临汾市自来水公司净水厂投加药系统自动化改造方案

临汾市自来水公司净水厂投加药系统自动化改造方案

晋亚太

临汾市自来水公司调度室 041000

　　摘 要：本文介绍了临汾市自来水公司净水厂自动投加药系统的改造方案，详细地说明了各测点的选取、检测参数及硬件系统的配置。分析对比了几种控制算法的优劣，并根据该项目的实际情况选择了最为适宜的方案。
　　关键词：水厂 自动投加药 自动控制

1．概述

　　临汾市自来水公司净水厂座落在城西南3.5公里处，占地42907m²（含龙祠水源站），其水源设计取水量为8.64万吨/日，经12KM的输水管道，压入净水厂内，是自来水公司龙祠水源地水处理厂。
　　 生产工艺流程：引龙祠源水加压至净水厂，经投药、混凝、沉淀、澄清、过虑、消毒，使处理后水质符合国家饮用水卫生标准，由二泵房加压送入城市和临钢配水管网，生产工艺中生活饮用水系统加投石灰软化工艺、降低水的硬度，在上世纪八十年代城市水处理行业中很少使用。
　　 源水取用梁山东麓西平山脚下地龙子祠泉排泄形成的地表水为水源，本属地下水性质，因出水点至取水点尚有一定距离，经流过程中暴露于自然界，因为人为因素的污染使其具有地表水的特性。龙祠子泉属于石灰岩溶水，具有浊度低、水质水温稳定的优点，龙祠泉水因溶解了岩层中的矿物质，含盐量较高，属HCO₃—SO₄—Ca—Mg型，总硬度在540mg/L（以CaCO₃计）左右，高于GB5749—85国标，因此，净水厂选用了药剂软化法来降低水的硬度，使出厂水质能够全面达到GB5749—85生活饮用水卫生标准。

2．净化工艺

2.1 投药系统
　　投药楼是配置软化剂及混凝剂，并将其投加到澄清池第一反应室中，用于去除水中暂时硬度的场所。其操作工艺如下：
　　将生石灰初步熟化后通过卷扬机输送至工作平台，在消石灰机内完成熟化，筛除杂质，形成石灰乳液后入石灰搅拌池中进行搅拌，并配置成浓度为2.5％的石灰乳液，利用泥浆泵输送至澄清池第一反应室。
　　混凝剂使用硫酸亚铁，它是一种半透明的结晶体，在碱度高的水中会形成三价的铁离子，在pH≥9的水中具备优良的絮凝效果。硫酸亚铁配置成溶液后经耐腐蚀泵提升至高位溶液池，利用重力投加的方式输送到澄清池前的进水管。硫酸亚铁溶液浓度在15％左右，千吨水消耗低于12千克。
2.2 进水仪表间
　　源水通过龙祠站送水泵房加压输送到净水厂，通过调整工艺管道中13个电动阀门开闭状态，可根据源水水质及城市与临钢用水需要形成六种生产工况，从而完成澄清、过虑、消毒等工艺流程。

3、投药子站的自动化改造

3.1 投药子站控制系统

图1 投药子站控制示意图

3.2 中央控制器
　　中央控制器采用SIEMENS公司S7－300系列PLC，现场操作用了TP170A触摸屏，PLC采集源水流量、药液浓度、澄清池内的PH值和浊度值、指令状态、计量泵工作状态等参数，并通过控制方法的计算输出控制量，控制输出计量泵的投加量、工作状态、液位浓度报警、水质指标异常报警等信息。PLC本机内置PROFIBUS标准接口，以备将来水厂联网。
3.3 投加硫酸亚铁
　　硫酸亚铁搅拌池采用浓度计进行实时数据采集，液位采用超声波液位计进行监测，并将数据传送给PLC。硫酸亚铁投加采用两台计量泵投加，一用一备的工作方式。
3.3.1 选泵的原理
　　按目前经验值，硫酸亚铁的投加量为12kg/1000m³，硫酸亚铁混合液的浓度为15％，日供水量按80000m³水计算，则计算每分钟的投加量为：80×12×100/15＝4.44L/min，宜选用投加量为6L/min的计量泵，一用一备的工作方式比较合理，采用高性能计量泵，具有以下优点：
　　（1）计量投加腐蚀性药液，工作安全、可靠；
　　（2）动冲程伺服控制器，可精确调节流量；
　　（3）ISO90001质量保证，世界计量泵行业领先地位；
　　（4）优秀的设计和精妙的结构可有效降低脉动液流对管路的冲击，使液流平稳流动、输出，减轻脉动液流对管网的危害，延长整套系统的使用寿命。
　　（5）备手动/自动双功能，可以通过PLC对投加量进行自动控制；也可以通过冲程伺服调节器对投加量进行手动控制。
3.3.2 控制策略
3.3.2.1 流动电流检测仪（SCD）单因子调节系统
　　目前国内外较先进的净水厂都使用SCD检测仪表来控制投药量．在水处理工艺中，根据混凝机理，加药的主要作用是使水中的胶体粒子脱稳。胶体粒子的稳定度可用ζ电位来描述，ζ电位越高，稳定性越好，欲达到应有混凝效果的加药量就越多。由于直接检测ζ电位的技术非常复杂，所以研制出SCD仪表，间接测定ζ电位，用以反映水中胶体粒子的稳定度。因此可用SCD组成一个简单调节系统如图2所示。

图2 SCD单因子控制系统图

　　从图2可以看出，该系统中仅包含SCD一个控制参数，故又被称为单因子控制系统．该系统结构简单，使用方便，尽管SCD检测值一般情况有２min左右的滞后时间，只要调节器的参数整定恰当，可以使SCD值稳定在给定值附近．如果给定值选择好，可使混凝效果得到控制．该系统从理论上讲是可行的，但实际使用效果并非十分理想．分析其主要原因有如下几点：（1）虽说SCD值是反映胶体粒子稳定度的一个物理量，但实际上SCD值会受到水中其它因素的影响．传感器检测室吸附表面是由塑料材质制成的，于是原水中某些大分子有机物因其吸附亲力明显强于无机胶体，会造成有害物质对吸附表面的优先吸附，引起检测信号的减弱或失真．原水温度也会影响到胶体吸附能力的大小。（2）由于是单因子控制，SCD设定值的大小，就决定了混凝效果。实践证明在整个工艺过程中，要获得最佳投药，SCD给定值并不是一个定值，它同样受到原水浊度、流量、温度、pH值等参数的影响．这就给SCD的使用带来很大困难。（3）SCD仪表灵敏度较低，变化范围小，当水质、流量等因素在较小范围变化时，SCD值难以反应其变化，使系统抗干扰能力降低。
3.3.2.2 串级调节系统
　　为了弥补上述缺点，可将控制目标——沉淀出水浊度信号反馈到调节系统中，组成如图3所示的调节系统．从图3可看出，有两个调节器，我们称PID1为主调节器，PID2为副调节器．两个调节器分别组成两个闭环控制回路，而且主要调节器的输出作为副调节器的给定，好似两个调节器串级在一起，故被称为串级调节系统．

图3 用SCD及浊度仪组成的串级调节系统

　　串级调节系统的使用比单因子调节系统有了很大改进，但也不是十分完美，仍存在着一些问题：（1）对于副回路不能克服的一些干扰，仍必须经由纯滞后时间大的主通道才能使主参数（沉淀出水浊度）反映出来，而且调节作用也同样经过主通道才能使主参数发生变化，必然造成调节周期很长，调节品质不佳．（2）串级调节系统中有两个调节器回路，主、副回路又相互关联，互相影响，因此两者之间相互配合有一定要求．理论与经验证明，串级调节中，主、副回路时间常数之比一般在3～10倍之间为宜，否则容易引起系统振荡．而在上述的系统中副回路时间常数一般在２min左右，主回路有的高达15～2ｈ，时间常数之比为45～60倍，这样给系统的参数整定及正常运行带来很大困难。（3）在串级调节系统中，通常主调节器是为了提高调节精度、消除余差而设置的．所以主调节器采用比例积分调节．副调节器是为了加大调节作用，及时克服干扰，因此一般只采用比例调节．可是在上述串级调节系统中主调节器却无法引入积分作用．由于主回路纯滞后时间太长，如果加上积分，会产生积分饱和现象，使系统产生大幅度振荡。这是自控系统不允许发生的．既然主调节器不能引入积分，就不能消除余差，使调节精度受到限制．（4）串级调节系统是一个复杂调节系统，往往不易被操作人员掌握，这也是该系统难以推广应用的原因之一。
3.3.2.3 前馈反馈调节系统
　　所谓前馈控制，实质上是一种按扰动进行调节的开环控制系统，其特点是当扰动产生后，被控变量还未显示出变化以前，根据扰动作用大小进行调节，以补偿扰动作用对被控变量的影响。这种前馈控制作用运用的恰当，可以使被控变量不会因扰动作用而产生偏差，比反馈控制要及时，并且不受系统滞后的影响。如果补偿得当，对于某一特定扰动，前馈控制系统的品质十分理想，明显优于反馈控制系统。但是，要实现完全补偿并非易事。因为要得到工业过程的精确数学模型是十分困难的；同时，扰动也往往不止特定的一种或数种，为了保证有更大的适应性，因此把前馈控制和反馈控制结合起来，构成前馈反馈控制系统。前馈克服主要扰动的影响，反馈控制克服其余扰动及前馈补偿不完全部分。这样，系统即使在大而频繁的扰动下，依旧可以获得优良的控制品质。
　　在该项目中考虑到用原水流量与沉淀浊度组成前馈反馈调节系统，由于使用SCD来控制投药量存在着一定缺点，加之SCD本身价格昂贵，故目前未能得到推广使用．特别对于一些小型水厂其价格更不易接受．根据一般水厂生产操作情况看，在众多影响混凝剂投加量的因素中，变化频繁、影响最直接的是原水流量．投药量与原水流量基本上成正比。如果先将投药量控制成按原水流量成比例，则混凝有了基本保证，然后再根据沉淀出水浊度来修正投加量，这样对水质的控制也可获得一定效果．根据此设想，本方案以pH计为主要参数形成负反馈控制的外环，以源水流量和石灰液浓度为参考值形成前馈控制模型，对于冲程和速度都能调节的计量泵可组成如图4的系统．

图4 由流量及浊度组成的前馈反馈调节系统

3.4 投加石灰
　　石灰搅拌池采用浓度计进行实时数据采集，并将数据传给PLC。石灰搅拌池的液位采集采用非接触式超声波液位计进行监测并将数据传给PLC。石灰液投加采用现有的两台化工泵配变频器调速进行控制，一用一备的工作方式。
3.4.1 选泵的依据
　　按目前经验值，干石灰的投加量为4000kg/d，石灰有效成份为70％，石灰液的浓度为2.5％，则计算每分钟的投加量为：4000×0.7×100/2.5=112000kg/d＝77.8L/min
　　计量泵主要目的是控制精确投加，投加量过大时3就失去了精确控制的必要而且设备昂贵，计量泵是很娇贵的设备，石灰溶液中含有大量微小的沙粒，加之石灰极易结垢，对计量泵损害很大，因此不宜选用计量泵。应用现有的普通化工泵配以变频调速自动控制比较适合，只要控制算法合理，投加精度完全可以满足要求。现用的化工泵最大流量可达到200L/min，已有足够的余量，两台同时工作，一用一备比较合理。
　　采用变频调速的普通化工泵有以下有点：
　　（1）经长期工作证明此泵完全能够适应投加石灰；
　　（2）价格低，投资成本少，维修和备件供应都比较方便；
　　（3）变频器无级调速，配以合适的控制算法，可以比较精确的调节流量，完全能满足本系统投加的要求；
　　（4）具备手动/自动双功能：可以通过PLC对投加量进行自动控制；也可以通过手动调节变频器频率对投加量进行手动控制；
　　（5）石灰投加管路采用冗余设计方法，分布于两套澄清池中，可以分别向两个澄清池中投加，也可以同时向两个澄清池中投加，控制灵活方便。
3.4.2 控制策略
　　同浊度控制, 不再赘述。

三、结论

　　投药系统设计功能将是十分灵活的，既可以PLC自动控制，也可以手动操作面板设定经验参数手动调节，自动投药的方案众多，各有利弊，各水厂应该根据本厂的情况，因地制宜，采用适合本厂的控制方案，以达到提高水质，降低消耗，节约投资的目的。

参考文献：

[1]?何衍庆 俞金寿．集散控制系统原理及应用，化学工业出版社，1999．
[2]?吴麟，自动控制原理，清华大学出版社，1990．

作者简介：姓名晋亚太，职务：山西省临汾市自来水公司调度室负责人，职称：技术员

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