朱志平

(通用電氣實(shí)業(yè)(上海)有限公司 上海 201400)

0 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

在水資源日益緊張的今天，工廠的廢水，包括冷卻塔排放、濃縮水回收和處理后的氣化廢水通過先進(jìn)的水處理工藝進(jìn)行處理，不僅可以減少污染，而且可以做到水資源的再利用，提高水資源的利用效率，產(chǎn)生更高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。在內(nèi)蒙古鄂爾多斯一工廠采用水處理工藝對(duì)工廠廢水進(jìn)行再利用，其預(yù)處理工段對(duì)工廠廢水來水向澄清池中投加石灰，調(diào)節(jié)進(jìn)水pH值，以達(dá)到去除水中硬度的要求。其主要工藝流程為石灰投加進(jìn)入石灰料倉(cāng)后，通過螺旋輸送機(jī)投加入石灰乳罐制備石灰乳，石灰乳通過石灰乳輸送泵投加入投加池調(diào)節(jié)pH，工藝系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 工藝系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

該石灰投加系統(tǒng)主要包括兩部分:

(1)石灰乳液制備系統(tǒng)，工藝設(shè)備包括石灰料倉(cāng)、螺旋輸送機(jī)、振打器、石灰乳罐、攪拌器;控制部分包括料倉(cāng)高料位開關(guān)(LSH)、料倉(cāng)中料位開關(guān)(LS)、料倉(cāng)低料位開關(guān)(LSL)、補(bǔ)給水流量計(jì)(FIT2)、石灰乳罐液位計(jì)(LIT)、補(bǔ)給水閥門V0。

(2)石灰乳液投加系統(tǒng)，工藝設(shè)備包括石灰乳輸送泵、投加池及相關(guān)管道;控制部分包括進(jìn)水總管流量計(jì)(FIT1)、投加池pH分析儀(AIT)、石灰管路壓力變送器(PIT)、石灰乳輸送泵入口閥V1、補(bǔ)給水管路沖洗閥V2。

1 控制系統(tǒng)

工廠的污水處理系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)污水處理流程進(jìn)行監(jiān)控。中央控制室設(shè)置兩臺(tái)Dell服務(wù)器作為人機(jī)接口系統(tǒng)(HMI)冗余的數(shù)據(jù)采集機(jī)和主備數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，兩臺(tái)主控計(jì)算機(jī)采用AB公司RS View工控軟件，其PLC系統(tǒng)采用雙機(jī)冗余系統(tǒng)，PLC系統(tǒng)選用美國(guó)AB公司Controllogix系列PLC，其配置如表1所示。為保證可靠性，主控系統(tǒng)通過光纖以太網(wǎng)與下位的子系統(tǒng)如石灰投加子系統(tǒng)相連，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及監(jiān)視，同時(shí)主控系統(tǒng)通過Controlnet總線對(duì)部分重要數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控。主控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。

表1 Controllogix系列PLC配置表

圖2 污水處理主系統(tǒng)配置圖

石灰投加系統(tǒng)作為整體供貨設(shè)備在整個(gè)污水處理系統(tǒng)中自成一個(gè)子系統(tǒng)，設(shè)置獨(dú)立的PLC系統(tǒng)，提供觸摸屏供給就地操作，并通過光纖交換機(jī)和Controlnet總線將本地?cái)?shù)據(jù)傳送至中控室監(jiān)控計(jì)算機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。

該石灰投加系統(tǒng)儀表配置如表2所示，控制系統(tǒng)采用美國(guó)AB公司FLEXLOGIX系列PLC

圖3 石灰投加子系統(tǒng)配置圖

表2 石灰投加系統(tǒng)儀表配置

2 控制策略

2.1 石灰乳液制備系統(tǒng)

石灰乳液制備系統(tǒng)的控制關(guān)鍵點(diǎn)是按設(shè)定的石灰乳濃度在石灰乳罐中配置所需石灰乳液。螺旋輸送機(jī)為主要被控設(shè)備，采用變頻控制，選用ABB ACS800變頻器。螺旋輸送機(jī)石灰的單位時(shí)間輸送量與變頻器的頻率成線性，圖4為石灰輸出量與頻率關(guān)系圖，其斜率即螺旋輸送機(jī)石灰的單位時(shí)間輸送量，單位為kg/Hz*hr。

圖4 石灰輸出量與頻率關(guān)系圖

當(dāng)石灰乳罐液位低于石灰乳罐液位中值LIT.M(LIT，液位傳感器)時(shí)，補(bǔ)給水閥門V0打開，螺旋輸送機(jī)開始工作，其頻率通過式(1)得出，當(dāng)石灰乳罐液位高于石灰乳罐液位高值LIT.H時(shí)，補(bǔ)給水閥門V0關(guān)閉，螺旋輸送機(jī)停止工作。

式中:F—變頻器工作頻率，ρ—石灰乳濃度，F(xiàn)IT2—補(bǔ)給水流量，M—石灰的單位時(shí)間輸送量。

公式(1)中石灰乳濃度可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需要進(jìn)行設(shè)定，濃度設(shè)定后PLC即自動(dòng)根據(jù)補(bǔ)給水流量FIT2控制螺旋輸送機(jī)的頻率來配比正確的石灰乳濃度。

螺旋輸送機(jī)由變頻器進(jìn)行控制，電機(jī)的變頻范圍宜為15Hz～50Hz之間，超過這個(gè)范圍的頻率會(huì)被變頻器限制，為保證配置出正確的石灰乳濃度，根據(jù)石灰乳的設(shè)定濃度及電機(jī)的頻率上下限值(見公式(2)和公式(3))即可得出補(bǔ)給水流量FIT2的上下限制，此限值根據(jù)石灰配比濃度自動(dòng)調(diào)整，當(dāng)補(bǔ)給水流量FIT2值不在限值范圍內(nèi)時(shí)發(fā)出報(bào)警提醒工作人員調(diào)整補(bǔ)給水進(jìn)水量。

式中:FIT2.H－補(bǔ)給水流量上限值，F(xiàn)IT2.L－補(bǔ)給水流量下限值，ρ—石灰乳濃度，M—石灰的單位時(shí)間輸送量。石灰乳液制備系統(tǒng)中石灰料倉(cāng)僅安裝了高中低三個(gè)阻旋式料位開關(guān)，僅能提供高低料位報(bào)警，沒有石灰罐內(nèi)石灰的較精確料位，給石灰投加工作帶來一定困難，現(xiàn)場(chǎng)采用石灰的累積消耗量予以解決。

螺旋輸送機(jī)每次運(yùn)行時(shí)的頻率乘以石灰的單位時(shí)間輸送量，然后進(jìn)行積分累積即可得到石灰的累積消耗量，石灰料倉(cāng)的石灰總?cè)萘繙p去石灰的累積消耗量即可折算出石灰料倉(cāng)的當(dāng)前料位。石灰補(bǔ)給時(shí)，每次添加至石灰料倉(cāng)發(fā)出高料位信號(hào)LSH時(shí)，高料位信號(hào)LSH的脈沖將石灰的累積消耗量清零。通過石灰槽罐車的稱重可知每次的石灰添加量，此值與計(jì)算的石灰累積消耗量的比較可以校驗(yàn)石灰的單位時(shí)間輸送量值的正確性。

石灰乳罐的攪拌器，只要石灰乳罐的液位不低于液位低值LIT.L，則一直攪拌，以防止石灰沉淀。因石灰粉容易在料倉(cāng)內(nèi)搭橋形成空穴，當(dāng)?shù)土衔婚_關(guān)LSL報(bào)警而中料位開關(guān)LS正常時(shí)，應(yīng)啟動(dòng)料倉(cāng)振打器進(jìn)行短時(shí)振打。

2.2 石灰乳投加系統(tǒng)

石灰乳液投加系統(tǒng)的控制關(guān)鍵點(diǎn)是按設(shè)定的pH值及投加池的進(jìn)水流量來投加石灰乳。石灰乳輸送泵為主要被控設(shè)備，采用變頻控制，選用ABB ACS800系列變頻器。

石灰乳輸送泵的起停條件為進(jìn)水總管流量計(jì)FIT1的高低限值，高于高值FIT1.H時(shí)石灰乳輸送泵啟動(dòng)，低于低值FIT1.L時(shí)石灰乳輸送泵停止，同時(shí)石灰乳罐的液位低值LIT.L，作為石灰乳輸送泵的低液位保護(hù)。

投加池的體積及進(jìn)水量相對(duì)于石灰乳的投加量是巨大的，因此如果僅僅靠pH值來控制石灰乳輸送泵的頻率，則因反應(yīng)的時(shí)滯性，往往很難達(dá)到穩(wěn)定的控制效果。因此本石灰投加系統(tǒng)控制采用流量控制與pH控制雙參量的控制方式。

根據(jù)不同的進(jìn)水水質(zhì)分析得出大致的每噸水的加劑量，再根據(jù)進(jìn)水總管流量FIT1及石灰乳的濃度、密度、泵的額定輸送能力即可得出石灰乳輸送泵的運(yùn)行頻率。

式中:FFIT1—根據(jù)流量計(jì)算得到的變頻器頻率，A—加劑量，F(xiàn)IT1—進(jìn)水總管流量，ρ—石灰乳濃度，D—石灰密度，N—泵的額定輸送能力。

根據(jù)投加池的pH值，進(jìn)行PID運(yùn)算即可得到石灰乳輸送泵的運(yùn)行頻率:頻率pH(表示根據(jù)pH值PID計(jì)算得到的當(dāng)前頻率)，當(dāng)pH值高于設(shè)定值時(shí)，降低石灰乳輸送泵運(yùn)行頻率，當(dāng)pH值低于設(shè)定值時(shí)，提高石灰乳輸送泵運(yùn)行頻率。

則石灰乳輸送泵的實(shí)際運(yùn)行頻率為

式中:FFIT1—根據(jù)流量計(jì)算得到的變頻器頻率，F(xiàn)pH——根據(jù)pH值PID計(jì)算得到的變頻器頻率，F(xiàn).bias—偏置控制參數(shù)

偏置控制參數(shù)F.bias根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行工況及運(yùn)行效果調(diào)整，對(duì)流量和pH值在石灰乳輸送泵控制中的比率進(jìn)行調(diào)整，在進(jìn)水初期或流量波動(dòng)比較劇烈時(shí)，F(xiàn).bias應(yīng)接近1，以流量前饋控制為主，能提供更迅速的控制反應(yīng)。在系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定期后，F(xiàn).bias可以適當(dāng)減小，以pH的控制為主，自動(dòng)調(diào)節(jié)投加比例。進(jìn)水總管流量FIT1和投加池pH值雙參量的控制，較好的解決了流量波動(dòng)時(shí)石灰投加pH值變化滯后問題，達(dá)到了不錯(cuò)的控制效果。

由于石灰乳的特性，很容易在輸送管道中形成沉積，致使輸送壓力不斷加大，引起設(shè)備損壞及事故，因此在石灰乳輸送泵出口設(shè)置壓力變送器提供壓力保護(hù)。當(dāng)石灰乳輸送泵出口壓力高于壓力高高值PIT.HH時(shí)，石灰乳輸送泵停止工作，通知工作人員進(jìn)行管道疏通;當(dāng)石灰乳輸送泵運(yùn)行時(shí)，出口壓力低于壓力低值PIT.L時(shí)，則說明石灰乳輸送泵入口閥V1和補(bǔ)給水管路沖洗閥V2存在開啟故障，石灰乳輸送泵停止工作，以防止泵空轉(zhuǎn)。

當(dāng)石灰乳輸送泵出口壓力值大于壓力高值PIT.H時(shí)，補(bǔ)給水管路沖洗閥V2打開，石灰乳輸送泵入口閥V1關(guān)閉，用補(bǔ)給水對(duì)石灰輸送管路進(jìn)行短時(shí)間的沖洗，疏通管道。同樣在石灰乳輸送泵停機(jī)時(shí)，也須打開補(bǔ)給水管路沖洗閥V2，關(guān)閉石灰乳輸送泵入口閥V1，對(duì)石灰輸送管路進(jìn)行沖洗，防止石灰乳沉積在管路引起堵塞。

4 結(jié)論

該石灰投加系統(tǒng)自投入運(yùn)行以來，石灰投加準(zhǔn)確，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，維護(hù)工作量小，投加池出水pH基本控制在10～10.3之間，避免了pH值的大幅波動(dòng)，同時(shí)很好的解決了石灰投加管道及投加設(shè)備的淤塞問題，達(dá)到滿意的運(yùn)行效果。

［1］ 王東云，牛正光.基于Compact Logix PLC控制的污水處理系統(tǒng)［J］.電氣自動(dòng)化 2008，30(1):43－45.

［2］ 翁維勤，孫洪程程控系統(tǒng)及工程(第二版)［M］.北京化學(xué)工業(yè)出版社 2005，78.

［3］ 李士勇等模糊控制和智能控制理論與應(yīng)用［M］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社1990.