高旭輝，陳 奮，于宏靜

(深圳市深水光明水務(wù)有限公司，廣東深圳 518107)

1 工程概況

深圳市光明區(qū)JZT水廠，坐落于光明區(qū)鳳凰街道辦事處甲子塘大道77號，總占地0.0 895 km2，分三期建設(shè)，始建于2001年，于2008年全部建成投產(chǎn)，總供水規(guī)模為20萬m3/d。一、二期處理規(guī)模各5萬m3/d，工藝流程為網(wǎng)格反應(yīng)池+斜板沉淀池+V型濾池；三期處理規(guī)模為10萬m3/d，工藝流程為折板反應(yīng)池+平流沉淀池+V型濾池。

該廠處理工藝包括混凝、沉淀、過濾和消毒等環(huán)節(jié)，常規(guī)投加藥劑為混凝劑(聚合氯化鋁)和消毒劑(次氯酸鈉)?；炷幚頌檎麄€水處理過程的第一個環(huán)節(jié)，通過投加混凝劑與原水中的顆粒物相互碰撞和接觸，形成礬花，是整個水處理的基礎(chǔ)。對于自來水廠而言，供水水質(zhì)優(yōu)劣不僅與處理工藝相關(guān)，同時也受到藥劑投加等因素的影響[1]?；炷端幨亲詠硭a(chǎn)過程中凈化水質(zhì)的一個重要環(huán)節(jié)，投藥后的凈化過程具有復(fù)雜性、時變性、非線性等特點。實現(xiàn)混凝投藥的自動控制可以穩(wěn)定出水水質(zhì)，降低制水成本，減輕工人的勞動強度。目前，自來水廠的藥劑投加基本采用PLC控制投加泵進行自動投藥[2-5]。

2 問題分析

自來水生產(chǎn)是一個連續(xù)的過程，故混凝劑必須連續(xù)投加，若發(fā)生混凝劑投加中斷，將引起渾濁度升高，導(dǎo)致出廠水水質(zhì)超標，甚至造成重大水質(zhì)事故，產(chǎn)生不良社會影響。近年來，在自動化高速發(fā)展的今天，投藥系統(tǒng)(圖1)投加精度和自動化程度越來越高，但是水廠斷藥、缺藥應(yīng)急投加的研究仍停留在配水井等藥劑投加點，設(shè)置應(yīng)急藥劑儲存池，發(fā)現(xiàn)斷藥、缺藥后進行人工投加，存在操作滯后、加藥及時性低等問題。

圖1 工藝流程Fig.1 Process Flow

2.1 隱患分析

經(jīng)分析，投藥系統(tǒng)斷電、投藥泵故障、投藥管道爆裂堵塞均會造成斷藥；投加管道破損或其他原因產(chǎn)生管道滲漏會導(dǎo)致投加點藥量不足造成缺藥。斷藥和缺藥都將無法保證正常生產(chǎn)。

2.2 現(xiàn)有對策

在配水井設(shè)置應(yīng)急藥劑儲存池，當水廠出現(xiàn)斷藥、缺藥情況時，進行人工投加。

當發(fā)生投藥系統(tǒng)斷電時，原水繼續(xù)流入，員工必須快速到達配水井，打開應(yīng)急藥劑儲存池的手動投加閥進行應(yīng)急投加，通常需要較長時間恢復(fù)投藥，無法保證水質(zhì)持續(xù)達標。

當發(fā)生投藥泵故障時，原水繼續(xù)流入，員工必須快速到達加藥間切換投加泵，通常需要較長時間恢復(fù)投藥，無法保證水質(zhì)持續(xù)達標。

當發(fā)生藥劑投加管道爆裂、堵塞，導(dǎo)致藥劑投加量偏少或完全中斷時，原水繼續(xù)流入，人工無法及時發(fā)現(xiàn)、常規(guī)裝置無法及時檢測，通常發(fā)現(xiàn)時已經(jīng)導(dǎo)致水質(zhì)超標。

當發(fā)生投加管道破損或其他原因產(chǎn)生管道滲漏，導(dǎo)致投加點藥量不足造成缺藥時，原水繼續(xù)流入，人工無法及時發(fā)現(xiàn)、常規(guī)裝置無法及時檢測，通常發(fā)現(xiàn)時已經(jīng)導(dǎo)致水質(zhì)超標。

綜上所述，如何快速檢測并自動應(yīng)急投加是重點、也是難點。

3 系統(tǒng)設(shè)計與實踐

3.1 系統(tǒng)總體設(shè)計思路

為解決上述技術(shù)問題，特別創(chuàng)新提出一種斷電、斷藥、缺藥情況下，無需備用電源仍可保證藥劑連續(xù)穩(wěn)定的投加系統(tǒng)，可保證出廠水水質(zhì)穩(wěn)定達標、保障水質(zhì)安全。

本系統(tǒng)安裝在配水井等藥劑投加點，通過對斷電、斷藥以及缺藥等可導(dǎo)致加藥異常情況的檢測，自動進行應(yīng)急投加，同時在中控室進行報警，提示值班人員盡快處置。所有應(yīng)急操作均無需配備應(yīng)急電源，大大提高系統(tǒng)的可推廣性。

3.2 系統(tǒng)構(gòu)成

藥劑應(yīng)急自動投加系統(tǒng)(圖2)，包括儲藥池、投加控制裝置、斷藥檢測裝置、斷電檢測裝置、缺藥檢測裝置以及遠程報警模塊。

(1)儲藥池：安裝于配水井等藥劑投加點所在構(gòu)筑物；

(2)投加控制裝置：通過安裝于儲藥池和投加點之間的斷電開啟型電磁閥控制應(yīng)急投加；

(3)斷藥檢測裝置：通過安裝于藥劑投加點浮子流量計進行檢測；

(4)斷電檢測裝置：通過電磁閥失電進行檢測；

(5)缺藥檢測裝置：通過設(shè)置浮子流量計下限，當浮子流量計低于設(shè)定值時，進行檢測；

(6)遠程報警模塊：通過外接的繼電器常開點驅(qū)動中控室或其他遠程值班室聲光報警器，實現(xiàn)聲光報警。

注：1-儲藥池;2-常開手動閥;3-斷電檢測;4-斷藥檢測;5-缺藥檢測;6-浮子流量計;7-開啟型電磁閥;8-手動閥圖2 藥劑應(yīng)急自動投加系統(tǒng)Fig.2 Emergency Automatic Dosing System

3.3 具體實施方式

3.3.1 投加控制

本系統(tǒng)在藥劑儲藥池和投加點之間的管道上安裝一個斷電開啟型電磁閥，當斷電開啟型電磁閥打開時，可實現(xiàn)無需備用電源情況下的藥劑自動投加及遠程報警。

該應(yīng)急加藥系統(tǒng)是一個重力加藥系統(tǒng)，應(yīng)急加藥量會隨貯藥箱液位下降而減小，為此需將儲藥池放置在適當高度，保證在最低液位時流量可以滿足最小投加藥量。儲藥池如圖3所示。

圖3 儲藥池Fig.3 Storage Tank

儲藥池容積的設(shè)置需綜合考慮應(yīng)急保障的時間和藥劑的保質(zhì)期，既要提供足夠時長的應(yīng)急投加時間，又要避免頻繁更換過期藥劑產(chǎn)生浪費。根據(jù)《水庫型水源給水廠特定混凝劑使用技術(shù)導(dǎo)則》，自來水廠常用液體混凝劑保質(zhì)期應(yīng)不少于6個月，固體混凝劑保質(zhì)期應(yīng)不少于12個月[6]，故常規(guī)情況主要根據(jù)需應(yīng)急加藥的時間和流量計算容積，并定期更換儲存藥劑。

3.3.2 快速檢測裝置

快速檢測裝置具有3種檢測功能，分別為斷電檢測、斷藥檢測及缺藥檢測。其具體過程如下。

(1)斷電檢測：當廠區(qū)供電中斷時，斷電開啟型電磁閥(圖4)即刻失電，可以快速檢測到斷電情況，同時電磁閥打開，啟動藥劑應(yīng)急投加。

圖4 斷電開啟型電磁閥Fig.4 De Energized Open Solenoid Valve

(2)斷藥檢測：在藥劑投加點安裝浮子流量計(圖5)，流量計浮子內(nèi)嵌磁芯，椎管外裝干簧管開關(guān)，用于流量的上下限報警輸出。浮子流量計無流量時，帶磁芯的浮子下沉至流量計椎管底部，這時下限干簧管接通，相關(guān)DI模塊的輸入點置1，延時5 s后，相關(guān)DO模塊輸出點置1，該DO模塊輸出點外接的繼電器吸合，繼電器常閉點斷開，接在繼電器常閉點的斷電開啟型電磁閥線圈失電，電磁閥打開，啟動藥劑應(yīng)急投加。

(3)缺藥檢測：當加藥管破損或其他原因滲漏導(dǎo)致漏藥時，實際投加量可能低于所需投加量，導(dǎo)致渾濁度升高水質(zhì)異常。此時可以設(shè)置浮子流量計下限，當浮子流量計低于設(shè)定值時，相關(guān)DI模塊的輸入點置1，延時5 s后，相關(guān)DO模塊輸出點置1，該DO模塊輸出點外接的繼電器吸合，繼電器常閉點斷開，接在繼電器常閉點的斷電開啟型電磁閥線圈失電，電磁閥打開，啟動藥劑應(yīng)急投加。

3.3.3 遠程報警模塊

利用3.3.2節(jié)(2)、(3)中DO模塊外接的繼電器常開點驅(qū)動中控室或其他遠程值班室聲光報警器，當出現(xiàn)缺藥或斷藥時，DO模塊輸出點外接的繼電器吸合，繼電器常開點閉合，聲光報警啟動。

3.4 實踐分析

該藥劑應(yīng)急投加系統(tǒng)相較JZT水廠原有應(yīng)急藥劑投加裝置，增加了2臺浮子流量計和1臺斷電開啟型電磁流量計及部分管材，合計金額不超過1 000元。

經(jīng)統(tǒng)計2018年—2019年JZT水廠共出現(xiàn)21次意外斷電(表1)，該系統(tǒng)均即時進行藥劑應(yīng)急投加，確保水質(zhì)穩(wěn)定。如無該系統(tǒng)，直接損失是要排放未正常投加藥劑的原水，即F=進水量×中斷加藥時間×原水單價。按照每次需要半小時重新進行投藥，則每次直接經(jīng)濟損失為8 300×0.5×1.06=4 399元，合計約9.24萬元。

表1 JZT水廠意外停電統(tǒng)計Tab.1 Statistics of Unexpected Power Outages of JZT Water Plant

除產(chǎn)生明顯經(jīng)濟效益外，該系統(tǒng)最大的貢獻是避免無法及時發(fā)現(xiàn)藥劑投加中斷或不足產(chǎn)生的生產(chǎn)隱患，大大提高水質(zhì)的穩(wěn)定性，為后續(xù)智慧水廠無人和少人值守提供有力保障。

4 總結(jié)與展望

(1)本系統(tǒng)通過檢測斷電、缺藥、斷藥信號并及時進行藥劑應(yīng)急自動投加，確保水質(zhì)達標，具有簡便性、通用性及高可靠性等特點。

(2)斷電開啟型電磁閥的選取及使用，解決了斷電檢測以及無需備用電源自動投加藥劑的難題。由于停電時間較短，電磁閥線圈處于長期通電狀態(tài)，因此，須考慮線圈溫升可適應(yīng)連續(xù)通電的條件。為此，本系統(tǒng)電磁閥線圈加裝節(jié)能模塊，有效降低了線圈溫升。

(3)本系統(tǒng)在研發(fā)及使用過程中，斷藥及缺藥檢測裝置對比使用了斷流指示器、電磁流量計、浮子流量計等多種流量檢測方法之后選擇浮子流量計，實現(xiàn)了低成本、高可靠的設(shè)計目的，同時契合了無需備用電源的設(shè)計思路。

(4)本系統(tǒng)除了可自動應(yīng)急投加混凝劑之外，同樣適用于水廠消毒劑等其他生產(chǎn)藥劑的應(yīng)急自動投加，并具有廣泛的適用性，可在自來水廠、污水廠進行推廣。