自動(dòng)化控制系統(tǒng)在自來水廠節(jié)能降耗中的應(yīng)用探析

吳媛靜 常維 羅靜 王倩

[摘? ? 要]自來水廠的供水是否穩(wěn)定以及水質(zhì)的情況會(huì)對(duì)人們的用水產(chǎn)生很大的影響，為提高水質(zhì)和減少運(yùn)行能耗，自來水廠應(yīng)當(dāng)引入自動(dòng)化控制技術(shù)，在自來水廠的運(yùn)行中使用自動(dòng)化控制系統(tǒng)。文章分析了自動(dòng)化控制系統(tǒng)的兩個(gè)主要構(gòu)成部分，探討了自動(dòng)化控制系統(tǒng)在自來水廠中的實(shí)際運(yùn)用以及系統(tǒng)的節(jié)能降耗作用。

[關(guān)鍵詞]自動(dòng)化;控制系統(tǒng);自來水廠;節(jié)能降耗

[中圖分類號(hào)]TU991.62 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2021）05–0–02

Probe into the Application of Automatic Control System in Energy

Saving and Consumption Reduction in Waterworks

Wu Yuan-jing，Chang Wei，Luo Jing，Wang Qian

[Abstract]Whether the water supply of a water plant is stable and the water quality will have a great impact on people's water use. In order to improve water quality and reduce operating energy consumption， the water plant should introduce automated control technology and use an automated control system in the operation of the water plant . The two main components of the automatic control system are analyzed， and the practical application of the automatic control system in the water plant and the energy-saving and consumption-reducing effects of the system are discussed.

[Keywords]automation; control system; water plant; energy saving and consumption reduction

生活用水和生產(chǎn)用水的不斷增多要求自來水廠在傳統(tǒng)運(yùn)行模式的基礎(chǔ)上應(yīng)用新的技術(shù)手段，通過自動(dòng)化控制技術(shù)的應(yīng)用對(duì)自來水廠進(jìn)行自動(dòng)化和智能化的控制，提高自來水廠的運(yùn)行效率，解決傳統(tǒng)運(yùn)行模式中的能源消耗問題。自來水廠應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)對(duì)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的研究和應(yīng)用，購入先進(jìn)的自動(dòng)化設(shè)備，提高技術(shù)人員的設(shè)備操作水平，降低自來水廠的能耗。

1 自動(dòng)化控制系統(tǒng)的構(gòu)成和運(yùn)行過程

自來水廠中的自動(dòng)化控制系統(tǒng)由設(shè)備及終端兩個(gè)重要的部分構(gòu)成。自動(dòng)化控制設(shè)備在運(yùn)行中有一系列完整的工藝流程，包含了取水過程、制備過程、混凝過程、沉淀和過濾過程、供水過程5個(gè)主要的流程。自來水制水工藝可以讓設(shè)備和系統(tǒng)順利轉(zhuǎn)化污水并提供自來水。自動(dòng)化控制與傳統(tǒng)的人工控制相比，具有自動(dòng)化和智能化的優(yōu)點(diǎn)，可以根據(jù)不同的污水量控制系統(tǒng)中的能源資源，以此來實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的目標(biāo)。自動(dòng)化控制設(shè)備的另一個(gè)優(yōu)勢體現(xiàn)在污水處理的過程中，可以讓污水得到最大程度的凈化，提高自來水廠的水質(zhì)。自動(dòng)化控制系統(tǒng)應(yīng)用了先進(jìn)的技術(shù)手段，技術(shù)人員只需利用計(jì)算機(jī)就可以做到遠(yuǎn)程控制，降低了自來水廠運(yùn)行中的人工成本。自動(dòng)化控制設(shè)備具有多樣化的特征，在自動(dòng)化技術(shù)的不斷研發(fā)和應(yīng)用中，設(shè)備中的各項(xiàng)功能也會(huì)不斷豐富。

系統(tǒng)終端具有控制和調(diào)整設(shè)備的功能，還可以對(duì)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)管。自來水廠的幾個(gè)控制站就是系統(tǒng)終端調(diào)控設(shè)備的場所，每個(gè)控制站都有著不一樣的調(diào)控功能。自來水廠要想有效運(yùn)行系統(tǒng)終端，就要利用好不同的系統(tǒng)。例如，系統(tǒng)終端需要數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的配合，采集自來水制水各個(gè)環(huán)節(jié)中的模擬量;需要自動(dòng)監(jiān)視系統(tǒng)的配合，有效監(jiān)管自來水制水的實(shí)際運(yùn)行過程;需要自動(dòng)集散控制系統(tǒng)的配合，將控制和調(diào)整的信息傳輸給指定的設(shè)備，調(diào)控自來水廠的水量。自動(dòng)化控制系統(tǒng)的兩個(gè)構(gòu)成部分使運(yùn)行更加智能、高效、便捷，在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用中考慮供水需求和能源消耗，做到了節(jié)能降耗。

2 自動(dòng)化控制系統(tǒng)在節(jié)能降耗方面的具體運(yùn)用

2.1 在取水過程中的運(yùn)用

自動(dòng)化控制系統(tǒng)在自來水廠取水過程中的應(yīng)用體現(xiàn)在取水泵站的頻率調(diào)節(jié)上。在傳統(tǒng)的取水泵操作中，需要收集并分析水樣數(shù)據(jù)，再按照分析結(jié)果來調(diào)整水位，這一操作要不斷開閘和關(guān)閘，每次調(diào)整都要花費(fèi)很長的時(shí)間，消耗了大量的電能，取水過程也非常低效。而自動(dòng)化控制系統(tǒng)的應(yīng)用，解決了傳統(tǒng)取水泵運(yùn)行的弊端，自動(dòng)化控制設(shè)備可以利用PLC來自動(dòng)采集取水變頻泵的頻率區(qū)間等數(shù)據(jù)信息，讓取水泵始終能夠平穩(wěn)運(yùn)行，改變了以往反復(fù)調(diào)整和長時(shí)間調(diào)整清水池水位的情況。自來水廠中除了取水泵之外，還有著數(shù)量眾多且能耗較大的設(shè)備，自動(dòng)化控制系統(tǒng)的引入和應(yīng)用能夠?qū)Ω鱾€(gè)設(shè)備實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，令各項(xiàng)設(shè)備的運(yùn)行更加智能、精準(zhǔn)、高效。

在自動(dòng)化控制系統(tǒng)對(duì)變頻泵的頻率控制中，對(duì)PLC控制系統(tǒng)的應(yīng)用，能夠?qū)崟r(shí)調(diào)控頻率，讓頻率保持在合理的區(qū)間范圍中。技術(shù)人員需要在控制系統(tǒng)的人機(jī)操作界面中設(shè)定具體的頻率范圍。PLC控制系統(tǒng)能夠?qū)⒃O(shè)備停止運(yùn)行時(shí)的頻率數(shù)據(jù)記錄到系統(tǒng)中，變頻泵再次開始運(yùn)行時(shí)會(huì)按照上次運(yùn)行結(jié)束記錄的頻率數(shù)據(jù)繼續(xù)運(yùn)行。自動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)定速泵的運(yùn)行數(shù)量的控制，定速泵運(yùn)行數(shù)量取決于變頻泵的運(yùn)行頻率，應(yīng)當(dāng)規(guī)定兩個(gè)限定值來確定自來水廠定速泵的數(shù)量。第一個(gè)變頻泵運(yùn)行頻率的限定值是在開啟一臺(tái)定速泵時(shí)的數(shù)值，第二個(gè)變頻泵運(yùn)行頻率的限定值是在停止一臺(tái)定速泵時(shí)的數(shù)值。當(dāng)變頻泵運(yùn)行頻率大于或等于第一個(gè)限定值時(shí)，應(yīng)當(dāng)確保至少有一臺(tái)定速泵能夠開啟和運(yùn)行。在停止定速泵的時(shí)候，當(dāng)變頻泵的頻率比第二個(gè)限定值低的時(shí)候，要確保至少有一臺(tái)定速泵還在運(yùn)行的過程中，這時(shí)才能進(jìn)行停止定速泵的操作。

2.2 加藥加氯系統(tǒng)的運(yùn)用

加藥加氯系統(tǒng)通過自動(dòng)化控制技術(shù)的運(yùn)用能夠有效控制藥物的使用量，自來水廠的加藥系統(tǒng)能夠根據(jù)實(shí)際情況來調(diào)整聚合氯化鋁的用量，有利于實(shí)現(xiàn)自來水廠節(jié)能降耗的目的。加藥加氯自動(dòng)控制系統(tǒng)在運(yùn)作中需要計(jì)算氯化鋁的使用量，在得到使用量后需要根據(jù)藥物量來計(jì)算藥物投入的速度，通過精確的計(jì)算得到合理的速度，在系統(tǒng)中按照計(jì)算得出的聚合氯化鋁的使用量和投入的速度對(duì)藥物進(jìn)行控制。在計(jì)算速度的時(shí)候需要做好設(shè)定，確定手動(dòng)沖程的設(shè)定量，對(duì)額定投入量進(jìn)行設(shè)定。

另外，自來水廠還存在加氯系統(tǒng)，加氯系統(tǒng)的功能是對(duì)自來水進(jìn)行消毒，加氯系統(tǒng)由三個(gè)部分構(gòu)成：真空加氯系統(tǒng)、氣源系統(tǒng)和控制檢測儀表系統(tǒng)。

加氯系統(tǒng)還包括三個(gè)程序：①前加氯。前加氯控制會(huì)用到前加氯機(jī)，要避免前加氯控制受到其他情況的影響。前加氯機(jī)能夠減少破壞，根據(jù)水量和流速來決定加氯機(jī)的實(shí)際運(yùn)行。②后加氯。后加氯機(jī)的主要功能和作用是保證自來水中的氯含量，后加氯還具有一定的消毒功效，后加氯機(jī)的運(yùn)行受到余氯和流量的控制量的影響。③補(bǔ)加氯。補(bǔ)加氯能夠保證出廠水和管網(wǎng)水兩者的水中含有一定量的氯含量。目前的加氯系統(tǒng)中的液氯經(jīng)常使用次氯酸鈉來代替，次氯酸鈉的自動(dòng)化控制系統(tǒng)在運(yùn)行中與聚合氯化氫有很大的相似性。以某自來水廠的加氯系統(tǒng)為例，該水廠的加氯系統(tǒng)分別由壓力水供給、氣源和真空加氯三個(gè)系統(tǒng)組成，該水廠將加氯設(shè)備與PLC控制系統(tǒng)相結(jié)合，對(duì)加氯的狀況進(jìn)行監(jiān)控和檢測。

2.3 沉淀池排泥系統(tǒng)的運(yùn)用

自來水廠的沉淀池排泥系統(tǒng)由排泥車和排泥閥兩部分構(gòu)成。自動(dòng)化控制技術(shù)能夠有效控制沉淀池排泥系統(tǒng)中的排泥車。系統(tǒng)自動(dòng)控制排泥閥有利于自來水廠的節(jié)能降耗，系統(tǒng)可以對(duì)排水量進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)控，還可以控制開啟排泥閥的具體時(shí)間。如果泥量增多，就會(huì)增加排泥閥開啟的時(shí)間，反之則會(huì)減少排泥閥的開啟時(shí)間。所以，自來水廠沉淀池的排泥系統(tǒng)有很好的排泥效果并能調(diào)控排水量和排泥閥的時(shí)間，排泥系統(tǒng)的排泥車可以調(diào)整排泥的速度，加強(qiáng)節(jié)能降耗的效果。

對(duì)沉淀池排污自動(dòng)控制系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行過程進(jìn)行分析。①在沉淀池的排泥車控制中，要按照沉淀池沉泥的情況和規(guī)律調(diào)整進(jìn)水和出水，沉淀池底部的沉泥應(yīng)當(dāng)從厚度較大到厚度較少的順序進(jìn)行調(diào)整。為了有效控制排泥車的速度并節(jié)約水資源，可以使用變頻調(diào)速電機(jī)，讓排泥車在沉淀池進(jìn)水區(qū)域以低速狀態(tài)運(yùn)行，在出水區(qū)域以高速狀態(tài)運(yùn)行。也可以使用定速電機(jī)，讓排泥車在進(jìn)水區(qū)域運(yùn)行總共的30%，再退回到進(jìn)水的區(qū)域，確保污泥能夠從進(jìn)水區(qū)域排放到出水端，并以空車的狀態(tài)回到原處。②在沉淀池的排泥閥控制中，沉淀池會(huì)按照實(shí)際的情況來確定排泥的周期，系統(tǒng)可以在監(jiān)測水質(zhì)的基礎(chǔ)上設(shè)置科學(xué)的排泥周期，最大程度減少排泥的時(shí)間。開啟和關(guān)閉排泥閥的時(shí)間能夠通過系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)整，各個(gè)排泥閥的開關(guān)時(shí)間能夠按照設(shè)備的具體運(yùn)行情況和平流沉淀池的特點(diǎn)進(jìn)行合理安排。污泥較多的區(qū)域要適當(dāng)增加排泥閥的開啟時(shí)間，污泥較少的區(qū)域可以適當(dāng)減少排泥時(shí)間。排泥時(shí)間的合理調(diào)整能夠降低能耗，且不會(huì)影響加藥和加氯的效果。

2.4 在送水過程中的運(yùn)用

自動(dòng)化控制系統(tǒng)在送水過程中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在送水泵的控制上，送水泵和取水泵在應(yīng)用過程中有很多相似之處。送水泵同取水泵一樣由工頻泵和變頻泵2部分組成。送水泵在運(yùn)行時(shí)要讓變頻泵穩(wěn)定持續(xù)運(yùn)行，當(dāng)其中一臺(tái)變頻泵結(jié)束運(yùn)行，系統(tǒng)就會(huì)立即開啟另一臺(tái)變頻泵。在調(diào)整變頻泵的時(shí)候需要利用出水廠的壓力，如果出水廠管道的壓力比用戶設(shè)置的壓力數(shù)值低，自動(dòng)化控制系統(tǒng)就會(huì)增加變頻泵的頻率。另外，送水泵中工頻泵數(shù)量的確定方法同取水泵相同。在送水泵對(duì)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的具體運(yùn)用中，加壓變頻泵的頻率要按照自動(dòng)控制系統(tǒng)記錄的實(shí)際出水壓力值進(jìn)行調(diào)節(jié)，根據(jù)PID參數(shù)來調(diào)節(jié)頻率。PLC控制器能夠通過變頻泵在運(yùn)行過程中的壓力來控制頻率，當(dāng)實(shí)際壓力值小于設(shè)置的壓力值時(shí)，會(huì)增加變頻泵的頻率，反之則要降低變頻泵的頻率。自動(dòng)控制系統(tǒng)在確定送水過程中的定速泵數(shù)量時(shí)，與取水過程的數(shù)量確定方法相同，同樣要選擇兩個(gè)限定值，根據(jù)限定值和變頻水泵的實(shí)際運(yùn)行頻率來確定定速泵的運(yùn)行數(shù)量。

2.5 監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)用

自動(dòng)控制系統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)主要是對(duì)中央控制器的供水量數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控。傳統(tǒng)的自來水制水工藝在調(diào)控供水量時(shí)往往要非常多的操作人員來調(diào)整控制閘的參數(shù)，在調(diào)整的同時(shí)還要保證制水設(shè)備的正常運(yùn)行，這一過程消耗浪費(fèi)了大量的能源。而且一旦在調(diào)整的時(shí)候發(fā)生設(shè)備故障的情況，就會(huì)使污水無法徹底處理，在正常運(yùn)行之后，還要再次處理污水，這種情況也會(huì)消耗和浪費(fèi)大量能源。而監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用能夠有效解決上述問題。自來水廠的中央控制器能夠通過監(jiān)控系統(tǒng)來調(diào)節(jié)控制站。系統(tǒng)能夠利用記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真模擬，通過模擬水量調(diào)整來得到最佳的設(shè)備調(diào)整參數(shù)，根據(jù)模擬結(jié)果來調(diào)整控制站的設(shè)備。監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用使控制站設(shè)備的調(diào)整更加優(yōu)化和迅速，還不會(huì)影響其他設(shè)備的正常運(yùn)行，為自來水廠節(jié)省了大量的能源資源。

3 結(jié)語

自動(dòng)化控制系統(tǒng)在自來水廠中的應(yīng)用能夠滿足節(jié)能降耗的要求，通過自動(dòng)化控制技術(shù)使自來水的取水過程實(shí)現(xiàn)了頻率的自動(dòng)調(diào)控，讓加藥加氯系統(tǒng)合理控制藥物的使用量和投入頻率，讓沉淀池排泥系統(tǒng)控制排泥閥的時(shí)間和排泥車的速度，讓送水過程能夠自動(dòng)調(diào)整頻率，讓監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控供水量數(shù)據(jù)。

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