一种污水厂站网调度方法及系统

技术领域

本发明涉及污水处理技术领域，特别涉及一种污水厂站网调度方法及系统。

背景技术

随着我国城镇化进程不断加快，城市水环境问题形势严峻，现阶段通过提高城市污水收集处理效能是解决城市水环境问题的重要途径。我国城市污水普遍存在着水质水量波动大、泵站能耗高等现象，配套管网雨污分流不彻底，影响污水厂处理效果，导致污水处理资源浪费。另外，我国城市污水管网、污水泵站与污水处理厂大都独立运行，污水处理厂以排放水质达标为目标，污水管网与污水泵站以管网不冒溢为目标，污水设施运行目标不同，信息缺乏互通互融，导致最终各自独立运行，大大降低了污水收集处理效能。

现有的城市污水排水系统控制技术，难以满足提高污水收集处理效能的需求，控制对象多为单体设施，以人工控制为主，自动化控制为辅，污水处理厂大都根据进水泵房液位控制进水流量，在进水泵房安装固定监测设备，实时监测进水泵房液位，人工控制水泵启停，或通过PLC控制系统实现污水处理厂进水泵房恒定液位开启泵，变频控制恒定流量。也有相关研究，以泵站和污水处理厂SCADA系统、管网在线监测为基础，利用物联网技术实时采集数据，通过模糊控制、经验规律控制等方法实现污水系统水量联合调度，提高城市污水收集效能。

但现有污水系统联合调度技术多以水量为控制指标，无法解决水质波动问题，鲜有报道城市污水厂站网调度技术，主要原因是污水处理厂、污水管网、污水泵站结构关系复杂，管网液位控制缺乏系统性，运行情况多变，水质水量信息互融存在壁垒，缺乏泵站间联合调度控制技术。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺陷，降低污水水质水量波动，提高污水收集处理效率。

为实现以上目的，一方面，采用一种污水厂站网调度方法，包括如下步骤：

采集污水厂站网调度所需数据，所需数据包括污水处理厂、一级泵站、二级泵站和管网的监测数据；

根据调度所需数据及控制条件，计算控制结果，并以控制结果为依据对污水厂站网进行调度。

进一步地，所述根据调度所需数据及控制条件，计算控制结果，并以控制结果为依据对污水厂站网进行调度，包括：

基于管网液位对泵站输送流量补偿控制条件，对所述管网的监测数据进行计算，得到第一调度结果，并根据第一调度结果补偿控制泵站污水输送量，所述第一调度结果包括液位波动系数和污水补偿输送量；

基于一级泵站与污水处理厂输送控制条件，对所述一级泵站及所述污水处理厂的监测数据进行计算，得到第二调度结果，并根据第二调度结果控制所述一级泵站污水输送量，所述第二调度结果包括所述一级泵站的水质波动系数和一级泵站污水输送量；

基于二级泵站与一级泵站污水输送控制条件，对所述二级泵站的监测数据进行计算，得到第三调度结果，并根据第三调度结果控制所述二级泵站污水输送量，所述第三调度结果包括二级泵站污水输送量分配系数和二级泵站污水输送量。

进一步地，所述根据调度所需数据及控制条件，计算控制结果，并以控制结果为依据对污水厂站网进行调度，还包括：

基于泵站节能运行控制条件，对所述一级泵站和二级泵站的监测数据进行计算，得到第四调度结果，并根据第四调度结果控制泵站污水输送量，所述第四调度结果包括进水实际液位差和污水泵站输送量。

进一步地，所述一级泵站与污水处理厂污水输送控制条件：

Q

Q

α＝C

二级泵站与一级泵站污水输送控制条件：

C

管网液位对泵站输送流量补偿控制条件：

Q

泵站节能运行控制条件：

W＝ρgQ

ΔH＝H-H

其中，调度系统设有一级泵站、二级泵站一、二级泵站二，Q

进一步地，还包括：

在管网液位超过系统设定限值时，发出液位异常信号。

另一方面，采用一种一种污水厂站网调度系统，包括：数据库和调度单元，其中：

数据库用于存储污水厂站网调度所需数据，所需数据包括污水处理厂、一级泵站、二级泵站和管网的监测数据；

调度单元用于根据调度所需数据及控制条件，计算控制结果，并以控制结果为依据对污水厂站网进行调度。

进一步地，所述调度单元包括补偿调度控制单元、水量调度控制单元和水质调度控制单元，其中：

补偿调度控制单元基于管网液位对泵站输送流量补偿控制条件，对所述管网的监测数据进行计算，得到第一调度结果，并根据第一调度结果补偿控制泵站污水输送量，所述第一调度结果包括液位波动系数和污水补偿输送量；

水量调度控制单元用于基于一级泵站与污水处理厂输送控制条件，对所述一级泵站及所述污水处理厂的监测数据进行计算，得到第二调度结果，并根据第二调度结果控制所述一级泵站污水输送量，所述第二调度结果包括所述一级泵站的水质波动系数和一级泵站污水输送量；

水质调度控制单元用于基于二级泵站与一级泵站污水输送控制条件，对所述二级泵站的监测数据进行计算，得到第三调度结果，并根据第三调度结果控制所述二级泵站污水输送量，所述第三调度结果包括二级泵站污水输送量分配系数和二级泵站污水输送量。

进一步地，所述调度单元还包括节能调度单元，基于泵站节能运行控制条件，对所述一级泵站和二级泵站的监测数据进行计算，得到第四调度结果，并根据第四调度结果控制泵站污水输送量，所述第四调度结果包括进水实际液位差和污水泵站输送量。

进一步地，所述一级泵站与污水处理厂污水输送控制条件：

Q

Q

α＝C

二级泵站与一级泵站污水输送控制条件：

C

管网液位对泵站输送流量补偿控制条件：

Q

泵站节能运行控制条件：

W＝ρgQ

ΔH＝H-H

其中，调度系统设有一级泵站、二级泵站一、二级泵站二，Q

进一步地，还包括液位报警单元，用于在管网液位超过系统设定限值时，发出液位异常信号，反馈污水厂站网调度系统液位异常。

与现有技术相比，本发明存在以下技术效果：本发明提供多种控制条件下联合调度方法，可实现污水处理厂、污水泵站与污水管网联合调度运行，实现污水处理厂进水稳定、泵站节能运行，降低污水水质水量波动，提高污水收集处理效率。且整个控制系统结构简单，安装方便，操作智能，运行稳定，可远程自动化控制。

附图说明

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述：

图1是一种污水厂站网调度方法流程图；

图2是一种污水厂站网调度系统结构图；

图3是污水厂站网调度控制流程图；

图4是补偿调度单元控制流程图；

图5是节能调度单元中泵站结构示意图。

具体实施方式

为了更进一步说明本发明的特征，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图。所附图仅供参考与说明之用，并非用来对本发明的保护范围加以限制。

如图1所示，本实施例公开了一种污水厂站网调度方法，包括如下步骤S1至S2：

S1、采集污水厂站网调度所需数据，所需数据包括污水处理厂、一级泵站、二级泵站和管网的监测数据；

S2、根据调度所需数据及控制条件，计算控制结果，并以控制结果为依据对污水厂站网进行调度。

需要说明的是，污水处理厂的监测数据包括水质、流量与液位数据，一级泵站的监测数据包括水质、流量与液位数据，二级泵站的监测数据包括水质、流量与液位数据，管网数据包括管网液位数据。

作为进一步优选的技术方案，上述步骤S2：根据调度所需数据及控制条件，计算控制结果，并以控制结果为依据对污水厂站网进行调度，包括如下细分步骤S21至S24：

S21、基于管网液位对泵站输送流量补偿控制条件，对所述管网的监测数据进行计算，得到第一调度结果，并根据第一调度结果补偿控制泵站污水输送量，所述第一调度结果包括液位波动系数和污水补偿输送量；

S22、基于一级泵站与污水处理厂输送控制条件，对所述一级泵站及所述污水处理厂的监测数据进行计算，得到第二调度结果，并根据第二调度结果控制所述一级泵站污水输送量，所述第二调度结果包括所述一级泵站的水质波动系数和一级泵站污水输送量；

S23、基于二级泵站与一级泵站污水输送控制条件，对所述二级泵站的监测数据进行计算，得到第三调度结果，并根据第三调度结果控制所述二级泵站污水输送量，所述第三调度结果包括二级泵站污水输送量分配系数和二级泵站污水输送量；

S24、基于泵站节能运行控制条件，对所述一级泵站和二级泵站的监测数据进行计算，得到第四调度结果，并根据第四调度结果控制泵站污水输送量，所述第四调度结果包括进水实际液位差和污水泵站输送量。

作为进一步优选的技术方案，所述一级泵站与污水处理厂污水输送控制条件：

Q

Q

α＝C

二级泵站与一级泵站污水输送控制条件：

C

管网液位对泵站输送流量补偿控制条件：

Q

泵站节能运行控制条件：

W＝ρgQ

ΔH＝H-H

其中，调度系统设有一级泵站、二级泵站一、二级泵站二，Q

需要说明的是，本实施例根据污水处理厂数据运行库以及进水设计指标，设定污水处理厂及污水泵站的目标进水浓度和和目标进水流量；一级泵站和二级泵站均包括泵机机组、进水池和出水池，根据泵站进水池液位变化与流量-扬程曲线设定泵站目标液位。

作为进一步优选的技术方案，上述步骤S21：基于管网液位对泵站输送流量补偿控制条件，对所述管网的监测数据进行计算，得到第一调度结果，并根据第一调度结果补偿控制泵站污水输送量，所述第一调度结果包括液位波动系数和污水补偿输送量，具体用于对一级管网、二级管网运行液位补偿控制，将第一调度结果反馈泵机机组开启频率，补偿控制污水流量输送。当管网运行液位低于目标液位时，提高上级泵站流量输送；当管网运行液位高于目标液位时，降低上级泵站流量输送。

作为进一步优选的技术方案，上述步骤S22：基于一级泵站与污水处理厂输送控制条件，对所述一级泵站及所述污水处理厂的监测数据进行计算，得到第二调度结果，并根据第二调度结果控制所述一级泵站污水输送量，所述第二调度结果包括所述一级泵站的水质波动系数和一级泵站污水输送量，具体为：

将第二调度结果反馈泵机开启频率，控制一级泵站流量输送；当一级泵站污染物进水实时浓度小于常年平均浓度，α>1，增大泵站输送流量，受液位波动系数γ补偿控制；当一级泵站污染物进水实时浓度大于常年平均浓度，0<α<1，降低泵站输送流量，受液位波动系数γ补偿控制。

作为进一步优选的技术方案，上述步骤S23：基于二级泵站与一级泵站污水输送控制条件，对所述二级泵站的监测数据进行计算，得到第三调度结果，并根据第三调度结果控制所述二级泵站污水输送量，所述第三调度结果包括二级泵站污水输送量分配系数和二级泵站污水输送量，具体为：

将第三调度结果反馈泵机开启频率，控制各二级泵站流量输送，二级泵站间分配调度受液位波动系数γ补偿控制。

作为进一步优选的技术方案，上述步骤S24：基于泵站节能运行控制条件，对所述一级泵站和二级泵站的监测数据进行计算，得到第四调度结果，并根据第四调度结果控制泵站污水输送量，所述第四调度结果包括进水实际液位差和污水泵站输送量，具体为：

将第四调度结果反馈泵机开启频率，控制运行液位提高泵机节能效应；当目标液位<泵站进水池实际液位<安全液位上限，ΔH>0，泵站处于节能运行状态；当安全液位下限<泵站进水池实际液位<目标液位，ΔH<0，泵站处于增耗运行状态。

作为进一步优选的技术方案，本实施例包括：在管网液位超过系统设定限值时，发出液位异常信号。

如图2至图5所示，本实施例还公开了一种污水厂站网调度系统，包括：数据库和调度单元，其中：

数据库用于存储污水厂站网调度所需数据，所需数据包括污水处理厂、一级泵站、二级泵站和管网的监测数据；

调度单元用于根据调度所需数据及控制条件，计算控制结果，并以控制结果为依据对污水厂站网进行调度。

以下通过单座一级泵站与两座并联二级泵站的污水厂站网调度系统为例对技术方案进行详细说明，需要说明的是，本实施例设置的泵站级别和数量是为更加清楚阐述污水调度，本领域技术人员也可根据实际情况设置多座一级与二级污水泵站，或更高级别泵站，其污水厂站网调度的原理相同。

污水厂站网调度系统中，污水泵站设有一级泵站和二级泵站，一级泵站由单座污水泵站组成，二级泵站由两座并联污水泵站组成，一级泵站通过一级管网与污水处理厂连接，两座二级泵站以并联形式通过二级管网与一级泵站连接。城市污水经两座二级泵站收集，通过二级管网汇流至一级泵站，经一级管网流向污水处理厂进水泵房，污水经污水处理厂处理达标后排入水体。

污水厂处理厂、一级泵站、二级泵站分别设有在线监测仪表，实时监测液位、流量与水质数据；在一级管网、二级管网分别安装液位计，实时监测管网液位数据。

需要说明的是，污水处理厂在线监测仪表安装于进水泵房，一级泵站、二级泵站在线监测仪表分别安装于进水池与出水池，一级管网、二级管网液位计安装于管网下游处，水质监测指标主要包括COD、总氮、氨氮以及总磷。所用的在线监测仪表集自动监测、存储和通讯功能为一体，具有数字输出接口，可连接到独立的数据采集传输仪，上位机通过传输网络与数据采集传输仪进行通讯，将实时监测数据储存于数据支持库。

作为进一步优选的技术方案，所述调度单元包括补偿调度控制单元、水量调度控制单元、水质调度控制单元和节能调度单元，其中：

补偿调度控制单元基于管网液位对泵站输送流量补偿控制条件，对所述管网的监测数据进行计算，得到第一调度结果，并将第一调度结果补偿反馈泵机开启频率，补偿控制污水泵站流量输送，当管网运行液位低于目标液位时，提高上级泵站流量输送，当管网运行液位高于目标液位时，降低上级泵站流量输送，所述第一调度结果包括液位波动系数和污水补偿输送量；

水量调度控制单元用于基于一级泵站与污水处理厂输送控制条件，对所述一级泵站及所述污水处理厂的监测数据进行计算，得到第二调度结果，并将第二调度结果反馈泵机开启频率，控制所述一级泵站污水输送量，所述第二调度结果包括所述一级泵站的水质波动系数和一级泵站污水输送量；

需要说明的是，当进水泵房浓度低于目标值，提高一级泵站输送流量，对应着一级管网液位升高；当进水泵房浓度高于目标值，降低一级泵站输送流量，对应着一级管网液位降低，进水泵房与一级泵站污水调度受管网液位限制，补偿调度单元根据管网液位实时变化，补偿调整泵站输送流量，当管网液位超出安全限值，液位报警单元发出预警信号，污水厂站网调度系统可由自动控制切换至人工控制。

水质调度控制单元用于基于二级泵站与一级泵站污水输送控制条件，对所述二级泵站的监测数据进行计算，得到第三调度结果，并将第三调度结果反馈泵机开启频率，控制各二级泵站污水输送量，二级泵站间分配调度受液位波动系数γ补偿控制，所述第三调度结果包括二级泵站污水输送量分配系数和二级泵站污水输送量；

需要说明的是，实施例污水联合调度过程中二级泵站并联控制是实现水质稳定的重要途径，城市的区域性发展决定区域水质存在差异化，二级泵站或更高级别的泵站，收集范围内的水质差异明显，预先通过泵站调度可降低水质波动对污水处理厂的冲击。一级泵站与二级泵站污水输送控制条件，以设定的污水处理厂流量和浓度为目标，稳定一级泵站进水水质水量，则需要通过二级泵站并联调度，将不同浓度污水按分配系数汇水，实现污水处理厂最终进水稳定。

节能调度单元用于基于泵站节能运行控制条件，对所述一级泵站和二级泵站的监测数据进行计算，得到第四调度结果，制定泵机能耗优化策略，将第四调度结果反馈泵机开启频率，控制泵站污水输送量，所述第四调度结果包括进水实际液位差和污水泵站输送量。

作为进一步优选的技术方案，所述一级泵站与污水处理厂污水输送控制条件：

Q

Q

α＝C

二级泵站与一级泵站污水输送控制条件：

C

管网液位对泵站输送流量补偿控制条件：

Q

泵站节能运行控制条件：

W＝ρgQ

ΔH＝H-H

其中，调度系统设有一级泵站、二级泵站一、二级泵站二，Q

作为进一步优选的技术方案，本系统还设有液位报警单元，用于在管网液位超过系统设定限值时，发出液位异常信号，反馈污水厂站网调度系统液位异常，调度系统可由自动控制切换至人工控制。

通过设置液位报警单元根据管网安全液位限值与实时液位变化情况，提供液位预警和泵站强制启停功能，保障控制系统安全稳定运行。

需要说明的是，一级泵站与二级泵站污水调度受管网液位限制，补偿调度单元根据管网液位实时变化，补偿调整泵站输送流量，当管网液位超出安全限值，液位报警单元发出预警信号，污水厂站网调度系统可由自动控制切换至人工控制。

需要说明的是，本调度系统执行过程出现异常情况，如偷排大流量、高浓度污染物进入污水厂站网系统，应及时查明及处理异常原因，降低对调度系统冲击影响。另外，系统执行过程由自动控制系统转为手动控制系统。

需要说明的是，本实施例提供的污水联合调度控制系统，采用可编程的PLC控制系统，其内部嵌入存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字输入/输出控制水泵开启，基于数据支持库预先设置控制信息，数据计算单元执行运算，计算泵站污水输送量，控制一级泵站、二级泵站与污水处理厂泵机开启频率。现有PLC产品已形成标准化、系列化、模块化，硬件配套齐全，用户使用方便，适应性高，抗干扰能力强，可保障污水厂站网调度系统稳定运行。

本实施例的一种污水厂站网调度系统在执行过程中，进水泵房、泵站目标水质与目标流量、管网安全液位限值、数据计算单元计算公式等控制参数均可通过控制系统人机交互界面设置。

以下通过一具体应用实例对本方案进行说明：

某污水处理厂进水目标流量为2500m

根据一级泵站与污水处理厂污水输送控制条件，计算可得一级泵站COD控制浓度为247mg/L，水质波动系数α为0.93，则通过水量调度单元实时调整一级泵站输送流量为2050m

为降低一级泵站水质波动影响，通过二级泵站与一级泵站污水输送控制条件，计算可得二级泵站分配系数β为1.19，则通过水质调度单元将COD实时浓度为400mg/L的泵站输送流量调整为870m

需要说明的是，检查井、外水输送流量和污染物浓度以及降解系数均可实测，经验系数结合现场实际运行情况获取，另外，泵站输送流量调整是通过调节输水泵电机运行频率。

在一个实施案例中，设定管网目标充满度为0.7，当系统污水浓度发生较大波动时，通过二级泵站与一级泵站污水输送控制条件、一级泵站与污水处理厂污水输送控制条件，控制泵站响应调整流量输送，使得管网运行液位发生变化，液位过低过高均会对系统运行造成影响。当管网污水充满度为0.8时，依据管网液位对泵站输送流量补偿控制条件，计算液位波动系数γ为0.875，补偿控制一级泵站出水流量1925m

需要说明的是，液位波动系数与经验系数θ应结合现场实际运行情况获取。

在一个实施案例中，管网管径为1000mm，设定管网目标充满度为0.7，△H进水池实际液位与目标液位差值为-20mm，即管网实际充满度为0.5，根据泵站节能运行控制条件W＝ρgQ△H，将管网运行充满度提高至0.7，泵站能耗将降低30％-40％。

需要说明的是，泵站能耗计算应依据泵机实际情况。

在一个实施案例中，本发明中一种污水厂站网调度系统执行过程包括：当污水处理厂进水水量水质发生波动，污水厂站网调度系统产生响应，根据水量调度单元控制条件，实时计算一级泵站输送流量，反馈PLC自控系统调整泵站开启频率，实现一级泵站与污水处理厂间的联动调度；为保障污水处理厂稳定进水，核心关键控制一级泵站进水稳定，通过二级泵站污水分配调度，降低过高过低浓度污水的影响，根据水质调度单元控制条件，计算二级泵站调度分配系数β，反馈PLC自控系统调整泵站开启频率，实现二级泵站内并联调度及与一级泵站间的串联调度。在满足污水厂站网调度需求下，节能调度单元依据管网液位变化，优化泵站输送扬程，根据泵站节能运行控制条件，计算系统运行过程最优ΔH，反馈PLC自控系统调整泵站开启频率，实现泵站节能运行。整个执行过程中，补偿调度单元依据液位波动系数γ实时补偿控制泵站输送流量，当管网液位过高过低时，补偿反馈PLC自控系统调整泵站开启频率，保障污水厂站网调度系统稳定运行。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。