自動化控制系統(tǒng)在自來水廠節(jié)能降耗中的應(yīng)用

王振民

（三門峽市自來水公司，三門峽 472000）

1 自動化控制系統(tǒng)簡介

自動化控制系統(tǒng)控制過程可分成閉環(huán)控制系統(tǒng)和開環(huán)控制系統(tǒng)。前者又叫做反饋控制系統(tǒng)，也就是通過輸出量和期望值之間的差距來實(shí)施控制，后者又叫做順序控制系統(tǒng)，由檢測元件、執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及被控對象所構(gòu)成，廣泛應(yīng)用于化工、機(jī)械等領(lǐng)域。從給定信號上來看，自動化控制系統(tǒng)又可分為程序控制系統(tǒng)、隨動控制系統(tǒng)和恒值控制系統(tǒng)。自動化控制系統(tǒng)應(yīng)用范圍也從機(jī)械和化工等領(lǐng)域擴(kuò)展到了醫(yī)學(xué)、生態(tài)學(xué)等領(lǐng)域，不僅對整體社會的發(fā)展具有極大推動作用，而且對于社會組織機(jī)構(gòu)以及個人均有一定影響。

2 自來水廠的制水以及自動化系統(tǒng)的構(gòu)成

2.1 自來水廠的制水

自來水廠為人們的生活、工作提供必要的水資源，滿足人們生活工作需求，所以在城市社會發(fā)展中扮演著不可替代的角色。隨著人們用水需求的增加，自來水廠在制水和送水工藝上也進(jìn)行了改良，比如在制水上引進(jìn)先進(jìn)的深度處理技術(shù)，能滿足國家對水質(zhì)水量上的要求。比如在送水方面應(yīng)用了互聯(lián)網(wǎng)送水控制技術(shù)，對送水過程進(jìn)行全面監(jiān)督控制。此外，關(guān)于自來水廠的制水流程，主要包括取水、制備和添加藥劑、混凝、沉淀和送水幾個環(huán)節(jié)，在自來水產(chǎn)制水流程控制上采用了自動化控制儀表設(shè)備，使用分布集散的控制系統(tǒng)對制水工藝進(jìn)行自動化控制與管理。

2.2 自動化控制系統(tǒng)的構(gòu)成

自動化控制系統(tǒng)在自來水廠中運(yùn)用時(shí)是在多個多層級的控制站中的運(yùn)用，比如在一級控制站中運(yùn)用，采用的是PLC自動控制系統(tǒng)，在研究其節(jié)能降耗作用時(shí)，需要對該控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合分析。該自動化控制系統(tǒng)由CPU、電源和模擬量一級通訊等硬件配置構(gòu)成，在設(shè)置自來水基架撥號時(shí)選擇16進(jìn)制，0號主基架子的撥碼要統(tǒng)一設(shè)置為off狀態(tài)。

3 自動化控制系統(tǒng)在自來水廠中實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的方法

自來水廠中消耗的能源主要有電能、水量、藥劑量和消毒氯氣的消耗量，其中各消耗主要發(fā)生在取水泵站、加藥加氯自動化系統(tǒng)、沉淀池排泥自動化系統(tǒng)以及送水泵站中，所以為提高自來水廠節(jié)能降耗效率，需要對其中的每個環(huán)節(jié)的相關(guān)工藝進(jìn)行研究。

3.1 取水泵站自動化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

取水泵站由兩臺變頻泵和兩臺定速泵構(gòu)成，功能是為水廠提供原水服務(wù)，取水泵站是電能消耗的主要站點(diǎn)之一，也是自來水廠需要重點(diǎn)節(jié)能降耗控制的站點(diǎn)。在自動化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，可以先將水泵分成兩組，其中運(yùn)行的變頻泵為變頻組，而另一臺變頻泵和兩臺定速泵為定速組，至少保證一臺變頻泵在運(yùn)行。當(dāng)運(yùn)行的變頻泵停止運(yùn)行，且另一臺變頻泵不在運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)切換到另一臺變頻泵。至于變頻泵的頻率調(diào)整主要依據(jù)清水池的水位，PLC自動化控制系統(tǒng)根據(jù)水位值來調(diào)整變頻泵的頻率，在這一過程中，自動化控制系統(tǒng)需要記錄前一臺變頻泵運(yùn)行的頻率，目的是在另一臺變頻泵運(yùn)行時(shí)能保持之前的頻率。關(guān)于定速泵的啟動數(shù)量，主要依據(jù)是變頻泵的運(yùn)行頻率，而為了有效控制定速泵啟動數(shù)量，需要設(shè)定兩個限定值，一個是當(dāng)啟動一臺定速泵時(shí)變頻泵的頻率，另一個是當(dāng)停止一臺定速泵時(shí)變頻泵的頻率。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，如果變頻泵的頻率要高于等于第一個限定值，且兩臺定速泵中至少有一臺可用時(shí)則啟動定速泵。如果變頻泵的頻率要低于第二個限定值，且兩臺定速泵中至少有一臺是運(yùn)行的時(shí)則停止一臺定速泵。

3.2 加藥加氯自動化系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)

加藥自動化系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)主要是為了控制藥劑消耗，在自來水廠中主要是對聚合氯化鋁的投入進(jìn)行控制。想要實(shí)現(xiàn)這一環(huán)節(jié)的節(jié)能降耗，就要利用系統(tǒng)精確計(jì)算氯化鋁加入的量，并通過自動化控制系統(tǒng)對氯化鋁加藥計(jì)量泵的投入速度進(jìn)行計(jì)算和控制。在計(jì)算氯化鋁投加泵的速度時(shí)，可根據(jù)額定投加流量、手動沖程、聚合氯化鋁的濃度、投加量以及沉淀池的進(jìn)水流量等來進(jìn)行計(jì)算設(shè)定。關(guān)于自來水廠的加氯系統(tǒng)，其加氯消毒站是由氣源系統(tǒng)、真空加氯系統(tǒng)、壓力水供應(yīng)系統(tǒng)以及電氣、控制檢測儀表系統(tǒng)和氯氣泄漏檢測與安全防護(hù)系統(tǒng)組成。在消毒站程序設(shè)計(jì)中，主要分為前加氯控制設(shè)計(jì)和后加氯控制設(shè)計(jì)。前加氯控制設(shè)計(jì)時(shí)為了防止藻類以及膠體的破壞，在設(shè)計(jì)控制時(shí)要預(yù)備兩臺前加氯機(jī)，加氯機(jī)要根據(jù)原水流量的比例進(jìn)行投加，如果一臺前加氯機(jī)出現(xiàn)故障，則系統(tǒng)自動切換到另一臺前加氯機(jī)上。后加氯機(jī)是為了保證出廠水中氯的含量，目的是對清水池和出廠水管道進(jìn)行消毒。后加氯機(jī)的控制設(shè)計(jì)是綜合流量主控制量和出廠水中余氯量來進(jìn)行控制，在設(shè)計(jì)時(shí)也要預(yù)備兩臺后加氯機(jī)。

3.3 沉淀池排泥系統(tǒng)自動化控制設(shè)計(jì)

自來水廠的沉淀池排泥系統(tǒng)由排泥閥和排泥車構(gòu)成，在自動化控制設(shè)計(jì)時(shí)主要是基于排泥閥和排泥車的控制。沉淀池中通過排泥閥進(jìn)行合理的排泥工程，為達(dá)到節(jié)能降耗的效果，對排水量進(jìn)行有效控制，系統(tǒng)需要合理設(shè)置排泥的周期和排泥閥門開啟時(shí)間。在設(shè)置時(shí)用戶可以根據(jù)實(shí)際情況，如原水質(zhì)條件設(shè)定排泥周期，安排排泥時(shí)間，并根據(jù)平流沉淀池的情況設(shè)置排泥閥的開啟時(shí)間。如果泥量較大，則閥門開啟時(shí)間長一點(diǎn)；如果泥量小，則閥門開啟時(shí)間短一點(diǎn)。此外，自來水廠的沉淀池一般較長，根據(jù)沉淀池中的沉泥規(guī)律，從進(jìn)水端到出水端，泥的量和厚度是由多到少、由厚到淺的。所以，排泥車在沉淀池中排泥時(shí)，一要達(dá)到排泥效果，二要控制水量。為了實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗，排泥車如果使用的是變速排泥電車，則該電車在進(jìn)水端口應(yīng)慢速前行，在出水端口則要快速前行。如果排泥車使用的是定速電車，則可以先從進(jìn)水端前行到沉淀池的1/3處，然后再退回到進(jìn)水端，最后再次從進(jìn)水端一直前行到出水端口排泥。

3.4 送水泵站自動化控制設(shè)計(jì)

送水泵站和取水泵站一樣，也是由兩臺變頻泵和兩臺定速泵組成，其中至少要保證一臺變頻泵運(yùn)行，且將運(yùn)行的變頻泵設(shè)為變頻組，而另一臺備用的變頻泵和兩臺定速泵設(shè)為定速組。當(dāng)運(yùn)行的變頻泵運(yùn)行時(shí)間截止時(shí)，系統(tǒng)自動切換到另一臺變頻泵上運(yùn)行。關(guān)于變頻泵的頻率調(diào)整則要根據(jù)出水廠壓力的設(shè)定值來增減，用戶可以設(shè)定的壓力值和送水管道實(shí)際的壓力值來計(jì)算調(diào)整，如果管道的壓力要小于用戶設(shè)定壓力值時(shí)，則自動化控制系統(tǒng)增加變頻泵的頻率，如果管道壓力值要大于用戶設(shè)定壓力值時(shí)，則系統(tǒng)相應(yīng)地減少變頻泵的頻率。至于定速泵開啟的數(shù)量，與取水泵站一樣，也是根據(jù)變頻泵的頻率來調(diào)整。先設(shè)定兩個值，分別是啟動一臺定速泵時(shí)變頻泵的頻率和停止一臺定速泵時(shí)變頻泵的頻率。當(dāng)變頻泵運(yùn)行頻率要大于等于第一個限定值時(shí)，且有一臺定速泵可用時(shí)則啟動定速泵，若變頻泵運(yùn)行頻率要低于第二個限定值時(shí)，且至少有一臺定速泵保持運(yùn)行時(shí)則停止另一臺定速泵。

4 結(jié)語

自動化控制系統(tǒng)運(yùn)用于自來水廠中，可以有效提高節(jié)能降耗效率，所以自來水廠應(yīng)非常重視自動化控制系統(tǒng)的應(yīng)用與推廣。利用自動化控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對自來水廠制水工藝中取水、制備加藥、沉淀排泥和送水各個環(huán)節(jié)中電能、藥劑量、水量等的控制，減少能耗，提高工作效率，改善自來水廠的運(yùn)營管理水平，提高水質(zhì)，在自來水公司實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，也實(shí)現(xiàn)了社會效益，滿足了廣大人民群眾的生活、工作需要。

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