臨汾市自來水公司凈水廠投加藥系統(tǒng)自動化改造方案

晉亞太

臨汾市自來水公司調(diào)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(tǒng)的改造方案，詳細地說明了各測點的選取、檢測參數(shù)及硬件系統(tǒng)的配置。分析對比了幾種控制算法的優(yōu)劣，并根據(jù)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(jīng)12KM的輸水管道，壓入凈水廠內(nèi)，是自來水公司龍祠水源地水處理廠。
　　 生產(chǎn)工藝流程：引龍祠源水加壓至凈水廠，經(jīng)投藥、混凝、沉淀、澄清、過慮、消毒，使處理后水質(zhì)符合國家飲用水衛(wèi)生標準，由二泵房加壓送入城市和臨鋼配水管網(wǎng)，生產(chǎn)工藝中生活飲用水系統(tǒng)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(yè)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(zhì)，因出水點至取水點尚有一定距離，經(jīng)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?guī)r溶水，具有濁度低、水質(zhì)水溫穩(wěn)定的優(yōu)點，龍祠泉水因溶解了巖層中的礦物質(zhì)，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(zhì)能夠全面達到GB5749—85生活飲用水衛(wèi)生標準。

2．凈化工藝

2.1 投藥系統(tǒng)
　　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(nèi)完成熟化，篩除雜質(zhì)，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(jié)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(yōu)良的絮凝效果。硫酸亞鐵配置成溶液后經(jīng)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(diào)整工藝管道中13個電動閥門開閉狀態(tài)，可根據(jù)源水水質(zhì)及城市與臨鋼用水需要形成六種生產(chǎn)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(tǒng)

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(xiàn)場操作用了TP170A觸摸屏，PLC采集源水流量、藥液濃度、澄清池內(nèi)的PH值和濁度值、指令狀態(tài)、計量泵工作狀態(tài)等參數(shù)，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(tài)、液位濃度報警、水質(zhì)指標異常報警等信息。PLC本機內(nèi)置PROFIBUS標準接口，以備將來水廠聯(lián)網(wǎng)。
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(shù)據(jù)采集，液位采用超聲波液位計進行監(jiān)測，并將數(shù)據(jù)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(jīng)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(yōu)點：
　?。?）計量投加腐蝕性藥液，工作安全、可靠；
　?。?）動沖程伺服控制器，可精確調(diào)節(jié)流量；
　?。?）ISO90001質(zhì)量保證，世界計量泵行業(yè)領先地位；
　?。?）優(yōu)秀的設計和精妙的結(jié)構(gòu)可有效降低脈動液流對管路的沖擊，使液流平穩(wěn)流動、輸出，減輕脈動液流對管網(wǎng)的危害，延長整套系統(tǒng)的使用壽命。
　?。?）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(diào)節(jié)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(diào)節(jié)系統(tǒng)
　　目前國內(nèi)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(jù)混凝機理，加藥的主要作用是使水中的膠體粒子脫穩(wěn)。膠體粒子的穩(wěn)定度可用ζ電位來描述，ζ電位越高，穩(wěn)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(wěn)定度。因此可用SCD組成一個簡單調(diào)節(jié)系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 SCD單因子控制系統(tǒng)圖

　　從圖2可以看出，該系統(tǒng)中僅包含SCD一個控制參數(shù)，故又被稱為單因子控制系統(tǒng)．該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(diào)節(jié)器的參數(shù)整定恰當，可以使SCD值穩(wěn)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(tǒng)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(wěn)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(zhì)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(zhì)對吸附表面的優(yōu)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(shù)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(zhì)、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(tǒng)抗干擾能力降低。
3.3.2.2 串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)
　　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(diào)節(jié)系統(tǒng)中，組成如圖3所示的調(diào)節(jié)系統(tǒng)．從圖3可看出，有兩個調(diào)節(jié)器，我們稱PID1為主調(diào)節(jié)器，PID2為副調(diào)節(jié)器．兩個調(diào)節(jié)器分別組成兩個閉環(huán)控制回路，而且主要調(diào)節(jié)器的輸出作為副調(diào)節(jié)器的給定，好似兩個調(diào)節(jié)器串級在一起，故被稱為串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)．

圖3 用SCD及濁度儀組成的串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)

　　串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)的使用比單因子調(diào)節(jié)系統(tǒng)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(jīng)由純滯后時間大的主通道才能使主參數(shù)（沉淀出水濁度）反映出來，而且調(diào)節(jié)作用也同樣經(jīng)過主通道才能使主參數(shù)發(fā)生變化，必然造成調(diào)節(jié)周期很長，調(diào)節(jié)品質(zhì)不佳．（2）串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)中有兩個調(diào)節(jié)器回路，主、副回路又相互關聯(lián)，互相影響，因此兩者之間相互配合有一定要求．理論與經(jīng)驗證明，串級調(diào)節(jié)中，主、副回路時間常數(shù)之比一般在3～10倍之間為宜，否則容易引起系統(tǒng)振蕩．而在上述的系統(tǒng)中副回路時間常數(shù)一般在２min左右，主回路有的高達15～2ｈ，時間常數(shù)之比為45～60倍，這樣給系統(tǒng)的參數(shù)整定及正常運行帶來很大困難。（3）在串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，通常主調(diào)節(jié)器是為了提高調(diào)節(jié)精度、消除余差而設置的．所以主調(diào)節(jié)器采用比例積分調(diào)節(jié)．副調(diào)節(jié)器是為了加大調(diào)節(jié)作用，及時克服干擾，因此一般只采用比例調(diào)節(jié)．可是在上述串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)中主調(diào)節(jié)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(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象，使系統(tǒng)產(chǎn)生大幅度振蕩。這是自控系統(tǒng)不允許發(fā)生的．既然主調(diào)節(jié)器不能引入積分，就不能消除余差，使調(diào)節(jié)精度受到限制．（4）串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)是一個復雜調(diào)節(jié)系統(tǒng)，往往不易被操作人員掌握，這也是該系統(tǒng)難以推廣應用的原因之一。
3.3.2.3 前饋反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)
　　所謂前饋控制，實質(zhì)上是一種按擾動進行調(diào)節(jié)的開環(huán)控制系統(tǒng)，其特點是當擾動產(chǎn)生后，被控變量還未顯示出變化以前，根據(jù)擾動作用大小進行調(diào)節(jié)，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(chǎn)生偏差，比反饋控制要及時，并且不受系統(tǒng)滯后的影響。如果補償?shù)卯敚瑢τ谀骋惶囟〝_動，前饋控制系統(tǒng)的品質(zhì)十分理想，明顯優(yōu)于反饋控制系統(tǒng)。但是，要實現(xiàn)完全補償并非易事。因為要得到工業(yè)過程的精確數(shù)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(shù)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(jié)合起來，構(gòu)成前饋反饋控制系統(tǒng)。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(tǒng)即使在大而頻繁的擾動下，依舊可以獲得優(yōu)良的控制品質(zhì)。
　　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(diào)節(jié)系統(tǒng)，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(jù)一般水廠生產(chǎn)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(jù)沉淀出水濁度來修正投加量，這樣對水質(zhì)的控制也可獲得一定效果．根據(jù)此設想，本方案以pH計為主要參數(shù)形成負反饋控制的外環(huán)，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(diào)節(jié)的計量泵可組成如圖4的系統(tǒng)．

圖4 由流量及濁度組成的前饋反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)

3.4 投加石灰
　　石灰攪拌池采用濃度計進行實時數(shù)據(jù)采集，并將數(shù)據(jù)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(jiān)測并將數(shù)據(jù)傳給PLC。石灰液投加采用現(xiàn)有的兩臺化工泵配變頻器調(diào)速進行控制，一用一備的工作方式。
3.4.1 選泵的依據(jù)
　　按目前經(jīng)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(jié)垢，對計量泵損害很大，因此不宜選用計量泵。應用現(xiàn)有的普通化工泵配以變頻調(diào)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(xiàn)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(diào)速的普通化工泵有以下有點：
　?。?）經(jīng)長期工作證明此泵完全能夠適應投加石灰；
　?。?）價格低，投資成本少，維修和備件供應都比較方便；
　?。?）變頻器無級調(diào)速，配以合適的控制算法，可以比較精確的調(diào)節(jié)流量，完全能滿足本系統(tǒng)投加的要求；
　?。?）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(diào)節(jié)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(jié)論

　　投藥系統(tǒng)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(jīng)驗參數(shù)手動調(diào)節(jié)，自動投藥的方案眾多，各有利弊，各水廠應該根據(jù)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(zhì)，降低消耗，節(jié)約投資的目的。

參考文獻：

[1]?何衍慶 俞金壽．集散控制系統(tǒng)原理及應用，化學工業(yè)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(diào)度室負責人，職稱：技術員

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