雙閥濾池自動化改造

鐘增瑋

（廈門水務集團高殿水廠，福建 廈門 361000）

廈門水務中環制水有限公司高殿水廠3#濾池為雙閥濾池，共有12格濾池，原設計具有自動控制系統，主要有濾池恒水位過濾控制與自動反沖洗控制。濾池恒水位過濾控制系統用的是三檔水位開關量信號，通過水位負反饋控制調節閥門開度，使過濾水位保持在1.1m左右。自動反沖洗使用PLC計時，自動抽真空進行反沖洗，每格濾池沖洗間隔時間為24h，平均2h沖洗一格濾池。但在實際運行中，濾池的自動控制一直無法良好運行：一是在恒水位過濾方面，由于水位用的是開關量信號，無法線性監控，其波動相當大，低水位過濾問題時常出現；二是在自動反沖洗方面，由于真空管路不合理、真空泵及真空閥的老化等問題，濾池的反沖洗閥開閥時間與真空形成時間無法良好配對，一直無法完成自動反沖洗任務。因此在多次實驗與總結之后，擬對濾池進行自動化改造。改造后濾池可基本完成全自動化控制，達到無人值守的條件，在提高濾池安全性及可靠性的同時，也為今后水廠減員增效奠定基礎。

1 濾池現狀及原因分析

水廠現有工藝采用雙閥濾池工藝。通過濾沙進行固液分離，進一步去除水中細小的懸浮物及細菌，使沉淀池出水能夠達到飲用水的水質標準。虹吸式雙閥濾池控制部分主要由清水閥、反沖洗閥、進水虹吸管、排水虹吸管及真空管路系統組成，反沖洗采用高位水池，進水管為500×400mm的虹吸管，高差1m；排水管為600×730mm的虹吸管，高差2.5m。虹吸式雙閥濾池工藝流程如圖1。

圖1 虹吸式雙閥濾池工藝流程圖

改造前濾池真空管路如圖2。

圖2 原真空系統管路圖

管路主回路為DN50鐵管，進排水末端縮為DN25鐵管，包含DN25電磁閥。

早期濾池經歷過一次自動化改造，改造后出現的問題主要為以下幾個方面：（1）管道設計不合理，反沖洗虹吸建立時間長。（2）電磁閥氣密性不好，真空度不容易形成且易被破壞。（3）反沖洗閥開關閥時間長，電氣控制是大滯后系統，控制不易把握。（4）液位開關選擇是三級開關信號，不是模擬量線性信號，對水位無法精度判斷。（5）真空電接點壓力表不準確，無法準確判斷是否形成真空。可見2#池的真空管路距離真空泵最遠。經實驗，用真空泵抽2#池抽排水真空要2min以上，其他各池在70~120s之間，時間普遍較長，并且水塔反沖洗水的水速較快，容易造成真空還未形成，沖洗水就已到位的溢流現象。

濾池現階段會有以下缺陷：（1）由于自動系統不完善，所有操作均需要人工進行，不便于節省人力。（2）進水虹吸由于電磁閥漏氣原因會自動破壞。（3）清水閥無一鍵開關按鈕（需要人員長按）。（4）反沖洗水塔由于液位計顯示不準確，經常出現水溢出問題，導致在沖洗水塔下方配電柜經常受到損壞，并且如果水塔水位過低會吸入空氣，沖洗時容易損壞濾板。

2 濾池的改造

針對以上問題對3#濾池進行改造，改造內容包括：PLC柜、操作臺、真空系統、閥門、液位計、沖洗水塔等，以下主要針對真空系統及信號2個方面展開分析。

2.1 真空系統

對于真空系統的改造，主要有增加真空罐與改造真空管路2種方式。

2.1.1 增加真空罐

考慮在不更換真空泵的情況下，可采取增添真空儲氣罐的方式。真空罐的材料包括真空電接點壓力表、排氣電動閥、排水電動閥。同時在真空管路增添電動球閥，在真空泵汽水分離器增添電動閥進行自動補水。

理論上每提高真空度-0.01MPa,提升水位約1m。如果我們需要提升水位約4m，我們可將真空罐的電接點壓力表的下限值調到-0.04MPa,而上限值調到-0.05MPa即可滿足工藝要求。根據真空罐的負壓，控制真空系統自成閉環控制，用PLC真空泵的啟停。

加真空罐的優點：（1）用真空罐抽虹吸真空相比直接使用真空泵抽虹吸真空，可以使整個系統達到一個相對穩定的負壓狀態，并且減少抽管路真空的時間，為自動化控制提供更加快捷的時間參數。（2）在抽真空過程中，真空形成之后，由于閥門關閉延遲等原因，會有少量水隨管路進入真空泵。添加真空罐可防止虹吸形成將水帶入真空泵，打擊和腐蝕葉輪，起到一個反沖的作用。（3）使用真空罐抽真空可不受真空泵性能影響，只要達到的真空度夠高，就可保證12格濾池虹吸形成的時間基本相同，為自動反沖洗提供更穩定的控制方案。

真空系統運行步驟應改為：打開真空泵及其進氣閥，先將真空罐抽成真空，但不開虹吸管的閥門，達到預定真空度且穩定之后，關閉真空泵及其進氣閥，再打開虹吸管閥門抽真空。

但增加真空罐也可能會出現以下問題。

（1）真空罐會增加占地面積。真空管道與虹吸管氣體體積總和大概為4m3，排水虹吸高度差4m，根據抽氣時間計算公式：

式中：t為抽氣時間，min；V為真空系統的容積，m3；S為真空泵的抽氣速率，m3/min；P1為真空系統初始壓力，kPa；P2為真空系統終了的壓力，kPa；Kq為修正系數。

根據理論算，如果要靠真空罐建立虹吸，由于現場1#真空泵能達到的最大真空度只有-0.5MPa，并且真空度要在-0.4MPa以上，真空罐體積要在4m3左右。2m3真空罐是高2.8m，直徑1.2m的圓柱體，因此理論上要增加2個2m3真空罐。

（2）抽真空后，真空罐內會形成積水，要自動排放，還須增添相應的電磁閥、水位計、電接點壓力表等，增添了改造部分設備的成本。

（3）如果讓真空罐一直保持在真空負壓狀態，閥門和真空電接點壓力表等設備長時間有壓力，可能會減短其壽命。如果只在需要反沖洗時才將罐抽成真空，由于此過程被一分為二，會導致單格濾池沖洗時間的加長，也可能會影響整個濾池的反沖洗時間。

（4）使用真空罐抽虹吸，由于負壓高，開閥瞬間氣體對閥門的沖擊會比較大，有可能會影響管路和閥門的氣密與壽命。

要注意的是真空管路應盡量高于真空罐。由于虹吸形成之后，閥門的關閉會有延遲，少量水會隨真空被抽起，進入到管路和真空罐中，如果真空管低于真空罐，水會余留在管道內，無法全部到達真空罐內。為減少管內殘留的水，應盡量把管路抬高。

總體來說，在條件允許的情況下，增加真空罐是保證抽真空時間穩定的良好選擇。

2.1.2 改造真空管路

在真空管路的改造上，主要要考慮以下幾個問題。

（1）真空管徑的選擇至關重要。大口徑的管可以加快抽氣速度，減少真空形成時間，讓反沖洗更好操作；但大口徑的管更大、更重、不好布置，而且還要加大抽氣量，也會增加真空泵的抽氣時間，電耗更大。小口徑與大口徑管路正好相反，但小口徑管路布管方便，用料少，對應的閥門也較小，可以降低設備成本。

（2）在管路的布置方面，各池的距離應相對平均，保證時間基本一致，便于控制。并且真空管路應當越短越好，加快抽真空速度。

（3）原有的管路設計不夠合理，真空泵距離池子有遠有近，不好控制。為加快抽真空時間進度，設計更換所有真空管路，將原有的DN25真空管全部改為DN50管。

圖3 管路改造圖

圖4 自動控制系統流程圖

不僅如此，可考慮在真空泵出口處增添4個電動閥門（如圖3），把真空管路分為4個部分，每個閥門控制3個池子，需要用到這片區域池子才打開此閥門，這樣可以避免某些池子因真空管道過遠造成的真空形成時間不均等，同時也可減少需要抽氣的管路體積，節省時間，亦可減少各池建立虹吸的相互影響。

2種改造方式各有優缺點，對比如下。

（1）增添真空泵可提高穩定性，使得各池子抽真空時間接近，且不受真空泵性能退化影響，但占用大量空間。

（2）可節約改造成本，減少占用空間，但穩定性不高。

經討論，在條件允許的情況下，最好的辦法是以上方法結合，增加真空罐同時改造真空管路，既可增加系統的可靠性，又可保證抽氣效率。

3 自動系統改造

增添1臺施耐德M580公共沖洗柜PLC，每格濾池操作臺增加1個施耐德M218PLC。主要需要執行的操作為為恒水位過濾與自動反沖洗2部分。主要的流程如圖4。

4 結語

雙閥濾池是水廠最常見的濾池之一。其中真空系統是關系到濾池反沖洗穩定性與安全性的重要因素，分析真空系統有助于實現濾池的完全自動化控制，實現水廠無人值守的目標。通過對高殿水廠3#濾池的分析，總結了一些對雙閥濾池系統中的真空系統及其自動化改造的關鍵因素，在工藝上提出初步的改造計劃。接下來還需進一步結合實際，完善改造的各項工作，提出一個更加切實可行的計劃。