CN108678986B

CN108678986B - 污水处理厂鼓风机自动调节及编组运行的控制方法及装置

Info

Publication number: CN108678986B
Application number: CN201810480354.9A
Authority: CN
Inventors: 邱勇; 田宇心; 黄霞
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2018-05-18
Filing date: 2018-05-18
Publication date: 2019-08-09
Anticipated expiration: 2038-05-18
Also published as: CN108678986A

Abstract

本发明公开了一种污水处理厂鼓风机自动调节及编组运行的控制方法及装置，其中，方法包括：根据曝气系统需气量调节值自动控制单台鼓风机风量调节；根据活性污泥耗氧速率OUR与曝气系统需气量调节值自动判定是否需要启停风机；根据风量预判模块输出的启停结果实现鼓风机的自动编组控制；对鼓风机启动、停止进行智能保护，保证鼓风机安全运行。该方法通过活性污泥耗氧速率OUR与曝气系统需气量综合判定鼓风机的启停，可以实现不可调节鼓风机、不连续风量调节鼓风机的风量自动控制，弥补现有风量连续调节的不足，实现鼓风机风量调节的阶跃控制，保护鼓风机安全运行，从而有效提高鼓风机控制的可靠性和适用性。

Description

污水处理厂鼓风机自动调节及编组运行的控制方法及装置

技术领域

本发明涉及城市污水处理技术领域，特别涉及一种污水处理厂鼓风机自动调节及编组运行的控制方法及装置。

背景技术

随着污水处理厂出水水质要求与自控水平的不断提高，越来越多的污水处理厂开始关注并使用曝气控制系统，通过自动控制实现溶解氧的稳定控制及出水水质的稳定达标。

目前主流应用的曝气控制系统主要有“溶解氧—风量”反馈控制，“溶解氧—氨氮”反馈控制，“前馈—反馈”控制等，核心手段都是以生物池好氧区溶解氧为目标值，动态调整曝气支管风量，使每个廊道或每个系列供风量约等于需气量，再根据曝气系统总供风量需求，控制鼓风机的风量，从而实现溶解氧的稳定控制。

在相关技术的曝气控制技术中，大多涉及曝气管路系统配气及调节，将总风量或总压力调节值发送给鼓风机控制柜(MCP)，鼓风机的自动调节及启停编组全部由厂家提供的控制柜(MCP)实现。而利用MCP柜实现风机编组控制技术有以下不足：1)目前MCP只能处理同样规格的风机，无法协调不同规格风机，更不要说不同类型风机，而生产过程中经常需要调节不同规格、甚至不同类型的风机，或者可调、不可调风机混合搭配；2)目前MCP基于同等规格风机的假设，其算法只能处理和输出连续变化的风量，对于风机匹配存在断点的编组无法进行控制，会在断点区域出现来回震荡和反复调节。3)目前MCP只处理风量信号，不考虑生化单元进水负荷，调节动作不包含生物反应过程动力学，由于污水处理曝气与生化反应过程动态耦合，如不考虑生物池负荷变化而仅根据需风量调节风机，容易因为耦合环路过多造成调节不到位或者错误调节。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种污水处理厂鼓风机自动调节及编组运行的控制方法，该方法可以有效提高鼓风机控制的可靠性和适用性。

本发明的另一个目的在于提出一种污水处理厂鼓风机自动调节及编组运行的控制装置。

为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种污水处理厂鼓风机自动调节及编组运行的控制方法，包括以下步骤：根据曝气系统需气量调节值自动控制单台鼓风机风量调节；根据活性污泥耗氧速率OUR(手动或自动监测)与曝气系统需气量调节值自动判定需风量，确定是否需要启停风机；根据预判风量输出的启停结果实现鼓风机的自动编组控制；对鼓风机的启动、停止进行智能保护，保证鼓风机安全运行。从而实现不可调节鼓风机、不连续风量调节鼓风机的风量自动控制，弥补现有风量连续调节的不足，实现鼓风机风量调节的阶跃控制。

本发明实施例的污水处理厂鼓风机自动调节及编组运行的控制方法，通过活性污泥耗氧速率OUR与曝气系统需气量综合判定鼓风机的启停，可以实现不可调节鼓风机、不连续风量调节鼓风机的风量自动控制，弥补现有风量连续调节的不足，实现鼓风机风量调节的阶跃控制，保护鼓风机安全运行，从而有效提高鼓风机控制的可靠性和适用性。

另外，根据本发明上述实施例的污水处理厂鼓风机自动调节及编组运行的控制方法还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述鼓风机的目标控制量：

ΔDV(t)＝K₁ΔQ(t)+K₂ΔQ(t-1)，

其中，ΔDV(t)为鼓风机的开度或频率调节量，ΔQ为当前需气量调节值，ΔQ(t-1)为上一个控制周期(t-1)时刻需气量的调节值，单位m³/min，K₁，K₂为系数。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述根据曝气系统需气量调节值自动控制单台鼓风机风量调节，进一步包括：根据所述需气量调节值和风量调节死区调节鼓风机开度，其中，在所述需气量调节值大于所述调节死区时，如果鼓风机当前开度小于鼓风机最大开度，则调大鼓风机开度，如果所述鼓风机当前开度等于所述鼓风机最大开度，则不进行鼓风机开度调节，并在所述需气量调节值小于负调节死区时，如果所述鼓风机当前开度大于鼓风机最小开度，则调小所述鼓风机开度，如果所述鼓风机当前开度等于所述鼓风机最小开度，则不进行鼓风机开度调节。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述根据活性污泥耗氧速率OUR与曝气系统需气量调节值自动判定需风量，确定是否需要启停风机，进一步包括：根据所述活性污泥耗氧速率OUR测量结果的情况可以预测需要的气量，采用增量式计算方法，可以去除系统误差，提高控制可靠性。即，其中，需气量的变化值ΔQ_OUR为：

ΔQ_OUR≈K₄ΔOUR，

式中：K₄为系数，单位为m³/(mg/L)，ΔQ_OUR为OUR变化后的需气量，单位为m³/min，

ΔOUR＝OUR(T)-OUR(T-1)，

式中：OUR(T)和OUR(T-1)分别为T时刻和(T-1)时刻自动或手动测量的活性污泥的呼吸速率，仪器自动测量时，T的时间间隔为0.5h，人工手动检测时，T的时间间隔为1h；当需气量增加或减小到ΔQset时，启动或停止风机：

ΔOUR*K₄>a*ΔQ_set

式中：ΔQ_set为不连续风量的断点最大风量或风量设定参数，单位为m³/min，a为系数，A为预判定参数，单位为mg/(L·min)，当ΔOUR>A时，系统准备多启动一台或多停止一台鼓风机；风量预判定具体步骤为：

当ΔQ>Q_DB、ΔOUR>A时，多启动一台鼓风机，并进入智能编组；当ΔOUR≤A时，程序跳出当前进程，返回到初始进程；

当ΔQ<Q_DB、ΔOUR>A时，多停止一台鼓风机，并进入智能编组；当ΔOUR≤A时，程序跳出当前进程，返回到初始进程。

进一步地，在本发明的一个实施例中，其中，曝气过程中，通过测试风量突然变化后溶解氧从变化到趋于稳定的时间，确定鼓风机的作用时间，通过突然增加鼓风机风量，记录溶解氧变化趋势，对溶解氧数据进行一阶动力学模型拟合，求出时间常数T_DO：

其中，dDO/dt为溶解氧增加趋势的一阶导数，DO为当前活性污泥耗氧量，K为常数，t为时间常数；以为自变量，为因变量，获得稳健的线性拟合结果，斜率除以截距得到T_DO：

根据风量-溶解氧的控制周期，取鼓风机作用时间T₁＝(1～1.5)T_DO，并在预设时间校准参数T_DO。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述对鼓风机的启动、停止进行智能保护，保证鼓风机安全运行进一步包括：在所述目标运行鼓风机启停要求持续时间B大于鼓风机连续启停保护时间T₂时，则根据所述鼓风机启停要求运行所述目标运行鼓风机；在所述目标运行鼓风机启停保护持续时间B小于鼓风机连续启停保护时间T₂时，则不响应所述鼓风机启停要求；其中，鼓风机启停保护持续时间B＝max{T₁，T₂}，T₁为鼓风机作用时间；T₂为鼓风机连续启停保护时间。

为达到上述目的，本发明另一方面实施例提出了一种污水处理厂鼓风机自动调节及编组运行的控制装置，包括：鼓风机调节模块，用于根据曝气系统需气量调节值自动控制单台鼓风机风量调节；风量预判模块，用于根据活性污泥耗氧速率OUR与曝气系统需气量调节值自动判定需风量，确定是否需要启停风机；智能编组模块，用于根据预判风量输出的启停结果实现鼓风机的自动编组控制；鼓风机启停保护模块，用于对鼓风机的启动、停止进行智能保护，保证鼓风机安全运行。

本发明实施例的污水处理厂鼓风机自动调节及编组运行的控制装置，通过活性污泥耗氧速率OUR与曝气系统需气量综合判定鼓风机的启停，可以实现不可调节鼓风机、不连续风量调节鼓风机的风量自动控制，弥补现有风量连续调节的不足，实现鼓风机风量调节的阶跃控制，保护鼓风机安全运行，从而有效提高鼓风机控制的可靠性和适用性。

另外，根据本发明上述实施例的污水处理厂鼓风机自动调节及编组运行的控制装置还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述鼓风机调节模块中目标控制量：

ΔDV(t)＝K₁ΔQ(t)+K₂ΔQ(t-1)，

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述目标控制量获取模块进一步用于根据所述需气量调节值和风量调节死区调节鼓风机开度，其中，在所述需气量调节值大于所述调节死区时，如果鼓风机当前开度小于鼓风机最大开度，则调大鼓风机开度，如果所述鼓风机当前开度等于所述鼓风机最大开度，则不进行鼓风机开度调节，并在所述需气量调节值小于负调节死区时，如果所述鼓风机当前开度大于鼓风机最小开度，则调小所述鼓风机开度，如果所述鼓风机当前开度等于所述鼓风机最小开度，则不进行鼓风机开度调节。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述当前需气量获取模块进一步用于通过校准时间常数T_DO得到鼓风机作用时间，其中，

其中，DO为当前活性污泥耗氧量，K为常数，t为时间常数，dDO/dt为溶解氧增加趋势的一阶导数。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述控制调节模块进一步用于在所述目标运行鼓风机启停保护持续时间B大于鼓风机连续启停保护时间T₂时，则根据所述鼓风机启停要求运行所述目标运行鼓风机，并在所述目标运行鼓风机启停保护持续时间B小于鼓风机连续启停保护时间T₂时，则不响应所述鼓风机启停要求。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明一个实施例的污水处理厂鼓风机自动调节及编组运行的控制方法的流程图；

图2为根据本发明一个实施例的鼓风机自动调节及编组运行控制方法流程示意图；

图3为根据本发明一个实施例的鼓风机自动调节及编组运行控制系统的结构示意图；

图4为根据本发明一个实施例的3台部分可调节鼓风机总风量示意图；

图5为根据本发明一个实施例的3台可调鼓风机总风量示意图；

图6为根据本发明一个实施例的鼓风机作用时间T_DO的线性回归图；

图7为根据本发明一个实施例的污水处理厂鼓风机自动调节及编组运行的控制装置的结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参照附图描述根据本发明实施例提出的污水处理厂鼓风机自动调节及编组运行的控制方法及装置，首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的污水处理厂鼓风机自动调节及编组运行的控制方法。

图1是本发明一个实施例的污水处理厂鼓风机自动调节及编组运行的控制方法的流程图。

如图1所示，该污水处理厂鼓风机自动调节及编组运行的控制方法包括以下步骤：

在步骤S101中，根据曝气系统需气量调节值自动控制单台鼓风机风量调节。

可以理解的是，本发明实施例在进入鼓风机调节模块后，根据需气量调节值ΔQ得到鼓风机开度或频率调节量。需要说明的是，可以通过手动或自动监测的方式得到曝气系统需气量调节值。

在本发明的一个实施例中，鼓风机的目标控制量：

ΔDV(t)＝K₁ΔQ(t)+K₂ΔQ(t-1)，

可以理解的是，本发明实施例的鼓风机控制系统采用PI算法计算鼓风机的开度或频率调节量ΔDV(t)：

ΔDV(t)＝K₁ΔQ(t)+K₂ΔQ(t-1)，

其中，ΔDV(t)为鼓风机的开度或频率调节量，ΔQ为当前需气量调节值，ΔQ(t-1)为上一个控制周期(t-1)时刻需气量的调节值，单位m³/min，K₁，K₂为系数，由实验确定。

进一步地，在本发明的一个实施例中，根据需气量调节值得到鼓风机的目标控制量，其中，目标控制量为开度或频率调节量，进一步包括：根据需气量调节值和风量调节死区调节鼓风机开度，其中，在需气量调节值大于调节死区时，如果鼓风机当前开度小于鼓风机最大开度，则调大鼓风机开度，如果鼓风机当前开度等于鼓风机最大开度，则不进行鼓风机开度调节，并在需气量调节值小于负调节死区时，如果鼓风机当前开度大于鼓风机最小开度，则调小鼓风机开度，如果鼓风机当前开度等于鼓风机最小开度，则不进行鼓风机开度调节。

具体而言，如图2所示，(1)当ΔQ>Q_DB时，读取当前鼓风机开度信息，并判定是否有调节区间：

A、当鼓风机当前开度DV(t)小于最大开度DV_MAX时，调大鼓风机开度，并测定风量是否增加，如果风量增加，程序跳出当前进程，返回到初始进程；如果风量不增加，进入风量预判模块。

B、当鼓风机当前开度DV(t)等于最大开度DV_MAX时，系统跳过开度调节环节，直接进入风量预判模块。

(2)当ΔQ<-Q_DB时，读取当前鼓风机开度信息，并判定是否有调节区间：

A、当鼓风机当前开度DV(t)大于最小开度DV_MIN时，调小鼓风机开度，并测定风量是否减小，如果风量减小，程序跳出当前进程，返回到初始进程；如果风量不减小，进入风量预判模块。

B、当鼓风机当前开度DV(t)等于最小开度DV_MIN时，系统跳过开度调节环节，直接进入风量预判模块。

在步骤S102中，根据活性污泥耗氧速率OUR与曝气系统需气量调节值自动判定需风量，确定是否需要启停风机。

在本发明的一个实施例中，根据活性污泥耗氧速率OUR与曝气系统需气量调节值自动判定需风量，确定是否需要启停风机，进一步包括：

根据活性污泥耗氧速率OUR测量结果的情况可以预测需要的气量，采用增量式计算方法，可以去除系统误差，提高控制可靠性。即，其中，需气量的变化值ΔQ_OUR为：

ΔQ_OUR≈K₄ΔOUR，

ΔOUR＝OUR(T)-OUR(T-1)，

ΔOUR*K₄>a*ΔQ_set

式中：ΔQ_set为不连续风量的断点最大风量或风量设定参数，单位为m³/min，a为系数，A为预判定参数，单位为mg/(L·min)，当ΔOUR>A时，系统准备多启动一台或多停止一台鼓风机；风量预判定具体步骤为：当ΔQ>Q_DB、ΔOUR>A时，多启动一台鼓风机，并进入智能编组；当ΔOUR≤A时，程序跳出当前进程，返回到初始进程；当ΔQ<Q_DB、ΔOUR>A时，多停止一台鼓风机，并进入智能编组；当ΔOUR≤A时，程序跳出当前进程，返回到初始进程。

可以理解的是，根据OUR的情况可以预测需要的气量。采用增量式计算方法，可以去除系统误差，提高控制可靠性。即需气量的变化值ΔQ_OUR为：

ΔQ_OUR≈K₄ΔOUR，

式中：ΔQ_OUR为OUR变化后的需气量，单位为m³/min，K₄为系数，单位为m³/(mg/L)。

如图2所示，进入风量预判模块后，系统计算当前时刻活性污泥呼吸速率OUR的变化量ΔOUR，即单位体积的好氧微生物在单位时间内消耗溶解氧的变化量，有：

ΔOUR＝OUR(T)-OUR(T-1)，

式中：ΔOUR为呼吸速率OUR的变化量，单位为mg/(L·min)，OUR(T)和OUR(T-1)分别为T时刻和(T-1)时刻自动或手动测量的活性污泥的呼吸速率，仪器自动测量时，T的时间间隔为0.5h，人工手动检测时，T的时间间隔为1h。

当因OUR变化造成的需气量增加或减小到到ΔQset时，启动或停止风机。有如下公式：

ΔOUR*K₄>a*ΔQ_set

即：

式中：ΔQ_set为不连续风量的断点最大风量或风量设定参数，单位为m³/min，a为系数，A为预判定参数，单位为mg/(L·min)，即当ΔOUR>A时，系统准备多启动一台或多停止一台鼓风机。

风量预判定模块具体步骤如下：

①当ΔQ>Q_DB、ΔOUR>A时，系统准备多启动一台鼓风机，并进入智能编组模块；当ΔOUR≤A时，程序跳出当前进程，返回到初始进程；

②当ΔQ<Q_DB、ΔOUR>A时，系统准备多停止一台鼓风机，并进入智能编组模块；当ΔOUR≤A时，程序跳出当前进程，返回到初始进程；

进一步地，在本发明的一个实施例中，根据当前活性污泥耗氧速率得到曝气池的当前需气量，进一步包括：通过校准时间常数T_DO得到鼓风机作用时间，其中，

具体而言，在正常运行的污水处理厂中，活性污泥耗氧速率(OUR)是一个比较稳定、缓慢变化的参数，可以用来表征当前曝气池的需气情况。当进水负荷出现变化时，会对OUR产生一定的影响，因此用OUR的变化量来预判未来一段时间内曝气池的需气量变化情况。OUR可以采用常规的密闭法测定，将强烈曝气的活性污泥充满三角瓶，瓶口放置溶解氧探头，并密闭三角瓶，三角瓶内采用磁力搅拌器混合。按时间t记录溶解氧探头的读数DO，DO随时间下降的斜率的绝对值即为OUR。

由IWA的活性污泥ASM模型，可以得到以下公式：

OUR＝OUR_H+OUR_A＝(OUR_ex,H+OUR_en,H)+(OUR_ex,A+OUR_en,A)，

OUR_en,H＝b_HX_H，

OUR_en,A＝b_AX_A，

式中：OUR_ex、OUR_en分别为活性污泥外源、内源呼吸速率，单位mgO/L·hr，OUR_ex,H、OUR_ex,A分别为活性污泥中异养菌、自养菌的呼吸速率，单位mgO/L·hr，μ_m,H、μ_m,A分别为异养菌、自养菌的最大比增长速率，单位hr^-1，X_H、X_A分别为活性污泥中异养菌、自养菌的浓度，单位mgCOD/L，Y_H、Y_A分别为异养菌、自养菌产率系数，单位mgCOD/mgCOD，b_H、b_A分别为异养菌、自养菌衰减系数，单位min^-1，S_S为可溶性易降解有机物，单位mgCOD/L，S_nh为氨氮浓度，单位mgN/L，S_O为溶解氧浓度，单位mgO/L，K_O为溶解氧的半饱和常数，单位mgO/L，K_S为有机底物半饱和常数，单位mgCOD/L，K_nh为氨氮的半饱和常数，单位mgN/L。

在污水处理的曝气反应控制过程中，与空气流量的变化幅度相比，污泥浓度X_H和X_A，最大比增长速率μ_m,H和μ_m,A、以及半饱和常数K_O、K_S和K_nh等参数的时间变化幅度很小，可以视为常量。在采用溶解氧控制后，溶解氧稳定在需要的水平，S_O也可以视为常数。因此可以对OUR进行简化：

式中a₁、a₂为系数，单位与OUR系相同；A和B为系数向量，表示污染物浓度的向量。

由于衰减系数和污泥浓度在日内近似不变，因此系数B近似为常量，故OUR随时间的变化反映了进水浓度向量的变化情况。当进水浓度向量值[S_S；S_nh]明显变化时，才会引起OUR的明显变化，即ΔOUR≥E，E为确定变化幅度的待定常数。

当供氧平衡时，氧传递速率与耗氧速率相等，即OTR＝OUR*V，

氧传递速率计算公式如下：

OTR＝K_La(C_S-S_O)V，

式中K_La为氧传质系数，单位hr^-1；V为曝气池体积，单位为m³；C_S为饱和溶解氧浓度，单位mgO/L，可近似为常数。

当溶解氧稳定控制时，溶解氧浓度S_O可视为常数，因此OTR与K_La成正比，同时也有OUR与K_La成正比。

K_La(C_S-S_O)＝OUR，

考虑到K_La＝f(Q)＝kQ^M，可假定m＝1，即K_La与供风量成正比；由于饱和溶解氧日内变化幅度很小，故可近似不变，因此有

也就是说，风量Q与OUR近似呈正比，系数为K₃，单位m³/(mg/L)。

具体而言，曝气过程中，风量的变化与溶解氧的变化是两个不同过程，因此需要判定风量变化的效果是否已经表现为溶解氧的变化，以便保证鼓风机调节的正确性。通过测试风量突然变化后溶解氧从变化到趋于稳定的时间，确定鼓风机的作用时间。即在调试阶段，通过突然增加鼓风机风量，记录溶解氧变化趋势，对溶解氧数据进行一阶动力学模型拟合，可求出时间常数T_DO。一阶动力学模型如下，dDO/dt为溶解氧增加趋势的一阶导数，K为常数。

将上面的模型变形为以下形式，以为自变量，为因变量，可以获得稳健的线性拟合结果。该公式能够有效描述初始阶段的动态变化，减少测试后期溶解氧波动的影响。把斜率除以截距就得到了T_DO。

考虑到“风量-溶解氧”的控制周期，取鼓风机作用时间T₁＝(1～1.5)T_DO。由于T_DO与活性污泥浓度、污泥活性、水温等运行参数有关，需要定期校准参数T_DO。

在步骤S103中，根据预判风量输出的启停结果实现鼓风机的自动编组控制。

可以理解的是，本发明实施例根据目标控制量、需气量、鼓风机的优先级与每个鼓风机的调节范围、风量范围和运行参数确定目标运行鼓风机，并控制目标运行鼓风机工作，以调整鼓风机的供风量满足生化系统的需气量。

具体而言，如图3所示，结合本发明实施例的方法提供一种污水处理厂鼓风机自动调节及编组运行的实时控制装置，其包括曝气池1、具有调节性能的鼓风机2、安装在曝气主管上的气体流量计3及压力变送器4，安装在曝气支管上的电动调节阀门5及安装在曝气池进水端的在线呼吸速率测试仪6或每小时手动测定呼吸速率OUR(OUR＝ΔDO/Δt)。

本发明实施例的鼓风机自动控制系统8通过PLC7(Programmable LogicController，可编程逻辑控制器)采集鼓风机2、气体流量计3、压力变送器4，电动调节阀门5、在线呼吸速率测试仪6的数据，并根据曝气控制系统发出的需气量调节值ΔQ，自动调节鼓风机2的频率(或开度)及启停，实现鼓风机提供的风量满足生化系统的需气量。可编程逻辑控制器(PLC)7经网络可以与上位控制机9连接，实现人机交互或远程监控。

具体而言，如图2和图4所示，将鼓风机与电动调节阀门调至远程状态，确保能进行远程控制，在鼓风机控制系统中输入鼓风机的优先级设定，例如有三台同型号的鼓风机A、B、C，优先级分别设定为1、2、0，即当只需1开启一台鼓风机时，开启C鼓风机，当开启第二台时，会开启优先级高的A鼓风机，同样，在停止鼓风机时，首先关闭优先级高的C鼓风机。之后在鼓风机控制系统8中输入每台鼓风机的调节范围及其他相关参数后，将鼓风机控制系统8设定为自动模式，系统会自动读取鼓风机优先级、风量、压力等参数。同时接受曝气控制系统发送过来的需气量调节值ΔQ，当时，维持当前状态；当时，进入调节保护模块，Q_DB为风量调节死区，单位m³/min。

如图2所示，本发明实施例进入智能编组模块后，鼓风机控制系统根据预先输入的鼓风机优先级、单台鼓风机调节范围、风量范围、鼓风机其他参数等确定需要启动或停止的鼓风机编号，并判定鼓风机是否满足启动或停止条件。如果满足，鼓风机控制系统进入启停保护模块，如果不满足，鼓风机控制系统返回智能编组模块，继续寻找下一台满足要求的鼓风机，如果所有鼓风机都不满足要求，系统停止并输出报警。

在步骤S104中，对鼓风机的启动、停止进行智能保护，保证鼓风机安全运行。

可以理解的是，本发明实施例实现不可调节鼓风机、不连续风量调节鼓风机的风量自动控制，弥补现有风量连续调节的不足，实现鼓风机风量调节的阶跃控制。

进一步地，在本发明的一个实施例中，对鼓风机的启动、停止进行智能保护，保证鼓风机安全运行，进一步包括：在目标运行鼓风机启停保护持续时间B大于鼓风机连续启停保护时间T₂时，则根据鼓风机启停要求运行目标运行鼓风机；在目标运行鼓风机启停保护持续时间B小于鼓风机连续启停保护时间T₂时，则不响应鼓风机启停要求；其中，鼓风机启停保护持续时间B＝max{T₁，T₂}，T₁为鼓风机作用时间；T₂为鼓风机连续启停保护时间

可以理解的是，如图2所示，本发明实施例进入启停保护模块后，系统自动开始计时，如果满足启动或停止鼓风机的要求持续时间T大于B时，系统多启动或停止满足要求的鼓风机。如果持续时间T小于B，程序跳出当前进程，返回到初始进程。

鼓风机启停保护持续时间需满足两个条件，即保证风机启停动作的效果已经显现(鼓风机作用时间T₁)、设备连续启停需要的时间T₂，取鼓风机启停保护持续时间B＝max{T₁，T₂}，其中：

T₁：鼓风机作用时间；

T₂：鼓风机连续启停保护时间，根据设备性能或厂家要求确定。

①当ΔQ>Q_DB、T>B时，系统启动满足要求的鼓风机，并返回到初始进程；当T≤B时，程序跳出当前进程，返回到初始进程；

②当ΔQ<-Q_DB、T>B时，系统停止满足要求的鼓风机，并返回到初始进程；当T≤B时，程序跳出当前进程，返回到初始进程。

在本发明的一个具体实施例中，以某污水处理厂的鼓风曝气系统为例对本发明的控制方法做进一步的详细说明。某污水处理厂的鼓风机控制系统。

一期工艺运行情况：AAO工艺，规模10万吨/天，分两个系列，每个系列有5根支管，曝气主管安装有气体流量计与压力变送器，在曝气池进水端装有在线呼吸速率测试仪。共安装三台空气悬浮离心鼓风机，风机实际风量调节范围为83～133m³/min，由此可以理论算出鼓风机风量调节范围，如图5所示：该工程三台风机风量调节范围无法实现连续调节，在0-400m³/min的总调节范围内，调节盲区为0-83m³/min、83-133m³/min。曝气池有效体积V＝2.4×10⁴m³。

控制策略实施情况：鼓风机控制系统8采集三台鼓风机2运行参数与气体流量计3、压力变送器4，电动调节阀门5、在线呼吸速率测试仪6的数据，由计算及实测，设定a＝0.023，A＝0.05mg/(L·min)，K₁＝1.24，K₂＝-0.37，K₄＝23，Q_DB＝5m³/min，ΔQ_set＝50m³/min。正常运行2台鼓风机，供风量约为150m³/min。鼓风机启停保护时间T₁为20min，风机作用时间T₂计算后为30min，因此B取0.5h。

当曝气控制系统给出需气量调节值ΔQ时，鼓风机控制系统判断ΔQ的大小，当时，维持当前状态；当时，进入调节模块，根据需气量调节值ΔQ及公式1，鼓风机控制系统通过调节鼓风机频率，实现供风量的调节；当鼓风机当前开度DV(t)等于最大开度DV_MAX或鼓风机当前开度DV(t)等于最小开度DV_MAX时，系统跳过开度调节环节，直接进入风量预判模块。此时系统自动计算OUR的变化情况，当ΔOUR>0.05mg/(L·min)或ΔOUR<-0.05mg/(L·min)时，系统根据优先级准备多启动或多停止一台鼓风机，并自动开始计时，如果满足启动或停止鼓风机的要求持续时间T大于0.5h时，系统多启动或停止满足要求的鼓风机。如果持续时间T小于0.5h，程序跳出当前进程。

二期工艺运行情况：AAO工艺，规模10万吨/天，分两个系列，每个系列有3根支管，曝气主管安装有气体流量计与压力变送器，在曝气池进水端装有在线呼吸速率测试仪。共安装一大两小三台鼓风机，小风机实际风量调节范围为46～67m³/min，大风机风量不可调节，风量为133m³/min，当大风机运行时，由于出口压力影响，小风机失去调节性能，风量恒定为67m³/min，由此可以理论算出鼓风机风量调节范围，如图4所示：该工程三台风机风量调节范围无法实现连续调节，在0-300m³/min的总调节范围内，调节盲区为0-46m³/min、67-92m³/min、133-200m³/min、200-267m³/min。曝气池有效体积V＝1.95×10⁴m³。

控制策略实施情况：鼓风机控制系统8采集三台鼓风机2运行参数与气体流量计3、压力变送器4，电动调节阀门5、在线呼吸速率测试仪6的数据，由计算及实测，设定a＝0.018，A＝0.05mg/(L·min)，K₁＝0.89，K₂＝-0.52，K₄＝24.12，Q_DB＝5m³/min，ΔQ_set＝67m³/min。正常运行时供风量约为120m³/min。鼓风机启停保护时间T₁为40min。鼓风系统的时间常数T_DO为45min，拟合结果如图6所示。鼓风机作用时间T₂取值为1倍T_DO即为45min，B取45min。

正常运行时，鼓风机风量维持在120m³/min左右，即开两台小风机。鼓风机控制系统判断曝气控制系统给出的需气量调节值ΔQ的大小，当时，维持当前状态；当时，进入调节模块；根据需气量调节值ΔQ及公式1，鼓风机控制系统通过调节鼓风机频率，实现风量的调节。

当鼓风机当前开度DV(t)等于最小开度DV_MIN时，系统跳过开度调节环节，直接进入风量预判模块，此时系统自动计算OUR的变化情况，当ΔOUR<-0.05mg/(L·min)时，系统准备停止一台小风机，并自动开始计时，如果满足停止鼓风机的要求持续时间T大于40min时，系统停止优先级高的小风机，如果持续时间T小于40min时，程序跳出当前进程；当鼓风机当前开度DV(t)等于最大开度DV_MIN时，系统跳过开度调节环节，直接进入风量预判模块。此时系统自动计算OUR的变化情况，当ΔOUR>0.05mg/(L·min)时，系统准备启动大风机，并自动开始计时，如果满足启动鼓风机的要求持续时间T大于45min时，系统启动大风机，如果持续时间T小于45min时，程序跳出当前进程。

当鼓风机风量维持在200m³/min时，由于风机不可调节，系统跳过调节模块，直接进入风量预判模块，当ΔOUR>0.05mg/(L·min)且满足启动鼓风机的要求持续时间T大于40min时，系统加开一台小风机，否则维持当前状态；当ΔOUR<-0.05mg/(L·min)且满足停止鼓风机的要求持续时间T大于40min时，系统停止一台小风机，否则维持当前状态。

综上，本发明实施例能实现多台鼓风机根据需气量自动调节及编组运行，实现鼓风机风量的自动控制，曝气控制过程的核心是鼓风机的自动控制，只有鼓风机实现自动调节及编组，根据系统需气量实时调整供风量，才能实现曝气控制系统的稳定运行及曝气能耗的节约。因此，如何实现鼓风机的自动控制具有重要意义。

本发明实施例研究和克服了鼓风机自动控制中的以下技术难点：1)单台风机的自动调节：需克服阀门调节对曝气系统的扰动及单台风机在整个曝气系统中发生的调节性能变化；2)多台鼓风机时自动启停的判定：需自动判定启停风机顺序及风机是否具有启停条件；3)多台风机时的编组方式：需针对同型号或不同型号风机的编组方式，实现总流量的连续调节，尤其总风量不连续时鼓风机的组合调节方式；4)鼓风机安全运行保护：需避免鼓风机发生喘震及鼓风机频繁启停。

根据本发明实施例提出的污水处理厂鼓风机自动调节及编组运行的控制方法，对每台风机进行特性分析和比例积分建模，适应不同规格或类型风机，对不连续风量进行编组时，对风量断点进行特别处理，能够处理不同规格、类型、不可调风机，且建立了风量-耗氧速的量化关系，可通过前馈加快调节动作，减少多重反馈回路耦合的影响，从而有效提高鼓风机控制的可靠性和适用性。

其次参照附图描述根据本发明实施例提出的污水处理厂鼓风机自动调节及编组运行的控制装置。

图7是本发明一个实施例的污水处理厂鼓风机自动调节及编组运行的控制装置的结构示意图。

如图7所示，该污水处理厂鼓风机自动调节及编组运行的控制装置10包括：鼓风机调节模块100、风量预判模块200、智能编组模块300、启停保护模块400。

其中，鼓风机调节模块100用于根据曝气系统需气量调节值自动控制单台鼓风机风量调节；风量预判模块200用于根据活性污泥耗氧速率OUR与曝气系统需气量调节值自动判定需风量，确定是否需要启停风机；智能编组模块300用于根据预判风量输出的启停结果实现鼓风机的自动编组控制；鼓风机启停保护模块400用于对鼓风机的启动、停止进行智能保护，保证鼓风机安全运行。本发明实施例的装置10根据通过活性污泥耗氧速率OUR与曝气系统需气量综合判定鼓风机的启停，可以实现不可调节鼓风机、不连续风量调节鼓风机的风量自动控制，弥补现有风量连续调节的不足，实现鼓风机风量调节的阶跃控制，保护鼓风机安全运行，从而有效提高鼓风机控制的可靠性和适用性。

进一步地，在本发明的一个实施例中，鼓风机的目标控制量：

ΔDV(t)＝K₁ΔQ(t)+K₂ΔQ(t-1)，

进一步地，在本发明的一个实施例中，鼓风机调节模块100进一步用于根据需气量调节值和风量调节死区调节鼓风机开度，其中，在需气量调节值大于调节死区时，如果鼓风机当前开度小于鼓风机最大开度，则调大鼓风机开度，如果鼓风机当前开度等于鼓风机最大开度，则不进行鼓风机开度调节，并在需气量调节值小于负调节死区时，如果鼓风机当前开度大于鼓风机最小开度，则调小鼓风机开度，如果鼓风机当前开度等于鼓风机最小开度，则不进行鼓风机开度调节。

进一步地，在本发明的一个实施例中，风量预判模块200进一步用于通过校准时间常数T_DO得到鼓风机作用时间，其中，

进一步地，在本发明的一个实施例中，启停保护模块400进一步用于在目标运行鼓风机启停保护持续时间B大于鼓风机连续启停保护时间T₂时，则根据鼓风机启停要求运行目标运行鼓风机，并在目标运行鼓风机启停保护持续时间B小于鼓风机连续启停保护时间T₂时，则不响应鼓风机启停要求。

需要说明的是，前述对污水处理厂鼓风机自动调节及编组运行的控制方法实施例的解释说明也适用于该实施例的污水处理厂鼓风机自动调节及编组运行的控制装置，此处不再赘述。

根据本发明实施例提出的污水处理厂鼓风机自动调节及编组运行的控制装置，对每台风机进行特性分析和比例积分建模，适应不同规格或类型风机，对不连续风量进行编组时，对风量断点进行特别处理，能够处理不同规格、类型、不可调风机，且建立了风量-耗氧速的量化关系，可通过前馈加快调节动作，减少多重反馈回路耦合的影响，从而有效提高鼓风机控制的可靠性和适用性。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims

1.一种污水处理厂鼓风机自动调节及编组运行的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

根据曝气系统需气量调节值自动控制单台鼓风机风量调节；

根据活性污泥耗氧速率OUR与曝气系统需气量调节值自动判定需风量，确定是否需要启停风机；

根据预判风量输出的启停结果实现鼓风机的自动编组控制；

对鼓风机的启动、停止进行智能保护，保证鼓风机安全运行；从而实现不可调节鼓风机、不连续风量调节鼓风机的风量自动控制，弥补现有风量连续调节的不足，实现鼓风机风量调节的阶跃控制，其中，所述对鼓风机的启动、停止进行智能保护，保证鼓风机安全运行进一步包括：在目标运行鼓风机启停保护持续时间B大于鼓风机连续启停保护时间T₂时，则根据所述鼓风机启停要求运行所述目标运行鼓风机；在所述目标运行鼓风机启停保护持续时间B小于鼓风机连续启停保护时间T₂时，则不响应所述鼓风机启停要求；其中，鼓风机启停保护持续时间B＝max{T₁，T₂}，T₁为鼓风机作用时间；T₂为鼓风机连续启停保护时间。

2.根据权利要求1所述的污水处理厂鼓风机自动调节及编组运行的控制方法，其特征在于，所述根据曝气系统需气量调节值自动控制单台鼓风机风量调节，进一步包括：

根据所述需气量调节值和风量调节死区调节鼓风机开度，其中，在所述需气量调节值大于所述调节死区时，如果鼓风机当前开度小于鼓风机最大开度，则调大鼓风机开度，如果所述鼓风机当前开度等于所述鼓风机最大开度，则不进行鼓风机开度调节，并在所述需气量调节值小于负调节死区时，如果所述鼓风机当前开度大于鼓风机最小开度，则调小所述鼓风机开度，如果所述鼓风机当前开度等于所述鼓风机最小开度，则不进行鼓风机开度调节。

3.根据权利要求1所述的污水处理厂鼓风机自动调节及编组运行的控制方法，其特征在于，所述根据活性污泥耗氧速率OUR与曝气系统需气量调节值自动判定需风量，确定是否需要启停风机，进一步包括：

根据所述活性污泥耗氧速率OUR测量结果的情况可以预测需要的气量，采用增量式计算方法，可以去除系统误差，提高控制可靠性，即，其中，需气量的变化值ΔQ_OUR为：

ΔQ_OUR≈K₄ΔOUR，

ΔOUR＝OUR(T)-OUR(T-1)，

式中：OUR(T)和OUR(T-1)分别为T时刻和(T-1)时刻自动或手动测量的活性污泥的呼吸速率，仪器自动测量时，T的时间间隔为0.5h，人工手动检测时，T的时间间隔为1h；

当需气量增加或减小到ΔQset时，启动或停止风机：

ΔOUR*K₄>a*ΔQ_set

式中：ΔQ_set为不连续风量的断点最大风量或风量设定参数，单位为m³/min，a为系数，A为预判定参数，单位为mg/(L·min)，当ΔOUR>A时，系统准备多启动一台或多停止一台鼓风机；

风量预判定具体步骤为：

当ΔQ>Q_DB、ΔOUR>A时，多启动一台鼓风机，并进入智能编组；当ΔOUR≤A时，程序跳出当前进程，返回到初始进程，其中，ΔQ为当前需气量调节值，单位为m³/min，Q_DB为鼓风机风量调节死区，单位为m³/min；

4.根据权利要求1所述的污水处理厂鼓风机自动调节及编组运行的控制方法，其特征在于，其中，

曝气过程中，通过测试风量突然变化后溶解氧从变化到趋于稳定的时间，确定鼓风机的作用时间，通过突然增加鼓风机风量，记录溶解氧变化趋势，对溶解氧数据进行一阶动力学模型拟合，求出时间常数T_DO：

其中，dDO/dt为溶解氧增加趋势的一阶导数，DO为当前活性污泥耗氧量，K为常数，t为时间常数；

以为自变量，为因变量，获得稳健的线性拟合结果，斜率除以截距得到T_DO：

5.一种污水处理厂鼓风机自动调节及编组运行的控制装置，其特征在于，包括：

鼓风机调节模块，用于根据曝气系统需气量调节值自动控制单台鼓风机风量调节；

风量预判模块，用于根据活性污泥耗氧速率OUR与曝气系统需气量调节值自动判定需风量，确定是否需要启停风机；

智能编组模块，用于根据预判风量输出的启停结果实现鼓风机的自动编组控制；

鼓风机启停保护模块，用于对鼓风机的启动、停止进行智能保护，保证鼓风机安全运行，其中，所述对鼓风机的启动、停止进行智能保护，保证鼓风机安全运行进一步包括：在目标运行鼓风机启停保护持续时间B大于鼓风机连续启停保护时间T₂时，则根据所述鼓风机启停要求运行所述目标运行鼓风机；在所述目标运行鼓风机启停保护持续时间B小于鼓风机连续启停保护时间T₂时，则不响应所述鼓风机启停要求；其中，鼓风机启停保护持续时间B＝max{T₁，T₂}，T₁为鼓风机作用时间；T₂为鼓风机连续启停保护时间。