啤酒厂废水处理工程设计及汽包锅炉给水水位自动控制系统的设计

啤酒厂废水处理工程设计摘要本设计为啤酒废水处理工程设计，污水处理规模为2500m³/d，废水主要含有高浓度有机物，主要污染物质为BOD5、COD、SS；且BOD5/CODcr值高，非常有利于生化处理，结合废水的水质特征，及对各种处理工艺的对比，最终选择UASB+SBR作为处理工艺。本工艺流程设有格栅、调节池，对污水进行预处理，去除水中较大的悬浮颗粒和调节水质水量。生化处理采用生物接触氧化法，可提高有机物去除效率。沉淀池用来进行泥水分离。本文对格栅、调节池、UASB反应器、SBR、污泥池等主要构筑物进行计算，编制设计说明书，并绘制工艺流程、构筑物平面及高程、主要构筑物共四张图纸。关键词：啤酒废水；UASB；SBR；AbstractThedesignforthedesignofbrewerywastewatertreatment,sewagetreatmentscaleof2500m³\/d,wastewatermainlycontaininghighconcentrationsoforganicmatter,themainpollutionmaterialforBOD5,COD,SS;andtheBOD5\/CODcrvaluehigh,veryconducivetobiochemicaltreatment,combinedwiththecharacteristicsofwaterqualityofwastewater,andthecomparisonofthevariousprocessingprocess,thefinalchoiceofUASB+SBRastheprocessingtechnology.Thisprocessisarrangedinthegrid,regulationpool,pretreatmentofwastewater,theremovaloflargerparticlessuspendedinthewaterandwaterqualityregulation.Biologicaltreatmentbybiologicalcontactoxidationmethod,canimprovetheremovalefficiencyoforganiccompounds.Sedimentationtankforslurryseparation.Regulationpool,inthispaper,UASBreactor,SBR,sludgetankmainstructuresarecalculated,preparethedesignspecification,andrenderingprocess,structuresplaneandelevation,themainstructuresoffourdrawingsKeywords:Brewerywastewater;UASB;SBR;目录一、设计资料及要求 11.1概述 11.2设计资料 11.2.1厂区地理位置 11.2.2废水进水 11.2.3处理后水质要求 2二、污水处理方案的确定 22.1设计思路 22.2厌氧-好氧工艺选择 32.2.1厌氧生物处理 32.2.2好氧生物处理 32.3方案比选 42.3.1UASB+SBR法处理啤酒废水 42.3.2UASB—好氧接触氧化工艺处理啤酒废水 52.3.3生物接触氧化法处理啤酒废水 62.4方案确定 7三、构筑物设计 93.1格栅 93.1.1设计说明 93.1.2设计参数 93.1.3设计计算 93.2调节池 113.2.1调节池作用 113.2.2设计参数 113.2.3设计计算 123.3UASB反应器 123.3.1UASB反应器作用 123.3.2设计参数 133.3.3设计计算 133.3.4出水系统设计 153.3.5排泥系统设计 153.4SBR反应池 153.4.1设计说明 153.3.2设计参数 173.4.3反应池设计 183.4.4反应池控制 193.4.5排渠管道 193.4.6排泥系统 203.4.7曝气系统 203.4.8空气管计算 223.4.9滗水器 233.5鼓风机房 233.6污泥处理系统 243.6.1污泥设计 243.6.2尺寸计算 24四、污水厂布置 274.1平面布置原则 284.1.1建筑物距离 294.1.2厂内道路 294.1.3总论 294.2污水高程布置 294.2.1高程布置任务 294.2.2高程布置原则 29五、总结分析 30参考文献 31致谢 32PAGEPAGE21一、设计资料及要求1.1概述随着粤东沿海地区的经济和社会的发展，人民生活水平的提高，餐饮娱乐行业发展迅速，带动着本地区啤酒产业的迅猛发展，其产量呈逐年上升。啤酒生产同时，也向环境中排放了大量的有机废水，由于这种废水中富含糖类、蛋白质、淀粉、果胶、醇酸类矿物盐、纤维素和多种维生素等有机无毒成分，排入天然水体后将消耗水中的溶解氧，既造成水体缺氧，还能促使水底沉积化合物的厌氧分解，产生臭气，恶化水质。另外，上述成分多来自啤酒生产原料，弃之不用不仅造成资源的巨大浪费，也降低了啤酒生产的原料利用率，因此，为保护水环境，该厂区拟建一个废水处理站来处理生产废水。1.2设计资料（1）设计厂址：粤东沿海地区某啤酒厂（2）设计规模：废水量2500m3/d（3）废水水质指标（见表）：T=30℃表1-1啤酒废水进出水水质览表项目BOD5CODSSpH进水水质/（mg/L）90020005006-7.5出水水质/（mg/L）≤30≤80≤706-91.2.1厂区地理位置（1）本厂位于粤东沿海地区，东临海洋，西面为公路，北面为生厂车间，南面为农田；夏季吹西南风1—3级，冬季吹东北风1-4级，雨季偶有台风8—12，下级气温28—35℃，冬季气温5—25℃。（2）废水处理厂规划用场地为50000m2，东西宽为100m，南北长为500m，地面相对标高为±0.00m（绝对标高为3.4m），地面承受压力为8T/m2。1.2.2废水进水（1）啤酒生产废水富含糖类、蛋白质、淀粉、果胶、醇酸类矿物盐、纤维素和多种维生素，是一种中等浓度的有机废水。工厂一天分三班生产，每班废水量变化不大。（2）废水处理厂进水管径为400mm，充盈度为0.6，深埋800mm。1.2.3处理后水质要求（1）排水高出海平面（落潮时）2.5m。（2）处理后的废水直接排入大海，污泥脱水后送锅炉房与煤一起燃烧，不产生二次污染。（3）根据表1-1进出水水质要求，计算各项污染物的去除效率，结果如下：a、BOD5去除率=（900-30）／900=96.67%b、CODCr去除率=（2000-80）／2000=96%；；c、SS去除率=（500-70）／500=86%；在选择流程时，至少要保证所选的流程有如上的处理效果，才能达到本次设计的基本要求。二、污水处理方案的确定2.1设计思路根据啤酒废水的特点及处理的难点，设计思路大体如下：（1）水中SS等物理性污染物，一般采用物理方法如格栅、调节池、厌氧好氧反应以及沉淀池等工艺去除。（2）对于难降解的COD，一般采用厌氧加好氧法，同时选择经济合理的组合方式和构筑物型式。（3）虽然设计任务中对氮磷的去除没做具体要求，但是考虑到其存在的客观性，在设计方案的敲定中，也考虑到对氮磷的部分去除。（4）工艺方案确定后，具体的构筑物选型和设计时，要尽量做到组合的优化，比较准确的设计好各构筑物。综上所述，由于进水水质和处理去除率均很高，故应选用“厌氧--好氧”的处理路线，废水首先通过厌氧处理装置，去除进水的有机负荷，并使出水达到好氧处理可接受的浓度，再进行好氧处理后达标排放。2.2厌氧-好氧工艺选择2.2.1厌氧生物处理厌氧生物处理适用于高浓度有机废水，它是在无氧条件下，靠厌气细菌的作用分解有机物.在这一过程中，参加生物降解的有机基质有50%～90%转化为沼气（甲烷），而发酵后的剩余物又可作为优质肥料和饲料。厌氧生物处理包括多种方法，但以升流式厌氧污泥床（UASB）技术在啤酒废水的治理方面应用最为成熟。UASB的主要组成部分是反应器，其底部为絮凝和沉淀性能良好的厌氧污泥构成的污泥床，上部设置了一个专用的气-液-固分离系统（三相分离室）。废水从反应器底部加入，在上向流、穿过生物颗粒组成的污泥床时得到降解，同时生成沼气（气泡）。气、液、固（悬浮污泥颗粒）一同升入三相分离室，气体被收集在气罩里，而污泥颗粒受重力作用下沉至反应器底部，水则经出流堰排出。UASB反应器对啤酒废水CODcr的去除率为60%～70%。实践证明，UASB成功处理高浓度啤酒废水的关键是培养出沉降性能良好的厌氧颗粒污泥。颗粒污泥的形成是厌氧细菌群不断繁殖、积累的结果，较多的污泥负荷有利于细菌获得充足的营养基质，故对颗粒污泥的形成和发展具有决定性的促进作用；适当高的水力负荷将产生污泥的水力筛选，淘汰沉降性能差的絮体污泥而留下沉降性能好的污泥，同时产生剪切力，使污泥不断旋转，有利于丝状菌互相缠绕成球。总之，UASB具有效能高、处理费用低、电耗省、投资少、占地面积小等一系列优点，完全适用于高浓度啤酒废水的治理。其不足之处是出水CODcr的浓度仍达500mg/L左右，需进行再处理或与好氧处理串联才能达标排放。2.2.2好氧生物处理好氧生物处理是在氧气充足的条件下，利用好氧微生物的生命活动氧化啤酒废水中的有机物，其产物是二氧化碳、水及能量。a.间歇式活性污泥法（SBR）通过间歇曝气可以使动力耗费显著降低，同时，废水处理时间也短于普通活性污泥法。其具有的特别显著的特点：首先由于采用间歇运行，运行周期每一阶段有适应基质特征的优势菌群存在；污泥不断内循环，排泥量少，生物固体平均停留时间长；沉淀和排水时流处于静止状态，故处理效果优于一般活性污泥法。其次由于进水、曝气、沉淀、排水等工序在一个池内进行，省去了沉淀池和污泥回流设施，故其工程投资和占地面积小于一般活性污泥池。b.活性污泥法活性污泥法是中、低浓度有机废水处理中使用最多、运行最可靠的方法，具有投资省、处理效果好等优点.该处理工艺的主要部分是曝气池和沉淀池.废水进入曝气池后，与活性污泥（含大量的好氧微生物）混合，在人工充氧的条件下，活性污泥吸附并氧化分解废水中的有机物，而污泥和水的分离则由沉淀池来完成。活性污泥法处理啤酒废水的缺点是动力消耗大，处理中常出现污泥膨胀。可以通过投加化学药剂解决，但这将使处理成本提高。c.生物膜法与活性污泥法不同，生物膜法是在处理池内加入软性填料，利用固着生长于填料表面的微生物对废水进行处理，不会出现污泥膨胀的问题.生物接触氧化池和生物转盘是这类方法的代表，在啤酒废水治理中均被采用，主要是降低啤酒废水中的BOD5。生物转盘是较早用以处理啤酒废水的方法.它主要由盘片、氧化槽、转动轴和驱动装置等部分组成，依靠盘片的转动来实现废水与盘上生物膜的接触和充氧.该法运转稳定、动力消耗少，但低温对运行影响大，在处理高浓度废水时需增加转盘组数。生物接触氧化池是在微生物固着生长的同时，加以人工曝气.这种方法可以得到很高的生物固体浓度和较高的有机负荷，因此处理效率高，占地面积也小于活性污泥法。为了既获得更好的处理效果，又可以降低处理成本，并且使能源得到合理有效地利用，废水的处理往往采用多种方法相结合的工艺，目前大多选择厌氧—好氧串联法处理。本设计就采用UASB+好氧接触氧化法来进行处理。2.3方案比选通过“厌氧—好氧”方案的选择及比较，确定一下几种处理工艺：2.3.1UASB+SBR法处理啤酒废水本处理工艺主要包括UASB反应器和SBR反应器。将UASB和SBR两种处理单元进行组合，所形成的处理工艺突出了各自处理单元的优点，使处理流程简洁，节省了运行费用，而把UASB作为整个废水达标排放的一个预处理单元，在降低废水浓度的同时，可回收所产沼气作为能源利用。同时，由于大幅度减少了进入好氧处理阶段的有机物量，因此降低了好氧处理阶段的曝气能耗和剩余污泥产量，从而使整个废水处理过程的费用大幅度减少。采用该工艺既降低处理成本，又能产生经济效益。并且UASB池正常运行后，每天产生大量的沼气，将其回收作为热风炉的燃料，可供饲料烘干使用。UASB+SBR法处理工艺与水解酸化+SBR处理工艺相比有以下优点：2.3.2UASB—好氧接触氧化工艺处理啤酒废水此处理工艺中主要处理设备是上流式厌氧污泥床和好氧接触氧化池，处理主要过程为：废水经过转鼓过滤机，转鼓过滤机对SS的去除率达10%以上，随着麦壳类有机物的去除，废水中的有机物浓度也有所降低。调节池既有调节水质、水量的作用，还由于废水在池中的停留时间较长而有沉淀和厌氧发酵作用。由于增加了厌氧处理单元，该工艺的处理效果非常好。上流式厌氧污泥床能耗低、运行稳定、出水水质好，有效地降低了好氧生化单元的处理负荷和运行能耗(因为好氧处理单元的能耗直接和处理负荷成正比)。好氧处理(包括好氧生物接触氧化池和斜板沉淀池)对废水中SS和COD均有较高的去除率，这是因为废水经过厌氧处理后仍含有许多易生物降解的有机物。该工艺处理效果好、操作简单、稳定性高。上流式厌氧污泥床和好氧接触氧化池相串联的啤酒废水处理工艺具有处理效率高、运行稳定、能耗低、容易调试和易于每年的重新启动等特点。该工艺非常适合在啤酒废水处理中推广应用。2.3.3生物接触氧化法处理啤酒废水该工艺采用水解酸化作为生物接触氧化的预处理，水解酸化菌通过新陈代谢将水中的固体物质水解为溶解性物质，将大分子有机物降解为小分子有机物。水解酸化不仅能去除部分有机污染物，而且提高了废水的可生化性，有益于后续的好氧生物接触氧化处理。该工艺在处理方法、工艺组合及参数选择上是比较合理的，充分利用各工序的优势将污染物质转化、去除。但是此处理方法在设计和运行中回出现以下问题：（1）水解酸化池存在的问题主要是沉淀污泥不能及时排除。由于该废水中悬浮物浓度较高，因而池内污泥产量很大，而原工艺仅在水解酸化池前端设计了污泥斗，所以池子的后部很快就淤满了污泥。另外，随着微生物量的增加在软性生物填料的中间部位形成了污泥团，使得传质面积减小。针对污泥淤积情况，在水解酸化池前可增设一级混凝气浮以去除水中的悬浮物，经此改进后水解酸化池能长期、稳定、有效地运行，不过，增设混凝气浮增加了运行费用，而且气浮过程中溶入的O2还可能对水解酸化产生不利影响。因此，在设计采用水解酸化处理悬浮物浓度高的污水时，可增设污泥斗的数量以便及时排除沉淀污泥。此外，为防止填料表面形成污泥团应采用比表面积大、不结泥团的半软性填料。（2）如果废水中污染物浓度较高或前处理效果不理想，生物接触氧化池前端的有机物负荷较高，使得供氧相对不足，此时该处的生物膜呈灰白色，处于严重的缺氧状态，而池末端成熟的好氧生物膜呈琥珀黄色。同时，水中的生物活性抑制性物质浓度也较高，对微生物也有一定的抑制作用。这些因素使得生物接触氧化池没有发挥出应有的作用，处理效果不理想。鉴于此，可一采取阶段曝气措施即多点进水，污水沿池长多点流入生物接触氧化池以均分负荷，消除前端缺氧及抑制性物质浓度较高的不利影响。（3）在调试运行过程中，生物接触氧化池中生物膜脱落、气泡直径变大(曝气方式为微孔曝气)、出水浑浊、处理效果恶化的现象时有发生。这是由于负荷波动或操作不当造成溶解氧不足而引起的。溶解氧不足使得生物膜由好氧状态转变为厌氧状态，其附着力下降，在空气气泡的搅动下生物膜大量脱落，导致水粘度增加、气泡直径增大、氧转移效率下降，这又进一步造成缺氧，如此形成恶性循环致使处理效果恶化。（4）在调试运行初期，发生这种现象时一般是增大供气量以提高供氧能力来消除缺氧，结果由于气泡搅动强度增大，造成了更大范围的生物膜脱落、水粘度更大、氧转移效率更低，非但没能提高供氧能力反而使情况更糟。正确的处理措施应是减小曝气量，待脱落的生物膜随水流流出后再逐渐增加曝气量使溶解氧浓度恢复到原有水平。因此当采用此工艺处理啤酒废水时要遵循下列要求：①采用水解酸化作为预处理工序时应考虑悬浮物去除措施。②采用推流式生物接触氧化池时，为避免前端有机物负荷过高可采用多点进水。③应严格控制溶解氧浓度，供氧不足会造成生物膜大范围脱落，导致运行失败。2.4方案确定根据出水水质要求，以及通过方案的比较后，决定采用UASB+SBR法。因为通过UASB+SBR来进行处理啤酒废水,使其COD,BOD5,SS,pH得到有效的去除，以达到所要求的出水水质要求。并且遵循处理效果好，节能及投资运行费用省的原则来进行设计，使啤酒废水得到较好的处理,既避免了其可能带来的环境污染问题，也能为企业节省大量排污费用，有良好的环境效益，经济效益和社会效益。且该方案是通过培养出沉降性能良好的厌氧颗粒污泥来达到处理效果，可以使颗粒污泥的形成时厌氧细菌群不断繁殖，积累结果，较多的污泥负荷有利于细菌获得充足的营养基质，故对颗粒污泥的形成和发展具有决定性的促进作用；适当高的水利负荷将长生污泥的水利筛选，淘汰沉降性能差的絮体污泥而留下沉降性能好的污泥同时产生剪切力，使污泥不对流旋转，有利于丝状菌相互缠绕成球。综合工艺处理方案以及设计任务所提的气候条件，污水条件，考虑到UASB+SBR法具有效能高，处理费用低，电耗省，投资少，工艺先进,占地面积小等一系列优点，很适用于中高浓度啤酒废水的治理，故本设计方案选择UASB+SBR法处理啤酒废水。故采用UASB—SBR为主体的处理工艺，其工艺流程如下所示：污泥回流污泥回流废水→格栅→调节池→UASB反应器→SBR反应器→沉淀池→出水污泥 污泥运往锅炉房←污泥脱水←污泥浓缩池图2-1工艺流程示意图表2-2各级处理单元的污染物去除率分析序号名称项目1格栅+调节池进水9002000500出水8101800450去除率10%10%10%2UASB反应器进水8101800300出水243630180去除率70%65%60%3SBR进水189425112出水238534去除率88%80%70%4沉淀池进水238534出水186827去除率20%20%20%三、构筑物设计3.1格栅3.1.1设计说明格栅是污水处理厂的第一道处理构筑物，它的作用是保护水泵，用以拦截可能堵塞水泵机组和阀们的污水中较大的悬浮物、漂染物、纤维物质和固体颗粒物质，从而保证后续处理构筑物的处理能正常运行。3.1.2设计参数设计流量Q=2500m3/d=104m3/h=0.029m3/s；最大设计流量Qmax=0.0291.5=0.0435m3/s；进水渠内有效水深一般为0.2~0.5m，现取值h=0.3m；栅前流速0.4~0.8m/s；现取值为v1=0.8m/s；过栅流速0.6~1.0m/s；现取值为v=0.6m/s；进水渠道宽B=Qmax/hv=0.0435/(0.3*0.6)=0.24m3.1.3设计计算图3-1格栅计算草图（1）格栅的间隙数：中格栅栅条间距为10~40mm，现取值为b=20mm=0.020m；为了方便管理，倾斜角取60度。取n=12；（2）格栅建筑宽度： 设栅条断面为锐边圆形断面B=S（n-1）+bn=0.02×（12-1）+0.02×12=0.46m进水渠道宽度B1：要求B1×h×v>Qmax取B1=0.4m（3）通过格栅的水头损失：表3-2阻力系数计算公式栅条断面形状公式形状系数锐边矩形2.42迎水面为半圆形的矩形1.83圆形1.79迎水、背水均为半圆形的矩形1.67正方形:收缩系数，一般为0.64格栅断面为锐边矩形断面（β=2.42）（4）槽的总高度：H=h+h1+h2=0.3+0.1+0.3=0.61m式中：——栅前水深，m； ——通过格栅的损失，m； ——超高，一般采用0.3m；（5）栅槽总长度（L）：其中H1=h+h2=0.08+0.04=0.12mα1指进水渐宽部分的展开角，一般取20°（6）每日栅渣量：对于栅条间距b=20.0mm的中格栅，城市污水中取每单位体积污水拦截污物为W1=0.05m³/10³m³，每日栅渣量为式中：——栅渣量污水，格栅间隙为16~25mm时，=0.10~0.05；格栅间隙为30~50mm时，=0.03~0.01；——污水流量总变化系数1.2~1.5，现取1.5；3.2调节池3.2.1调节池作用调节池的作用是减小和控制污水水量，水质的波动，为后续处理提供最佳运行条件。水量及水质的调节可以提高废水的可处理性，减少在生化处理过程中可能产生的冲击负荷，对微生物有毒的物质可以得到稀释，短期排出的高温废水还可以得到降温处理。3.2.2设计参数设计水量Q=2500m3/d=104m3/h=0.029m3/s水力停留时间T=6h表3-3调节池进出水水质指标水质指标BOD5CODSS进水水质(mg/l)9002000500出水水质(mg/l)8101800450去除率（%）1010103.2.3设计计算（1）调节池有效容积池子有效容积V=QT=104×6=624m3（2）调节池尺寸取池总高H=2m,其中超高0.5m,有效水深h=1.5m则池面积A=V/h=624/1.5=416池长取L=25m池宽取B=20m则池子总尺寸为L×B×H=25m×20m×2m（3）空气管设计空气量QS=QD=104×4=416m3/h根据空气主管、支管及穿孔管内气体流速的要求范围，管径分别选择150mm、80mm和40mm。其中空气主管1根，支管10根，每根支管连接2根穿孔管。为避免堵塞，穿孔管孔径取4mm，孔眼间距100mm。（4）总水头计算式中：H——总水头损失，m；H0——穿孔管安装水深，m；h——管距阻力损失，m；一般调节池的管距阻力损失不超过0.5m。根据空气量Qs和H选择型号为LSR125-1WD罗茨鼓风机5台，一台备用。3.3UASB反应器3.3.1UASB反应器作用UASB，即上流式厌氧污泥床，集生物反应与沉淀于一体，是一种结构紧凑，效率高的厌氧反应器。废水在UASB反应器中进行厌氧分解，去除大部分COD并将难生物降解的大分子物质分解为易生物降解的小分子物质[7]。它的污泥床内生物量多，容积负荷率高，废水在反应器内的水力停留时间较短，因此所需池容大大缩小。其设备简单，运行方便，勿需设沉淀池和污泥回流装置，不需充填填料，也不需在反应区内设机械搅拌装置，造价相对较低，便于管理，且不存在堵塞问题。3.3.2设计参数容积负荷（Nv）=3.0kgCOD/(m3·d);污泥产率=0.1kgMLSS/kgCOD；产气率=0.5m3/kgCOD;设计水量Q=2500m3/d=104m3/h=0.029m3/s表3-4UASB反应器进出水水质指标水质指标SS进水水质(mg/l)8101800450出水水质(mg/l)243630180去除率（%）70%65%60%3.3.3设计计算（1）反应器容积计算UASB有效容积：式中：Q设计流量，m3/dS0进水COD含量，g/lNV容积负荷，kgCOD/(m3·d)将UASB设计成圆形池子，布水均匀，处理效果好。取水力负荷q＝0.3[m3/(m2·h)]，则：由于面积较大，可采用2座相同的UASB反应器；则实际横截面积为：实际表面水力负荷为，故符合设计要求。（2）配水系统设计本系统设计为圆形布水器，每个UASB反应器设120个布水点。①参数：每个池子流量：②圆环直径计算：每个孔口服务面积为:在1～2m2之间，符合设计要求。可设3个圆环，最里面的圆环设12个孔口，中间设36个，最外围设72个孔口。a.内圈6个孔口设计：服务面积：折合为服务圆的直径为：用此直径作一个虚圆，在该圆内等分虚圆面积处设一实圆环，其上布12个孔口，则圆的直径计算如下：则b.中圈36个孔口设计：服务面积：折合成服务圆直径为:中间圆环直径计算如下：则c.外圈72个孔口设计服务面积：折合成服务圈直径为：则外圆环的直径计算如下：则3.3.4出水系统设计采用锯齿形出水槽，槽宽0.2m，槽高0.2m。3.3.5排泥系统设计产泥量为：1800×0.65×0.1×2500×10-3=292.5kgMLSS/d；污泥浓度采用20000mgMLSS/L=20kg/m3；则产泥量237kgMLSS/d=11.85m3/d；每日产泥量237kgMLSS/d，则每个USAB日产泥量118.5kgMLSS/d,可用250mm排泥管，每两天排泥一次。3.4SBR反应池3.4.1设计说明设计方法有两种：负荷设计法和动力设计法，本工艺采用负荷设计法。根据工艺流程论证，SBR法具有比其他好氧处理法效果好，占地面积小，投资省的特点，因而选用SBR法。SBR是序批式间歇活性污泥法的简称。该工艺由按一定时间顺序间歇操作运行的反应器组成。其运行操作在空间上是按序排列、间歇的。污水连续按顺序进入每个池，SBR反应器的运行操作在时间上也是按次序排列的。SBR工艺的一个完整的操作过程，也就是每个间歇反应器在处理废水时的操作过程，包括进水期、反应期、沉淀期、排水排泥期、闲置期五个阶段，如图。这种操作周期是周而复始进行的，以达到不断进行污水处理的目的。对于单个的SBR反应器来说,在时间上的有效控制和变换，即达到多种功能的要求，非常灵活。进水期进水期进水曝气反应期沉淀期排水期闲置期图3-5SBR工艺操作过程SBR工艺特点是：(1)工程简单，造价低；(2)时间上有理想推流式反应器的特性；(3)运行方式灵活，脱N除P效果好；(4)良好的污泥沉降性能；(5)对进水水质水量波动适应性好；(6)易于维护管理。SBR工艺的操作过程如下：①进水期进水期是反应池接纳污水的过程。由于充水开始是上个周期的闲置期，所以此时反应器中剩有高浓度的活性污泥混合液，这也就相当于活性污泥法中污泥回流作用。SBR工艺间歇进水，即在每个运行周期之初在一个较短时间内将污水投入反应器，待污水到达一定位置停止进水后进行下一步操作。因此，充水期的SBR池相当于一个变容反应器。混合液基质浓度随水量增加而加大。充水过程中逐步完成吸附、氧化作用。SBR充水过程，不仅水位提高，而且进行着重要的生化反应。充水期间可进行曝气、搅拌或静止。曝气方式包括非限制曝气（边曝气边充水）、限制曝气（充完水曝气）半限制曝气（充水后期曝气）。②反应期在反应阶段，活性污泥微生物周期性地处于高浓度、低浓度的基质环境中，反应器相应地形成厌氧—缺氧—好氧的交替过程。虽然SBR反应器内的混合液呈完全混合状态，但在时间序列上是一个理想的推流式反应器装置。SBR反应器的浓度阶梯是按时间序列变化的。能提高处理效率，抗冲击负荷，防止污泥膨胀。③沉淀期相当于传统活性污泥法中的二次沉淀池，停止曝气搅拌后，污泥絮体靠重力沉降和上清液分离。本身作为沉淀池，避免了泥水混合液流经管道，也避免了使刚刚形成絮体的活性污泥破碎。此外，SBR活性污泥是在静止时沉降而不是在一定流速下沉降的，所以受干扰小，沉降时间短，效率高。④排水期活性污泥大部分为下周期回流使用，过剩污泥进行排放，一般这部分污泥仅占总污泥的30%左右，污水排出，进入下道工序。⑤闲置期作用是通过搅拌、曝气或静止使其中微生物恢复其活性，并起反硝化作用而进行脱水。3.3.2设计参数(1)污泥负荷率Ns取值为0.27kgBOD5/(kgMLSS·d)(2)污泥浓度和SVI污泥浓度采用3000mgMLSS/L,SVI取90(3)反应周期SBR周期采用T=8h,反应器一天内周期数n=24/8=3(4)周期内时间分配反应池数N=4进水时间：T/N=8/4=2h反应时间：（4.0~5.0h）取4h静沉时间：2.0h排水时间：（0.5h~1.0h）取1h（5）水质要求表3-6SBR反应器进出水水质要求水质指标BOD5(mg/L)CODcr(mg/L)SS(mg/L)进水水质(mg/l)189425112出水水质(mg/l)238534去除率（%）88%80%70%3.4.3反应池设计(1)污泥量计算SBR反应池所需污泥量：[kg(干)]则污泥体积为：Vs=1.2⋅SVI⋅MLSS=1.2×90××2049=221.3m³(2)SBR反应容积SBR反应池容积式中——代谢反应所需污泥容积m³——反应池换水容积（进水容积）m³——保护容积m³m³221.3m3m³=159.5+(3)SBR反应池构造尺寸SBR反应池为满足运行灵活及设备安装需要，设计为长方形，一端为进水区，另一端为出水区SBR反应池单池平面（净）尺寸为15×8㎡（长比宽在）水深为4.0m池深4.5m单池容积为：V=15×8×4=288m³则保护容积为=128.7m³4个池总容积：m³3.4.4反应池控制SBR池总水深4.0m,按平均流量考虑，则进水前水深为3.2m，进水结束后4.0m,排水时水深4.0m,排水结束后3.2m。4.0m水深中，换水水深为1.5m,存泥水深1.7m,保护水深0.7m,保护水深的设置是为避免排水时对沉淀及排泥的影响。图3-7构筑物尺寸进水开始与结束由水位控制，曝气开始由水位和时间控制，曝气结束由时间控制，沉淀开始与结束由时间控制，排水开始由时间控制，排水结束由水位控制。3.4.5排渠管道(1)排水口高度为保证每次换水V=104.2m³的水量及时快速排出，以及排水装置运行的需要，排水口应在反应池最低水位之下约0.3~0.5m，设计排水口在最高水位之下3(2)排水管管径每池设自动排水装置一套，出水口一个，排水管1根；固定设于SBR墙上。排水管管径DN600mm。设排水管排水平均流速为1.5m/s则每周期（平均流量时）所需排水时间为：3.4.6排泥系统(1)SBR产泥量SBR的剩余污泥主要来自微生物代谢的增值污泥，还有很少部分由进水悬浮物沉淀形成。SBR生物代谢产泥量为式中:a——微生物代谢增系数，kgVSS/kgBOD;b——微生物自身氧化率，l/d根据啤酒污泥性质，参考类似经验数据，设a=0.6，b=0.075,则有：假定排泥含水率为98%，则排泥量为考虑一定安全系数，则每天排泥量为8(2)排泥系统剩余污泥在重力作用下通过污泥管路排入集泥井。3.4.7曝气系统(1)需氧量计算SBR反应池需氧量O2计算式为式中:a′——微生物代谢有机物需氧率，kg/kgb′——微生物自氧需氧率，l/d——去除的BOD5(kg/m3)=−经查有关资料表，取a′=0.50，b′=0.15,需氧量为(2)供气量计算设计采用塑料SX-1型空气扩散器，敷设SBR反应池池底，淹没深度H=4m。SX-1型空气扩散器的氧转移效率为EA=8%。查表知20℃，30℃时溶解氧饱和度分别为9.17mg/L，7.63mg/L空气扩散器出口处的绝对压力Pb为：空气离开曝气池时，氧的百分比为曝气池中溶解氧平均饱和度为：（按最不利温度条件计算）水温20℃=1.16×9.17=10.64(mg/L)20℃式中:α——污水中杂质影响修正系数，取0.8(0.78~0.99)β——污水含盐量影响修正系数，取0.9(0.9~0.97)——混合液溶解氧浓度，取c=4.0最小为2P——气压修正系数P/P标=1曝气池中溶解氧在最大流量时不低于2.0mg/L,即取Cj=2.0，则计算得：SBR反应池供气量为:每立方污水供气量为:去除每千克BOD5的供气量为:——去除的BOD5(kg/m3)去除每千克BOD5的供氧量为3.4.8空气管计算空气管的平面布置如图。鼓风机房出来的空气供气干管，在相邻两SBR池的隔墙上设两根供气支管，为4个SBR池供气。在每根支管上设12条配气竖管，为SBR池配气，四池共四根供气支管，48条配气管竖管。每条配气管安装SX-I扩散器15个，每池共180个扩散器，四个池共720个扩散器。每个扩散器的服务面积为120㎡/390个=0.7㎡/个图3-8空气管示意图空气支管供气量为：1.25——安全系数由于SBR反应池交替运行，四根空气支管不同时供气，故空气干管供气量亦为41.31×2=82.62m3/min。选用SX-I型盆形曝气器，氧转移效率6~9%，氧动力效率1.5~2.2kg/(kW⋅h),供气量20~25m³/h,服务面积1~2㎡/个。3.4.9滗水器现在的SBR工艺一般都采用滗水器排水。滗水器排水过程中能随水位的下降而下降，使排出的上清液始终是上层清液。为防止水面浮渣进入滗水器被排走，滗水器排水口一般都淹没在水下一定深度。目前SBR使用的滗水器主要有旋转式滗水器，套筒式滗水器和虹吸式滗水器三种。本工艺采用旋转式滗水器。旋转式滗水器属于有动力式滗水器，应用广泛，适合大型污水处理厂使用。本工艺采用XB-1800型旋转式滗水器3.5鼓风机房鼓风机房要给曝气沉砂池和SBR池供气，选用TS系列罗茨鼓风机。选用TSD-150型鼓风机三台，工作两台，备用一台。设备参数：流量20.40m³/min升压44.1kPa配套电机型号Y200L-4功率30kW转速1220r/min机组最大重量730kg设计鼓风机房占地L×B=10×8=80m3.6污泥处理系统3.6.1污泥设计污水处理厂的污泥是由液体和固体两部分组成的悬浮液。污泥处理最重要的步骤就是分离污泥中的水分以减少污泥体积，否则其他污泥处理步骤必须承担过量不必要的污泥体积负荷。污泥中的水分和污泥固体颗粒是紧密结合在一起的，一般按照污泥水的存在形式可分为外部水和内部水，其中外部水包括孔隙水、附着水、毛细水、吸附水。污泥颗粒间的孔隙水占污泥水分的绝大部分（一般约为70%~80%），其与污泥颗粒之间的结合力相对较小，一般通过浓缩在重力的作用下即可分离。附着水（污泥颗粒表面上的水膜）和毛细水（约10%~22%）与污泥颗粒之间的结合力强，则需要借助外力，比如采用机械脱水装置进行分离。吸附水（5%~8%，含内部水）则由于非常牢固的吸附在污泥颗粒表面上，通常只能采用干燥或者焚烧的方法来去除。内部水必须事先破坏细胞，将内部水变成外部水后，才能被分离。3.6.2尺寸计算(1)集泥井A集泥井容积的计算:产泥量根据前面计算所知，有以下构筑物排泥UASB反应池11.85m3/dSBR反应池8(P=98%)则每日的总排泥为V=19.85m3/d考虑构筑物的每日排泥量为19.85m3/d，30min内抽完,集泥井容积定为污泥泵提升流量的10min的体积：B集泥井尺寸的计算设有效泥深为2m,平面面积10，设计尺寸，集泥井为地下式，池顶加盖，有潜污泵抽送污泥，池底相对标高-2m,最高泥位-0.3m,最低泥位-2mC污泥提升泵的选择选择GMP型自吸式离心泵马力：20kW相数：3极数：4型号：GMP-320-150口径：150质量：110流量：180/h最大流量：222/h扬程：17.5最高扬程：24.0选用三台，一台备用：特点：①同轴直接式构造，效能高、体型小、重量轻，不占空间，安装方便；②采用机械轴封，保证不漏水，不损轴心，免入棉纱之烦恼，延长水泵寿命；③本体特殊构造仔细能力高，自吸时间短；④叶轮采用开放式，污水杂物的输送能力强；⑤抽水机置于陆上，装卸维修容易；⑥只要一次加水运转，即可免除往后灌水的麻烦；⑦泵吸入口高于动叶轮；⑧吸入口设止回阀；⑨设空气分离室来有效隔离空气与水；D污泥浓缩池降低污泥中的含水率，可以采用污泥浓缩的方法来降低污泥中的含水率，减少污泥体积，能够减少池容积和处理所需的投药量，减小用于输送污泥的管道和泵类的尺寸。具有一定规模的污水处理工程中常用的污泥浓缩方法主要有重力浓缩.溶气气浮浓缩和离心浓缩。（1）设计说明运行周期22h，其中进泥2.0h，浓缩15.0h，排水和排泥3.0h，闲置2.0h。浓缩前污19.85，含水率p=98.0%。（2）设计计算①容积计算浓缩15.0h后，污泥含水率为96.5%，则浓缩后污泥体积为则污泥浓缩池所需要的容积应不小于11.31+19.85=31.16。②工艺构造尺寸设计污泥浓缩池1个，容积不应小于50，设计平面尺寸,，则净面积16。设计浓缩池上部柱体高度为3.0m，其中泥深为2.0m，柱体部分污泥容积为。浓缩池下部为锥斗,上口尺寸,下口尺寸为,锥斗高为2.0m，则污泥斗容积为污泥浓缩池总容积为满足要求。（3）排水和排泥①排水浓缩后池内上清液利用重力排放，由站区溢流管道排入调节池。浓缩池设4根排水管于池壁，管径DN100mm。于浓缩池最高水位处置一根，向下每隔1.0m、0.6m、0.4m处设置一根排水管，下面三根安装蝶阀。②排泥浓缩后污泥泵抽送污泥贮柜。污泥泵抽升流量123.8/h。浓缩池最低泥位−0.5m,污泥贮柜最高泥位为5.5m，则污泥泵所需静扬程为6.0m（4）设备选择选用CP(T)-55.5-100型沉水式污泥泵1台，购买2台，使用1台，备用1台，该泵工作流量为135/h，扬程为8m，转速n=1450r/min，电动机功率N=5.5kW，质量W=150kg。E污泥脱水机房（1）污泥产量经过浓缩处理后，产生含水量为96.5%的干污泥123.81/d。（2）污泥脱水机根据所需处理污泥量，选用DYQ300型带式压滤机1台，购买2台，使用1台，备用1台。该脱水机参数：处理量22m3/h，滤带有效宽度3000mm，滤带运行速度0.5~4.0，主机功率1.5kW，外型尺寸6.4×3.5×2.0m，设备质量6500kg（3）干污泥饼体积VG污泥回运污泥脱水后,全部运回锅炉房与煤一起燃烧。四、污水厂布置该废水处理工艺构筑物和建筑物及技术参数见表，表中包括部分独立露天设置的设备。综合楼的功能包括办公与值班、化验、配电、控制机房。构筑物平面尺寸指平面外形尺寸，建筑物平面尺寸为轴线尺寸。表4-1各构筑物尺寸序号名称技术参数平面尺寸/㎡高度/m备注1格栅V=0.6m/s1.69×0.460.80砖混2调节池T=6h25×202.0钢筋混凝土3UASBT=0.8h2×（圆）6.0钢筋混凝土4SBR反应池T=8.0h4×（15×8）4.5钢筋混凝土5鼓风机房Q=20.4m3/min10×84.5砖混6集泥井T=1h5×22砖混7污泥浓缩池P=98.0%T=24h4×45钢筋混凝土8污泥脱水机房DYQ--3002×74砖混4.1平面布置原则该污水处理厂为新建工程，总平面布置包括：污水与污泥处理工艺构筑物及设施的总平面布置，各种管线、管道以及渠道的平面布置，各种辅助建筑物与设施的平面布置。总平面布置适应遵守以下几点原则：(1)污水及污泥处理构筑物是处理站的主体，应布局合理，其投资少及运行方便。应尽量应用厂区地形，使废水及污泥在各处理构筑物之间靠重力自流，同类构筑物之间配水均匀，切换简单，管理方便，不同构筑物之间距离适宜，衔接紧凑，一般在5~10m，污泥干化机脱水设备应在下风向，干化污泥能从旁门运走。(2)合理布置生产附属设备，泵房尽量集中，靠近处理构筑物，鼓风机房要靠近曝气池，和办公室保持必要的距离，以防止噪音干扰，变电所靠近最大的用户，有必要的堆煤场地，机修间应位于各主要设备附近。此外应合理布置车库，化验室等。(3)办公构筑物应与处理构筑物保持一定的距离，位于上风向。(4)废水及污泥采用明渠输送，以便检修，管线要短，曲折少，交叉少。(5)处理站应有给水设备，排水管线及雨水管，厂内废水排入总泵站的吸水池，雨水管则接于总出水渠中。(6)处理站内必须设置事故排水渠以及超越管线，以及在停电及某些构筑物检修时，废水能越过检修构筑物而进入下一处理构筑物，或直接进入事故水渠。(7)处理站最好有双电源、变电所应有备用设备，一般不允许在厂架设高压线。(8)厂区内应有通向各处理构筑物及附属建筑物的道路，最好设置运输污泥的旁门或后门，厂区内应绿化和美化。(9)平面布置应考虑将来的发展，留有余地。(10)尽量采用自动化、半自动化、机械化操作。(11)废水、污泥应有计算设备，以便积累运行数据。(12)严寒地区应有防冻设备。4.1.1建筑物距离（1）防火厂房间的防火距离，主要是保证一旦失火时，火焰蔓延到相邻厂房时，消防队能顺利进入现场灭火（2）自然采光和通风为保证充分的自然采光和通风，建筑物间距不小于15m，如有15m以上土高建筑物，则间距不应该小于两相邻建筑物高度之和的一半。4.1.2厂内道路厂内人行道的宽度根据上下班通过人数而定，一般1.8~2.0m。主要厂房应有出口和露天场地，以利消防车通过以及在其他特殊情况的使用。公路宽度不应小于5m，能允许两辆大卡车面对面通过也要考虑输送线路的循环性，避免交通堵塞。4.1.3总论总之，总图布置设计时，必须遵守国家最新颁布的有关法令，如环境保护、工业卫生、安全防火等法律和规定，并及时征得城市规划部门和消防监督机构的同意。总图布置方法是根据生产需要，考虑到上述各种因素，选择几个方案进行技术论证和经济比较。具体做法可用样片法、模型法、物料运量法、相对位置法等，进行分析比较，择优录用。根据废水生产的来源和污泥处理工艺流程，污水处理厂位置和布置参见《平面布置图》。4.2污水高程布置4.2.1高程布置任务（1）定泵房、构筑物及连接管道标高（管中心线标高为主）。（2）确定构筑物内液位标高。4.2.2高程布置原则（1）选择一条距离最长，水头损失最大的流程进行水力计算。并应适当留有余地，以保证在任何情况下，处理系统都能够运行正常。（2）计算水头损失时，一般应以近期最大流量作为构筑物和管渠的设计流量；计算涉及远期流量的管渠和设备时，应以远期最大流量为设计流量，并酌加扩建时的备用水头。（3）设置终点泵站的污水处理厂，水力计算常以接纳处理后污水水体的最高水位作为起点，逆污水处理流程向上倒退计算，以使处理后污水在洪水季节也能自流排出，而水泵需要的扬程则较小，运行费用也较低。但同时应考虑到构筑物的挖土深度不宜过大，以免土建投资过大和增加施工上的困难。还应考虑到因维修等原因需将池水放空而在高程上提出的要求。（4）在作高程布置时还应注意污水流程与污泥流程的配合，尽量减少需抽升的污泥量。在决定污泥干化场，污泥浓缩池，消化池等构筑物的高程时，应注意它们的污泥水能自动排入污水流入干管或其它构筑物的可能。五、总结分析通过对城市污水处理厂各个构筑物的设计得出，经过处理后，出水中的污染物含量均小于《城镇污水处理厂污染物排放标准》，（CB18918-2002）中的一级A标准，可以直接排放。通过上面的生化处理可使河流的污染大大降低，有利于河流流域水体功能的恢复，地下水化学成分被恢复，更重要的是，污水经过处理后对整个生态环境的污染大大地降低，不但能够保护人民的身体健康，同时也可以为某间接带来改善投资环境、吸引外资、增加农副产品和工业产品的质量，减少城市自来水厂的净化处理成本。污水处理厂运行后，每年产生的干污泥含有大量有利于植物生长的肥分，将污泥作为农作物或园林绿化用的肥料，除可获得一定的增产效果外还可改良土壤结构。建设这座污水处理厂不但能够切实有效的保护水资源，并能够促进水资源的可持续发展进而带动经济的可持续发展。兴建某污水处理厂是一件功在当代，利在千秋，利国利民的事情，势在必行。我所选的是常规的工艺流程，它的适用性灵活性较强，而且所选用的设备也都是很先进的，因此操作简单。我对其进行了各个构筑物和管路的计算，对该工艺的投资运行费用估算带控制点流程图，高程布置图，管路布置图，平立面图以及各个构筑物布置图的绘制。最重要的是，这次设计所有的内容都是我自己打上去的，由此也提升了我的计算机水平，通过CAD制图，又帮我重温了以前的知识。经过这次的设计后，我认为可行性也较高，所以我觉得我的设计还是很成功的。参考文献[1]中国市政工程西北设计研究院.给水排水设计手册第11册常用设备第二版.中国建筑工业出版社，2002[2]胡纪萃主编.废水厌氧生物处理理论与技术.中国建筑工业出版社，2003[3]宋业林,宋襄翎.水处理设备实用手册.中国石化出版社，2004[4]曾科,卜秋平,陆少鸣.污水处理厂设计与运行.化学工业出版社，2002[5]李旭东,杨芸等.废水处理技术及工程应用.机械工业出版社，2003[6]任南琪,王爱杰.厌氧生物技术原理与应用.化学工业出版社，2004[7]高俊发,王社平.污水处理厂工艺设计手册.化学工艺出版社，2003[8]孙力平.污水处理新工艺与设计计算实例.科学出版社，2001[9]沈耀良,王宝贞.废水生物处理新技术.中国环境科学出版社，1999[10]金兆丰,余志荣.污水处理组合工艺及工程实例.化学工业出版社，2003[11]中国市政工程西北设计研究院.给水排水设计手册第5册城镇排污第二版.中国建筑工业出版社，2002致谢随着毕业设计的结束，我们的学生生涯也将接近尾声了。在这一个月的时间里，我经过个人努力和王老师的指导顺利作完成了最后的设计。通过这次毕业设计虽然感觉有点辛苦，但学到很多东西，通过查阅资料让我对以前学习过的知识又温习和记忆了一遍，由于我们缺乏经验所以会遇到许多问题，但老师却给了我们很多的帮助所以我要特别的感谢老师。同时我也要感谢我们设计组的成员，大家在做设计时都曾帮助过我，这也是我能顺利完成任务的一个因素，在整个设计期间大家互相帮助团结一心使设计顺利完成。但是由于时间仓促和自己有限的水平，本次设计中难免存在很多不足之处，恳请老师们批评指正。最后，对王老师的悉心指导再次表示感谢！并祝老师在今后的工作里工作愉快!合家欢乐!汽包锅炉给水水位自动控制系统的设计目录引言 1第一章温度检测装置概述 21.1温度检测装置的构成原理 21.2量程调整、零点迁移和零点迁移 3第二章温度检测装置元件的介绍 52.1热电偶概述 52.1.1热电偶简介 52.1.2热点现象和热电偶测温基本原理 72.1.3热电偶的基本定律 82.1.4热电偶的测温误差 92.1.5热电偶的使用 102.2热电阻概述 112.2.1热电阻的测温原理 122.2.2热电阻材料及常用热电阻 122.2.3热电阻的结构 132.2.4热电阻测温系统的组成 14第三章以热电偶温度变送器为核心的温度检测装置 153.1温度检测装置的结构方框图 153.2以热电偶温度变送器为核心的温度检测装置的设计 153.2.1放大单元工作原理 173.2.2温度检测装置量程单元 21结论 29参考文献 30谢辞 31引言近年来，随着国民经济的飞速发展，电力工业也在迅猛发展，不仅大容量、高参数的单元机组日益增多，而且电网的结构和运行模式也发生了很大变化，要求单元机组应具有大幅度的快速调峰能力，并具有更高的自动化水平，实现电网的自动发电控制(AGC)。

火力发电厂的工艺过程是一个能量转换与平衡的过程。储存在燃料(煤)中的化学能，通过锅炉燃烧、传热，转换成蒸汽的热力势能又通过汽轮机，将热力势能转换成机械能，再通过发电机，将机械能转换成电能，最后将电能传输给用户。在每个能量转换的环节中，包含着能量转换与能量储存和释放，如果将整个电站看作是一个能量储存与转换系统，那么它的输出能量(电能)与输入能量(化学能)以及中间蓄能应是平衡的。因此，电力生产过程是一个能量输入与输出、储存与释放的动态平衡过程。由于电厂热工控制对象是复杂、时变动态过程。存在非线性、大时延、强耦合及大干扰。协调控制系统就是为了适应当前的电力发展趋势所实施的单元机组负荷控制方案。

但是，锅炉和汽轮发电机在响应外界负荷时的动态特性存在很大差异。在单元机组内部，锅炉和汽轮机是相对独立的对象。从控制负荷的角度看，它们的动态特性很不一样。锅炉的动态特性——从燃烧率的改变到锅炉出口压力的改变，惯性很大；而汽轮发电机组的动态特性——从蒸汽流量的改变到输出功率的改变，惯性相对较小。因而单元机组内外两个能量供求平衡关系互相制约，即机组响应外部负荷变动与保持机组内部参数稳定之间的矛盾。根据这一特点，单元机组在实施负荷控制时，必须很好的协调机、炉两侧的控制动作，保持内外两个能量供求平衡关系，兼顾负荷响应和内部运行参数的稳定。单元机组负荷控制的任务就是保证主蒸汽压力偏差在允许的范围内的同时，使机组输出功率快速响应外部负荷变动。

机炉协调控制系统为单元机组的安全、稳定、经济运行提供了可靠的保证。随着电网技术的发展，大中型机组的运行方式也逐步发生变化，电网要求这些机组要有良好的负荷适应能力，承担较高的负荷变化率，其主要运行参数如主汽压力、汽包水位、主汽温度等在负荷的变化过程中保持相对稳定，以保证机组在整个负荷变化范围内有较高的稳定性和安全性，从而保证机组有较高的效率。第一章单元机炉机组协调控制系统概述1.1单元机组协调控制的发展国民经济不断增长，增加了对能源的需求量，电力工业逐渐发展为大电网、大机组、高参数、高度自动化。由于高参数，大容量机组发展迅速，装机容量日益增多，因此对机组的自动化需求也日益提高。与其它工业生产过程相比，电力生产过程更加要求保持生产的连续性，高度的安全性和经济性。单元机组协调控制系统已成为大型单元机组普遍采用的一种控制系统，该系统把自动调节、逻辑控制、安全保护、监督管理融为一体，具有功能完善、技术先进、可靠性高等特点，在工程应用中，协调控制系统能否成功的投入和运行，发挥其应有的功能，取决于机组主设备的可控性、系统控制设备的性能及可靠性、系统设计与整定的合理性等因素。大型单元机组从设计、制造、安装都充分考虑到机组自动控制方面的需要，使机组可靠性得到了不断改善和提高，为机组自动化水平的提高奠定了基础。1.2单元机组协调控制系统的概念从大系统理论出发，协调控制是一种解决大系统控制问题的基本策略。所谓大系统可理解为由若干相互关联子系统组成的复杂系统。应用大系统理论处理这类庞大而复杂系统控制问题的基本方法就是分解协调的方法。所谓分解是把大系统化为若干子系统，以便进行分块的处理与控制，求得各子系统之间的局部最优解。而协调则是从系统的全局出发，合理地调整各子系统之间的关系，求得各子系统之间的和谐与统一，进而得到整个大系统的最优解。常规的自动控制系统是汽轮机和锅炉分别控制。汽轮机调节机组负荷和转速，机组负荷的变化必然会反映到机前主蒸汽压力的变化，既机前主蒸汽压力反映了机炉之间的能量平衡。主蒸汽压力的控制由锅炉燃烧调节系统来完成，燃烧调节系统一般又分为主蒸汽压力调节系统、送风氧量调节系统、炉膛负压调节系统等子系统。随着单元机组容量的不断增大、电网容量的增加和电网调频、调峰要求的提高以及自身稳定（参数）运行要求的提高，常规的自动调节系统已很难满足单元机组既参加电网调频、调峰又稳定机组自身运行参数这两个方面的要求，因此必须将汽轮机和锅炉视为一个统一的控制对象进行协调控制。所谓协调控制，是指通过控制回路协调汽轮机和锅炉的工作状态，同时给锅炉自动控制系统和汽轮机自动控制系统发出指令，以达到快速响应负荷的目的，尽最大可能发挥机组的调频、调峰能力，稳定运行参数。单元机组协调控制系统是在常规机炉局部控制系统基础上发展起来的新型控制系统。单元机组在处理负荷要求并同时维持机组主要运行参数的稳定这两个问题时，是将机炉作为一个整体来看待的。然而汽机、锅炉又是相对独立的，它们通过各自的调节手段，如汽轮机调节阀开度、锅炉燃烧率，满足电网负荷的要求及主参数的稳定，但它们的能力不尽相同，主要表现在锅炉调节的相对滞后，如果在设计控制系统时能充分考虑它们的差异，采取某些措施（如引入某些前馈信号、协调信号），让机炉同时按照电网负荷的要求变化，接收外部负荷的指令，根据主要参数的偏差，协调地进行控制，这样的控制系统称为协调控制系统。1.3单元机组协调控制系统的功能与任务为了保证实现对机组负荷的有效控制，对大型单元机组协调控制系统的功能一般有以下几个方面的要求：（1）建立电网调度中心与机组锅炉控制和汽机控制系统之间的通信联系，实施机组负荷控制，参与电网调频。（2）在异常情况下，对单元机组及其锅炉和汽机负荷需求指令进行限制。（3）改善机组对外界负荷扰动的向应能力，及其克服各种扰动影响，提高机组对负荷变化的适应能力。（4）使机组具有较高的运行效率。（5）减小锅炉和汽机的热应力。（6）减轻运行人员的劳动强度，确保机组的安全运行。为了达到上述几方面的功能要求，大型单元机组协调控制系统必须完成下列主要任务：（1）协调控制系统能协调机、炉的控制，在—定的负荷范围内响应来自电网调度的负荷指令或机组运行人员就地设定的负荷指令，对机组进行负荷控制，并参与电网调频，同时保证机组的稳定运行，维持运行参数不超出允许的变化范围。（2）对某些需要在整个负荷变化范围内进行控制的过程变量，采用全程控制、以尽可能减少运行人员的劳动强度。（3）在机组设备异常或事故情况下，CCS越过保护、连锁等逻辑控制回路，确保机组安全地继续远行，或使生产设备处于安全状态而不致造成损害。（4）当机组主要辅机，如送风机、引风机、磨煤机、给水泵、炉水循环泵、一次风机等发生故障而不能满足机组出力要求时，CCS的负荷指令处理回路能产生负荷快速返回信号，使机组实际负荷指令降至机组的最大可能出力值，以确保机组的安全运行。（5）对设计有足够容量的汽轮机旁路系统的机组，当汽轮机或电气故障致使汽轮机快速甩负荷时，锅炉有必要维持最低的燃烧率继续稳定运行，使机组带厂用电远行或停机不停炉，以便故障消除后能快速带上负荷。（6）当机组运行参数，如燃料量、空气量、给水量等，其实际值与给定位的偏差超出规定的允许值范围，或执行机构位置达到预先设定的最大或最小限值时，CCS的负荷指令处理回路能产生负荷增／减闭锁信号，根据偏差的方向，对机组实际负荷指令的增加或减小加以闭锁，以防止物料或能量的不平衡进一步扩大和引发事故，直至异常消除，偏差回到限位内才解除闭锁。（7）对于机组设备工作异常的一类故障，CCS除了采用负荷增／减闭锁措施外，还应进—步采取机组负荷迫升／迫降措施。（8）协调控制系统对机组的一些重要过程变量的信号进行在线监控，一旦偏离正常状态，就自动采取措施、或切换至冗余部分(即备用设备)。或将控制系统切为手动方式，同的发出报警信号。（9）对于重要参数的测量采用三变送器或双变选器。（10）重要凹路的执行机构监控具有阀位指今与实际阀位的偏差监控、方向闭锁、超池开／关、后备直接手操、失电、断气或断信号保护等功能。（11）为了使机组能稳定运行，协调控制系统X、f所有控制回路的自动／手动切换均具有无扰切换的功能，即当某控制回路切换到手动方式时。（12）有比较完备的防运行人员的误操作连锁保护措施。（13）协调控制系统还配备有必须的逻辑控制功能，它们能根据规定的逻辑条件自动地判断并执行系统的切换、操作、跟踪、保护、连锁、闭锁、监控、报警等等功能，如主燃料跳间处理、防炉膛内爆控制、风／煤交叉连锁、汽轮机防进水保护等。1.4单元机组协调控制系统的特点单元机组协调控制系统是在常规机炉控制系统基础上发展起来的，其主要特点包括以下几个方面：（1）系统结构先进。采用了递阶控制结构，在局部控制级的基础上引入了机炉协调级，把锅炉，汽轮发电机组作为一个整体进行控制。机炉协调控制器是一个多变量控制器。采用了前馈、反馈、补偿以及变结构控制等技术，充分利用了机炉动态特性的特点，并充分地利用了机炉动态特性方面的特点，克服系统内部耦合和非线性特性。获得优良的控制品质。（2）系统功能完善。除了正常工况下的连续调节之外，系统根据需要设计了一整套逻辑控制系统。包括实际功率给定逻辑，局部故障处理，运行方式切换逻辑，以及显示报警等，系统可根据实际需要和设备状况，选择不同的运行方式，比如机跟炉，炉跟机，机炉协调方式；定压运行或滑压运行方式；固定功率输出或可调功率方式。（3）系统可靠性高。通过设置安全保护系统和采取一系列可靠性措施，可获得很高的系统可靠性。综上所述，目前广泛应用的单元机组协调控制系统中，控制规律仍属于经典控制规律的范畴。系统分析设计与综合的方法多采用多变量频域法和常规的工程方法。第二章单元机组机炉协调控制系统的结构2.1单元机组协调控制系统的组成单元机组协调控制系统是由负荷控制系统也称主控制系统、常规控制系统也称子控制系统和负荷控制对象三大部分组成。如图2-1所示。负荷控制系统又由二部分即负荷指令处理部分也称负荷管理控制中心和机炉主控制器组成。负荷控制系统负荷控制系统协调控制级子控制系统局部控制级μTμBN0负荷指令处理部分机炉主控制器锅炉控制系统汽轮机控制系统被控对象NBNTNEPT外埠负荷指令图2-1单元机组协调控制系统简图其中，负荷指令管理中心的结构图如图2-2所示，负荷管理控制中心是协调控制系统的指挥机构，它的主要功能是根据电网调度中心的要求负荷指令或机组运行人员要求改变负荷的指令以及机组主辅机运行情况，处理成适合于机炉运行状态的实际负荷要求指令。图2-2负荷指令管理中心的结构图其中，单元机组协调控制系统简化框图如图2-3。机、炉主控制器是协调控制系统的控制机构，机、炉主控制器的主要功能是根据机组的运行条件和要求，运行人员通过选择控制方式，给出合理的控制方案提供机组全面的协调控制。图2-3单元机组协调控制系统简化框图2.2单元协调控制控制系统的原理图2-4协调控制系统工作原理图协调控制系统工作原理图如图2-4所示。协调控制系统是由负荷指令处理回路和机炉控制回路这两部分组成。负荷指令处理回路可以接受3个负荷指令信号，即电网调度负荷指令信号，电网频差信号和值班员指令信号，电网频差信号和值班员改变负荷的指令信号。它们的总和反映了外界对机组负荷的要求。机组功率运算回路将这个负荷要求处理成为机组可能接受的功率信号。机组能否接受这个指令还要由机组允许负荷能力运算回路决定，允许负荷能力取决于当时的主要辅机运行台数及锅炉燃烧率的偏差。若负荷要求在机组所能承担的允许范围内，则可按负荷要求发出机组功率指令，否则，按机组允许负荷能力发出机组功率指令，这个任务由限制回路来完成。经上述运算处理后的机组功率指令（功率给定值N0）分别送往锅炉调节器和汽机调节器。机炉主控制回路由锅炉调节器和汽机调节器组成，它们同时接受功率偏差（N0-Ne）和汽压偏差（P0-PT）信号。在稳定工况下，实发功率Ne等于功率给定值N0，机前压力PT等于压力给定值P0。当要求负荷增加时，将出现一个正的功率偏差信号（N0-Ne），此信号通过汽机调节器开大调节阀，增加实发功率，同时，这个信号也作用到锅炉调节器，使燃料量增加，增加蒸汽量。当调节阀开大时，会立即引起机前压力的下降，尽管此时锅炉已经开始增加燃料量，但由于燃料-机前压力通道有一定的惯性，这时仍然会有正的压力偏差（P0-PT）信号出现。这个信号按正方向作用到锅炉调节器，继续增加燃料量，同时反方向作用到汽机调节器，力图使汽压恢复到正常数值。正的功率偏差信号和负的压力偏差信号作用的结果，会使调节阀开大到一定程度后停止。这时汽机实发功率还没有达到功率给定值，这种状态只能是暂时的，因为正的功率偏差信号与负的汽压信号同时通过锅炉调节器使锅炉增加燃料量，随着机前压力的逐渐恢复，压力偏差信号逐渐减小，这时汽机调节阀在正的功率偏差信号作用下继续开大，提高实发功率，直到功率和汽压均与其给定值相等，机组达到新的稳定状。由此可见，在机组适应电网负荷变化过程中，协调控制方式允许汽压有一定的波动，以便能充分利用锅炉的蓄热量，使机组能较快地适应电网的需求。但是，这里利用锅炉的蓄热量是有限的，因为在控制的过程中利用负的压力偏差能适当地限制汽机调节阀的动作，保持机前压力不致产生过大的偏差，所以，协调控制方式既能使机组较快地适应电网的负荷要求，又能确保汽压的波动在允许的范围内。另外，由于锅炉调节器接受功率前馈偏差信号，能迅速地改变燃料量，可使机组功率较快地达到功率给定值。第三章单元机组机炉协调控制系统的基本方案机、炉主控制器是协调控制系统的控制机构。机炉主控制器的设计从其控制结构出发有二种指导思想，一种是以反馈控制为基础的，适当加入一些前馈信号作为辅助调节以改善控制品质；另一种则从能量平衡的角度考虑前馈的控制，力争做到前馈补偿后，锅炉和汽机就能协调一致地达到所要求的负荷，反馈作用仅在此基础上起校正作用。所以，一般协调控制系统可按反馈和前馈回路不同进行分类。3.1按反馈回路分类常见的机炉协调控制方式有三种方案：以锅炉跟随为基础的协调控制方式、以汽轮机跟随为基础的协调控制方式和综合型协调控制方式，下面分别介绍它们的工作原理及主要特性。3.1.1以锅炉跟随为基础的协调控制方式汽机控制手动，汽机调节器接受功率给定值与实发功率反馈信号，根据它们之间的偏差，调节汽门开度，从而改变进汽量，使发电机输出功率迅速满足负荷要求。锅炉主控制器自动，锅炉调节器接受机前压力定值的机前压力反馈信号，根据偏差，调整燃料量，从而保证主汽压力稳定。如图3-1所示。图3-1以锅炉跟随为基础的协调控制方式所以，在锅炉跟随系统中，快速的功率响应和较大的主汽压力偏差是同时存在的，这就是由于锅炉跟随系统机组功率对汽机侧调节作用的响应迅速，当负荷要求变化时，本系统通过改变汽机调节阀开度，充分利用机组蓄能，就可以得到机组功率的快速响应。但是，这是以牺牲主蒸汽压力为代价的，又因为在锅炉侧的调节作用下，主汽压力的响应有较大惯性。为了减小主汽压力的波动，以锅炉跟随为基础的协调控制系统可以采用机前压力的定值与机前压力的反馈值之间的偏差信号，通过函数模块（死区特性），作用在汽机调节器的输出端。当汽压偏差超过非线形模块的不灵敏区时，汽机调节器发出的调节阀开度指令将受到限制。3.1.2以汽机跟随为基础的协调控制方式当机组负荷发生变化时，通过锅炉调节器控制燃料量。机前压力改变后，按机前压力与给定值的偏差，通过汽机调节器改变汽轮机调节阀开度，从而改变机组功率。如图3-2所示。图3-2以汽机跟随为基础的协调控制方式汽机跟随为基础的协调的控制系统，可以在汽机调节器前，加入功率偏差的前馈信号，其原理是利用锅炉的蓄能，同时允许汽压在一定范围内波动。功率偏差信号（NO-NE）可以看作是暂时改变的汽机调节器的给定值，当（PO-PT）>0时，汽压给定值降低，汽压调节器发出开大调节阀的指令，增加输出功率，反之亦然，当函数模块F（x）=0时，前馈作用不存在。3.1.3综合型协调控制方式锅炉和汽机同时接受负荷指令，并按一定的策略去协调锅炉和汽机之间的控制。锅炉主控制器自动，保证主汽压，同时接受负荷指令的前馈信号；汽机主控制器自动，保证机组功率。负荷指令作为机组功率设定值。对于单元机组协调控制系统控制质量的评价，主要根据以下两方面进行：其一是能否尽快地响应电网对机组的负荷要求；其二是在内、外扰作用下，机炉控制回路能否协调工作和能否使汽压偏差和功率偏差尽可能减小。如图3-3所示。图3-3综合型协调控制方式几种不同的运行方式间可以灵活的进行切换，锅炉出力受限制时，切至汽机跟随方式；当汽机出力受限制时，切至锅炉跟随方式。任何一种运行方式的选择均要求所需要的子系统已被选择在自动方式；任何子系统的自动方式的切除，都将导致协调控制系统转到与之相适应的自动级。3.2按前馈回路分类3.2.1按指令间接平衡的协调控制(DIB)按指令间接平衡的协调控制系统的示意图如图3-4(a)所示。从图中可以看出此系统是以锅炉跟随的控制方式工作的。锅炉侧是以(1＋d/dt)N0作为前馈信号，以(P0－PT)作为反馈信号。锅炉侧的反馈回路中，由锅炉控制器前的乘法器引