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

上海上自儀公司通過分析自來水廠投藥系統(tǒng)存在的隱患，設(shè)計(jì)并實(shí)施了一種針對斷電和斷藥以及缺藥等異常情況進(jìn)行快速檢測、自動(dòng)進(jìn)行藥劑投加的新型藥劑應(yīng)急投加系統(tǒng)。該系統(tǒng)無需備用電源仍可保證藥劑連續(xù)穩(wěn)定地投加，可保證出廠水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)、保障水質(zhì)安全。

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 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€(gè)水處理過程的非常好個(gè)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(gè)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(shí)也受到藥劑投加等因素的影響［1］。混凝投藥是自來水生產(chǎn)過程中凈化水質(zhì)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，投藥后的凈化過程具有復(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 問題分析自來水生產(chǎn)是一個(gè)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(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，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)性低等問題。

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(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，通常需要較長時(shí)間恢復(fù)投藥，無法保證水質(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，通常需要較長時(shí)間恢復(fù)投藥，無法保證水質(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，人工無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)、常規(guī)裝置無法及時(shí)檢測，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，人工無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)、常規(guī)裝置無法及時(shí)檢測，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(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(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、斷藥檢測裝置、斷電檢測裝置、缺藥檢測裝置以及遠(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: 通過安裝于儲(chǔ)藥池和投加點(diǎn)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(diǎn)浮子流量計(jì)進(jìn)行檢測; ( 4) 斷電檢測裝置: 通過電磁閥失電進(jìn)行檢測; ( 5) 缺藥檢測裝置: 通過設(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; ( 6) 遠(yuǎn)程報(bào)警模塊: 通過外接的繼電器常開點(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。

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)斷電開啟型電磁閥，當(dāng)斷電開啟型電磁閥打開時(shí)，可實(shí)現(xiàn)無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，保證在非常低液位時(shí)流量可以滿足非常小投加藥量。儲(chǔ)藥池如圖 3 所示。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)長的應(yīng)急投加時(shí)間，又要避免頻繁更換過期藥劑產(chǎn)生浪費(fèi)。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(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(dāng)廠區(qū)供電中斷時(shí)，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(shí)電磁閥打開，啟動(dòng)藥劑應(yīng)急投加。

( 2) 斷藥檢測: 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，椎管外裝干簧管開關(guān)，用于流量的上下限報(bào)警輸出。浮子流量計(jì)無流量時(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，接在繼電器常閉點(diǎn)的斷電開啟型電磁閥線圈失電，電磁閥打開，啟動(dòng)藥劑應(yīng)急投加。

( 3) 缺藥檢測: 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，接在繼電器常閉點(diǎn)的斷電開啟型電磁閥線圈失電，電磁閥打開，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)斷電開啟型電磁流量計(jì)及部分管材，合計(jì)金額不超過 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. 24萬元。除產(chǎn)生明顯經(jīng)濟(jì)效益外，該系統(tǒng)非常大的貢獻(xiàn)是避免無法及時(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(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)，具有簡便性、通用性及高可靠性等特點(diǎn)。

( 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(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(jì)、浮子流量計(jì)等多種流量檢測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，上海上自儀公司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，可在自來水廠、污水廠進(jìn)行推廣。