智能數(shù)字計(jì)量泵在次氯酸鈉消毒系統(tǒng)中的應(yīng)用

馬寶圓

（天津塘沽中法供水有限公司，天津 300450）

消毒工藝在自來(lái)水處理工藝中具有非常重要的作用，目前所使用的消毒劑中氯氣最為經(jīng)濟(jì)，但是氯氣在運(yùn)輸、存儲(chǔ)、使用上存在不安全問(wèn)題，在綜合考慮生產(chǎn)能力、現(xiàn)有設(shè)施設(shè)備情況、水質(zhì)要求及制水成本等因素后，選取制水安全性較高、設(shè)備投加簡(jiǎn)單、持續(xù)消毒效果好的次氯酸鈉替代氯氣進(jìn)行消毒[1]。2016年7月，該自來(lái)水廠已將消毒藥劑由氯氣替換為濃度為10%的次氯酸鈉溶液，并建成了次氯酸鈉消毒系統(tǒng)，該系統(tǒng)按照流量比例的投加方式通過(guò)控制隔膜計(jì)量泵來(lái)自動(dòng)調(diào)節(jié)加藥量。由于該水廠供水區(qū)域內(nèi)工業(yè)水占比較多，供水量晝夜變化較大。因此，次氯酸鈉夜間最小目標(biāo)投加量需調(diào)小至12 L/h，而日間最大目標(biāo)投加量又需增大到60 L/h。運(yùn)行2 a多來(lái)，現(xiàn)有消毒系統(tǒng)在使用過(guò)程中出現(xiàn)了系統(tǒng)維護(hù)頻繁、投加量不穩(wěn)定、投加精度不高、投加量響應(yīng)時(shí)間滯后等問(wèn)題。該水廠希望在原有工藝條件保持不變的情況下，通過(guò)設(shè)備更新或優(yōu)化系統(tǒng)控制方式來(lái)解決上述問(wèn)題。經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)研，在綜合考慮投資成本、安全生產(chǎn)、與原有系統(tǒng)是否兼容等因素后，于2019年6月對(duì)該消毒系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化。

1 次氯酸鈉消毒系統(tǒng)及智能數(shù)字計(jì)量泵概況

1.1 次氯酸鈉消毒系統(tǒng)概況

該水廠現(xiàn)有次氯酸鈉消毒系統(tǒng)電氣及設(shè)備部分主要包括配電系統(tǒng)、PLC（可編程邏輯控制器）控制系統(tǒng)、隔膜計(jì)量泵、流量計(jì)、變頻器、電動(dòng)閥、提升泵、液位計(jì)、液位開(kāi)關(guān)等，采用流量比例的控制方式對(duì)藥劑投加量進(jìn)行調(diào)節(jié)[2]，但在實(shí)際使用過(guò)程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)以下三方面的問(wèn)題。

1.1.1 調(diào)節(jié)比范圍小

現(xiàn)有2種規(guī)格隔膜計(jì)量泵互為階梯泵使用，大泵量程為80 L/h，投加量的有效調(diào)節(jié)范圍為16～80 L/h；小泵量程為30 L/h，投加量的有效調(diào)節(jié)范圍為6～30 L/h。當(dāng)藥劑的目標(biāo)投加量變化較大時(shí)，需調(diào)節(jié)隔膜計(jì)量泵沖程或使用階梯泵才能讓實(shí)際投加量滿足要求，若調(diào)整不及時(shí)，則很容易導(dǎo)致出廠水余氯值波動(dòng)。

1.1.2 實(shí)際投加量不穩(wěn)定

現(xiàn)有消毒系統(tǒng)的排氣裝置只能排出儲(chǔ)藥罐和消毒管路內(nèi)較大的氣泡，對(duì)于次氯酸鈉溶液自身分解所產(chǎn)生的小氣泡并不能完全排出，藥劑投加過(guò)程中小氣泡會(huì)在管路中逐漸聚集，導(dǎo)致藥劑的瞬時(shí)流量產(chǎn)生波動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)產(chǎn)生氣阻，影響了藥劑投加的穩(wěn)定性。

1.1.3 實(shí)際加藥量響應(yīng)時(shí)間滯后

現(xiàn)有消毒系統(tǒng)是通過(guò)變頻器來(lái)控制隔膜計(jì)量泵，從而實(shí)現(xiàn)投加量的自動(dòng)調(diào)節(jié)。但是，當(dāng)原水流量發(fā)生變化時(shí)，實(shí)際投加量需要一定的時(shí)間才能調(diào)整到與目標(biāo)值相同。

1.2 智能數(shù)字計(jì)量泵概況

鑒于以上情況，為了能更好地控制出廠余氯，該水廠根據(jù)實(shí)際工況配置了一臺(tái)智能數(shù)字計(jì)量泵來(lái)替代原有的隔膜計(jì)量泵，該泵的特點(diǎn)記述如下（以所選規(guī)格為例）。

1.2.1 調(diào)節(jié)比范圍

該規(guī)格智能數(shù)字計(jì)量泵的調(diào)節(jié)比為1∶1 000，故加藥的有效調(diào)節(jié)范圍能夠控制在0.2～200 L/h。

1.2.2 自動(dòng)排氣

當(dāng)次氯酸鈉消毒系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，一旦泵出口檢測(cè)不到藥劑時(shí)，排氣閥會(huì)自動(dòng)打開(kāi)進(jìn)行排氣。當(dāng)排氣完成后，閥門會(huì)自動(dòng)關(guān)閉繼續(xù)進(jìn)行藥劑的投加。

1.2.3 加藥量控制

自帶流量控制模塊，可省去變頻器和加藥流量計(jì)，直接對(duì)數(shù)字泵的加藥量進(jìn)行控制及跟蹤。

2 優(yōu)化前后次氯酸鈉消毒系統(tǒng)使用情況比較

2.1 投加設(shè)備

優(yōu)化前，該消毒系統(tǒng)通過(guò)隔膜計(jì)量泵、流量計(jì)、變頻器來(lái)控制次氯酸鈉的自動(dòng)投加。設(shè)備的購(gòu)置及維護(hù)成本高，影響投加精度的因素較多（當(dāng)以上3種設(shè)備其中之一出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)都會(huì)導(dǎo)致投藥的準(zhǔn)確度下降），缺少故障自檢、保護(hù)及提示功能，手動(dòng)操作時(shí)較為繁瑣。

優(yōu)化后，僅需要配置智能數(shù)字計(jì)量泵即可實(shí)現(xiàn)次氯酸鈉的自動(dòng)投加。設(shè)備的購(gòu)置及維護(hù)成本有了一定程度下降，同時(shí)更加簡(jiǎn)單易用，維護(hù)頻率降低，增加了故障停機(jī)、過(guò)（欠）壓報(bào)警等功能，有效保障了泵組的安全運(yùn)行。

2.2 PLC控制模式

該消毒系統(tǒng)使用施耐德M340系列PLC，同時(shí)利用Unity Pro V11.0編程平臺(tái)進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。

優(yōu)化前，次氯酸鈉消毒系統(tǒng)在自動(dòng)運(yùn)行的情況下，通過(guò)變頻器的頻率變化來(lái)控制隔膜計(jì)量泵，從而間接達(dá)到調(diào)整實(shí)際投加量的目的。該過(guò)程由PLC內(nèi)部的PID模塊來(lái)完成。此控制模式下，程序的編寫較為復(fù)雜且需要設(shè)定的參數(shù)較多，包括次氯酸鈉單耗AF1_RA、PID的手動(dòng)輸出值out_man、比例增益kp、積分時(shí)間ti、微分時(shí)間td、采樣周期ts、頻率輸出上限out_max、頻率輸出下限out_min、沖擊模式選擇no_bump，PLC輸出的信號(hào)與實(shí)際投加量之間是非線性關(guān)系[3]。

優(yōu)化前程序段如下：

chl_pid_para2[1]：=5000；（*out_man*）

chl_pid_para2[2]：=900；（*kp*）

chl_pid_para2[3]：=200；（*ti*）

chl_pid_para2[4]：=0；（*td*）

chl_pid_para2[5]：=200；（*ts*）

chl_pid_para2[6]：=10000；（*out_max*）

chl_pid_para2[7]：=1000；（*out_min*）

set（chl_pid_para2[8].4）；（*no_bump*）

NEW_LL_real：=int_to_real（NEW_LL）/50.0；

NEW_LL_int：=real_to_int（NEW_LL_real）；

LL_real：=int_to_real（LL）/1000.0；

AF1_RA_real：=int_to_real（AF1_RA）/100.0；

AF1：=real_to_int（LL_real*AF1_RA_real）；

chl_pid_para2[0]：=AF1；

B2：=NEW_AT；

pid_int（'chl'，'hz'，NEW_LL_int，b2，chl_pid_pa?ra2，AF1_AO）。

優(yōu)化后，通過(guò)PLC模擬量輸出模塊將程序計(jì)算的目標(biāo)投加量轉(zhuǎn)換成直流4～20 mA的電流信號(hào)后，傳送給智能數(shù)字計(jì)量泵，這樣便達(dá)到了按流量比例調(diào)整實(shí)際投加量的目的。使用這種控制方式，程序的編寫較為簡(jiǎn)單并且僅需設(shè)定次氯酸鈉單耗這一個(gè)參數(shù)即可，同時(shí)PLC輸出的信號(hào)與實(shí)際投加量之間是一對(duì)一的線性關(guān)系。

優(yōu)化后程序段如下：

LL_smooth_int：=LL/100；

LL_smooth_real：=int_to_real（LL3）；

AF3_RA_real：=int_to_real（AF1_RA）/100.0；

digital_pump_LL_ck：=real_to_int（LL_smooth_re?al*AF1_RA_real）；

if digital_pump_select then digital_pump_LL_set：=digital_pump_LL_yk*50；

else digital_pump_LL_set：=digital_pump_LL_ck*50；end_if。

2.3 投加量穩(wěn)定性

優(yōu)化前投加量的精度為4 L/h，時(shí)常會(huì)出現(xiàn)瞬間峰值，實(shí)際加藥量響應(yīng)時(shí)間約有3 min的滯后。

優(yōu)化后投加量的精度可控制在1 L/h，瞬間峰值已完全消除，實(shí)際投加量可同步調(diào)整到與目標(biāo)投加量相同，徹底解決了實(shí)際投加量響應(yīng)時(shí)間滯后的問(wèn)題。

2.4 出廠余氯

優(yōu)化前在12 h的時(shí)間段內(nèi)，該水廠出廠水余氯最小值為0.94 mg/L，最大值為1.33 mg/L，波動(dòng)范圍是0.39 mg/L。

優(yōu)化后在12 h的時(shí)間段內(nèi)，該水廠出廠水余氯最小值為1.06 mg/L，最大值為1.23 mg/L，波動(dòng)范圍是0.17 mg/L。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)更換智能數(shù)字泵對(duì)次氯酸鈉消毒系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，不但容易實(shí)現(xiàn)，且投入成本低。優(yōu)化后，相關(guān)設(shè)備故障率明顯降低，工作人員不再需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行人為干預(yù)。在保證了出廠水余氯穩(wěn)定的同時(shí)，降低了系統(tǒng)運(yùn)行成本，提高了生產(chǎn)的安全性，有利于在同行業(yè)次氯酸鈉消毒系統(tǒng)項(xiàng)目中進(jìn)行推廣。