智能數字計量泵在次氯酸鈉消毒系統中的應用

馬寶圓

（天津塘沽中法供水有限公司，天津 300450）

消毒工藝在自來水處理工藝中具有非常重要的作用，目前所使用的消毒劑中氯氣最為經濟，但是氯氣在運輸、存儲、使用上存在不安全問題，在綜合考慮生產能力、現有設施設備情況、水質要求及制水成本等因素后，選取制水安全性較高、設備投加簡單、持續消毒效果好的次氯酸鈉替代氯氣進行消毒[1]。2016年7月，該自來水廠已將消毒藥劑由氯氣替換為濃度為10%的次氯酸鈉溶液，并建成了次氯酸鈉消毒系統，該系統按照流量比例的投加方式通過控制隔膜計量泵來自動調節加藥量。由于該水廠供水區域內工業水占比較多，供水量晝夜變化較大。因此，次氯酸鈉夜間最小目標投加量需調小至12 L/h，而日間最大目標投加量又需增大到60 L/h。運行2 a多來，現有消毒系統在使用過程中出現了系統維護頻繁、投加量不穩定、投加精度不高、投加量響應時間滯后等問題。該水廠希望在原有工藝條件保持不變的情況下，通過設備更新或優化系統控制方式來解決上述問題。經過反復調研，在綜合考慮投資成本、安全生產、與原有系統是否兼容等因素后，于2019年6月對該消毒系統進行了優化。

1 次氯酸鈉消毒系統及智能數字計量泵概況

1.1 次氯酸鈉消毒系統概況

該水廠現有次氯酸鈉消毒系統電氣及設備部分主要包括配電系統、PLC（可編程邏輯控制器）控制系統、隔膜計量泵、流量計、變頻器、電動閥、提升泵、液位計、液位開關等，采用流量比例的控制方式對藥劑投加量進行調節[2]，但在實際使用過程中經常會出現以下三方面的問題。

1.1.1 調節比范圍小

現有2種規格隔膜計量泵互為階梯泵使用，大泵量程為80 L/h，投加量的有效調節范圍為16～80 L/h；小泵量程為30 L/h，投加量的有效調節范圍為6～30 L/h。當藥劑的目標投加量變化較大時，需調節隔膜計量泵沖程或使用階梯泵才能讓實際投加量滿足要求，若調整不及時，則很容易導致出廠水余氯值波動。

1.1.2 實際投加量不穩定

現有消毒系統的排氣裝置只能排出儲藥罐和消毒管路內較大的氣泡，對于次氯酸鈉溶液自身分解所產生的小氣泡并不能完全排出，藥劑投加過程中小氣泡會在管路中逐漸聚集，導致藥劑的瞬時流量產生波動，嚴重時會產生氣阻，影響了藥劑投加的穩定性。

1.1.3 實際加藥量響應時間滯后

現有消毒系統是通過變頻器來控制隔膜計量泵，從而實現投加量的自動調節。但是，當原水流量發生變化時，實際投加量需要一定的時間才能調整到與目標值相同。

1.2 智能數字計量泵概況

鑒于以上情況，為了能更好地控制出廠余氯，該水廠根據實際工況配置了一臺智能數字計量泵來替代原有的隔膜計量泵，該泵的特點記述如下（以所選規格為例）。

1.2.1 調節比范圍

該規格智能數字計量泵的調節比為1∶1 000，故加藥的有效調節范圍能夠控制在0.2～200 L/h。

1.2.2 自動排氣

當次氯酸鈉消毒系統運行時，一旦泵出口檢測不到藥劑時，排氣閥會自動打開進行排氣。當排氣完成后，閥門會自動關閉繼續進行藥劑的投加。

1.2.3 加藥量控制

自帶流量控制模塊，可省去變頻器和加藥流量計，直接對數字泵的加藥量進行控制及跟蹤。

2 優化前后次氯酸鈉消毒系統使用情況比較

2.1 投加設備

優化前，該消毒系統通過隔膜計量泵、流量計、變頻器來控制次氯酸鈉的自動投加。設備的購置及維護成本高，影響投加精度的因素較多（當以上3種設備其中之一出現問題時都會導致投藥的準確度下降），缺少故障自檢、保護及提示功能，手動操作時較為繁瑣。

優化后，僅需要配置智能數字計量泵即可實現次氯酸鈉的自動投加。設備的購置及維護成本有了一定程度下降，同時更加簡單易用，維護頻率降低，增加了故障停機、過（欠）壓報警等功能，有效保障了泵組的安全運行。

2.2 PLC控制模式

該消毒系統使用施耐德M340系列PLC，同時利用Unity Pro V11.0編程平臺進行程序設計。

優化前，次氯酸鈉消毒系統在自動運行的情況下，通過變頻器的頻率變化來控制隔膜計量泵，從而間接達到調整實際投加量的目的。該過程由PLC內部的PID模塊來完成。此控制模式下，程序的編寫較為復雜且需要設定的參數較多，包括次氯酸鈉單耗AF1_RA、PID的手動輸出值out_man、比例增益kp、積分時間ti、微分時間td、采樣周期ts、頻率輸出上限out_max、頻率輸出下限out_min、沖擊模式選擇no_bump，PLC輸出的信號與實際投加量之間是非線性關系[3]。

優化前程序段如下：

chl_pid_para2[1]：=5000；（*out_man*）

chl_pid_para2[2]：=900；（*kp*）

chl_pid_para2[3]：=200；（*ti*）

chl_pid_para2[4]：=0；（*td*）

chl_pid_para2[5]：=200；（*ts*）

chl_pid_para2[6]：=10000；（*out_max*）

chl_pid_para2[7]：=1000；（*out_min*）

set（chl_pid_para2[8].4）；（*no_bump*）

NEW_LL_real：=int_to_real（NEW_LL）/50.0；

NEW_LL_int：=real_to_int（NEW_LL_real）；

LL_real：=int_to_real（LL）/1000.0；

AF1_RA_real：=int_to_real（AF1_RA）/100.0；

AF1：=real_to_int（LL_real*AF1_RA_real）；

chl_pid_para2[0]：=AF1；

B2：=NEW_AT；

pid_int（'chl'，'hz'，NEW_LL_int，b2，chl_pid_pa?ra2，AF1_AO）。

優化后，通過PLC模擬量輸出模塊將程序計算的目標投加量轉換成直流4～20 mA的電流信號后，傳送給智能數字計量泵，這樣便達到了按流量比例調整實際投加量的目的。使用這種控制方式，程序的編寫較為簡單并且僅需設定次氯酸鈉單耗這一個參數即可，同時PLC輸出的信號與實際投加量之間是一對一的線性關系。

優化后程序段如下：

LL_smooth_int：=LL/100；

LL_smooth_real：=int_to_real（LL3）；

AF3_RA_real：=int_to_real（AF1_RA）/100.0；

digital_pump_LL_ck：=real_to_int（LL_smooth_re?al*AF1_RA_real）；

if digital_pump_select then digital_pump_LL_set：=digital_pump_LL_yk*50；

else digital_pump_LL_set：=digital_pump_LL_ck*50；end_if。

2.3 投加量穩定性

優化前投加量的精度為4 L/h，時常會出現瞬間峰值，實際加藥量響應時間約有3 min的滯后。

優化后投加量的精度可控制在1 L/h，瞬間峰值已完全消除，實際投加量可同步調整到與目標投加量相同，徹底解決了實際投加量響應時間滯后的問題。

2.4 出廠余氯

優化前在12 h的時間段內，該水廠出廠水余氯最小值為0.94 mg/L，最大值為1.33 mg/L，波動范圍是0.39 mg/L。

優化后在12 h的時間段內，該水廠出廠水余氯最小值為1.06 mg/L，最大值為1.23 mg/L，波動范圍是0.17 mg/L。

3 結語

通過更換智能數字泵對次氯酸鈉消毒系統進行優化，不但容易實現，且投入成本低。優化后，相關設備故障率明顯降低，工作人員不再需要對系統進行人為干預。在保證了出廠水余氯穩定的同時，降低了系統運行成本，提高了生產的安全性，有利于在同行業次氯酸鈉消毒系統項目中進行推廣。