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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

2009/6/11 11:11:00

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<

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