Návrh a uvedenie do prevádzky presného prevzdušňovacieho systému pre viac{0}}stupňovú čistiareň odpadových vôd AAO
Prehľad
Čistenie odpadových vôd je dôležitou súčasťou mestskej výstavby. V posledných rokoch sa čínsky priemysel čistenia odpadových vôd rýchlo rozvinul. Rozsiahle zapojenie čističiek odpadových vôd do spoločného znižovania emisií slúži ako dôležitá podpora pre budovanie nízkouhlíkovej spoločnosti, rozvoj nízkouhlíkového-hospodárstva a dosiahnutie trvalo udržateľného rozvoja miest. V rámci cieľov „Dual Carbon“ pritiahla pozornosť priemyslu koncept nízkouhlíkových{5}}čistiarní odpadových vôd. Na dosiahnutie súladu so stratégiou rozvoja nízkouhlíkových{7}}čistiarní odpadových vôd je potrebné analyzovať a študovať kľúčové faktory ovplyvňujúce úsporu energie a znižovanie emisií.
Väčšina čistenia odpadových vôd z domácností využíva procesy s aktivovaným kalom. Kľúčovým faktorom pri tejto úprave je dodávanie primeraného množstva kyslíka pre oxidačné reakcie mikroorganizmov v biologických nádržiach, čím je kontrola objemu prevzdušňovania kľúčová. Tradičné ovládanie prevzdušňovania dosiahnuté pomocou manuálnych prepínačov sa v prvom rade opiera o skúsenosti-operátorov na mieste, čo vedie k značnej neistote a plytvaniu. Na dosiahnutie automatického riadenia presných prevzdušňovacích systémov a zníženia manuálnych zásahov výskumníci rozsiahlo študovali metódy riadenia prevzdušňovania, vrátane fuzzy riadenia, neurónových sietí, fuzzy neurónových sietí, genetických algoritmov a podporných vektorových strojov. Tento článok sa zameriava na viacstupňový{5}}proces AAO v čistiarni odpadových vôd v Shenzhene, pričom analyzuje a sumarizuje proces návrhu a uvedenia do prevádzky jej presného prevzdušňovacieho systému s cieľom poskytnúť referenciu pre podobné projekty.
1 Prehľad systému
1.1 Princíp presného prevzdušňovacieho systému
Biologické čistenie je najdôležitejším stupňom v procese čistenia odpadových vôd, ktorého cieľom je zvyčajne odstrániť alebo znížiť cieľové látky v odpadových vodách, aby sa splnili normy vypúšťania udržiavaním trvalého a efektívneho rastu mikróbov a podporou biochemických procesov. Tradičné riadiace stratégie nedokážu včas a presne reagovať na zmeny prevádzkových parametrov moderných čistiarní odpadových vôd. Počas počiatočnej skúšobnej prevádzky sa často upravujú iba dúchadlá alebo koncové prevzdušňovacie potrubia, ktoré nedokážu v reálnom čase-na{3}}reguláciu objemu prevzdušňovania v reakčných nádržiach na základe skutočných zmien prevádzkových podmienok pri dosahovaní úspor energie.
Rozpustený kyslík (DO) je primárnym faktorom ovplyvňujúcim proces biologického čistenia. Kvalita kontroly DO má priamy vplyv na účinnosť čistenia odpadových vôd. Presný systém prevzdušňovania predstavuje viac{2}}parametrovú metódu riadenia, ktorá kombinuje „doprednú väzbu + spätnú väzbu + model“, pričom efektívne rieši charakteristiky, ako sú veľké časové oneskorenia a nelineárnosť v čistiarňach odpadových vôd. Komplexne zvažuje dúchadlá, regulačné ventily na prevzdušňovacích potrubiach, ako aj DO a vodné zaťaženie, aby implementovala presnú kontrolu nad procesom biologickej reakcie, čím sa dosiahne -prevzdušňovanie na požiadanie, čím sa zvýši prevádzková stabilita systému a šetrí energia.
V čistiarňach odpadových vôd dopredné signály zahŕňajú najmä signály prítoku a kvality; Spätnoväzbové signály zahŕňajú hlavne DO, zmiešané liquor suspendované pevné látky (MLSS) a biologické signály hladiny v nádrži.
Stratégia regulácie DO presných prevzdušňovacích systémov má zvyčajne dva prístupy: nastavenie cieľa regulácie ako konštantnej hodnoty alebo ako dynamickej hodnoty.
Zvyčajne, v rámci stratégie, kde je cieľ regulácie DO nastavený ako konštantná hodnota, presný systém prevzdušňovania vypočíta požadovaný objem vzduchu pre každú zónu biologickej nádrže a celkový požadovaný objem vzduchu na základe signálov, ako je kvalita prítoku, prietok prítoku, nastavená hodnota DO a biologická nádrž MLSS. Potom nastaví hlavný riadiaci systém dúchadla a elektrické ventily na prevzdušňovacích potrubiach tak, aby zodpovedali potrebe prívodu vzduchu, čím sa dosiahne kontrola cieľovej hodnoty DO.
Prijatím presného prevzdušňovacieho systému môžu čistiarne odpadových vôd lepšie dosiahnuť tieto ciele:
(1) Znížte spotrebu energie na jednotku vyčistenej odpadovej vody, čím sa znížia náklady.
(2) Zlepšiť celkovú stabilitu a spoľahlivosť operácií čistenia odpadových vôd.
(3) Automaticky upravte prevzdušňovanie na základe zaťaženia upravenou vodou a znečistenia, čím skutočne dosiahnete prevzdušňovanie-na požiadanie a automatické riadenie.
(4) Zlepšiť kvalitu odpadových vôd a zvýšiť mieru dodržiavania kvality odpadových vôd.
1.2 Celkový návrh presného prevzdušňovacieho systému
Projektovaná kapacita čistenia tejto čistiarne odpadových vôd je 50 000 m³/d. Využíva viacstupňový-proces AAO vybavený 2 biologickými nádržami. Hlavné ukazovatele kvality odpadových vôd spĺňajú normy pre povrchové vody IV. Priebeh procesu čistenia odpadových vôd je znázornený vObrázok 1.
Projekt má 2 biologické nádrže. Každá biologická nádrž je rozdelená na 6 kontrolných zón DO, výsledkom čoho je celkovo 12 kontrolných zón DO pre biologické nádrže závodu. Konštrukčná schéma jeho presného prevzdušňovacieho systému je znázornená vObrázok 2.
Na dosiahnutie presného prevzdušňovania je potrebná kompletná riadiaca sieť pre presný systém prevzdušňovania. Komunikačná topológia automatizácie presného prevzdušňovacieho systému je znázornená vObrázok 3.
Presná hlavná stanica prevzdušňovacieho systému priamo získava relevantné parametre z prevzdušňovacích dúchadiel prostredníctvom komunikácie, zhromažďuje signály z-monitorovacích prístrojov na mieste a posiela príkazy na nastavenie ovládania ventilom zariadenia a systému dúchadiel, čím sa dosiahne plne automatické riadenie procesu prevzdušňovania a koordinovaná regulácia prietokových regulačných ventilov a dúchadiel.
1.3 Hardvérové komponenty presného prevzdušňovacieho systému
Pre každú kontrolnú zónu DO je nakonfigurovaný jeden online analyzátor DO. Jeden tepelný prietokomer plynu a jeden elektrický regulačný ventil sú nakonfigurované na prevzdušňovacej odbočke zodpovedajúcej každej regulačnej zóne DO. Jeden tepelný prietokomer plynu a jeden tlakový prevodník sú inštalované na hlavnom výstupnom potrubí vo dúchadle.
Tabuľka konfigurácie zariadenia a prístroja pre presný systém prevzdušňovania je uvedená vTabuľka 1.
1.4 Softvérové komponenty presného prevzdušňovacieho systému
Presný softvér prevzdušňovacieho systému je nainštalovaný a beží na presnej pracovnej stanici prevzdušňovacieho systému, ktorá slúži ako základná spracovateľská jednotka systému. Na základe zozbieraných poľných signálov táto jednotka prostredníctvom modelu vypočítava biologickú potrebu vzduchu v biologických nádržiach a súčasne vydáva príkazy na nastavenie do poľných riadiacich zariadení. Funkčne zahŕňa základné moduly, ako je modul výpočtu objemu prevzdušňovania, modul distribúcie vzduchu a modul nastavenia optimalizácie ventilátora.
Presný softvér prevzdušňovacieho systému je primárne navrhnutý na základe nasledujúcich dvoch aspektov:
(1) Presný systém prevzdušňovania rozdeľuje aeróbnu časť na niekoľko nezávislých kontrolných zón DO, ktoré sú schopné prispôsobiť sa požiadavkám toku riadenia procesu a automaticky prispôsobovať tok prevzdušňovania tak, aby spĺňal podmienky procesu distribúcie DO, ktoré vyžadujú jednotky úpravy.
(2) Presný systém prevzdušňovania umožňuje užívateľom nezávisle nastaviť cieľové úrovne DO a podporuje dynamické nastavené hodnoty DO. Vzhľadom na pohodlie a funkčnosť je možné príslušné údaje prezerať a konfigurovať v centrálnej riadiacej miestnosti.
Riadiaci mechanizmus pre presné prevzdušňovanie uprednostňuje pole, za ním nasleduje centrálny riadiaci horný počítač, hlavne vrátane ovládania ventilov a ovládania dúchadla.
Ovládanie ventilov má dva režimy: režim lokálneho ovládania a režim diaľkového ovládania. Na hornom počítači centrálneho ovládania sú dve možnosti: manuálny režim a režim presného prevzdušňovania.
Ovládanie tlaku ventilátora zahŕňa:
(1) Keď hlavná riadiaca skriňa prejde do miestneho režimu, požadovaná hodnota tlaku sa dá manuálne nastaviť lokálne.
(2) Keď hlavná riadiaca skriňa vstúpi do vzdialeného automatického režimu, nastavenie tlaku je rozdelené do dvoch režimov: manuálne a presné prevzdušňovanie a ovládacie prepínače do centrálnej riadiacej miestnosti.
Keďže má tri režimy ovládania - plne automatické ovládanie, čiastočné automatické ovládanie a ručné nútené ovládanie - a umožňuje prepínanie režimov buď na-mieste alebo v hlavnej riadiacej miestnosti, presný systém prevzdušňovania dokáže adekvátne zvládnuť rôzne situácie, ktoré sa vyskytujú počas prevádzky čistiarne odpadových vôd.
1.5 Funkcie presného prevzdušňovacieho systému
1.5.1 Výpočet dopytu po vzduchu
Presný prevzdušňovací systém dokáže dynamicky vypočítať skutočnú potrebu vzduchu na základe zmien rôznych faktorov v biologických nádržiach, čo umožňuje prevzdušňovaciemu systému dodávať vzduch podľa potreby. Model výpočtu potreby vzduchu pre presný systém prevzdušňovania je uvedený vObrázok4.
V praktických aplikáciách presného riadenia prevzdušňovania v čistiarňach odpadových vôd dokáže presný systém prevzdušňovania vypočítať skutočnú potrebu vzduchu v reálnom-čase podľa toho, ako sa mení prítok a kvalitatívne zaťaženie, čím sa zabezpečí primerané prevzdušňovanie, ktoré spĺňa biochemické požiadavky a zároveň šetrí zbytočnú spotrebu energie na prevzdušňovanie.
1.5.2 Distribúcia objemu prevzdušňovania
Presný systém prevzdušňovania zahŕňa viacero riadiacich jednotiek prevzdušňovania. Systém obsahuje viac{1}}ventilovú oddeľovaciu riadiacu stratégiu na potlačenie rušenia spôsobeného nastavením jedného-ventilu na iných ventiloch. Má tiež viac{4}}ventilovú stratégiu optimálneho ovládania otvárania, ktorá umožňuje rýchle a optimálne nastavenie otvárania ventilov na dosiahnutie rýchleho a presného prenosu a distribúcie objemu prevzdušňovania medzi rôzne riadiace jednotky prevzdušňovania.
1.5.3 Ovládanie optimalizácie ventilátora
Úspora energie v procese prevzdušňovania sa dosahuje optimalizáciou prevádzky dúchadla. Jadrom prevzdušňovacieho systému je regulácia chodu dúchadla na základe prevádzkových parametrov. Na jednej strane je potrebné, aby nastavenia dúchadla zohľadňovali skutočné prevádzkové parametre; na druhej strane pri úpravách dúchadla treba brať do úvahy aj ochranu zariadenia. Všeobecným princípom je prevádzkovať dúchadlá za najúspornejších podmienok a zároveň predchádzať abnormálnym podmienkam dúchadiel (ako je rázová vlna).
Presný prevzdušňovací systém vypočíta požadovaný objem vzduchu na základe aktuálnych prevádzkových parametrov procesu a následne odošle signál do riadiacej skrine ventilátora. Operácie ako spúšťanie/zastavovanie dúchadiel a nastavovanie otvorov sa vykonávajú na základe nastaveného celkového objemu vzduchu, aby sa splnila požiadavka biologického systému na prevzdušňovanie, zatiaľ čo na ochranu dúchadiel pred rázmi sa používa tlak na ochranu pred nárazmi. Dúchadlá sú hlavným procesným zariadením v čistiarňach odpadových vôd. Presný systém prevzdušňovania by mal regulovať prevádzku dúchadla, aby sa splnila požiadavka na prevzdušňovanie biologických nádrží a zároveň by sa malo zabrániť fúkaniu dúchadla.
2 Uvedenie presného prevzdušňovacieho systému do prevádzky
Aby sa zabezpečila normálna prevádzka presného prevzdušňovacieho systému, jednotlivé zariadenia v rámci systému sa musia najskôr jedno po druhom uviesť do prevádzky. Následne je potrebné koordinované uvedenie do prevádzky prevzdušňovacích ventilov a dúchadiel biologických nádrží, nastavenie množstva vzduchu dúchadla a regulácia monitorovania tlaku v potrubí. Počas uvádzania do prevádzky nesmú všetky operácie a úpravy zabezpečiť žiadny vplyv na výrobu. Konkrétne by sa mali zdôrazniť preventívne opatrenia pre núdzovú prevádzku ventilátora:
(1) Počas krátkodobých-významných výkyvov v otváraní ventilátora. Tento systém využíva odstredivé dúchadlá s magnetickým ložiskom, ktoré dokážu prijímať nastavené hodnoty odosielané presným prevzdušňovacím systémom v reálnom-čase. Dúchadlo prispôsobuje čas otvorenia a pôsobenia na základe rozdielu. Precízny systém prevzdušňovania má bezpečnostný ochranný mechanizmus pre kolísanie dúchadla, aby sa zabránilo rázom spôsobeným kolísaním. Medzi možné príčiny krátkodobých-významných výkyvov v otváraní dúchadla patria náhle zmeny v kvalite prítoku, nezhodné parametre nastavenia systému, náhle zmeny tlaku v potrubí a zlyhania prístrojov biologických nádrží. Pre bezpečnosť zariadenia, aby sa predišlo veľkým výkyvom tlaku v potrubí a rizikám rázov dúchadiel, je možné systém presného prevzdušňovania manuálne vypnúť a prepnúť do manuálneho režimu.
(2) Počas rázovania dúchadla. Počas počiatočného uvádzania do prevádzky je niekedy nevyhnutné rázy dúchadla. Možné príčiny zahŕňajú nedostatočnú koordináciu medzi ventilmi a dúchadlami, čo vedie k zvýšenému tlaku v potrubí a rázom; alebo samotné neprimerané parametre dúchadla s príliš rýchlym nastavením otvárania, čo spôsobuje rázy samotného dúchadla. Ak dôjde k tejto poruche, systém presného prevzdušňovania možno manuálne vypnúť a prepnúť do manuálneho režimu.
3 DO Control Efektivita a výsledky úspory energie presného prevzdušňovacieho systému
3.1 Účinnosť regulácie DO presného prevzdušňovacieho systému
Overenie efektívnosti presného prevzdušňovacieho systému pre tento projekt prebiehalo predovšetkým porovnaním scenárov so zásahom systému a bez neho. Tradičné metódy kontroly nedokážu včas a presne reagovať na vplyv rôznych porúch. Keď online kontrolovaná hodnota DO vykazuje veľké výkyvy, zmena rozpusteného kyslíka (DO) v priebehu času na určitom mieste v biologickej nádrži bez presného prevzdušňovania je zobrazená vObrázok 5.
V porovnaní s tradičnými metódami kontroly biologických nádrží môže presná metóda kontroly prevzdušňovania presnejšie kontrolovať DO v biologickej nádrži, čo demonštruje silnejšiu adaptabilitu, čím umožňuje lepšie prevzdušňovanie a úsporu energie. Trend rozpusteného kyslíka (DO) na určitom mieste v biologickej nádrži s presným prevzdušňovaním je znázornený naObrázok 6.
Podľa výsledkov skúšobnej prevádzky presného riadiaceho systému v tomto projekte je pravdepodobnosť hodnôt DO distribuovaných v rámci ±0,5 mg/l cieľovej žiadanej hodnoty 90 %; pravdepodobnosť v rozmedzí ±0,3 mg/l je 30 %; a pravdepodobnosť v rozmedzí ±0,2 mg/l je 20 %, čo spĺňa konštrukčné požiadavky a skutočné prevádzkové potreby.
3.2 Výsledky úspory energie DO Control s presným prevzdušňovacím systémom
Vo viacstupňovej čistiarni odpadových vôd AAO presný prevzdušňovací systém vypočíta požadovaný celkový objem vzduchu v reálnom-čase na základe aktuálneho prítoku a zaťaženia počas ovládania ventilátora. Potom odošle celkovú požadovanú hodnotu vzduchu do hlavnej riadiacej skrine dúchadla, ktorá reguluje príslušné dúchadlá podľa nastaveného cieľa. To zaisťuje, že objem prevzdušňovania spĺňa skutočné požiadavky v podmienkach vysokého aj nízkeho zaťaženia a zároveň znižuje zbytočnú spotrebu energie na prevzdušňovanie. Pri tradičnom riadení dúchadlá zvyčajne pracujú nepretržite pri relatívne vysokom výkone. Prostredníctvom presného prevzdušňovacieho systému ovládania dúchadiel sa dosiahne-úprava prevádzkového výkonu v reálnom čase, čím sa dosiahne cieľ úspory energie.
Po zavedení presného prevzdušňovacieho systému viacstupňová čistiareň odpadových vôd AAO ťaží z bežnej prevádzky čistiaceho zariadenia, presných prístrojových údajov, stabilného prietoku a kvality prítoku (nie viac ako ±20 % projektovaných hodnôt), dostatočného prevádzkového tlaku dúchadla, plynule nastaviteľného množstva vzduchu a automatickej prevádzky hlavného rozvádzača pri konštantnom tlaku.
4 Záver
Aplikácia presného prevzdušňovacieho systému vo viacstupňovej čistiarni odpadových vôd AAO má za cieľ poskytnúť rafinované prevádzkové riešenie pre prevzdušňovaciu fázu procesu čistenia odpadových vôd. Presné riešenie prevzdušňovacieho systému plne zodpovedá prevádzkovým podmienkam zariadenia, čím sa dosahuje presné riadenie prevzdušňovania. Na tomto základe zostáva mikrobiálne biochemické prostredie stabilné, čím pomáha čistiarni odpadových vôd dosahovať rafinovanú, energeticky{3}}úspornú a automatizovanú prevádzku prevzdušňovacieho systému, čím sa následne zlepšuje stabilita kvality odpadovej vody.