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"污水管网--污水处理厂联合运行与调度系统":引领污水处理系统智能化升级

2018-08-02 来源:中国经济信息社

生态文明建设对污水处理提出更高要求,智能化运行管理成为保障污水处理系统高效、安全、满负荷运行的重要前提。无锡市排水有限公司联合清华大学、北京清华同衡规划设计研究院有限公司、无锡比目鱼电子产品有限公司,自主研发建设“污水管网——污水处理厂联合运行与调度系统”,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,集成排水业务管理系统、GIS系统等,为联合调度、优化运行、安全管理提供保证。污水处理系统真正实现自行感知、自行判断、自行决策和自行调节,推动污水处理系统由“经验模式”下的人工调度向“数字模式”下的智能调度转型。

人工调度亟需数字化、智能化转型

污水管网、污水泵站和污水处理厂共同组成了一座城市庞大的污水处理系统。管网中的水量和水质、泵站的集水量、流量直接影响到污水处理厂的工艺与运行情况,关系整个系统的稳定与安全。

地处太湖流域核心区域的无锡市,主城区内现有3座污水处理厂,现状总规模为67万m3/d;有人值守泵站32座,无人值守泵站62座;由公司投资建成的现状污水管道总长1456km,污水主管网遍布城市“细枝末节”。

如何保障这些污水处理设施高效、安全、满负荷运行,实现污水达标排放、设备节能降耗、人员成本降低,考验着污水处理系统的管理运行能力。

据无锡市排水有限公司副总工程师陆永宏介绍,在2010年以前,无锡市各污水泵站、污水处理厂广泛采用SCADA系统,实现了对泵站、污水厂现场运行设备的远程“自动化”控制,让现场无人值守成为现实。

依托SCADA系统,利用物联网传感技术,在泵站、污水厂关键节点设置传感器采集数据信息,并通过工业网络上传到众多的现场分控站点,分控站点将采集的数据通过有线电缆传到中控室的PLC可编程控制器内进行解码分析,再借助VPN专线连接至调度中心,工作人员依据数据监测现场设备运行状况,下达调控指令,控制设备启停、调节参数等。

陆永宏说:“SCADA系统虽然实现了污水处理设备的‘自动化控制’,但是下达的调度指令主要依靠工作人员通过网络远程操作,人员精简目标未能完全实现;调节的幅度凭借工作人员的经验,这种‘经验模式’下的人工调度,稳定性较低,给正常生产运行带来不确定因素;且局限于一座座泵站、污水厂内部,未能实现多级有效联动,只能由工作人员单独分开操作,效能不高。”

“这些污水处理设施就像一支装备精良的部队,时刻守卫着城市水环境‘生命线’,但他们缺乏一位领军作战的指挥官,孤军奋战只会降低整个排水系统的利用效率,一旦遇到突发紧急情况,难免陷入一盘散沙的混乱局面。” 我们所期待的“指挥官”,就是“污水管网——污水处理厂联合运行与调度系统”。

作为国家“十二五”水专项课题研究,该系统由无锡市排水有限公司联合清华大学、北京清华同衡规划设计研究院有限公司、无锡比目鱼电子产品有限公司在“十二五”期间自主研发建设。

该系统以泵站和污水处理厂原有SCADA系统、管网在线监测为基础,联合调度获取实时数据,应用物联网原理、硬件与技术,实现系统的联合调度、优化运行和安全管理。真正实现系统自行感知、自行判断、自行决策和自行调节,让污水泵站、管网、污水厂多级联动,形成最优化污水处理方案。

在感知层,利用分布在管网、泵站、污水厂等工艺段的各种测量仪表和摄像、GPS终端等感知设备,采集液位、水量、水质(电导、pH、ORP、COD、氨氮等)数据。这些传感设备的信号数据,将通过Modbus、4~20mA等各种网络协议传送到控制层分控站PLC内,然后打包传输到污水厂中控室。

在中控室设置一套通信PLC,其对数据进行解码分析后通过以太网传送到调度中心;而来自污水管网的传感数据将直接通过GPRS网络传送到应用层的调度中心。

调度中心监控计算机接收到这些数据后,将利用建立的数据模型对这些数据分析存储,并结合预先设定好的控制策略,自动生成各种调度指令控制调节现场的水泵、阀门等设备,以确保系统内各设备运行在最优状态。

“污水管网——污水厂联合运行与调度系统”已在无锡市城北污水处理厂完成试点应用,并顺利通过住建部课题任务验收。

该示范工程涉及面积约 83.8 平方公里,包含区域内泵站和主干管,管网长度约 203.5 公里,污水管网包含节点 5290 个,管道 5309 根,4座有人污水泵站,覆盖293个子服务区。

陆永宏介绍,该系统填补了国内污水处理行业空白,实现了由“经验模式”下的人工调度向“数字模式”下的智能调度转型。还有效降低了人员成本,以前平均需要4至5个人值守一座泵站,应用该系统后,18个工作人员即可监守全市94座泵站。

通过示范工程的实施,有效提高了污水处理厂的运行安全水平,提高了系统的运行调度能力,实现了泵站运行的节能降耗。

锡澄泵站数据显示,去年5月10日至14日,经由联合调度后的液位有效稳定在2.5米左右,在5月15日至19日,经由人工调度后的液位则在1~4米之间跳跃变动。在联合调度运行期间,污水处理厂进水水质浓度提高在5%~15%之间,同期相比管网冒溢率降低了40%,在近似工况(如连续晴天)下能耗可以降低10%左右。

锁定技术难题,智能优化运行管理方案

陆永宏说:“污水管网、泵站、污水处理厂的多级联动调度,对数据采集、网络传输和业务管理都提出了很高的要求”。无锡市排水有限公司锁定三个技术难题,实现智能优化运行管理方案。

——自主研发高性能、低成本的在线监测设备

在线监测仪表处于整个系统的感知层,其监测结果直接关系到系统的实时调度决策。课题组研究开发了可以实现污水管网水量水质信息高密度集成测试的在线监测设备,和基于局部小区域网络的管网在线监测系统,克服了污水管网运行环境条件差、在线监测信号传输稳定性差、远端监测设备能耗高、信号干扰大等一系列污水管网在线监测难题。

在城北污水处理厂三期Oral氧化沟、紫外线消毒池等,一个个不起眼的铁箱子立在进水点前一旁,打开箱门,仪表盘上,硝氮、氨氮浓度等水质数据映入眼帘。

在紫外消毒池内,测定仪一头有一根长约50CM,宽约5公分的管道连接到消毒池内,依靠前端探头里的传感器每隔5分钟刷新一次,自动采集最新、最全的水质数据。

据无锡市比目鱼电子产品有限公司创始人李小凯介绍,这是项目组自主研发的“多参数水质测定仪”,运用光谱法、电极法实现连续测定出水硝氮和氨氮浓度,这一技术填补了国内市场空白。

李小凯说:“以前使用的水质测定仪每隔2小时才能采集一次数据,一旦发现问题,根本来不及应对,且使用寿命短,3年左右就得更换一次。而这款设备使用寿命达7年左右,而成本仅为国外进口设备的一半,真正做到了高性能、低成本。”

——突破网络传输制约,设置“双重模式”策略

李小凯说:“厂网联动不同于厂区自动化控制,其铺设专用的工业控制网络造价极高,只能借用公用网络(VPN)或GPRS网络(公网),但其数据延时比较长,在网络异常情况下,数据甚至会丢失。”

如在污水厂区内,传感器的信号通过工业网络,使用4~20mA信号、Modbus协议、Profibus DP协议等传送到分控站内,分控站与厂区中控室之间的通信由单独铺设的光纤完成,而到了厂网联动层面,中控室则使用VPN专线与调度中心进行通信。

“为了避免通信运营商网络异常造成的数据中断,每条数据在传送时都附加一个‘时间戳’。同时各个控制器之间还通过‘心跳包’来检验通信是否正常。”李小凯说。

通过使用“时间戳”和“心跳”,可以在污水厂、泵站设置“双重模式”策略,即在网络正常情况下,使用“联合调度”模式,在网络异常时则恢复到原SCADA系统“自动控制”模式并产生报警提醒用户注意。

为了解决复杂网络通讯系统的控制稳定性问题,课题组开发了基于管网液位驱动的离散化智能动态控制方法,实现了管网与泵站、泵站与污水厂之间联动稳定调度控制,建立了基于在线数据驱动的智能控制方法,解决了复杂管网系统一体化智能控制中的非线性因素影响下的不容易实现稳定运行控制的难题。

——系统集成,提高联合调度效率

在确保设备自动运行的同时,该系统还集成了排水管理业务系统作为辅助。排水管理业务系统主要利用计算机信息技术以及互联网相关技术,集成GIS系统实现管网基础数据查询、维修派单、巡检管理等功能,用户客户通过计算机、手机等智能终端使用以上功能。

当巡检人员执行日常巡检任务,来到吴越路段的管网前,打开手机APP,扫一下二维码,巡检员的位置会立刻反应到后台系统上。巡检员完成常规管网设备、线路检查后,将现场照片、设备健康状况实时上传到后台系统,一份“电子体检表”就完成了。

陆永宏说:“以前管网发现问题多靠群众举报反映,老班长到现场看,然后再调度人员、设备进行维修,这个过程耗时约在1到2小时。而现在维修人员通过下载‘电子体检表’,就可以迅速锁定问题,前往现场进行维修,节省了一大半时间。”

系统试点效果显著,市场前景广阔

据了解,“污水管网——污水处理厂联合运行与调度系统”和“排水管网巡查养护管理软件系统”均获得软件著作权,自主研发的传感设备“一种排水管网多指标在线监测装置”获得专利权,形成的《无锡市主城区排水(污水)管网运行管理操作规程与应急调控预案(试行)》技术指南,由无锡市市政和园林局下发文件锡政园总【2016】1号文至各市(县)、区排水行政主管部门、市政集团、无锡排水处。

伴随污水处理行业的快速发展,这些技术成果市场应用前景广阔。该项目的总负责人无锡市排水有限公司总经理何人杰说:“目前,该系统仅为本公司生产服务,下一步我们将考虑将该系统、相关技术成果以BOT项目、分散化功能模块应用等形式推广出去。”(案例研撰:中国经济信息社分析师赵鼎)

企业简介:无锡市排水有限公司的前身是无锡市排水公司,成立于1986年。主要承担主城区污水设施的投资、建设、营运管理职能,规划服务面积为282平方公里,服务人口220多万,已建成营运的污水输送管网1500余公里及各类提升、截污泵站94座。2009年该公司8个提标改造技术攻关示范科研项目通过了江苏省建设厅的成果鉴定,3个项目荣获2010年“江苏省建设科学技术奖”二等奖、三等奖。“十二五”期间,该公司承担的国家水专项课题研究,相关技术成果与示范工程于2016年顺利通过国家住建部验收。

案例简述:生态建设向纵深推进,城市污水处理系统呼唤智能化改造。无锡排水有限公司联合清华大学、北京清华同衡研究院有限公司、无锡比目鱼电子产品有限公司,自主研发建设“污水管网与污水处理厂联合运行与调度系统”,以泵站和污水处理厂原有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,集成排水业务管理系统、GIS系统等,实现多级联动调度、系统优化运行和数字化安全管理。污水处理系统真正实现自行感知、自行判断、自行决策和自行调节,填补国内污水处理行业智能化改造空白,引领污水处理系统由“经验模式”下的人工调度,向“数字模式”下的智能运行转型。

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