動的現象，猶如錘子敲擊管道一樣，故稱為水錘效應，又稱“水擊”^[3]。其瞬間壓力可大大超過正常壓力，并經常產生破壞性影響。因開泵、停泵、開關閥門過于快速，使水的速度發生急劇變化，特別是突然停泵引起的水錘可以破壞管道、水泵、閥門，并引起水泵反轉、管網壓力降低等。為了防止或減輕水錘作用，可采取相應的消除措施，如延緩管路或泵的開閉時間、安裝水錘消除器等。

本文所結合的工程實際案例，綜合考慮了管道、閥門以及泵的性能特點，硬件上通過在管道上增加泄壓閥來調節水量大小，降低了進水泵啟停時水量的急劇變化，避免水錘影響；軟件上經過反復試驗調試，證實利用以下進水泵的開啟、關閉控制策略，可實現水泵的平穩啟停，進而避免巨大水錘對泵的使用壽命以及管道的影響，最終達到整個水廠安全、可靠、平穩、經濟、節能的運行。具體的控制方法及實驗數據如下：

進水泵啟動過程：先啟泵，等反饋頻率達到20Hz時，再打開泵的出水口電動閥，然后等泵的反饋頻率達到30Hz時，再開始PID調節，使泵最終趨于穩定運行。

進水泵關閉過程：泵先降低頻率到16Hz，然后關閉泵的出水口電動閥，最后再完全停泵。

3.3.3　各進水泵多頻段自適應智能啟停及控制

在大型的超濾膜污水處理系統中，進水泵數量多、功率大，自身的成本很高，那么如何使各個進水泵達到最佳性能、使用效率最高、維護成本最低，是值得研究與改進的。

本文所結合的工程實際案例每個系列有9臺進水泵，每組有4臺，另外一臺為兩組共同備用，經過現場多次調試驗證，最終總結出各進水泵多頻段自適應智能啟停及其控制規律如下：

綜合考慮進水池液位、產水流量、進水壓力、每臺泵的累計運行時間等因素，當進水池液位大于等于泵的啟動液位時（液位判定需延時5s，以防液位不穩定），為滿足產水的需求，會根據泵的累計運行時間依次啟動不同的進水泵，累計運行時間短的泵優先開啟（啟動方法及PID調節控制依然遵循以上第一、二條的規律），當第一臺泵穩定到45Hz仍不能滿足產水需求時，啟動第二臺泵，以此類推；當所需的產水量變小或者進水池液位小于等于泵的停止液位時（液位判定需延時5s，以防液位不穩定），開啟的泵同樣會依照其累計運行時間依次停止不同的進水泵，累計運行時間長的泵會優先停止（停止方法及PID調節控制依然遵循以上第一、二條的規律）。

通過此方法，可防止某一臺進水泵頻繁運行，而有的進水泵卻一直閑置，整體上延長了泵的工作壽命，加強了泵的使用效率，減少了泵的損壞與維修，進而整體上提升了泵的使用性能，降低了能耗與損失。

以上三種控制策略可通過圖5直觀地展現出來。

圖5 進水泵的啟停過程及PID調節

3.3.4　進水泵運行頻率的判斷

我們在項目調試過程中發現，僅僅靠前邊所述的判斷條件啟動進水泵還是不夠，因為膜系統產水數量不定，所需進水泵數量也會變化，所以需要根據進水泵運行頻率來判斷當前進水泵能否滿足進水要求，是需要啟動進水泵還是停止進水泵。這樣才能確保膜系統的產水目標值，進而使進水泵的使用效率最高，控制策略最有效。

3.3.5　控制過程加入啟動間隔

在項目調試過程中，新啟動或停止進水泵后，由于啟、停操作需要較長時間，且啟、停后，水量穩定也需要時間，所以在一次啟、停操作結束后，間隔一段時間再進行頻率判斷，決定是否需要啟動或停止進水泵，可有效避免進水泵頻啟、頻停而損壞設備。

3.4　通用規律與模型

基于上述工程實際案例，我們經分析總結，最后得出同類大型超濾膜進水泵的通用控制模型與規律可用于其他類似工程的控制及調試參考的結論。此類通用模型的基本參數大致如下：超濾膜架總數為m個（m>20），分n個系列，每個系列包括m/n個，每個系列含進水泵h臺，每個系列進水總管上設有流量變送器、壓力變送器和溫度變送器。

首先，此類工程實例的通用控制器模型可概括如下：

具體的分段函數表示如下：

對應的控制曲線如圖6所示。

圖6 進水泵通用控制曲線

其中，u（t）為控制器輸出，fa為初始頻率，fb為打開泵出水口電動閥的頻率，fc為開始PID調節的頻率，k1、k2為進水泵線性升頻時的比例系數，ta、tb、tc、td分別為不同階段所對應的時間，Kp、Ti、Td分別為PID控制的比例系數、積分時間常數、微分時間常數，S為設定的進水壓力值，y（t）為壓力變送器的實時值，e（t）為設定值與實時值的偏差。以上所有具體參數，需依據各個實際工程項目具體分析設定。

其次，綜合上述控制模型，其控制規律與策略詳細闡述如下：

進水泵宜采用變頻控制，初始頻率從fc開始，可大大縮短PID的調節時間，能夠更快速地達到穩定，進而提高進水泵的使用效率，降低能耗，也不影響膜組器的產水量。

進水泵啟動過程：先啟泵，等反饋頻率達到fb時，再打開泵的出水口電動閥，然后等泵的反饋頻率達到fc時，再開始PID調節，使泵最終趨于穩定運行。

進水泵關閉過程：泵先降低頻率到fd，然后關閉泵的出水口電動閥，最后再完全停泵。

最后，根據需要對進水泵啟停設置運行頻率的判斷及啟動間隔。

4  結論

本文通過實際工程案例，基于最基本的控制條件，再結合調試過程中的反復嘗試、比較、分析、論證，最后得出一種全新、合理、高效的進水泵控制策略。此控制策略從不同的影響因素、控制方法等方面多角度綜合性地進行了分析比較，最后的控制效果也是非常可觀，不僅提高了進水泵自身的合理性、穩定性、使用性，同時也確保了超濾膜系統的產水量，并在一定程度上防止了超濾膜的沖擊損壞，使整個水廠能夠安全、可靠、合理、穩定的運行。最后此控制策略還可作為同類項目的參考，可以減少調試人員的工作量、降低運行成本與維護費用。

作者簡介：

趙洪濤（1977-），男，北京人，工程師，學士，現就職于北京碧水源科技股份有限公司，主要從事工業自動化方面的研究。

參考文獻：

[1] 馮杰. 城市污水處理工藝綜合比選研究[D]. 重慶: 重慶學報, 2007 : 60.

[2] 韓繼珍. 淺談環保工程水處理超濾膜技術及應用[J]. 科技創新與應用. 2016 (15) : 178.

[3] 金錐, 姜乃昌, 等. 停泵水錘及其防護[M]. 北京: 中國建筑工業出版社, 2004 : 4 - 26.

 摘自《自動化博覽》2023年5月刊