智能化水體綜合處理裝備控制方案的設(shè)計與應(yīng)用

耿志彪，季艷茹，邢 通，陳赫朋

(黃河機械有限責(zé)任公司，河南 鄭州 450006)

0 引言

南水北調(diào)中線干線工程具有明渠輸水距離長、跨渠建筑物眾多、交叉網(wǎng)絡(luò)交通復(fù)雜等特點。南水北調(diào)渠道受酸堿物、氧化物、油污類等化學(xué)品污染的潛在風(fēng)險日益嚴峻，為有效應(yīng)對常見化學(xué)品造成的突發(fā)水污染事件，對常見化學(xué)品引起的水污染事件的處理方法進行了綜合分析，組織進行了突發(fā)水污染事件應(yīng)急演練，相關(guān)設(shè)備類型及布局如圖1所示，近80 m橫斷面的渠道兩側(cè)來回穿行不便，人力物力資源消耗大，專用設(shè)備較多、布局與控制較為分散，各設(shè)備間的配合默契度與響應(yīng)速度等對應(yīng)急處置有明顯限制。為有效保障南水北調(diào)中線安全輸水運行，提高水污染事件應(yīng)急響應(yīng)能力，節(jié)約人力物力，研制了一臺智能化水體綜合處理裝備，設(shè)計人員為其開發(fā)了一套智能化閉環(huán)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了在線配藥精細化、曝氣影響范圍可控、基本水質(zhì)參數(shù)監(jiān)測的高效閉環(huán)控制。

圖1 應(yīng)急演練相關(guān)設(shè)備類型及布局示意

1 方案設(shè)計

為提高突發(fā)水污染事件的應(yīng)急響應(yīng)能力與水體處置效率，減少人工與設(shè)備資源的消耗，設(shè)計人員將圖1中的應(yīng)急發(fā)電車、曝氣裝置、噴灑車、水質(zhì)監(jiān)測車的主要功能進行集成化設(shè)計與優(yōu)化改進，集中放置于具備水上移動能力的平臺上，設(shè)計成兼具水上移動作業(yè)、在線自動配藥噴灑系統(tǒng)、推流曝氣系統(tǒng)等功能的智能化水體綜合處理裝備(見圖2)。整個設(shè)備功能(除平臺移動能力)由專用控制系統(tǒng)通過對硬件資源的總線連接與軟件編程的流程化設(shè)計實現(xiàn)了軟硬件資源的有效整合，開發(fā)了使用簡便、操作靈活、控制精度高的電氣控制系統(tǒng)。

圖2 智能化水體綜合處理裝備效果圖

智能化水體綜合處理裝備控制系統(tǒng)設(shè)計可根據(jù)不同化學(xué)品性質(zhì)投入對應(yīng)系統(tǒng)進行水污染應(yīng)急處置。通過調(diào)整推流曝氣裝置的推流距離與曝氣通量等參數(shù)，實現(xiàn)對不同水體影響范圍內(nèi)易揮發(fā)、易氧化污染物的處理；通過控制在線配藥噴灑裝置的藥劑濃度與噴灑藥量等參數(shù)，實現(xiàn)對不同類型(酸性或堿性)的常見化學(xué)品的處置。另外，通過在線配藥噴灑裝置與推流曝氣裝置的聯(lián)動運行能夠?qū)崿F(xiàn)常見化學(xué)品的高效處置工作。系統(tǒng)在水質(zhì)監(jiān)測裝置的加持下，實時反饋當前水體溶氧量、pH值、酸堿度等基本參數(shù)，為水污染處置工作提供重要的參考依據(jù)。

2 控制系統(tǒng)組成

智能化水體綜合處理裝備控制系統(tǒng)主要由蓄能電源、自動配藥噴灑系統(tǒng)、推流曝氣系統(tǒng)與水質(zhì)監(jiān)測模塊4部分組成?？刂葡到y(tǒng)主要工藝流程：蓄能電池放電—系統(tǒng)上電—自動配藥噴灑+推流曝氣—系統(tǒng)停止。

2.1 蓄能電源

裝備研發(fā)目的主要是為了保護水質(zhì)安全，綠色環(huán)保的新能源電池組成為蓄能電源是最佳選擇，為了最大程度保障新能源電池的綠色環(huán)保與安全可靠程度，設(shè)計采用航空用磷酸鐵鋰電池組作為蓄能電源。

蓄能電源由電池組、雙向逆變器、電源管理系統(tǒng)組成。電池組由100余塊直流電池組成，雙向逆變器可實現(xiàn)電池組的充電與放電功能，電源管理系統(tǒng)能夠控制充放電電流等參數(shù)，并通過采集充放電環(huán)境信息全方位參與電源安全保護(比如蓄能電源充滿電后自動斷電，蓄電池電量過放后將停止繼續(xù)放電)。蓄能電源為整個控制系統(tǒng)及執(zhí)行機構(gòu)(除平臺移動，平臺采用汽油動力驅(qū)動)提供持續(xù)運行的基本電能。

2.2 自動配藥噴灑系統(tǒng)

自動配藥噴灑系統(tǒng)主要由預(yù)稀釋和配藥噴灑2部分組成。預(yù)稀釋包括液體藥劑和固體粉末2種，高濃度液體藥劑直接加入儲藥桶即可，而固體粉末需要預(yù)先在儲藥桶中溶解成漿液狀，此狀態(tài)下的溶液或漿液稱為原藥劑(下同)。自動配藥噴灑環(huán)節(jié)流程工藝：原藥劑準備—系統(tǒng)啟動—預(yù)稀釋—在線配藥—噴灑。

2.2.1 預(yù)稀釋

為了盡可能減輕或避免原藥劑對稀釋裝置耐腐蝕襯里造成的影響，提高二次配藥工作效率及精度，系統(tǒng)先行啟動加水泵向稀釋裝置中注水至不低于低液位時，啟動加藥泵向稀釋裝置內(nèi)加注原藥劑，主系統(tǒng)對稀釋過程濃度數(shù)據(jù)實時采集，并與以設(shè)定噴灑濃度為基礎(chǔ)的計算濃度對比判斷，由控制系統(tǒng)主動發(fā)送指令控制加水泵、加藥泵的啟停，將原藥劑稀釋為一定濃度(濃度較為粗略)的一次藥液，當儲藥桶中藥液被抽取完或稀釋裝置液體達到高液位時，預(yù)稀釋流程結(jié)束，期間也可采用人工干預(yù)的方式即時終止(見圖3)。

注：系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)定數(shù)據(jù)關(guān)系有：a>b。

為了應(yīng)對因環(huán)境因素造成溶液結(jié)晶等問題，稀釋裝置設(shè)計了專門的自動恒溫系統(tǒng)，通過對一次藥液溫度的控制，提高溶液溶解率，為應(yīng)急處置提供有利條件。

2.2.2 配藥噴灑

配藥噴灑流程(見圖4)是在線配藥的最后一個環(huán)節(jié)，其配藥精度與效率直接決定裝備的應(yīng)急處置能力，設(shè)計通過系統(tǒng)算法首先賦予清水泵、計量泵起始參數(shù)，提高系統(tǒng)初始階段的響應(yīng)速度與配藥精度。而后，系統(tǒng)通過實時采集流經(jīng)管道的噴灑藥液的瞬時流量、濃度等數(shù)據(jù)，由閉環(huán)控制系統(tǒng)對清水泵、計量泵的運行頻率作出實時調(diào)整，使配置的噴灑藥液濃度始終處于動態(tài)平衡狀態(tài)，保持瞬時流量及噴灑總量滿足應(yīng)急處置工作需求。

注：C混合:需要噴灑的混合藥液的濃度；Q1：通過噴灑管道的混合藥液的瞬時流量；Q總：噴灑的混合藥液的總流量。

2.3 推流曝氣系統(tǒng)

推流曝氣裝置主要作為輔助型裝置使用，為了最大限度保證噴灑的藥液與受污染水體進行迅速充分混合，因此設(shè)計為在配藥噴灑系統(tǒng)啟動后隨即運行，推流機在將通過其空心轉(zhuǎn)軸的由曝氣風(fēng)機排出的空氣壓入水體的同時，噴灑入水的藥液在推流機軸向推動力下，隨空氣向水體遠處迅速擴散反應(yīng)，曝氣機補充因參與反應(yīng)可能消耗的水體溶氧，提高了工作效率。設(shè)計通過改變推流機、曝氣機運行頻率以調(diào)整推流曝氣系統(tǒng)作業(yè)影響范圍，以此在不影響水體處置的情況下可使系統(tǒng)性能得到高效的發(fā)揮，其流程圖如圖5所示。但是，當水體污染物只有易揮發(fā)、易氧化的化學(xué)品時，系統(tǒng)可單獨啟動推流曝氣裝置，在受污染水體范圍內(nèi)進行不間斷的推流曝氣操作。

圖5 推流曝氣流程圖

2.4 水質(zhì)監(jiān)測

智能化水體綜合處理裝備搭載有酸堿濃度計、pH計、溶氧儀等基本參數(shù)監(jiān)測儀器，在移動平臺的應(yīng)急處置工作中，可以實時了解當前水體的基本水質(zhì)參數(shù)，與污染物總量、噴灑藥液的總量等數(shù)據(jù)進行綜合分析，判斷當前應(yīng)急處置工作是否滿足預(yù)期效果，及時停止應(yīng)急處置工作，避免因過量噴灑藥液、過度處置而造成資源浪費及水質(zhì)二次污染等。

3 應(yīng)用實踐

該裝備自2019年投入使用后，先后在南水北調(diào)中線參與多次突發(fā)水污染事件應(yīng)急演練(見圖6)，在應(yīng)急處置方面取得了良好的應(yīng)用效果，提供了水質(zhì)事件應(yīng)對措施與手段，強化了建管單位應(yīng)急處置能力，為南水北調(diào)輸水安全提供了技術(shù)支撐，為干渠沿線受水城市人民的飲水安全構(gòu)筑了一道堅實的移動屏障。

圖6 智能化水體綜合處理裝備參與現(xiàn)場應(yīng)急演練

4 結(jié)語

智能化水體綜合處理裝備自動控制系統(tǒng)的設(shè)計解決了因水體潛在污染源多樣化引起的應(yīng)急處置工作資源消耗大、水體處理方式復(fù)雜化的問題，實現(xiàn)了通過向水體推流曝氣加速易氧化、易揮發(fā)?；锏膿]發(fā)和氧化，通過自動配藥噴灑系統(tǒng)與推流曝氣的聯(lián)合運行消除水體污染物(酸堿類為主)的目的。