水質自動監測系統增加預處理裝置的必要性研究

楊杰

摘 要：文中針對京西燃氣熱電有限公司循環水排污在線儀表監測系統進行了必要的分析，對系統預處理及清洗系統的設計思路進行了必要性分析，并從采水系統、配水系統、輔助系統、控制系統等方面進行了說明。

關鍵詞：預處理；在線監測；沉砂；過濾；懸浮物

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）08-0-03

0 引 言

水質自動監測系統是保障機組安全經濟運行的重要手段，隨著電廠機組容量、參數的逐年提高，機組對水氣品質及化學監督的準確性、可靠性、及時性的要求也越來越高，如何保證在線化學儀表測量的準確性，提升電廠水質自動監測水平成為焦點。本文以京西燃氣熱電有限公司循環水排污水質自動監測系統為例，對當前常用的水質監測系統進行介紹，同時闡明增加取樣預處理系統的必要性。

1 常見水質自動監測系統總體介紹

1.1 水質自動監測系統架構設計

水質自動監測系統總體架構如圖1所示。 水質自動監測系統由儀表分析單元、取水單元、配水單元、控制系統、防雷設備組成。其中儀表分析單元由pH分析儀、電導率在線分析儀、COD分析儀、總磷分析儀等組成。采水系統將水樣分配后供各分析儀表使用；系統泵閥及輔助設備由PLC控制系統統一控制；各儀表數據經必要的接口由數采工控設備進行統一數據采集和處理[1]。

1.2 水質自動監測系統工藝設計

系統采用單泵、單管路取水，源水第一路直接進入沉砂池，沉淀過濾后供COD分析儀、總磷分析儀分析；第二路直接進入多參數分析儀流通槽，供pH、電導率分析儀使用。

1.2.1 間歇運行模式

系統運行模式采用周期或定點（建議時間間隔為4小時，也可根據用戶要求設計）方式；取水泵連續取水，保證多參數池連續供水（管路清洗除外）；分析儀表測量頻率是否一致；內管路、過濾器、沉淀池、多參數池、樣品杯每次都需清洗；空壓機對內部管路氣洗，過濾器進行反吹；按照測量間隔存儲每臺儀表單次測量數據。多參數表于多參數池配水時進行數據采集，其它儀表則統一在多參數儀表測量完成后進行數據采集，所有數據統一存儲。

1.2.2 連續運行模式

連續模式控制需求如下：

（1）取水泵連續取水，保證多參數池連續供水；

（2）沉淀池進水電動球閥或增壓泵間歇取水配水，可設置運行周期，分析儀表測量頻率一致；

（3）過濾器及內管路每次均需清洗（與取水泵無關），外管路及多參數池每天清洗（與取水泵相關）；

（4）數據存儲間隔為30 min，多參數數據每30 min采集一次，其它儀表采集當前值或根據實際要求進行數據存儲。

2 正常的采水系統設計介紹

2.1 綜述

水質自動監測系統采、配水單元的建設在自動站建設中占有絕對重要的地位，采、配水是保證整個系統正常運轉、獲取正確數據的關鍵部分，設計及建造一套運行可靠的水樣采集單元非常重要。采、配水單元必須保證向整個系統提供可靠、有效的水樣。

2.2 取水工藝設計

取水采用自吸泵，雙泵雙管路設計，一用一備，滿足實時不間斷監測要求。所有取水管路通常配有管道清洗、防堵塞、反沖洗等設施。

2.3 管路設計

取水單元采用雙單泵單管路設計，通過管道中的壓力傳感器可以判斷取水管路的運行狀況。在采水過程中，系統實時監測總管路上設置的壓力傳感器壓力值，當壓力不足時系統自動停止運行，以保護在線監測儀表的安全。

2.4 管路清洗功能的不足

2.4.1 在線儀表監測中斷

取水結束后，管內的剩余水能夠自動通過電動球閥排空。在系統長期使用后，管路內必定會滋生懸浮物，因此在設計時要充分考慮該問題，不讓懸浮物有附著的環境。通常系統配置清洗管路接口，定期自動打開自來水和壓縮空氣，通過控制總管路及配水管路的電動閥門可分別對內部采水管路和過濾裝置進行反沖洗，以防止管路堵塞，并達到對管路去除懸浮物的作用，但在實際運行環境下，為了能夠達到去污效果，通常運行人員會加大絮凝劑的使用量，且遠遠超出正常值，嚴重時達到正常范圍的2～3倍，因此需要增加管路沖洗的頻率，導致在線儀表的間斷時間和間斷次數增多。

2.4.2 無法有效清除管壁附著物

此外，管路清洗功能通常只能去除取樣介質中的懸浮物和顆粒，對已經附著在管壁上的部分則無法有效去除，在惡劣的運行環境下，管壁附著物將越來越厚并隨機脫落，對在線儀表造成沖擊。

2.4.3 存在死區

通常管路清洗系統為反向沖洗，沖洗前關閉在線儀表入口門并打開沖洗門進行沖洗，這樣入口門和儀表之間的管路將無法沖洗，所以在實際運行過程中常常是離儀表最近的管路更臟，會對儀表測量造成較大影響。

2.5 取水工藝的缺陷

2.5.1 取水量不足

通常自吸泵的設計流量為5 m3/h，而本系統所需水總量為3 m3/h。照此設計，取水量應滿足本系統需求，并有足夠的冗余。但實際上由于所取水介質中的雜質和絮狀物較多，加之絮凝劑凝結的雜質很容易附著在取樣管壁上，造成管路狹窄，增加管阻力，所以在實際運行過程中取樣水量常常不足，導致儀表測量失真。

2.5.2 管道清洗不便

采配水管路采用灰色UPVC管，內徑為25 cm，安裝方便。但由于管路連接的彎頭等中間環節均采用一次性膠封或塑焊，不便拆卸，所以管路一旦臟污便很難找到有效的清理手段。

3 預處理系統的優越性

3.1 預處理系統設計思路

針對目前分析儀器的性能，可對水樣先進行沉淀以減少懸浮物，然后過濾處理，在后續的取樣系統中增加清洗功能以清理預處理系統未能完全消除的附著物。endprint

3.1.1 沉砂預處理裝置

對于含懸浮物較大的水樣，為減少懸浮物對測量的影響，通常設置沉淀裝置，即設置專門的沉砂過濾裝置，該裝置高度集成，占地空間小，除砂效果好，并有自動排沙功能，能夠極大地減少人工維護量。沉砂池底部進水，水流由下而上，旋轉離心向上，加速水中泥沙絮狀物的碰撞凝聚沉降；同時，沉砂池的細長圓筒形結構設計保證了沉淀池中不存在死水部分，具有良好的水力交換能力。通過該裝置的過濾，基本能夠去除細沙等細小顆粒物。

該套系統在絕大部分污水處理廠和一部分發電企業中都有應用。沉淀池示意圖如圖2所示。

3.1.2 過濾預處理裝置

該預處理單元和分析儀配合使用。系統針對每臺儀表定制預處理單元，每臺儀表從各自的預處理裝置中取樣，任何一臺儀表預處理故障均不會影響到其它儀表的正常工作。預處理單元還具有如下特點：

水樣代表性：預處理過程對水樣先進行粗過濾（100μm），過濾去除水中的大顆粒，經過濾后的水樣進入樣品罐，該處理方式能在滿足儀表對水樣需求的同時，充分保證水樣的代表性。

自動清洗：能通過通入自來水、去除懸浮物、加壓清潔水流和壓縮空氣對配水管路自動反沖洗。系統具備足夠的反沖洗能力，保證管道內管壁無懸浮附著物。每次測量任務，系統均會對預處理進行自動清洗。系統反沖清洗的操作可通過現場或遠程自動或手動控制。

過濾器維護周期長：由于設置自動清洗功能，維護周期超過三個月。

水樣預處理系統的自動運行及定時反吹應由采集控制系統控制，并能夠在現場中心站計算機的控制畫面中通過指令來切換預處理系統的運行狀態。

樣品杯液位檢測功能：預處理水罐樣品側安裝有液位檢測探針，通過液位繼電器可實現對水罐內液位的檢測，并將液位信息傳輸給相應的分析儀表。

預處理單元整體結構緊湊、設備集成度高，能極大地方便工程安裝和維護；預處理單元采用與儀表相同規格的安裝機柜，美觀易用。

3.1.3 配水系統清洗功能

針對多參數測量池和沉淀池等預處理裝置設置水、氣等自動清洗功能，通過PLC控制系統對其實現周期/定點清洗功能。增壓清洗水和壓縮空氣通過對測量池和沉淀池曝氣頭實現對罐體的清洗。

配水系統流路預留2～3個規格DN20的流路接口，提供系統需要進行儀表擴展時所需的水路接口[2]。

系統總體配水及預處理流路均設置大量的活接，便于系統拆卸、清洗。

3.1.4 增加系統清洗功能

清洗系統定時啟動或根據用戶的需要啟動清洗操作，分別對室內進樣管路、多參數管路、室內取水管路以及沉淀池進行清洗。結合壓縮空氣系統，將壓縮空氣和清水混和，實現高壓氣泡擦洗，可將管壁附著的懸浮物等清洗掉。

清洗單元需要用戶在站房提供自來水入戶或井水（現場條件滿足的情況下）。

壓縮空氣為管路的反吹清洗、過濾器清洗提供高壓氣源。空壓機推薦選用無油靜音空壓機。該空壓機可設定壓力的上限和下限，無需單獨的控制信號，維護量很低。當儲氣罐中的壓力高于設定上限時，空壓機自動切斷電源；在供氣時，儲氣罐內壓力逐漸降低，當壓力低于設定下限時，空壓機自行啟動，重新為儲氣罐加氣。空壓機實物如圖3所示。

3.1.5 擴展性設計

為保證系統監測項目的擴充需要，配水管路預留4個DN20的UPVC管路接口，用以連接分析儀表預處理模塊，從而擴展系統分析儀表配置。

4 預處理控制系統

4.1 控制系統原理

現場控制單元由工控機監視，PLC控制，由控制柜及執行元件構成。PLC控制系統按照預先設定的程序負責系統采水配水控制，啟動測試，清洗、去除懸浮物、反沖洗等一系列動作。同時可以監測系統狀態，并根據系統狀態對系統動作做相應的調整，確保預處理系統自身的穩定運行。控制系統原理圖如圖4所示。

4.2 控制系統基本框架

控制系統由工控機、可編程邏輯控制器、總空氣開關、各儀表設備空氣開關、接觸器、直流電源、繼電器和接線端子等組成。系統控制單元采用西門子PLC作為系統邏輯控制器，并結合繼電器、接觸器等器件實現對外部泵閥及輔助設備的控制功能；控制系統采用工控機對系統實現統一監控，包括對系統任務控制、信號采集的控制以及數據上傳等。

4.3 控制柜及布線

文中的控制柜采用標準網絡機柜（800mm×800mm× 2000 mm）[3]，該機柜為白色，美觀大方。四側門均可打開，方便安裝和檢修。前門為玻璃門。內部布線強弱電隔離，以避免電磁干擾。機柜前部用盲板遮擋，使機柜整齊美觀。

5 結 語

綜上所述，在線儀表取樣預處理系統及新增管路清洗系統能在很大程度上清理取樣水質中的懸浮物、大顆粒雜物等，同時預處理系統采用純物理原理，不會影響在線儀表的測量。可靠的控制系統能夠保證整個工藝系統的完整性和連續性，使各系統間能夠協調配合。通過強有力的預處理系統和可靠的控制單元能夠最大限度降低對在線儀表的沖擊，增加其使用壽命。所以水質自動監測系統增加預處理裝置十分必要。

參考文獻

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