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1、北京市昌平区XXX污水处理中心曝气控制系统改造工 程概 述根据北京市地方标准DB/T1118-2014城镇污水处理能源消耗限额相关内容，结合南口污水处理中心实际运营情况，拟定本方案。XXX污水处理中心曝气系统采用氧化沟工艺，通过有6台(其中有2台是双速电机)自耦降压启动的表曝机进行充氧曝气。该工艺流程简单可靠，出水稳定性高，但对DO不能实现实时调节，电耗较高。另外，曝气系统应该适时提供污水处理所需的氧气量，少了会降低分解效果，延长处理时间；多了会发生细菌的过氧化，同样降低活性，不利于处理。我公司针对现场情况，经过充分论证，拟将表曝机改为矢量变频调速驱动，同时将无线系统接入到中控室、集控中心、现
2、场控制等生产环节，从而实现曝气系统的全闭环控制。目前，污水处理中心全厂年耗电量大约150万度，年电费支出168万元左右；其中曝气系统电耗权重接近50%，为75万度。曝气控制系统改造后，表曝机能耗将降低30%，即每年节约电能22.5万度、节省电费支出24.75万元。预计曝气系统改造工程费用为人民币XXXX元，施工工期（包括设备安装、调试、人员培训等）为30个工作日；系统的接入、调试，利用备用设施，分步进行，不影响贵方的安全生产运营。为实现系统长期可靠运行，我们将从严控制产品品质，严格施工纪律，确保建设好该项目。相信，该项目的尽早实施，会极大地提高昌平水务局南口污水处理中心智能化运行管理水平，为节
3、能减排、持续改善和提升流域生态环境做出更大的贡献。一、项目概况XXX污水处理中心隶属XXXX，位于XXXXXX。XXX污水处理中心污水处理能力4万吨/日，对改善南口地区地下水水质，减少污染美化居住环境起到了重要作用。该中心采用改进型氧化沟法工艺：污水通过进水干管（钢筋混凝土管D=1400mm）流入粗格栅，通过粗格栅简单的除渣进入进水泵房，在经过污水泵的提升，污水进入计量井，通过工艺管（钢管）进入细格栅，去除较小的固体渣物，再进入旋流沉砂池，污水通过气提除砂设备去除大部分的砂粒，除砂后的污水进入改良型氧化沟进行处理，首先进入厌氧区进行厌氧反应，再进入缺氧区，最后是好氧区进行好氧反应，氧化沟出水的
4、同时加药进行化学除磷，随后污水进入沉淀池进行净化沉淀，净化沉淀后的出水进入紫外线消毒渠进行消毒，经过消毒后的出水部分回用然后排入关沟河和人工湿地。回用水用于脱水机冲洗，热泵采暖用。目前，南口污水处理中心曝气系统有6台自耦降压启动的表曝机进行叶轮搅拌增氧，采用开环控制方式。正常情况有三台投入运营，汛期时全部投入。从技术角度考虑，表曝机很可能会出现投入2台曝气量不够，投入3台曝气过量的情况，客观上存在较大的电能浪费空间。该曝气系统控制方式在进水量、水质、水温等扰动影响下为保障出水水质的稳定，会存在较大的能源浪费。该污水处理中心在管理上十分严谨、规范，但曝气控制系统相当落后。无论从出水水质稳定度方面
5、考虑，还是从自动化控制及节能方面考虑，原曝气控制系统确实需要升级改造。二、曝气控制系统分析污水处理工艺生物处理过程是个复杂的生化反应过程，曝气系统是十分重要的环节，不同的处理工艺，曝气的方法也有所差异。生物处理过程是通过人为地维持好氧/厌氧环境，使曝气池中的微生物持续特定的生化过程，去除或降低污水中的目标物质，从而达到排放要求。传统方法因缺乏依赖精确模型的控制策略，造成过量曝气或DO控制波动过大，控制效果不佳，易造成去除率的波动。污水处理厂的曝气系统应该进行闭环控制，因为:第一，必须适时提供菌胶团生存和繁殖所需的氧气量。氧气量在生物处理中，少了会降低细菌分解的效果，延长处理时间等；多了会发生细
6、菌的过氧化，同样降低活性，不利于处理。第二，表曝机一年四季长期运行，单机功率为55kw，总共6台，耗电量所占的比重很大，在满足充氧要求的前提下尽量降低电耗，对减少运行成本起到重要作用。 曝气控制的首要问题是如何确定充氧量。对于需处理污水，在其曝气时间内需要多少氧气(或空气)与污水的水质指标有关:生物需氧量、化学需氧量、悬浮物、水量及温度等。对于连续流的曝气池，无论水质、水量、水温等扰动如何变化，只要污水在曝气池出口的溶解氧浓度保持在某一设定值，就能从宏观上恰当地满足需氧量，保持污泥活性，实现污水的连续处理。在充氧量理论计算值的基础上，污水中溶解氧含量的偏差与表曝机充氧量的增量(或减量)成反比，
7、即溶解氧值偏小，充氧量向大调，溶解氧值偏大，充氧量向小调。 曝气控制系统改造后，能够带来以下益处：根据真实需求实现节能曝气，有助于实现污水厂节能运行；为各种复杂工艺提供精确供气方案，适用于多种活性污泥处理工艺及其改良工艺（AO,AAO,SBR等）；实现了污水处理智能控制，有助于污水处理效果的稳定、高效。三、矢量变频、PLC及网络架构曝气控制系统采用矢量变频器、西门子S7系列PLC、上位机组成，通信功能由无线组网实现。控制方法采用PID技术，通过溶解氧反馈，克服水质、水量、水温等扰动影响，自动调整表曝机频率，以实现最佳的曝气效果。 控制系统的接入、调试，利用备用设备，分步实施，不影响污水厂的正常
8、生产运营。另外，每台矢量变频表曝机柜均有手动/自动转换功能，以保证生产的万无一失。3.1矢量变频根据原设备工况，考虑可靠性及配置的灵活性，采用一拖一方案，表曝机柜改为矢量变频柜。变频控制柜内含变频器、切换接触器、指示表、指示灯及按钮开关等。3.1.1变频改造的可行性随着交流变频调速的日益普及，变频器被广泛应用于各行各业。表曝机实现变频控制后，能随时根据污水量、污水处理不同工艺阶段所需的风量来调节转速，最终将曝气池溶解氧的浓度控制在污水处理工艺所需值。现有表曝机共有6台，其中2台为双速电机，双速电机即电机有两种运行速度，属于异步电动机变极调速，是通过改变定子绕组的连接方法达到改变定子旋转磁场磁极
9、对数，从而改变电动机的转速。在变频改造中，只需把双速电机定子绕线固定在最高速接线端子位置即可，此时该双速电机就完全等同于普通异步电机了。鉴于现场电机控制与电机距离较远（100米左右），为了避免线间分布电容和电动机漏磁电感之间可能产生的谐振，配置变频柜时，增加输出交流电抗器，以进一步保护电机。3.1.2变频节能原理通过新一代全控型电子元件，用变频器改变交流电机的转速方式来进行风量的控制，可以大幅度减少以往机械方式调控流量造成的能量损耗。变频调速是一项节电环保的技术，污水厂设备一般全天候运行，经过变频改造后节能效果可观，运行稳定可靠，操作方便，能真正实现节能环保的目的。曝气系统的电机运行负荷状态，
10、类似于水泵运行负载状态，负荷率和转速为非线性关系，成类似平方关系(理论上是3次方关系,因为负载阻力损耗较大,实践中成类似平方关系)，即电机消耗功率PN2，如20%的电机降速，都可获得36%的电机功耗下降。表曝机实现变频控制后，将随时根据污水量、污水处理不同工艺阶段所需的风量来调节转速，不再是原来的一直工频运行了，改造后，平均电机转速可下降20%左右。所以电机能耗也将会下降30%左右。按目前表曝机年耗电量75万度计算，改造后，每年将节省电耗22.5万度，电费24.75万元。3.1.3设备运行中的噪音、振动等问题 设备在启动、运行、停止的过程中，由于无法进行及时有效的调节，会产生机械噪音增加、振动
11、加剧等现象，这些现象都具有极大的破坏性，会损坏阀门和固定件，并会增加进线变压器的负荷状况。采用了变频调节后，可以通过延长升、降速时间来延长起动或停机的过程，即使在运行过程中，也可以通过对工作频率点的选择，跳过容易引起设备共振的工作点，从而使机械系统承受的应力大为减小，轴承的磨损也会减轻，设备的工作寿命将大大延长。 本系统拟采用矢量变频器。3.2 PLC控制曝气系统的控制装置采用西门子S7系列PLC。S7系列PLC具有丰富的操作指令，配有全面和安全的输入输出接口，并和中央控制室的上位计算机实现通信。通过上位机组态软件动态地反映在线数据，如溶解氧值、温度、频率及设备状态等，操作人员可以进行即时的参
12、数修改。工程上为了便于运行管理，曝气系统采用闭环调节的自动控制模式，根据溶解氧的偏差来调整表曝机的频率。这种模式可以在现有条件下实现水量、水质的最优控制，曝气效果最佳，节能效果最显著。在实际控制中，表曝机的充氧量设定值为工艺理论值，这一值经溶解氧反馈信号比较后，根据偏差实时调节。总之，通过对在线运行数据进行分析处理，确定污水厂生物处理过程的一些特征参数和补偿参数，给出最优设定值，实现曝气系统自动化控制。3.3网络架构（无线通讯）因现有的线路已经全部铺设完毕，重新布线难以实现，故采用无线传输的形式将信号传送至中控室，现场控制操作也由无线进行反馈。为保证整个系统的安全、可靠运行，在系统设计阶段必须
13、考虑到所有影响因素。项目实施完成，要按照国家有关标准进行严格的测试。通常计算机组网的传输媒介主要依赖铜缆或光缆，构成有线局域网。但有线网络在某些场合要受到布线的限制：布线、改线工程量大；线路容易损坏；网中的各节点不可移动。无线局域网的网络速度与以太网相当，具有以下的通信特点：l 具有高移动性：通信范围不受环境条件的限制，拓宽了网络的传输范围。在有线局域网中，两个站点的距离在使用铜缆（粗缆）时被限制在500m，即使采用单模光纤也只能达到3000m，而无线局域网中两个站点间的距离可达到20km；l 抗干扰性强、网络的保密性好：对于有线局域网中的诸多安全问题，在无线局域网中基本上可以避免；l 建网容
14、易，管理方便：相对于有线网络，无线局域网的组建、配置和维护较容易，一般计算机工作人员都可以胜任网络的管理工作；l 使用灵活，易于扩展：有多种配置方式，能够根据需要灵活选择；l 可靠性高：信道误比特率低于108，这样保证了通信系统的可靠性和稳定性； l 兼容性好：对于室内应用的无线局域网，与现有的有线局域网兼容，能够做到现有的网络操作系统和网络软件在无线局域网上不加修改地正常运；l 高数据速率：数据速率150Mbps，完全满足该项目的传输数据要求。系统架构图如下所示： 本系统采用无线传输的形式将现场检测信号传送至中控室、控制柜，检测信号与程序设定值进行比较运算后，通过PLC输出给定信号来控制变频
15、驱动装置。实际操作中，参数设定值采用试凑方法进行调整：手动设定给定值，实行开环调节，同时与溶解氧反馈值比较，待误差较小且稳定后，再投入主控闭环系统，这样可减小偏差对系统的冲击，提高系统稳定性。根据原设备工况，考虑可靠性及配置的灵活性，驱动装置采用每台表曝机加装一套具有手动/自动转换功能的矢量变频柜。 S7系列PLC和矢量变频器，通过无线组网构成闭环控制系统，提高了曝气系统动态响应能力，减少了电能损耗。为确保污水厂的正常生产,本系统的接入、调试，将利用备用表曝机和备用设施进行。3.4无线通讯 、PLC补充说明3.4.1随着物联网时代的到来，很多应用都是采用的工业无线的架构方式，此次无线架构采用的是5GHZ频段。同时，为实现更好的应用，采用的是胖AP的无线架构。像现在南水北调的水闸控制也将光纤及无线的通讯方式进行了融入。3.4.2溶解氧的信号已经连接到了中控室，我们只是增加信号分配器将信号取出来即可。无线接入基站及安装附件数量是3，分为现场端，集中室，中控室。现场通过采集模块将所有的信号采集完成后再通过无线的方式传送到中控室。3.4.3PLC本机是带有开关量模板的，所以只加模拟量模块。关于不间断电源，由于南口污水处理厂之前没有加，所以没有考虑。3.4.4现场控制程序是指集控室端的逻辑控制程序，而非中控室的 SCADA控制程序。现场控制程
