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文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B文章編號(hào)：1003-0492（2023）05-086-05中圖分類(lèi)號(hào)：TP273

★趙洪濤（北京碧水源科技股份有限公司，北京102206）

關(guān)鍵詞：超濾膜；PID控制；自適應(yīng)；水錘

1　緒論

隨著對(duì)環(huán)境越來(lái)越重視，對(duì)污水的排放要求越來(lái)越高，進(jìn)而對(duì)污水處理中的工藝提出了更高的要求。處理工藝也從傳統(tǒng)活性污泥法、氧化溝工藝發(fā)展到A/O、A2/O、SBR等多種工藝^[1]。

近些年來(lái)，超濾技術(shù)的發(fā)展極為迅速，不但在特殊溶液的分離方面有獨(dú)到的作用，而且在污水處理方面也用得越來(lái)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(yù)處理設(shè)備確保反滲透等后續(xù)設(shè)備的長(zhǎng)期安全、穩(wěn)定運(yùn)行。在食品飲料、礦泉水生產(chǎn)中，超濾也發(fā)揮了重要作用。

目前，在大型超濾膜污水處理技術(shù)應(yīng)用中，進(jìn)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(jìn)一步改進(jìn)與優(yōu)化，進(jìn)而提升整個(gè)水廠的運(yùn)行效果。

2　超濾膜系統(tǒng)及項(xiàng)目簡(jiǎn)介

2.1　超濾膜系統(tǒng)簡(jiǎn)介

超濾是一種膜分離技術(shù)，膜為多孔性不對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)。其分離過(guò)程是在流體壓力差的作用下，利用膜對(duì)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(zhì)截留，而使膜孔不能截留的粒子或小分子溶質(zhì)透過(guò)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(tǒng)由進(jìn)水單元、膜單元、反洗單元和空氣擦洗單元、化學(xué)清洗及中和單元、藥劑投加單元、壓力檢測(cè)單元及閥門(mén)供氣單元組成，每一個(gè)子單元由相關(guān)的構(gòu)筑物、設(shè)備、閥門(mén)、儀表和管道管件組成。

2.2　項(xiàng)目簡(jiǎn)介

本文所結(jié)合的污水處理項(xiàng)目為再生水項(xiàng)目，工程設(shè)計(jì)規(guī)模為日處理污水100萬(wàn)噸，設(shè)計(jì)流量的峰值系數(shù)取1.2，出水主要用于河湖補(bǔ)水、工業(yè)回用、城市雜用等。按照處理廠出水的主要用途，設(shè)計(jì)出水水質(zhì)滿(mǎn)足相關(guān)再生水水質(zhì)要求、部分水質(zhì)達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》IV類(lèi)水體標(biāo)準(zhǔn)。

本再生水項(xiàng)目超濾單元共分四個(gè)獨(dú)立超濾產(chǎn)水系列，每系列日產(chǎn)水25萬(wàn)m³/d，每系列都配有獨(dú)立的進(jìn)水、產(chǎn)水、反洗、藥洗、空氣擦洗等系統(tǒng)。此外，每系列膜系統(tǒng)的進(jìn)水系統(tǒng)又分成2個(gè)獨(dú)立進(jìn)水單位，即單個(gè)進(jìn)水單位處理量為12.5萬(wàn)m³/d，便于系統(tǒng)靈活運(yùn)行。整套系統(tǒng)均按全自動(dòng)運(yùn)行設(shè)計(jì)。

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(dòng)控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介

該自動(dòng)控制系統(tǒng)共設(shè)置4套現(xiàn)場(chǎng)PLC控制站（每個(gè)系列設(shè)置了1個(gè)PLC主站），每個(gè)主站擴(kuò)展5個(gè)本地PLC柜、4個(gè)遠(yuǎn)程IO站、20個(gè)閥島箱。各個(gè)PLC主站之間通過(guò)光電交換機(jī)相連接，采用光纖環(huán)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)信息共享?？刂葡到y(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

3 進(jìn)水系統(tǒng)控制策略

3.1　進(jìn)水單元概述

本文所結(jié)合的工程項(xiàng)目：超濾膜架總數(shù)為80套，分4個(gè)系列，每個(gè)系列包括20套，每個(gè)系列又分為2組，每組10套超濾模架。每組設(shè)置進(jìn)水泵為4臺(tái)，每個(gè)系列中的2組膜架共用1臺(tái)備用進(jìn)水泵，當(dāng)有一側(cè)進(jìn)水泵不能滿(mǎn)足進(jìn)水需求時(shí)，啟動(dòng)備用泵。進(jìn)水泵總數(shù)為36臺(tái)，每臺(tái)進(jìn)水泵的參數(shù)為：Q=2150m³/h，H=34m，N=315kW。

3.2　進(jìn)水系統(tǒng)在整個(gè)控制系統(tǒng)中的作用

超濾系統(tǒng)進(jìn)水系統(tǒng)是將前一個(gè)工藝段生物濾池的出水，先輸送至自清洗過(guò)濾器初步過(guò)濾，然后再送至超濾膜系統(tǒng)精細(xì)過(guò)濾，最后將超濾膜產(chǎn)水輸送至后續(xù)的其他工藝段，如臭氧、紫外消毒等。進(jìn)水泵的轉(zhuǎn)速、運(yùn)行頻率、運(yùn)行數(shù)量等均會(huì)影響到膜組的產(chǎn)水量，同時(shí)進(jìn)水泵自身的使用效率、穩(wěn)定性、維護(hù)性等會(huì)影響整個(gè)水廠運(yùn)行的安全、可靠，以及水廠的運(yùn)行費(fèi)用、經(jīng)濟(jì)效益等。所以，進(jìn)水系統(tǒng)在超濾膜整個(gè)控制系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用，故進(jìn)水系統(tǒng)合理、優(yōu)越的控制策略顯得尤為重要，這也是本文研究的重點(diǎn)和意義所在。

3.3　進(jìn)水泵控制策略的分析比較

在超濾膜污水處理系統(tǒng)中，進(jìn)水泵控制的通用常規(guī)條件如下：

（1）可以手動(dòng)控制設(shè)備啟停。

（2）將現(xiàn)場(chǎng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)全部置于自動(dòng)狀態(tài)，當(dāng)超聲波液位計(jì)（進(jìn)水池）處于高值，進(jìn)水泵才能啟動(dòng)。

（3）與超濾組器的進(jìn)水氣動(dòng)蝶閥（見(jiàn)膜核心單元）聯(lián)動(dòng)，任意一個(gè)氣動(dòng)蝶閥啟動(dòng)，進(jìn)水泵啟動(dòng)。

（4）超聲波液位計(jì)（進(jìn)水池）處于低值時(shí)，進(jìn)水泵停止運(yùn)行并報(bào)警。

（5）根據(jù)壓力變送器的設(shè)定值恒壓PID控制進(jìn)水泵變頻運(yùn)行，壓力變送器值設(shè)定為100kPa（可調(diào)）。

（6）進(jìn)水泵前的電動(dòng)閥在進(jìn)水泵啟動(dòng)時(shí)自動(dòng)打開(kāi)，進(jìn)水泵在此電動(dòng)閥打開(kāi)后開(kāi)始啟動(dòng)。

在以上控制條件的前提下，下面從五個(gè)方面來(lái)分析比較進(jìn)水泵的控制策略。

3.3.1　單臺(tái)泵的PID調(diào)節(jié)

進(jìn)水泵的功率為315kW，如果工頻直接啟動(dòng)，由于啟動(dòng)電流是額定電流的幾倍甚至十幾倍，不僅對(duì)電網(wǎng)造成沖擊，影響其他用電設(shè)備的正常運(yùn)行，而且對(duì)超濾膜也會(huì)造成巨大沖擊，可能導(dǎo)致超濾膜的破損，影響整個(gè)水廠的產(chǎn)水量，增加運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用等，故應(yīng)該變頻啟動(dòng)，那么PID調(diào)節(jié)就是重中之重。下面就PID調(diào)節(jié)的過(guò)程分析比較。

PID控制器的數(shù)學(xué)模型如下：

u(t)=Kp(e(t)+1/Ti∫e(t)dt+Td*de(t)/dt)

常規(guī)PID調(diào)節(jié)過(guò)程是：通過(guò)設(shè)定比例系數(shù)Kp、積分時(shí)間常數(shù)Ti、微分時(shí)間常數(shù)Td，使進(jìn)水泵從0Hz啟動(dòng)直接進(jìn)入PID自動(dòng)調(diào)節(jié)，使其進(jìn)水泵逐漸趨于穩(wěn)定，雖然結(jié)果能滿(mǎn)足恒壓要求，但通常調(diào)節(jié)時(shí)間太長(zhǎng)，波動(dòng)較大，進(jìn)而導(dǎo)致進(jìn)水泵的使用效率低，能耗高，同時(shí)因?yàn)橼呌诜€(wěn)定時(shí)間長(zhǎng)，影響膜系統(tǒng)的進(jìn)水要求，從而對(duì)最終的產(chǎn)水量有一定的影響，偏離了目標(biāo)值。其常規(guī)PID調(diào)節(jié)曲線(xiàn)如圖3所示。

圖3 常規(guī)PID調(diào)節(jié)曲線(xiàn)

在工程項(xiàng)目實(shí)際的調(diào)試過(guò)程中，我們經(jīng)過(guò)不斷的試驗(yàn)論證，最后總結(jié)出一種更為合理可靠的調(diào)節(jié)方法，其調(diào)節(jié)過(guò)程如下：

初始頻率不再?gòu)?Hz開(kāi)始，而是選擇30Hz開(kāi)始，這樣既可大大縮短PID的調(diào)節(jié)時(shí)間，能夠更快速地達(dá)到穩(wěn)定，又不影響進(jìn)水泵的正常啟動(dòng)以及對(duì)其造成的沖擊，進(jìn)而提高了進(jìn)水泵的使用效率，降低了能耗，也不影響膜組器的產(chǎn)水量。改進(jìn)后PID調(diào)節(jié)曲線(xiàn)如圖4所示。

圖4 改進(jìn)后PID調(diào)節(jié)曲線(xiàn)

3.3.2　水錘的影響與防止措施

水錘是指在密閉管路系統(tǒng)（包括泵）內(nèi)，由于流體流量急劇變化而引起較大的壓力波動(dòng)并造成振動(dòng)的現(xiàn)象，猶如錘子敲擊管道一樣，故稱(chēng)為水錘效應(yīng)，又稱(chēng)“水擊”^[3]。其瞬間壓力可大大超過(guò)正常壓力，并經(jīng)常產(chǎn)生破壞性影響。因開(kāi)泵、停泵、開(kāi)關(guān)閥門(mén)過(guò)于快速，使水的速度發(fā)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(mén)，并引起水泵反轉(zhuǎn)、管網(wǎng)壓力降低等。為了防止或減輕水錘作用，可采取相應(yīng)的消除措施，如延緩管路或泵的開(kāi)閉時(shí)間、安裝水錘消除器等。

本文所結(jié)合的工程實(shí)際案例，綜合考慮了管道、閥門(mén)以及泵的性能特點(diǎn)，硬件上通過(guò)在管道上增加泄壓閥來(lái)調(diào)節(jié)水量大小，降低了進(jìn)水泵啟停時(shí)水量的急劇變化，避免水錘影響；軟件上經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)調(diào)試，證實(shí)利用以下進(jìn)水泵的開(kāi)啟、關(guān)閉控制策略，可實(shí)現(xiàn)水泵的平穩(wěn)啟停，進(jìn)而避免巨大水錘對(duì)泵的使用壽命以及管道的影響，最終達(dá)到整個(gè)水廠安全、可靠、平穩(wěn)、經(jīng)濟(jì)、節(jié)能的運(yùn)行。具體的控制方法及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下：

進(jìn)水泵啟動(dòng)過(guò)程：先啟泵，等反饋頻率達(dá)到20Hz時(shí)，再打開(kāi)泵的出水口電動(dòng)閥，然后等泵的反饋頻率達(dá)到30Hz時(shí)，再開(kāi)始PID調(diào)節(jié)，使泵最終趨于穩(wěn)定運(yùn)行。

進(jìn)水泵關(guān)閉過(guò)程：泵先降低頻率到16Hz，然后關(guān)閉泵的出水口電動(dòng)閥，最后再完全停泵。

3.3.3　各進(jìn)水泵多頻段自適應(yīng)智能啟停及控制

在大型的超濾膜污水處理系統(tǒng)中，進(jìn)水泵數(shù)量多、功率大，自身的成本很高，那么如何使各個(gè)進(jìn)水泵達(dá)到最佳性能、使用效率最高、維護(hù)成本最低，是值得研究與改進(jìn)的。

本文所結(jié)合的工程實(shí)際案例每個(gè)系列有9臺(tái)進(jìn)水泵，每組有4臺(tái)，另外一臺(tái)為兩組共同備用，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)多次調(diào)試驗(yàn)證，最終總結(jié)出各進(jìn)水泵多頻段自適應(yīng)智能啟停及其控制規(guī)律如下：

綜合考慮進(jìn)水池液位、產(chǎn)水流量、進(jìn)水壓力、每臺(tái)泵的累計(jì)運(yùn)行時(shí)間等因素，當(dāng)進(jìn)水池液位大于等于泵的啟動(dòng)液位時(shí)（液位判定需延時(shí)5s，以防液位不穩(wěn)定），為滿(mǎn)足產(chǎn)水的需求，會(huì)根據(jù)泵的累計(jì)運(yùn)行時(shí)間依次啟動(dòng)不同的進(jìn)水泵，累計(jì)運(yùn)行時(shí)間短的泵優(yōu)先開(kāi)啟（啟動(dòng)方法及PID調(diào)節(jié)控制依然遵循以上第一、二條的規(guī)律），當(dāng)?shù)谝慌_(tái)泵穩(wěn)定到45Hz仍不能滿(mǎn)足產(chǎn)水需求時(shí)，啟動(dòng)第二臺(tái)泵，以此類(lèi)推；當(dāng)所需的產(chǎn)水量變小或者進(jìn)水池液位小于等于泵的停止液位時(shí)（液位判定需延時(shí)5s，以防液位不穩(wěn)定），開(kāi)啟的泵同樣會(huì)依照其累計(jì)運(yùn)行時(shí)間依次停止不同的進(jìn)水泵，累計(jì)運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)的泵會(huì)優(yōu)先停止（停止方法及PID調(diào)節(jié)控制依然遵循以上第一、二條的規(guī)律）。

通過(guò)此方法，可防止某一臺(tái)進(jìn)水泵頻繁運(yùn)行，而有的進(jìn)水泵卻一直閑置，整體上延長(zhǎng)了泵的工作壽命，加強(qiáng)了泵的使用效率，減少了泵的損壞與維修，進(jìn)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(guò)圖5直觀地展現(xiàn)出來(lái)。

圖5 進(jìn)水泵的啟停過(guò)程及PID調(diào)節(jié)

3.3.4　進(jìn)水泵運(yùn)行頻率的判斷

我們?cè)陧?xiàng)目調(diào)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，僅僅靠前邊所述的判斷條件啟動(dòng)進(jìn)水泵還是不夠，因?yàn)槟は到y(tǒng)產(chǎn)水?dāng)?shù)量不定，所需進(jìn)水泵數(shù)量也會(huì)變化，所以需要根據(jù)進(jìn)水泵運(yùn)行頻率來(lái)判斷當(dāng)前進(jìn)水泵能否滿(mǎn)足進(jìn)水要求，是需要啟動(dòng)進(jìn)水泵還是停止進(jìn)水泵。這樣才能確保膜系統(tǒng)的產(chǎn)水目標(biāo)值，進(jìn)而使進(jìn)水泵的使用效率最高，控制策略最有效。

3.3.5　控制過(guò)程加入啟動(dòng)間隔

在項(xiàng)目調(diào)試過(guò)程中，新啟動(dòng)或停止進(jìn)水泵后，由于啟、停操作需要較長(zhǎng)時(shí)間，且啟、停后，水量穩(wěn)定也需要時(shí)間，所以在一次啟、停操作結(jié)束后，間隔一段時(shí)間再進(jìn)行頻率判斷，決定是否需要啟動(dòng)或停止進(jìn)水泵，可有效避免進(jìn)水泵頻啟、頻停而損壞設(shè)備。

3.4　通用規(guī)律與模型

基于上述工程實(shí)際案例，我們經(jīng)分析總結(jié)，最后得出同類(lèi)大型超濾膜進(jìn)水泵的通用控制模型與規(guī)律可用于其他類(lèi)似工程的控制及調(diào)試參考的結(jié)論。此類(lèi)通用模型的基本參數(shù)大致如下：超濾膜架總數(shù)為m個(gè)（m>20），分n個(gè)系列，每個(gè)系列包括m/n個(gè)，每個(gè)系列含進(jìn)水泵h臺(tái)，每個(gè)系列進(jìn)水總管上設(shè)有流量變送器、壓力變送器和溫度變送器。

首先，此類(lèi)工程實(shí)例的通用控制器模型可概括如下：

具體的分段函數(shù)表示如下：

對(duì)應(yīng)的控制曲線(xiàn)如圖6所示。

圖6 進(jìn)水泵通用控制曲線(xiàn)

其中，u（t）為控制器輸出，fa為初始頻率，fb為打開(kāi)泵出水口電動(dòng)閥的頻率，fc為開(kāi)始PID調(diào)節(jié)的頻率，k1、k2為進(jìn)水泵線(xiàn)性升頻時(shí)的比例系數(shù)，ta、tb、tc、td分別為不同階段所對(duì)應(yīng)的時(shí)間，Kp、Ti、Td分別為PID控制的比例系數(shù)、積分時(shí)間常數(shù)、微分時(shí)間常數(shù)，S為設(shè)定的進(jìn)水壓力值，y（t）為壓力變送器的實(shí)時(shí)值，e（t）為設(shè)定值與實(shí)時(shí)值的偏差。以上所有具體參數(shù)，需依據(jù)各個(gè)實(shí)際工程項(xiàng)目具體分析設(shè)定。

其次，綜合上述控制模型，其控制規(guī)律與策略詳細(xì)闡述如下：

進(jìn)水泵宜采用變頻控制，初始頻率從fc開(kāi)始，可大大縮短PID的調(diào)節(jié)時(shí)間，能夠更快速地達(dá)到穩(wěn)定，進(jìn)而提高進(jìn)水泵的使用效率，降低能耗，也不影響膜組器的產(chǎn)水量。

進(jìn)水泵啟動(dòng)過(guò)程：先啟泵，等反饋頻率達(dá)到fb時(shí)，再打開(kāi)泵的出水口電動(dòng)閥，然后等泵的反饋頻率達(dá)到fc時(shí)，再開(kāi)始PID調(diào)節(jié)，使泵最終趨于穩(wěn)定運(yùn)行。

進(jìn)水泵關(guān)閉過(guò)程：泵先降低頻率到fd，然后關(guān)閉泵的出水口電動(dòng)閥，最后再完全停泵。

最后，根據(jù)需要對(duì)進(jìn)水泵啟停設(shè)置運(yùn)行頻率的判斷及啟動(dòng)間隔。

4  結(jié)論

本文通過(guò)實(shí)際工程案例，基于最基本的控制條件，再結(jié)合調(diào)試過(guò)程中的反復(fù)嘗試、比較、分析、論證，最后得出一種全新、合理、高效的進(jìn)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(jìn)行了分析比較，最后的控制效果也是非?？捎^，不僅提高了進(jìn)水泵自身的合理性、穩(wěn)定性、使用性，同時(shí)也確保了超濾膜系統(tǒng)的產(chǎn)水量，并在一定程度上防止了超濾膜的沖擊損壞，使整個(gè)水廠能夠安全、可靠、合理、穩(wěn)定的運(yùn)行。最后此控制策略還可作為同類(lèi)項(xiàng)目的參考，可以減少調(diào)試人員的工作量、降低運(yùn)行成本與維護(hù)費(fèi)用。

作者簡(jiǎn)介：

趙洪濤（1977-），男，北京人，工程師，學(xué)士，現(xiàn)就職于北京碧水源科技股份有限公司，主要從事工業(yè)自動(dòng)化方面的研究。

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 摘自《自動(dòng)化博覽》2023年5月刊