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污水处理GM鼓风机防喘振和进口导叶的控制改进

刘 焱 张 颖 田 盛*/沈阳鼓风机集团股份有限公司    

摘要:通过对GM离心鼓风机的工作原理和污水处理的工艺过程的简单了解,以及对防喘振阀与进口导叶调节方式的分析,采用PLC控制系统,在尽量节能的前提下,调节鼓风机的曝气量,并保证设备不会超负载运行。
关键词:污水处理;离心风机;喘振;控制系统
中图分类号:TH442 文献标志码:A
Improvement of Anti-surge and Inlet Diffuser Control in GM Blower for Sewage Treatment Plant
Abstract: Based on simply understanding the working principle of GM centrifugal blower and the sewage treatment process, and analyzing the characteristics of the anti-surge valve and inlet diffuser adjustment, the PLC control system is used to regulate the blower aeration and ensure the equipment not exceed the load operation under the premise of energy.
Key words: sewage treatment; centrifugal blower; surge; control system
0 引言
  在我国经济快速发展的过程中,大量工业和生活污水未经处理流入江河湖海,水污染已成为我们不得不面对的问题,加上我国水资源的短缺,污水净化就成为进一步改善城镇居民生活环境、提高人民健康水平的重要手段之一。管理简便、运行可靠的鼓风机曝气污水处理工艺是污水处理厂解决水污染问题的有效途径,其中鼓风机运行质量与情况的好坏不仅影响处理后出水水质指标的高低,也直接关系到污水处理厂运行的安全性和经济性。为了对鼓风机的运行进行实时监督和控制,保证污水排放质量、实现少人、无人值守等目标,我们采用了技术先进、安全可靠的PLC控制系统。
  为了做好一套完整的鼓风机控制系统,首先要了解污水处理的工艺、鼓风机的工作原理以及鼓风机运行时所处的环境等,其次要根据用户的需求,决定对鼓风机实施怎样的调节和保护功能。
1 GM离心鼓风机原理
  GM系列离心鼓风机按照风机的作用原理分类属于透平式鼓风机,由主驱动机借助联轴器与增速齿轮联接,增速齿轮驱动高速转动的三元混流半开式叶轮对气体进行作功,气体轴向进气、径向排气,气体经进气过滤消声器,进入吸入管及进口叶片调节器,气体由进口轴向进入高速旋转的叶轮后变成径向流动并被加速,然后进入扩压腔,改变流动方向而减速,这种减速作用是将高速旋转的气流具有的动能转化为压力能(势能),使风机出口保持稳定的工作压力[1] 。叶轮的几何形状、尺寸和转速等制约着气体在叶轮中的流动特征,决定着风机的流量、压力之间的关系,从理论上讲,离心鼓风机的压力-流量特性曲线是一条直线,但由于风机内部存在摩擦阻力等损失,实际的压力与流量特性曲线随流量的增大而平缓下降,对应的离心风机的功率-流量曲线随流量的增大而上升。当风机以恒速运行时,风机的工况点将沿压力-流量特性曲线移动。风机运行时的工况点,不仅取决于本身的性能,而且取决于系统的特性,当管网阻力增大时,管路性能曲线将变陡[2]
2 污水处理工艺介绍
2.1 常用污水处理工艺过程

  目前大部分城市污水处理采用生物处理法为主,辅以物理处理法和化学处理法[3] 。过程是依次经过粗格栅、提升泵房、沉砂池、初沉池、曝气池和二沉池来实现污水的处理,其中各部分的功能如下:
  1) 粗格栅用于除掉污水中大块杂物和污物,进而保护进水泵。
  2) 提升泵的作用是将上游来水提升至后续处理单元所要求的高度,使其实现重力自流。
  3) 沉砂池主要是将污水中比重较大、易沉淀的颗粒物质(包括无机性的砂粒、砾石和少量较重的有机性的颗粒)分离出来。
  4) 初沉池初步除掉水中污泥,用刮泥机收集污泥至初沉池泥泵房。
  5) 曝气池(氧化沟)为生化处理区,通过投放回流活性污泥搅拌和曝气供氧,培养微生物大量繁殖,形成更多活性污泥。
  6) 二沉池用于沉淀污水中的细小颗粒,进行固液分离,使净化的废水达到排放标准。
2.2 污水处理的关键部分:曝气池与沉淀池
  污水处理中较关键的曝气池与沉淀池的示意图见图1。

  在曝气池内填料后,鼓风机向曝气池内不间断供气,让空气以气泡的形式进入污水中,保证曝气池中的需氧量,使池内微生物充分发生生化反应。污水中的有机物在曝气池停留的过程中,被微生物吸附并氧化成无机物,然后流入沉淀池,在沉淀池中微生物絮体下沉,经过一段时间后,就可以输出清水,同时为了保持曝气池中污泥的浓度,沉淀池中经过沉淀后的一部分活性泥需要回流到曝气池中。污水处理过程中曝气池溶解氧含量关系到出水水质是否达标,溶解氧浓度太低,出水水质不达标;溶解氧浓度太高,不仅极大地浪费电能,还可能使活性污泥上浮,出水水质也不达标,因此,鼓风机为曝气池曝气量的多少、强弱都直接关系着污水处理的出水水质[4]
3 PLC控制系统构成
  根据装置自动控制要求,同时考虑到这是一套微型的过程控制系统,参与控制的点数相对较少,故选用性价比较高的西门子S7-200PLC配合触摸屏作为现场控制及数据采集单元,通过现场的流量计、液位计等仪表对污水的流量、压力、液位、溶解氧浓度等变量进行数据采集[5] 。西门子S7-200系列PLC功能强大,配置灵活,工程设计简单、方便,极适合在恶劣的环境中应用,系统的投入运行减少了维护人员的工作量,大大地提高经济效益。
3.1 系统主要硬件
  1) 其中PLC主要由中央处理单元(CPU模块)、通讯模块(PROFIBUS-DP接口模块)、模拟输入模块(AI模块)、模拟输出模块(AO模块)、数字输入模块(DI模块)、数字输出模块(DO模块)等部分组成[6]
  2) 触摸屏为威纶通MT8104T。
  主要结构示意图见图2。

3.2 系统所用软件
  1) PLC系统的软件采用西门子S7-200PLC编程组态软件V4.0 STEP 7 MicroWIN SP6。它能够解决复杂的自动化任务,可以快速进入,节省编程时间,为本工程的自动化提供了所有阶段所需的功能[7]
  2) 触摸屏软件为EasyBuilder 8000 ,所做人机界面,画面美观易懂、操作简单方便。
4 离心鼓风机主要控制回路
  离心鼓风机有多个控制回路,主要有主电机的启动、主电机的停止、异常联锁跳车、电机加热器控制、油箱加热器控制、辅助油泵控制、出口阀控制、冷却水阀控制、进口导叶控制和防喘振阀控制等。
  下面主要介绍离心鼓风机防喘振、进口导叶控制和一些改进。
4.1 防喘振控制
4.1.1 喘振的迹象
  当用户管网阻力增大到某值时,鼓风机流量下降很快,下降到一定程度时,整个鼓风机管网的气流产生周期性的振荡现象,压力和流量发生脉动,机组发生强烈振动并伴有间断的低沉吼声,好像人在干咳一般。判断喘振除凭人的感觉之外,还可以根据仪表和运行参数配合性能曲线查出或者由软件系统自动诊断出来[8]

  如图3所示,A点和B点为管网的特性线与鼓风机特性曲线的交点,其中AE为正常鼓风机特性线,CB为突变失速后可能工作的特性线。设A点为鼓风机工作失速点,B点是失速后一个可能的稳定工作点,鼓风机在A点工作时,流量微小的减少便引起鼓风机的旋转失速,鼓风机排气压力突然减少,如果管网的容积非常小,管网的压力能迅速调整到和鼓风机排气压力相适应,运行点移至平衡点B。如果管网容积很大,压力变化很慢,高于鼓风机排气压力,会迫使气体倒流,工作点由A点移至D点(如虚线所示)。由于在叶栅脱离区充以气体,工作暂时恢复正常,这时管网一方面继续给用户供气,另一方面一部分气体倒流到鼓风机,使管网压力迅速下降,鼓风机又可以向管网正常供气,很有可能工况点沿虚线至A点,如果引起喘振的原因未消除,又会重复上述现象,这样就形成了喘振。
4.1.2 喘振的危害
  当喘振发生时,鼓风机的性能显著恶化,并产生整个机组的振动。喘振会使鼓风机的转子和定子的元件经受交变的动应力,使密封和轴承损坏,甚至发生转子与定子元件相碰压及气体外泄引起的爆炸等恶性事故。
4.1.3 喘振发生的条件
  根据喘振的原理可知,喘振在下述条件下发生[9]
  1) 在流量减小到该转速下的喘振流量时发生喘振。鼓风机特性决定了在转速一定的条件下,一定的流量对应于一定的出口压力或升压比,并且在一定的转速下存在一个极限流量即喘振流量。当鼓风机运行中实际流量低于这个喘振流量时,鼓风机便不能稳定运行,发生喘振。实际流量、出口压力、转速和喘振流量的综合关系构成鼓风机的特性线,也叫性能曲线。在一定转速下使流量大于喘振流量就不会发生喘振。
  2) 管网系统内气体的压力大于一定转速下对应的最高压力时发生喘振。如果鼓风机与系统管网联合运行,当管网压力大大高出鼓风机在该转速下运行对应的极限压力时,高压气体便在鼓风机出口形成很高的“背压”,使鼓风机出口阻塞,流量减少,甚至管网气体倒流;进口气源减少或切断,如鼓风机供气不足,鼓风机没有补充气源等。所有这些情况如没有立即发现并及时调节,鼓风机都可能发生喘振。
  3) 操作中,升速升压过快,降速之前未能首先降压可能导致喘振。升速、升压要缓慢均匀,降速之前应先采取卸压措施,如放空、回流等,以免转速降低后,气流倒灌。
  4) 工况改变,运行点落入喘振区。工况变化,如改变转速、流量、压力之前,未查看特性曲线,使鼓风机运行点落入喘振区。
  5) 正常运行时,防喘振系统未投入自动。当外界因素变化时,如蒸汽压力下降或入口流量波动而防喘系统来不及手动调节可能造成喘振。
  6) 介质状态变化。喘振的发生可能与气体介质状态有很大关系,因为气体的状态影响流量,从而也影响喘振流量,进而影响喘振。例如进气温度、进气压力、气体成分及分子量等对喘振都有影响。当转速不变,出口压力不变时,气体进口温度增加容易发生喘振;当转速一定,进气压力越高则喘振流量也越大,当进气压力一定,出口压力一定,转速不变,气体分子量减少很多时,容易发生喘振。
4.1.4 防喘振控制方案的改进
  为了避免发生喘振,鼓风机设计了防喘振阀。无论鼓风机的压缩比是多少,要保证鼓风机的吸入流量比喘振流量大,只有这样,才能保证鼓风机稳定的工作。当鼓风机在安全区工作时,防喘振阀保持完全关闭,当工作点达到防喘振线时,防喘振阀必须打开[10]
  1) 以往的防喘振控制见图4。当工作点在防喘振线的右侧时,防喘振阀可以关闭,当工作点在防喘振线和喘振线之间时,防喘振阀通过PID算法打开,当工作点在喘振线的左方时,防喘振阀全部打开。其中防喘振算法是采用机组流量及出口压力双参数函数控制。从压力-流量曲线可见,当出口压力减小时,风机流量增大,风机运行工况点偏离喘振点。因此,减小风机在运行过程中的出口压力,有利于减小喘振的发生概率。

  2) 防喘振控制的改进见图5。本系统的改进之处在于防喘振线的算法,在喘振线的基础上以渐开线的形式向右扩展,由图4和图5可以明显看出在相同的坐标系下,工作点的安全区域有所增加,如果工作点在图4坐标系的防喘振线上,换成图5的算法,工作点就会在安全区域内,使防喘振阀可以关闭,大大的减少了能源的浪费。

4.2 进口导叶控制
4.2.1 进口导叶的作用
  进口导叶安装于叶轮前,由安装于铸铁机壳的驱动轴上的叶片组成,驱动轴由易润滑的套筒轴承支承。进口叶片的截面形状根据空气动力学设计成机翼型,并径向排列在进口周围。其作用是使气流在进入叶轮之前发生旋转,可以扭曲速度。导叶可绕自身轴转动,叶片每转动一个角度就意味着变换一个导叶安装角,使进入风机叶轮的气流方向相应改变,通过改变导叶的开闭角度,使风机的压力-流量性能曲线改变,实现流量的变化。进口叶片的开度由执行器完成,执行器是控制系统中极其重要的装置。执行器的作用是接受控制器的输出信号,直接调节生产过程中相关介质的输送量,从而使温度、压力、流量等过程参数得到控制。执行器分电动、气动两种。进口叶片的开度大小与流量调节范围的比例关系是根据空气动力学的原理进行设计,因此GM系列离心鼓风机能有较宽的、高效的流量调节范围。叶片的角度大小,除在机器刻度盘上直接显示外,还可以通过信号传递到控制柜上显示[11]
4.2.2 鼓风机的性能控制区域
  如图6所示,鼓风机进口导叶的不同开度决定了鼓风机的性能的不同,在不配备进口导叶的情况下,鼓风机的工作范围,使用虚线表示,仅有一条线。在配备进口导叶的情况下,鼓风机具有较宽的工作范围,如图6所示中S1S5D5D1所围成的区域。

4.2.3 进口导叶在污水处理中对曝气量的调节
  在采用离心鼓风机作为污水处理曝气设备的控制中,往往系统给定一个保侍不变的溶解氧值,PLC接收到溶解氧检测仪的模拟信号,信号经过转换后,与给定值相比较,如果污水中溶解氧的浓度小于给定值,则通过增加进口导叶的开度提高曝气量;如果污水中的氧浓度大于给定值时,减少进口导叶的开度降低曝气量。
4.2.4 进口导叶控制方案的改进
  1) 以往的进口导叶控制仅仅通过简单的PID算法控制,管网中所需曝气量作为PID中的SP,管网中的实际曝气量作为PID中的PV,即需要增加曝气量时,使SP>PV,进口导叶开度增加;需要减少曝气量时,使SP<PV,进口导叶开度减小。
  2) 本系统的改进之处是为避免主电机长期超负载运行,在控制系统中引入主电机电流信号,将主电机负载参与控制,即当主电机负载未超过额定负载时,通过PID算法控制进口导叶开度,需要增加曝气量时,使SP>PV,进口导叶开度增加;需要减少曝气量时,使SP<PV,进口导叶开度减小。当主电机负载超过额定负载时,程序中会自动减小进口导叶的开度,使主电机在额定负载以下工作,此时进口导叶的开度只能减小不能增加,见图7。

5 结束语
  通过对防喘振和进口导叶调节方式的原理与特点的分析,明确了在采用鼓风机曝气的污水处理工艺中,采用合理的控制方案,能够加大离心鼓风机的运行范围,提高系统的可靠性,降低劳动强度,延长设备使用寿命,每年可节约大量电能,取得了很好的社会、经济和环境效益,在倡导低碳环保的今天具有重要的意义。

               参 考 文 献
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[2] 吴玉林.通风机和压缩机[M].清华大学出版社,2005.
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[4] 陈金红.工业污水处理智能监控系统开发[J].自动化技术与应用,2009(6):13-15.
[5] 何竹青.基于PLC和触摸屏的静电水膜除尘系统设计[J].风机技术,2008(2):51-53.
[6] 孙振强.可编程控制器原理及应用教程[M].清华大学出版社,2005.
[7] 袁任光.可编程序控制器应用技术与实例[M].华南理工大学出版社,1997.
[8] 强明辉.孙树鑫,张晓森.离心压缩机防喘振智能控制系统研究[J].电气自动化,2011,9(4):16-19.
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  评论人:西门塔尔牛   打分:0 分  发表时间:2015-4-15 9:48:45
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