自动化控制系统在自来水厂节能降耗中的应用探讨

柴文军

（大庆油田水务公司中引水厂，黑龙江 大庆 163000）

某自来水厂处理规模为每天20万m3，采用江水作为水源，为了达到节能降耗的要求，需要对水厂处理系统进行自动化设计。水厂的处理工艺是从取水泵房抽取江水后，进行加药、加氯处理，之后把水引入到反应池、平流沉淀池、V型滤池，再进行后加氯处理，再把水引入到清水池进行补氯，之后经过输水管线为用户提供自来水。该水厂的主要能耗有用电、加药量和氯气等，为了减少对能源的消耗，需要对水厂处理工艺进行节能调整，从而达到节能降耗的目的。

1 自来水厂自动控制系统概述

当前，水厂的自动化控制系统主要有开环和闭环两种控制方式，开环控制也被称为顺序控制，是由数据采集装置和执行元件等构成的，多用于化工生产和机械制造领域。闭环控制系统也就是反馈控制系统，对控制输出量与期望值进行比较从而获取到偏差，从而进一步修正控制输出达到设定值。从给定信号角度来看，自动控制系统中有程序控制系统、随动控制系统和恒值控制系统。随着自动化技术的不断发展，控制水平和应用范围变得越来越广泛。自来水厂担负着为城市供水的任务，随着人们对自来水质和供应稳定性方面需求的不断提升，很多自来水厂都对生产工艺进行了调整和改造，引进了先进的水质深度处理技术，可以采用信息化的手段实现供水控制，对供水压力进行实时监测。自来水厂控制环节有取水、自来水制备和加入处理药剂，混凝处理，沉淀和送水等多个环节，采用先进的控制技术可以实现制水工艺的管理。自来水厂采用PLC作为控制核心，采用多个层级的设计结构，实现对水厂处理工艺的节能控制，配备稳定的电源系统和模拟量输入输出模块，组建起完整的多层级DCS控制系统，上位机采用人机交互性能良好的触屏，工作人员可以根据生产配方输入运行参数，控制系统可以根据生产要求进行控制。还可以生产设备进行监控，及时上传运行信息，对故障进行报警。

2 取水泵站自动化控制系统设计

取水泵站设计有4台水泵用于从江中抽水，2台变频泵，另2台为定速泵，采用3用1备的工作方式，是消耗电能最多的单位。为了减少对电能的消耗，把水泵划分变频和定速两个不同的组别。每次抽水时运行一台变频器，当运行时间完成后自动切换到另一台水泵机组，控制系统会依据清水池液位情况增减水泵数量。

2.1 变频泵的控制频率设定

变频泵的运行频率会依据清水池液位情况进行调节，PLC控制系统会实时对变频泵运行频率进行控制。变频泵运行频率需要处于最大、最小值的区间内，频率的限定值需要在人机界面中进行设置。PLC控制系统会存储停止工作时的运行频率，可以保证变频泵再次启动后保持原来频率。PLC控制器会及时采集清水池的液位数据，从而计算出清水池液位趋势，当定水池设定的标准液位超过清水池实际液位，需在每分钟内提高2Hz运行频率，反之则减少2Hz运行频率。

2.2 定速泵启动数量

定速泵运行数量需要依据变频泵工作频率来确定，为了合理地选择定速泵数量，需要设置两个限定值。限定值1，用于启动1台定速泵情况下的变频泵运行频率。限定值2，用于停止一台定速泵状态下的变频泵频率。需要启动定速泵时，如果变频泵运行频率不小于限定值1时，需要保证有一台定速泵可以用于启动。如果需要停止定速泵，当变频泵频率小于限定值2时，应该保证1台定速泵处于运行状态，方可以关闭定速泵。

3 加药加氯系统自动化控制系统设计

3.1 加药控制系统

加药控制系统主要用于对聚合氯化铝药剂的消耗情况进行控制，从而可以达到节能降耗的目的，需要对氯化铝投入数量进行准确的控制。某水厂内有3台加药计量泵，运行速度可以通过PLC控制系统进行运算处理后，经过通信端口进行速度设定。加药计量泵运行速度需要依据额定的投入数量、计量泵的手动冲程、氯化铝浓度进行确定，需要根据配方参数进行计算。氯化铝的投入数量需要工作人员在人机界面的对话框中输入，沉淀池进水流量需要通过PLC控制器进行计算，求取10秒内来水流量数据平均值。当氯化铝投加的浓度、原药浓度和计量泵冲程确定后，则投药计量泵运行频率与沉淀池进水流量呈现出正比关系，为了保证达到理想的节能效果，需要依据不同的水浊度数值对投加比进行及时调整。

3.2 加氯消毒站控制程序设计

某水厂的加氯系统是由压力水供给系统、气源系统和真空加氯系统构成。为了实现对加氯状态的监测，需要在加氯机设备中引出运行信号到PLC控制系统中。

前加氯机主要是为了避免藻类以及胶体产生的破坏，前加氯可以根据水流量进行设定比例的投加。加氯机的开度由水流量、加入量确定。设计为2台加氯机，采取一备一用的设计方式，如果加氯机出现运行故障，人机界面上会进行报警，并立即启动另一台加氯设备。

后加氯是为了保证出水厂具备足够的氯含量，可以对清水池和出水管道进行消毒。加氯机的开度是由余氯控制量、流量控制量之和决定的。水流量控制量是过滤之后的水流量和投加量的乘积，余氯控制量需要依据过滤后余氯情况进行调整，范围控制在主流量的5%左右。如果余氯比设定的数据高时，每分钟内余氯量可以减少0.2kg，当小于设定值时，每分钟余氯量提高0.2kg，可以在人机界面中进行设定。

4 沉淀池排污系统自动控制系统设计

沉淀池排泥系统由排泥车、排泥阀等构成的，需要在排泥操作时进行合理的排水，避免造成水源的浪费。

4.1 沉淀池排泥阀控制

沉淀池应该根据需要设定排泥周期，每个排泥阀开关时间可以自动控制。通过对原水水质进行监测，从而确定出合理的排泥周期，减少排泥所需时间。每个排泥阀开关时间可以根据实际工作情况进行设定，结合平流沉淀池特点，设置好每个阀门的开关时间。污泥较多的部位需要较多的排泥时间，污泥少的部位需要设置的排泥时间相对短一些。每个排泥时间的设置可以有效地减少用不量，不会对加药效果造成影响。

4.2 排泥车控制

沉淀池长度较大，需要根据沉泥规律控制好进、出水，池底部污泥厚度需要按从多到少的规律进行控制，为了使排泥车达到理想的效果，不会对水资源造成浪费，排泥车可采用变频调速电机，在沉淀池进水部位低速运行，在出水部位需要高速运行。或者采用定速电机，在沉淀池进水部位行走全程的30%，再后退到沉淀池进水部位，保证从进水部位排出污泥到出水端，然后空车返回到原处。

5 送水泵自动化控制系统设计

送水泵房设置有4台清水泵，为2台变频调速电泵和2台定速水泵构成，采用3用1备的方式。每次水泵启动都需要1台变频器，变频水泵运行时间完成后，自动控制系统可以切换另一台变频水泵。运行水泵频率需要根据出水压力数值进行调节，定速泵启动需要依据运行频率决定运行数量。

5.1 加压变频泵频率调节

加压变频泵运行频率需要根据自动控制系统采集到出水压力，通过PID参数进行调节。PLC控制器会根据运行压力实时调整变频水泵运行频率。如果出水管道压力低于设定值，需要逐渐提高变频水泵运行频率。如果出水供水系统高于设定值，需要适当减少水泵运行频率。

5.2 定速泵启动数量

定速水泵的运行数量需要由变频水泵运行频率确定，为了实现对定速泵运行数量进行控制，需要确定两个限定值，一个限定值在增加定速泵运行数量时设定好变频水泵运行频率，另一个限定值是当停止一台定速水泵时变频水泵运行频率。如果变频水泵运行频率超过限定值1时，应该保证最少1台定速泵运行。当变频水泵运行频率小于限定值2时，需要保证至少一台定速泵处于停止状态。

6 结语

综上所述，自来水厂自动控制系统的应用，可以提高生产效率，减少对电能、药剂的消耗，减少工作人员的劳动强度，提高水厂的管理水平，会给企业创造更多的经济效益，值得大范围推广应用。