新型淹没式透光率脉动传感器的应用研究

孙连鹏¹ 黄国忠¹ 常忠海² 李圭白¹
(1 哈尔滨工业大学市政与环境工程学院，黑龙江省，哈尔滨市，150090
2 哈尔滨工业大学建筑设计研究院，黑龙江省，哈尔滨市，150090)

　　摘 要 透光率脉动混凝投药控制已经在水处理中得到一定的应用，尤其在高浊度水处理中获得了较好的经济效益和社会效益，但对于常规浊度水，原来的引水式管型传感器仍存在着一些不完善的方面，本文以四川泸州某水厂的混凝自动投加系统为例，介绍一种新型的淹没式传感器在生产中的应用情况。
　　关键词 混凝：淹没式传感器；透光率脉动；给水处理；自动控制

　　透光率脉动传感器是一种在线光学检测装置，它通过检测透过流动悬浮液的光强度的脉动状态反映絮凝后水中形成的絮凝体的生长情况，其检测参数少、灵敏度高、检测值R直接反映了水中的混凝效果。因此，以R值为控制参数的透光率脉动混凝投药自动控制系统已经在水处理领域中得到了一定的应用，尤其在高浊度水的混凝剂自动投加控制方面获得了较好的社会效益和经济效益[1、2]，该项技术在济南黄河一水厂等地应用以来一直保持良好的控制效果。透光率脉动检测技术在常规浊度水中的应用与研究则是在近几年中才发展起来，在四川泸州某水厂的应用中发现，原来的引水式管型传感器在长期运行中会存在管路堵塞、流量不稳定等现象，为了解决这一问题，我们设计出一种新型的淹没式传感器。本文以四川泸州某水厂为例介绍这种新型的淹没式传感器在生产中的应用情况，以期代替引水式管型传感器，使透水率脉动检测技术更好的应用于常规浊度水的混凝剂投加自动控制系统中。

　　1、水厂概述

　　四川泸州某水厂以长江水作为水源，1998年与1999年原水浊度的月平均值见表1。水厂采用两级机械搅拌澄清池，日处理水量为96000m³，其中60000m³沉淀后直接作为生产用水（要求处理浊度在20NTU以下），另外36000m3水经过滤、消毒后作为生活用水（要求处理浊度在3NTU以下）。混凝剂为水厂自己生产的聚合硫酸铁（为了增加混凝剂混凝效果，在每1kg混凝剂内添加0.010kg高分子化合物HCA（二甲基二烯丙季胺盐阳离子高分子化合物）。

　　2、透光率脉动控制系统的配置

　　水厂有两组处理工艺（两组澄清池），为保证最佳的混凝控制效果，采用两套FP——4000型透光率脉动混凝投药控制系统，系统设备示意图见图1。原水投药后，经管道混合进入澄清池，控制系统在澄清池的环形配水管中取样，水样通过取样管流入反应器，在反应器内反应形成细小絮体，然后流过淹没式传感器进行检测，并将检测信号送至测控仪，在测控仪中对检测信号进行处理，得到透光率脉动检测值。测控仪将检测值与预先给定的混凝庙宇值进行比较，通过PID调节来改变控制输出信号，变频柜根据该控制信号来调节计量泵的频率，从而改变混凝剂的投加量。由于原水流量、浊度等水质参数的改变会对系统的混凝设定值造成一定的影响，引起沉后水浊度偏离所要达到的目标浊度值。为了使出水浊度不偏离目标值，在澄清池出水处安装清水浊度仪，该浊度仪可以在线检测澄清池出水浊度，并将检测信号输送至测控仪，测控仪可以根据该浊度值与目标值对比自动调节系统的混凝设定值，从而保证澄清池出水浊度稳定在所需的目标浊度（浊度设定值）附近。系统的具体配置如下所示：
　　（1）北京精密单固子科技有限公司出品的新型淹没式透光率脉动传感器，该传感器直接安装在反应器的出水口处，以利于实现连续在线检测。
　　（2）美国HACH公司生产的1720C型在线清水浊度仪，量程范围为0-100NTU。
　　（3）北京精密单因子科技有限公司制造的FP-4000型测控仪，其中包括浊度控制器和混凝控制器。
　　（4）美国来顿罗公司（Milton Roy)的GB-60型隔膜计量泵，流量为0-810L/h，可通过变频器调节频率来改变加药量。
　　（5）北京精密单因子科技有限公司生产的DYZ——6型多功能变频调速控制柜，其中变频器为日本富士公司的FUJI-E9S。
　　（6）在反应器内设置机械搅拌装置和螺杆排泥设施，以排出反应器中沉淀泥渣。

　　3、透光率脉动控制系统性能评价

　　3.1 系统的灵敏性
　　为了评价系统的灵敏性，在调试阶段人工改变混凝剂投加量（通过改变过量泵的频率），同时纪录透光率脉动检测值R的变化情况，所得的结果见表2。

　　从表2中可以明显的看出：系统对混凝剂投加量的变化具有较好的灵敏性，该处理工艺在一般的水质条件下，混凝剂投加量一般在10-20mg/L，系统在此加药量下具有较好的灵敏性。
　　3.2 控制系统的动态调节性能
　　一个好的控制系统必须具有较好的动态性能，对于混凝剂投加自动控制系统来说，其动态性能主要包括：对水量变化的调节能力、对源水浊度变化的调节能力、对干扰因素的抵抗和调节能力，现对该系统的各种性能分别做出评价。
　　（1）对水量变化的调节能力
　　水厂在正常找况条件下，每日的水量均有大幅度的改变，在原有的手动投药条件下依靠工人的经验对混凝剂的投量做出调节，出水水质较差。因此，对水量变化的调节能力是评价该系统控制性能的最重要指标之一。图2表明了在水量突变时控制系统的调节能力。

　　从图2中可以看出：当水量发生变化后，透光率脉动检测值亦围绕设定值发生相应的变化，使得混凝剂投加量也随之改变，从而保证出水水质相对稳定。虽然透光率脉动控制系统具有一定的纯滞后时间，但由于时间相对较短（本控制系统的的滞后时间是5分钟），水质没有出现瞬间的波动，由图可见，沉后水浊度基本稳定，系统体现了良好的调节能力。

　　（2）对干扰因素的抵抗和调节能力
　　在实际生产中必然存在着许多干扰因素，这其中有客观条件造成的，也有人为因素带来的（如误操作等）。系统在实际中的干扰因素可以分为以下几种，现分别对其进行实验，以评价控制系统的调节性能。
　　①药液浓度的快速改变
　　水厂使用的混凝剂是液态的，由罐装车从生产车间运往水厂的储药罐内，然后由提升泵提升到溶药池中，并且在溶药池中配制成5%浓度的药液（夏季洪水期药液配置浓度为10%）。配置过程中完全靠人工控制提升泵的开停，其开启时间根据配置的浓度而确定，因此，配置的药液浓度经常变化较大。调试过程中，人为地将药液浓度从5%提高到10%，控制系统的变化情况见图3。
　　从图3中可见，在药液浓度发生改变五分钟之后，透光率脉动检测值亦围绕设定值发生相应的改变，同时计量泵频率也发生相应的变化，使混凝剂投加量降低，在三个调节周期后（15分钟）透光率脉动检测值恢复稳定，系统已尼成功地消除了药液浓度变化带来的影响。此后，沉后水浊度一直保持稳定，可见系统对药液浓度的突变具有较强的抵搞和调节能力。
　　②人为瞬间改变混凝设定值
　　调试过程中人为改变混凝设定值（从54.5增加到56.5）以观测系统的调节能力（为了减小其它因素的影响，将浊度控制器设定为手动状态，以避免系统根据沉后水浊度对混凝设定值进行调节），所得的结果见图4。

　　由图4中可知，人为增加混凝设定值后，计量泵的频率在瞬间增大，而后在系统的调节下逐渐变化以至达到一个稳定的运行值，透光率脉动检测值开始发生较大的改变，然后在控制系统的调节下，在两个调节周期后基本稳定在设定值附近，一个小时后沉后水浊度发生改变（源水在澄清池中的停留时间约为50分钟），从15NTU逐渐稳定在12.5NTU附近。可见改变混凝设定值后系统可以快速的达到的另一个稳定状态。
　　③人为改变浊度设定值
　　调试过程中，人为改变浊度设定值（从15NTU变化到10NTU），系统的变化和调节情况见图5所示。

　　从图5中可以看出，改变系统的浊度设定值后，计量泵的频率、混凝设定值都会随之发生相应的变化，并且在经过两个周期的调节后基本趋于稳定状态，同时沉后水浊度亦会随着混凝剂投加量的改变而发生变化，在浊度设定值改变的两个周期（90分钟）之后，澄清池出水浊度基本与浊度设定值趋于一致，系统表现出了较好的灵敏性和较强的调节能力。

　　4、经济效益的评价

　　透光率脉动混凝投药控制系统自1998年3月在水厂安装调试完成以来，一直运行良好，为了评价控制系统的经济效益，选取1994年10月至1997年10月人工投药期间的药耗平均值与1998年3月至2000年3月自动投药控制系统运行期间的药耗平均值对比（1997年11月至1998年2月期间为引水式管型传感器的调试运行阶段，由于存在管路堵塞、取样流量流量不稳定等现象，故不计算期间药耗），结果见表3，自动控制系统的药耗比较人工控制节省了15.4%，可见自动控制系统具有较好的经济效益。

　　5、结论

　　将新型淹没式传感器应用于生产中，不仅取得了较好的社会效益也取得了较大的经济效益，采用淹没式传感器的混凝剂投加控制系统对于源水水量的变化具有良好的调节能力，而且对于药液浓度的变化、混凝设定值、浊度设定值的改变亦具有较好的调节和控制能力。随着新型淹没式传感器在生产中的进一步应用，透光率脉动检测技术将会越来越完善，在更多的领域得到广泛的应用。

　　参考文献
　　1、于水利，李圭白，高浊度水絮凝投药控制，大连：大连理工大学出版社，1997
　　2、于水利，李星，李圭白，悬浊液透光率脉动值检测法，中国给水排水，1997（2）：23-25
　　3、李星，悬浮液透光脉动检测技术与应用研究[学位论文]，哈尔滨，哈尔滨建筑大学图书馆，1995

Practical Application of the New Submersed of Fluctuation of Transmitted Light Detecting

Sun Lianpeng Huang Guozhong Chang Zhonghai Li Guibai

Abstract The automatic control system of dosing casting of fluctuation of transmitted light detecting has been widely used in water treatment,and it had gain some social benefit and economical benefit.But there are some imperfect aspect in traditional tube sensor.The paper will take the automatic control of coagulate dosage of water plant in LuZhou SiChuan for example to introduce practical case of the new submersed sensor.
Key Words coagulation;submersed sensor;fluctua on of transmitted light detecting;supply water treatment;automatic control.