自動化控制系統(tǒng)在自來水廠節(jié)能降耗中的應用探討

柴文軍

（大慶油田水務公司中引水廠，黑龍江 大慶 163000）

某自來水廠處理規(guī)模為每天20萬m3，采用江水作為水源，為了達到節(jié)能降耗的要求，需要對水廠處理系統(tǒng)進行自動化設計。水廠的處理工藝是從取水泵房抽取江水后，進行加藥、加氯處理，之后把水引入到反應池、平流沉淀池、V型濾池，再進行后加氯處理，再把水引入到清水池進行補氯，之后經(jīng)過輸水管線為用戶提供自來水。該水廠的主要能耗有用電、加藥量和氯氣等，為了減少對能源的消耗，需要對水廠處理工藝進行節(jié)能調(diào)整，從而達到節(jié)能降耗的目的。

1 自來水廠自動控制系統(tǒng)概述

當前，水廠的自動化控制系統(tǒng)主要有開環(huán)和閉環(huán)兩種控制方式，開環(huán)控制也被稱為順序控制，是由數(shù)據(jù)采集裝置和執(zhí)行元件等構成的，多用于化工生產(chǎn)和機械制造領域。閉環(huán)控制系統(tǒng)也就是反饋控制系統(tǒng)，對控制輸出量與期望值進行比較從而獲取到偏差，從而進一步修正控制輸出達到設定值。從給定信號角度來看，自動控制系統(tǒng)中有程序控制系統(tǒng)、隨動控制系統(tǒng)和恒值控制系統(tǒng)。隨著自動化技術的不斷發(fā)展，控制水平和應用范圍變得越來越廣泛。自來水廠擔負著為城市供水的任務，隨著人們對自來水質(zhì)和供應穩(wěn)定性方面需求的不斷提升，很多自來水廠都對生產(chǎn)工藝進行了調(diào)整和改造，引進了先進的水質(zhì)深度處理技術，可以采用信息化的手段實現(xiàn)供水控制，對供水壓力進行實時監(jiān)測。自來水廠控制環(huán)節(jié)有取水、自來水制備和加入處理藥劑，混凝處理，沉淀和送水等多個環(huán)節(jié)，采用先進的控制技術可以實現(xiàn)制水工藝的管理。自來水廠采用PLC作為控制核心，采用多個層級的設計結構，實現(xiàn)對水廠處理工藝的節(jié)能控制，配備穩(wěn)定的電源系統(tǒng)和模擬量輸入輸出模塊，組建起完整的多層級DCS控制系統(tǒng)，上位機采用人機交互性能良好的觸屏，工作人員可以根據(jù)生產(chǎn)配方輸入運行參數(shù)，控制系統(tǒng)可以根據(jù)生產(chǎn)要求進行控制。還可以生產(chǎn)設備進行監(jiān)控，及時上傳運行信息，對故障進行報警。

2 取水泵站自動化控制系統(tǒng)設計

取水泵站設計有4臺水泵用于從江中抽水，2臺變頻泵，另2臺為定速泵，采用3用1備的工作方式，是消耗電能最多的單位。為了減少對電能的消耗，把水泵劃分變頻和定速兩個不同的組別。每次抽水時運行一臺變頻器，當運行時間完成后自動切換到另一臺水泵機組，控制系統(tǒng)會依據(jù)清水池液位情況增減水泵數(shù)量。

2.1 變頻泵的控制頻率設定

變頻泵的運行頻率會依據(jù)清水池液位情況進行調(diào)節(jié)，PLC控制系統(tǒng)會實時對變頻泵運行頻率進行控制。變頻泵運行頻率需要處于最大、最小值的區(qū)間內(nèi)，頻率的限定值需要在人機界面中進行設置。PLC控制系統(tǒng)會存儲停止工作時的運行頻率，可以保證變頻泵再次啟動后保持原來頻率。PLC控制器會及時采集清水池的液位數(shù)據(jù)，從而計算出清水池液位趨勢，當定水池設定的標準液位超過清水池實際液位，需在每分鐘內(nèi)提高2Hz運行頻率，反之則減少2Hz運行頻率。

2.2 定速泵啟動數(shù)量

定速泵運行數(shù)量需要依據(jù)變頻泵工作頻率來確定，為了合理地選擇定速泵數(shù)量，需要設置兩個限定值。限定值1，用于啟動1臺定速泵情況下的變頻泵運行頻率。限定值2，用于停止一臺定速泵狀態(tài)下的變頻泵頻率。需要啟動定速泵時，如果變頻泵運行頻率不小于限定值1時，需要保證有一臺定速泵可以用于啟動。如果需要停止定速泵，當變頻泵頻率小于限定值2時，應該保證1臺定速泵處于運行狀態(tài)，方可以關閉定速泵。

3 加藥加氯系統(tǒng)自動化控制系統(tǒng)設計

3.1 加藥控制系統(tǒng)

加藥控制系統(tǒng)主要用于對聚合氯化鋁藥劑的消耗情況進行控制，從而可以達到節(jié)能降耗的目的，需要對氯化鋁投入數(shù)量進行準確的控制。某水廠內(nèi)有3臺加藥計量泵，運行速度可以通過PLC控制系統(tǒng)進行運算處理后，經(jīng)過通信端口進行速度設定。加藥計量泵運行速度需要依據(jù)額定的投入數(shù)量、計量泵的手動沖程、氯化鋁濃度進行確定，需要根據(jù)配方參數(shù)進行計算。氯化鋁的投入數(shù)量需要工作人員在人機界面的對話框中輸入，沉淀池進水流量需要通過PLC控制器進行計算，求取10秒內(nèi)來水流量數(shù)據(jù)平均值。當氯化鋁投加的濃度、原藥濃度和計量泵沖程確定后，則投藥計量泵運行頻率與沉淀池進水流量呈現(xiàn)出正比關系，為了保證達到理想的節(jié)能效果，需要依據(jù)不同的水濁度數(shù)值對投加比進行及時調(diào)整。

3.2 加氯消毒站控制程序設計

某水廠的加氯系統(tǒng)是由壓力水供給系統(tǒng)、氣源系統(tǒng)和真空加氯系統(tǒng)構成。為了實現(xiàn)對加氯狀態(tài)的監(jiān)測，需要在加氯機設備中引出運行信號到PLC控制系統(tǒng)中。

前加氯機主要是為了避免藻類以及膠體產(chǎn)生的破壞，前加氯可以根據(jù)水流量進行設定比例的投加。加氯機的開度由水流量、加入量確定。設計為2臺加氯機，采取一備一用的設計方式，如果加氯機出現(xiàn)運行故障，人機界面上會進行報警，并立即啟動另一臺加氯設備。

后加氯是為了保證出水廠具備足夠的氯含量，可以對清水池和出水管道進行消毒。加氯機的開度是由余氯控制量、流量控制量之和決定的。水流量控制量是過濾之后的水流量和投加量的乘積，余氯控制量需要依據(jù)過濾后余氯情況進行調(diào)整，范圍控制在主流量的5%左右。如果余氯比設定的數(shù)據(jù)高時，每分鐘內(nèi)余氯量可以減少0.2kg，當小于設定值時，每分鐘余氯量提高0.2kg，可以在人機界面中進行設定。

4 沉淀池排污系統(tǒng)自動控制系統(tǒng)設計

沉淀池排泥系統(tǒng)由排泥車、排泥閥等構成的，需要在排泥操作時進行合理的排水，避免造成水源的浪費。

4.1 沉淀池排泥閥控制

沉淀池應該根據(jù)需要設定排泥周期，每個排泥閥開關時間可以自動控制。通過對原水水質(zhì)進行監(jiān)測，從而確定出合理的排泥周期，減少排泥所需時間。每個排泥閥開關時間可以根據(jù)實際工作情況進行設定，結合平流沉淀池特點，設置好每個閥門的開關時間。污泥較多的部位需要較多的排泥時間，污泥少的部位需要設置的排泥時間相對短一些。每個排泥時間的設置可以有效地減少用不量，不會對加藥效果造成影響。

4.2 排泥車控制

沉淀池長度較大，需要根據(jù)沉泥規(guī)律控制好進、出水，池底部污泥厚度需要按從多到少的規(guī)律進行控制，為了使排泥車達到理想的效果，不會對水資源造成浪費，排泥車可采用變頻調(diào)速電機，在沉淀池進水部位低速運行，在出水部位需要高速運行?；蛘卟捎枚ㄋ匐姍C，在沉淀池進水部位行走全程的30%，再后退到沉淀池進水部位，保證從進水部位排出污泥到出水端，然后空車返回到原處。

5 送水泵自動化控制系統(tǒng)設計

送水泵房設置有4臺清水泵，為2臺變頻調(diào)速電泵和2臺定速水泵構成，采用3用1備的方式。每次水泵啟動都需要1臺變頻器，變頻水泵運行時間完成后，自動控制系統(tǒng)可以切換另一臺變頻水泵。運行水泵頻率需要根據(jù)出水壓力數(shù)值進行調(diào)節(jié)，定速泵啟動需要依據(jù)運行頻率決定運行數(shù)量。

5.1 加壓變頻泵頻率調(diào)節(jié)

加壓變頻泵運行頻率需要根據(jù)自動控制系統(tǒng)采集到出水壓力，通過PID參數(shù)進行調(diào)節(jié)。PLC控制器會根據(jù)運行壓力實時調(diào)整變頻水泵運行頻率。如果出水管道壓力低于設定值，需要逐漸提高變頻水泵運行頻率。如果出水供水系統(tǒng)高于設定值，需要適當減少水泵運行頻率。

5.2 定速泵啟動數(shù)量

定速水泵的運行數(shù)量需要由變頻水泵運行頻率確定，為了實現(xiàn)對定速泵運行數(shù)量進行控制，需要確定兩個限定值，一個限定值在增加定速泵運行數(shù)量時設定好變頻水泵運行頻率，另一個限定值是當停止一臺定速水泵時變頻水泵運行頻率。如果變頻水泵運行頻率超過限定值1時，應該保證最少1臺定速泵運行。當變頻水泵運行頻率小于限定值2時，需要保證至少一臺定速泵處于停止狀態(tài)。

6 結語

綜上所述，自來水廠自動控制系統(tǒng)的應用，可以提高生產(chǎn)效率，減少對電能、藥劑的消耗，減少工作人員的勞動強度，提高水廠的管理水平，會給企業(yè)創(chuàng)造更多的經(jīng)濟效益，值得大范圍推廣應用。