Ontwerp en inbedrijfstelling van een nauwkeurig beluchtingssysteem voor een meerfasige AAO-afvalwaterzuiveringsinstallatie
Overzicht
Afvalwaterzuivering is een essentieel onderdeel van de stedelijke bouw. De afgelopen jaren heeft de Chinese afvalwaterzuiveringsindustrie zich snel ontwikkeld. De diepgaande deelname van afvalwaterzuiveringsinstallaties aan gezamenlijke emissiereductie dient als een belangrijke ondersteuning voor het opbouwen van een-koolstofarme samenleving, het ontwikkelen van een-koolstofarme economie en het bereiken van duurzame stedelijke ontwikkeling. In het kader van de 'Dual Carbon'-doelstellingen heeft het concept van koolstofarme afvalwaterzuiveringsinstallaties -de aandacht van de industrie getrokken. Om aan te sluiten bij de ontwikkelingsstrategie van koolstofarme afvalwaterzuiveringsinstallaties- is het noodzakelijk om de belangrijkste factoren die van invloed zijn op energiebesparing en emissiereductie te analyseren en bestuderen.
Bij de meeste huishoudelijke afvalwaterbehandeling wordt gebruik gemaakt van actiefslibprocessen. Een sleutelfactor bij deze behandeling is het leveren van een geschikte hoeveelheid zuurstof voor oxidatiereacties door micro-organismen in de biologische tanks, waardoor de controle van het beluchtingsvolume cruciaal is. Traditionele beluchtingsregeling, bereikt via handmatige schakelaars, is voornamelijk afhankelijk van de ervaring van- operators ter plaatse, wat tot aanzienlijke onzekerheid en verspilling leidt. Om automatische controle van nauwkeurige beluchtingssystemen te bereiken en handmatige interventie te verminderen, hebben onderzoekers uitgebreid onderzoek gedaan naar methoden voor beluchtingscontrole, waaronder fuzzy control, neurale netwerken, fuzzy neurale netwerken, genetische algoritmen en ondersteunende vectormachines. Dit artikel richt zich op het meerfasige AAO-proces van een afvalwaterzuiveringsinstallatie in Shenzhen, waarbij het ontwerp- en inbedrijfstellingsproces van het precieze beluchtingssysteem wordt geanalyseerd en samengevat als referentie voor soortgelijke projecten.
1 Systeemoverzicht
1.1 Principe van het nauwkeurige beluchtingssysteem
Biologische behandeling is de belangrijkste fase in het afvalwaterzuiveringsproces, waarbij doorgaans wordt gestreefd naar het verwijderen of verminderen van doelstoffen in afvalwater om aan de lozingsnormen te voldoen door duurzame en effectieve microbiële groei in stand te houden en biochemische processen te bevorderen. Traditionele controlestrategieën kunnen niet tijdig en nauwkeurig reageren op veranderingen in de operationele parameters van moderne afvalwaterzuiveringsinstallaties. Tijdens de eerste proefoperatie worden er vaak alleen aanpassingen gedaan aan de ventilatoren of aan de beluchtingsleidingen aan de terminal, waardoor er geen realtime, on-demand regeling van het beluchtingsvolume in reactietanks kan worden uitgevoerd, op basis van daadwerkelijke veranderingen in de operationele toestand, terwijl tegelijkertijd energiebesparingen worden gerealiseerd.
Opgeloste zuurstof (DO) is een primaire factor die het biologische zuiveringsproces beïnvloedt. De kwaliteit van de DO-controle heeft een directe invloed op de efficiëntie van de afvalwaterzuivering. Het nauwkeurige beluchtingssysteem introduceert een controlemethode met meerdere-parameters die 'feedforward + feedback + model' combineert, waardoor kenmerken zoals grote vertragingen en niet-non-lineariteit in afvalwaterzuiveringsinstallaties effectief worden aangepakt. Er wordt uitgebreid rekening gehouden met blowers, regelkleppen op beluchtingspijpleidingen, evenals DO en waterbelasting, om nauwkeurige controle over het biologische reactieproces te implementeren, waardoor beluchting op-vraag wordt bereikt, waardoor de operationele stabiliteit van het systeem wordt verbeterd en energie wordt bespaard.
In afvalwaterzuiveringsinstallaties omvatten feedforward-signalen voornamelijk influentstroom- en kwaliteitssignalen; Feedbacksignalen omvatten voornamelijk DO, gemengde vloeistof gesuspendeerde vaste stoffen (MLSS) en biologische tankniveausignalen.
De DO-regelstrategie van nauwkeurige beluchtingssystemen kent doorgaans twee benaderingen: het instellen van het regeldoel als een constante waarde of als een dynamische waarde.
Normaal gesproken berekent het nauwkeurige beluchtingssysteem, onder de strategie waarbij het DO-controledoel als een constante waarde wordt ingesteld, het vereiste luchtvolume voor elke biologische tankzone en het totale vereiste luchtvolume op basis van signalen zoals influentkwaliteit, influentstroom, DO-instelpunt en biologische tank MLSS. Vervolgens worden het hoofdregelsysteem van de ventilator en de elektrische kleppen op de beluchtingsleidingen aangepast om de luchttoevoer af te stemmen op de vraag, waardoor controle over de DO-doelwaarde wordt bereikt.
Door een nauwkeurig beluchtingssysteem toe te passen, kunnen afvalwaterzuiveringsinstallaties de volgende doelstellingen beter bereiken:
(1) Verlaag het energieverbruik per eenheid behandeld afvalwater, waardoor de kosten dalen.
(2) Verbetering van de algehele stabiliteit en betrouwbaarheid van afvalwaterzuiveringsactiviteiten.
(3) Pas de beluchting automatisch aan op basis van de behandelde waterbelasting en de vervuilingsbelasting, waardoor beluchting en automatische regeling op- verzoek daadwerkelijk wordt bereikt.
(4) Verbeter de kwaliteit van het afvalwater en verhoog het nalevingspercentage van de kwaliteit van het afvalwater.
1.2 Algemeen ontwerp van het nauwkeurige beluchtingssysteem
De ontworpen zuiveringscapaciteit van deze afvalwaterzuiveringsinstallatie bedraagt 50.000 m³/d. Er wordt gebruik gemaakt van een meerfasig AAO-proces, uitgerust met twee biologische tanks. De belangrijkste indicatoren voor de kwaliteit van het afvalwater voldoen aan de normen voor oppervlaktewaterklasse IV. De processtroom voor de afvalwaterzuivering wordt weergegeven inFiguur 1.
Het project beschikt over 2 biologische tanks. Elke biologische tank is verdeeld in 6 DO-controlezones, wat resulteert in een totaal van 12 DO-controlezones voor de biologische tanks van de fabriek. Het ontwerpdiagram van het precieze beluchtingssysteem wordt getoond inFiguur 2.
Om een nauwkeurige beluchting te realiseren is een compleet regelnetwerk voor het nauwkeurige beluchtingssysteem nodig. De automatiseringscommunicatietopologie van het precieze beluchtingssysteem wordt weergegeven inFiguur 3.
Het precieze hoofdstation van het beluchtingssysteem verkrijgt rechtstreeks relevante parameters van de beluchtingsventilatoren via communicatie, verzamelt signalen van on-monitoringinstrumenten ter plaatse en verzendt commando's voor besturingsaanpassingen naar de kleppen van de apparatuur en het ventilatorsysteem, waardoor een volledig automatische controle van het beluchtingsproces en een gecoördineerde regeling van debietregelkleppen en ventilatoren wordt bereikt.
1.3 Hardwarecomponenten van het nauwkeurige beluchtingssysteem
Voor elke DO-controlezone wordt één online DO-analysator geconfigureerd. Eén thermische gasstroommeter en één elektrische regelklep zijn geconfigureerd op de beluchtingsaftakleiding die overeenkomt met elke DO-regelzone. Eén thermische gasstroommeter en één druktransmitter zijn geïnstalleerd op de hoofduitlaatleiding in de ventilatorruimte.
De configuratietabel voor apparatuur en instrumenten voor het precieze beluchtingssysteem vindt u inTabel 1.
1.4 Softwarecomponenten van het nauwkeurige beluchtingssysteem
De software voor het precieze beluchtingssysteem wordt geïnstalleerd en draait op het werkstation van het precieze beluchtingssysteem, dat fungeert als de kernverwerkingseenheid van het systeem. Op basis van verzamelde veldsignalen berekent deze eenheid via een model de biologische luchtbehoefte van de biologische tanks en geeft tegelijkertijd aanpassingscommando's aan veldregelapparatuur. Functioneel gezien omvat het kernmodules zoals de module voor het berekenen van het beluchtingsvolume, de luchtverdelingsmodule en de instellingsmodule voor de optimalisatie van de ventilator.
De precieze beluchtingssysteemsoftware is primair ontworpen op basis van de volgende twee aspecten:
(1) Het nauwkeurige beluchtingssysteem verdeelt het aërobe gedeelte in verschillende onafhankelijke DO-controlezones, die zich kunnen aanpassen aan de vereisten van de procescontrolestroom, waarbij de beluchtingsstroom automatisch wordt aangepast om te voldoen aan de DO-distributieprocesomstandigheden die door de behandelingseenheden worden vereist.
(2) Dankzij het nauwkeurige beluchtingssysteem kunnen gebruikers onafhankelijk doel-DO-niveaus instellen en worden dynamische DO-instelpunten ondersteund. Met het oog op gemak en bedieningsgemak kunnen relevante gegevens in de centrale meldkamer worden bekeken en geconfigureerd.
Het bedieningsmechanisme voor nauwkeurige beluchting geeft prioriteit aan het veld, gevolgd door de centrale besturingscomputer bovenaan, die voornamelijk de klepbediening en de ventilatorbediening omvat.
Klepbediening heeft twee modi: lokale bedieningsmodus en afstandsbedieningsmodus. Op de centrale besturingscomputer boven zijn er twee keuzes: handmatige modus en nauwkeurige beluchtingsmodus.
De ventilatordrukregeling omvat:
(1) Wanneer de hoofdbesturingskast naar de lokale modus gaat, kan het drukinstelpunt handmatig lokaal worden ingesteld.
(2) Wanneer de hoofdschakelkast naar de automatische modus op afstand gaat, wordt de drukinstelling in twee modi verdeeld: handmatige en nauwkeurige beluchting, en de bedieningsschakelaars naar de centrale controlekamer.
Omdat het beschikt over drie regelmodi - volledig automatische regeling, gedeeltelijke automatische regeling en handmatige geforceerde regeling - en moduswisseling mogelijk maakt, hetzij op- locatie of in de hoofdcontrolekamer, kan het nauwkeurige beluchtingssysteem op adequate wijze omgaan met verschillende situaties die zich voordoen tijdens de werking van de afvalwaterzuiveringsinstallatie.
1.5 Functies van het nauwkeurige beluchtingssysteem
1.5.1 Berekening van de luchtvraag
Het precieze beluchtingssysteem kan op dynamische wijze de werkelijke luchtbehoefte berekenen op basis van veranderingen in verschillende factoren binnen de biologische tanks, waardoor het beluchtingssysteem op verzoek lucht kan leveren. Het luchtvraagberekeningsmodel voor het precieze beluchtingssysteem wordt weergegeven inFiguur4.
Bij praktische toepassingen van nauwkeurige beluchtingsregeling in afvalwaterzuiveringsinstallaties kan het nauwkeurige beluchtingssysteem de feitelijke luchtvraag in realtime- berekenen naarmate de influentstroom en de kwaliteitsbelasting veranderen, waardoor een redelijke beluchting wordt gegarandeerd die voldoet aan de biochemische eisen en tegelijkertijd onnodig energieverbruik voor de beluchting wordt bespaard.
1.5.2 Verdeling van het beluchtingsvolume
Het nauwkeurige beluchtingssysteem omvat meerdere beluchtingsregeleenheden. Het systeem omvat een regelstrategie voor de ontkoppeling van meerdere-kleppen om interferentie van enkele-klepaanpassingen op andere kleppen te onderdrukken. Het beschikt ook over een optimale openingscontrolestrategie met meerdere- kleppen, waardoor snelle en optimale aanpassing van de klepopening mogelijk is om een snelle en nauwkeurige overdracht en verdeling van het beluchtingsvolume over verschillende beluchtingsregeleenheden te bereiken.
1.5.3 Controle van ventilatoroptimalisatie
Energiebesparing in het beluchtingsproces wordt bereikt door de werking van de ventilator te optimaliseren. De kern van het beluchtingssysteem is het regelen van de werking van de ventilator op basis van operationele parameters. Aan de ene kant moeten ventilatoraanpassingen rekening houden met feitelijke operationele parameters; aan de andere kant moet bij het afstellen van de ventilator ook rekening worden gehouden met de bescherming van de apparatuur. Het algemene principe is om ventilatoren onder de meest economische omstandigheden te laten werken en tegelijkertijd abnormale ventilatoromstandigheden (zoals pieken) te voorkomen.
Het nauwkeurige beluchtingssysteem berekent het benodigde luchtvolume op basis van de huidige operationele procesparameters en stuurt het signaal vervolgens naar de regelkast van de ventilator. Handelingen zoals het starten/stoppen van ventilatoren en het aanpassen van openingen worden uitgevoerd op basis van het instelpunt van het totale luchtvolume om aan de beluchtingsvraag van het biologische systeem te voldoen, terwijl overspanningsbeveiligingsdruk wordt gebruikt om ventilatoren tegen overspanning te beschermen. Blowers vormen de kern van procesapparatuur in afvalwaterzuiveringsinstallaties. Het precieze beluchtingssysteem moet de werking van de ventilator regelen om aan de beluchtingsvraag van biologische tanks te voldoen en tegelijkertijd het schommelen van de ventilator te voorkomen.
2 Inbedrijfstelling van het nauwkeurige beluchtingssysteem
Om de normale werking van het nauwkeurige beluchtingssysteem te garanderen, moeten de afzonderlijke apparaten binnen het systeem eerst één voor één in bedrijf worden gesteld. Vervolgens is een gecoördineerde inbedrijfstelling van biologische tankbeluchtingskleppen en ventilatoren noodzakelijk, waarbij het luchtvolume van de ventilator wordt ingesteld en de pijpleidingdrukbewaking wordt geregeld. Tijdens de inbedrijfstelling moeten alle handelingen en aanpassingen ervoor zorgen dat er geen impact is op de productie. In het bijzonder moeten de voorzorgsmaatregelen voor het gebruik van de noodblower worden benadrukt:
(1) Op korte- termijn aanzienlijke schommelingen in de ventilatoropening. Dit systeem maakt gebruik van centrifugaalblowers met magnetische lagers, die in realtime de instelpunten kunnen ontvangen die door het nauwkeurige beluchtingssysteem worden verzonden. De ventilator past zijn openings- en actietijd aan op basis van het verschil. Het nauwkeurige beluchtingssysteem heeft een veiligheidsbeschermingsmechanisme tegen ventilatorfluctuaties om schommelingen veroorzaakt door schommelingen te voorkomen. Mogelijke redenen voor significante schommelingen in de ventilatoropening op de korte- termijn zijn onder meer plotselinge veranderingen in de kwaliteit van het influent, niet-overeenkomende systeemaanpassingsparameters, plotselinge veranderingen in de pijpleidingdruk en defecten aan biologische tankinstrumenten. Voor de veiligheid van de apparatuur, om grote drukschommelingen in de pijpleidingen en risico's van blowerschommelingen te voorkomen, kan het precieze beluchtingssysteem handmatig worden overschreven en naar de handmatige modus worden geschakeld.
(2) Tijdens het aanzwenken van de ventilator. Tijdens de eerste inbedrijfstelling is het soms onvermijdelijk dat de ventilator opzwelt. Mogelijke redenen zijn onder meer onvoldoende coördinatie tussen kleppen en ventilatoren, wat leidt tot verhoogde pijpleidingdruk en stijgingen; of onredelijke ventilatorparameters zelf, waarbij de opening te snel wordt aangepast, waardoor de ventilator zelf gaat schommelen. Wanneer deze fout optreedt, kan het precieze beluchtingssysteem handmatig worden overschreven en naar de handmatige modus worden geschakeld voor gebruik.
3 DO Controle-effectiviteit en energiebesparende resultaten van het nauwkeurige beluchtingssysteem
3.1 DO-controle-effectiviteit van het nauwkeurige beluchtingssysteem
De effectiviteitsverificatie van het precieze beluchtingssysteem voor dit project werd voornamelijk uitgevoerd door scenario's met en zonder tussenkomst van het systeem te vergelijken. Traditionele controlemethoden kunnen niet tijdig en nauwkeurig reageren op de impact van verschillende verstoringen. Wanneer de online gecontroleerde DO-waarde grote fluctuaties vertoont, wordt de variatie van opgeloste zuurstof (DO) in de loop van de tijd op een bepaalde locatie in een biologische tank zonder nauwkeurige beluchting weergegeven inFiguur 5.
Vergeleken met traditionele biologische tankcontrolemethoden kan de nauwkeurige beluchtingscontrolemethode de DO binnen de biologische tank nauwkeuriger regelen, wat een sterker aanpassingsvermogen aantoont, waardoor betere beluchting en energiebesparing mogelijk wordt gemaakt. De trend van opgeloste zuurstof (DO) op een bepaalde locatie in een biologische tank met nauwkeurige beluchting wordt weergegeven inFiguur 6.
Volgens de proefresultaten van het nauwkeurige controlesysteem in dit project is de kans op DO-waarden verdeeld binnen ±0,5 mg/l van het doelinstelpunt 90%; de waarschijnlijkheid binnen ±0,3 mg/l is 30%; en de waarschijnlijkheid binnen ±0,2 mg/l is 20%, wat voldoet aan de ontwerpvereisten en feitelijke operationele behoeften.
3.2 Energiebesparende resultaten van DO-controle met het nauwkeurige beluchtingssysteem
In de meerfasige afvalwaterzuiveringsinstallatie van AAO berekent het nauwkeurige beluchtingssysteem het vereiste totale luchtvolume in realtime- op basis van de huidige influentstroom en belasting tijdens de ventilatorregeling. Vervolgens verzendt hij het instelpunt voor de totale luchtbehoefte naar de hoofdschakelkast van de ventilator, die de bijbehorende ventilatoren regelt volgens het ingestelde doel. Dit zorgt ervoor dat het beluchtingsvolume voldoet aan de werkelijke eisen onder zowel hoge als lage belastingsomstandigheden, terwijl onnodig energieverbruik voor de beluchting wordt verminderd. Onder traditionele controle werken ventilatoren doorgaans continu op een relatief hoog vermogen. Door de nauwkeurige regeling van de ventilatoren door het nauwkeurige beluchtingssysteem wordt real-time aanpassing van het bedrijfsvermogen bereikt, waardoor het doel van energiebesparing wordt bereikt.
Na toepassing van het nauwkeurige beluchtingssysteem profiteert de meer-traps AAO-afvalwaterzuiveringsinstallatie van de normale werking van de behandelingsapparatuur, nauwkeurige instrumentgegevens, stabiele influentstroom en -kwaliteit (niet meer dan ±20% van de ontwerpwaarden), voldoende bedrijfsdruk van de ventilator, continu instelbaar luchtvolume en automatische werking bij constante druk van de hoofdschakelkast.
4 Conclusie
De toepassing van het precieze beluchtingssysteem in de meer-fasen-afvalwaterzuiveringsinstallatie van AAO heeft tot doel een verfijnde operationele oplossing te bieden voor de beluchtingsfase van het afvalwaterzuiveringsproces. De nauwkeurige beluchtingssysteemoplossing is volledig afgestemd op de bedrijfsomstandigheden van de fabriek, waardoor een nauwkeurige beluchtingsregeling wordt bereikt. Op deze basis blijft de microbiële biochemische omgeving stabiel, waardoor de afvalwaterzuiveringsinstallatie wordt geholpen bij het bereiken van een verfijnde, energie-besparende en geautomatiseerde werking van het beluchtingssysteem, waardoor de stabiliteit van de effluentkwaliteit wordt verbeterd.