水廠混凝劑投加智能控制系統(tǒng)

盧友杰

（重慶遠(yuǎn)通電子技術(shù)開發(fā)有限公司 重慶市 400000）

歷年來，水務(wù)行業(yè)凈水廠存在加藥系統(tǒng)控制、排泥系統(tǒng)控制、濾池反沖控制等三大控制難點，現(xiàn)階段并沒有非常成熟的控制處理手段，其中加藥系統(tǒng)的控制是生產(chǎn)運行的痛點。一是水廠加藥（混凝劑投加）是制水工藝中非常關(guān)鍵的一個環(huán)節(jié)，控制好壞直接影響到出水水質(zhì)，而出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)是水廠生產(chǎn)運行控制的紅線。二是影響因素多、控制困難，源水流量、濁度、溫度、PH 的變化都會決定加藥量的變化。三是反饋滯后，以一個10 萬噸的平流沉淀池為例，經(jīng)實測加藥量變化需經(jīng)2 小時后才能監(jiān)測到明顯的水質(zhì)變化。

1 現(xiàn)狀分析

目前，我國各市政自來水凈水廠普遍采用絮凝沉淀凈水工藝，即源水加絮凝劑后使其充分混凝，經(jīng)過一段時間后使混凝物在預(yù)沉沉淀池沉淀，以此去除水中顆粒、懸浮物和膠體物質(zhì)，絮凝劑一般采用聚合氯化鋁（PAC）。國內(nèi)凈水廠混凝劑投加通常采用定值比例投加方式，即高級技工根據(jù)源水流量和濁度決定按比例投加一定量并且多數(shù)較為富余的混凝劑，當(dāng)水量和濁度無明顯變化時，長時間以此投加量來加藥，當(dāng)流量或者濁度發(fā)生變化時，又根據(jù)經(jīng)驗重新判斷一個投加量。以上投加方式取決于有一套完善的計量投加設(shè)備，能夠較為精確的控制投加量，并且控制系統(tǒng)根據(jù)PAC 的配比濃度，主要結(jié)合源水流量和一定區(qū)間濁度，能夠給出一個基本的投加建議值，高級技工根據(jù)建議值并結(jié)合實際的流量、濁度、溫度等參數(shù)，適當(dāng)修正判斷，輸入最終的投加值。

2 存在問題

盡管以上投加方式已經(jīng)實現(xiàn)了半自動化，并且依賴精確投加設(shè)備有一定的投加可靠性，但仍然存在一些問題。

（1）水質(zhì)穩(wěn)定性差，依賴人工經(jīng)驗投加，控制及時性差，連續(xù)性不強，而源水參數(shù)（流量、濁度、溫度、PH）是實時的連續(xù)變化的，投加量應(yīng)該是一個實時跟隨變化的值，特別是暴雨等導(dǎo)致水質(zhì)突變時，往往人工反應(yīng)比較滯后，有水質(zhì)安全隱患。

（2）投加精確性差，凈水廠以水質(zhì)達(dá)標(biāo)為最根本的考核點，往往生產(chǎn)人員會在一個適配投加值基礎(chǔ)上上浮一定比列盲投，充分保證水質(zhì)安全，但同時也增加了藥耗成本。

（3）人工強度大，人工投加的條件就是實時觀察源水水質(zhì)水量的變化，并及時做出調(diào)整，修正投加值，這對運行人員要求極高。

3 解決方案

鑒于以上問題并結(jié)合我們已經(jīng)獲得的寶貴運行經(jīng)驗，現(xiàn)提出一種結(jié)合多參數(shù)自動控制的水廠混凝劑投加系統(tǒng)解決方案。針對自來水處理過程中混凝劑投加量依靠經(jīng)驗判斷、投加過程依賴人工干預(yù)、投加精確性差等特點，混凝劑投加控制系統(tǒng)采用“前饋+模型+反饋”的多參數(shù)控制模式，綜合考慮進(jìn)出水水量、濁度、混凝劑投加種類及濃度、混凝劑投加點攪拌強度、溫度、pH 等影響因素，采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法建立精確的加藥量計算數(shù)學(xué)模型，將在線儀表數(shù)據(jù)作為模型的輸入?yún)?shù)，實時計算混凝劑投加量，引入模型預(yù)測控制（Model Predictive Control）策略，控制加藥泵（組）的啟/停、運行負(fù)荷的變化，實現(xiàn)“按需供藥”。當(dāng)有多個投加點時，系統(tǒng)可通過控制加藥管路的支管閥門開度，實現(xiàn)不同加藥點投加量的合理分配。

預(yù)計混凝劑投加控制系統(tǒng)可以為自來水廠混凝劑投加環(huán)節(jié)帶來以下效益：

（1）實現(xiàn)混凝劑加藥過程的精細(xì)化控制，減少人工操作強度；

（2）實現(xiàn)混凝劑加藥量的精細(xì)化控制，穩(wěn)定出水濁度；

（3）預(yù)計可節(jié)省5%～15%的混凝劑藥劑投加量。

混凝劑投加控制系統(tǒng)原理：混凝劑投加控制系統(tǒng)采用“前饋+模型+反饋”的多參數(shù)控制模式，控制原理如圖1所示。

圖1：混凝投加智能控制原理圖

混凝劑投加控制系統(tǒng)綜合考慮進(jìn)出水水量、濁度、混凝劑投加種類及濃度、混凝劑投加點攪拌強度、溫度、pH等影響因素，采用“前饋+模型+反饋”的多參數(shù)控制模式，通過建立精準(zhǔn)的藥劑投加量數(shù)學(xué)模型，根據(jù)藥劑濃度以及稀釋比例，實時計算出某一特性濃度的混凝劑投加量，并將需藥量信號發(fā)送至加藥泵主控柜MCP，一方面，控制清水泵（組）對藥劑進(jìn)行稀釋，滿足混凝劑投加濃度要求；另一方面，調(diào)控藥劑投加泵（組）的運行負(fù)荷，調(diào)節(jié)總加藥量，實現(xiàn)按需供藥。同時，通過加藥管路上閥門開度的調(diào)控，來實現(xiàn)不同加藥點藥劑投加量的合理分配，從而實現(xiàn)藥劑投加的精細(xì)化控制。

為了降低混凝沉淀的非線性、大時滯對混凝劑投加控制系統(tǒng)控制性能的影響，引入了模型預(yù)測控制（Model Predictive Control，MPC）對混凝劑投加進(jìn)行控制，提升了控制性能，實現(xiàn)混凝劑投加的精細(xì)化控制。

3.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊

自來水廠的設(shè)備、在線儀表經(jīng)常處于嚴(yán)峻的工況環(huán)境下，信號傳輸過程中受到各種干擾，造成信號傳輸不準(zhǔn)確，嚴(yán)重者甚至造成在線信號無法使用，這樣的信號將無法被直接采用?；炷齽┩都涌刂葡到y(tǒng)中，特別設(shè)計了常見在線儀表的數(shù)據(jù)處理策略，將利用數(shù)據(jù)清洗把“臟數(shù)據(jù)、壞數(shù)據(jù)”清理掉，給我們提供可利用且高質(zhì)量的數(shù)據(jù)。

3.2 加藥量在線計算模塊

混凝劑投加去除濁度的過程涉及到物理、化學(xué)、流體力學(xué)等多種過程共同作用，受到進(jìn)水水量、濁度、混凝劑投加種類及濃度、混凝劑投加點攪拌強度、溫度、pH 等多種因素的影響，因此混凝劑投加量的計算需要綜合考慮多種因素，建立基于機理的加藥量“白盒”模型帶來的技術(shù)難度大，即使將某幾個因素考慮在內(nèi)建立的半機理模型，也存在計算精度低、準(zhǔn)確性差等缺點，并且機理模型參數(shù)的測量、校正都存在不確定性。為了克服基于反應(yīng)機理建建立“白盒”的缺點及技術(shù)難度，建議采用基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的建模方式，建立綜合多種參數(shù)影響下計算加藥量的 “黑盒模型”。如圖2所示。

圖2：多參數(shù)加藥量計算的黑盒模型

3.3 藥劑投加泵（組）控制模塊

控制原理：系統(tǒng)根據(jù)藥劑濃度以及稀釋比例，實時計算出某一特性濃度的混凝劑投加量，將計算得到的需藥量信號發(fā)送至加藥泵主控柜MCP，利用加藥泵控制模塊調(diào)控藥劑投加泵（組）的運行負(fù)荷，調(diào)節(jié)加藥量。

加藥泵組控制策略：以加藥量計算模型為核心，綜合考慮長時滯性因素（水力停留時間、礬花形成時間、顆粒物沉降）和短時滯性因素（溫度、加藥量、PH 值），引入模型預(yù)測控制技術(shù)，采用多步預(yù)測、滾動優(yōu)化和反饋校正等策略，實現(xiàn)控制過程中實時預(yù)測下一個時段（分鐘、小時）控制參數(shù)的變化趨勢，對控制策略進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，從而提高控制系統(tǒng)的魯棒性和控制精度。

3.4 數(shù)據(jù)信號要求

進(jìn)水區(qū)：進(jìn)水流量、進(jìn)水濁度、進(jìn)水溫度。

加藥泵（組）：加藥泵組出口流量、加藥泵組出口壓力、加藥泵組變頻反饋混凝沉淀池沉后水濁度、液位、PH。

4 預(yù)期效果

預(yù)計混凝劑投加控制系統(tǒng)可以為自來水廠混凝劑投加環(huán)節(jié)帶來以下效益：

（1）實現(xiàn)混凝劑加藥過程的精細(xì)化控制，減少人工操作強度、避免人工操作失誤。

（2）實現(xiàn)混凝劑加藥量的精細(xì)化控制，穩(wěn)定出水濁度，提高控制的精確性、及時性、穩(wěn)定性。

（3）保證水質(zhì)安全的前提下，提高藥耗的經(jīng)濟(jì)性。

5 結(jié)語

在當(dāng)今大數(shù)據(jù)時代，水務(wù)行業(yè)在發(fā)展的同時也在反思中改進(jìn)，緊緊跟隨著時代的潮流，越老越重視數(shù)據(jù)挖掘和信息化技術(shù)的利用，大力發(fā)展智能水廠和智慧水務(wù)，助力產(chǎn)業(yè)升級。智能加藥作為構(gòu)建智能水廠關(guān)鍵和不可缺少的一環(huán)，現(xiàn)目前盡管有些瓶頸，但最終全面實現(xiàn)凈水廠智能投加只是一個時間問題。