Projekt i uruchomienie precyzyjnego systemu napowietrzania dla wielostopniowej- oczyszczalni ścieków AAO
Przegląd
Oczyszczanie ścieków jest istotnym elementem budownictwa miejskiego. W ostatnich latach chiński przemysł oczyszczania ścieków szybko się rozwinął. Głęboki udział oczyszczalni ścieków we wspólnej redukcji emisji stanowi ważne wsparcie w budowaniu społeczeństwa niskoemisyjnego-, rozwijaniu gospodarki niskoemisyjnej- i osiąganiu zrównoważonego rozwoju obszarów miejskich. Zgodnie z celami „Dual Carbon” uwagę branży przyciągnęła koncepcja niskoemisyjnych- oczyszczalni ścieków. Aby dostosować się do strategii rozwoju niskoemisyjnych- oczyszczalni ścieków, konieczne jest przeanalizowanie i zbadanie kluczowych czynników wpływających na oszczędzanie energii i redukcję emisji.
Większość przydomowych oczyszczalni ścieków wykorzystuje procesy osadu czynnego. Kluczowym czynnikiem w tym oczyszczaniu jest dostarczenie odpowiedniej ilości tlenu do reakcji utleniania przez mikroorganizmy w zbiornikach biologicznych, dlatego kluczowa jest kontrola objętości napowietrzania. Tradycyjna kontrola napowietrzania, realizowana za pomocą ręcznych przełączników, opiera się przede wszystkim na doświadczeniu-operatorów na miejscu, co prowadzi do znacznej niepewności i marnotrawstwa. Aby osiągnąć automatyczną kontrolę precyzyjnych systemów napowietrzania i ograniczyć ręczną interwencję, badacze szeroko badali metody kontroli napowietrzania, w tym sterowanie rozmyte, sieci neuronowe, rozmyte sieci neuronowe, algorytmy genetyczne i maszyny wektorów nośnych. W tym artykule skupiono się na wieloetapowym-procesie AAO oczyszczalni ścieków w Shenzhen, analizując i podsumowując proces projektowania i uruchamiania precyzyjnego systemu napowietrzania, aby zapewnić punkt odniesienia dla podobnych projektów.
1 Przegląd systemu
1.1 Zasada precyzyjnego systemu napowietrzania
Oczyszczanie biologiczne jest najważniejszym etapem procesu oczyszczania ścieków i zwykle ma na celu usunięcie lub redukcję substancji docelowych w ściekach w celu spełnienia norm dotyczących odprowadzania ścieków poprzez utrzymanie trwałego i skutecznego wzrostu drobnoustrojów oraz promowanie procesów biochemicznych. Tradycyjne strategie kontroli nie są w stanie w odpowiednim czasie i dokładnie reagować na zmiany parametrów pracy nowoczesnych oczyszczalni ścieków. Podczas początkowej operacji próbnej często dokonuje się regulacji jedynie dmuchaw lub końcowych rur napowietrzających, co nie zapewnia regulacji w czasie rzeczywistym--na żądanie objętości napowietrzania w zbiornikach reakcyjnych w oparciu o rzeczywiste zmiany warunków pracy, przy jednoczesnym osiągnięciu oszczędności energii.
Rozpuszczony tlen (DO) jest głównym czynnikiem wpływającym na proces biologicznego oczyszczania. Jakość kontroli DO bezpośrednio wpływa na skuteczność oczyszczania ścieków. W precyzyjnym systemie napowietrzania zastosowano wieloparametrową metodę kontroli, łączącą „wyprzedzanie + sprzężenie zwrotne + model”, skutecznie uwzględniającą takie cechy, jak duże opóźnienia czasowe i nie-liniowość w oczyszczalniach ścieków. Kompleksowo uwzględnia dmuchawy, zawory regulacyjne na rurociągach napowietrzających, a także tlen rozpuszczony i obciążenie wodą, aby wdrożyć precyzyjną kontrolę nad procesem reakcji biologicznej, uzyskując napowietrzanie-na żądanie, zwiększając w ten sposób stabilność działania systemu i oszczędzając energię.
W oczyszczalniach ścieków sygnały wyprzedzające obejmują głównie sygnały przepływu dopływu i jakości; sygnały zwrotne obejmują głównie DO, zawiesinę mieszanych cieczy (MLSS) i sygnały poziomu w zbiorniku biologicznym.
Strategia sterowania DO precyzyjnych systemów napowietrzania zazwyczaj obejmuje dwa podejścia: ustawienie docelowej wartości kontrolnej jako wartości stałej lub wartości dynamicznej.
Zwykle w ramach strategii, w której docelowa kontrola DO jest ustawiona jako stała wartość, precyzyjny system napowietrzania oblicza wymaganą objętość powietrza dla każdej strefy zbiornika biologicznego oraz całkowitą wymaganą objętość powietrza w oparciu o sygnały takie jak jakość napływającego powietrza, przepływ napływającego, wartość zadana DO i MLSS zbiornika biologicznego. Następnie reguluje główny układ sterowania dmuchawą i zawory elektryczne na rurach napowietrzających, aby dopasować dopływ powietrza do zapotrzebowania, uzyskując w ten sposób kontrolę docelowej wartości DO.
Dzięki zastosowaniu precyzyjnego systemu napowietrzania oczyszczalnie ścieków mogą lepiej osiągnąć następujące cele:
(1) Zmniejszenie zużycia energii na jednostkę oczyszczonych ścieków, obniżając koszty.
(2) Poprawa ogólnej stabilności i niezawodności operacji oczyszczania ścieków.
(3) Automatycznie dostosowuj napowietrzanie w oparciu o ilość uzdatnionej wody i zanieczyszczeń, co pozwala uzyskać-napowietrzanie na żądanie i automatyczną kontrolę.
(4) Poprawa jakości ścieków i zwiększenie stopnia zgodności w zakresie jakości ścieków.
1.2 Ogólny projekt systemu precyzyjnego napowietrzania
Projektowana wydajność oczyszczalni ścieków wynosi 50 000 m³/d. Wykorzystuje wieloetapowy-proces AAO, wyposażony w 2 zbiorniki biologiczne. Główne wskaźniki jakości ścieków odpowiadają normom IV klasy wód powierzchniowych. Przebieg procesu oczyszczania ścieków przedstawiono na rysunkuRysunek 1.
Projekt obejmuje 2 zbiorniki biologiczne. Każdy zbiornik biologiczny jest podzielony na 6 stref kontroli DO, co daje w sumie 12 stref kontroli DO dla zbiorników biologicznych zakładu. Schemat konstrukcyjny precyzyjnego systemu napowietrzania pokazano wRysunek 2.
Aby osiągnąć precyzyjne napowietrzanie, wymagana jest kompletna sieć sterująca dla precyzyjnego systemu napowietrzania. Topologię komunikacji automatyki precyzyjnego systemu napowietrzania pokazano wRysunek 3.
Stacja główna precyzyjnego systemu napowietrzania bezpośrednio uzyskuje odpowiednie parametry z dmuchaw napowietrzających za pośrednictwem komunikacji, zbiera sygnały z-lokalnych przyrządów monitorujących i wysyła polecenia regulacji sterowania do zaworów urządzeń i układu dmuchaw, uzyskując w ten sposób w pełni automatyczną kontrolę procesu napowietrzania i skoordynowaną regulację zaworów sterujących przepływem i dmuchaw.
1.3 Elementy sprzętowe systemu precyzyjnego napowietrzania
Dla każdej strefy kontroli DO skonfigurowany jest jeden analizator DO online. Jeden termiczny przepływomierz gazu i jeden elektryczny zawór sterujący są skonfigurowane na odgałęzieniu napowietrzającym odpowiadającym każdej strefie regulacji DO. Na głównej rurze wylotowej w pomieszczeniu dmuchaw zamontowany jest jeden termiczny przepływomierz gazu i jeden przetwornik ciśnienia.
Tabela konfiguracji sprzętu i przyrządów dla precyzyjnego systemu napowietrzania jest pokazana wTabela 1.
1.4 Elementy oprogramowania Systemu Precyzyjnego Napowietrzania
Oprogramowanie systemu precyzyjnego napowietrzania jest instalowane i uruchamiane na stacji roboczej systemu precyzyjnego napowietrzania, stanowiącej podstawową jednostkę przetwarzającą system. Na podstawie zebranych sygnałów terenowych urządzenie to oblicza biologiczne zapotrzebowanie zbiorników biologicznych na powietrze za pomocą modelu i jednocześnie wydaje polecenia regulacji do terenowych urządzeń sterujących. Funkcjonalnie zawiera podstawowe moduły, takie jak moduł obliczania objętości napowietrzania, moduł dystrybucji powietrza i moduł ustawień optymalizacji dmuchawy.
Oprogramowanie precyzyjnego systemu napowietrzania zostało zaprojektowane przede wszystkim w oparciu o dwa następujące aspekty:
(1) Precyzyjny system napowietrzania dzieli sekcję aerobową na kilka niezależnych stref kontroli DO, zdolnych dostosować się do wymagań przepływu sterowania procesem, automatycznie dostosowując przepływ napowietrzania, aby spełnić warunki procesu dystrybucji DO wymagane przez jednostki oczyszczania.
(2) Precyzyjny system napowietrzania umożliwia użytkownikom niezależne ustawianie docelowych poziomów DO i obsługuje dynamiczne wartości zadane DO. Biorąc pod uwagę wygodę i funkcjonalność, odpowiednie dane można przeglądać i konfigurować w centralnej sterowni.
Mechanizm sterujący precyzyjnym napowietrzaniem nadaje priorytet polu, a następnie centralny komputer sterujący, obejmujący głównie sterowanie zaworami i dmuchawą.
Sterowanie zaworem ma dwa tryby: tryb sterowania lokalnego i tryb sterowania zdalnego. Na górnym komputerze centralnego sterowania dostępne są dwie możliwości: tryb ręczny i tryb precyzyjnego napowietrzania.
Sterowanie ciśnieniem dmuchawy obejmuje:
(1) Kiedy główna szafa sterownicza przechodzi w tryb lokalny, wartość zadaną ciśnienia można ustawić ręcznie lokalnie.
(2) Kiedy główna szafa sterownicza przechodzi w zdalny tryb automatyczny, ustawienie ciśnienia jest podzielone na dwa tryby: napowietrzanie ręczne i precyzyjne, a sterowanie przełącza się do sterowni centralnej.
Ponieważ posiada trzy tryby sterowania - sterowanie w pełni automatyczne, sterowanie częściowe automatyczne i sterowanie ręczne wymuszone - oraz umożliwia przełączanie trybów na-zakładzie lub w głównej sterowni, precyzyjny system napowietrzania może odpowiednio radzić sobie w różnych sytuacjach napotykanych podczas pracy oczyszczalni ścieków.
1.5 Funkcje Systemu Precyzyjnego Napowietrzania
1.5.1 Obliczanie zapotrzebowania na powietrze
Precyzyjny system napowietrzania może dynamicznie obliczać rzeczywiste zapotrzebowanie na powietrze na podstawie zmian różnych czynników w zbiornikach biologicznych, umożliwiając systemowi napowietrzania dostarczanie powietrza na żądanie. Model obliczenia zapotrzebowania na powietrze dla układu napowietrzania precyzyjnego przedstawiono wPostać4.
W praktycznych zastosowaniach precyzyjnej kontroli napowietrzania w oczyszczalniach ścieków precyzyjny system napowietrzania może obliczyć rzeczywiste zapotrzebowanie na powietrze-w czasie rzeczywistym w miarę zmiany przepływu napływu i obciążeń jakościowych, zapewniając rozsądne napowietrzanie spełniające wymagania biochemiczne, jednocześnie oszczędzając niepotrzebne zużycie energii na napowietrzanie.
1.5.2 Rozkład objętości napowietrzania
Precyzyjny system napowietrzania składa się z wielu jednostek sterujących napowietrzaniem. System wykorzystuje strategię sterowania z odsprzęganiem wielu-zaworów, aby wyeliminować zakłócenia wynikające z regulacji jednego-zaworu w innych zaworach. Posiada również wielozaworową strategię optymalnego otwierania-, umożliwiającą szybką i optymalną regulację otwarcia zaworów w celu uzyskania szybkiego i dokładnego przenoszenia i dystrybucji objętości napowietrzania pomiędzy różnymi jednostkami sterującymi napowietrzaniem.
1.5.3 Sterowanie optymalizacją dmuchawy
Oszczędność energii w procesie napowietrzania osiągana jest poprzez optymalizację pracy dmuchawy. Istotą układu napowietrzania jest regulacja pracy dmuchawy w oparciu o parametry eksploatacyjne. Z jednej strony regulacja dmuchawy musi uwzględniać rzeczywiste parametry operacyjne; z drugiej strony, regulacja dmuchawy musi uwzględniać również ochronę sprzętu. Ogólną zasadą jest eksploatacja dmuchaw w najbardziej ekonomicznych warunkach, przy jednoczesnym zapobieganiu nieprawidłowym warunkom pracy dmuchawy (takim jak falowanie).
Precyzyjny system napowietrzania oblicza wymaganą ilość powietrza na podstawie aktualnych parametrów operacyjnych procesu, a następnie wysyła sygnał do szafy sterowniczej dmuchawy. Operacje takie jak uruchamianie/zatrzymywanie dmuchaw i regulacja otworów są wykonywane w oparciu o nastawę całkowitej objętości powietrza w celu zaspokojenia zapotrzebowania układu biologicznego na napowietrzanie, natomiast zabezpieczenie przed przepięciami służy do ochrony dmuchaw przed wzrostem. Dmuchawy są podstawowymi urządzeniami procesowymi w oczyszczalniach ścieków. Precyzyjny system napowietrzania powinien regulować pracę dmuchawy, aby zaspokoić zapotrzebowanie na napowietrzanie zbiorników biologicznych, jednocześnie zapobiegając wzrostowi wydajności dmuchawy.
2 Uruchomienie Systemu Precyzyjnego Napowietrzania
Aby zapewnić prawidłową pracę systemu precyzyjnego napowietrzania, należy najpierw, jedno po drugim, uruchomić poszczególne urządzenia w systemie. Następnie konieczne jest skoordynowane uruchomienie zaworów napowietrzających zbiorników biologicznych i dmuchaw, ustawienie objętości powietrza z dmuchawy i regulacja monitorowania ciśnienia w rurociągu. Podczas uruchamiania wszystkie operacje i regulacje muszą zapewniać brak wpływu na produkcję. W szczególności należy podkreślić środki ostrożności dotyczące awaryjnego działania dmuchawy:
(1) W krótkim-terminie znaczne wahania otwarcia dmuchawy. System ten wykorzystuje dmuchawy odśrodkowe z łożyskami magnetycznymi, które mogą odbierać wartości zadane wysyłane przez precyzyjny system napowietrzania w czasie rzeczywistym-. Dmuchawa dostosowuje czas otwarcia i działania na podstawie różnicy. Precyzyjny system napowietrzania posiada mechanizm zabezpieczający przed wahaniami dmuchawy, aby zapobiec skokom spowodowanym wahaniami. Możliwe przyczyny-krótkoterminowych znacznych wahań otwarcia dmuchawy obejmują nagłe zmiany jakości dopływu, niedopasowane parametry regulacji systemu, nagłe zmiany ciśnienia w rurociągu oraz awarie przyrządów w zbiorniku biologicznym. Ze względów bezpieczeństwa sprzętu, aby zapobiec dużym wahaniom ciśnienia w rurociągu i ryzyku wystąpienia gwałtownych wzrostów dmuchawy, precyzyjny system napowietrzania można ręcznie wyłączyć i przełączyć na tryb ręczny.
(2) Podczas gwałtownego wzrostu dmuchawy. Podczas pierwszego uruchomienia czasami nie da się uniknąć gwałtownych wzrostów wydajności dmuchawy. Możliwe przyczyny obejmują niewystarczającą koordynację pomiędzy zaworami i dmuchawami, prowadzącą do zwiększonego ciśnienia w rurociągu i gwałtownych wzrostów; lub nieuzasadnione parametry samej dmuchawy, przy zbyt szybkiej regulacji otwarcia, co powoduje gwałtowny wzrost samej dmuchawy. Kiedy wystąpi ta usterka, precyzyjny system napowietrzania można ręcznie wyłączyć i przełączyć na tryb ręczny.
3 DO Kontroluj efektywność i wyniki oszczędzania energii systemu precyzyjnego napowietrzania
3.1 DO Kontroluj skuteczność systemu precyzyjnego napowietrzania
Weryfikację efektywności precyzyjnego systemu napowietrzania dla tego projektu przeprowadzono przede wszystkim poprzez porównanie scenariuszy z ingerencją systemu i bez niej. Tradycyjne metody kontroli nie są w stanie w odpowiednim czasie i dokładnie zareagować na wpływ różnych zakłóceń. Gdy kontrolowana online wartość DO wykazuje duże wahania, na wykresie pokazana jest zmiana rozpuszczonego tlenu (DO) w czasie w określonym miejscu zbiornika biologicznego bez precyzyjnego napowietrzaniaRysunek 5.
W porównaniu z tradycyjnymi metodami kontroli zbiornika biologicznego, precyzyjna metoda kontroli napowietrzania może dokładniej kontrolować DO w zbiorniku biologicznym, wykazując większe możliwości adaptacji, umożliwiając w ten sposób lepsze napowietrzanie i oszczędność energii. Trend rozpuszczonego tlenu (DO) w określonym miejscu zbiornika biologicznego z precyzyjnym napowietrzeniem pokazano na rysunkuRysunek 6.
Zgodnie z wynikami próbnego działania precyzyjnego układu sterowania w tym projekcie, prawdopodobieństwo wartości DO rozłożonych w granicach ±0,5 mg/l docelowej wartości zadanej wynosi 90%; prawdopodobieństwo w granicach ±0,3 mg/L wynosi 30%; a prawdopodobieństwo w granicach ±0,2 mg/L wynosi 20%, spełniając wymagania projektowe i rzeczywiste potrzeby operacyjne.
3.2 Wyniki oszczędzania energii dzięki kontroli DO za pomocą systemu precyzyjnego napowietrzania
W wielostopniowej- oczyszczalni ścieków AAO precyzyjny system napowietrzania oblicza wymaganą całkowitą objętość powietrza w czasie rzeczywistym-na podstawie bieżącego przepływu i obciążenia podczas sterowania dmuchawą. Następnie przesyła nastawę całkowitego zapotrzebowania na powietrze do głównej szafy sterowniczej dmuchawy, która reguluje powiązane dmuchawy zgodnie z ustawioną wartością docelową. Zapewnia to, że objętość napowietrzania spełnia rzeczywiste wymagania zarówno w warunkach wysokiego, jak i niskiego obciążenia, jednocześnie zmniejszając niepotrzebne zużycie energii napowietrzania. Przy tradycyjnym sterowaniu dmuchawy zazwyczaj działają w sposób ciągły ze stosunkowo dużą mocą. Dzięki precyzyjnemu sterowaniu dmuchawami przez system napowietrzania,-osiągana jest regulacja mocy roboczej w czasie rzeczywistym, co pozwala na osiągnięcie celu, jakim jest oszczędność energii.
Po zastosowaniu precyzyjnego systemu napowietrzania wielostopniowa- oczyszczalnia ścieków AAO korzysta z normalnej pracy urządzeń do oczyszczania, dokładnych danych z przyrządów, stabilnego przepływu i jakości dopływu (nieprzekraczającego ±20% wartości projektowych), wystarczającego ciśnienia roboczego dmuchawy, płynnie regulowanej objętości powietrza i automatycznej pracy przy stałym ciśnieniu w głównej szafie sterowniczej.
4 Wniosek
Zastosowanie precyzyjnego systemu napowietrzania w wielostopniowej- oczyszczalni ścieków AAO ma na celu zapewnienie udoskonalonego rozwiązania operacyjnego dla etapu napowietrzania w procesie oczyszczania ścieków. Precyzyjne rozwiązanie systemu napowietrzania w pełni dopasowuje się do warunków pracy instalacji, zapewniając precyzyjną kontrolę napowietrzania. Na tej podstawie mikrobiologiczne środowisko biochemiczne pozostaje stabilne, pomagając w ten sposób oczyszczalni ścieków w osiągnięciu udoskonalonej,-energooszczędnej i zautomatyzowanej pracy systemu napowietrzania, a w konsekwencji poprawy stabilności jakości ścieków.