自来水厂自动化控制系统的应用

徐新生， 陈黎华， 刘彩娥

(常州市金坛自来水有限公司， 江苏 常州 213200)

城市的快速发展对自来水供水水质和效率提出了更高、更新的要求，传统的自来水厂控制方式已经无法满足现代化生产需求，实现自动化生产势在必行。这就要求水厂进行技术升级，提升自动化管理水平，提高工作效率，降低生产成本。

1 水厂概况

长荡湖水厂隶属于常州市金坛自来水有限公司，地处金坛区长荡湖北侧钱家村附近，总占地面积为166 483.8 m2，绿化面积为49 944.9×104m3/d，一期供水规模为20×104m3/d，采用新孟河及长荡湖双水源供水，主要承担金坛区的供水任务。2018年7月，长荡湖水厂正式投产运营，常州市金坛区供水行业迈入了区域化、市场化、专业化运作的新阶段。

金坛区采用以长荡湖为主要供水水源、与常金供水互为备用联网供水的新供水布局。长荡湖水厂是金坛区正在运行的唯一使用长荡湖水制水的水厂。根据长期的监测，长荡湖水基本属于III类水质，常年较为稳定。针对原水氮、磷偶尔超标的情况，该水厂采用常规处理+臭氧活性炭深度处理工艺。长荡湖水厂常规制水工艺流程主要包括沉淀池、砂滤池、炭滤池、清水池、吸水井、臭氧制配间、泵房泥处理等，如图1所示。

图1 水厂工艺流程

2 水厂供水控制系统总体设计

PLC是集计算机技术、自动控制技术、通信技术为一体且可编程的自动控制系统，安全可靠,操作简单，在各行各业中的应用十分广泛[1-2]。在水厂应用PLC自动控制系统，可使各个水处理操作环节更加精确化，提高了供水质量和生产效率，实现了水厂的现代化管理，并给企业带来十分可观的经济效益[3]。

长荡湖水厂制水和供水自动控制系统采用ABB系列PLC，性能稳定,可扩展性强，通过工业总线实现各个工艺点的数据互通。根据制水工艺流程，主要包括以下功能模块。

① 中控室总工艺监控平台：以人机界面显示水厂整体工艺流程，操作人员可将画面直观对应实际的生产工艺环节，监控生产运行。

② 取水泵房+沉淀池工艺监控：对取水泵房实现远程操控，将长荡湖水引入沉淀池，对取水泵房和沉淀池进行详细工艺环节显示，包括泵阀启停状态、滤前水质数据、滤后水质数据等。

③ 加药系统+臭氧系统工艺监控，实现对臭氧投加量和氯气投加量的全程监控，确保投加量准确、适宜。

④ 炭滤池系统+砂滤池系统+泥水处理工艺监控。

⑤ 冲洗泵房+送水泵房工艺监控，图形化显示和监控出水泵房设备、生产运行数据。

⑥ 配电系统监测，实时监测整个水厂高低压配电设备的运行状况，例如电压、电流、功率、温度等。

⑦ 警戒报警信息，提供对生产运行过程中各种越界信号的报警提示和显示，并通过醒目的文字、色块显示，在泵站或设备运行恢复正常时会自动消除。水厂自动化监控系统中，总工艺页面如图2所示。

图2 水厂工艺流程监控页面

3 关键工艺自动控制设计

合理的加氯量对控制水厂出水水质和水厂成本都有重要意义[4]。长荡湖水厂加氯工艺包含3个部分，即前加氯、后加氯和补加氯。前加氯在原水进入沉淀池之前进行，加氯量不大，但在使用活性炭作为净化工艺时，通常不进行前加氯；滤后水进入清水库中进行后加氯，起到杀菌消毒的作用；出厂水从清水库进入管网时监测余氯，若含量不达标则补加氯。

3.1 氯气投加量的控制设计

氯消毒是水厂生产过程中一道重要的工序，目前，常用的氯气投加主要有人工控制投加(见图3)和自动控制投加两种模式。

图3 人工控制加氯流程

首先，操作人员根据经验确定投加初始量，含氯水进入清水池并停留一段时间后经二泵房出厂。同时在清水池出口处安装余氯仪，操作人员根据其读数与期望值的偏差手工操作加氯机，调整氯气的投加量。人工控制投加在一定程度上有助于水厂生产合格的出厂水，但因其投加量完全取决于操作人员的经验，数据波动较大，稳定性较差，不利于水厂的长时间运行。充分利用工业计算机技术而开发的自动控制投加模拟便应运而生。目前，手动控制模式一般处于备用状态，在自动模式出现问题时采用。

长荡湖水厂通过引进ABB系列PLC控制系统，实现对加氯间各种设备信号的集中控制，并增加了漏氯报警、高温报警、低温报警、低水位报警等安全措施，使生产安全和效率得到了较大的提高。

为了使计量泵加氯更加精准，减轻人员工作量，采用远程操控和自动控制加药方式进行加氯控制，利用式(1)得出加药量：

QS=Q×F×K

(1)

其中：QS——加药量，mg；

Q——流量，m3/h；

F——加药量，2.5～3.5 mg/L；

K——调节流量变化引起的每升水加药量的变化系数。

计算所需加入的氯气含量后，通过 PLC 控制计量泵的工作频率，使实际加药量与理论加药量的绝对值始终保持在一个固定的范围内，实现精确加药。

3.2 氯气投加量的影响因素分析

3.2.1 接触时间

应保证消毒剂与水中杂质和微生物有一定的反应时间。

3.2.2 加氯量

除满足水消毒时需要的余氯外，应保持一定的余氯以维持杀菌的效果。一般要求接触30 min后，自由性余氯≥0.3 mg/L。

3.2.3 浊度

浊度越高，消毒效果越差，加氯量也应相应增加。

3.2.4 水温

对自由性氯消毒影响不大，但对于氯胺消毒，提高水温能加速杀菌。

3.2.5 pH

pH值较低时，OCl-的含量较高，消毒效果较好；pH值越大，加氯消毒效果越差。

3.3 氯气投加问题与处理

3.3.1 管道防腐

氯气具有腐蚀性，为了防止腐蚀渗漏，宜采用UPVC化工管路或不锈钢管路，尤其是对于法兰和丝扣连接。

3.3.2 管道结晶堵塞

氯气长时间溶于水易产生碱结垢，会逐渐缩小管径，影响投加量。对此，应安装疏通孔，定期疏通。

3.3.3 氯瓶安全监测

每天需到氯瓶间、蒸发皿室、加氯间检查各设备是否正常。检查氯瓶出口压力值，当氯瓶低于600 kg时，需密切注意瓶内液氯含量和出口压力，确保压力值不低于1 bar。每组氯瓶使用完毕后应尽快更换。

4 结语

自来水生产具有连续性、非替代性、不间断性，这就要求自动化控制系统具有较高的可靠性、高速性和稳定性。因此，不断加强对水厂的自动化控制水平，借助PLC控制技术、网络信息技术等实现生产与供水的自动控制，尤其是次氯酸钠的自动投加系统，可以有效解决供水中面临的诸多问题，对于提高水厂的生产效率,提升出水水质，降低资金投入具有重要意义。