污水厂鼓风机控制系统设计及应用

董文琦,徐兆莲，高 恒，曹玉波*

(1.吉林化工学院 信息与控制工程学院，吉林 吉林 132022；2.辽宁中集哈深冷气体液化设备有限公司 技术中心,辽宁 开原 150000)

曝气鼓风机是污水处理厂的核心动力设备，主要用于曝气池中的生化反应，为污泥中的好氧微生物提供足够的氧气来维持活性，同时进行混合搅拌，防止污泥沉积，使污水与好氧微生物充分接触，从而达到高效除污的作用[1-2].防喘振是鼓风机控制系统最重要的工作任务之一，鼓风机一旦出现喘振现象，不仅自身会受到损害，与之相连的管网设备等也会受到影响，进而影响污水处理曝气环节的正常运作[3-4].本文通过SIEMENS S7-300PLC和WinCC组态软件设计了曝气鼓风机的防喘振自动控制系统，保证鼓风机的稳定运行.

1 鼓风机防喘振原理及系统工艺流程

1.1 鼓风机防喘振原理

鼓风机的特性曲线大体呈驼峰状，如图1所示，图中横坐标为风机流量，纵坐标为风机出口压力[5].鼓风机在工作时，一般情况下入口导叶角度保持不变，由于SBR反应池循环曝气的影响，会导致管网系统阻力增加，从而使鼓风机出口压力陡增，流量下降.入口导叶片气流冲角加大，在叶片背面产生气体分离，形成脱离区，导致鼓风机出口排气压力突然下降.当管网中的压力大于鼓风机出口压力时，管网中的气体会倒流回鼓风机内直到管网压力小于鼓风机出口压力，脱离区一般会随着压力下降而分离消失，鼓风机继续向管网供气，当压力再上升时又产生气体分离，气体又重新倒流，气体在鼓风机内部出现分离反复从而产生喘振现象[6-7].由于管网阻力与SBR反应池结构及工作流程有关，难以控制，只有从流量、压力入手，在即将发生喘振时，加大鼓风机入口流量，减小出口压力，进而来避免喘振的发生.

图1 喘振原理图

1.2 鼓风机系统工艺流程

鼓风机系统的工艺流程如图2所示.空气在经过滤风室以后由入口进入鼓风机，增速器对流入的空气进行做功提速，形成具有一定风压的气流，经过入口导叶的调节后从鼓风机出口通道排出，排风通道形成4路，分别通向主、副防喘振阀，放风阀和管网系统.在鼓风机的入口设有气体压力、流量以及温度的检测装置；鼓风机的出口设有气体压力检测点.当鼓风机启动时，主防喘振阀PV-101、副防喘振阀PV-102、放风阀XV-101完全打开，送风阀XV-102以及入口导叶完全关闭.正常工作的情况下，主、副防喘振阀和放风阀都处于关闭状态，鼓风机产生的气流通过送风阀进入SBR反应池管网；如果鼓风机进入喘振状态，系统会根据设计好的控制逻辑打开防喘振阀等装置进行调节，最终使鼓风机恢复到正常工况.

图2 鼓风机控制系统工艺流程图

2 鼓风机系统控制策略与设计

2.1 鼓风机防喘振控制策略

针对污水处理厂对鼓风机安全运行的需求，系统采用变极限流量法来实现鼓风机的防喘振控制，利用PID算法来控制防喘振阀，入口导叶动作，对喘振消除与连锁逻辑进行有效控制.图3为防喘振原理图.

风机流量Q

横坐标为鼓风机流量Q，纵坐标为鼓风机出口压力P，在转速n下，C点为喘振点，喘振线右侧为稳定区，左侧为喘振区.

(1)防喘振阀自动控制

系统的防喘振阀采用分区间控制，设置了主、副2个气动防喘振阀，阀门具有气关特性，当压力变送器检测到鼓风机的出口压力超过防喘振线后，PLC会发出开阀信号，副防喘振阀PV-102先打开.当副防喘振阀的开度达到一定程度时，若出口压力没有恢复到正常工况，此时主防喘振阀PV-101打开.程序控制流程如图4所示.

图4 程序流程图

防喘振阀使用了快开慢关的控制策略，当鼓风机的工作点越限时，防喘振阀要快速动作确保鼓风机在短时间内恢复到正常工况，当鼓风机出口压力恢复正常时，防喘振阀要平缓慢速动作来避免压力出现大波动.

(2)入口导叶开度控制

入口导叶开度的改变可以控制鼓风机向管网中的供风量，保证管网中有足够的风压，同时可以对系统的防喘振起到辅助作用.入口导叶开度与鼓风机入口流量连锁，鼓风机入口流量低于喘振流量时则通过PLC输出开大信号，加大入口导叶开度.控制系统流程如图5所示.

图5 鼓风机防喘振控制系统流程图

鼓风机防喘振控制系统主要包括控制、通信及监控操作3个部分的设计.控制部分采用比较安全稳定的SIEMENS S7-300PLC，通讯部分采用PROFINET总线通信协议，监控操作部分由SIEMENS公司开发的WinCC组态软件进行搭建设计[8-10].

2.2 防喘振控制

系统启动时，鼓风机出口压力、入口流量较小，不足以克服管网阻力，极易发生喘振现象.因此主防喘振阀PV-101、副防喘振阀PV-102全部打开，两阀同时开到位后，鼓风机开始运行，当鼓风机到达一定的转速后，缓慢减小主、副防喘振阀的开度直至完全关闭，系统开始正常运转，由鼓风机出口压力进行连锁，对防喘振阀进行实时调节.根据鼓风机的固有机械特性，需要为喘振调节留出一定的安全裕量，通过在线传感器检测鼓风机进出口流量、压力、温度，喉部压差等参数，从而计算出当前状态下的极限参数，进而计算出防喘振参数.鼓风机运行时受到转速、温度等因素的干扰较多，因此以上都是动态参数，防喘振线一般为喘振线的91%.将鼓风机入口流量经过折线计算后得到的出口压力作为控制器的设定值，设定值也是动态参数，当压力传感器PIC-103检测到实际出口压力高于防喘振线时，压力变送器将4～20 mA电信号通过模拟量输入模块给到PLC控制器中与压力设定值计算得出偏差，依据PID算法公式计算出阀门开度，再经模拟量输出模块转化为电信号对副防喘振阀PV-102进行控制.当副防喘振阀的开度达到70%时，若鼓风机还没有脱离喘振区，控制器会根据计算对主防喘振阀PV-101输出阀门开度，使其快速打开.PID控制程序如图6所示.

图6 PID控制程序

2.3 入口导叶开度控制逻辑

当鼓风机启动时，入口导叶全部关闭来减小鼓风机的起车阻力，当入口流量达到安全流量值时，入口导叶开启到一个合适的角度来向管网供风.当流量计FIC-101检测到入口流量高于喘振流量时，变送器将4～20 mA电信号通过模拟量输入模块给到PLC控制器中与流量设定值计算得出偏差，依据PID算法公式计算出入口导叶开度，再经模拟量输出模块转化为电信号对入口导叶开度进行控制.根据控制逻辑选择STL语言进行编程，程序如图7所示.

图7 入口导叶开度控制程序

2.4 鼓风机报警设计

为了鼓风机的安全平稳运行，使操作人员及时了解鼓风机的运行情况，系统加入了报警程序的设计，主要分为鼓风机起车报警、运行报警两部分.鼓风机只有在相关的机械条件全部满足后才能进行正常工作，包括入口导叶、主防喘振阀PV-101、副防喘振阀PV-102、放风阀XV-101等位置条件，只要有一个未达到起车条件，系统将发出报警提示；整个控制系统具有多个模拟量变送器，对鼓风机出口压力、入口流量等进行监控.一般情况下，报警控制线为喘振线的89%，当出口压力、入口流量超过报警线时，系统会发出报警信号；当两者超过喘振线时，系统将发出停车信号来保证鼓风机组的安全.控制程序如图8所示.

图8 报警控制程序

3 UI人机交互界面设计

鼓风机防喘振控制系统有现场手动模式、远程手动模式和远程自动模式3种工作方式.现场手动模式下工作人员可以在现场对设备仪表进行操控；切换为远程手动模式后，工作人员可以在监控室通过人机交互界面对现场设备进行远程手动操控；切换为远程自动模式后，系统按照设计程序自动运行，工作人员只需要对整个系统进行监控即可.

人机交互界面的设计通过WinCC组态软件来完成，利用自带的工具箱进行静态图形、按钮等的绘制，然后进行动画连接.人机交互界面如图9所示.

图9 人机交互界面

4 结 论

基于某污水处理厂曝气鼓风机运行中存在的喘振问题，采用SIEMENS S7-300PLC与WinCC组态软件设计了鼓风机防喘振自动控制系统，大幅度提高了曝气鼓风机运行的稳定性，减少了喘振现象的发生概率，确保了整个机组的运行安全，为SBR反应池中的生化反应提供充足稳定的溶氧量，保证污水处理环节的高效运作.WinCC组态软件加持下的UI人机交互界面简洁明了，操作方便，大大降低了操作人员的工作难度，系统整体运行取得了良好效果.