CN106597879A - 一种污水处理提升泵优化调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种污水处理提升泵优化调度方法，属于污水处理技术领域。处理单元通过优化调度算法对采集的液位数据进行计算，得出当前时刻需要开启的大功率提升泵和小功率提升泵的数量，并将结果反馈至控制单元，最终由控制单元确定并控制需要开启和关闭的提升泵。本发明按照城市用电变电价收费政策，对污水处理提升泵的运行做优化调度处理，降低污水处理厂的能耗和运维成本。

Description

一种污水处理提升泵优化调度方法

技术领域

本发明涉及污水处理技术领域，具体地，特别涉及一种污水处理提升泵优化调度方法。

背景技术

随着我国经济发展和城镇化的推进，对城市污水处理的需求日益增加。当前我国虽然在城市污水处理厂的建设方面取得了较大进展，但是大部分污水处理厂都存在自动化水平低、轻视过程管理、能耗高、运维成本高等问题。

在实际生产过程中，城市用电收费执行峰谷电价政策，即将一天24小时划分为两个时段，把08:00—22:00共14个小时称为峰段，执行高标准电价，22:01—次日07:59共10个小时称为谷段，执行低标准电价。

污水处理系统中提升泵是第二大能耗设备，峰段，污水处理池水位应尽量保持在高水位，谷段，污水处理池水位应尽量保持在低水位，对提升泵的运行做优化调度处理，对实现污水处理厂的节能降本有重要意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种污水处理提升泵优化调度方法，对提升泵的运行做优化调度，以确定最优的污水提升泵的运行方案，达到稳定、高效、低耗的运行，实现污水处理厂的节能降本。

为实现上述目的，本发明使用以下技术方案：

本发明所述污水处理提升泵优化调度方法，包括以下步骤：

(1)确定污水池允许的最大水位和最小水位，提升泵的期望运行时长以及大功率提升泵的额定排水量和小功率提升泵的额定排水量，输入至处理单元；

(2)采集液位数据，并将液位数据传至控制单元；

(3)由控制单元将液位数据传至处理单元；

(4)处理单元通过以下优化调度算法对液位数据进行计算处理：

4a)计算k时刻污水池的流量

其中，h(k)为k时刻的液位数据，单位为米，Δt(k)为时间间隔，单位为分钟，ΔQ(k)为k时刻的污水流量，单位为米/分钟，为k时刻污水池的流量，单位为米/分钟；

4b)根据实际生产中，城市用电收费政策，分为两个时段考虑：

峰段08:00—22:00，调度方法为：

谷段22:01—07:59，调度方法为：

式中，

t为提升泵的期望运行时长，单位为分钟，

ΔQ_大为大功率提升泵的额定排水量，单位为米/分钟，

ΔQ_小为小功率提升泵的额定排水量，单位为米/分钟，

H_max为允许的污水池最大水位，单位为米，

h为污水池的当前水位，单位为米，

H_min为允许的污水池最低水位，单位为米，

m，n为整数，m表示开启的大功率提升泵数量，n表示开启的小功率提升泵数量，取m，n的最小值，即为k时刻需要开启的大功率提升泵和小功率提升泵的数量；

(5)处理单元将得到的k时刻需要开启的大功率提升泵和小功率提升泵的数量m、n传至控制单元；

(6)控制单元根据当前提升泵的开启情况，确定是否需要切换提升泵，若需要切换提升泵，则确定并控制需要开启和关闭的提升泵，若不需要切换提升泵，则继续采集液位数据，进行下一时刻的优化调度计算。

优选的，步骤4a)还包括下述去噪步骤：

Δq₁＝ΔQ(k)-ΔQ(k-1) (1-7)

Δq₂＝ΔQ(k-1)-ΔQ(k-2) (1-8)

其中，Δq₁为k时刻与k-1时刻的流量变化，单位为米/分钟，Δq₂为k-1时刻与k-2时刻的流量变化，单位为米/分钟，

当Δq₁或者Δq₂大于0.5米/分钟时，放弃该组采样数据。

优选的，在步骤(6)中，控制提升泵开启和关闭的控制方法为手动控制、自动控制或者远程控制中的一种。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

一、按照城市用电的收费政策，对污水处理提升泵的运行做优化调度处理，在峰段，污水处理池水位保持在高水位，谷段，污水处理池水位保持在低水位，降低污水处理厂的能耗和运维成本；

二、通过优化调度算法得出需要开启的大功率提升泵和小功率提升泵的数量，控制提升泵轮换工作，实现所有水泵的均衡磨损。

附图说明

图1是污水处理提升泵运行控制流程图；

图2是控制单元智能管控污水处理提升泵启停的控制流程图。

具体实施方式

结合附图，对本发明做进一步的说明。

图1是污水处理提升泵运行控制流程图，如图1所示，污水处理提升泵优化调度方法，包括以下步骤：

(1)确定污水池允许的最大水位和最小水位，提升泵的期望运行时长以及大功率提升泵的额定排水量和小功率提升泵的额定排水量，输入至处理单元；

(2)采集液位数据，并将液位数据传至控制单元；

(3)由控制单元将液位数据传至处理单元；

(4)处理单元通过以下优化调度算法对液位数据进行计算处理：

4a)计算k时刻污水池的流量

其中，h(k)为k时刻的液位数据，单位为米，Δt(k)为时间间隔，单位为分钟，ΔQ(k)为k时刻的污水流量，单位为米/分钟，为k时刻污水池的流量，单位为米/分钟；

4b)根据实际生产中，城市用电收费政策，分为两个时段考虑：

峰段08:00—22:00，调度方法为：

谷段22:01—07:59，调度方法为：

其中，

t为提升泵的期望运行时长，单位为分钟，

ΔQ_大为大功率提升泵的额定排水量，单位为米/分钟，

ΔQ_小为小功率提升泵的额定排水量，单位为米/分钟，

H_max为允许的污水池最大水位，单位为米，

h为污水池的当前水位，单位为米，

H_min为允许的污水池最低水位，单位为米，

m，n为整数，m表示开启的大功率提升泵数量，n表示开启的小功率提升泵数量，取m，n的最小值，即为k时刻需要开启的大功率提升泵和小功率提升泵的数量；

其中，在步骤4a)中还包括下述去噪步骤：

Δq₁＝ΔQ(k)-ΔQ(k-1) (1-7)

Δq₂＝ΔQ(k-1)-ΔQ(k-2) (1-8)

式中，Δq₁为k时刻与k-1时刻的流量变化，单位为米/分钟，Δq₂为k-1时刻与k-2时刻的流量变化，单位为米/分钟，

当Δq₁或者Δq₂大于0.5米/分钟时，放弃该组采样数据。

(5)处理单元将得到的k时刻需要开启的大功率提升泵和小功率提升泵的数量m、n传至控制单元；

(6)控制单元根据当前提升泵的开启情况，确定是否需要切换提升泵，若需要切换提升泵，则确定并控制需要开启和关闭的提升泵，若不需要切换提升泵，则继续采集液位数据，进行下一时刻的优化调度计算。

其中，控制提升泵开启和关闭的控制方法为手动控制、自动控制或者远程控制中的一种。

此外，处理单元中包括统计模块，用于统计提升泵的运行记录，例如，提升泵的运行时间、休息时间、维修时间以及购买时间等，便于根据提升泵的运行记录控制提升泵轮换工作，降低运维成本。

图2是控制单元智能管控污水处理提升泵启停的控制流程图。如图2所示，首先，确定提升泵的期望运行时长为2小时，以及污水处理厂中实际安装的大功率提升泵和小功率提升泵的数量M、N，输入至处理单元；其次，控制单元接收处理单元的启停指令，得到需要开启的大功率提升泵和小功率提升泵的数量m、n；再由控制单元对m与M的关系，n与N的关系进行判断，并进行相应操作如下：

当m<M时，判断m与实际已经处于运行状态的大功率提升泵数量K的关系，当m<K时，在已经运行的K个大泵中找到最先到达2小时运行时长的停掉，直到m＝K；当m>＝K时，在剩余未运行的大泵中找到最先停机的启动运行，直到m＝K；

当m<M，且n>＝N时，若n-N个小泵的流量大于至少1个大泵的流量，则至少增开1个最早停机的大泵，即当小泵数量不足时，一方面用现有的大泵来代替小泵，另一方面根据降低能耗的原则，在所需小泵的总流量大于大泵流量的情况下增开大泵，大泵无法处理的流量则进入下一循环累积，例如，图2中显示，当n-N个小泵的流量大于1个大泵的流量时，则增开1个最早停机的大泵；

当n<N时，判断n与实际已经处于运行状态的小功率提升泵数量L的关系，当n<L时，在已经运行的L个小泵中找到最先到达2小时运行时长的停掉，直到n＝L；当n>＝L时，在剩余未运行的小泵中找到最先停机的启动运行，直到n＝L；

当n<N，且m>＝M时，若N-n个小泵的流量大于m-M个大泵的流量，则增开N-n个小泵；

当m>＝M，且n>＝N时，表示污水处理厂中所有提升泵已经处于满负荷运行状态；

最后，将控制结果返回至处理单元。

工作时，在污水处理厂布置处理单元，在污水池污水入口处安装液位传感器，用于采集污水池的液位数据，且液位传感器与控制单元的控制器相连接，控制器通过无线网络与处理单元连接，向处理单元反馈控制结果，以便处理单元进行相应操作，完成污水处理提升泵的优化调度及智能管控。

首先，需要在处理单元中录入以下数据：

污水池允许的最大水位为12米，最小水位为1米；期望的提升泵的运行时长为2小时；大功率提升泵的额定排水量ΔQ_大和小功率提升泵的额定排水量ΔQ_小；污水处理厂中实际安装的大功率提升泵和小功率提升泵的数量M、N；污水处理系统中最少处于运行的大功率提升泵和小功率提升泵的数量。

在处理单元中录入上述已知数据之后，污水处理系统开始工作。由液位传感器采集污水池的液位数据且设定每分钟采集一次数据，并将液位数据传至控制单元，由控制单元的控制器将液位数据传至处理单元；处理单元根据以下优化调度算法对液位数据进行计算处理：

计算k时刻污水池的流量

式中，h(k)为k时刻的液位数据，单位为米，Δt(k)为时间间隔，单位为分钟，ΔQ(k)为k时刻的污水流量，单位为米/分钟，为k时刻污水池的流量，单位为米/分钟；

其中，由于污水池入场污水不是恒定的，而是高度非线性实时变化的。例如，在24小时内，污水入场在中午11:00-13:00以及晚上18:00-20:00为高峰期，会出现污水入场量瞬间增大的现象。因此，对流量的计算进行去噪处理，以过滤突变的数据，防止污水处理提升泵的频繁启停。

Δq₁＝ΔQ(k)-ΔQ(k-1) (1-7)

Δq₂＝ΔQ(k-1)-ΔQ(k-2) (1-8)

式中，Δq₁为k时刻与k-1时刻的流量变化，单位为米/分钟，Δq₂为k-1时刻与k-2时刻的流量变化，单位为米/分钟，

当Δq₁或者Δq₂大于0.5米/分钟时，即一分钟内流量变化大于0.5米时，放弃该组采样数据。

根据实际生产中，城市用电的变电价收费政策，分为两个时段考虑：

峰段08:00—22:00，调度方法为：

谷段22:01—07:59，调度方法为：

式中，

ΔQ_大为大功率提升泵的额定排水量，单位为米/分钟，

ΔQ_小为小功率提升泵的额定排水量，单位为米/分钟，

H_max为允许的污水池最大水位，单位为米，

h为污水池的当前水位，单位为米，

H_min为允许的污水池最低水位，单位为米，

m，n为整数，m表示开启的大功率提升泵数量，n表示开启的小功率提升泵数量，取m，n的最小值，即为k时刻需要开启的大功率提升泵和小功率提升泵的数量。

处理单元根据上述优化调度算法得出当前时刻需要开启的大功率提升泵和小功率提升泵的数量m、n，将结果传至控制单元，由控制单元根据当前提升泵的开启情况来判断是否需要切换提升泵，若不需要切换提升泵，则由液位传感器采集下一时刻的液位数据，并由处理单元进行提升泵优化调度算法计算。

若需要切换提升泵，则控制单元接收提升泵启停指令之后，根据以下的控制流程，并结合处理单元中统计模块所统计的提升泵的运行记录，确定并控制需要开启和关闭的提升泵：

判断m与M的关系，n与N的关系，并进行相应操作如下：

当m<M时，判断m与实际已经处于运行状态的大功率提升泵数量K的关系，当m<K时，在已经运行的K个大泵中找到最先到达2小时运行时长的停掉，直到m＝K；当m>＝K时，在剩余未运行的大泵中找到最先停机的启动运行，直到m＝K；

当m<M，且n>＝N时，若n-N个小泵的流量大于1个大泵的流量，则增开一个最早停机的大泵；

当n<N时，判断n与实际已经处于运行状态的小功率提升泵数量L的关系，当n<L时，在已经运行的L个小泵中找到最先到达2小时运行时长的停掉，直到n＝L；当n>＝L时，在剩余未运行的小泵中找到最先停机的启动运行，直到n＝L；

当n<N，且m>＝M时，若N-n个小泵的流量大于m-M个大泵的流量，则增开N-n个小泵；

当m>＝M，且n>＝N时，表示污水处理厂中所有提升泵已经处于满负荷运行状态；

根据提升泵的运行时长和休息时长，控制提升泵的开启或者关闭，使提升泵轮换工作，实现所有提升泵的均衡磨损，降低运维成本；

最后，将控制结果返回至处理单元，由处理单元进行下一时刻的提升泵优化调度计算，形成污水处理厂系统的循环运作。

通过控制单元智能控制提升泵的启停，实现污水处理提升泵的无人值守，降低人工成本；且控制单元根据提升泵的运行时长，智能控制提升泵轮换工作，实现所有提升泵的均衡磨损，降低运维成本。

此外，当控制单元向处理单元传递所有提升泵已经处于满负荷运行状态时，处理单元向相关人员发送预警短信。

在提升泵的运行过程中，出现提升泵过热、连续运行时间过长或者需要开启或关闭的提升泵出现故障而无法正常启动或关闭等问题时，控制单元会自动切换提升泵且将信息传至处理单元，由处理单元及时向工作人员发送预警短信，保障无人值守的情况下，污水处理厂的正常运行，降低人工成本。

Claims (3)

1.一种污水处理提升泵优化调度方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)确定污水池允许的最大水位和最小水位，提升泵的期望运行时长以及大功率提升泵的额定排水量和小功率提升泵的额定排水量，输入至处理单元；

(2)采集液位数据，并将液位数据传至控制单元；

(3)由控制单元将液位数据传至处理单元；

(4)处理单元通过以下优化调度算法对液位数据进行计算处理：

4a)计算k时刻污水池的流量

$\mathrm{\&Delta;}Q\left(k\right)=\frac{h\left(k\right)-h(k-1)}{\mathrm{\&Delta;}t\left(k\right)}---(1-1)$

$\mathrm{\&Delta;}Q(k-1)=\frac{h(k-1)-h(k-2)}{\mathrm{\&Delta;}t(k-1)}---(1-2)$

$\mathrm{\&Delta;}Q(k-2)=\frac{h(k-2)-h(k-3)}{\mathrm{\&Delta;}t(k-2)}---(1-3)$

$\mathrm{\&Delta;}\stackrel{\&OverBar;}{Q}=\frac{1}{3}\&CenterDot;\underset{i=k-2}{\overset{k}{\&Sigma;}}\mathrm{\&Delta;}Q\left(i\right)---(1-4)$

式中，h(k)为k时刻的液位数据，单位为米，Δt(k)为时间间隔，单位为分钟，ΔQ(k)为k时刻的污水流量，单位为米/分钟，为k时刻污水池的流量，单位为米/分钟；

4b)根据实际生产中，城市用电收费政策，分为两个时段考虑：

峰段08:00—22:00，调度方法为：

谷段22:01—07:59，调度方法为：

式中，

t为提升泵的期望运行时长，单位为分钟，

ΔQ_大为大功率提升泵的额定排水量，单位为米/分钟，

ΔQ_小为小功率提升泵的额定排水量，单位为米/分钟，

H_max为允许的污水池最大水位，单位为米，

h为污水池的当前水位，单位为米，

H_min为允许的污水池最低水位，单位为米，

m，n为整数，m表示开启的大功率提升泵数量，n表示开启的小功率提升泵数量，取m，n的最小值，即为k时刻需要开启的大功率提升泵和小功率提升泵的数量；

(5)处理单元将得到的k时刻需要开启的大功率提升泵和小功率提升泵的数量m、n传至控制单元；

(6)控制单元根据当前提升泵的开启情况，确定是否需要切换提升泵，若需要切换提升泵，则确定并控制需要开启和关闭的提升泵，若不需要切换提升泵，则继续采集液位数据，进行下一时刻的优化调度计算。

2.根据权利要求1所述的污水处理提升泵优化调度方法，其特征在于，所述步骤4a)还包括下述去噪步骤：

Δq₁＝ΔQ(k)-ΔQ(k-1) (1-7)

Δq₂＝ΔQ(k-1)-ΔQ(k-2) (1-8)

其中，Δq₁为k时刻与k-1时刻的流量变化，单位为米/分钟，Δq₂为k-1时刻与k-2时刻的流量变化，单位为米/分钟，

当Δq₁或者Δq₂大于0.5米/分钟时，放弃该组采样数据。

3.根据权利要求1所述的污水处理提升泵优化调度方法，其特征在于，在所述步骤(6)中，控制提升泵开启和关闭的控制方法为手动控制、自动控制或者远程控制中的一种。