一种全地下污水处理厂重力流进水流量的控制系统

摘要

本发明提供了一种全地下污水处理厂重力流进水流量的控制系统，包括设置于全地下污水处理厂的进水段中的监测装置以及与监测装置通信连接的SCADA系统；监测装置分别设置于进水段中的第一控制段和第二控制段，用于对各控制段内的液位及流速进行监测；SCADA系统包括SCADA控制模块和模型计算模块，用于根据监测装置采集的液位信息和流速信息进行模型计算，并以此对重力流进水流量进行控制。通过上述方式，本发明能够将监测装置获取的监测数据传输至SCADA系统，对相应流量及闸门、堰门的开度进行计算与调整，从而利用对两道流量控制段的双重控制，实现对全地下污水处理厂重力流进水流量的持续稳定控制。

说明书

技术领域

本发明涉及地下污水处理厂重力流进水技术领域，尤其涉及一种全地下污水处理厂重力流进水流量的控制系统。

背景技术

伴随城市发展，土地资源越来越宝贵，全地下式污水处理厂的应用越来越普遍。与传统的地上污水处理厂相比，全地下式污水处理厂的构筑物设计比较紧凑，无需考虑绿化及隔离带等要求，一般占地面积较少；同时，全地下式污水处理厂的主要处理设备均处于地下，机械设备的噪声和振动较小，对周边建筑和居民生活基本不产生影响；且其上部空间利用价值较高，可用于绿化、公园等公益事业，也可用于商业开发等。因此，全地下式污水处理厂已成为城市污水处理工程的重要发展趋势，对解决高密度建成区市政公共设施需求与土地资源之间的矛盾具有重要意义。

目前，国内的地下污水处理厂大部分是采用污水泵提升的方式进水，需要建设前池和提升泵房，与传统地面污水处理厂区别不大。但当前对于全地下式污水处理厂重力流进水方式的研究仍然较少，一方面是因为污水厂稳定运行必须保证进水流量稳定，减少对生化池的冲击，采用泵提方式进水，流量稳定可控，操作简单；另一方面受地域限制，采用重力流进水的污水处理厂其主体结构高程必须在进水管以下，这就导致整个污水厂的埋深较深，前期投资相对较大。因此，国内地下污水处理厂大部分还是采用传统的泵提方式。但是，在某些特定条件下，如污水厂进水端水位高程较高时，采用重力流进水可节约大量电耗，并减少提升泵房、前池的投资，因此，重力流进水仍然是非常值得研究的进水方式。

公开号为CN112083135A的专利提供了一种重力流排水管道下沉式自动监测系统，该系统通过在与重力流排水管道相通的检查井内设置相应传感器，实现对重力流排水管道中污水的水质在线监测及水质变化情况实时分析，为污水处理厂提前预警，以辅助污水处理系统稳定运行。然而，在实际应用中，污水处理厂的系统稳定性受重力流水量的影响较大，如何避免暗涵或明渠中水位高程波动对重力流进水流量的影响仍是当前亟待解决的问题。

有鉴于此，有必要设计一种改进的全地下污水处理厂重力流进水流量的控制系统，以解决上述问题。

发明内容

针对上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种全地下污水处理厂重力流进水流量的控制系统。通过在全地下污水处理厂的进水段设置两道流量控制段，并分别在各流量控制段内设置监测装置，对各流量段的液位及流速进行监测；并通过建立数据采集与监视控制(SCADA)系统，根据监测的数据对各流量控制段内的流量进行计算，并通过调节相应闸门、堰门的开度对流量进行控制，从而实现对全地下污水处理厂重力流进水流量的持续稳定控制。

为实现上述目的，本发明提供了一种全地下污水处理厂重力流进水流量的控制系统，包括设置于全地下污水处理厂的进水段中的监测装置以及与所述监测装置通信连接的SCADA系统；所述监测装置分别设置于所述进水段中的第一控制段和第二控制段，用于对各控制段内的液位及流速进行监测；所述SCADA系统包括SCADA控制模块和模型计算模块，用于根据所述监测装置采集的液位信息和流速信息进行模型计算，并以此对重力流进水流量进行控制。

作为本发明的进一步改进，所述全地下污水处理厂的进水段包括依次连通的合流制暗涵或明渠、进水管、进水井和出水管，所述出水管与所述全地下污水处理厂相连通。

作为本发明的进一步改进，以所述进水管为所述第一控制段，在所述进水管的进水端设置有闸门，以便通过调控所述闸门的开度控制所述闸门的过流流量。

作为本发明的进一步改进，所述监测装置包括设置于所述闸门进水端的第一超声波液位计以及设置于所述进水管内的第一流速仪；所述第一超声波液位计与所述第一流速仪分别与所述SCADA系统通信连接。

作为本发明的进一步改进，所述模型计算模块包括第一计算单元，用于接收所述第一超声波液位计与所述第一流速仪的监测信号，计算所述闸门的过流流量，并传输至所述SCADA控制模块；所述SCADA控制模块根据所述闸门的过流流量对所述闸门的开度进行控制。

作为本发明的进一步改进，所述SCADA系统还包括第一机器学习模块，用于生成所述第一超声波液位计监测的液位、所述闸门的过流流量以及所述闸门的开度之间的第一曲线关系，并根据所述第一曲线关系将所述第一超声波液位计监测的液位与所述闸门的开度直接关联。

作为本发明的进一步改进，以所述进水井为所述第二控制段，在所述进水井的中部设置有下开式堰门，以便通过调控所述下开式堰门的开度控制所述下开式堰门的过流流量。

作为本发明的进一步改进，所述监测装置包括设置于所述下开式堰门进水端的第二超声波液位计以及设置于所述下开式堰门顶端的第二流速仪；所述第二超声波液位计与所述第二流速仪分别与所述SCADA系统通信连接。

作为本发明的进一步改进，所述模型计算模块包括第二计算单元，用于接收所述第二超声波液位计与所述第二流速仪的监测信号，计算所述下开式堰门的过流流量，并传输至所述SCADA控制模块；所述SCADA控制模块根据所述下开式堰门的过流流量对所述下开式堰门的开度进行控制。

作为本发明的进一步改进，所述SCADA系统还包括第二机器学习模块，用于生成所述第二超声波液位计监测的液位、所述下开式堰门的过流流量以及所述下开式堰门的开度之间的第二曲线关系，以便根据所述第二超声波液位计监测的液位对所述下开式堰门的开度进行调整，达到控制所述下开式堰门的过流流量的目的。

本发明的有益效果是：

(1)本发明通过在全地下污水处理厂的进水段设置两道流量控制段，并分别在各流量控制段内设置监测装置，对各流量段的液位及流速进行监测；并通过建立SCADA系统，根据监测的数据对各流量控制段内的流量进行计算，并通过调节相应闸门、堰门的开度对流量进行控制，从而利用对两道流量控制段的双重控制，实现对全地下污水处理厂重力流进水流量的持续稳定控制。

(2)本发明通过在进水管的进水端设置闸门，在进水井的中部设置下开式堰门，并在闸门和下开式堰门所处的控制段设置了相应的液位计和流速仪，采用了信号搜集前馈加设备控制反馈的双重流量控制策略。该策略通过采集相应的液位、流速信息作为前馈信号，并以下开式堰门流量作为闸门修正信号，将信号传输至SCADA系统进行模型计算，并根据计算结果控制闸门和下开式堰门的开度，实现对重力流进水流量的有效控制。并且，本发明通过设置闸门和下开式堰门进行两道流量控制，使其在相互关联的同时能够保持相互独立，在其中一处失灵或检修时另一处仍能发挥作用，有效防止地下污水厂进水量过大，确保其安全运行。

(3)本发明提供的SCADA系统能够根据运行过程中获取的数据进行自动学习，生成合流制暗涵或明渠的液位、闸门的过流流量和闸门的开度之间的第一曲线关系，以及进水井液位、下开式堰门的过流流量以及下开式堰门的开度之间的第二曲线关系，从而根据第一曲线关系和第二曲线关系简化控制过程，直接将合流制暗涵或明渠的液位与闸门开度和下开式堰门开度进行关联，实现进水流量的简化稳定控制。

附图说明

图1为本发明的一个实施例提供的一种全地下污水处理厂重力流进水流量的控制系统中进水段内监测装置的结构示意图。

图2为本发明的一个实施例提供的一种全地下污水处理厂重力流进水流量的控制系统的结构示意图。

图3为闸门截面的示意图。

图4为下开式堰门的截面示意图。

附图标记

1、合流制暗涵或明渠；2、进水管；21、闸门；22、第一超声波液位计；23、第一流速仪；3、进水井；31、下开式堰门；32、第二超声波液位计；33、第二流速仪；4、出水管；5、全地下污水处理厂。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

另外，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

如图1、图2所示，本发明提供了一种全地下污水处理厂重力流进水流量的控制系统，包括设置于全地下污水处理厂的进水段中的监测装置以及与所述监测装置通信连接的SCADA系统；所述监测装置分别设置于所述进水段中的第一控制段和第二控制段，用于对各控制段内的液位及流速进行监测；所述SCADA系统包括SCADA控制模块和模型计算模块，用于根据所述监测装置采集的液位信息和流速信息进行模型计算，并以此对重力流进水流量进行控制。

在本发明的一个实施例中，所述全地下污水处理厂的进水段包括依次连通的合流制暗涵或明渠、进水管、进水井和出水管，出水管与全地下污水处理厂相连通。

具体地，在本发明的一个实施例中，以进水管为第一控制段，在进水管的进水端设置有闸门，通过调节该闸门的开度即可对该闸门的过流流量进行控制。同时，以进水井为第二控制段，在进水井的中部设置有下开式堰门，通过调节该下开式堰门的开度即可对下开式堰门的过流流量进行控制。

在本发明的一个实施例中，使用的闸门为电动闸门，下开式堰门为液动下开式堰门；在本发明的其他实施例中，闸门和下开式堰门的驱动方式可以根据实际需要进行选择，均属于本发明的保护范围。

在本发明的一个实施例中，所述监测装置包括设置于闸门进水端的第一超声波液位计、设置于进水管内的第一流速仪、设置于下开式堰门进水端的第二超声波液位计以及设置于下开式堰门顶端的第二流速仪，分别用于监测合流制暗涵或明渠的液位、进水管内的污水流速、进水井中的液位以及下开式堰门的过流流速。其中，第一超声波液位计、第一流速仪、第二超声波液位计以及第二流速仪分别与所述SCADA系统通信连接，用于将采集的监测信号传递至SCADA系统。

当SCADA系统接收到由监测装置采集的信号后，由模型计算模块进行相应计算。其中，模型计算模块包括第一计算单元和第二计算单元，分别用于根据第一控制段和第二控制段中监测装置采集到的信号对闸门和下开式堰门的过流流量进行计算，该过流流量的计算公式为：Q＝Av。

其中，A表示闸门或下开式堰门的过流断面面积，需根据第一超声波液位计或第二超声波液位采集的液位数据计算得到；v表示闸门或下开式堰门的过流速度，即为第一流速仪或第二流速仪采集到的数据。

具体地，请参阅图3，当闸门半径为d，由第一超声波液位计采集到的液位高度为H时，闸门过流面积的计算公式为：

其中，

请参阅图4，当下开式堰门的长度为b，由第二超声波液位计采集到的液位高度为h时，下开式堰门过流面积的计算公式为：A＝b×h。

通过上述方式，模型计算模块能够对闸门和下开式堰门的过流流量进行实时计算，并将所得信号实时传输至SCADA控制模块，由SCADA控制模块根据所述SCADA控制模块根据所述闸门和下开式堰门的过流流量输出开度调节信号，对所述闸门和下开式堰门的开度进行调整，并实时反馈调整过程中各开度对应的过流流量，直至将闸门和下开式堰门的过流流量调整至设定的范围内，以确保全地下污水厂进水流量的稳定。

在本发明的一个实施例中，所述SCADA系统还包括第一机器学习模块和第二机器学习模块。其中，第一机器学习模块用于根据用于生成第一超声波液位计监测的液位、闸门的过流流量以及闸门的开度之间的第一曲线关系，并根据第一曲线关系将第一超声波液位计监测的液位与闸门的开度直接关联，以便根据第一超声波液位计监测的液位对闸门的开度进行调整，对闸门的过流流量进行控制。第二机器学习模块则用于生成第二超声波液位计监测的液位、下开式堰门的过流流量以及下开式堰门的开度之间的第二曲线关系，并根据第二曲线关系将第二超声波液位计监测的液位与下开式堰门的开度直接关联，以便根据所述第二超声波液位计监测的液位对所述下开式堰门的开度进行调整，对下开式堰门的开度进行控制。基于上述曲线关系，本发明能够有效简化控制过程，实现进水流量的简化稳定控制。

下面结合具体的实施例对本发明提供的一种全地下污水处理厂重力流进水流量的控制系统进行说明：

以污水处理量为10万吨/d的全地下污水厂为例。该全地下污水厂的进水来自合流制暗涵，晴雨天暗涵水位在15.15m～18.5m不断波动，污水厂进水管为DN1000、管中高程15.15m，采用重力流进水。

在不设置流量控制措施时，污水厂进水流量随着暗涵水位波动而不断波动，在不考虑因进水导致的暗涵水位下降时，通过模拟，当暗涵水位为15.76m时，日进水量10万吨；当暗涵水位为18.5m时，日进水量达到54万吨，已远远超出污水处理厂处理能力。

采用本发明提供的全地下污水处理厂重力流进水流量的控制系统后，通过在进水段设置流量自动控制系统即可进行流量限制。本发明通过液位、开度、流量之间的第一曲线关系和第二曲线关系，依据需求的流量，自动调整闸门和下开式堰门的开度。当暗涵水位为15.76m(黄海高程)时，为控制污水厂进水始终维持10万吨/d左右，此时控制闸门开度为100％，通过公式计算，闸门进水流速为1.474m/s，下开式堰门(尺寸为2.5m×5.25m)开度为100％，流速2.31m/s。当暗涵水位为18.5m时，控制闸门开度为18.4％，闸门过水流速8m/s，下开式堰门开度49.52％，流速2.31m/s。以上闸门、下开式堰门开度均可通过SCADA系统自动控制，也可手动调整。

由此可以看出，本发明提供的全地下污水处理厂重力流进水流量的控制系统能够根据水位的变化自动调整闸门和下开式堰门的开度，从而对污水处理厂的进水段进行双重控制，以确保污水厂进水流量持续稳定。

综上所述，本发明提供了一种全地下污水处理厂重力流进水流量的控制系统，包括设置于全地下污水处理厂的进水段中的监测装置以及与监测装置通信连接的SCADA系统；监测装置分别设置于进水段中的第一控制段和第二控制段，用于对各控制段内的液位及流速进行监测；SCADA系统包括SCADA控制模块和模型计算模块，用于根据监测装置采集的液位信息和流速信息进行模型计算，并以此对重力流进水流量进行控制。通过上述方式，本发明能够将监测装置获取的监测数据传输至SCADA系统，对相应流量及闸门、堰门的开度进行计算与调整，从而利用对两道流量控制段的双重控制，实现对全地下污水处理厂重力流进水流量的持续稳定控制。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。