自動化控制系統(tǒng)在自來水廠節(jié)能降耗中的應(yīng)用

摘要：近年來，城市供水問題日益嚴(yán)峻，自來水廠的建設(shè)也不斷加快，各種控制設(shè)備相繼得到應(yīng)用。隨著自動化水平的不斷提高及其在社會各個(gè)方面的應(yīng)用越來越廣泛，PLC自動控制系統(tǒng)在自來水廠也發(fā)揮了其強(qiáng)大的優(yōu)勢。文章結(jié)合廣東省佛山市順德區(qū)樂從水廠自控系統(tǒng)具體工程實(shí)例，介紹了自動控制系統(tǒng)如何實(shí)現(xiàn)自來水廠節(jié)能降耗情況。

關(guān)鍵詞：自來水廠；節(jié)能降耗；自動化控制系統(tǒng)；加藥加氯；智能排泥；恒壓供水 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TP393 文章編號：1009-2374（2015）14-0099-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.14.049

樂從自來水廠自動化工程位于廣東省佛山市順德區(qū)，樂從水廠建設(shè)規(guī)模為20萬m3/d，水廠采用北江水源，為保證水廠能達(dá)到節(jié)能降耗，要求我公司對其水廠進(jìn)行自動化控制設(shè)計(jì)。

水廠工藝：取水泵房→加藥、前加氯→反應(yīng)池→平流沉淀池→V型濾池→后加氯→清水池→補(bǔ)氯→輸水管網(wǎng)→用戶。

水廠主要的能源消耗包括電量、水量、加藥量及消毒氯氣消耗量等，為更好地控制能源的消耗，必須對水廠各工藝進(jìn)行相應(yīng)的節(jié)能控制。

1 取水泵站自動化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

取水泵站一共有4臺取水泵（其中2臺變頻泵及2臺定速泵，3用1備），主要為整個(gè)水廠進(jìn)行原水的供應(yīng)，是電量的主要消耗站之一，也是水廠控制電量的關(guān)鍵部位。為保證最大限度降低電耗，需把水泵分為兩個(gè)組：運(yùn)行的變頻泵設(shè)定為變頻泵組，另一臺變頻泵及定速泵設(shè)定為定速組。每次運(yùn)行均至少開啟一臺變頻器，當(dāng)運(yùn)行變頻泵設(shè)定時(shí)間到時(shí)，且另一變頻泵不運(yùn)行時(shí)，將自動切換至另一變頻泵。自控系統(tǒng)將根據(jù)清水池水位增減相應(yīng)的水泵。

1.1 取水變頻泵的頻率調(diào)整

原水變頻泵的頻率將根據(jù)清水池水位設(shè)定值調(diào)整。PLC不斷調(diào)整變頻泵的頻率。變頻泵的頻率及頻率閥值以百分比表示。原水變頻泵的運(yùn)行頻率要介于最小和最大頻率之間，頻率限定值在SCADA系統(tǒng)中設(shè)定。PLC記錄變頻泵停止前的頻率，以便于變頻泵再次啟動后保持之前的頻率。

1.1.1 增加變頻泵頻率。PLC連續(xù)每分鐘采集清水池水位，計(jì)算清水池水位差Q趨勢（液位以厘米計(jì)算）。

Q=Lnow[當(dāng)前值]-Ltime[一分鐘前值]

如果下面條件滿足則增加變頻泵頻率：

設(shè)定清水池標(biāo)準(zhǔn)液位（Lset）>清水池水位，且Q<0，則每分鐘增加變頻泵頻率2Hz。

1.1.2 減少變頻泵頻率。如果下面條件滿足則減少變頻泵頻率：

設(shè)定清水池標(biāo)準(zhǔn)液位（Lset）<清水池水位LIT401A，且Q>0，則每分鐘減少變頻泵頻率2Hz。

1.2 定速泵的啟動數(shù)量

定速泵的啟動數(shù)量由變頻泵的運(yùn)行頻率決定，為了更好地控制定速泵的數(shù)量，需要定義兩個(gè)限定值：

限定值1：啟動一臺定速泵時(shí)變頻泵頻率

限定值2：停止一臺定速泵時(shí)變頻泵頻率

啟動一臺原水定速泵，當(dāng)變頻泵的頻率高于等于限定值1（例如48.5Hz）并且至少有一臺定速泵可用時(shí)啟動一臺定速泵。

停止一臺原水定速泵，當(dāng)變頻泵的頻率低于限定值2（例如35Hz）并且至少有一臺定速泵運(yùn)行時(shí)停止一臺定速泵。

2 加藥加氯系統(tǒng)自動化控制設(shè)計(jì)

2.1 加藥系統(tǒng)

加藥系統(tǒng)主要節(jié)能控制點(diǎn)在于控制藥耗。水廠加藥系統(tǒng)主要用于控制聚合氯化鋁的投加，為保證系統(tǒng)的節(jié)能降耗，主要控制在于精確計(jì)算氯化鋁的投加量。樂從水廠設(shè)計(jì)3臺加藥計(jì)量泵，計(jì)量泵的速度需通過PLC計(jì)算并直接通過通信進(jìn)行速度控制給定。

聚合氯化鋁投加泵的速度設(shè)定由PLC按照以下因素計(jì)算而來：聚合氯化鋁投加泵的額定投加流量，單位：L/h；聚合氯化鋁投加泵的手動沖程，單位：%，由操作員錄入；聚合氯化鋁的濃度，單位：g/L，由配藥完成后系統(tǒng)自動計(jì)算；聚合氯化鋁的投加量，單位：mg/L，由操作員錄入；沉淀池進(jìn)水流量，單位：m3/h，由PLC計(jì)算，取原水流量計(jì)連續(xù)10s的平均值。

如果投加濃度、原藥濃度、泵的沖程固定，那么投加泵的頻率和沉淀池進(jìn)水流量之間是線性關(guān)系。為保證節(jié)能效果，設(shè)計(jì)時(shí)將根據(jù)不同的原水濁度進(jìn)行投加比例的動態(tài)調(diào)節(jié)。

如圖1所示：

圖1

根據(jù)上面列出的工藝參數(shù)，投加泵電機(jī)的頻率計(jì)算公式如下：

2.2 加氯消毒站程序設(shè)計(jì)

整個(gè)水廠的加氯系統(tǒng)由氣源系統(tǒng)，真空加氯系統(tǒng)，壓力水供應(yīng)系統(tǒng)，電氣、控制檢測儀表系統(tǒng)，氯氣泄漏檢測及安全防護(hù)系統(tǒng)組成。

為了掌握加氯是否處在手動或自動加氯狀態(tài)，在加氯機(jī)中引出了加氯機(jī)的手動/自動選擇信號。

2.2.1 前加氯控制設(shè)計(jì)。

前加氯機(jī)的控制方式：

前加氯的作用主要是防止藻類和破壞膠體，所以前加氯一般根據(jù)原水流量按比例投加：

加氯機(jī)開度控制=源水流量（m3/h）*投加量（kg/km3）/1000

本工程共設(shè)置兩臺前加氯機(jī)，一用一備。當(dāng)使用加氯機(jī)故障時(shí)，在SCADA上發(fā)出警報(bào)，并自動切換至另一臺備用前加氯機(jī)，

2.2.2 后加氯控制設(shè)計(jì)。

后加氯主要作用是保證出廠水中余氯含量，起到清水池及出廠水管道消毒作用?？刂品绞饺缦拢?/p>

加氯機(jī)開度控制=流量主控制量+余氯控制量

流量主控制量=濾后水流量或源水流量（m3/h）*投加量（kg/km3）/1000

余氯控制量根據(jù)濾后水余氯高低進(jìn)行控制，控制范圍規(guī)定在流量主控制量的±5%。

當(dāng)余氯高于SCADA中設(shè)定的余氯值時(shí)，每分鐘余氯控制量-0.2kg（可以SCADA中設(shè)置）

當(dāng)余氯低于SCADA中設(shè)定的余氯值時(shí)，每分鐘余氯控制量+0.2kg（可以SCADA中設(shè)置）

本工程共設(shè)置2臺前加氯機(jī)，一用一備。當(dāng)使用加氯機(jī)故障時(shí)，在SCADA上發(fā)出警報(bào)，并自動切換至另一臺備用前加氯機(jī)。

3 沉淀池排泥系統(tǒng)自動化控制設(shè)計(jì)

沉淀池排泥系統(tǒng)主要由排泥閥、排泥車組成。該環(huán)節(jié)的節(jié)能控制關(guān)鍵點(diǎn)在于排泥過程中合理排水，在污泥排放時(shí)盡量減少不必要的排水。

3.1 沉淀池排泥閥控制

沉淀池排泥閥周期性排泥：排泥周期可設(shè)定；各排泥閥開閥時(shí)間可設(shè)定。

排泥周期可設(shè)定：用戶可根據(jù)原水水質(zhì)進(jìn)行排泥周期的設(shè)定，合理減少排泥時(shí)間。

各排泥閥開閥時(shí)間可設(shè)定：用戶可根據(jù)平流沉淀池的具體特性，設(shè)置各閥門的相應(yīng)開啟時(shí)間。泥多的位置可以設(shè)置排泥時(shí)間大些，泥少的位置可設(shè)置排泥時(shí)間小些。兩種排泥時(shí)間設(shè)置可充分節(jié)約用水，不影響加藥效果。

3.2 排泥車控制

沉淀池排泥車的過程控制：由于沉淀池長度約100m，長度較長，而按照沉淀池的沉泥規(guī)律，從沉淀池的進(jìn)水到出水，池底所沉積的泥厚度按從多到小逐步遞減的規(guī)律進(jìn)行，因此，為了達(dá)到排泥車的排泥效果而又減小不必要的排水浪費(fèi)，排泥車的行走電機(jī)可采用變速電機(jī)，在沉淀池的進(jìn)水端采取慢速行走，而在沉淀池的出水端采取快速行走，或排泥車的行走電機(jī)為定速電機(jī)，排泥車從沉淀池的進(jìn)水端前行全程1/3，后退至沉淀池進(jìn)水端，再從進(jìn)水端排泥至出水端，空車返回。

4 送水泵站自動化控制設(shè)計(jì)

送水泵房一共有4臺清水泵，分別為2臺變頻泵及2臺定速泵組成。正常使用時(shí)為3用1備。

每次運(yùn)行均至少開啟一臺變頻器，當(dāng)運(yùn)行變頻泵設(shè)定時(shí)間到時(shí)，且另一變頻泵不運(yùn)行時(shí)，將自動切換至另一變頻泵。系統(tǒng)分為兩個(gè)組：運(yùn)行的變頻泵設(shè)定為變頻泵組P401A/C，定速泵P401B/D設(shè)定為定速組。

運(yùn)行的變頻泵的頻率根據(jù)出廠水壓力設(shè)定值調(diào)整。定速泵啟動的個(gè)數(shù)根據(jù)變頻泵的頻率決定啟動臺數(shù)。

4.1 加壓變頻泵的頻率調(diào)整

加壓變頻泵的頻率根據(jù)SCADA設(shè)置的壓力值進(jìn)行PID恒壓控制，PLC不斷調(diào)整變頻泵的頻率。變頻泵的頻率及頻率閥值以Hz表示。

4.2 增加變頻泵頻率

變頻泵頻率由用戶設(shè)定壓力值及實(shí)際管道壓力計(jì)決定。PLC通過PID運(yùn)算調(diào)整變頻泵頻率，當(dāng)管道壓力小于用戶設(shè)定壓力時(shí)，變頻泵頻率將增加。

4.3 減少變頻泵頻率

PLC通過PID運(yùn)算調(diào)整變頻泵頻率，當(dāng)管道壓力大于用戶設(shè)定壓力時(shí)，變頻泵頻率將減少。

4.4 定速泵的啟動數(shù)量

定速泵的啟動數(shù)量由變頻泵的運(yùn)行頻率決定。

為了更好的控制定速泵的數(shù)量，需要定義兩個(gè)限

定值：

限定值1：增加一臺定速泵時(shí)變頻泵頻率

限定值2：停止一臺定速泵時(shí)變頻泵頻率

4.5 啟動一臺送水定速泵

當(dāng)變頻泵的頻率高于等于限定值1（例如48.5Hz）并且至少有一臺定速泵可用時(shí)啟動一臺定速泵。

4.6 停止一臺送水定速泵

當(dāng)變頻泵的頻率低于限定值2（例如35Hz）并且至少有一臺定速泵運(yùn)行時(shí)停止一臺定速泵。

5 結(jié)語

總而言之，PLC自控系統(tǒng)在自來水生產(chǎn)中的應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)自動化生產(chǎn)、降低藥耗和能耗，減輕工人勞動強(qiáng)度、減少了員工數(shù)量，同時(shí)還能提高管理水平和水質(zhì)，給企業(yè)創(chuàng)造了很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，因此，該技術(shù)在自來水廠中具有很好的推廣前景。

參考文獻(xiàn)

[1] 林潔.PLC控制在水廠自動化控制中的運(yùn)用[J].科技風(fēng)，2011，（8）.

[2] 李友善.自動化控制原理（上冊）[M].北京：國防工業(yè)出版社，1994.

作者簡介：容得宇，廣東佛山市順德科力給排水工程發(fā)展有限公司開發(fā)部經(jīng)理，信息系統(tǒng)項(xiàng)目管理師高級職稱，一級注冊建造師，研究方向：凈水廠、污水處理廠相關(guān)電氣、自動化監(jiān)控、工藝、儀表；西門子、美國AB、施耐德等多家PLC編程、網(wǎng)絡(luò)及監(jiān)控組態(tài)等軟件。

（責(zé)任編輯：秦遜玉）