净水厂氯气投加的控制策略及其实现

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简介： 本文介绍在水处理过程中，氯气投加的几种自动控制系统，并叙述了其系统构成、控制原理、应注意的问题。
关键字：加氯 控制 PID

　　一 总论

　　在水处理过程中，加氯消毒是水厂水质控制的重要环节。消毒时在水中的加氯量，可以分为两部分，即需氯量和余氯。对于生活饮用水工艺而言，原水加氯后经过一定时间接触，用于灭活水中微生物、氧化有机物和还原性物质等所消耗的氯量称为需氯量。为了抑制水中残余微生物的再度繁殖，管网中尚需维持少量的余氯。我国生活饮用水卫生标准规定出厂水游离余氯在接触30min后不低于0.3mg/L，管网未稍不低于0.05mg/L。后者的余氯量虽然仍具有消毒能力，但对再次污染的消毒尚嫌不足，而可作为预示再次污染的信号。此点对于管网较长枝状管网有死水端的情况，尤为重要。氯化消毒时，投氯量一般应满足杀灭细菌以达到指定的消毒指标和氧化有机物等所消耗的需氯量及抑制水中残存致病菌的再度繁殖所需的余氯量。同时，投加量过高易产生致癌物质三氯甲烷、四氯甲烷等。因此，在水处理过程中正确控制加氯量是至关重要的。

　　加氯是现行常规水处理过程中确保水质不可缺少的重要环节。水处理的氯气投加分为前加氯和后加氯。前加氯在原水的管路上进行投加，其目的在于杀死原水中的微生物或氧化分解有机物；后加氯一般在滤后水的管路上投加，其目的主要是起消毒作用。

　　正确选择和使用可靠的加氯设备，是保证加氯安全和计量准确的关键。为了满足不断提高的城市供水水质要求，提高加氯系统的安全可靠性，降低操作工人的劳动强度，提高水质的余氯合格率，应积极采用先进的氯投加设备和控制技术。

　　二 PID控制数学模型

　　PID调节规律使比例、积分、微分三种调节规律结合。在容量之后大而又要消除余差的场合广泛适用。它仍以比例作用为基本调节规律，以微分的超前作用克服容量滞后、测量之后，以积分作用最后消除余差。PID方程计算的结果驱使受控的过程变量达到期望值。氯消毒是一个比较复杂的过程，对它的动态特性进行数学描述比较因难。在PID方程中，PID参数设定根据原水水质和经验进行设定，比例调节的作用是快速调节偏差的大小，偏差大调节大，偏差小调节小。积分调节的作用是逐步改变调节作用，偏差大调节作用变化速度快，反之则慢。微分调节的作用是使偏差快速消除，可以选择方程中的微分项是作用于误差的变化还是作用于过程变量的变化。我们只须对设定值的变化作出正常反应。根据经验微分增益值不宜过大。

　　三 氯气投加的自动控制

　　对于氯气的自带投加控制，按控制系统的形式划分，可以有以下几种：

　　(1)流量比例前馈：即控制投加量与水流量成一定比例。前加氯主要目的是杀死水中的微生物或氧化有机物，对投加量准确性要求不高，以采用原水量进行比例投加为好。所以流量流量比例前馈控制一般应用于前加氯。投加量按下式确定：

　　Y=1000KQ                    （3－1）

　　其中 Y——前加氯的投加量(mg/L)

　　     K——单位原水投氯量(mg/L)

　　     Q——与投加点对应的原水进水量(m³/L)

　　如果已知K、Q，则可以计算出前加氯的投加量，调节加氯机的投加量从而实现前馈比例投加。

　　(2)余氯反馈控制：按照投加以后水中的余氯进行反馈控制。在处理水出厂前，检查水中余氯，该值被反馈到控制系统中，并与余氯设定值比较，控制系统根据两者的偏差情况，采用PID调节方式调节投加量，使滤后水余氯稳定在设定值附件。这种控制方式从滤后投加点要经过清水池，系统滞后较大，通常在30min以上，控制系统的调节特性不好，尤其是当水质水量变化较大时问题更为突出。一般这种方式较少采用。

　　(3)复合环控制：即按照水流量和余氯进行的复合控制，或双重余氯串级控制等。

　　前馈反馈复合环控制就是按前馈流量比例和余氯反馈进行复合调节。前亏比例调节可以迅速地调整由于处理水量变化产水的氯需求变化；反馈调节可以对余氯偏差进行更准确的修正，调整特性较简单，反馈控制有所改善。但是这种调节方式仍不能解决水质迅速变化所产水的问题。

　　(4)其他控制方式，如以PH值和氧化还原电势为参数进行控制等。

　　四 氯气投加自动控制的实现

　　4-1流量比例前馈

　　流量比例前馈具体的实现投加量控制的原理为：

　　原水流量信号经PLC输入到前加氯控制器（比例控制器），比例控制器根据流量的大小，输出相应的调节量，调节电动阀的开度，其控制的数学模型如下式所示：

　　I₀=K_fQ_m                        （4－1）                  

　　其中：I₀——控制器输出（4~20mA）；

　　K_f——比例系数；

　　Q_m——原水瞬时流量。

　　比例系数K_f的设定根据前加氯量（需氯量）的多少而定。比例系数K_f的设定值可通过在上位监控机上由操作人员根据工艺要求及原水需氯量的大小进行改变。系统图如下：

　　前加氯比例投加控制系统图

　　4-2余氯反馈控制

　　余氯反馈控制的实现原理如下：余氯分析仪对取样泵取来的水进行余氯分析，之后将余氯量转换为电信号发送给控制系统，控制系统作出分析后输出相应的调节量给加氯机，加氯机根据电信号，调节电动阀的开度。系统图如下：

　　后加氯反馈控制系统图

　　4-3 复合环控制

　　复合控制是流量比例控制与余氯PID控制的有机给合，在复合控制过程中，流量比例控制根据流量的大小，根据其控制的数学模型，快速地给调节阀一个初始的阀门开度信号，建立一个基本的控制模型。余氯分析仪的余氯信号经PLC作为一个过程变量输入控制器，控制器通过比较过程变量与余氯设定值产生的误差，由PID方程计算出其输出量，即修正量，每经过一个滞后时间周期，从流量比例控制赋予调节阀的初始开度开始，逐步对其进行修正，直到余氯达到期望值。由于PID方程计算出的修正量，是一个累加值，其超越流量比例控制赋予调节阀的初始阀门开度值，为达到余氯设定点，具有驱使电动阀全开或全闭的能力。流量比例控制的数学模型如式（4—1）所示，其比例系数Kf设定值由操作人员根据工艺要求、原水水质、滤后水余氯设定值的高低及实践经验进行改变。系统图如下：

　　后加氯前馈反馈控制系统图

　　4-4 其他控制

　　其他控制方式与前边集中方式相似，只是测量的指标不一样，如根据PH值转化的调节信号进行调节，以及根据氧化还原电势转换的调节信号进行调节等等。例如：

　　五 影响加氯自动控制的主要因素及应注意的问题

　　5-1加氯机控制器PID参数的整定

　　(1)比例增益和积分增益（Prop Gain and Integ Gain）

　　控制器所提供的比例增益和积分增益常数，其设定范围为0—100%，默认值为50%。改变其任一项均可引起PID方程的输出量（修正量）的变化。使用者投入运行后，应对Prop Gain and Integ Gain常数进行整定。整定时应以控制器提供的经验常数（默认值）为基准，根据实际应用逐步作适当调整。整定时应通过来回改变设定值，比较余氯值与控制器的输出量的变化及振荡时间来选取合适的Prop Gain and Integ Gain常数。值得注意的是，增益常数设置太高可能会引起振荡加剧，设置太低会引起控制器反应迟钝，Prop Gain and Integ Gain常数的整定应分别独立进行。

　　(2)固定滞后时间和滞后时间总量（Fixd Lag Time and Total Lag Time）

　　滞后时间是控制器通过PID控制对调节阀开度进行修正的时间周期。其包括固定滞后时间（Fixd Lag Time）和滞后时间总量（Total Lag Time）两个参数。滞后时间由三部分构成，如图1所示；①从水射器的投加点到余氯采样点所需的时间t1；②从取样点到余氯分析仪测出余氯值所需的时间t2；③从余氯分析仪的余氯信号传输到控制器所需的时间t3。其中，t1的大小与流量的大小相关，其包含一个可变时间t’。在整定滞后时间时以流量最大时测出的滞后时间作为固定滞后时间和在流量最小时测出的滞后时间作为滞后时间总量分别输入到控制器，控制器可根据流量的大小自动计算出可变时间t’的大小，修正滞后时间总量。

　　5-2取样时间的长短，取样点所处位置是否合理，直接影响加氯效果

　　后加氯在投加氯后经过充分混合后，一般以3分钟为宜。缩短取样时间通常有两种方法：一是尽量缩短取样管的长度，取样管越短则响应越快；二是加大取样水管排水管排水分流以加快取样水的流速。

　　5-3余氯分析仪检测值的正确性是控制加氯的关键

　　由于余氯分析仪存在零点漂移，应定期进行校正，并经常清洗电极。同时应保证取样管通道畅通，正确调节取样水通过测量室的流速。

　　5-4 采用抗干扰措施

　　交流电源采用净化电源，滤除电源中的中高频谐波；电气、仪表线隔离敷设，消除交流电对直流信号的干扰，仪表信号线采用双绞屏蔽线及正确接地。

　　六 结束语

　　加氯自动控制系统可以使氯气良好准确安全的投加，既能得到良好的出水水质，又能取得较好的经济效益，在给水厂水处理过程中具有十分主要的意义，在水厂中逐步应用起来，但其还有不完善之处，如不能适应水质的较大变化，进一般研发新的控制技术，使其得到晚上，在将来的给水处理中定有大的发展前景，注意其应用中存在的问题，必将取得非常好的水处理效果。