智能化水體綜合處理裝備控制方案的設計與應用

耿志彪，季艷茹，邢 通，陳赫朋

(黃河機械有限責任公司，河南 鄭州 450006)

0 引言

南水北調中線干線工程具有明渠輸水距離長、跨渠建筑物眾多、交叉網絡交通復雜等特點。南水北調渠道受酸堿物、氧化物、油污類等化學品污染的潛在風險日益嚴峻，為有效應對常見化學品造成的突發水污染事件，對常見化學品引起的水污染事件的處理方法進行了綜合分析，組織進行了突發水污染事件應急演練，相關設備類型及布局如圖1所示，近80 m橫斷面的渠道兩側來回穿行不便，人力物力資源消耗大，專用設備較多、布局與控制較為分散，各設備間的配合默契度與響應速度等對應急處置有明顯限制。為有效保障南水北調中線安全輸水運行，提高水污染事件應急響應能力，節約人力物力，研制了一臺智能化水體綜合處理裝備，設計人員為其開發了一套智能化閉環控制系統，實現了在線配藥精細化、曝氣影響范圍可控、基本水質參數監測的高效閉環控制。

圖1 應急演練相關設備類型及布局示意

1 方案設計

為提高突發水污染事件的應急響應能力與水體處置效率，減少人工與設備資源的消耗，設計人員將圖1中的應急發電車、曝氣裝置、噴灑車、水質監測車的主要功能進行集成化設計與優化改進，集中放置于具備水上移動能力的平臺上，設計成兼具水上移動作業、在線自動配藥噴灑系統、推流曝氣系統等功能的智能化水體綜合處理裝備(見圖2)。整個設備功能(除平臺移動能力)由專用控制系統通過對硬件資源的總線連接與軟件編程的流程化設計實現了軟硬件資源的有效整合，開發了使用簡便、操作靈活、控制精度高的電氣控制系統。

圖2 智能化水體綜合處理裝備效果圖

智能化水體綜合處理裝備控制系統設計可根據不同化學品性質投入對應系統進行水污染應急處置。通過調整推流曝氣裝置的推流距離與曝氣通量等參數，實現對不同水體影響范圍內易揮發、易氧化污染物的處理；通過控制在線配藥噴灑裝置的藥劑濃度與噴灑藥量等參數，實現對不同類型(酸性或堿性)的常見化學品的處置。另外，通過在線配藥噴灑裝置與推流曝氣裝置的聯動運行能夠實現常見化學品的高效處置工作。系統在水質監測裝置的加持下，實時反饋當前水體溶氧量、pH值、酸堿度等基本參數，為水污染處置工作提供重要的參考依據。

2 控制系統組成

智能化水體綜合處理裝備控制系統主要由蓄能電源、自動配藥噴灑系統、推流曝氣系統與水質監測模塊4部分組成。控制系統主要工藝流程：蓄能電池放電—系統上電—自動配藥噴灑+推流曝氣—系統停止。

2.1 蓄能電源

裝備研發目的主要是為了保護水質安全，綠色環保的新能源電池組成為蓄能電源是最佳選擇，為了最大程度保障新能源電池的綠色環保與安全可靠程度，設計采用航空用磷酸鐵鋰電池組作為蓄能電源。

蓄能電源由電池組、雙向逆變器、電源管理系統組成。電池組由100余塊直流電池組成，雙向逆變器可實現電池組的充電與放電功能，電源管理系統能夠控制充放電電流等參數，并通過采集充放電環境信息全方位參與電源安全保護(比如蓄能電源充滿電后自動斷電，蓄電池電量過放后將停止繼續放電)。蓄能電源為整個控制系統及執行機構(除平臺移動，平臺采用汽油動力驅動)提供持續運行的基本電能。

2.2 自動配藥噴灑系統

自動配藥噴灑系統主要由預稀釋和配藥噴灑2部分組成。預稀釋包括液體藥劑和固體粉末2種，高濃度液體藥劑直接加入儲藥桶即可，而固體粉末需要預先在儲藥桶中溶解成漿液狀，此狀態下的溶液或漿液稱為原藥劑(下同)。自動配藥噴灑環節流程工藝：原藥劑準備—系統啟動—預稀釋—在線配藥—噴灑。

2.2.1 預稀釋

為了盡可能減輕或避免原藥劑對稀釋裝置耐腐蝕襯里造成的影響，提高二次配藥工作效率及精度，系統先行啟動加水泵向稀釋裝置中注水至不低于低液位時，啟動加藥泵向稀釋裝置內加注原藥劑，主系統對稀釋過程濃度數據實時采集，并與以設定噴灑濃度為基礎的計算濃度對比判斷，由控制系統主動發送指令控制加水泵、加藥泵的啟停，將原藥劑稀釋為一定濃度(濃度較為粗略)的一次藥液，當儲藥桶中藥液被抽取完或稀釋裝置液體達到高液位時，預稀釋流程結束，期間也可采用人工干預的方式即時終止(見圖3)。

注：系統內部設定數據關系有：a>b。

為了應對因環境因素造成溶液結晶等問題，稀釋裝置設計了專門的自動恒溫系統，通過對一次藥液溫度的控制，提高溶液溶解率，為應急處置提供有利條件。

2.2.2 配藥噴灑

配藥噴灑流程(見圖4)是在線配藥的最后一個環節，其配藥精度與效率直接決定裝備的應急處置能力，設計通過系統算法首先賦予清水泵、計量泵起始參數，提高系統初始階段的響應速度與配藥精度。而后，系統通過實時采集流經管道的噴灑藥液的瞬時流量、濃度等數據，由閉環控制系統對清水泵、計量泵的運行頻率作出實時調整，使配置的噴灑藥液濃度始終處于動態平衡狀態，保持瞬時流量及噴灑總量滿足應急處置工作需求。

注：C混合:需要噴灑的混合藥液的濃度；Q1：通過噴灑管道的混合藥液的瞬時流量；Q總：噴灑的混合藥液的總流量。

2.3 推流曝氣系統

推流曝氣裝置主要作為輔助型裝置使用，為了最大限度保證噴灑的藥液與受污染水體進行迅速充分混合，因此設計為在配藥噴灑系統啟動后隨即運行，推流機在將通過其空心轉軸的由曝氣風機排出的空氣壓入水體的同時，噴灑入水的藥液在推流機軸向推動力下，隨空氣向水體遠處迅速擴散反應，曝氣機補充因參與反應可能消耗的水體溶氧，提高了工作效率。設計通過改變推流機、曝氣機運行頻率以調整推流曝氣系統作業影響范圍，以此在不影響水體處置的情況下可使系統性能得到高效的發揮，其流程圖如圖5所示。但是，當水體污染物只有易揮發、易氧化的化學品時，系統可單獨啟動推流曝氣裝置，在受污染水體范圍內進行不間斷的推流曝氣操作。

圖5 推流曝氣流程圖

2.4 水質監測

智能化水體綜合處理裝備搭載有酸堿濃度計、pH計、溶氧儀等基本參數監測儀器，在移動平臺的應急處置工作中，可以實時了解當前水體的基本水質參數，與污染物總量、噴灑藥液的總量等數據進行綜合分析，判斷當前應急處置工作是否滿足預期效果，及時停止應急處置工作，避免因過量噴灑藥液、過度處置而造成資源浪費及水質二次污染等。

3 應用實踐

該裝備自2019年投入使用后，先后在南水北調中線參與多次突發水污染事件應急演練(見圖6)，在應急處置方面取得了良好的應用效果，提供了水質事件應對措施與手段，強化了建管單位應急處置能力，為南水北調輸水安全提供了技術支撐，為干渠沿線受水城市人民的飲水安全構筑了一道堅實的移動屏障。

圖6 智能化水體綜合處理裝備參與現場應急演練

4 結語

智能化水體綜合處理裝備自動控制系統的設計解決了因水體潛在污染源多樣化引起的應急處置工作資源消耗大、水體處理方式復雜化的問題，實現了通過向水體推流曝氣加速易氧化、易揮發危化物的揮發和氧化，通過自動配藥噴灑系統與推流曝氣的聯合運行消除水體污染物(酸堿類為主)的目的。