氣水反沖洗濾池自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

白敬中

（中國(guó)市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司，湖北 武漢 430010）

1 引言

給水處理中的過(guò)濾一般是指通過(guò)過(guò)濾介質(zhì)的表面或?yàn)V層截留水體中懸浮固體和其它雜質(zhì)的過(guò)程。對(duì)于大多數(shù)地面水處理來(lái)說(shuō)，過(guò)濾是消毒工藝前的關(guān)鍵性處理手段，對(duì)保證出水水質(zhì)具有重要的作用。但是濾池在運(yùn)行一段時(shí)間后，就會(huì)出現(xiàn)含泥量增大、過(guò)濾效果降低的情況。為恢復(fù)濾池濾層的截污能力，需要采用反沖洗措施。水廠的濾池反沖洗近年多采用氣水聯(lián)合反沖洗的方式，分為氣沖過(guò)程、氣水同時(shí)反洗過(guò)程、水洗過(guò)程，同時(shí)一般伴隨著表面漂洗過(guò)程，使濾池濾層內(nèi)的污物能有效地被剝離和沖洗排出濾池，從而保證后續(xù)的正常過(guò)濾周期和效果。由于這種高效的再生濾層過(guò)濾能力的作用，氣水反洗濾池被日益廣泛地應(yīng)用到了凈水處理廠。由于其布水布?xì)饨Y(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)復(fù)雜，依靠傳統(tǒng)的操作人員憑經(jīng)驗(yàn)手動(dòng)或半自動(dòng)控制其實(shí)際效果很差，很難達(dá)到設(shè)計(jì)要求。因此，濾池的儀表設(shè)置及自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)在全廠的儀表、自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中具有舉足輕重的地位。目前，大中型水廠采用較多的是氣水反沖洗“V”型濾池。本文主要介紹了某凈水廠“V”型濾池儀表及自控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

2 簡(jiǎn)介

2.1 氣水反沖洗V型濾池工藝過(guò)程

濾池的工藝過(guò)程可分為正常過(guò)濾和濾池反沖洗兩個(gè)子過(guò)程，這兩個(gè)子過(guò)程交替運(yùn)行，相互之間間隔一定時(shí)間。濾池的正常過(guò)濾過(guò)程就是去除水中濁度和細(xì)菌，隨著濁度的降低，水中有機(jī)物等也可相應(yīng)降低，使出廠水的水質(zhì)達(dá)到國(guó)家飲用水的衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。因此，保證濾后水達(dá)到較低指標(biāo)是濾池運(yùn)行的關(guān)鍵。為了保證濾后水濁度，除了加強(qiáng)濾前處理工藝外，保持濾料的清潔是非常關(guān)鍵的。因此，濾池運(yùn)行一段時(shí)間后，就要進(jìn)行反沖洗。濾池的反沖洗就是先后運(yùn)行氣洗、水洗等清洗方式去除濾料層中的雜質(zhì)，通過(guò)選用合理的沖洗方法和沖洗強(qiáng)度，既能有效地沖去積泥，又能保存濾料表面一定的生物膜，是濾池自?xún)舻墓に嚧胧?。圖1表示濾池工藝過(guò)程簡(jiǎn)圖。

圖1 濾池工藝過(guò)程簡(jiǎn)圖

2.2 V型濾池工藝參數(shù)及控制要求

該水廠為擴(kuò)建工程，新設(shè)一座V型濾池，濾池處理水量為15×1.05=15.75萬(wàn)m3/d。設(shè)濾池1座，因用地限制，采用單排布置。分為10格，每格過(guò)濾面積84.21m2。

土建平面尺寸86.30×20.23m，鋼筋砼結(jié)構(gòu)。

主要設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)如下：

單格面積F=84.21m2

平均濾速V=7.79m/h

強(qiáng)制濾速V1=8.66m/h

①進(jìn)水

濾池周邊設(shè)配水渠道，寬1.50m，水深1.40m。每格濾池設(shè)3個(gè)進(jìn)水孔，中間為大孔500×400mm，設(shè)電動(dòng)閘板，反沖時(shí)關(guān)閉，兩側(cè)小孔為300×350mm，設(shè)手動(dòng)閘板，為常開(kāi)式，反沖洗仍然進(jìn)水，用作表面掃洗。水流經(jīng)過(guò)三個(gè)進(jìn)水孔后，再經(jīng)溢流堰進(jìn)入V形槽，均勻進(jìn)入池內(nèi)進(jìn)行過(guò)濾。

②排水

單格濾池中間設(shè)兩層渠道，上層為排水渠道，下層為過(guò)濾及反沖時(shí)的集、配水渠道。排水渠道末端池壁上開(kāi)DN500排水孔，設(shè)電動(dòng)閘板，排入濾池外側(cè)總排水渠，排水總渠寬1.40m。

③配水

采用ABS長(zhǎng)柄濾頭配水，開(kāi)孔率為1.0～1.3%。

④出水

濾后水經(jīng)單格濾池下層集水渠收集后，經(jīng)DN350清水出水管進(jìn)入單格濾池出水箱。DN350管上設(shè)可調(diào)式電動(dòng)蝶閥，可根據(jù)池內(nèi)水位變化調(diào)節(jié)開(kāi)啟度，保證恒速恒水位過(guò)濾。出水箱尺寸為2.60×2.30m，深3.80m，最后進(jìn)入總出水井內(nèi)。出水井設(shè)出水總堰，水流經(jīng)總出水堰出流后采用DN1600鋼管送至清水池。

濾池濾科采用石英砂均質(zhì)濾料，粒徑1.0～1.25mm，K60=1.20，濾層厚度1.3m，承托層采用礫石，分兩層，粒徑分別為2～4mm和4～8mm，厚度均為0.05m。濾池配水配氣系統(tǒng)采用長(zhǎng)柄濾頭，在濾板上均勻布置，濾板下部空間凈高0.85m。每格濾池出水管上設(shè)置氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥控制濾池恒水位運(yùn)行，濾池反沖洗按運(yùn)行周期、出水濁度、水頭損失等自控進(jìn)行。沖洗過(guò)程為：先氣沖洗，強(qiáng)度15L/s·m2，時(shí)間2min；再氣水同時(shí)沖洗，氣沖強(qiáng)度15L/s·m2，水沖強(qiáng)度3L/s·m2，時(shí)間4min；后水沖洗，強(qiáng)度6L/s·m2，時(shí)間6min；為使沖洗時(shí)表面污物能更好地清除，增設(shè)表面水掃洗，表面掃洗強(qiáng)度2L/s·m2，全程掃洗。正常過(guò)濾時(shí)濾池反沖洗周期24～48h。

3 儀表、自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

要實(shí)現(xiàn)工藝的控制要求，需要設(shè)置相應(yīng)的檢測(cè)儀表對(duì)水位水質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)、對(duì)各設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)及配置高效智能的自控設(shè)備。圖2表示濾池儀表、自控系統(tǒng)簡(jiǎn)圖。

圖2 濾池儀表、自控系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

3.1 儀表設(shè)置及主要自控檢測(cè)項(xiàng)目

檢測(cè)儀表根據(jù)工藝流程和計(jì)算機(jī)測(cè)控管理系統(tǒng)的要求配置。儀表的選型除滿(mǎn)足被測(cè)對(duì)象的性質(zhì)和環(huán)境條件、測(cè)量范圍及精度、防護(hù)等級(jí)等要求外，還要適合當(dāng)?shù)貧夂蛱攸c(diǎn)。根據(jù)工藝控制要求，設(shè)置如下檢測(cè)儀表：

濾池每格液位檢測(cè) （超聲波液位計(jì)）

濾池每格水頭損失檢測(cè) （水頭損失檢測(cè)儀）

濾池每格出水濁度檢測(cè) （濁度檢測(cè)儀）

濾前（總）進(jìn)水濁度檢測(cè) （濁度檢測(cè)儀）

濾后（總）出水濁度檢測(cè) （濁度檢測(cè)儀）

沖洗水泵出水壓力檢測(cè) （智能壓力檢測(cè)儀）

沖洗水流量檢測(cè) （電磁流量計(jì)）

鼓風(fēng)機(jī)出風(fēng)壓力檢測(cè) （智能壓力檢測(cè)儀）

反沖洗水池液位檢測(cè) （超聲波液位計(jì)）

除設(shè)置適當(dāng)?shù)脑诰€檢測(cè)儀表檢測(cè)相應(yīng)的工藝參數(shù)外，還要對(duì)水泵、閥門(mén)、鼓風(fēng)機(jī)等電氣設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)、控制，才能實(shí)現(xiàn)整個(gè)過(guò)濾及反沖洗過(guò)程的自動(dòng)控制。自控主要接口如下：

進(jìn)水氣動(dòng)閘板：開(kāi)/關(guān)控制及位置狀態(tài)

排水氣動(dòng)閘板：開(kāi)/關(guān)控制及位置狀態(tài)

反沖洗水管氣動(dòng)蝶閥：開(kāi)/關(guān)控制及位置狀態(tài)

反沖洗氣管氣動(dòng)蝶閥：開(kāi)/關(guān)控制及位置狀態(tài)

清水調(diào)節(jié)閥：閥門(mén)開(kāi)度調(diào)節(jié)及位置狀態(tài)

排氣閥：開(kāi)/關(guān)控制

沖洗水泵：開(kāi)/停控制，運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控，頻率調(diào)節(jié)

反沖洗鼓風(fēng)機(jī)：開(kāi)/?？刂?，運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控

空壓機(jī)：開(kāi)/?？刂疲\(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控

3.2 自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（1）功能要求

在反沖洗泵房設(shè)有PLC控制主站，每格濾池單獨(dú)設(shè)操作臺(tái)，內(nèi)置PLC子站，能在PLC控制主站的協(xié)調(diào)下，獨(dú)立完成每格濾池的過(guò)濾和反沖洗操作。公共設(shè)備（如沖洗水泵、鼓風(fēng)機(jī)、空壓機(jī)等）由PLC主站控制開(kāi)停，實(shí)時(shí)接受每格濾池的狀態(tài)信號(hào)和請(qǐng)求反沖洗信號(hào)，并根據(jù)反沖洗規(guī)則，協(xié)調(diào)每格濾池的反沖洗操作。PLC主站及各濾格PLC子站具體控制功能如下：

①濾池PLC主站控制裝置

·對(duì)各濾格濾池控制裝置上送“請(qǐng)求沖洗”申請(qǐng)的次序，組成一隊(duì)列，并按次序啟動(dòng)各濾格子PLC站共同自動(dòng)完成反沖洗過(guò)程，反沖洗按氣沖、氣水混和沖、水沖的過(guò)程進(jìn)行。

·監(jiān)控反沖先水泵、閥門(mén)、鼓風(fēng)機(jī)、出氣閥、運(yùn)行狀態(tài)。

·氣動(dòng)閥門(mén)氣源運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控。

·對(duì)反沖先水泵、鼓風(fēng)機(jī)、閥門(mén)進(jìn)行故障檢測(cè)、故障判斷和進(jìn)行故障保護(hù)控制，特別是與之相關(guān)的設(shè)備必須同時(shí)進(jìn)行保護(hù)控制。

·操作終端上動(dòng)態(tài)顯示工藝檢測(cè)參數(shù)和設(shè)備工作狀態(tài)，并實(shí)時(shí)向中心控制室傳送數(shù)據(jù)。

·接受中央控制室下達(dá)的控制指令，包括強(qiáng)制某格濾池進(jìn)行沖先的指令，判斷其正確性、可執(zhí)行性后加以執(zhí)行。

·采集相關(guān)工藝儀表檢測(cè)信號(hào)。

②濾格PLC子站控制裝置

·實(shí)時(shí)采集每格濾池的運(yùn)行水位、出水濁度和水頭損失。

·根據(jù)濾池水位，通過(guò)預(yù)裝PID調(diào)節(jié)程序調(diào)節(jié)清水閥開(kāi)啟度，保證濾池恒水位過(guò)濾。

·根據(jù)濾池水頭損失和過(guò)濾周期，與設(shè)定值相比較，達(dá)到任一沖洗條件時(shí)間向PLC主站發(fā)出“請(qǐng)求沖洗”信號(hào)，得到允許后，自動(dòng)完成本格濾池的反沖洗。

·根據(jù)工藝過(guò)程，對(duì)本格濾格的進(jìn)水、出水、氣沖、水沖、排氣等閥門(mén)進(jìn)行邏輯控制，同時(shí)進(jìn)行故障檢測(cè)、故障判斷和進(jìn)行故障保護(hù)控制，特別是與之相關(guān)的設(shè)備必須同時(shí)進(jìn)行保護(hù)控制。

·當(dāng)主控制裝置送來(lái)反沖洗水泵、鼓風(fēng)機(jī)、閥門(mén)有故障時(shí)，對(duì)本格濾池的各種閥門(mén)作相應(yīng)的保護(hù)。

·就地顯示水位、水頭損失、各個(gè)閥門(mén)的工作狀態(tài)。

（2）自動(dòng)控制要求

根據(jù)工藝過(guò)程，自動(dòng)控制亦分為正常過(guò)濾時(shí)的自動(dòng)控制和反沖洗自動(dòng)控制。其控制要求如下：

①正常過(guò)濾時(shí)的自動(dòng)控制

當(dāng)濾池正常過(guò)濾的時(shí)候，其工藝要求就是要保持濾池水位的恒定，以保證濾池有一個(gè)穩(wěn)定的生化環(huán)境，這個(gè)過(guò)程是通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)每格濾池的水位，根據(jù)水位變化，調(diào)節(jié)清水出水閥門(mén)的開(kāi)啟度來(lái)實(shí)現(xiàn)的。圖3表示正常過(guò)濾過(guò)程時(shí)的自動(dòng)控制簡(jiǎn)圖。

圖3 正常過(guò)濾過(guò)程時(shí)的自動(dòng)控制簡(jiǎn)圖

②反沖洗時(shí)的自動(dòng)控制

濾池的反沖洗控制可分為兩部分：反沖洗啟動(dòng)和反沖洗過(guò)程的控制。反沖洗啟動(dòng)有兩種途徑，一是由上位機(jī)下達(dá)反沖洗命令；二是當(dāng)反沖洗條件滿(mǎn)足時(shí)自動(dòng)開(kāi)始反沖洗。

濾池反沖洗控制：反沖洗控制有三種方式，一種是根據(jù)清水閥開(kāi)啟度和運(yùn)行時(shí)間控制；第二種是定時(shí)周期順序沖洗方式；第三種是根據(jù)濾層水頭損失（或每格濾池出水濁度）達(dá)到設(shè)定值時(shí)，發(fā)出沖洗信號(hào)。這三個(gè)條件是并列的，只要滿(mǎn)足一個(gè)，就可以進(jìn)行反沖洗。同時(shí)控制中心或分站也可強(qiáng)制濾池反沖洗。反沖洗時(shí)每次只能單格濾池反沖洗。

采用第一種控制方式時(shí)，當(dāng)清水閥門(mén)開(kāi)啟到設(shè)定位置，且濾池運(yùn)行時(shí)間已到設(shè)定周期時(shí)間，發(fā)出沖洗信號(hào)。定時(shí)沖洗則可以設(shè)置為具體時(shí)間，也可以按照過(guò)濾的運(yùn)行時(shí)間來(lái)安排，即當(dāng)濾池連續(xù)正常過(guò)濾一定時(shí)間后自動(dòng)啟動(dòng)反沖洗。在反沖洗結(jié)束、過(guò)濾開(kāi)始的時(shí)候，啟動(dòng)一計(jì)時(shí)器，時(shí)間到便開(kāi)始反沖洗程序。水頭損失反沖洗可以這樣設(shè)計(jì)：在正常過(guò)濾過(guò)程控制中，如果清水閥已開(kāi)到最大，水頭損失超出設(shè)定值，再看液位是否上升，如果是，則條件滿(mǎn)足，啟動(dòng)反沖洗。根據(jù)濁度反沖洗則是濁度達(dá)到設(shè)定值時(shí)，即進(jìn)行反沖洗過(guò)程，這樣可以對(duì)每格濾池出水濁度進(jìn)行精確控制，以滿(mǎn)足出廠水濁度的要求。

反沖洗過(guò)程比較繁瑣，有一系列開(kāi)、關(guān)閥門(mén)，開(kāi)、關(guān)風(fēng)機(jī)，開(kāi)、關(guān)水泵的命令，大致過(guò)程如下：關(guān)進(jìn)水閥，停止進(jìn)水，水位下降至沖洗水位→關(guān)清水調(diào)節(jié)閥，停止出水→開(kāi)鼓風(fēng)機(jī)及相應(yīng)出口閥，準(zhǔn)備氣沖→開(kāi)氣沖閥，開(kāi)始沖洗，時(shí)間約2分鐘（可調(diào)）→開(kāi)沖洗水泵及相應(yīng)出口閥，準(zhǔn)備水沖→開(kāi)排水閥，準(zhǔn)備排水→開(kāi)水沖閥，在氣沖2分鐘后開(kāi)始?xì)馑旌蠜_洗，時(shí)間約4分鐘（可調(diào)）→關(guān)氣沖閥、停鼓風(fēng)機(jī)及關(guān)閉相應(yīng)出口閥，進(jìn)行水沖漂洗，時(shí)間約6分鐘（可調(diào)）→關(guān)水沖閥、關(guān)閉沖洗水管出口閥及停相應(yīng)沖洗泵，在漂洗6分鐘后停止水沖→關(guān)排水閥，待水位下降至排水槽以下時(shí)停止排水→開(kāi)氣沖閥管路上的排氣閥，排池內(nèi)空氣→開(kāi)進(jìn)水閥，開(kāi)始進(jìn)水，水位恢復(fù)上升→關(guān)排氣閥，在開(kāi)排氣閥5～10分鐘后→開(kāi)清水調(diào)節(jié)閥，先開(kāi)20～30%，然后約2～5分鐘后，根據(jù)設(shè)計(jì)過(guò)濾水位（即恒定過(guò)濾水位）或差壓信號(hào)（此信號(hào)代表要維持的恒定水位的參比基準(zhǔn)信號(hào)）調(diào)節(jié)清水閥開(kāi)度，逐步開(kāi)啟直到全開(kāi)→等待下輪反沖洗。

4 結(jié)束語(yǔ)

該水廠雖為擴(kuò)建工程，但新、老水廠的反沖洗水泵、鼓風(fēng)機(jī)并不共用，減少了自控程序的復(fù)雜性。新裝的反沖洗水泵共有3站，可以進(jìn)行反沖洗強(qiáng)度的調(diào)節(jié)，但業(yè)主要求每臺(tái)反沖洗水泵需設(shè)變頻器，在反沖洗過(guò)程中，可根據(jù)進(jìn)水水質(zhì)情況及反沖洗的進(jìn)程調(diào)節(jié)反沖洗水泵的頻率以調(diào)節(jié)沖洗強(qiáng)度，達(dá)到最佳的反沖洗效果。雖然濾池平時(shí)均為自控運(yùn)行狀態(tài)，但各設(shè)備均設(shè)有手動(dòng)控制，因反沖洗中的鼓風(fēng)機(jī)、水泵為多個(gè)濾格共用，因而單個(gè)濾格的手動(dòng)命令必須在鼓風(fēng)機(jī)、水泵控制命令中有所體現(xiàn)，避免出現(xiàn)濾格切換到手動(dòng)后，鼓風(fēng)機(jī)或水泵仍處于運(yùn)行狀態(tài)，導(dǎo)致事故發(fā)生。因?yàn)V池是整個(gè)凈水廠工藝過(guò)程中最重要、最復(fù)雜的環(huán)節(jié)，要求自控系統(tǒng)承包量編程時(shí)，對(duì)開(kāi)、關(guān)閥門(mén)的條件必須嚴(yán)格限制，避免錯(cuò)誤的、不適時(shí)機(jī)的開(kāi)、關(guān)閥門(mén)命令。設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中的故障、報(bào)警等更需要特別處理。上位機(jī)編程時(shí)要注意上、下位機(jī)結(jié)合，彌補(bǔ)PLC功能的一些不足，才能夠達(dá)到更好的控制效果。

[1]中國(guó)市政工程中南設(shè)計(jì)研究院主編.給水排水設(shè)計(jì)手冊(cè)第8冊(cè)電氣與自控（第二版）[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2002.

[2]GB50013-2006，室外給水設(shè)計(jì)規(guī)范[S].