污水廠鼓風機控制系統設計及應用

董文琦,徐兆蓮，高 恒，曹玉波*

(1.吉林化工學院 信息與控制工程學院，吉林 吉林 132022；2.遼寧中集哈深冷氣體液化設備有限公司 技術中心,遼寧 開原 150000)

曝氣鼓風機是污水處理廠的核心動力設備，主要用于曝氣池中的生化反應，為污泥中的好氧微生物提供足夠的氧氣來維持活性，同時進行混合攪拌，防止污泥沉積，使污水與好氧微生物充分接觸，從而達到高效除污的作用[1-2].防喘振是鼓風機控制系統最重要的工作任務之一，鼓風機一旦出現喘振現象，不僅自身會受到損害，與之相連的管網設備等也會受到影響，進而影響污水處理曝氣環節的正常運作[3-4].本文通過SIEMENS S7-300PLC和WinCC組態軟件設計了曝氣鼓風機的防喘振自動控制系統，保證鼓風機的穩定運行.

1 鼓風機防喘振原理及系統工藝流程

1.1 鼓風機防喘振原理

鼓風機的特性曲線大體呈駝峰狀，如圖1所示，圖中橫坐標為風機流量，縱坐標為風機出口壓力[5].鼓風機在工作時，一般情況下入口導葉角度保持不變，由于SBR反應池循環曝氣的影響，會導致管網系統阻力增加，從而使鼓風機出口壓力陡增，流量下降.入口導葉片氣流沖角加大，在葉片背面產生氣體分離，形成脫離區，導致鼓風機出口排氣壓力突然下降.當管網中的壓力大于鼓風機出口壓力時，管網中的氣體會倒流回鼓風機內直到管網壓力小于鼓風機出口壓力，脫離區一般會隨著壓力下降而分離消失，鼓風機繼續向管網供氣，當壓力再上升時又產生氣體分離，氣體又重新倒流，氣體在鼓風機內部出現分離反復從而產生喘振現象[6-7].由于管網阻力與SBR反應池結構及工作流程有關，難以控制，只有從流量、壓力入手，在即將發生喘振時，加大鼓風機入口流量，減小出口壓力，進而來避免喘振的發生.

圖1 喘振原理圖

1.2 鼓風機系統工藝流程

鼓風機系統的工藝流程如圖2所示.空氣在經過濾風室以后由入口進入鼓風機，增速器對流入的空氣進行做功提速，形成具有一定風壓的氣流，經過入口導葉的調節后從鼓風機出口通道排出，排風通道形成4路，分別通向主、副防喘振閥，放風閥和管網系統.在鼓風機的入口設有氣體壓力、流量以及溫度的檢測裝置；鼓風機的出口設有氣體壓力檢測點.當鼓風機啟動時，主防喘振閥PV-101、副防喘振閥PV-102、放風閥XV-101完全打開，送風閥XV-102以及入口導葉完全關閉.正常工作的情況下，主、副防喘振閥和放風閥都處于關閉狀態，鼓風機產生的氣流通過送風閥進入SBR反應池管網；如果鼓風機進入喘振狀態，系統會根據設計好的控制邏輯打開防喘振閥等裝置進行調節，最終使鼓風機恢復到正常工況.

圖2 鼓風機控制系統工藝流程圖

2 鼓風機系統控制策略與設計

2.1 鼓風機防喘振控制策略

針對污水處理廠對鼓風機安全運行的需求，系統采用變極限流量法來實現鼓風機的防喘振控制，利用PID算法來控制防喘振閥，入口導葉動作，對喘振消除與連鎖邏輯進行有效控制.圖3為防喘振原理圖.

風機流量Q

橫坐標為鼓風機流量Q，縱坐標為鼓風機出口壓力P，在轉速n下，C點為喘振點，喘振線右側為穩定區，左側為喘振區.

(1)防喘振閥自動控制

系統的防喘振閥采用分區間控制，設置了主、副2個氣動防喘振閥，閥門具有氣關特性，當壓力變送器檢測到鼓風機的出口壓力超過防喘振線后，PLC會發出開閥信號，副防喘振閥PV-102先打開.當副防喘振閥的開度達到一定程度時，若出口壓力沒有恢復到正常工況，此時主防喘振閥PV-101打開.程序控制流程如圖4所示.

圖4 程序流程圖

防喘振閥使用了快開慢關的控制策略，當鼓風機的工作點越限時，防喘振閥要快速動作確保鼓風機在短時間內恢復到正常工況，當鼓風機出口壓力恢復正常時，防喘振閥要平緩慢速動作來避免壓力出現大波動.

(2)入口導葉開度控制

入口導葉開度的改變可以控制鼓風機向管網中的供風量，保證管網中有足夠的風壓，同時可以對系統的防喘振起到輔助作用.入口導葉開度與鼓風機入口流量連鎖，鼓風機入口流量低于喘振流量時則通過PLC輸出開大信號，加大入口導葉開度.控制系統流程如圖5所示.

圖5 鼓風機防喘振控制系統流程圖

鼓風機防喘振控制系統主要包括控制、通信及監控操作3個部分的設計.控制部分采用比較安全穩定的SIEMENS S7-300PLC，通訊部分采用PROFINET總線通信協議，監控操作部分由SIEMENS公司開發的WinCC組態軟件進行搭建設計[8-10].

2.2 防喘振控制

系統啟動時，鼓風機出口壓力、入口流量較小，不足以克服管網阻力，極易發生喘振現象.因此主防喘振閥PV-101、副防喘振閥PV-102全部打開，兩閥同時開到位后，鼓風機開始運行，當鼓風機到達一定的轉速后，緩慢減小主、副防喘振閥的開度直至完全關閉，系統開始正常運轉，由鼓風機出口壓力進行連鎖，對防喘振閥進行實時調節.根據鼓風機的固有機械特性，需要為喘振調節留出一定的安全裕量，通過在線傳感器檢測鼓風機進出口流量、壓力、溫度，喉部壓差等參數，從而計算出當前狀態下的極限參數，進而計算出防喘振參數.鼓風機運行時受到轉速、溫度等因素的干擾較多，因此以上都是動態參數，防喘振線一般為喘振線的91%.將鼓風機入口流量經過折線計算后得到的出口壓力作為控制器的設定值，設定值也是動態參數，當壓力傳感器PIC-103檢測到實際出口壓力高于防喘振線時，壓力變送器將4～20 mA電信號通過模擬量輸入模塊給到PLC控制器中與壓力設定值計算得出偏差，依據PID算法公式計算出閥門開度，再經模擬量輸出模塊轉化為電信號對副防喘振閥PV-102進行控制.當副防喘振閥的開度達到70%時，若鼓風機還沒有脫離喘振區，控制器會根據計算對主防喘振閥PV-101輸出閥門開度，使其快速打開.PID控制程序如圖6所示.

圖6 PID控制程序

2.3 入口導葉開度控制邏輯

當鼓風機啟動時，入口導葉全部關閉來減小鼓風機的起車阻力，當入口流量達到安全流量值時，入口導葉開啟到一個合適的角度來向管網供風.當流量計FIC-101檢測到入口流量高于喘振流量時，變送器將4～20 mA電信號通過模擬量輸入模塊給到PLC控制器中與流量設定值計算得出偏差，依據PID算法公式計算出入口導葉開度，再經模擬量輸出模塊轉化為電信號對入口導葉開度進行控制.根據控制邏輯選擇STL語言進行編程，程序如圖7所示.

圖7 入口導葉開度控制程序

2.4 鼓風機報警設計

為了鼓風機的安全平穩運行，使操作人員及時了解鼓風機的運行情況，系統加入了報警程序的設計，主要分為鼓風機起車報警、運行報警兩部分.鼓風機只有在相關的機械條件全部滿足后才能進行正常工作，包括入口導葉、主防喘振閥PV-101、副防喘振閥PV-102、放風閥XV-101等位置條件，只要有一個未達到起車條件，系統將發出報警提示；整個控制系統具有多個模擬量變送器，對鼓風機出口壓力、入口流量等進行監控.一般情況下，報警控制線為喘振線的89%，當出口壓力、入口流量超過報警線時，系統會發出報警信號；當兩者超過喘振線時，系統將發出停車信號來保證鼓風機組的安全.控制程序如圖8所示.

圖8 報警控制程序

3 UI人機交互界面設計

鼓風機防喘振控制系統有現場手動模式、遠程手動模式和遠程自動模式3種工作方式.現場手動模式下工作人員可以在現場對設備儀表進行操控；切換為遠程手動模式后，工作人員可以在監控室通過人機交互界面對現場設備進行遠程手動操控；切換為遠程自動模式后，系統按照設計程序自動運行，工作人員只需要對整個系統進行監控即可.

人機交互界面的設計通過WinCC組態軟件來完成，利用自帶的工具箱進行靜態圖形、按鈕等的繪制，然后進行動畫連接.人機交互界面如圖9所示.

圖9 人機交互界面

4 結 論

基于某污水處理廠曝氣鼓風機運行中存在的喘振問題，采用SIEMENS S7-300PLC與WinCC組態軟件設計了鼓風機防喘振自動控制系統，大幅度提高了曝氣鼓風機運行的穩定性，減少了喘振現象的發生概率，確保了整個機組的運行安全，為SBR反應池中的生化反應提供充足穩定的溶氧量，保證污水處理環節的高效運作.WinCC組態軟件加持下的UI人機交互界面簡潔明了，操作方便，大大降低了操作人員的工作難度，系統整體運行取得了良好效果.