自來水廠混凝劑自動投加系統(tǒng)的搭建與長期運(yùn)行效果分析

何嘉莉 郭曉穎 周沛良 袁耀芬 陳偉鐘 李歡躍 巢 猛

（東莞市水務(wù)集團(tuán)供水有限公司，廣東東莞 523112）

在自來水廠處理工藝中，混凝既是最關(guān)鍵也是最難控制的工藝?；炷齽┩都恿渴欠駵?zhǔn)確直接影響到自來水廠的全流程，也直接影響水處理成本。[1]以大量的生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，[2]建立數(shù)學(xué)模型結(jié)合PLC控制系統(tǒng)搭建混凝劑自動投加系統(tǒng)，為自來水廠自動化升級改造提供參考。

1.自來水廠混凝劑自動投加的搭建

試驗水廠為W水廠，設(shè)計規(guī)模為12萬m3/d，采用常規(guī)處理工藝：網(wǎng)格絮凝池+平流沉淀池+V型濾池+下疊式清水池。試驗組設(shè)計規(guī)模為6萬m3/d，對照組同試驗組。

自來水廠混凝劑自動投加系統(tǒng)簡圖如圖1所示，向原水管道3投加混凝劑后，原水經(jīng)管道靜態(tài)混合器4混合后進(jìn)入網(wǎng)格絮凝池12和平流沉淀池13處理后，出水匯集到待濾水出水管15。

圖1 自來水廠混凝劑自動投加系統(tǒng)簡圖

自來水廠混凝劑自動投加系統(tǒng)，包括數(shù)學(xué)模型、原水監(jiān)測系統(tǒng)（原水濁度儀1、原水流量計2、SCD電流測試儀11）、混凝劑投加系統(tǒng)（儲藥罐9、液位計8、投加計量泵7、流量計6、壓力計5）、待濾水監(jiān)測系統(tǒng)（待濾水濁度儀14）和PLC控制系統(tǒng)10。原水監(jiān)控系統(tǒng)、混凝劑投加系統(tǒng)和待濾水監(jiān)控系統(tǒng)與PLC控制系統(tǒng)連接，根據(jù)數(shù)學(xué)模型編制PLC控制系統(tǒng)程序，通過PLC控制系統(tǒng)讀取原水監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)，自動計算出混凝劑的投加量，指令混凝劑投加系統(tǒng)的投加計量泵工作，待濾水監(jiān)測系統(tǒng)讀取待濾水濁度作為效果反饋。

數(shù)學(xué)模型的建立：試驗水廠原水受有機(jī)物、氨氮、溶解氧、藻類、pH等指標(biāo)影響較少，影響混凝的關(guān)鍵因素為濁度，因此，收集自來水廠近一年的原水濁度、待濾水濁度和混凝劑投加量數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，確定數(shù)學(xué)模型的因變量和自變量，建立回歸分析模型，數(shù)學(xué)模型每半年更新一次。

擬合模型結(jié)果如下：

式中，y為混凝劑投加量，x1為原水濁度，x2為待濾水濁度，該擬合模型擬合優(yōu)度R=0.981，復(fù)相關(guān)系數(shù)R2=0.963,回歸系數(shù)的顯著性檢驗（t檢驗）以及回歸方程的顯著性檢驗（F檢驗）中，顯著性水平均小于0.05，可以認(rèn)為建立的模型有效。

2.提升系統(tǒng)的可靠性措施

2.1 增加原水濁度儀

系統(tǒng)需要高可靠性的原水濁度值才能保證混凝劑投加量的數(shù)值穩(wěn)定、準(zhǔn)確、可靠。所以在原水濁度監(jiān)測上應(yīng)多增加一臺原水濁度儀。用兩臺原水濁度儀的平均濁度為原水濁度參與控制，當(dāng)兩臺原水儀表之間的濁度差值大于5NTU時，系統(tǒng)判定原水濁度儀有故障，發(fā)出報警信號，系統(tǒng)鎖住上一刻的混凝劑投加量不變，待處理好原水濁度儀的問題，兩臺濁度儀的濁度差值小于5NTU時，系統(tǒng)恢復(fù)正常計算混凝劑投加量的值。

2.2 用原水泵的理論流量核算原水流量計的流量

混凝劑投加量確定后，投加系統(tǒng)需要的投加混凝劑瞬時總量需要由原水瞬時流量確定，因此，原水流量計瞬時流量也是混凝劑投加的一個關(guān)鍵變量，所以原水瞬時流量也要有其它的數(shù)據(jù)對其進(jìn)行核算。由于水泵單臺或多臺組合的取水瞬時水量會有一個理論或經(jīng)驗的數(shù)據(jù)，可以在PLC控制系統(tǒng)上把這相關(guān)的理論或經(jīng)驗數(shù)據(jù)記錄上，當(dāng)流量計瞬時的值與理論或經(jīng)驗上的數(shù)據(jù)相差比較大時（超過10%），且這個差值相差持續(xù)時間超過一定的時間（1分鐘以上），PLC控制系統(tǒng)發(fā)出原水流量計報警，提醒處理。此時原水流量用開泵的理論流量或經(jīng)驗流量進(jìn)行控制。待原水瞬時流量數(shù)據(jù)恢復(fù)正常后，再用原水流量計的數(shù)據(jù)控制。

2.3 用計量泵的理論投加量核算投加系統(tǒng)的電磁流量計

當(dāng)原水濁度、原水瞬時流量數(shù)據(jù)有可靠保障后，影響混凝劑自動投加的因素主要是投加計量泵是否按照PLC控制系統(tǒng)計算的理論瞬時投加量出液并投加系統(tǒng)管路能否把投加計量泵投加出來的混凝劑投入原水管道。首先投加計量泵的實際投加瞬時流量按W水廠投加系統(tǒng)現(xiàn)有設(shè)備是用流量計監(jiān)測，若流量計準(zhǔn)確、可靠，可用流量計的瞬時流量與PLC控制系統(tǒng)計算的值的差值作為計量泵控制系統(tǒng)的反饋信號進(jìn)行閉環(huán)控制。所以投加系統(tǒng)流量計的瞬時流量也是一個需要高可靠性的信號，由于投加系統(tǒng)的投加計量泵在一定的頻率和一定的沖程下投加量理論上是一個固定的值，所以可以通過定期標(biāo)定投加計量泵的流量，在PLC控制系統(tǒng)上用計量泵的理論輸出量與流量計的瞬時流量做比對，當(dāng)兩者間的數(shù)據(jù)偏差大時（超過±10%），并持續(xù)超過5分鐘，系統(tǒng)發(fā)出流量計輸出異常的報警提醒排除流量計的問題。此時計量泵系統(tǒng)的輸出瞬時流量以計量泵理論的輸出量為準(zhǔn)，進(jìn)行自動投加控制。待流量計故障排除并恢復(fù)后，系統(tǒng)恢復(fù)正常使用流量計的數(shù)據(jù)。

2.4 增加投加系統(tǒng)管路保障的設(shè)備

投加系統(tǒng)管路的保障，只要管路沒有爆管或沒有漏液的情況，投加計量泵輸出多少混凝劑的量，管路系統(tǒng)都會把全部的混凝劑投加到原水管道與原水混合。所以在管路系統(tǒng)的投加點(diǎn)前增加一個背壓閥，這個背壓閥與投加計量泵輸出端旁的背壓閥讓投加管路保持一定的壓力，只要在管路上再增加一個壓力變送器實時監(jiān)測管路的壓力情況，就可以監(jiān)控管路是否有爆管或有漏液的情況。

2.5 加強(qiáng)SCD電流測試儀的管理

靜態(tài)混合器后也可以通過SCD電流測試儀監(jiān)測絮凝后水樣中的流動電流情況間接反饋投加計量泵系統(tǒng)或投加管路是否正常，應(yīng)加強(qiáng)SCD電流測試儀的使用管理，定期清洗，保證SCD電流測試儀的靈敏度。

3.PLC控制程序主要參數(shù)設(shè)置

根據(jù)原水統(tǒng)計數(shù)據(jù)設(shè)定自動投加系統(tǒng)原水濁度的適用范圍，PLC控制系統(tǒng)在原水濁度適用范圍內(nèi)計算更新混凝劑投加量；若原水濁度超出適用范圍，則保持原水濁度適用范圍時計算的混凝劑投加量進(jìn)行投加，避免原水濁度儀異常影響混凝劑投加量。

為避免系統(tǒng)頻繁指令投加計量泵調(diào)整混凝劑投加量，經(jīng)試驗，設(shè)置每30分鐘計算一次混凝劑投加量，混凝劑投加量設(shè)置為根據(jù)前30分鐘原水濁度平均值進(jìn)行計算。

為避免原水濁度儀處于清洗狀況產(chǎn)生異常數(shù)據(jù)，考慮原水濁度一天內(nèi)的波動不會超過±30%，若當(dāng)前讀取的原水濁度與上次讀取的原水濁度平均值比例在0.7~1.3內(nèi)，自動計算輸出混凝劑投加量，否則保持上次計算混凝劑投加量投加。

如設(shè)置有2個原水濁度儀，則可以按照2個原水濁度儀平均值作為輸入量計算混凝劑投加量；若2個濁度儀數(shù)值偏差＞10NTU，發(fā)出報警提醒；若其中一個原水濁度儀發(fā)生故障，濁度數(shù)值超過正常范圍，系統(tǒng)自動把故障濁度儀數(shù)據(jù)屏蔽，切換至按照單個濁度儀計算投加量。

根據(jù)混凝劑統(tǒng)計數(shù)據(jù)設(shè)定自動投加系統(tǒng)混凝劑投加量的范圍?？梢园凑栈炷齽┩都恿康慕?jīng)驗值，設(shè)定混凝劑投加系統(tǒng)的最低投加量和最高投加量。

報警系統(tǒng)設(shè)置。如投加計量泵產(chǎn)生故障時，產(chǎn)生報警提醒，并自動啟動備用泵功能；如原水流量計產(chǎn)生故障時，若取水泵電流及運(yùn)行信號正常，原水流量計流量與取水泵計算流量相差大于30%，發(fā)出原水流量計報警；如SCD儀偏離正常值，發(fā)出報警；如投加管道壓力變送器顯示壓力過低，發(fā)出報警；如PLC控制系統(tǒng)產(chǎn)生故障時，產(chǎn)生報警提醒，自動投加系統(tǒng)需要在現(xiàn)場控制柜進(jìn)行操作；等。

在PLC控制系統(tǒng)上位機(jī)程序界面增加混凝劑自動控制操作的界面，可切換自動或手動設(shè)定投加量，并設(shè)置可調(diào)整自動投加量整體系數(shù)值。

圖2 混凝劑自動投加系統(tǒng)控制界面

4.排澇期運(yùn)行效果

試驗水廠原水取自D江，在暴雨期間，由于D江上游排澇，導(dǎo)致下游水源水受到嚴(yán)重污染。系統(tǒng)運(yùn)行期間經(jīng)歷的一次排澇期，數(shù)據(jù)如圖3、圖4、圖5和圖6所示，數(shù)據(jù)每整點(diǎn)記錄一次，圖中樣本為整點(diǎn)記錄的數(shù)據(jù)，本次排澇期共連續(xù)記錄了159個小時。圖3為原水濁度數(shù)據(jù)，W水廠在此次排澇期前原水濁度在10~20NTU左右，排澇期間原水濁度明顯升高且波動大，最小值2.0NTU，最大值為62.9NTU。從圖4知，試驗組原水流量無論高峰期還是低峰期均比對照組要大（試驗組因生產(chǎn)需要，超負(fù)荷運(yùn)行），試驗組供水高峰期原水流量接近4000m3/h，對照組高峰期約2500m3/h。圖5為混凝劑投加量數(shù)據(jù)，試驗組采用自動投礬方式，對照組采用人工手動投礬方式；試驗組隨原水波動，自動調(diào)節(jié)混凝劑投加量，自動投加混凝劑均值為1.55mg/L；對照組人工手動控制僅在排澇初期調(diào)整了混凝劑投加量，隨后基本保持混凝劑投加量不變，人工手動投加混凝劑均值為1.81mg/L。圖6為待濾水濁度數(shù)據(jù)，試驗組待濾水濁度相對穩(wěn)定，波動少，待濾水濁度均值為1.16NTU；對照組待濾水濁度有明顯波動，待濾水濁度均值為1.40NTU。由此可見，以不變的投礬量來應(yīng)對不斷變化的原水水質(zhì)顯然不恰當(dāng)，自動投礬方式投礬量少，待濾水濁度低且穩(wěn)定。

圖3 原水濁度

圖4 原水流量

圖5 混凝劑投加量

圖6 待濾水濁度

5.長期運(yùn)行效果

混凝劑自動投加系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行了半年，數(shù)據(jù)如圖7、圖8、圖9和圖10所示，收集每天14：00點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，圖中樣本為每天14：00記錄的數(shù)據(jù)。由圖7可知，原水濁度一般在10~40NTU之間，監(jiān)測期間，遇到一次高濁水質(zhì)，原水濁度最高176.1NTU。由圖8可知，試驗組原水流量明顯高于對照組，試驗組原水流量大部分在3000m3/h以上，對照組原水流量多在2000m3/h以上。由圖9可知，試驗組采用自動投礬方式，混凝劑投加量隨原水波動自動調(diào)整，混凝劑投加量均值為1.48mg/L；對照組采用人工手動投礬方式，混凝劑投加量調(diào)整較少，大部分時間保持混凝劑投加量不變，混凝劑投加量均值為1.66mg/L。由圖10知，試驗組待濾水濁度明顯比對照組低，且穩(wěn)定，試驗組待濾水濁度均值為1.18NTU，對照組待濾水濁度均值為1.40NTU。

圖7 原水濁度

圖8 原水流量

圖9 混凝劑投加量

圖10 待濾水濁度

圖11 混凝劑自動投加系統(tǒng)運(yùn)行時長

圖12 混凝劑投加量對比

6.系統(tǒng)運(yùn)行時長與混凝劑投加量對比

經(jīng)統(tǒng)計，半年期間混凝劑自動投加系統(tǒng)共運(yùn)行3829h（80%以上的時間均自動運(yùn)行），原水平均濁度為 24.22NTU，最高值為237.12NTU，待濾水平均濁度為1.32NTU，自動投礬方式總耗量為14391.12kg，手動投礬方式總耗量為15179.86kg，自動投礬方式均值為1.45mg/L，手動投礬方式均值為1.55mg/L，采用自動投礬方式比手動投礬方式共節(jié)省約5%。需要說明的是，系統(tǒng)運(yùn)行的第一個月，因公司出于安全考慮，白天上班時間運(yùn)行，后續(xù)因系統(tǒng)能穩(wěn)定運(yùn)行，逐月增加自動運(yùn)行時間，第三個月后系統(tǒng)基本全天24小時運(yùn)行。

7.結(jié)語

本研究搭建了自來水廠混凝劑自動投加系統(tǒng)，并從提升了系統(tǒng)的可靠性、PLC控制程序的主要參數(shù)以及水廠應(yīng)急機(jī)制提出相關(guān)措施，可為自來水廠自動化升級改造提供參考。該系統(tǒng)能根據(jù)水質(zhì)變化，實時調(diào)整混凝劑投加量，實現(xiàn)混凝劑自動精準(zhǔn)投加，有效穩(wěn)定待濾水濁度；長期運(yùn)行數(shù)據(jù)顯示，自來水廠混凝劑自動投加系統(tǒng)能長期穩(wěn)定運(yùn)行，處理效果好，節(jié)約混凝劑用量，對自來水廠升級改造具有實際應(yīng)用價值。