臨汾市自來水公司凈水廠投加藥系統自動化改造方案

晉亞太

臨汾市自來水公司調度室 041000

　　摘 要：本文介紹了臨汾市自來水公司凈水廠自動投加藥系統的改造方案，詳細地說明了各測點的選取、檢測參數及硬件系統的配置。分析對比了幾種控制算法的優劣，并根據該項目的實際情況選擇了最為適宜的方案。
　　關鍵詞：水廠 自動投加藥 自動控制

1．概述

　　臨汾市自來水公司凈水廠座落在城西南3.5公里處，占地42907m²（含龍祠水源站），其水源設計取水量為8.64萬噸/日，經12KM的輸水管道，壓入凈水廠內，是自來水公司龍祠水源地水處理廠。
　　 生產工藝流程：引龍祠源水加壓至凈水廠，經投藥、混凝、沉淀、澄清、過慮、消毒，使處理后水質符合國家飲用水衛生標準，由二泵房加壓送入城市和臨鋼配水管網，生產工藝中生活飲用水系統加投石灰軟化工藝、降低水的硬度，在上世紀八十年代城市水處理行業中很少使用。
　　 源水取用梁山東麓西平山腳下地龍子祠泉排泄形成的地表水為水源，本屬地下水性質，因出水點至取水點尚有一定距離，經流過程中暴露于自然界，因為人為因素的污染使其具有地表水的特性。龍祠子泉屬于石灰巖溶水，具有濁度低、水質水溫穩定的優點，龍祠泉水因溶解了巖層中的礦物質，含鹽量較高，屬HCO₃—SO₄—Ca—Mg型，總硬度在540mg/L（以CaCO₃計）左右，高于GB5749—85國標，因此，凈水廠選用了藥劑軟化法來降低水的硬度，使出廠水質能夠全面達到GB5749—85生活飲用水衛生標準。

2．凈化工藝

2.1 投藥系統
　　投藥樓是配置軟化劑及混凝劑，并將其投加到澄清池第一反應室中，用于去除水中暫時硬度的場所。其操作工藝如下：
　　將生石灰初步熟化后通過卷揚機輸送至工作平臺，在消石灰機內完成熟化，篩除雜質，形成石灰乳液后入石灰攪拌池中進行攪拌，并配置成濃度為2.5％的石灰乳液，利用泥漿泵輸送至澄清池第一反應室。
　　混凝劑使用硫酸亞鐵，它是一種半透明的結晶體，在堿度高的水中會形成三價的鐵離子，在pH≥9的水中具備優良的絮凝效果。硫酸亞鐵配置成溶液后經耐腐蝕泵提升至高位溶液池，利用重力投加的方式輸送到澄清池前的進水管。硫酸亞鐵溶液濃度在15％左右，千噸水消耗低于12千克。
2.2 進水儀表間
　　源水通過龍祠站送水泵房加壓輸送到凈水廠，通過調整工藝管道中13個電動閥門開閉狀態，可根據源水水質及城市與臨鋼用水需要形成六種生產工況，從而完成澄清、過慮、消毒等工藝流程。

3、投藥子站的自動化改造

3.1 投藥子站控制系統

圖1 投藥子站控制示意圖

3.2 中央控制器
　　中央控制器采用SIEMENS公司S7－300系列PLC，現場操作用了TP170A觸摸屏，PLC采集源水流量、藥液濃度、澄清池內的PH值和濁度值、指令狀態、計量泵工作狀態等參數，并通過控制方法的計算輸出控制量，控制輸出計量泵的投加量、工作狀態、液位濃度報警、水質指標異常報警等信息。PLC本機內置PROFIBUS標準接口，以備將來水廠聯網。
3.3 投加硫酸亞鐵
　　硫酸亞鐵攪拌池采用濃度計進行實時數據采集，液位采用超聲波液位計進行監測，并將數據傳送給PLC。硫酸亞鐵投加采用兩臺計量泵投加，一用一備的工作方式。
3.3.1 選泵的原理
　　按目前經驗值，硫酸亞鐵的投加量為12kg/1000m³，硫酸亞鐵混合液的濃度為15％，日供水量按80000m³水計算，則計算每分鐘的投加量為：80×12×100/15＝4.44L/min，宜選用投加量為6L/min的計量泵，一用一備的工作方式比較合理，采用高性能計量泵，具有以下優點：
　　（1）計量投加腐蝕性藥液，工作安全、可靠；
　　（2）動沖程伺服控制器，可精確調節流量；
　　（3）ISO90001質量保證，世界計量泵行業領先地位；
　　（4）優秀的設計和精妙的結構可有效降低脈動液流對管路的沖擊，使液流平穩流動、輸出，減輕脈動液流對管網的危害，延長整套系統的使用壽命。
　　（5）備手動/自動雙功能，可以通過PLC對投加量進行自動控制；也可以通過沖程伺服調節器對投加量進行手動控制。
3.3.2 控制策略
3.3.2.1 流動電流檢測儀（SCD）單因子調節系統
　　目前國內外較先進的凈水廠都使用SCD檢測儀表來控制投藥量．在水處理工藝中，根據混凝機理，加藥的主要作用是使水中的膠體粒子脫穩。膠體粒子的穩定度可用ζ電位來描述，ζ電位越高，穩定性越好，欲達到應有混凝效果的加藥量就越多。由于直接檢測ζ電位的技術非常復雜，所以研制出SCD儀表，間接測定ζ電位，用以反映水中膠體粒子的穩定度。因此可用SCD組成一個簡單調節系統如圖2所示。

圖2 SCD單因子控制系統圖

　　從圖2可以看出，該系統中僅包含SCD一個控制參數，故又被稱為單因子控制系統．該系統結構簡單，使用方便，盡管SCD檢測值一般情況有２min左右的滯后時間，只要調節器的參數整定恰當，可以使SCD值穩定在給定值附近．如果給定值選擇好，可使混凝效果得到控制．該系統從理論上講是可行的，但實際使用效果并非十分理想．分析其主要原因有如下幾點：（1）雖說SCD值是反映膠體粒子穩定度的一個物理量，但實際上SCD值會受到水中其它因素的影響．傳感器檢測室吸附表面是由塑料材質制成的，于是原水中某些大分子有機物因其吸附親力明顯強于無機膠體，會造成有害物質對吸附表面的優先吸附，引起檢測信號的減弱或失真．原水溫度也會影響到膠體吸附能力的大小。（2）由于是單因子控制，SCD設定值的大小，就決定了混凝效果。實踐證明在整個工藝過程中，要獲得最佳投藥，SCD給定值并不是一個定值，它同樣受到原水濁度、流量、溫度、pH值等參數的影響．這就給SCD的使用帶來很大困難。（3）SCD儀表靈敏度較低，變化范圍小，當水質、流量等因素在較小范圍變化時，SCD值難以反應其變化，使系統抗干擾能力降低。
3.3.2.2 串級調節系統
　　為了彌補上述缺點，可將控制目標——沉淀出水濁度信號反饋到調節系統中，組成如圖3所示的調節系統．從圖3可看出，有兩個調節器，我們稱PID1為主調節器，PID2為副調節器．兩個調節器分別組成兩個閉環控制回路，而且主要調節器的輸出作為副調節器的給定，好似兩個調節器串級在一起，故被稱為串級調節系統．

圖3 用SCD及濁度儀組成的串級調節系統

　　串級調節系統的使用比單因子調節系統有了很大改進，但也不是十分完美，仍存在著一些問題：（1）對于副回路不能克服的一些干擾，仍必須經由純滯后時間大的主通道才能使主參數（沉淀出水濁度）反映出來，而且調節作用也同樣經過主通道才能使主參數發生變化，必然造成調節周期很長，調節品質不佳．（2）串級調節系統中有兩個調節器回路，主、副回路又相互關聯，互相影響，因此兩者之間相互配合有一定要求．理論與經驗證明，串級調節中，主、副回路時間常數之比一般在3～10倍之間為宜，否則容易引起系統振蕩．而在上述的系統中副回路時間常數一般在２min左右，主回路有的高達15～2ｈ，時間常數之比為45～60倍，這樣給系統的參數整定及正常運行帶來很大困難。（3）在串級調節系統中，通常主調節器是為了提高調節精度、消除余差而設置的．所以主調節器采用比例積分調節．副調節器是為了加大調節作用，及時克服干擾，因此一般只采用比例調節．可是在上述串級調節系統中主調節器卻無法引入積分作用．由于主回路純滯后時間太長，如果加上積分，會產生積分飽和現象，使系統產生大幅度振蕩。這是自控系統不允許發生的．既然主調節器不能引入積分，就不能消除余差，使調節精度受到限制．（4）串級調節系統是一個復雜調節系統，往往不易被操作人員掌握，這也是該系統難以推廣應用的原因之一。
3.3.2.3 前饋反饋調節系統
　　所謂前饋控制，實質上是一種按擾動進行調節的開環控制系統，其特點是當擾動產生后，被控變量還未顯示出變化以前，根據擾動作用大小進行調節，以補償擾動作用對被控變量的影響。這種前饋控制作用運用的恰當，可以使被控變量不會因擾動作用而產生偏差，比反饋控制要及時，并且不受系統滯后的影響。如果補償得當，對于某一特定擾動，前饋控制系統的品質十分理想，明顯優于反饋控制系統。但是，要實現完全補償并非易事。因為要得到工業過程的精確數學模型是十分困難的；同時，擾動也往往不止特定的一種或數種，為了保證有更大的適應性，因此把前饋控制和反饋控制結合起來，構成前饋反饋控制系統。前饋克服主要擾動的影響，反饋控制克服其余擾動及前饋補償不完全部分。這樣，系統即使在大而頻繁的擾動下，依舊可以獲得優良的控制品質。
　　在該項目中考慮到用原水流量與沉淀濁度組成前饋反饋調節系統，由于使用SCD來控制投藥量存在著一定缺點，加之SCD本身價格昂貴，故目前未能得到推廣使用．特別對于一些小型水廠其價格更不易接受．根據一般水廠生產操作情況看，在眾多影響混凝劑投加量的因素中，變化頻繁、影響最直接的是原水流量．投藥量與原水流量基本上成正比。如果先將投藥量控制成按原水流量成比例，則混凝有了基本保證，然后再根據沉淀出水濁度來修正投加量，這樣對水質的控制也可獲得一定效果．根據此設想，本方案以pH計為主要參數形成負反饋控制的外環，以源水流量和石灰液濃度為參考值形成前饋控制模型，對于沖程和速度都能調節的計量泵可組成如圖4的系統．

圖4 由流量及濁度組成的前饋反饋調節系統

3.4 投加石灰
　　石灰攪拌池采用濃度計進行實時數據采集，并將數據傳給PLC。石灰攪拌池的液位采集采用非接觸式超聲波液位計進行監測并將數據傳給PLC。石灰液投加采用現有的兩臺化工泵配變頻器調速進行控制，一用一備的工作方式。
3.4.1 選泵的依據
　　按目前經驗值，干石灰的投加量為4000kg/d，石灰有效成份為70％，石灰液的濃度為2.5％，則計算每分鐘的投加量為：4000×0.7×100/2.5=112000kg/d＝77.8L/min
　　計量泵主要目的是控制精確投加，投加量過大時3就失去了精確控制的必要而且設備昂貴，計量泵是很嬌貴的設備，石灰溶液中含有大量微小的沙粒，加之石灰極易結垢，對計量泵損害很大，因此不宜選用計量泵。應用現有的普通化工泵配以變頻調速自動控制比較適合，只要控制算法合理，投加精度完全可以滿足要求。現用的化工泵最大流量可達到200L/min，已有足夠的余量，兩臺同時工作，一用一備比較合理。
　　采用變頻調速的普通化工泵有以下有點：
　　（1）經長期工作證明此泵完全能夠適應投加石灰；
　　（2）價格低，投資成本少，維修和備件供應都比較方便；
　　（3）變頻器無級調速，配以合適的控制算法，可以比較精確的調節流量，完全能滿足本系統投加的要求；
　　（4）具備手動/自動雙功能：可以通過PLC對投加量進行自動控制；也可以通過手動調節變頻器頻率對投加量進行手動控制；
　　（5）石灰投加管路采用冗余設計方法，分布于兩套澄清池中，可以分別向兩個澄清池中投加，也可以同時向兩個澄清池中投加，控制靈活方便。
3.4.2 控制策略
　　同濁度控制, 不再贅述。

三、結論

　　投藥系統設計功能將是十分靈活的，既可以PLC自動控制，也可以手動操作面板設定經驗參數手動調節，自動投藥的方案眾多，各有利弊，各水廠應該根據本廠的情況，因地制宜，采用適合本廠的控制方案，以達到提高水質，降低消耗，節約投資的目的。

參考文獻：

[1]?何衍慶 俞金壽．集散控制系統原理及應用，化學工業出版社，1999．
[2]?吳麟，自動控制原理，清華大學出版社，1990．

作者簡介：姓名晉亞太，職務：山西省臨汾市自來水公司調度室負責人，職稱：技術員

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