净水厂智能精准自动加药系统研究与应用

潘伟王涛张伟

日照市水务集团供水有限公司  山东省日照市  276826

摘要：选取奎山水厂生产中积累的经验及数据建立智能加药模型系统，实现水厂加药自动化、智能化。加药系统智能化的前提是自动化，本文中将加药系统的自动化分为自动投加模块和配药模块。自动投加模块以原水流量为主线，结合数字隔膜计量泵输送药液特性，通过公式定量分析，给出数字隔膜计量泵自动控制方式；配药模块是自动化系统的基础，自动化配药不需人工干预，运行人员只需要在工控机上输入药剂浓度，系统便通过预设逻辑自动精准配置所需浓度的药剂。最后从水厂实际出发，构建以7日内数据分析为基础，结合沉淀池设计参数及水质检测仪表，构建智能化加药系统模型，该系统预留应急事件切断模式，为水厂提供了一种可靠的智能化自动化安全稳定的加药系统。展望将来，将此模式推广到其他水厂以提升水厂加药系统智能化自动化，提高厂站加药系统精细化管理，推动智慧水厂再向前一步。

关键词：水厂；智能加药；自动化；定量分析；

1  水厂加药控制系统

奎山水厂加药车间自1999年建成以来一直未进行改造，后期缺少对仪器仪表的维护更新，导致加矾系统运行方式以最原始的人工控制方式运行：通过改变计量泵运行频率，实现混凝剂投加量的改变。

为了提升水厂的混凝剂投加控制精度和自动化程度，对加药间进行了全面的升级改造，从软件到硬件都进行了改进和升级。

在硬件方面，水厂进行了设备的升级。首先，引入了先进的自动化仪器和设备，例如流量计、浊度计、pH计等，这些设备能够准确地测量水质参数，并实时将数据反馈给控制系统。其次，安装了高精度的数字隔膜计量泵，能够精确地控制混凝剂的投加流量。

在软件方面，从水厂实际情况出发，构建了一套先进的自动化、智能化模型，以替代传统的手动操作。新的加药系统模型能够实时监测和分析水质指标，并根据预设的参数和算法自动调整混凝剂的投加量。

2  混凝剂自动化投加研究

加药系统自动化是实现加药系统智能化的基础，必须将自动化做到非常的稳定可靠，智能化才能在自动化基础上大放异彩。

自动加药系统核心是自动比例加药，即加药量按照原水进水流量实时自动调整隔膜计量泵频率，让计量泵的出药量达到理论加药量的值。计算理论加药量如下（固体矾）公式2-1-a：

=

公式2-1

上式中 —理论加药量（一定浓度的液体），L/h；

   —原水流量，m³/h；

   —每升原水药品投加量（纯固体矾干粉），mg/L;

—药品溶液的浓度，%；

固体矾配置浓度推荐5%-20%之间，计算中忽略药品溶液中药剂质量，假定1L药品溶液就是1KG；

液体矾（有效铝含量10%）理论加药量如下公式2-1-b

=

公式2-1-b

上式中 —理论加药量（一定浓度的液体），L/h；

   —原水流量，m³/h；

   —每升原水药品投加量（液体矾原液），mL/m³;

—药品溶液的有效铝含量，%；

奎山水厂选用普罗米特数字隔膜计量泵，其型号为：S3CBH040830PVTS110UA81000EN 具有以下优点：

普罗名特数字计量泵采用先进的数字化控制技术，可以实现远程控制和监测，使得生产过程更加自动化、精确化；同时，数字化控制还可以实现数据采集和存储，方便后期的分析和优化；它具有很强的稳定性，能够在较大范围内保持流量的恒定性；计量精度高达±0.5%，能够满足水厂的生产需求。

现场安装示意图2-1，奎山水厂现场采用B图安装；

图 2-1: A) 标准装配，B) 带脉冲阻尼器

1总管

2贮存容器

图例

符号	注释 计量泵 计量阀 多功能阀	符号	注释 带滤网的底阀 液位开关 压力表

计量泵流量设置如图2-2

图 2-2: A) 最大背压下的计量功率 C 随行程长度 s 变化的图表。B) 计量功率 C 随背压 p 变化的图表

自动加药控制系统采用4-20mA控制，计量泵设置为“模拟”运行模式，在“模拟”运行模式下，利用通过“外部控制”插座发出的模拟电流信号控制计量泵频率。在4mA时，计量泵停止工作，在20mA时，计量泵以最大频率工作，计量泵频率与电流信号成比例。

由上述泵参数设置以及计量泵运行特性曲线可知，在已知理论投药量（L/h）和数字隔膜计量泵实际冲程（%）情况下，可以通过图2-2推导出数字隔膜计量泵瞬时频率（Hz）；又已知频率（Hz）与电流信号（4-20mA）呈正比，即4mA对应泵的0Hz，20mA对应泵满频50Hz运行。

综上泵频率（Hz）推导如公式2-2：

=

公式2-2

上式中 —理论加药量（一定浓度的液体），L/h；

   —数字隔膜计量泵最大输出流量，L/h；

   —数字隔膜计量泵冲程，%;

     最终将公式2-1-a带入公式2-2中得出使用固体矾时，数字隔膜计量泵实时频率，公式2-3-a如下：

=

公式2-3-a

上式中 —理论加药量（一定浓度的液体），L/h；

   —原水流量，m³/h；

   —每升原水药品投加量（纯固体矾粉末），mg/L;

—药品溶液的浓度，%；

—数字隔膜计量泵最大输出流量，L/h；

  —数字隔膜计量泵冲程，%;

将式2-1-b带入公式2-2中得出使用液体矾矾时，数字隔膜计量泵实时频率，公式2-3-b如下：

=

公式2-3-b

3  药剂配置

根据公式2-3-b得知计量泵运行频率与药剂浓度有关，所以药剂浓度药剂配置直接关系到药剂投加量的精确度，如果药剂浓度无法定量，加药系统无实现自动化。

以奎山水厂为例，因水厂前期使用固体矾溶解后投加，现改为液体矾投加，但计量泵参数选择上参考固体矾标准，故计量泵量程选择偏大，而液体矾有效铝含量为10%，可稀释调节成5%-10%之间任意值使用；通过将奎山水厂额定设计流量、隔膜计量泵相关参数带入公式2-3-b中计算得出，隔膜计量泵频率大于12Hz即可保证系统平稳运行，精确输出药剂投加量。综上，需要将液体矾稀释成一定比例的液体方可使用。

3.1液体矾稀释配置

成品液体矾有效铝含量为10%，为确保后期药剂精准投加，这里考虑到1m³10%有效铝含量的液体矾，重量约为1.24t，这个液体矾1.24t重量数值参与药剂浓度计算。在这里假定两种不同液体混合后体积是两种液体体积之和。液体矾稀释后任意浓度有效铝含量（%），所需要多少液体矾原液（m³）公式3-1如下：

公式3-1

上式中 —所需要液体矾原液，m³；

   —溶解池底面积，㎡；

   —溶解池配置溶液高度，m;

—稀释后液体矾有效铝含量，%；

—液体矾原液有效铝含量，%；

由此公式可以计算得出任意配置的液体需要的，液体矾原液的数量（m³），通过溶解池底面积和溶解池配置溶液的高度，就可以得到在溶解池加多少液体矾原液和多少水。

即需液体矾原液（m）=

  需加水（m）=

当溶解池药剂使用完毕，PLC通过液位计低液位判断，自动配置稀释液体矾溶液，实现药剂配置自动化。当溶液池液位使用到低限时，PLC可自动控制提升泵将溶解池已配置好的液体矾提升至溶液池。

4  智能化加药系统模型建立

目前自动化精准加药系统已基本能够满足水厂日常生产，但药剂投加量还主要依赖厂长运行经验值，自动化加药系统不能根据仪表数据、经验值等参数自行调整加药量。

加药系统智能化的前提是自动化，在加药系统自动化基础上通过增加水质监测仪表，参考沉淀池设计参数，经验混凝剂投加量限制，沉后水水质指标等一系列措施，参与加药系统模型计算，最终加药系统模型会给定一个最合理加药量。

根据长年积累的水厂运营经验，影响沉淀池絮凝效果的因素主要有以下几方面：

1. 与进厂水浊度相匹配的药剂投加量、药剂浓度
2. 沉淀池设计参数，如停留时间，GT值、堰负荷、额定流量等
3. 水体富营养化，主要仪表指标氨氮、cod、溶解氧等
4. 水体温度

为了实现加药系统从自动化向智能化转变，将智能模型嵌入到加药控制系统中[1]，如下图4-1：

如图所示，该系统包含一个闭环和一个类似于闭环的比对；通过沉后水浊度实际反馈值与给定沉后水浊度目标值比对，通过智能模型调整沉淀池加矾量，使其沉后水浊度无限逼近目标值；另一个类似于闭环的比对是加矾系统实际流量与智能模型给定理论流量比对，比对差值过大系统提供报警提示工作人员，以协助工作人员检修设备；系统现场设置出药流量计，但并未使用流量计作为PID反馈，考虑原因如下：1.数字隔膜计量泵只要冲程设定正确，每次出药量是个定值，即出药量完全与泵的运行频率成直线比例。2.使用流量计作为反馈，失去了使用数字计量泵的意义，并且流量计一旦损坏，整个系统将处于不可控的局面影响生产。

智能模型架构如下图4-2

图4-2智能模型示意图

5  结束语

奎山水厂智能化加药系统模型不涉及大量数据计算清洗[2]，不额外增加像SCD流动电位仪等不易维护，易出现数据漂移的设备[3]；并没有使用像模糊神经网络控制等造价昂贵，后期维护成本高的高端算法，而且这种模型建设方自身不能完全掌握如何复制到其他水厂使用，必须需要借助于当时的施工方，并且复用费用高昂。本系统在现有经验和实际运行数据基础上分析近7日内加矾系统数据，作为智能模型系统输出加矾量，通过沉后水浊度反馈微调输出结果，使其不断接近目标值。为水厂加药智能化自动化提供了一种可供选择的新方案。

参考文献：

[1].袁卓异 自来水厂智能加药系统的设计与应用[J].湖南工业职业技术学院学报,2022,22 (05): 1-3+25. DOI:10.13787/j.cnki.43-1374/z.2022.05.001

[2].刘洪波,黄剑虹,张国荣等.给水厂混凝剂智能投加模型构建与应用[J].上海理工大学学报,2022,44(04):351-356+387.DOI:10.13255/j.cnki.jusst.20220702002

[3].曹龙.给水处理厂加药系统的控制研究[D].东北大学,2011.