自來(lái)水廠藥劑應(yīng)急自動(dòng)投加系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)踐

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(hào)，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(wàn)m3/d。一、二期處理規(guī)模各5萬(wàn)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(wàn)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(guò)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€(gè)水處理過(guò)程的第一個(gè)環(huán)節(jié)，通過(guò)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(gè)水處理的基礎(chǔ)。對(duì)于自來(lái)水廠而言，供水水質(zhì)優(yōu)劣不僅與處理工藝相關(guān)，同時(shí)也受到藥劑投加等因素的影響[1]?；炷端幨亲詠?lái)水生產(chǎn)過(guò)程中凈化水質(zhì)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，投藥后的凈化過(guò)程具有復(fù)雜性、時(shí)變性、非線性等特點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)混凝投藥的自動(dòng)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(dòng)強(qiáng)度。目前，自來(lái)水廠的藥劑投加基本采用PLC控制投加泵進(jìn)行自動(dòng)投藥[2-5]。

2 問(wèn)題分析

自來(lái)水生產(chǎn)是一個(gè)連續(xù)的過(guò)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(biāo)，甚至造成重大水質(zhì)事故，產(chǎn)生不良社會(huì)影響。近年來(lái)，在自動(dòng)化高速發(fā)展的今天，投藥系統(tǒng)(圖1)投加精度和自動(dòng)化程度越來(lái)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(diǎn)，設(shè)置應(yīng)急藥劑儲(chǔ)存池，發(fā)現(xiàn)斷藥、缺藥后進(jìn)行人工投加，存在操作滯后、加藥及時(shí)性低等問(wèn)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(huì)造成斷藥；投加管道破損或其他原因產(chǎn)生管道滲漏會(huì)導(dǎo)致投加點(diǎn)藥量不足造成缺藥。斷藥和缺藥都將無(wú)法保證正常生產(chǎn)。

2.2 現(xiàn)有對(duì)策

在配水井設(shè)置應(yīng)急藥劑儲(chǔ)存池，當(dāng)水廠出現(xiàn)斷藥、缺藥情況時(shí)，進(jìn)行人工投加。

當(dāng)發(fā)生投藥系統(tǒng)斷電時(shí)，原水繼續(xù)流入，員工必須快速到達(dá)配水井，打開(kāi)應(yīng)急藥劑儲(chǔ)存池的手動(dòng)投加閥進(jìn)行應(yīng)急投加，通常需要較長(zhǎng)時(shí)間恢復(fù)投藥，無(wú)法保證水質(zhì)持續(xù)達(dá)標(biāo)。

當(dāng)發(fā)生投藥泵故障時(shí)，原水繼續(xù)流入，員工必須快速到達(dá)加藥間切換投加泵，通常需要較長(zhǎng)時(shí)間恢復(fù)投藥，無(wú)法保證水質(zhì)持續(xù)達(dá)標(biāo)。

當(dāng)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(shí)，原水繼續(xù)流入，人工無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)、常規(guī)裝置無(wú)法及時(shí)檢測(cè)，通常發(fā)現(xiàn)時(shí)已經(jīng)導(dǎo)致水質(zhì)超標(biāo)。

當(dāng)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(diǎn)藥量不足造成缺藥時(shí)，原水繼續(xù)流入，人工無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)、常規(guī)裝置無(wú)法及時(shí)檢測(cè)，通常發(fā)現(xiàn)時(shí)已經(jīng)導(dǎo)致水質(zhì)超標(biāo)。

綜上所述，如何快速檢測(cè)并自動(dòng)應(yīng)急投加是重點(diǎn)、也是難點(diǎn)。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)踐

3.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，特別創(chuàng)新提出一種斷電、斷藥、缺藥情況下，無(wú)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(dá)標(biāo)、保障水質(zhì)安全。

本系統(tǒng)安裝在配水井等藥劑投加點(diǎn)，通過(guò)對(duì)斷電、斷藥以及缺藥等可導(dǎo)致加藥異常情況的檢測(cè)，自動(dòng)進(jìn)行應(yīng)急投加，同時(shí)在中控室進(jìn)行報(bào)警，提示值班人員盡快處置。所有應(yīng)急操作均無(wú)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(dòng)投加系統(tǒng)(圖2)，包括儲(chǔ)藥池、投加控制裝置、斷藥檢測(cè)裝置、斷電檢測(cè)裝置、缺藥檢測(cè)裝置以及遠(yuǎn)程報(bào)警模塊。

(1)儲(chǔ)藥池：安裝于配水井等藥劑投加點(diǎn)所在構(gòu)筑物；

(2)投加控制裝置：通過(guò)安裝于儲(chǔ)藥池和投加點(diǎn)之間的斷電開(kāi)啟型電磁閥控制應(yīng)急投加；

(3)斷藥檢測(cè)裝置：通過(guò)安裝于藥劑投加點(diǎn)浮子流量計(jì)進(jìn)行檢測(cè)；

(4)斷電檢測(cè)裝置：通過(guò)電磁閥失電進(jìn)行檢測(cè)；

(5)缺藥檢測(cè)裝置：通過(guò)設(shè)置浮子流量計(jì)下限，當(dāng)浮子流量計(jì)低于設(shè)定值時(shí)，進(jìn)行檢測(cè)；

(6)遠(yuǎn)程報(bào)警模塊：通過(guò)外接的繼電器常開(kāi)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)中控室或其他遠(yuǎn)程值班室聲光報(bào)警器，實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警。

注：1-儲(chǔ)藥池;2-常開(kāi)手動(dòng)閥;3-斷電檢測(cè);4-斷藥檢測(cè);5-缺藥檢測(cè);6-浮子流量計(jì);7-開(kāi)啟型電磁閥;8-手動(dòng)閥圖2 藥劑應(yīng)急自動(dòng)投加系統(tǒng)Fig.2 Emergency Automatic Dosing System

3.3 具體實(shí)施方式

3.3.1 投加控制

本系統(tǒng)在藥劑儲(chǔ)藥池和投加點(diǎn)之間的管道上安裝一個(gè)斷電開(kāi)啟型電磁閥，當(dāng)斷電開(kāi)啟型電磁閥打開(kāi)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)無(wú)需備用電源情況下的藥劑自動(dòng)投加及遠(yuǎn)程報(bào)警。

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

圖3 儲(chǔ)藥池Fig.3 Storage Tank

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

3.3.2 快速檢測(cè)裝置

快速檢測(cè)裝置具有3種檢測(cè)功能，分別為斷電檢測(cè)、斷藥檢測(cè)及缺藥檢測(cè)。其具體過(guò)程如下。

(1)斷電檢測(cè)：當(dāng)廠區(qū)供電中斷時(shí)，斷電開(kāi)啟型電磁閥(圖4)即刻失電，可以快速檢測(cè)到斷電情況，同時(shí)電磁閥打開(kāi)，啟動(dòng)藥劑應(yīng)急投加。

圖4 斷電開(kāi)啟型電磁閥Fig.4 De Energized Open Solenoid Valve

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

(3)缺藥檢測(cè)：當(dāng)加藥管破損或其他原因滲漏導(dǎo)致漏藥時(shí)，實(shí)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(shí)可以設(shè)置浮子流量計(jì)下限，當(dāng)浮子流量計(jì)低于設(shè)定值時(shí)，相關(guān)DI模塊的輸入點(diǎn)置1，延時(shí)5 s后，相關(guān)DO模塊輸出點(diǎn)置1，該DO模塊輸出點(diǎn)外接的繼電器吸合，繼電器常閉點(diǎn)斷開(kāi)，接在繼電器常閉點(diǎn)的斷電開(kāi)啟型電磁閥線圈失電，電磁閥打開(kāi)，啟動(dòng)藥劑應(yīng)急投加。

3.3.3 遠(yuǎn)程報(bào)警模塊

利用3.3.2節(jié)(2)、(3)中DO模塊外接的繼電器常開(kāi)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)中控室或其他遠(yuǎn)程值班室聲光報(bào)警器，當(dāng)出現(xiàn)缺藥或斷藥時(shí)，DO模塊輸出點(diǎn)外接的繼電器吸合，繼電器常開(kāi)點(diǎn)閉合，聲光報(bào)警啟動(dòng)。

3.4 實(shí)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(tái)浮子流量計(jì)和1臺(tái)斷電開(kāi)啟型電磁流量計(jì)及部分管材，合計(jì)金額不超過(guò)1 000元。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)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(shí)進(jìn)行藥劑應(yīng)急投加，確保水質(zhì)穩(wěn)定。如無(wú)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(jìn)水量×中斷加藥時(shí)間×原水單價(jià)。按照每次需要半小時(shí)重新進(jìn)行投藥，則每次直接經(jīng)濟(jì)損失為8 300×0.5×1.06=4 399元，合計(jì)約9.24萬(wàn)元。

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

除產(chǎn)生明顯經(jīng)濟(jì)效益外，該系統(tǒng)最大的貢獻(xiàn)是避免無(wú)法及時(shí)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(wú)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(guò)檢測(cè)斷電、缺藥、斷藥信號(hào)并及時(shí)進(jìn)行藥劑應(yīng)急自動(dòng)投加，確保水質(zhì)達(dá)標(biāo)，具有簡(jiǎn)便性、通用性及高可靠性等特點(diǎn)。

(2)斷電開(kāi)啟型電磁閥的選取及使用，解決了斷電檢測(cè)以及無(wú)需備用電源自動(dòng)投加藥劑的難題。由于停電時(shí)間較短，電磁閥線圈處于長(zhǎng)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(guò)程中，斷藥及缺藥檢測(cè)裝置對(duì)比使用了斷流指示器、電磁流量計(jì)、浮子流量計(jì)等多種流量檢測(cè)方法之后選擇浮子流量計(jì)，實(shí)現(xiàn)了低成本、高可靠的設(shè)計(jì)目的，同時(shí)契合了無(wú)需備用電源的設(shè)計(jì)思路。

(4)本系統(tǒng)除了可自動(dòng)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(dòng)投加，并具有廣泛的適用性，可在自來(lái)水廠、污水廠進(jìn)行推廣。