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水厂投加系统的技术改造 电气工程领域 研究生黄念禹指导教师张代润王建平 、一t s 急2 s 蕾s 城市供水是一个关乎国计民生的公用产业，到今天已有一百多年的历史。 随着生产的发展和社会的进步，人们对自来水水质的要求也越来越高。如何提 高净水处理水平，保障供水质量，也就成了当前供水行业技术人员共同关注的 热点问题。 西洲水厂是一所按2 0 世纪8 0 年代技术水平设计建造的自动化程度较高的 水厂，但在运行过程中还是出现了许多不尽人意的地方。本文通过对该厂生产 控制系统的分析，重点介绍了作者对该厂净水原材料投加控制系统等方面进行 的一系列技术改造工作。把现在的以硬件实现为主的控制模式，改进为以软件 为主导的综合控制模式，尽可能全面客观地把所有影响实现控制目标的因素列 入控制系统作为控制因子，通过编程而尽量模拟人工智能的方法实现控制目标。 经过运行实践表明，经过技术改造后的投矾、投石灰、投氯等投加子系统，在 运行和控制两方面都更加符合实际生产的需要，取得了良好的社会效益和经济 效益。 关键词水厂净水处理投加系统复合环控制 t h e i m p r o v e m e n t o ft h ed o s i n gs y s t e mi n t h ew a t e rp l a n t e l e c t r i c a le n g i n e e r i n gd o m a i n p o s t g r a d u a t eh u a n gn i a n y u s u p e r v i s o rz h a n gd a i r u n ，w a n gj i a n p i n g w a t e rs u p p l yi so fc i v i lf a c i l i t i e sc o n c e r n e dw i t hp e o p l e sl i f e ，a n d h a sm o r et h a nah u n d r e dy e a r sh i s t o r y a st h es o c i e t yi sd e v e l o p i n g ，t h e r e q u i r e m e n tf o rq u a l i t yo fw a t e ri sm o r ea n dm o r es t r i c t h o wt oi m p r o v e t h ew a t e rt r e a t m e n tp r o c e s sa n di n s u r et h ew a t e rq u a l i t y ，i th a sb e c a m e t h ef o c u si nt h ef i e l d x i z h o uw a t e rp l a n ti sb u i l ti nt h ee i g h t i e so ft h el a s tc e n t u r y ，a n d a u t o m a t i ct r e a t m e n tp r o c e s si su s e dt h e r e ，b u ts o m eu n s a t i s f i e dh a v e o c c u r r e ds i n c eo p e r a t i n g b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h eo p e r a t i o nc o n t r o ls y s t e m ，t h ei m p r o v e m e n t o ft h ed o s i n gs y s t e mh a sb e e nd o n e t h ec o n t r o lm o d ed e p e n d i n go nt h e h a r dw a r ei sc h a r g e dt ot h ec o n t r o lm o d ed e p e n d i n go ns o f t w a r em a i n l y t h ef a c t o r st h a ti n f e c tt h ec o n t r o l t a r g e t a r ec o n c e r n e da sm a n ya s p o s s i h l e t h ec o n t r o lt a r g e ta r c h i e v e di nt h eu s eo ft h ep r o g r a mw h i c h s t i m u l a t et h em a n si n t e l l i g e n c ea sm a n ya sp o s s i b l e t h ep e r f o r m a n c eo ft h en e ws y s t e ms h o w st h a ti ti sm o r es u i t a b l ef o r t h ew a t e rt r e a t m e n tp r o c e s sa n dt h es a t i s f i e dr e s u l th a sa t t a i n e d k e y w o r d s ：w a t e rp l a n t ；w a t e r t r e a t m e n t p r o c e s s ；d o s i n gs y s t e m ； c o m p o s i t e l i n kc o n t r o l 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 3 j 1 概述 1 1 城市给水生产系统简介 给水生产系统俗称水厂。按传统工艺流程，可将水厂生产系统划分为取水 系统、净水系统、供水系统三大部分( 见图1 1 ) 。 送水系统 ! 投加系统 l 冈 i ，- - - 、一，。，、，一； 一 ；预处理系统 假渊忙熊嗡熊飞 f 管 j l 网 取水头部山取槲 肇幂商一 + j 送水泵站 1 图11 水厂工艺流程示意图 水厂的取( 送) 水系统的基本构成是取( 送) 水泵站，泵站主要通过离心 泵组来实现其功能。取水泵站用于把源水抽引进入水厂的净水系统中。源水按 地理条件一般分为地表水和地下水两大类；地表水包括江、河水、水库水等， 地下水则如井水等，本文是针对以地表水为水源的水厂工艺过程进行讨论的。 而送水泵站则是把净化后得到的自来水加压，通过管网系统送到千家万户。 净水处理系统是水厂的核心部分，由净水构筑物及投加系统组成。“净水构 筑物”指的是反应池、沉淀池、滤池、清水池等一系列的工艺水池，而净水处 理所需投放的净水剂及其投放设备构成了水厂“投加系统”的主体。水厂投加 系统按照净水原材料的类型可划分为混凝剂投加、助凝剂投加、消毒剂投加等 几个投加子系统：在水源水质较恶劣的水厂还需设有活性炭、高锰酸钾、聚丙 烯酰胺等投加子系统。一个水厂的投加系统的实际构成，需要根据水源水质、 所采用的水处理工艺方法、原材料供应、运行成本、技术水平等情况及条件来 综合选取。具体消毒方法主要包括氯氨消毒法和臭氧消毒法两大类。使用臭氧 i 四j , i 大学硕士学位论文( 2 0 0 3 ) 法比氯氨法的运行成本高，虽可避免生成有害的卤( 氯) 代物的，但消毒持续时 阳j 短，在自来水管网中容易受细菌的二次污染；我国主要采用氯氨消毒法。而 混凝剂则有硫酸铝( 俗称明矾) 、硫酸亚铁、碱式氯化铝等几大类，具体的品种 则更多。我国南方的水源p h 值不高，水厂又多数采用硫酸铝为混凝剂，故多数 需采用助凝剂以调节水的p h 值。助凝剂有石灰、氢氧化钠等。 从工艺流程上看，净水处理通常包括澄清和消毒两大部分。澄清的主要流 程为：在源水中投入适量的混凝剂，经快速搅拌后，混合了混凝剂的水，进入 “反应池”，水中均匀分布的杂质颗粒逐步凝结形成较大的、易于沉降的颗粒， 颗粒经过“沉淀池”时，被沉淀、收集、排出，这一过程使浑浊的河水变成较 清澈的“待滤水”。待滤水进入“滤池”后，残余的杂质颗粒被过滤掉，“滤后 水”流入“清水池”供送水泵站送出厂外。消毒流程主要是在适当的位置投加 适量的消毒剂，用以杀灭水中细菌，并使自来水出厂后仍保留一定的消毒能力。 消毒流程既可以伴随澄清流程中进行，也可以在随后的步骤中进行，由所选择 的工艺来决定。水厂生产系统中，投加系统既相对独立，同时又与其他子系统 密切关联的。如投加点的设置、投加量的确定即完全取决于净水构筑物的类型 和工艺管网分布。传统水厂中，净水剂投加量主要是靠由人工经验来控制，所 用的投加设备也非常简单，无法达到真正意义上的计量投加，直接造成净水剂 过分消耗、水质情况难于掌握等问题，与市民日益提高标准的水质要求不相适 应。因此，设计开发更合理适用的投加量实时控制方式，解决净水剂投加量的 控制问题，建立完善的自动化投加系统，是水厂生产实现全面自动化的关键， 也是难点所在。 1 2 本文所做的工作 广州市自来水公司西洲水厂是一所按2 0 世纪8 0 年代技术水平设计建造的 自动化程度较高的水厂，但在运行过程中还是出现了许多不尽人意的地方。本 文通过对该厂生产控制系统的分析，重点介绍了作者对该厂净水原材料投加控 制系统等方面进行的一系列技术改造工作，尤其是对通过p l c 系统实现复合环 控制投加的整个过程作了较深入细致的探讨。经过运行实践表明，经过技术改 造后的投矾、投石灰、投氯等投加子系统，在运行和控制两方面都更加符合实 2 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 3 ) 际生产的需要，取得了良好的社会效益和经济效益。 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 3 ) 2 西洲水厂给水生产系统构成 2 1 工艺流程及其控制原理 西洲水厂的设计供水能力为5 0 万立方米1 7 ，生产工艺流程如图2 1 。 图2 1 西洲水厂工艺流程示意图 2 1 1 取( 送) 水泵站运行方式及其控制原理 西洲水厂有两个取水点，一个是厂区附近的西洲河道；另一个是后期兴建 的位于东江1 4 航标处的刘屋洲泵站取水点，后者水源水质较佳。取水泵站和送 水泵站均使用水平中开式离心泵，并配置了真空吊水系统，平时处于运行状态， 以确保泵体充满水，随时可启动。取水泵站通过厂内两条上水管输水到配水井， 刘屋洲取水泵站则是单上水管。运行与控制原理基本一致，由于所需的扬程和 功率不一样，所以泵和电机的型号有所差异，具体型号参数见表2 1 。 4 婴型查兰堡兰兰壁堡塞! ! ! ! ! ! 表2 1 取、送水泵组设备参数 设备参 数 泵站名称 名称型号数量能力备注 西洲取水泵站 7 ：泵3 2 ：a 一1 9 h55 0 e j m 3 h 刘屋洲取水泵 水泵 8 0 0 s 一4 0 b56 0 0 0m 3 h 站 电机 y 5 6 0 858 0 0 k w 水冷式 7 泵 3 2 ；a l o7 5 0 4 ：m 3 h 送水泵站 e 机y k ：6 3 0 8 7 l o ( ) k w j ：冷式 泵组自动开停原理如图2 2 所示 开机流程停机流程 l 竺坚塑兰一 是业 匡到夸z ! 藉纛嘉。音甲 一厂嵩睡 1 誊”下 吸合k i 脏loy j 。、，熏i 醚j ，川匝卜一 l 唾丝一 童i ；i堡望：! 壁 。，、 壁坚! ! 二- - - 多自啪谊童，。和匝习一 ， 、 是且y 1 镰鐾鬯，瑚 、毒裟面氅景 堕卜一 墨坐! ! 、r+ ， 星生12 停机成功 开液控蝶阀 一 ) i 一 二旦哆鼻二一、 否r 矗。蕞 ， 些巫! 1 7 开机成功，水泵按照、 设定额率运行， k 卜冷却水继电器k m 】 垮却水水流开关 k 2 一主开关缝电器 k m 2 一泵组电机真空开关 图2 2 自动化开停取、送水机组流程示意图 s 四川大学硕：卜学位论文( 2 0 0 3 ) 21 2 投加系统运行方式及其控制原理 a 净水原材料反应机理简述 1 ) 投矾( 混凝剂) 该厂使用液体硫酸铝，分子式为：a l ( s o , ) 。1 8 h z 0 ，其作用特性为： 当水中p h = 4 o 7 0 时，主要去除水中有机物： p h = 5 7 7 ，8 时，主要去除水中悬浮物： p h = 6 4 7 8 时，处理浊度高于i o n t u ，色度小于3 0 的水。 根据目前气候、地理和源水水质情况，西洲水厂适宜以液体硫酸铝做混凝 剂，因为其适用范围广，冬季河水低温低浊时也可适用。 2 ) 投灰：加入石灰或烧碱，以调节水的p h 值。 3 ) 投氯和氨( 消毒剂) ( a ) 氯消毒 氯是卤族元素，具有很强的氧化作用，1 8 9 6 年开始用于自来水消毒，目前 已成为水厂主要的消毒剂。当氯气溶解于水时，立即发生水解反应： c 1 2 + h 2 0 军h c i + h o c l 盐酸次氯酸 水解生成物h o c i 是弱酸，可以再电离、分解： h o c l ；h + 十o c l 一 氢离子次氯酸根( 极易分解) 水中的h o c i 和o c l 一统一计称为自由性余氯，有很强的杀菌效果。 ( b ) 氯胺消毒 由于人类对河水的污染，水中含有大量的含氮化合物( 有机的和无机的) ， 无机的称为氨氮( 如亚硝酸盐，硝酸盐) 。而有机物的主要是蛋白质和多种形式 的氨基酸。在含氨氮的水中加氯便形成： h o c i + n h a ；n h 2 c l + h , o 一氯胺 n h z c i + 艟o c l ；黼e l ，+ h 2 0 二氯胺 n h c l 2 + h o c 年n c i3 + h 。0 三氯胺 以上一氯胺，二氯胺。三氯胺均有消毒作 用：其中，一氯胺消毒时间最快，效果最好。 加氯量( m 鲫) 鼙23 余氯一加氯量关系 婴型查兰堕主兰垡丝苎! ! ! ! ! !一一 有机氮的形态很多，与氯作用后的生成物也很复杂。所以，一般的研究是以无 机氨氮与氯的作用为代表 参考( d ) 折点加氯 。 ( c ) 余氯 氯气加入水中之后，被细菌、有机物等物质消耗的氯量称为吸氯量。加氯 量减去吸氯量和，再减去水处理过程中氯的挥发量，剩下的即为水中的余氯量。 ( d ) 折点加氯 河水中氨氮含量较高时( 假设水样不含有机氮) ，会影响加氯杀菌效果，为 了脱氮，往往采用折点加氯工艺。 当水体受到强污染时，原水氨氮含量及色度一般均很高，此外，还有二价 锰，铁等还原物质。折点加氯法在脱氨氮的同时，可以去除色度，也可氧化具 有还原性的物质，改善出厂水水质。 折点加氯的4 个阶段见图2 “余氯一加氯量关系曲线 ： 加氯被水中污染物吸收，没有余氯，此阶段长度加氯量等于吸氯量。 氯氨l l , j , 于5 ：1 时，一氯胺含量随加氯量增加而增加，此时的余氯主要由 一氯胺组成。 氯氨比达到5 ：l 时，到达第一折点，再加氯只能引起余氯值减少，因为大 量生成二氯胺。 氯氨比达到9 ：l 时，余氯降到最低点，到达第二折点，即折点加氯法讲的 折点。此时继续加氯，水中会出现自由性余氯。 c=a+bn 式中c 一折点加氯量( m g l ) ：a 豸8 ：攀 一吸氯量：b 一常数，通常取1 0 ：n 一水中氨氮含量( m g l ) 。 第二投加点设在滤后水干管， 目前只是用于投氯。 图24 余氯一加氯关系曲线( 水样不舍有机氮) 些型盔兰塑主堂垡丝兰! ! ! ! ! l 一一 b 西洲水厂各投加子系统简介 1 、投矾系统 囝2 5 西洲水厂投矾系统流程示意图 对比起以往：先取河水水样作沉降试验确定投加量比率再结合经验确定实 际投放量的传统工艺，西洲水厂的工艺已有了较大的飞跃。外运来的硫酸铝溶 液先在中转池计量验收后，经中转泵抽到储矾池备用，由于有高程差，可自动 流向投矾泵。投矾泵采用德国a l l d o s 公司的k m 2 5 7 4 4 0 2 型隔膜式计量泵，其 工作原理类似活塞泵：通过调节活塞冲程和频率( 电机转速) 两个参数来调节 泵的流量，即净水剂投加量。每台泵配置频率、冲程控制器各一套。由于仅用 这两个参数推算出的瞬时投矾量偏差较大，于是在管道中增加了电磁流量计， 以便提高计量的准确性。 生产运行时，系统的任意一台投矾泵都可通过调节相应阀门的开关，切换 投加到任意一条取水管处，上水管的电磁流量计把取水瞬时流量信号( 前馈变量) 传给冲程控制嚣( 又称多功能控制器、反比例控制器) ，再由此根据设定的控制 比例来控制投矾泵的“活塞”行程一冲程；而水质信号，在改造前是在管道混 合器后取源水样给s c d 检测仪，其提供的流动电流的电位信号( 反馈变量) 输 璺型查兰堡主兰丝堡苎幽型一 送到频率控制器( 变频器) ，再按设定比例关系控制泵的运行频率由此组成一 个前馈一反馈闭环控制系统来实现矾量投加的自动控制。 ( a ) s c d 检测仪工作原理 s c d 仪又称作游动电流检测仪，它用混凝后水中的游动电流值这单一参数代 表了影响投加量的多种因素，通过控制水中游动电流值的最佳范围，来实现单 因子自动控制。这种技术是在上世纪九十年代初开始引入国内的。 游动电流原理 根据胶体化学理论，水中胶体表面蒂有电荷，并影响到其附近的离子分布 构成胶体的双电层结构。当双电层受到外力扰动时，产生一系列电学现象，从 不同侧面反映胶体荷电的同一特性，统称为电动现象。流动电流( 位) 就是电动 现象之一。所谓流动电流( 位) 是指在外力作用下，液体相对于静止的固体表甄 流动而产生电场的现象，即电渗的反过程。当水流过毛细管时，就可观察到流 动电流现象：毛细管表面由于电离或吸附作用而带电，形成双电层。当水在压 力差作用下通过毛细管流动时，双电层平衡结构受到扰动，在液相的吸附层与 扩散层之间产生相对运动。伴随扩散层随水发生的移动，其中的反电荷离子亦 相应的定向运动而形成电流，即为流动电流；在毛细管两端产生的电位差则为 流动电位。若配以适当的装置，将该电流收集并检测，就可得到该条件下毛细 管表面表面的流动电流值。 在水处理工艺理论中，常用电位来描述胶体表面( 即固液界面) 的荷电 特性。根据流动电流原理，可以得到电位与流动电流之间的数学关系”1 ： 1 = 碉，y 2 毋( 智，) ( 2 1 ) 式中，为流动电流，p 为毛细管两端压力差，为毛细管半径，f 为f 电位， r 为水的介电常数，1 7 为水的粘度，j 为毛细管长度。 式( 2 1 ) 揭示了电位同流动电流之间的内在关系，说明二者是对周液界面 电动现象扶不同侧面的描述。流动电流同电位之间存在线性关系。 流动电流的生产检测技术 生产上用于过程控制的流动电流检测装置必须能连续检测。传感器是流动 电流检测器的核心部分。被测水样以一定的流量进入检测室，在圆型检测室内 有一活塞，作垂直往复运动。活塞和检测室内壁之间的缝隙构成一个环形空间， 9 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 3 ) 类似于毛细管。当活塞作往复运动时，就象一个柱塞泵，促使水样在环形空间 中作相应的往复运动。水样中的微粒会附着于活塞与检测室内壁的表面，形成 一个微粒“膜”。环形水流的运动，带动微粒“膜”扩散层中反离子的运动，从 而在环状“毛细管”的表面产生电流。在检测室的两端各设一环形电极，将产 生的电流收集并送给信号处理部分进行处理，获得该仪器的输出信号。这种装 置通过活塞的往复运动而生成交变信号，克服了电极的极化问题；采用高灵敏 度的信号放大处理器，使微弱交变信号被放大整流为连续直流信号，克服了噪 声信号的干扰，成功地实现了胶体电荷的连续检测。 流动电流与混凝工艺的相关性 常规的地表水处理工艺，皆以除浊澄清作为主要目标之一，即采用混凝、 沉淀( 或澄清) 、过滤这样一种基本工艺。能否使水中的浑浊杂质( 主要为胶体物 质) 聚结形成具有一定粒度及表面特性的絮凝体，为后续的沉淀或过滤去除创造 良好条件，关键就在于混凝效果如何。在一定的工艺条件下，混凝效果主要由 混凝剂的投加量所决定。通常所用的混凝剂都属于电解质物质，在水中与胶体 杂质发生电中和，压缩胶体的双电层，降低电位，使之脱稳凝聚。若混凝剂 投量偏少，胶体杂质达不到应有的脱稳程度，自然混凝效果不好：相反若投量 过多，使胶体表面吸附过量的反电荷，改变电性而使电位重新变大，胶体发 生再稳定而不能聚结，同样达不到混凝的目的。投加适量的混凝剂，保障混凝 效果，是使处理水质合格的前提。传统上都是以电位作为衡量胶体杂质脱稳 程度以及混凝效果的指标。一般情况下，当电位在o 5 m v 范围内时即可获得 良好混凝效果。由式( i ) 已知，流动电流与电位在理论上存在对应关系，因此 流动电流与混凝效果必然也是相关的。大量的实验结果证实了随混凝剂投加量 的增加。流动电流代数值增大。更进一步，生产上常以沉淀池出水浊度作为评 价混凝效果的指标。大量的实验证实该出水浊度确与流动电流有相关性，表明 随着混凝后水的流动电流代数值升高，出水浊度降低。二者的关系可以如下的 经验方程描述： 6 y = 口t e “”“” ( 2 、2 ) 式中y 为沉淀水浊度，膏为流动电流，a 、b 为经验系数，对于不同的原水，经 验系数是不同的，日、b 值反映了水质及处理工艺特性，而且与流动电流数值 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 3 ) 的相对性有关，不同仪器的测定值是不能直接比较的。范围广泛的实验包括了 国内外、南北方、江河水库等多种原水及处理工艺，一些有代表性的统计数据 列于表2 2 。证明在q = 1 的置信水平下，混凝效果与流动电流之间存在显著的 相关性，而且这种相关性是普遍存在的，流动电流是影响混凝的主要因素，其 它各种因素对混凝的影响是次要的。这一结论为以流动电流为因子控制混凝投 加提供了决定性的依据。 表22 沉淀水浊度与流动电流关系统计( y = 疗p + r ，) 源水条件统计参数 水源混凝剂 浊度( n t u )温度( )p h ab r f i r l 。 塞纳河 6 - 5 08 1 57 8 8 2 a q u a l e r i c 0 4 3 98 1 70 8 6 60 3 5 4 钱塘江 7 5 - 7 52 6 5 2 7 o 7 7 8 5 聚合铝 0 2 5 3 9 2 2 0 9 6 00 7 6 5 松花江 1 2 51 48 1 硫酸铝 0 0 5 06 3 80 9 7 9o 9 1 7 大庆水库 1 1 0 1 5 4 2 5 聚合铝 2 7 2 1 0 3 11 4 7 00 9 8 50 7 6 5 牡丹江 9 0 1 2 01 3 】57 0 硫酸铝 0 0 0 5 2 61 2 7 509 2 80 7 0 8 ( b ) 隔膜式计量泵介绍 隔膜式计量泵k m 2 5 7 是往复式的活塞泵，它带有一个由电机驱动的液压隔 膜。电机的转动由蜗转和偏心轮转化为活塞的往复运动，形成吸入和排放冲程。 活塞是中空的，径向钻有许多控制孔，构成驱动活塞和油箱之间的液体通道。 在运动过程中，控制滑块可盖住这些从而控制活塞行程。通过聚四氟乙烯隔膜 的液压运动，等量体积的加注介质经过吸入阀被吸到加注头中，然后又经过压 力阀排入加注管线中。冲程的容积由控制滑块的位置决定，冲程的有效长度及 因此而来的泵的输出量均可连续而线性地在0 1 0 0 之间调节。调节可由带游标 的调节控制钮控制。加注泵可以装上电动或气动的控制器实现对冲程长度的自 动控制。 婴业查兰堡主兰堡堡兰型型翌一 2 ) 投灰系统 图26 西洲水厂投灰系统流程示意图 地称仅用于来货检斤。袋装石灰粉需要人工解包后置于储灰罐待用，每个 储灰罐均配有振荡器，可把灰分抖落到德国a l l d o s 公司的干粉送料器。每个石 灰池分成溶解池、中转池、溶液池三部分，分别配有2 、2 、4 台搅拌机，四个 石灰池的溶液池部分顺序连通，可单独使用，也可连通使用。8 台德国s e e p e x 厂的螺杆泵分4 组，每组一运一备。各设备控制面板见图2 7 。 使用时，石灰先由干粉送料器送到溶解池溶解，这时可与稀释水电动蝶阀 可联动，即同步开停，或不联动，即可通过计算机远程人工控制各自的开停， 由此适当控制灰水溶液( 混浊液) 的浓度。而利用酸碱度计( p h 计) 把反应池的水 质信号反馈给多功能控制器( d o s i p o s 3 4 2 ) ，通过对该控制器上下限、比例的设 定来调节变频器( 后来改造为可由p l c 直接控制的二选方式) 。再由变频器根 据设置关系调节螺杆泵的频率，从而实现自动化投加。 ( a ) d o s i p o s3 4 2 多功能控制器( 见图2 。7 ) 的比例控制功能 d o s i p o s3 4 2 多功能控制器的比例控制功能具有一种静态特性。控制器的典 型特征是它的证比例区x p 。该正比例区有一个上限和下限，在极限范围以内。 无论是上行还是下行方向控制器的输入与输出变量都成正比比率。比例区的下 限是控制器的相应闽值。上限把比例区和饱和区分开来。高于上限时，即使输 入信号继续增长，输出信号也不能再增加。这一静态特性用于控制投灰的螺杆 型型查兰堡主堂丝丝兰! ! ! 塑! 泵的最高和最低转速，确保螺杆泵的正常运行。 ( b ) i ) o s i p o s3 4 2 多功能控制器控制投灰的原理 d o s i p o s3 4 2 多功能控制器积分控制功能的基本原理是控偏差和校正变量 的直接关系，产生一个持续控制偏差。当控制偏差为零，即当设定点和实际值 吻合时，校正速率也为零。积分控制器的范围定义为个控制偏差线性干扰校 正速率的范围。 d o s i p o s3 4 2 多功能控制器根据反应池进水口p h 计的信号进行处理后输出 一个信号给调频控制器控制螺杆泵的转速。当反应池p h 值大于设定的s p l 时， d o s i p o s3 4 2 控制器减少输出，从而降低螺抒泵频率。减少投灰量：当反应池 p h 值小于设定的s p 2 时，d o s i p o s3 4 2 多功能控制器增加输出，从而增加螺杆 泵频率，加大投灰量。s p 值为o - 1 0 0 对应p h 值1 1 4 ，通过设定s p l 和s p 2 来 控制所需的反应池p h 值。 图27 投灰系统部分控制屏箱示意图 3 ) 投氯系统 液氯四瓶一组分成两组运一备，两个蒸发器与每组两个过滤罐同样也是 匹| j i l 大学硕士学位论文( 2 0 0 3 ) 一运一备。蒸发器投入后可自控加热补水( 见图2 8 ) 。滤前投氯使用美国w & t 公司的v 2 0 0 0 型投氯机：滤后投加作为补充，使用 2 0 2 0 投氯机，容量比滤前 的少。配水井前投氯消毒，可避免净水构筑物滋生微生物或细菌等。 使用时，先借助水射器使真空调节阀至水射器全段形成的真空：而两组液 氯由自动切换控制箱根据电动阀门的压力信号控制切换，经蒸发器加热气化， 经过滤后至真空调节阀。只有蒸发器的温度和水射器形成的真空度均达到设定 的安全值，真空调节阀才会打开，并起减压调节作用；氯前投氯机根据取水管 瞬时流量计信号和设定的投加量一取水流量比例值控制投氯量( 见图2 9 ) 。只有 流量前馈。没有余氯后反馈，是初期投加的缺陷。 同理在滤后出水总管进行滤后氯的投加，但会结合滤后水的余氯信号来设定 投加量一取水流量的比例值。 图2 8 西 1 1 i 水广投氯系统流程示意图 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 3 ) 图2 9 蒸发器和投氯机的控制面板示意图 加氯机运行原理介绍： 加氯机系统包括流量控制柜、v 型槽、自动控制器、真空调节阀、无隔离自 动真空切换器和水射器等。 控制气体流量主要靠v 型槽控制。v 型槽装置由一带v 型沟槽的阀芯在一紧 密的0 型环内滑动组成。对应于0 型环，阀芯的任何位置均导致一特定的过流 面积，完全比例对应于投加量。这种设计决定了高精度的气体流量控制和完美 的可重复性。 加氯机均在真空状态下运行，其真空是由吸气器型水射器产生的。真空通 过塑料硬管出水射器传递到氯气流量控制单元，然后再到真空调节器。真空调 节器中的膜片弹簧调节阀的膜片，一面感受水射器传递过来的真空，一面感受 大气压力。由于膜片两面感受到的压力差作用，膜片动作，从而带动带弹簧负 载的阀芯打开阀座，从而导致可以保持一适合的运行真空度至氯气流量控制柜， 而且允许氯气以真空状态进入氯气流量控制柜。当氯气流经转子流量计时，氯 气流量直观显示出来，并且通过改变v 型槽的过流面积来控制氯气流量。在此 点，氯气流量也有差压调节阀来控制。此阀保证了v 型槽上下游的差压恒定。 随后，氯气进入水射器。水射器，经过计量的氯气溶解在水中。气水溶液投加 婴业查兰蔓圭兰垡堡壅旦婴一 一 入投加点中。 4 ) 投氨系统 投加流程见图2 1 0 。投氨的目的主要是液氨几瓶组分成两组一运一各， 两组共用一对过滤罐，同样也是一运一备。投氨机是w & t 公司的s e r i e s6 0 一2 2 3 型压力加氨机。排空管主要是维修时使用。 图2 ，1 0 西洲水厂投氨系统流程示意图 使用时，液氨在常温下气化，产生具有一定压力( 1 0 2 5 f p a 为正常使用压 力) 的氨气，取氨瓶内( 上方) 的气相部分，通过自动切换控制箱根据压力控制两 组的切换。借助所产生的压力经过滤罐，由减压阀减压后送往投氨机，投氨机 按投氯量的1 4 ( 即1 ：4 氨氯重量比) 控制投加量，沿投加管道输送到各取水管。 因为液氨较易溶于水，所以可不用水射器。减压后的氨气由高压下的气液平衡 态变成常温常压下的气态，会大量吸热，因此需要敷电热丝防止管道外壁有空 气水份冷凝。 5 ) 其它投加系统 作为预处理起除臭脱色作用的活性炭投加系统，和起增氧除味作用的离锰 酸钾系统均是近期( 2 0 0 2 年下半年) 建成投入使用，末作深入研究，故从略。 t 6 型型查兰堡：! 兰垡堡兰! ! ! 塑! 2 1 3 净水处理过程 a 净水构筑物 取水管在投加井至配水井一段内安装了静态混合器，提高混合效果。 表2 3 净水构筑物部分参数表 单池尺寸 合计 单池面积 单位能力 数量 合计能力 名称类型 ( 跃宽深)面积 ( m 2 )( m 。h )( 个)( m 3 h ) ( m x m m ) ( 一) 反应池网格 1 8 2 e 3 5 5 沉淀池平流 1 2 0 2 6 3 5 53 5 8 85 2 0 841 4 3 5 22 0 8 3 2 摅池v 型1 3 84 5 x 49 l9 5 52 42 1 8 41 2 9 2 0 清水池 5 4 6 4 4 6 42 4 3 53 5 0 061 4 6 1 0 2 1 0 0 0 i ) 反应池、沉淀池 该厂采用网格反应池，反应时间为1 2 3 5 分钟( 5 0 0 d a m 3 d a y ) ，反应和沉淀 池均叠加于清水池上方。平流沉淀池设计停留时间1 5 小时( 由于平流沉淀池过 图21 1 排泥车无线变频控制程序 四川大学颁士学位论文( 2 0 0 3 ) 流量的处理能力强，此数值偏于保守) ，水平流速2 0m m s ，有效水深3 2 5 m 。 并配备虹吸排泥车，排泥车使用无线变频控制，控制程序见图2 儿。沉淀池进 水端沉泥相对比出水端多，因此排泥车运行时频率对应逐步由低到高变化，使 行车速度在高浊区慢行，低浊区相对快行。排泥过程随时可通过无线控制来修 改其程序。 2 ) v 型滤池 设计参数；滤池采用气水反冲洗v 型滤池，分成东西两组，每组1 2 个滤池， 滤池采用石英砂均粒滤料，有效粒径1 o m 2 m m ，均匀系数1 2 1 4 ( 较为均匀) ， 滤料厚度1 2 5 m ，单池滤头5 2 个边( 排污渠两边) ，滤板3 9 块边，设计滤速 1 0 5 m h ，强制滤速1 2 4 m h ，滤池反冲洗强度：表面扫洗1 4 - 2 l s m 2 ，水洗 4 l s m 2 ，气洗1 2 m 5 l s n 1 2 ，反冲洗周期为3 6 小时，反冲强度及反冲洗周期 可按实际生产需要调整。 v 型滤池的运行原理参见图2 1 2 。空气压缩机为所有气动阀门提供动力气 源。罗茨风机、和冲洗离心水泵各三台为滤池的反冲洗提供动力源，并分别由 风机变频器和水泵变频气控制电机运行频率来调节反冲强度。滤池进、出水阀 门由智能调节仪控制开关。 图2 1 2 西洲水厂滤池运行原理示意圈 婴型查兰堡主兰竺堡苎! ! ! ! ! !一 图2 ，13 西洲水厂滤池部分控制设备的控制面板示意图 。 滤池采用恒水位( 1 1 m ) 滤水运行。智能调节议根据池面超声波液位计信号， 正比控制出水蝶阀的开启度保持池面液位在1 1 m 左右。这主要使各池的配水均 匀。滤出水由出水阀流入落水井到达清水渠后分成两支：主要部分流入清水池 成为自来水；少部分流到吸水并，用于滤池的反冲洗。 反冲洗时先关闭进水阀，待滤池水位降至设定水位后关出水阀，随即开排 污阀，其后可进行下述几种方式或其组合来冲洗。生产使用改进后的自动控制 反冲洗程序见下，频率控制见表2 4 。 滤池滤水运行3 6 小时后一关进水阀( 气动闸板阀) 一滤池水位跌至0 2 米 后关出水阀一开排污阀一氢选! ：分鳢：遇选2 ：岔鲑= 氲选! ! q 筮垃= 塞 厘扫选2 ：q 分鳢= 丞选：q 筮鲑一关排污阀一开进水阀恢复滤水( 新一个运行 周期) 。 ( a ) 气洗：关排气阀一开气冲阀一开出气阀一开反冲洗风机( 即罗茨风机) ， 此时水冲阀应关。冲洗完毕，停风机一关气冲阀一关出气阀一开排气阀。 ( b ) 水洗：开反冲洗水泵一开出水阎一开水冲阀，此时气冲阀应关。冲洗 完毕，关水冲阀一关出水阀一停水泵。 ( c ) 气水混洗：气洗与水洗同时进行，此时气冲阀、水冲阀均应打开；两 1 9 四川大学硕士学位论义( 2 0 0 3 ) 洗的开启没分先后。 ( d ) 表面扫洗：在以上三种冲洗之一的同时，半开进水阀( 生产中已与水洗 联动) 控制一定的进水量，可把反冲起来的污泥扫入排污渠中，提高反冲 效果。 表2 ，4 变频器控制的频率冲洗对应表 f 变频器控制气洗水洗混洗 l 风机频；( t t z ) 4 f3 0 l 水泵频；( f l z ) 5 3 0 b 净水过程 如上文所述( 见图2 1 ) ，此处不再重复。 2 1 4 污水处理过程 该系统主要是对反应池、沉淀池、滤池在生产过程形成的污泥水进行处理， 是实现“零排放”环保指标的保障。( 见图2 1 虚线框内) 污水由专门的管道集中回流向调节池，垃圾机各除如塑料袋等缠绕固体物， 池内装有潜水搅拌机，防止污泥池积。潜污泵把污泥水抽到沉淀池，其上层清 液到清液回收池，而沉淀物由p b x n 一1 0 泵吸式吸泥机抽到集泥槽排至斜板浓缩 池。浓缩池的刮泥机把浓缩污泥刮向泥坑，并防止泥在池地板结，而上层清液 同样回收到清液回收池。潜污泵把泥坑污泥送到污泥切碎机，以防止大体积物 质进入后续工序。平衡池主要起收集储存浓缩污泥，保证脱水机进泥量和浓度 的均衡，它的污泥液由螺杆泵送到脱水机。脱水机通过高速的旋转，使高效絮 凝剂聚丙烯酰胺( p a m ) 的水溶液与污泥混合产生絮凝，并离心分离固液两部分。 固体部分投过螺旋送料器传送给汽车外运到指定的泥饼收集点；脱水机分离的 液体部分回送到沉泥池。 聚丙烯酰胺袋装固体颗粒经解包后至于储存罐。由螺旋送料器送入下料斗， 同时加水溶解，利用水射器送至溶解池浸泡，以便充分溶解。再由螺杆泵经转 子流量计计量输送到脱水机。 清液回收池的清液由w q 4 0 0 1 0 2 2 立式排污泵送到配水井。 粤型查堂堡主堂堡笙壅! ! ! ! ! ! 一 2 2 投加系统分析 2 2 1 系统存在的问题 as c d 仪控制存在的不足 s c d 仪取样管容易堵塞，维护维修的强度大；采样电极对水质污染敏感，水 质好时反应正常；水质不好，如受有机污物、无机物污染、油污染等，即使污 染程度不重，对电极的影响都很大。s c d 仪是单反馈系统，当水流量变化迅速时， 计量泵的调整速度太慢。以实际运行为例，如水流量由2 5 0 0m 3 h 猛增至 5 0 0 0 m 3 h ，计量泵需要7 1 0m ir l 刁能调到较合适的位置。 8 d o s p o s3 4 2 多功畿控制器控制投灰的缺点 1 ) 投灰点至p h 计的采样点太远，使改变投加后到p h 计检测到的时间太长 这样的结果是反应池的p h 振动太大。实际生产中滞后时闯：取水泵站开4 台机，滞后时间为2 0 分钟；取水泵站开3 台机，滞后时间为2 4 分钟；取水泵 站开2 台机，滞后时阈为3 6 分钟。由于滞后时阅太长。使反应浊p h 值在6 ，o 囝，0 之间成正弦曲线变化，偏离设定值( p h = 7 3 ) 的时间太长。 2 ) 反应池p h 值变化幅度大，易造成投加的恶性循环 由于反应池p h 值在6 0 - - 9 0 之间变化，在高p h 值及低p h 值时，特别在高 p h 值期间，由于偏离最佳絮凝反应区间而需投加更大的矾量，而加大矾量又导致 加大灰量，形成恶性循环。d o s i p o s3 4 2 多功能控制器自动控制投灰是个自循 环系统，当p h 计出故障或系统出故障时，不易进行人工干预，而且需到现场调 节。 3 ) 原石灰干粉送料设备的投加量为人工调节，使灰水的浓度不稳定 当狄水浓度太高或太低时，整条反应池p h 曲线会随之上移或下移，使出厂 水的p h 不稳定。 g 投氯和投氨控制的不足 滤前投氯和投氨控制都采用流量比例控制，原水水质没有参与控制。当原 水水质有突变时，没有反应，需要值班入员到现场调整比例参数，因而自动化 程度较低。滤后水取样点和投加点距离较近而t i c r 0 2 0 0 0 余氯仪的滞后时间太 长，所以滤后投氯自动投加时不稳定，投加量醢线成波浪型，投加效果不符合 理想。 四川大学硕士学位论空( 2 0 0 3 ) 2 2 2 系统可靠度评价 a 系统可靠度评价方法的理论探讨 1 ) 理论基础 设备或部件运行总数为n ，在t 时间间隔内，正常运行的件数为n 。，出现故 障的件数为n ，；当件数足够多时，不发生故障的频率可代表其概率，故可靠度 r = n 。n ；故障度f = n 。n ，即r = i f 设备工作到t 时刻后，单位时问内发生故 障的概率称为设备在时刻t 时的失效率八( t ) ，当设备的寿命服从指数分布时， 即该设备的故障发生是随机，对于大多数设备，部件及构筑物而言，都符合这 种模型。则其可靠度函数为 露 f ) = e ”。 2 ) 预测和评价的基本方法 ( a ) 串连系统 这个系统由组成此系统的各单元串联而成，若其中有一个单元发生故障， 则整个系统就会失效。设单元的可靠性指标r 。，单元的寿命服从指数分布，即 r ，( t ) = e “，则系统的可靠度：r ：( t ) = i i r 。= l i e ，由此可见，串连系统的 可靠度小于任何单元自身的可靠度。 ( b ) 并联系统 由一系列平行工作的单元组成，只有当各单元均失效时系统才会失效，这 种系统称为并联系统。设各单元的可靠度为r 1 、r 2 u r n ，系统的可靠度即为： r = l ( 1 一r 1 ) ( 1 一9 2 ) = l il ( 1 - r 。) ( c ) 后备系统 ”1 组成系统的各单元系统中有个单元工作，当此工作单元失效时，处于备 用的另一单元即行接替其工作。与并联系统不同之处在于，储备系统为待机工 作，而并联系统为同机工作。对于有n 个单元组成的系统，一个工作，其他( n 1 ) 个处于备用状态，且在备用状态不会失效。当各单元可靠度r i 均相等，且单元 故障的发生是随机的，则系统可靠度为 黔”簪+ 譬”+ 篇p 4 = 薹笔等“ 1121 ( n 1 ) ! 。息足! 列j i i 大学硕士学位论文( 2 0 0 3 ) b 投加控制系统的可靠度分析 水厂的投加系统由投矾子系统、投石灰子系统、滤前投氯子系统、滤后投 氯子系统和投氨子系统组成。投加系统中各个子系统都必须正常运行，水厂的 净水系统才能生产出合格的自来水，任何一个子系统出现故障，则自来水相应 的指标就会不合格。因此，投加系统属于串联系统。实际上，各个子系统本身 同样也是串联系统。例如投矾子系统的可靠度可表达为： r 投钒= r 流量* x r p l c r 轼口搜r 熏额器r 毒功瞻控制嚣r 计量幕 根据实际经验及实际运行数据的统计测算，r * t ”= o 9 2 6 ，r l c - - - - 0 9 9 9 ， r s c u = “0 7 8 2 ，r # = 0 9 3 5 ，r ；n & “$ = 0 9 9 1 ，r ”t & = 0 9 5 8 所以r 女m = g 9 2 6 0 9 9 9 0 7 8 2 0 9 3 5 x 0 9 9 lx 0 9 5 8 = 0 6 4 2 同理，投石灰子系统的可靠度为： r 投捉- - - - r p h 汁r 变顿8 x r 多功能控制牲r 蠕扦曩 = o 8 2 5 x 0 。9 6 3 0 9 9 t 0 9 3 7 i 。7 3 8 滤前投氯子系统的可靠度为： r 培t t 憎氯= ：r 菠t 。 r p c x r 加氯机r 承时嚣 = o ，9 2 6 x 0 9 9 9 0 9 5 4 o 9 5 1 = 0 8 3 9 滤后投氯系统的可靠度为： r 滤后投氯= r 余氯分析仪r 加氯机r 水射器 - - - - 0 8 9 6 x 0 9 5 4 x 0 9 5 i = 0 8 1 3 由以上分析可知。改造前西洲水厂自动投加系统的可靠度并不高。主要原 因有以下两个方面：( 1 ) 各子系统的控制部件、控制方式都是通用的、由硬件 实现的，这就造成了一方面控制的针对性、适用性不强，另一