天津市自来水集团静海水务有限公司
摘要：自来水加压泵站中的消毒是供水工作中不可缺少的部分，是保证供水安全的重要措施之一。随着工程中的自动化部分应用的逐渐增加，减少了人工的参与，提高了工作的效率。本文以天津静海水务有限公司唐官屯加压泵站中次氯酸钠消毒剂投加系统的自动控制为实际案例，为今后的设计和生产控制工作提供实际案例及经验。
关键词：加压泵站；次氯酸钠溶液；自动控制
一、前言
天津静海水务有限公司唐官屯加压泵站的自来水加氯系统采用投加次氯酸钠溶液消毒，是现加压泵站中不可缺少的重要环节。次氯酸钠的投加方式分为清水库前投加和串联加压投加的两种方式。第一种投加方式：进清水库前投加的投加点位于进水调节阀与清水库进水管之间，其目的在于提高自来水的余氯含量，杀死来水中的微生物或氧化分解有机物，保证进清水库内水的含氯量，在清水库里存放一段时间后通过低放泵送至管网，保证出水的余氯含量符合设定标准。第二种投加方式：串联加压消毒的投加点位于进水串联管线上，在此处投加次氯酸钠溶液，通过串联加压泵将自来水供至管网，保证出水的余氯值在1.0mg/L-1.2mg/L。本文介绍次氯酸钠溶液自动控制投加系统的精确控制在唐官屯加压泵站生产过程中的实际应用。
二、系统概述及功能介绍
2.1 加氯工艺介绍
天津静海水务有限公司唐官屯加压泵站日供水量为5万吨，次氯酸钠溶液自动控制系统安全可靠、维护方便、扩展性强。可实现中控室远程监视控制、现场无人值守；能实时获取系统各种运行参数，能自动进行设备切换和投加调整；能对设备故障、生产异常等进行报 警和紧急处理，保证各环节余氯值符合指标控制要求。
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图2-1水厂加氯系统工艺图
2.2 次氯酸钠药液说明
次氯酸钠溶液是一种用途广泛的广谱杀菌灭藻剂，它有较好的安全性和便于贮存的优点，次氯酸钠消毒法是自来水厂目前使用最安全、最广泛并且操作最简便的消毒方法。使用的次氯酸钠溶液氯浓度一般为10%的有效氯。
分子式:NaClO
相对密度(水=1): 1.1
次氯酸钠不稳定，遇光易分解，使用浓度高分解快、温度高分解快。
次氯酸钠溶液是微黄色在水中水解为次氯酸和次氯酸根。
自身分解方程式：2NaClO=2NaCl+O2
水解反应：NaClO+H2O=NaOH+HCLO
次氯酸分解：2HCIO=2HCl+O2
分解产生的盐酸和次氯酸反应产生氯气:HCIO+HCl=H2O+Cl2
2.3 投加设备说明
投加设备宜选用格兰富的数字计量泵。最大量程为17L/H。
该泵性能优越，其中数字隔膜计量泵绝对不泄露，安全性能高，计量精确，流可以从零到最大额定值范围内任意调节，压力可以从常压到最大允许范围内任意选择。
调节直观清晰，工作平稳，无噪音，体积小，重量轻。维护方便，就地操作可通过触摸屏进行操作和设置参数。
由于公司管理泵站共有6座，均需要投加次氯酸钠溶液，唐官屯泵站为试点泵站，根据泵站运行实际，子牙泵和团泊东区泵水量及来水余氯值具有代表性，适合作为设备造型的参考。子牙泵站来水最低余氯值0.05ppm,最大进水量 500方/小时，要求余氯值1.3；最高需加药6.3升/小时。
东区泵站最大进水量3000方/小时， 来水最低余氯值 0.9ppm，要求余氯值1.3；最高需加药12升/小时。1.3-0.9=0.4x10=4g/Tx3000=12000/1000=12L/h。
故加药泵参数选型为15L/h 左右为宜。
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图2-2 次氯酸钠溶液投加泵
2.4 自控系统说明
加氯系统现场设PLC（可编程序控制器）控制站。PLC的硬件配置如图2-3，包括1个CPU模块CPU31110,4个32路DI模块DDI35300，1个32路DO模块DDO35300，5个8路AI模块AVI03000，28路AO模块 ACO13000。
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图2-3 PLC配置图
主要功能是通过可编程控制器PLC和人机界面HMI预先编好的程序，对现场的实际情况进行数据采集、数据运算分析和控制输出。PLC在进行数据采集和处理过程中，主要考虑的问题是选择合适的采样速度和点数;读取输入数据、检查读入数据是否有效。根据要求采集的信号主要有储药罐液位、数字计量泵参数、流量计流量、进水余氯、出水余氯、系统故障报警等。
2.5 清水库加氯自动控制方案
进清水库前投加点位于进水调节阀之后，进清水库之前的管路上。主要控制方式为比例投加，根据进水流量及来水余氯计算出投加量进行投加。
投加公式：计算加氯量=K*进水流量*计算需氯量/药液浓度/药液比重
计算需氯量=设定进清水库需氯量-进水余氯
公式中K-代表比例参数，参数取值由操作人员按照实际情况进行输入，
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表2-1比例参数表格
表2-1是在人机界面上显示的比例参数键入界面，在运行过程中操作人员可通过该表格中的“投加量设定”、“比例系数”进行手动键入数值。
投加设定：进清水池需要设定的余氯值
比例系数：比例投加计算中的修正系数，运行中如果化验的余氯值偏低则将比例系数稍微增大，如果化验的余氯值偏高则将比例系数稍微减小。
设定进清水库需氯量根据季节的不同及每天送水量的不同进行自动改变。
夏季的需氯量大因此会自动升高设定需氯量，冬季需氯量小因此也会自动较低设定需氯量。
由于来水余氯采样时间的滞后，因此来水余氯是根据4小时的余氯变化进行一次对系统参数的修改。
根据每日的送水量计算出来水将在清水池存留的时间，当送水量较小时来水将在清水池存留的时间较长，系统将自动升高设定清水池需氯量，当送水量较大时来水将在清水池存留的时间较短，系统将自动降低设定清水池需氯量。
保证低放模式时出厂水余氯稳定在1.0mg/L-1.2mg/L。
2.6 串联加压加氯自动控制方案
串联加压加氯投加点位于串联加压管道上。控制方式以比例投加为主，复合环控制作为闭环控制为辅。复合环修正计算投加量只占比例投加参数的±20%，这样计算可以保护当出现出水余氯仪表故障时，加氯系统不会出现大的波动。
计算加氯量=K*进水流量*计算需氯量/药液浓度/药液比重±复合环修定值
计算需氯量=设定出水需氯量-进水余氯。
公式中K-代表比例参数，参数取值由操作人员按照实际情况进行输入，如表2-1
由于来水余氯采样时间的滞后，因此来水余氯是根据4小时的余氯变化进行一次对系统参数的修改。
由于左右着加氯投加量的因素较多：进水水量的变化、进水余氯值的变化，因此加氯投加泵先按比例对投加量进行调节，消除因进水量的变化而对余氯值产生的影响。然后，数字计量泵自调系统再根据余氯值的大小自动修正，保证余氯值在设定的范围之内，基本消除了投加泵自调系统的滞后现象，使投加泵自调控制系统稳定的运行。可将以上对加氯量投加控制过程用逻辑框图表示，
图中：给定元件—代表次氯酸钠药液浓度及比重，调节元件—代表投加次氯酸钠药液量的计算公式，执行元件—代表次氯酸钠投加泵,前馈元件—代表进水流量值（现场仪表信号直接接入PLC）,反馈元件—代表出水余氯值（现场仪表信号直接接入PLC）,对象—代表投加点的计算加氯量
另外，在投加次氯酸钠药液量的计算公式中的复合环修定值的取值可以通过如下计算确定。过程的滞后时间（t）等于加氯投加点到余氯取样点之间的时间（t1），余氯取样点到余氯分析仪之间的时间（t2）和余氯分析仪测量的余氯值传送到投加泵控制器之间的时间、样品分析所需的时间（t3）相加。即：t=t1+t2+t3
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图2-4 加氯系统逻辑框图
由于余氯仪取水的时间滞后，包括余氯仪分析时间的滞后，本系统设定复合环修正时间最低设为10分钟对计算加氯量进行修正。根据其它因素的不同，修正时间也会自动进行调整。
系统中的执行元件也就是次氯酸钠投加泵，本工程采用的数字投加泵，泵自带控制器，对余氯及其滞后时间采用积分控制。因为投加系统的滞后时间是按照流量的变化而变化。在高流量时，加氯投加点到余氯测量点之间的时间较短；在低流量时，水的流动是沿着管壁慢慢地流动，滞后时间较长，对于数字投加泵的控制系统，由于可变时间成份的特点，在很低流量时，此控制器可以控制余氯值保持稳定，这就需要滞后时间的可变时间成份。
可以通过PLC对数字投加泵进行积分的调整，适当地调整积分参数，使加氯自控系统具有最好地控制效果，允许少量越过设定点。
如果自动需要几个增加才能达到设定点。如图2-5所示，需要增加积分较小的数值。直到有两个增加就能在设定点的附近，如图2-6所示。
图2-6余氯值与滞后时间积分曲线2
如果自动越过设定点，并且需要几个增加才能靠近设定点。如图2-7所示。减少积分参数较小的数值，直到有一个越过设定点，然后在设定点附近，如图2-8所示。
图2-8余氯值与滞后时间积分曲线4
调整好以上的参数后，就可以实现PLC对数字投加泵的自动控制投加，同时出水余氯值可以满足泵站出厂水的水质要求。
三、工艺改造前后的加氯情况对比
3.1工艺改造前加氯情况
投加次氯酸钠调整自来水至设定余氯值时，需要人工调整加氯泵泵送量，受来水余氯的稳定性和来水流量的稳定性影响较大，很难及时进行相关性调整。每次调整大约20分钟，很难一次性调整至设定余氯值，同时受流量影响较大，所需时间长，对运行管理人员要求要有一定的工作经验，稳定性差。调整情况表3-1：
表3-1 次氯酸钠投加系统记录表1
四、结论
加压泵站次氯酸钠溶液自动控制系统是保证水质质量控制的一个重要环节，通过保证次氯酸钠和水尽可能的充分混合、选择合适的采样点位置、定期校准测量仪表、维修和更换易损设备等措施，自动程序消除了生产过程中的一系列干扰因素，保证了加氯调整的及时性，准确性，使次氯酸钠自动控制系统可以稳定运行，从而保障生产安全运行，满足水质控制标准要求。
参考文献
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