基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的次氯酸鈉自動(dòng)投加探析

嚴(yán)菲菲 劉春艷

重慶遠(yuǎn)通電子技術(shù)開發(fā)有限公司 重慶 400060

1 背景

原某水廠加氯采用傳統(tǒng)液氯消毒方式，但液氯有劇烈刺激作用、腐蝕性和劇毒，屬于第二類危險(xiǎn)化學(xué)品，在運(yùn)輸和使用過程中存在諸多安全隱患。目前國內(nèi)各地供水企業(yè)普遍改用次氯酸鈉消毒，次氯酸鈉揮發(fā)性低，腐蝕行小，消毒效果與液氯相當(dāng)，采用次氯酸鈉消毒，可以提高水廠消毒系統(tǒng)的安全性，基本消除了液氯消毒系統(tǒng)在消毒劑運(yùn)輸以及使用過程中對(duì)水廠本身及周邊環(huán)境造成的安全隱患。各供水企業(yè)不斷在基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯、專家系統(tǒng)等控制或?qū)追N方法融合的集成智能控制方法中試圖找到適合自己工況的最優(yōu)控制方法[1]。

2 項(xiàng)目研究及方法

2.1 研究現(xiàn)狀

2.1.1 某水廠制水工藝現(xiàn)狀

圖1 某水廠工藝流程圖

某水廠先行制水工藝，依靠人工投加消毒和凈水劑，由于設(shè)備自動(dòng)化程度低、濾池年久、預(yù)沉沉淀容量有限、每個(gè)班組經(jīng)驗(yàn)差異化等原因，對(duì)出廠水的濁度、余氯穩(wěn)定性影響較大。

2.1.2 影響出廠余氯的主要影響因子

次氯酸鈉消毒殺菌最主要的作用方式是通過它的水解作用形成次氯酸，次氯酸再進(jìn)一步分解形成新生態(tài)氧[O]，新生態(tài)氧的極強(qiáng)氧化性使菌體和病毒的蛋白質(zhì)變性，從而使病原微生物致死。根據(jù)化學(xué)測定，次氯酸鈉的水解會(huì)受pH值的影響，當(dāng)pH超過9.5時(shí)就會(huì)不利于次氯酸的生成，而對(duì)于ppm級(jí)濃度的次氯酸鈉在水里幾乎是完全水解成次氯酸，其效率高于99.99%。其過程可用化學(xué)方程式簡單表示如下：NaClO+H2O＝HClO+NaOHHClO→HCl+[O]。次氯酸在殺菌、殺病毒過程中，不僅可作用于細(xì)胞壁、病毒外殼，而且因次氯酸分子小，不帶電荷，還可滲透入菌（病毒）體內(nèi)與菌（病毒）體蛋白、核酸和酶等發(fā)生氧化反應(yīng)或破壞其磷酸脫氫酶，使糖代謝失調(diào)而致細(xì)胞死亡，從而殺死病原微生物。R-NH-R+HClO→R2NCl+H2O（細(xì)菌蛋白質(zhì)）次氯酸鈉的濃度越高，殺菌作用越強(qiáng)[2]。

次氯酸鈉消毒的影響因子主要集中在以下幾個(gè)方面：

（1）清水池的進(jìn)水量。清水池的進(jìn)水量是對(duì)余氯反應(yīng)的重要因素之一，次氯酸鈉的投加量和余氯反饋值是非線性正比關(guān)系。

（2）清水池的水齡。清水池的水齡也是余氯反應(yīng)的重要因素之一，次氯酸鈉的投加量和清水池水齡是反比關(guān)系，水齡越大耗氯量越大，水齡越小耗氯量越小。

（3）水中堿性和還原性物質(zhì)數(shù)量。次氯酸鈉是弱酸強(qiáng)堿鹽，水中的堿性物質(zhì)或是具有還原性的物質(zhì)能與次氯酸反應(yīng)，而pH值就是反映原水的酸堿度指標(biāo)，NH4+、COD、TOC、BOD等則是反映這類還原性物質(zhì)的還原性指標(biāo)。所以水中堿性和還原性物質(zhì)存在書來個(gè)升高會(huì)增加次氯酸的耗量。

（4）次氯酸鈉溶液的有效氯含量。R-NH-R+HClO→R2NCl+H2O（細(xì)菌蛋白質(zhì)）次氯酸鈉的濃度越高，殺菌作用越強(qiáng)。同時(shí)，次氯酸產(chǎn)生出的氯離子還能顯著改變細(xì)菌和病毒體的滲透壓，使其細(xì)胞喪失活性而死亡。次氯酸鈉溶液有效氯越高耗氯量越低。

（5）濾池反沖水量。受某水廠反沖吸水井結(jié)構(gòu)體容量限制，在濾池反沖時(shí)，會(huì)造成清水池的水位下降，而次氯酸鈉新的投加點(diǎn)在人孔處，距離清水池入口較近，勢必對(duì)余氯反應(yīng)造成影響，反沖時(shí)間短水量小，影響較小，反沖時(shí)間長水量大，影響較大。但這個(gè)因子無法通過儀表或者算法來量化，待反沖結(jié)束后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)回歸正常，所以系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)暫不考慮反沖對(duì)余氯的影響。

2.2 研究內(nèi)容及方法

由應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)可知，前饋控制是以源水水質(zhì)及源水水量為變量，屬于開環(huán)控制。在利用前饋控制通道的數(shù)學(xué)模型，并假設(shè)系統(tǒng)是線性的，則可以通過傳遞函數(shù)來設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)前饋補(bǔ)償器，消除可測干擾對(duì)系統(tǒng)輸出的影響。但是對(duì)非線性的加氯過程來說，要建立精確的數(shù)學(xué)模型非常難，因此，常規(guī)前饋控制的數(shù)學(xué)模型難以滿足設(shè)計(jì)的要求。消毒投藥量的控制指標(biāo)為出水余氯，所以將其作為反饋信號(hào)。為解決這一問題，目前在水處理中應(yīng)用較多的是前饋和反饋相結(jié)合的復(fù)合控制模型。前饋與反饋相結(jié)合的控制模型則是將沉淀池出水獨(dú)度作為反饋信號(hào)來校正前饋給定量，以達(dá)到整個(gè)處理工藝設(shè)計(jì)要求，屬于閉環(huán)控制。

本項(xiàng)目結(jié)合以往絮凝劑投加系統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)，再利用計(jì)算機(jī)、儀器儀表、自動(dòng)控制、人工智能技術(shù)，重點(diǎn)研究和開發(fā)自動(dòng)加氯和自動(dòng)加藥的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和復(fù)合閉環(huán)控制策略，下文對(duì)研究方法逐一介紹。

2.2.1 自動(dòng)加氯研究方法

（1）儀表補(bǔ)遺。根據(jù)上文2.1.2提到針對(duì)加氯影響的幾個(gè)主要因子，對(duì)原水PH、溫度增加儀表采集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。鑒于某水廠管道老舊不利于施工，采用數(shù)學(xué)算法對(duì)清水池進(jìn)水量進(jìn)行測算。對(duì)加藥管路整改高精度流量計(jì)量，準(zhǔn)確實(shí)時(shí)計(jì)量次氯酸鈉的投加量。

（2）自動(dòng)化控制。一改原來的手動(dòng)調(diào)節(jié)方式，實(shí)現(xiàn)全面自動(dòng)化控制，自控系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場儀表數(shù)據(jù)，以及智能終端預(yù)測的投加量，自控系統(tǒng)調(diào)用控制算法計(jì)算輸出，輸出指令調(diào)控現(xiàn)場執(zhí)行器來控制次氯酸鈉的投加量。經(jīng)過一定的反應(yīng)時(shí)間根據(jù)當(dāng)前反饋余氯值與設(shè)置余氯目標(biāo)值偏差對(duì)比，進(jìn)行閉環(huán)控制再次調(diào)節(jié)次氯酸鈉投加量，控制框圖如下圖和關(guān)鍵算法如下：

圖2 余氯控制框圖

（3）樣本數(shù)據(jù)采集入庫。應(yīng)用SQL數(shù)據(jù)庫，把關(guān)鍵影響因子：按1S，1M，1H的時(shí)基對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行分表存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫，模型自動(dòng)讀取數(shù)據(jù)庫的最近時(shí)間樣本數(shù)據(jù)段，進(jìn)行分析、訓(xùn)練。

（4）模型開發(fā)及優(yōu)化。通過關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)、關(guān)聯(lián)分析技術(shù)：對(duì)源水、過程水、出廠水的水質(zhì)參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析 、數(shù)據(jù)挖掘、提取特征值。利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，建立模型，通過訓(xùn)練和自學(xué)，擬合輸出投加量預(yù)測值[3]。

圖2 次氯酸鈉投加量BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

（5）存在的問題與建議。因現(xiàn)行工藝和管路年久，原來的管道加氯不適合次氯酸鈉投加，新的次氯酸鈉投加點(diǎn)只有選擇在清水池人孔處，方便以后維護(hù)，但是該位置隔清水池進(jìn)水口不遠(yuǎn)，當(dāng)濾池反沖時(shí)，清水池的水補(bǔ)充反沖水，也會(huì)對(duì)余氯造成一定的影響，影響時(shí)間跟反沖時(shí)間長短有關(guān)。

3 研究成果及效益分析

3.1 實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加氯，水質(zhì)可控

次氯酸鈉自動(dòng)投加，設(shè)定出廠水消毒控制指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)投加控制，保證出廠水余氯指標(biāo)穩(wěn)定；并徹底消除液氯使用存在的重大安全隱患，提高了社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。動(dòng)投加是余氯曲線明顯波峰和波谷減少，曲線區(qū)域平穩(wěn)。

3.2 社會(huì)效益

根據(jù)《集團(tuán)信息化戰(zhàn)略規(guī)劃》，積極推進(jìn)人工智能與水務(wù)行業(yè)的深度融合，實(shí)現(xiàn)公司治理精準(zhǔn)化，智能化，智慧化。本項(xiàng)目對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型初次嘗試，運(yùn)用模型擬合輸出值再結(jié)合PLC閉環(huán)控制，經(jīng)過一定周期運(yùn)行后，繼續(xù)深化研究，逐步完善，可進(jìn)一步延伸到集團(tuán)智能水廠建設(shè)中，提高水廠智能化控制。

4 結(jié)語

本項(xiàng)目提高水廠消毒系統(tǒng)的安全性，徹底消除了液氯消毒系統(tǒng)在消毒劑運(yùn)輸以及使用時(shí)對(duì)水廠本身及周邊環(huán)境造成的安全隱患，而本水廠作為該地區(qū)政治、經(jīng)濟(jì)、文化以及商貿(mào)流通中心，所以改變液氯消毒方式，采用次氯酸鈉投加消毒方式，具有良好的安全效益。