自動化控制系統在自來水廠節能降耗中的應用

摘要：近年來，城市供水問題日益嚴峻，自來水廠的建設也不斷加快，各種控制設備相繼得到應用。隨著自動化水平的不斷提高及其在社會各個方面的應用越來越廣泛，PLC自動控制系統在自來水廠也發揮了其強大的優勢。文章結合廣東省佛山市順德區樂從水廠自控系統具體工程實例，介紹了自動控制系統如何實現自來水廠節能降耗情況。

關鍵詞：自來水廠；節能降耗；自動化控制系統；加藥加氯；智能排泥；恒壓供水 文獻標識碼：A

中圖分類號：TP393 文章編號：1009-2374（2015）14-0099-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.14.049

樂從自來水廠自動化工程位于廣東省佛山市順德區，樂從水廠建設規模為20萬m3/d，水廠采用北江水源，為保證水廠能達到節能降耗，要求我公司對其水廠進行自動化控制設計。

水廠工藝：取水泵房→加藥、前加氯→反應池→平流沉淀池→V型濾池→后加氯→清水池→補氯→輸水管網→用戶。

水廠主要的能源消耗包括電量、水量、加藥量及消毒氯氣消耗量等，為更好地控制能源的消耗，必須對水廠各工藝進行相應的節能控制。

1 取水泵站自動化控制系統的設計

取水泵站一共有4臺取水泵（其中2臺變頻泵及2臺定速泵，3用1備），主要為整個水廠進行原水的供應，是電量的主要消耗站之一，也是水廠控制電量的關鍵部位。為保證最大限度降低電耗，需把水泵分為兩個組：運行的變頻泵設定為變頻泵組，另一臺變頻泵及定速泵設定為定速組。每次運行均至少開啟一臺變頻器，當運行變頻泵設定時間到時，且另一變頻泵不運行時，將自動切換至另一變頻泵。自控系統將根據清水池水位增減相應的水泵。

1.1 取水變頻泵的頻率調整

原水變頻泵的頻率將根據清水池水位設定值調整。PLC不斷調整變頻泵的頻率。變頻泵的頻率及頻率閥值以百分比表示。原水變頻泵的運行頻率要介于最小和最大頻率之間，頻率限定值在SCADA系統中設定。PLC記錄變頻泵停止前的頻率，以便于變頻泵再次啟動后保持之前的頻率。

1.1.1 增加變頻泵頻率。PLC連續每分鐘采集清水池水位，計算清水池水位差Q趨勢（液位以厘米計算）。

Q=Lnow[當前值]-Ltime[一分鐘前值]

如果下面條件滿足則增加變頻泵頻率：

設定清水池標準液位（Lset）>清水池水位，且Q<0，則每分鐘增加變頻泵頻率2Hz。

1.1.2 減少變頻泵頻率。如果下面條件滿足則減少變頻泵頻率：

設定清水池標準液位（Lset）<清水池水位LIT401A，且Q>0，則每分鐘減少變頻泵頻率2Hz。

1.2 定速泵的啟動數量

定速泵的啟動數量由變頻泵的運行頻率決定，為了更好地控制定速泵的數量，需要定義兩個限定值：

限定值1：啟動一臺定速泵時變頻泵頻率

限定值2：停止一臺定速泵時變頻泵頻率

啟動一臺原水定速泵，當變頻泵的頻率高于等于限定值1（例如48.5Hz）并且至少有一臺定速泵可用時啟動一臺定速泵。

停止一臺原水定速泵，當變頻泵的頻率低于限定值2（例如35Hz）并且至少有一臺定速泵運行時停止一臺定速泵。

2 加藥加氯系統自動化控制設計

2.1 加藥系統

加藥系統主要節能控制點在于控制藥耗。水廠加藥系統主要用于控制聚合氯化鋁的投加，為保證系統的節能降耗，主要控制在于精確計算氯化鋁的投加量。樂從水廠設計3臺加藥計量泵，計量泵的速度需通過PLC計算并直接通過通信進行速度控制給定。

聚合氯化鋁投加泵的速度設定由PLC按照以下因素計算而來：聚合氯化鋁投加泵的額定投加流量，單位：L/h；聚合氯化鋁投加泵的手動沖程，單位：%，由操作員錄入；聚合氯化鋁的濃度，單位：g/L，由配藥完成后系統自動計算；聚合氯化鋁的投加量，單位：mg/L，由操作員錄入；沉淀池進水流量，單位：m3/h，由PLC計算，取原水流量計連續10s的平均值。

如果投加濃度、原藥濃度、泵的沖程固定，那么投加泵的頻率和沉淀池進水流量之間是線性關系。為保證節能效果，設計時將根據不同的原水濁度進行投加比例的動態調節。

如圖1所示：

圖1

根據上面列出的工藝參數，投加泵電機的頻率計算公式如下：

2.2 加氯消毒站程序設計

整個水廠的加氯系統由氣源系統，真空加氯系統，壓力水供應系統，電氣、控制檢測儀表系統，氯氣泄漏檢測及安全防護系統組成。

為了掌握加氯是否處在手動或自動加氯狀態，在加氯機中引出了加氯機的手動/自動選擇信號。

2.2.1 前加氯控制設計。

前加氯機的控制方式：

前加氯的作用主要是防止藻類和破壞膠體，所以前加氯一般根據原水流量按比例投加：

加氯機開度控制=源水流量（m3/h）*投加量（kg/km3）/1000

本工程共設置兩臺前加氯機，一用一備。當使用加氯機故障時，在SCADA上發出警報，并自動切換至另一臺備用前加氯機，

2.2.2 后加氯控制設計。

后加氯主要作用是保證出廠水中余氯含量，起到清水池及出廠水管道消毒作用。控制方式如下：

加氯機開度控制=流量主控制量+余氯控制量

流量主控制量=濾后水流量或源水流量（m3/h）*投加量（kg/km3）/1000

余氯控制量根據濾后水余氯高低進行控制，控制范圍規定在流量主控制量的±5%。

當余氯高于SCADA中設定的余氯值時，每分鐘余氯控制量-0.2kg（可以SCADA中設置）

當余氯低于SCADA中設定的余氯值時，每分鐘余氯控制量+0.2kg（可以SCADA中設置）

本工程共設置2臺前加氯機，一用一備。當使用加氯機故障時，在SCADA上發出警報，并自動切換至另一臺備用前加氯機。

3 沉淀池排泥系統自動化控制設計

沉淀池排泥系統主要由排泥閥、排泥車組成。該環節的節能控制關鍵點在于排泥過程中合理排水，在污泥排放時盡量減少不必要的排水。

3.1 沉淀池排泥閥控制

沉淀池排泥閥周期性排泥：排泥周期可設定；各排泥閥開閥時間可設定。

排泥周期可設定：用戶可根據原水水質進行排泥周期的設定，合理減少排泥時間。

各排泥閥開閥時間可設定：用戶可根據平流沉淀池的具體特性，設置各閥門的相應開啟時間。泥多的位置可以設置排泥時間大些，泥少的位置可設置排泥時間小些。兩種排泥時間設置可充分節約用水，不影響加藥效果。

3.2 排泥車控制

沉淀池排泥車的過程控制：由于沉淀池長度約100m，長度較長，而按照沉淀池的沉泥規律，從沉淀池的進水到出水，池底所沉積的泥厚度按從多到小逐步遞減的規律進行，因此，為了達到排泥車的排泥效果而又減小不必要的排水浪費，排泥車的行走電機可采用變速電機，在沉淀池的進水端采取慢速行走，而在沉淀池的出水端采取快速行走，或排泥車的行走電機為定速電機，排泥車從沉淀池的進水端前行全程1/3，后退至沉淀池進水端，再從進水端排泥至出水端，空車返回。

4 送水泵站自動化控制設計

送水泵房一共有4臺清水泵，分別為2臺變頻泵及2臺定速泵組成。正常使用時為3用1備。

每次運行均至少開啟一臺變頻器，當運行變頻泵設定時間到時，且另一變頻泵不運行時，將自動切換至另一變頻泵。系統分為兩個組：運行的變頻泵設定為變頻泵組P401A/C，定速泵P401B/D設定為定速組。

運行的變頻泵的頻率根據出廠水壓力設定值調整。定速泵啟動的個數根據變頻泵的頻率決定啟動臺數。

4.1 加壓變頻泵的頻率調整

加壓變頻泵的頻率根據SCADA設置的壓力值進行PID恒壓控制，PLC不斷調整變頻泵的頻率。變頻泵的頻率及頻率閥值以Hz表示。

4.2 增加變頻泵頻率

變頻泵頻率由用戶設定壓力值及實際管道壓力計決定。PLC通過PID運算調整變頻泵頻率，當管道壓力小于用戶設定壓力時，變頻泵頻率將增加。

4.3 減少變頻泵頻率

PLC通過PID運算調整變頻泵頻率，當管道壓力大于用戶設定壓力時，變頻泵頻率將減少。

4.4 定速泵的啟動數量

定速泵的啟動數量由變頻泵的運行頻率決定。

為了更好的控制定速泵的數量，需要定義兩個限

定值：

限定值1：增加一臺定速泵時變頻泵頻率

限定值2：停止一臺定速泵時變頻泵頻率

4.5 啟動一臺送水定速泵

當變頻泵的頻率高于等于限定值1（例如48.5Hz）并且至少有一臺定速泵可用時啟動一臺定速泵。

4.6 停止一臺送水定速泵

當變頻泵的頻率低于限定值2（例如35Hz）并且至少有一臺定速泵運行時停止一臺定速泵。

5 結語

總而言之，PLC自控系統在自來水生產中的應用可以實現自動化生產、降低藥耗和能耗，減輕工人勞動強度、減少了員工數量，同時還能提高管理水平和水質，給企業創造了很好的經濟效益和社會效益，因此，該技術在自來水廠中具有很好的推廣前景。

參考文獻

[1] 林潔.PLC控制在水廠自動化控制中的運用[J].科技風，2011，（8）.

[2] 李友善.自動化控制原理（上冊）[M].北京：國防工業出版社，1994.

作者簡介：容得宇，廣東佛山市順德科力給排水工程發展有限公司開發部經理，信息系統項目管理師高級職稱，一級注冊建造師，研究方向：凈水廠、污水處理廠相關電氣、自動化監控、工藝、儀表；西門子、美國AB、施耐德等多家PLC編程、網絡及監控組態等軟件。

（責任編輯：秦遜玉）