凈水廠氯氣投加的控制策略及其實現(xiàn)

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簡介： 本文介紹在水處理過程中，氯氣投加的幾種自動控制系統(tǒng)，并敘述了其系統(tǒng)構(gòu)成、控制原理、應(yīng)注意的問題。
關(guān)鍵字：加氯 控制 PID

　　一 總論

　　在水處理過程中，加氯消毒是水廠水質(zhì)控制的重要環(huán)節(jié)。消毒時在水中的加氯量，可以分為兩部分，即需氯量和余氯。對于生活飲用水工藝而言，原水加氯后經(jīng)過一定時間接觸，用于滅活水中微生物、氧化有機物和還原性物質(zhì)等所消耗的氯量稱為需氯量。為了抑制水中殘余微生物的再度繁殖，管網(wǎng)中尚需維持少量的余氯。我國生活飲用水衛(wèi)生標準規(guī)定出廠水游離余氯在接觸30min后不低于0.3mg/L，管網(wǎng)未稍不低于0.05mg/L。后者的余氯量雖然仍具有消毒能力，但對再次污染的消毒尚嫌不足，而可作為預(yù)示再次污染的信號。此點對于管網(wǎng)較長枝狀管網(wǎng)有死水端的情況，尤為重要。氯化消毒時，投氯量一般應(yīng)滿足殺滅細菌以達到指定的消毒指標和氧化有機物等所消耗的需氯量及抑制水中殘存致病菌的再度繁殖所需的余氯量。同時，投加量過高易產(chǎn)生致癌物質(zhì)三氯甲烷、四氯甲烷等。因此，在水處理過程中正確控制加氯量是至關(guān)重要的。

　　加氯是現(xiàn)行常規(guī)水處理過程中確保水質(zhì)不可缺少的重要環(huán)節(jié)。水處理的氯氣投加分為前加氯和后加氯。前加氯在原水的管路上進行投加，其目的在于殺死原水中的微生物或氧化分解有機物；后加氯一般在濾后水的管路上投加，其目的主要是起消毒作用。

　　正確選擇和使用可靠的加氯設(shè)備，是保證加氯安全和計量準確的關(guān)鍵。為了滿足不斷提高的城市供水水質(zhì)要求，提高加氯系統(tǒng)的安全可靠性，降低操作工人的勞動強度，提高水質(zhì)的余氯合格率，應(yīng)積極采用先進的氯投加設(shè)備和控制技術(shù)。

　　二 PID控制數(shù)學(xué)模型

　　PID調(diào)節(jié)規(guī)律使比例、積分、微分三種調(diào)節(jié)規(guī)律結(jié)合。在容量之后大而又要消除余差的場合廣泛適用。它仍以比例作用為基本調(diào)節(jié)規(guī)律，以微分的超前作用克服容量滯后、測量之后，以積分作用最后消除余差。PID方程計算的結(jié)果驅(qū)使受控的過程變量達到期望值。氯消毒是一個比較復(fù)雜的過程，對它的動態(tài)特性進行數(shù)學(xué)描述比較因難。在PID方程中，PID參數(shù)設(shè)定根據(jù)原水水質(zhì)和經(jīng)驗進行設(shè)定，比例調(diào)節(jié)的作用是快速調(diào)節(jié)偏差的大小，偏差大調(diào)節(jié)大，偏差小調(diào)節(jié)小。積分調(diào)節(jié)的作用是逐步改變調(diào)節(jié)作用，偏差大調(diào)節(jié)作用變化速度快，反之則慢。微分調(diào)節(jié)的作用是使偏差快速消除，可以選擇方程中的微分項是作用于誤差的變化還是作用于過程變量的變化。我們只須對設(shè)定值的變化作出正常反應(yīng)。根據(jù)經(jīng)驗微分增益值不宜過大。

　　三 氯氣投加的自動控制

　　對于氯氣的自帶投加控制，按控制系統(tǒng)的形式劃分，可以有以下幾種：

　　(1)流量比例前饋：即控制投加量與水流量成一定比例。前加氯主要目的是殺死水中的微生物或氧化有機物，對投加量準確性要求不高，以采用原水量進行比例投加為好。所以流量流量比例前饋控制一般應(yīng)用于前加氯。投加量按下式確定：

　　Y=1000KQ                    （3－1）

　　其中 Y——前加氯的投加量(mg/L)

　　     K——單位原水投氯量(mg/L)

　　     Q——與投加點對應(yīng)的原水進水量(m³/L)

　　如果已知K、Q，則可以計算出前加氯的投加量，調(diào)節(jié)加氯機的投加量從而實現(xiàn)前饋比例投加。

　　(2)余氯反饋控制：按照投加以后水中的余氯進行反饋控制。在處理水出廠前，檢查水中余氯，該值被反饋到控制系統(tǒng)中，并與余氯設(shè)定值比較，控制系統(tǒng)根據(jù)兩者的偏差情況，采用PID調(diào)節(jié)方式調(diào)節(jié)投加量，使濾后水余氯穩(wěn)定在設(shè)定值附件。這種控制方式從濾后投加點要經(jīng)過清水池，系統(tǒng)滯后較大，通常在30min以上，控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)特性不好，尤其是當水質(zhì)水量變化較大時問題更為突出。一般這種方式較少采用。

　　(3)復(fù)合環(huán)控制：即按照水流量和余氯進行的復(fù)合控制，或雙重余氯串級控制等。

　　前饋反饋復(fù)合環(huán)控制就是按前饋流量比例和余氯反饋進行復(fù)合調(diào)節(jié)。前虧比例調(diào)節(jié)可以迅速地調(diào)整由于處理水量變化產(chǎn)水的氯需求變化；反饋調(diào)節(jié)可以對余氯偏差進行更準確的修正，調(diào)整特性較簡單，反饋控制有所改善。但是這種調(diào)節(jié)方式仍不能解決水質(zhì)迅速變化所產(chǎn)水的問題。

　　(4)其他控制方式，如以PH值和氧化還原電勢為參數(shù)進行控制等。

　　四 氯氣投加自動控制的實現(xiàn)

　　4-1流量比例前饋

　　流量比例前饋具體的實現(xiàn)投加量控制的原理為：

　　原水流量信號經(jīng)PLC輸入到前加氯控制器（比例控制器），比例控制器根據(jù)流量的大小，輸出相應(yīng)的調(diào)節(jié)量，調(diào)節(jié)電動閥的開度，其控制的數(shù)學(xué)模型如下式所示：

　　I₀=K_fQ_m                        （4－1）                  

　　其中：I₀——控制器輸出（4~20mA）；

　　K_f——比例系數(shù)；

　　Q_m——原水瞬時流量。

　　比例系數(shù)K_f的設(shè)定根據(jù)前加氯量（需氯量）的多少而定。比例系數(shù)K_f的設(shè)定值可通過在上位監(jiān)控機上由操作人員根據(jù)工藝要求及原水需氯量的大小進行改變。系統(tǒng)圖如下：

　　前加氯比例投加控制系統(tǒng)圖

　　4-2余氯反饋控制

　　余氯反饋控制的實現(xiàn)原理如下：余氯分析儀對取樣泵取來的水進行余氯分析，之后將余氯量轉(zhuǎn)換為電信號發(fā)送給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)作出分析后輸出相應(yīng)的調(diào)節(jié)量給加氯機，加氯機根據(jù)電信號，調(diào)節(jié)電動閥的開度。系統(tǒng)圖如下：

　　后加氯反饋控制系統(tǒng)圖

　　4-3 復(fù)合環(huán)控制

　　復(fù)合控制是流量比例控制與余氯PID控制的有機給合，在復(fù)合控制過程中，流量比例控制根據(jù)流量的大小，根據(jù)其控制的數(shù)學(xué)模型，快速地給調(diào)節(jié)閥一個初始的閥門開度信號，建立一個基本的控制模型。余氯分析儀的余氯信號經(jīng)PLC作為一個過程變量輸入控制器，控制器通過比較過程變量與余氯設(shè)定值產(chǎn)生的誤差，由PID方程計算出其輸出量，即修正量，每經(jīng)過一個滯后時間周期，從流量比例控制賦予調(diào)節(jié)閥的初始開度開始，逐步對其進行修正，直到余氯達到期望值。由于PID方程計算出的修正量，是一個累加值，其超越流量比例控制賦予調(diào)節(jié)閥的初始閥門開度值，為達到余氯設(shè)定點，具有驅(qū)使電動閥全開或全閉的能力。流量比例控制的數(shù)學(xué)模型如式（4—1）所示，其比例系數(shù)Kf設(shè)定值由操作人員根據(jù)工藝要求、原水水質(zhì)、濾后水余氯設(shè)定值的高低及實踐經(jīng)驗進行改變。系統(tǒng)圖如下：

　　后加氯前饋反饋控制系統(tǒng)圖

　　4-4 其他控制

　　其他控制方式與前邊集中方式相似，只是測量的指標不一樣，如根據(jù)PH值轉(zhuǎn)化的調(diào)節(jié)信號進行調(diào)節(jié)，以及根據(jù)氧化還原電勢轉(zhuǎn)換的調(diào)節(jié)信號進行調(diào)節(jié)等等。例如：

　　五 影響加氯自動控制的主要因素及應(yīng)注意的問題

　　5-1加氯機控制器PID參數(shù)的整定

　　(1)比例增益和積分增益（Prop Gain and Integ Gain）

　　控制器所提供的比例增益和積分增益常數(shù)，其設(shè)定范圍為0—100%，默認值為50%。改變其任一項均可引起PID方程的輸出量（修正量）的變化。使用者投入運行后，應(yīng)對Prop Gain and Integ Gain常數(shù)進行整定。整定時應(yīng)以控制器提供的經(jīng)驗常數(shù)（默認值）為基準，根據(jù)實際應(yīng)用逐步作適當調(diào)整。整定時應(yīng)通過來回改變設(shè)定值，比較余氯值與控制器的輸出量的變化及振蕩時間來選取合適的Prop Gain and Integ Gain常數(shù)。值得注意的是，增益常數(shù)設(shè)置太高可能會引起振蕩加劇，設(shè)置太低會引起控制器反應(yīng)遲鈍，Prop Gain and Integ Gain常數(shù)的整定應(yīng)分別獨立進行。

　　(2)固定滯后時間和滯后時間總量（Fixd Lag Time and Total Lag Time）

　　滯后時間是控制器通過PID控制對調(diào)節(jié)閥開度進行修正的時間周期。其包括固定滯后時間（Fixd Lag Time）和滯后時間總量（Total Lag Time）兩個參數(shù)。滯后時間由三部分構(gòu)成，如圖1所示；①從水射器的投加點到余氯采樣點所需的時間t1；②從取樣點到余氯分析儀測出余氯值所需的時間t2；③從余氯分析儀的余氯信號傳輸?shù)娇刂破魉璧臅r間t3。其中，t1的大小與流量的大小相關(guān)，其包含一個可變時間t’。在整定滯后時間時以流量最大時測出的滯后時間作為固定滯后時間和在流量最小時測出的滯后時間作為滯后時間總量分別輸入到控制器，控制器可根據(jù)流量的大小自動計算出可變時間t’的大小，修正滯后時間總量。

　　5-2取樣時間的長短，取樣點所處位置是否合理，直接影響加氯效果

　　后加氯在投加氯后經(jīng)過充分混合后，一般以3分鐘為宜?？s短取樣時間通常有兩種方法：一是盡量縮短取樣管的長度，取樣管越短則響應(yīng)越快；二是加大取樣水管排水管排水分流以加快取樣水的流速。

　　5-3余氯分析儀檢測值的正確性是控制加氯的關(guān)鍵

　　由于余氯分析儀存在零點漂移，應(yīng)定期進行校正，并經(jīng)常清洗電極。同時應(yīng)保證取樣管通道暢通，正確調(diào)節(jié)取樣水通過測量室的流速。

　　5-4 采用抗干擾措施

　　交流電源采用凈化電源，濾除電源中的中高頻諧波；電氣、儀表線隔離敷設(shè)，消除交流電對直流信號的干擾，儀表信號線采用雙絞屏蔽線及正確接地。

　　六 結(jié)束語

　　加氯自動控制系統(tǒng)可以使氯氣良好準確安全的投加，既能得到良好的出水水質(zhì)，又能取得較好的經(jīng)濟效益，在給水廠水處理過程中具有十分主要的意義，在水廠中逐步應(yīng)用起來，但其還有不完善之處，如不能適應(yīng)水質(zhì)的較大變化，進一般研發(fā)新的控制技術(shù)，使其得到晚上，在將來的給水處理中定有大的發(fā)展前景，注意其應(yīng)用中存在的問題，必將取得非常好的水處理效果。