石灰投加系統控制應用

朱志平

(通用電氣實業(上海)有限公司 上海 201400)

0 系統簡介

在水資源日益緊張的今天，工廠的廢水，包括冷卻塔排放、濃縮水回收和處理后的氣化廢水通過先進的水處理工藝進行處理，不僅可以減少污染，而且可以做到水資源的再利用，提高水資源的利用效率，產生更高的經濟價值。在內蒙古鄂爾多斯一工廠采用水處理工藝對工廠廢水進行再利用，其預處理工段對工廠廢水來水向澄清池中投加石灰，調節進水pH值，以達到去除水中硬度的要求。其主要工藝流程為石灰投加進入石灰料倉后，通過螺旋輸送機投加入石灰乳罐制備石灰乳，石灰乳通過石灰乳輸送泵投加入投加池調節pH，工藝系統簡圖如圖1所示。

圖1 工藝系統簡圖

該石灰投加系統主要包括兩部分:

(1)石灰乳液制備系統，工藝設備包括石灰料倉、螺旋輸送機、振打器、石灰乳罐、攪拌器;控制部分包括料倉高料位開關(LSH)、料倉中料位開關(LS)、料倉低料位開關(LSL)、補給水流量計(FIT2)、石灰乳罐液位計(LIT)、補給水閥門V0。

(2)石灰乳液投加系統，工藝設備包括石灰乳輸送泵、投加池及相關管道;控制部分包括進水總管流量計(FIT1)、投加池pH分析儀(AIT)、石灰管路壓力變送器(PIT)、石灰乳輸送泵入口閥V1、補給水管路沖洗閥V2。

1 控制系統

工廠的污水處理系統負責對整個污水處理流程進行監控。中央控制室設置兩臺Dell服務器作為人機接口系統(HMI)冗余的數據采集機和主備數據庫服務器，兩臺主控計算機采用AB公司RS View工控軟件，其PLC系統采用雙機冗余系統，PLC系統選用美國AB公司Controllogix系列PLC，其配置如表1所示。為保證可靠性，主控系統通過光纖以太網與下位的子系統如石灰投加子系統相連，進行數據采集及監視，同時主控系統通過Controlnet總線對部分重要數據進行監控。主控系統結構原理如圖2所示。

表1 Controllogix系列PLC配置表

圖2 污水處理主系統配置圖

石灰投加系統作為整體供貨設備在整個污水處理系統中自成一個子系統，設置獨立的PLC系統，提供觸摸屏供給就地操作，并通過光纖交換機和Controlnet總線將本地數據傳送至中控室監控計算機進行遠程監控。

該石灰投加系統儀表配置如表2所示，控制系統采用美國AB公司FLEXLOGIX系列PLC

圖3 石灰投加子系統配置圖

表2 石灰投加系統儀表配置

2 控制策略

2.1 石灰乳液制備系統

石灰乳液制備系統的控制關鍵點是按設定的石灰乳濃度在石灰乳罐中配置所需石灰乳液。螺旋輸送機為主要被控設備，采用變頻控制，選用ABB ACS800變頻器。螺旋輸送機石灰的單位時間輸送量與變頻器的頻率成線性，圖4為石灰輸出量與頻率關系圖，其斜率即螺旋輸送機石灰的單位時間輸送量，單位為kg/Hz*hr。

圖4 石灰輸出量與頻率關系圖

當石灰乳罐液位低于石灰乳罐液位中值LIT.M(LIT，液位傳感器)時，補給水閥門V0打開，螺旋輸送機開始工作，其頻率通過式(1)得出，當石灰乳罐液位高于石灰乳罐液位高值LIT.H時，補給水閥門V0關閉，螺旋輸送機停止工作。

式中:F—變頻器工作頻率，ρ—石灰乳濃度，FIT2—補給水流量，M—石灰的單位時間輸送量。

公式(1)中石灰乳濃度可根據現場實際需要進行設定，濃度設定后PLC即自動根據補給水流量FIT2控制螺旋輸送機的頻率來配比正確的石灰乳濃度。

螺旋輸送機由變頻器進行控制，電機的變頻范圍宜為15Hz～50Hz之間，超過這個范圍的頻率會被變頻器限制，為保證配置出正確的石灰乳濃度，根據石灰乳的設定濃度及電機的頻率上下限值(見公式(2)和公式(3))即可得出補給水流量FIT2的上下限制，此限值根據石灰配比濃度自動調整，當補給水流量FIT2值不在限值范圍內時發出報警提醒工作人員調整補給水進水量。

式中:FIT2.H－補給水流量上限值，FIT2.L－補給水流量下限值，ρ—石灰乳濃度，M—石灰的單位時間輸送量。石灰乳液制備系統中石灰料倉僅安裝了高中低三個阻旋式料位開關，僅能提供高低料位報警，沒有石灰罐內石灰的較精確料位，給石灰投加工作帶來一定困難，現場采用石灰的累積消耗量予以解決。

螺旋輸送機每次運行時的頻率乘以石灰的單位時間輸送量，然后進行積分累積即可得到石灰的累積消耗量，石灰料倉的石灰總容量減去石灰的累積消耗量即可折算出石灰料倉的當前料位。石灰補給時，每次添加至石灰料倉發出高料位信號LSH時，高料位信號LSH的脈沖將石灰的累積消耗量清零。通過石灰槽罐車的稱重可知每次的石灰添加量，此值與計算的石灰累積消耗量的比較可以校驗石灰的單位時間輸送量值的正確性。

石灰乳罐的攪拌器，只要石灰乳罐的液位不低于液位低值LIT.L，則一直攪拌，以防止石灰沉淀。因石灰粉容易在料倉內搭橋形成空穴，當低料位開關LSL報警而中料位開關LS正常時，應啟動料倉振打器進行短時振打。

2.2 石灰乳投加系統

石灰乳液投加系統的控制關鍵點是按設定的pH值及投加池的進水流量來投加石灰乳。石灰乳輸送泵為主要被控設備，采用變頻控制，選用ABB ACS800系列變頻器。

石灰乳輸送泵的起停條件為進水總管流量計FIT1的高低限值，高于高值FIT1.H時石灰乳輸送泵啟動，低于低值FIT1.L時石灰乳輸送泵停止，同時石灰乳罐的液位低值LIT.L，作為石灰乳輸送泵的低液位保護。

投加池的體積及進水量相對于石灰乳的投加量是巨大的，因此如果僅僅靠pH值來控制石灰乳輸送泵的頻率，則因反應的時滯性，往往很難達到穩定的控制效果。因此本石灰投加系統控制采用流量控制與pH控制雙參量的控制方式。

根據不同的進水水質分析得出大致的每噸水的加劑量，再根據進水總管流量FIT1及石灰乳的濃度、密度、泵的額定輸送能力即可得出石灰乳輸送泵的運行頻率。

式中:FFIT1—根據流量計算得到的變頻器頻率，A—加劑量，FIT1—進水總管流量，ρ—石灰乳濃度，D—石灰密度，N—泵的額定輸送能力。

根據投加池的pH值，進行PID運算即可得到石灰乳輸送泵的運行頻率:頻率pH(表示根據pH值PID計算得到的當前頻率)，當pH值高于設定值時，降低石灰乳輸送泵運行頻率，當pH值低于設定值時，提高石灰乳輸送泵運行頻率。

則石灰乳輸送泵的實際運行頻率為

式中:FFIT1—根據流量計算得到的變頻器頻率，FpH——根據pH值PID計算得到的變頻器頻率，F.bias—偏置控制參數

偏置控制參數F.bias根據現場實際運行工況及運行效果調整，對流量和pH值在石灰乳輸送泵控制中的比率進行調整，在進水初期或流量波動比較劇烈時，F.bias應接近1，以流量前饋控制為主，能提供更迅速的控制反應。在系統進入穩定期后，F.bias可以適當減小，以pH的控制為主，自動調節投加比例。進水總管流量FIT1和投加池pH值雙參量的控制，較好的解決了流量波動時石灰投加pH值變化滯后問題，達到了不錯的控制效果。

由于石灰乳的特性，很容易在輸送管道中形成沉積，致使輸送壓力不斷加大，引起設備損壞及事故，因此在石灰乳輸送泵出口設置壓力變送器提供壓力保護。當石灰乳輸送泵出口壓力高于壓力高高值PIT.HH時，石灰乳輸送泵停止工作，通知工作人員進行管道疏通;當石灰乳輸送泵運行時，出口壓力低于壓力低值PIT.L時，則說明石灰乳輸送泵入口閥V1和補給水管路沖洗閥V2存在開啟故障，石灰乳輸送泵停止工作，以防止泵空轉。

當石灰乳輸送泵出口壓力值大于壓力高值PIT.H時，補給水管路沖洗閥V2打開，石灰乳輸送泵入口閥V1關閉，用補給水對石灰輸送管路進行短時間的沖洗，疏通管道。同樣在石灰乳輸送泵停機時，也須打開補給水管路沖洗閥V2，關閉石灰乳輸送泵入口閥V1，對石灰輸送管路進行沖洗，防止石灰乳沉積在管路引起堵塞。

4 結論

該石灰投加系統自投入運行以來，石灰投加準確，設備運行穩定，維護工作量小，投加池出水pH基本控制在10～10.3之間，避免了pH值的大幅波動，同時很好的解決了石灰投加管道及投加設備的淤塞問題，達到滿意的運行效果。

［1］ 王東云，牛正光.基于Compact Logix PLC控制的污水處理系統［J］.電氣自動化 2008，30(1):43－45.

［2］ 翁維勤，孫洪程程控系統及工程(第二版)［M］.北京化學工業出版社 2005，78.

［3］ 李士勇等模糊控制和智能控制理論與應用［M］.哈爾濱工業大學出版社1990.