文献标识码：B文章编号：1003-0492（2023）05-086-05中图分类号：TP273

★赵洪涛（北京碧水源科技股份有限公司，北京102206）

关键词：超滤膜；PID控制；自适应；水锤

1　绪论

随着对环境越来越重视，对污水的排放要求越来越高，进而对污水处理中的工艺提出了更高的要求。处理工艺也从传统活性污泥法、氧化沟工艺发展到A/O、A2/O、SBR等多种工艺^[1]。

近些年来，超滤技术的发展极为迅速，不但在特殊溶液的分离方面有独到的作用，而且在污水处理方面也用得越来越多。例如在海水淡化、纯水及高纯水的制备中，超滤可作为预处理设备确保反渗透等后续设备的长期安全、稳定运行。在食品饮料、矿泉水生产中，超滤也发挥了重要作用。

目前，在大型超滤膜污水处理技术应用中，进水泵的使用效率较低，能耗较高，使用寿命较短，其控制策略不够完善与合理，有待进一步改进与优化，进而提升整个水厂的运行效果。

2　超滤膜系统及项目简介

2.1　超滤膜系统简介

超滤是一种膜分离技术，膜为多孔性不对称结构。其分离过程是在流体压力差的作用下，利用膜对被分离组分的尺寸选择性，将膜孔能截留的微粒及大分子溶质截留，而使膜孔不能截留的粒子或小分子溶质透过膜，使用压力通常为0.03~0.6MPa，筛分孔径为0.005~0.1μm，截留分子量为1000~500,000道尔顿左右^[2]。

OW-UF超滤膜系统由进水单元、膜单元、反洗单元和空气擦洗单元、化学清洗及中和单元、药剂投加单元、压力检测单元及阀门供气单元组成，每一个子单元由相关的构筑物、设备、阀门、仪表和管道管件组成。

2.2　项目简介

本文所结合的污水处理项目为再生水项目，工程设计规模为日处理污水100万吨，设计流量的峰值系数取1.2，出水主要用于河湖补水、工业回用、城市杂用等。按照处理厂出水的主要用途，设计出水水质满足相关再生水水质要求、部分水质达到《地表水环境质量标准》IV类水体标准。

本再生水项目超滤单元共分四个独立超滤产水系列，每系列日产水25万m³/d，每系列都配有独立的进水、产水、反洗、药洗、空气擦洗等系统。此外，每系列膜系统的进水系统又分成2个独立进水单位，即单个进水单位处理量为12.5万m³/d，便于系统灵活运行。整套系统均按全自动运行设计。

其超滤单元工艺流程如图1所示。

图1 超滤单元工艺流程图

2.3　自动控制系统简介

该自动控制系统共设置4套现场PLC控制站（每个系列设置了1个PLC主站），每个主站扩展5个本地PLC柜、4个远程IO站、20个阀岛箱。各个PLC主站之间通过光电交换机相连接，采用光纤环网的网络拓扑结构实现信息共享。控制系统网络拓扑图如图2所示。

图2 控制系统网络拓扑图

3 进水系统控制策略

3.1　进水单元概述

本文所结合的工程项目：超滤膜架总数为80套，分4个系列，每个系列包括20套，每个系列又分为2组，每组10套超滤模架。每组设置进水泵为4台，每个系列中的2组膜架共用1台备用进水泵，当有一侧进水泵不能满足进水需求时，启动备用泵。进水泵总数为36台，每台进水泵的参数为：Q=2150m³/h，H=34m，N=315kW。

3.2　进水系统在整个控制系统中的作用

超滤系统进水系统是将前一个工艺段生物滤池的出水，先输送至自清洗过滤器初步过滤，然后再送至超滤膜系统精细过滤，最后将超滤膜产水输送至后续的其他工艺段，如臭氧、紫外消毒等。进水泵的转速、运行频率、运行数量等均会影响到膜组的产水量，同时进水泵自身的使用效率、稳定性、维护性等会影响整个水厂运行的安全、可靠，以及水厂的运行费用、经济效益等。所以，进水系统在超滤膜整个控制系统中起着至关重要的作用，故进水系统合理、优越的控制策略显得尤为重要，这也是本文研究的重点和意义所在。

3.3　进水泵控制策略的分析比较

在超滤膜污水处理系统中，进水泵控制的通用常规条件如下：

（1）可以手动控制设备启停。

（2）将现场转换开关全部置于自动状态，当超声波液位计（进水池）处于高值，进水泵才能启动。

（3）与超滤组器的进水气动蝶阀（见膜核心单元）联动，任意一个气动蝶阀启动，进水泵启动。

（4）超声波液位计（进水池）处于低值时，进水泵停止运行并报警。

（5）根据压力变送器的设定值恒压PID控制进水泵变频运行，压力变送器值设定为100kPa（可调）。

（6）进水泵前的电动阀在进水泵启动时自动打开，进水泵在此电动阀打开后开始启动。

在以上控制条件的前提下，下面从五个方面来分析比较进水泵的控制策略。

3.3.1　单台泵的PID调节

进水泵的功率为315kW，如果工频直接启动，由于启动电流是额定电流的几倍甚至十几倍，不仅对电网造成冲击，影响其他用电设备的正常运行，而且对超滤膜也会造成巨大冲击，可能导致超滤膜的破损，影响整个水厂的产水量，增加运行维护费用等，故应该变频启动，那么PID调节就是重中之重。下面就PID调节的过程分析比较。

PID控制器的数学模型如下：

u(t)=Kp(e(t)+1/Ti∫e(t)dt+Td*de(t)/dt)

常规PID调节过程是：通过设定比例系数Kp、积分时间常数Ti、微分时间常数Td，使进水泵从0Hz启动直接进入PID自动调节，使其进水泵逐渐趋于稳定，虽然结果能满足恒压要求，但通常调节时间太长，波动较大，进而导致进水泵的使用效率低，能耗高，同时因为趋于稳定时间长，影响膜系统的进水要求，从而对最终的产水量有一定的影响，偏离了目标值。其常规PID调节曲线如图3所示。

图3 常规PID调节曲线

在工程项目实际的调试过程中，我们经过不断的试验论证，最后总结出一种更为合理可靠的调节方法，其调节过程如下：

初始频率不再从0Hz开始，而是选择30Hz开始，这样既可大大缩短PID的调节时间，能够更快速地达到稳定，又不影响进水泵的正常启动以及对其造成的冲击，进而提高了进水泵的使用效率，降低了能耗，也不影响膜组器的产水量。改进后PID调节曲线如图4所示。

图4 改进后PID调节曲线

3.3.2　水锤的影响与防止措施

水锤是指在密闭管路系统（包括泵）内，由于流体流量急剧变化而引起较大的压力波动并造成振动的现象，犹如锤子敲击管道一样，故称为水锤效应，又称“水击”^[3]。其瞬间压力可大大超过正常压力，并经常产生破坏性影响。因开泵、停泵、开关阀门过于快速，使水的速度发生急剧变化，特别是突然停泵引起的水锤可以破坏管道、水泵、阀门，并引起水泵反转、管网压力降低等。为了防止或减轻水锤作用，可采取相应的消除措施，如延缓管路或泵的开闭时间、安装水锤消除器等。

本文所结合的工程实际案例，综合考虑了管道、阀门以及泵的性能特点，硬件上通过在管道上增加泄压阀来调节水量大小，降低了进水泵启停时水量的急剧变化，避免水锤影响；软件上经过反复试验调试，证实利用以下进水泵的开启、关闭控制策略，可实现水泵的平稳启停，进而避免巨大水锤对泵的使用寿命以及管道的影响，最终达到整个水厂安全、可靠、平稳、经济、节能的运行。具体的控制方法及实验数据如下：

进水泵启动过程：先启泵，等反馈频率达到20Hz时，再打开泵的出水口电动阀，然后等泵的反馈频率达到30Hz时，再开始PID调节，使泵最终趋于稳定运行。

进水泵关闭过程：泵先降低频率到16Hz，然后关闭泵的出水口电动阀，最后再完全停泵。

3.3.3　各进水泵多频段自适应智能启停及控制

在大型的超滤膜污水处理系统中，进水泵数量多、功率大，自身的成本很高，那么如何使各个进水泵达到最佳性能、使用效率最高、维护成本最低，是值得研究与改进的。

本文所结合的工程实际案例每个系列有9台进水泵，每组有4台，另外一台为两组共同备用，经过现场多次调试验证，最终总结出各进水泵多频段自适应智能启停及其控制规律如下：

综合考虑进水池液位、产水流量、进水压力、每台泵的累计运行时间等因素，当进水池液位大于等于泵的启动液位时（液位判定需延时5s，以防液位不稳定），为满足产水的需求，会根据泵的累计运行时间依次启动不同的进水泵，累计运行时间短的泵优先开启（启动方法及PID调节控制依然遵循以上第一、二条的规律），当第一台泵稳定到45Hz仍不能满足产水需求时，启动第二台泵，以此类推；当所需的产水量变小或者进水池液位小于等于泵的停止液位时（液位判定需延时5s，以防液位不稳定），开启的泵同样会依照其累计运行时间依次停止不同的进水泵，累计运行时间长的泵会优先停止（停止方法及PID调节控制依然遵循以上第一、二条的规律）。

通过此方法，可防止某一台进水泵频繁运行，而有的进水泵却一直闲置，整体上延长了泵的工作寿命，加强了泵的使用效率，减少了泵的损坏与维修，进而整体上提升了泵的使用性能，降低了能耗与损失。

以上三种控制策略可通过图5直观地展现出来。

图5 进水泵的启停过程及PID调节

3.3.4　进水泵运行频率的判断

我们在项目调试过程中发现，仅仅靠前边所述的判断条件启动进水泵还是不够，因为膜系统产水数量不定，所需进水泵数量也会变化，所以需要根据进水泵运行频率来判断当前进水泵能否满足进水要求，是需要启动进水泵还是停止进水泵。这样才能确保膜系统的产水目标值，进而使进水泵的使用效率最高，控制策略最有效。

3.3.5　控制过程加入启动间隔

在项目调试过程中，新启动或停止进水泵后，由于启、停操作需要较长时间，且启、停后，水量稳定也需要时间，所以在一次启、停操作结束后，间隔一段时间再进行频率判断，决定是否需要启动或停止进水泵，可有效避免进水泵频启、频停而损坏设备。

3.4　通用规律与模型

基于上述工程实际案例，我们经分析总结，最后得出同类大型超滤膜进水泵的通用控制模型与规律可用于其他类似工程的控制及调试参考的结论。此类通用模型的基本参数大致如下：超滤膜架总数为m个（m>20），分n个系列，每个系列包括m/n个，每个系列含进水泵h台，每个系列进水总管上设有流量变送器、压力变送器和温度变送器。

首先，此类工程实例的通用控制器模型可概括如下：

具体的分段函数表示如下：

对应的控制曲线如图6所示。

图6 进水泵通用控制曲线

其中，u（t）为控制器输出，fa为初始频率，fb为打开泵出水口电动阀的频率，fc为开始PID调节的频率，k1、k2为进水泵线性升频时的比例系数，ta、tb、tc、td分别为不同阶段所对应的时间，Kp、Ti、Td分别为PID控制的比例系数、积分时间常数、微分时间常数，S为设定的进水压力值，y（t）为压力变送器的实时值，e（t）为设定值与实时值的偏差。以上所有具体参数，需依据各个实际工程项目具体分析设定。

其次，综合上述控制模型，其控制规律与策略详细阐述如下：

进水泵宜采用变频控制，初始频率从fc开始，可大大缩短PID的调节时间，能够更快速地达到稳定，进而提高进水泵的使用效率，降低能耗，也不影响膜组器的产水量。

进水泵启动过程：先启泵，等反馈频率达到fb时，再打开泵的出水口电动阀，然后等泵的反馈频率达到fc时，再开始PID调节，使泵最终趋于稳定运行。

进水泵关闭过程：泵先降低频率到fd，然后关闭泵的出水口电动阀，最后再完全停泵。

最后，根据需要对进水泵启停设置运行频率的判断及启动间隔。

4  结论

本文通过实际工程案例，基于最基本的控制条件，再结合调试过程中的反复尝试、比较、分析、论证，最后得出一种全新、合理、高效的进水泵控制策略。此控制策略从不同的影响因素、控制方法等方面多角度综合性地进行了分析比较，最后的控制效果也是非常可观，不仅提高了进水泵自身的合理性、稳定性、使用性，同时也确保了超滤膜系统的产水量，并在一定程度上防止了超滤膜的冲击损坏，使整个水厂能够安全、可靠、合理、稳定的运行。最后此控制策略还可作为同类项目的参考，可以减少调试人员的工作量、降低运行成本与维护费用。

作者简介：

赵洪涛（1977-），男，北京人，工程师，学士，现就职于北京碧水源科技股份有限公司，主要从事工业自动化方面的研究。

参考文献：

[1] 冯杰. 城市污水处理工艺综合比选研究[D]. 重庆: 重庆学报, 2007 : 60.

[2] 韩继珍. 浅谈环保工程水处理超滤膜技术及应用[J]. 科技创新与应用. 2016 (15) : 178.

[3] 金锥, 姜乃昌, 等. 停泵水锤及其防护[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2004 : 4 - 26.

 摘自《自动化博览》2023年5月刊