自來水廠自動化控制系統的應用

徐新生， 陳黎華， 劉彩娥

(常州市金壇自來水有限公司， 江蘇 常州 213200)

城市的快速發展對自來水供水水質和效率提出了更高、更新的要求，傳統的自來水廠控制方式已經無法滿足現代化生產需求，實現自動化生產勢在必行。這就要求水廠進行技術升級，提升自動化管理水平，提高工作效率，降低生產成本。

1 水廠概況

長蕩湖水廠隸屬于常州市金壇自來水有限公司，地處金壇區長蕩湖北側錢家村附近，總占地面積為166 483.8 m2，綠化面積為49 944.9×104m3/d，一期供水規模為20×104m3/d，采用新孟河及長蕩湖雙水源供水，主要承擔金壇區的供水任務。2018年7月，長蕩湖水廠正式投產運營，常州市金壇區供水行業邁入了區域化、市場化、專業化運作的新階段。

金壇區采用以長蕩湖為主要供水水源、與常金供水互為備用聯網供水的新供水布局。長蕩湖水廠是金壇區正在運行的唯一使用長蕩湖水制水的水廠。根據長期的監測，長蕩湖水基本屬于III類水質，常年較為穩定。針對原水氮、磷偶爾超標的情況，該水廠采用常規處理+臭氧活性炭深度處理工藝。長蕩湖水廠常規制水工藝流程主要包括沉淀池、砂濾池、炭濾池、清水池、吸水井、臭氧制配間、泵房泥處理等，如圖1所示。

圖1 水廠工藝流程

2 水廠供水控制系統總體設計

PLC是集計算機技術、自動控制技術、通信技術為一體且可編程的自動控制系統，安全可靠,操作簡單，在各行各業中的應用十分廣泛[1-2]。在水廠應用PLC自動控制系統，可使各個水處理操作環節更加精確化，提高了供水質量和生產效率，實現了水廠的現代化管理，并給企業帶來十分可觀的經濟效益[3]。

長蕩湖水廠制水和供水自動控制系統采用ABB系列PLC，性能穩定,可擴展性強，通過工業總線實現各個工藝點的數據互通。根據制水工藝流程，主要包括以下功能模塊。

① 中控室總工藝監控平臺：以人機界面顯示水廠整體工藝流程，操作人員可將畫面直觀對應實際的生產工藝環節，監控生產運行。

② 取水泵房+沉淀池工藝監控：對取水泵房實現遠程操控，將長蕩湖水引入沉淀池，對取水泵房和沉淀池進行詳細工藝環節顯示，包括泵閥啟停狀態、濾前水質數據、濾后水質數據等。

③ 加藥系統+臭氧系統工藝監控，實現對臭氧投加量和氯氣投加量的全程監控，確保投加量準確、適宜。

④ 炭濾池系統+砂濾池系統+泥水處理工藝監控。

⑤ 沖洗泵房+送水泵房工藝監控，圖形化顯示和監控出水泵房設備、生產運行數據。

⑥ 配電系統監測，實時監測整個水廠高低壓配電設備的運行狀況，例如電壓、電流、功率、溫度等。

⑦ 警戒報警信息，提供對生產運行過程中各種越界信號的報警提示和顯示，并通過醒目的文字、色塊顯示，在泵站或設備運行恢復正常時會自動消除。水廠自動化監控系統中，總工藝頁面如圖2所示。

圖2 水廠工藝流程監控頁面

3 關鍵工藝自動控制設計

合理的加氯量對控制水廠出水水質和水廠成本都有重要意義[4]。長蕩湖水廠加氯工藝包含3個部分，即前加氯、后加氯和補加氯。前加氯在原水進入沉淀池之前進行，加氯量不大，但在使用活性炭作為凈化工藝時，通常不進行前加氯；濾后水進入清水庫中進行后加氯，起到殺菌消毒的作用；出廠水從清水庫進入管網時監測余氯，若含量不達標則補加氯。

3.1 氯氣投加量的控制設計

氯消毒是水廠生產過程中一道重要的工序，目前，常用的氯氣投加主要有人工控制投加(見圖3)和自動控制投加兩種模式。

圖3 人工控制加氯流程

首先，操作人員根據經驗確定投加初始量，含氯水進入清水池并停留一段時間后經二泵房出廠。同時在清水池出口處安裝余氯儀，操作人員根據其讀數與期望值的偏差手工操作加氯機，調整氯氣的投加量。人工控制投加在一定程度上有助于水廠生產合格的出廠水，但因其投加量完全取決于操作人員的經驗，數據波動較大，穩定性較差，不利于水廠的長時間運行。充分利用工業計算機技術而開發的自動控制投加模擬便應運而生。目前，手動控制模式一般處于備用狀態，在自動模式出現問題時采用。

長蕩湖水廠通過引進ABB系列PLC控制系統，實現對加氯間各種設備信號的集中控制，并增加了漏氯報警、高溫報警、低溫報警、低水位報警等安全措施，使生產安全和效率得到了較大的提高。

為了使計量泵加氯更加精準，減輕人員工作量，采用遠程操控和自動控制加藥方式進行加氯控制，利用式(1)得出加藥量：

QS=Q×F×K

(1)

其中：QS——加藥量，mg；

Q——流量，m3/h；

F——加藥量，2.5～3.5 mg/L；

K——調節流量變化引起的每升水加藥量的變化系數。

計算所需加入的氯氣含量后，通過 PLC 控制計量泵的工作頻率，使實際加藥量與理論加藥量的絕對值始終保持在一個固定的范圍內，實現精確加藥。

3.2 氯氣投加量的影響因素分析

3.2.1 接觸時間

應保證消毒劑與水中雜質和微生物有一定的反應時間。

3.2.2 加氯量

除滿足水消毒時需要的余氯外，應保持一定的余氯以維持殺菌的效果。一般要求接觸30 min后，自由性余氯≥0.3 mg/L。

3.2.3 濁度

濁度越高，消毒效果越差，加氯量也應相應增加。

3.2.4 水溫

對自由性氯消毒影響不大，但對于氯胺消毒，提高水溫能加速殺菌。

3.2.5 pH

pH值較低時，OCl-的含量較高，消毒效果較好；pH值越大，加氯消毒效果越差。

3.3 氯氣投加問題與處理

3.3.1 管道防腐

氯氣具有腐蝕性，為了防止腐蝕滲漏，宜采用UPVC化工管路或不銹鋼管路，尤其是對于法蘭和絲扣連接。

3.3.2 管道結晶堵塞

氯氣長時間溶于水易產生堿結垢，會逐漸縮小管徑，影響投加量。對此，應安裝疏通孔，定期疏通。

3.3.3 氯瓶安全監測

每天需到氯瓶間、蒸發皿室、加氯間檢查各設備是否正常。檢查氯瓶出口壓力值，當氯瓶低于600 kg時，需密切注意瓶內液氯含量和出口壓力，確保壓力值不低于1 bar。每組氯瓶使用完畢后應盡快更換。

4 結語

自來水生產具有連續性、非替代性、不間斷性，這就要求自動化控制系統具有較高的可靠性、高速性和穩定性。因此，不斷加強對水廠的自動化控制水平，借助PLC控制技術、網絡信息技術等實現生產與供水的自動控制，尤其是次氯酸鈉的自動投加系統，可以有效解決供水中面臨的諸多問題，對于提高水廠的生產效率,提升出水水質，降低資金投入具有重要意義。