加氯自动化

水厂消毒自动化系统设计一消毒工艺自动化现状二水厂加氯自动化工艺三加氯方案设计四氯源的自动切换五传统加氯工艺和控制系统改进一消毒工艺自动化现状目前,我国绝大部分自来水厂的加氯工艺还处于人工控制阶段。由于加氯系统具有大惯性、大滞后的特点,其过渡过程和纯滞后时间均较长,系统的干扰因素较多,使调节比较频繁,投加效果并不十分理想。特别是在水质变化较大、清水池出水和进水流量变化较大、在线余氯检测仪表存在漂移等情况下,还没有有效的解决方法,出厂水余氯值很容易不合格。人工加氯的原理图自动加氯的优点采用自适应控制+串级控制方案，利用串级控制有效地克服了大滞后系统带来的不利影响，通过辨识系统的过程模型，并进行动态控制参数校正，补偿在线余氯仪的漂移，有效克服了水质、温度等较慢的干扰，适应清水池出水和进水流量变化较大的情况，提高了系统的控制品质。取得了良好的运行效果。自动加氯系统的效果图二水厂加氯自动化工艺自来水生产工艺：前加氯在原水进入之前进行，目的主要为杀灭原水中的藻类，以防止其在沉淀池或滤池中滋生繁殖。后加氯在滤后水进入清水池前进行，其目的是通过氯气与水在清水池中充分接触后水解生产的强氧化剂次氯酸杀灭水中的各种细菌和病毒。串级方案图1余氯变化规律根据流速和清水池的几何参数,可计算出水体流动的雷诺数Re,与临界雷诺数比较可知,清水池中的水体流动为紊流,从加氯点到清水池进口过程模型如下图所示,图中C0为初始耗氯常量,其后的衰减过程可表达为一个比例加纯滞后环节滞后时间为流动时间加上余氯分析仪检，造成的测量滞后,为恒定值，Kp1为衰减系数，C0与Kp1均随pH值、温度、水质的变化而缓慢变化，因此其值可以通过离线辨识加在线校正来得到。s11p1ePPKG1P2从加氯点到清水池进口余氯的过程模型据此模型,清水池进口余氯的控制可以根据进水量采用比值控制方案。对衰减系数kp1可以采用自适应校正。从清水池进口余氯到清水池出口余氯，余氯的衰减过程为与有机物的进一步反应，余氯的变化过程主要为余氯的混合和余氯的纯时延。由于加氯系统属于一般的工业控制系统，系统的模型阶次一般不会太高，考虑到水池的特性，可以初步假定其模型为低阶惯性环节加上纯时滞的系统，传递函数其中Gp(z)为不带纯时滞的低阶惯性环节,系统的时滞参数为τ。zzzPKGG3系统控制结构采用串级控制，将氯气投加点到清水池进口余氯反馈处作为串级控制的副回路，清水池进口余氯到出口余氯之间作为串级控制的主回路。副回路根据清水池进水量比例投加，控制加氯机的投量,并利用进口余氯反馈来修正比例投加系数;主回路利用过程模型，根据出口和进口流量修正纯滞后时间，利用出口余氯设定值、纯滞后时间、进口和出口余氯，计算进口余氯设定值。4副回路的设计副回路主要克服快速干扰,控制进口余氯测定值跟踪进口余氯给定值。副回路必须对给定输入响应准确迅速,因此其进口余氯仪的安装位置应为氯与水中物质已充分反应且氯水混合完全之处,而比例系数则通过进口余氯的反馈采用增益自适应的方式进行修正。副回路控制框图如图所示①比值控制按清水池进水量实现比例投加。由于工艺原因实际系统中并未安装流量仪,清水池进水量只能通过软测量的方法,即通过清水池出水量和水位变化间接计算。由于快速干扰的影响较大,进水量还应加上一个前馈量Q′。设出厂水流量为Qout、清水池水位为H、清水池水平截面积为S,可以计算出进水量Qin为:'outindtdQSHQQ为了保证进水量精度,需要先对水位、出水量信号进行滤波。根据计算出的清水池进水量Qin、比例投加系数Kp和主回路修正系数Km,就可以计算出氯投量u:②比例投加系数Kp的自适应调节比例投加系数Kp随温度、水质等因素会慢慢发生变化,且进水量的前馈量Q，只能对快速干扰作一个大概的补偿,不能补偿的随机干扰必须通过清水池进口余氯反馈对其进行修正。设进口余氯设定值为Cinset,进口余氯测量值为Cin,通过比较Cinset和Cin,按增益自适应的方式调整Kp:经过副回路的调节,进口余氯浓度将会围绕主回路给出的进口余氯设定值上下波动,以确保出口余氯浓度在某一范围内。5主回路的设计主回路主要克服较慢的干扰,控制出口余氯值在期望的范围内。余氯变化主要为与有机物的继续缓慢反应和不同余氯浓度水的混合,当纯滞后时间和混合时间固定时,其衰减幅度相应基本确定,并受pH值、温度、水质的影响。滞后时间和混合时间主要由进、出口流量和水位决定,可离线辨识出在不同的出口和进口流量及水位的情况下滞后时间和混合时间的大小。衰减幅度可由进口余氯和出口余氯在线修正,根据滞后时间、衰减幅度和出口余氯目标设定值,给出进口余氯设定值。①模型辨识由于主回路具有大滞后、大惯性的特性，在出口流量或进口流量或水位有较大变化时，过程特性也会发生较大的变化,控制参数就要作相应的调整，因此需要建立其过程的动态模型。利用组态软件记录下的进口余氯和出口余氯的历史数据,离线辨识在不同出水量、进水量和水位下两者之间的单输入、单输出模型。模型参数是时变的,需要在线辨识。但由于水厂实际生产中清水池出水量受二泵房水泵台数所，一般也只有几种固定的出水量，进水量一般由调度控制与出水量大致相等,在一段时间内出水量是稳定不变的,水位一般也只在某一范围内变化,且较小的变化对纯延时影响不大,因此只需在几种不同的出水量和几个区间的水位下分别对模型进行辨识,得到各种出水量、进水量和水位下对应的系统模型即可。利用相关分析法结合最小二乘法辨识出不同出水量、进水量和水位下的参数。②控制器参数的自适应校正根据辨识出的模型、出口余氯目标值Coutset和出口余氯实测值Cout，可以修改Km，其自适应调整规律为，由Gp（z）的静态增益K和出口余氯设定值Coutset，得进口余氯设定值Cinset：由于仪表的飘移误差，可能造成余氯测定值与实际值总是有一静差，为此可对进口余氯设定值增加一修outoutsetmmCCKKKCCoutinset正因子：上述的自适应调整，实现了对两级控制目标的滚动优化，并根据结果进行自适应校正，保证了系统的稳定性。ttoutoutinsetinsetCCLLLCC，三加氯方案设计1比例投加在生产过程中，加氯量与流量成正比，亦比例投加。数学公式为：（1）其中，CL为加氯量，K为比例系数（投加比例系数），F为流量。比例投加最为关键的一点是比例系数K的选取，下表列出了对比例系数K影响的各个因素以及影响大小。从附表可以看出，对K影响较大的有清水池进水量，出水量和氨氮含量。FKCL2串级控制方案副回路选择课从加氯点到入口余氯反馈处，将入口余氯作为控制目标，使入口余氯在目标值附件波动。主回路选择了从加氯点到二级泵房出厂水余氯仪处，将出水厂余氯作为控制目标，使出厂水余氯在目标值附件。这样的控制方案，使得加氯系统能够快速响应流量的变化，克服流量变化对加氯系统的干扰，使系统的主参数在设定值附件，亦即余氯在目标值附件。3水流量的估计当水厂不适合安装流量仪时，这给加氯环节带来很大的困难，因此必须设计一种方案，能够对流量进行准确估计。1流量估计的基本思路清水池入口流量应该等于出厂水流量加上水位的变化。根据这样的思路，得出下面的公式：（2）SDTDHFFoutin其中Fin为清水池进口流量，Fout为二泵房出厂水流量，H为水位。公式简化为：（3）其中，f为液位一厘米时，清水池进口流量的变化。2流量处理用公式（3）得出的流量，由于液位仪测得的数据波动波大，导致得出来的流量变化剧烈不符合实际流量，因此，必须要对公式（3）得出的流量进行滤波处理。滤波方式为带有遗忘因子的滤波方式。1阶的滤波公式为：hfoutinFF（4）其中，a为遗忘因子，F（k）为滤波后流量，F（k）为未滤波流量。实际实用过程中发现效果并不处理，改用二阶滤波：（5）3反冲洗的处理通过公式5处理后，不可避免的要遇到，当反冲洗时，流量剧烈变化，二阶滤波响应过慢的问题。因此11kkk,FFF）（11kkk11kkk,,,FFFFFF，，必须要对反冲洗经过处理。二阶滤波处理实质上是二阶惯性环节，而反冲洗时流量成呈阶跃变化，二阶滤波处理相当于阶跃响应，对滤波器的阶跃响应进行拟合。4自适应规律比例投加系数K受到水温、水质的影响会发生的缓慢的变化。因此，必须设计一个控制方式能适应水质缓慢变化的情况。针对水厂加氯工艺中的大时滞、大惯性的特点，设计了自适应控制和分段PID控制相结合的方案。1时延计算时延是指从加氯点投加余氯仪反应的时间，根据经验，与水位成正比。于是设计飞升实验，得出不同流量不同水位下的数据，再通过最小二乘法得出下面的经验公式：（1）式中，t表示时延，a表示截距，b表示斜率，f表示流量，h表示水位。2分段PID控制设进口余氯设置为Clinset，进口余氯实际值为Clin。则通过比较奥进口余氯设定值与实际值之间的差来调节比例投加系数，kp为PID中P参数。为防止扰动，对Clin做均值滤波，即取5分钟内进口余氯实际的平均值作为入口余氯实际值。fhbat3比例系数的自适应针对水质缓慢变化，设计一种方法，能够解决投机比例系数自适应问题，使系统能适应各种环境。首先，判断流量是否平稳。设流量为f，取一段时间t，t时间内取f的平均值，取ft/fff/fft若则可判断流量平稳。然后判断加氯量是否合理，即判断入口与出口余氯是否平稳且在入口与出口余氯设定值附件。设入口余氯为Clin，取一段时间段t，，t，，时间内取Clin的平均值，取11且—inlCoutsetoutsetout2toutoutinininl/llt/lll/ll2CCCCCCCC）（若则可得出加氯量是合理的，若此时流量亦平稳，则将这段时间内加氯比例系数的平均值作为新的投加比例系数来更新工况。当下次出现相同工况时，不经过PID调节，直接调用此工况中的投加比例系数。此方法有利于加快调节速度以及自适应水质缓慢变化。，且，2224入口余氯设定值的自适应出口余氯设定值为Cloutset，出口余氯实际值为Clout。e=Clout-Cloutset为出口余氯为出口余氯设定值之差。针对不同的可以得到入口余氯的自适应规律。5加氯工艺的实现自动加氯系统的硬件平台主要采用以PLC为下位机、计算机为上位机的SCADA（数据采集与监控系统）系统的解决方案。SCADA（SupervisoryControlAndDataAcquisition）系统，即数据采集与监视控制系统，集自动控制技术，通信技术、传感技术和计算机技术于一体，是以计算机为基础的生产过程控制与调度自动化系统。它可以对现场的运行设备进行监视和控制，以实现数据采集、设备控制、测量、参数调节以及各类信号报警等各项功能。四氯源的自动切换通常情况下,水厂的加氯消毒过程是连续的、不间断的过程。因此,无论氯源是气相还是液相,如何保证氯源不间断供应是实现加氯工艺自动化的关键环节,也就是说,当一路氯源耗尽时,备用氯源应立即自动投入到使用位置中,这一过程称之为“氯源自动切换”。氯源的自动切换方式是多种多样的,它的选择取决于水厂生产规模的大小、工程投资的多少以及对水厂自动化程度的要求等因素。设计人员应根据工程情况,综合上述因素,结合所选用设备的特点,正确选择最佳的切换方式。目前,比较常用的有以下几种切换方式:1采用两个真空调节器构成的氯气自动切换系统该系统用于设计负压加氯系统时,为保证加氯工艺安全可靠运行,选择1用1备(A,B)两个真空调节器构成的切换系统。以美国BAILEYFISCH2ER&PORTER公司产品为例(如图1所示)。操作人员选择一个真空调节器让气体通过,当气源耗尽时,第二个真空调节器自动打开,使备用气源投入工作。每个真空调节器都有一个指示器显示三种工作状态,即“工作”、“备用”、“放空”。运行时，