污水泵站管网系统最优控制策略研究

陈崇局

摘要：城市污水泵站管网系统非常复杂，其流量具有非线性、滞后特性，对能源消耗也非常的大。基于此提出污水泵站管网系统最优的控制方案，使泵站在使用过程中更加的优越，取得最佳的节能效果和最小的污水外溢污染，促进我国城市进程不断加快。

关键词：污水泵站；管网系统；最优控制策略

中图分类号：TU992文献标识码： A

一、引言

近年来，我国城市规模不断扩大，城市污水管网规模范围越来越广、结构越来越复杂。如何对城市污水管网节能、减少不必要的污水外溢污染，是当前我国重点研究的课题之一。目前，我国在污水管网的控制中，专业人才较少，技术水平与国际先进水平相比存在较大的差距，在这样的背景下，相关部门应该不断研究，创新技术，建立以能耗最小、污染最少为目的的污水泵站管网系统，制定出最优的控制策略，实现流量在污水管网中的最佳分配，达到能耗小、污水少的目的。本文就污水泵站管网系统最优控制策略进行讨论分析。

二、污水泵站管网系统概述

城市污水排放系统由集水井、干管网、地下输污支、大小泵组成，是一个较为复杂的系统，主要功能是收集、输送城市用户排放的废水和部分天然降水。为加快管道水的流速，一般情况下会采用污水泵站提升水头加压方法，逐级提升污水派送至污水处理厂。如图1是城市污水泵站管网系统示意图。由于系统流量受人为因素和天然降雨等因素的影响，流量不确定因素比较大，造成扬程多变。合流泵站的主要任务是汇集并提升区域管网积累的污水，阶段逐级提升排入下级污水排放系统或者污水处理厂。污水泵站控制是确定泵站中运行的机组在污水外溢污染最小的条件下，使管网系统污水重力耗能达到达到最少，因此必须严格控制泵机的运行状态。

图1 泵站污水管网系统示意图

三、污水泵站管网系统控制中存在的问题

污水管网内的水大多数都是来自用户的废水和自然降水，受到人为、天时、管道损坏等复杂因素的影响，其流量具有不确定性、非线性，是一个高能耗的系统。近年来，我国现代化进程不断加快，大量的陈旧排水系统阻碍了城市化建设的脚步。为确保污水外溢污染少、实现能耗低，我国污水泵站管网控制存在诸多问题：

（1）人工应付式的直接排放管理和操作，具有一定的经验性，与个人的训练、责任和经验有很大的关联。

（2）大多数泵机是恒速排水，不能做到Q入=Q出，深井泵水容易造成能量的浪费。

（3）泵站之间相互协调性比较差，不能使流入和出量相平衡，非常容易使得污水外溢或者高扬程大能耗泵水，巨大的电费支出可能会给企业带来经济压力。

（4）在对泵站管网系统进行研究时，缺乏对综合系统的模型研究，单纯的停留在风机、水泵变频调速节能的概念上。对污水泵站的变流量、变压力和变扬程没有进行系统的研究，使得在泵站管网系统纳容及相互回流排水节能方面造成了一定程度的不良影响，使得泵机长期处于高能耗的运行，完全不符合当前国家和社会倡导的“能耗最低、污染最小”的理念。

四、污水泵站管网系统最优策略分析

（一）泵站管网系统控制策略的提出

目前，发达国家在污水排水上投入较大，也取得了较好的成效。但是我国对污水泵站管网系统的优化控制研究却十分的少，这是我国一个新的研究领域。为了实现污水流量控制处理中能耗最小、污染最少，以下提出了一种全新的控制策略：

根据我国污水排放的实际情况，提出了智能控制排放污水流量的方法。以污染最少、能耗最小为控制目标，通过对污水流量测控和污水泵站排水量的控制，优化分配各泵站和管线污水流量，以最佳扬程排放实现泵站及其区域管网流量的自动调节，保证各泵机能高效运作并提高节电率。另外，对泵站管网流量进行协调控制，避免管网内的污水从管口和集水井口溢出，造成污染。

（二）污水泵站管网最优控制系统构成

在污水管网控制系统中，由传感器测量污水管网的进水口流量，观察泵站流量的变化率，转化成电压信号；随之把信号传入相关软件控制的计算机中，计算出最小污染、最小能耗前提下各泵站的流量；控制信号控制泵站以及控制管网中各个控制执行机构，使其流量能符合最优流量值。

（三）污水管网控制系统的节电策略

污水泵站管网系统流量排放主要依靠泵站加压，使污水路径和流量能得到最优的分配，管网中的泵站之间能相互协调运行，从而减少污水在运送时泵站机消耗的电能。可以采用变频调速器控制泵机以低电压、慢转速的运行，使Q入=Q出，有效的控制污水泵站进水及管网的水位，降低水泵扬程，在泵机高效率运行时达到最佳的节能效果，取得良好的节能效益。

（四）泵站管网中控室设计优化

污水泵站管理中控室面积设计应该按照泵站规模、自动化水平等进行确定。在条件允许下，可以在中控室内设置眺望机组的平台，便于对其进行维护。中控室运行可以根据泵站的流量和水位的高低对水泵进行控制，使管网中泵站之间能相互协调运行，避免管网内的污水从管口和集水井口溢出，造成环境污染。

五、总结

随着我国城市化进程不断加快，人们的生活水平不断提高，对城市污水处理能力的要求也越来越严格。为实现污水排放能耗最小、污染最少的系统控制目标，就必须不断的对污水泵站管网系统进行探索研究，制定出污水管网控制最优策略，使Q入=Q出，同时对流量多参数协调控制，防止污水从管口、集水井外溢。另外采用变频调速器达到节电的目标，提高泵站机组的运行效率。

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