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自来水厂生产运行自动化系统中常用在线仪表的分析与应用

来源: 北京市自来水集团亦庄水厂项目部 作者:范羽多 发布日期:2021-06-04

 一、常用仪表

自来水水厂(以下简称水厂)水处理系统中所涉及的在线仪表主要指与水处理工艺设备设施相关联,并通过水处理设备设施获取重要供水数据的设备。在线仪表主要由各类传感器及二次仪表组成,通过传感器来实现供水重要数据的采集,并通过二次仪表转换输出成可以接收的模拟信号或数字信号,在一些高性能的在线仪表中甚至会将可编程控制器集成在内,从而实现更加丰富的功能控制与综合应用。在线仪表根据功能不同可分为不同种类。如:压力变送器、液位仪、流量计,水质分析仪表等,可分别实现压力数据、液位数据、流量数据、水质数据等参数的实时监测。其中在水厂运行系统中非常为常用的在线仪表主要为压力仪表、流量仪表、液位仪表及水质分析仪表。
 
1、压力仪表
压力仪表也称压力表或压力变送器,是水厂中非常为常用的仪表之一。这类仪表主要通过传感器中压力敏感元件采集压力信号并转换为相应的电信号输出的原理,来实现压力数据的监测。压力仪表在水厂中主要应用于加药系统压力监测,各工艺段进出水及水厂输配水干管压力的监测。压力数据是水厂生产运行中重要的参数指标,它不单单起到了自动化采集压力数据的作用,在一些水处理工艺上,运行人员可以通过压力数据的变化,直接了解到该工艺段的运行情况。比如监测炭砂滤池的滤后水出管道上的压力数值时,当滤池正常过滤时在水量不变的情况下,滤后水压力低于正常值时,可以初步判断为滤池截污能力下降,特别是刚冲洗完后的滤池滤后水压力低于正常值时,可初步判断为滤池有板结风险。因此压力仪表在整个水处理中是非常为重要的在线仪表之一。
 
2、流量计仪表
在水处理工艺中,流量计仪表应用广泛,不仅仅安装的输配水管线上,往往根据水厂自动化运行系统的要求,还会安装在净水工艺各工艺段的进出水管及药剂投加管上,通过流量计采集的水量数据及药剂瞬时投加量数据,运行人员可以更直观的了解设备的运行状态和提前对水厂运行状态做出预判。水厂常用的流量计主要是超声波流量计电磁流量计,其中超声波流量计又可分为时差式超声波流量计和多普勒超声波流量计等,在输配水管道上通常采用时差式超声波流量计,这类流量计,一共两个探头,这两个探头安装在管壁两侧,两探头相距距离就是管径的直径,其中非常好个探头发射信号穿过管壁、介质及另一侧管壁,第二个探头接收信号,同时第二个探头同样发射信号穿过管壁、介质及另一侧管壁被非常好个探头接收到,由于受到介质流速的影响,二者存在时间差 Δt,根据公式 V=(C2/2L)×Δt,进而可以得到该管段的流量数据。超声波流量计由于不需与被测介质接触,所以广泛应用于具有腐蚀性强、非导电性、放射性等介质的流量测量,其测量精准度高,安装维护方便,不受管径限制。应尽量在满管状态下使用,否则将影响其测量精度,同时超声波流量计易受电磁干扰,不适用于在复杂的电磁环境中工作。电磁流量计是根据法拉第电磁感应定律进行流量测量的流量计,其工作性能优越,测量精度高,耗电量低,零点不易发生漂移。但要注意在进行非满管状态下测量时,其测量精度会有所下降,电磁流量计在测量过程中,电极会跟被测介质接触,若电极堆积大量污垢,会降低测量的精度及数据的稳定性,因此在实际应用过程中,要经常对管道内壁进行除垢维护工作。
 
3、液位仪表
液位计仪表种类繁多,应用在水厂的液位仪表主要是压力式液位仪表和超声波式液位仪表。一般来说压力式液位计主要应用于测量吸扬井和清水池液位及储存相对静态且无腐蚀性液体构筑物的液位。超声波液位计用于测量储存具有一定腐蚀性液体构筑物的液位,主要应用于储药池、废水回收池及污泥池。压力式液位计是以传感器所采集的静压值与传感器安装位置的液体深度成正比为原理,将静压信号转换为电信号,再通过液体温度补偿和线性修正,转化成标准电信号的一种测量液位的液位仪表。该仪表工作性能稳定,测量精度高,使用寿命长,抗电磁干扰能力强,耗电量小,但由于该类仪表需要直接投入被测介质中,所以要求被测介质密度均匀且无腐蚀性,同时因探头易发生堵塞,所以探头需要及时清洁,若清洁不到位,会影响该液位计的测量精度及使用寿命。超声波液位计是超声传感器在微处理器的控制下,发射和接收超声波,由于声波在空中传播的速度 c 不变,根据 s=ct/2 和h=H-s,通过微处理器计算而得出液位数据的液位计。其优点是该仪表为非接触式仪表可用于腐蚀性介质的测量、测量精度高、使用寿命长、性能稳定可靠,维护方便。但需注意环境对设备的影响,如粉尘、温度会影响其测量精度,抗电磁干扰能力弱;电耗量比压力式仪表大;被测液体中不能产生大量气泡,悬浮物,如储药池在搅拌时,应尽量避免产生大量气泡,从而影响测量精度。
 
4、水质分析仪表
水质数据是水处理中非常为重要的质量指标,在线水质数据可以实时的、准确的反映水厂水处理运行工况。因此为了保证水厂水处理工艺安全运行和出厂水水质的合格,必须在自来水水厂各工艺段安装各类在线水质仪表。在线水质仪表种类繁多,在自来水水厂自动化系统中较为常用的在线水质仪表主要为余氯仪、浊度仪、pH 计、温度计、电导率仪、氨氮仪和COD 仪等仪表。在线水质仪表属于高精密仪表,价格较高,初期建设费用高,整个在线水质仪表的建设工程量较其它在线仪表建设工程量大,需要独立的进水与排水系统。对安装环境要求较高,需要专业人员对其进行定期维护保养。
 
二、仪表的选型与安装
由于在线仪表根据原理、结构及使用环境的不同,在选择型号与安装调试上也各有要求。
1、仪表的选型
在选择仪表型号时要需考虑下面几个方面。首先是仪表量程和仪表测量精度的要求,这是仪表型号选择的重要条件。应根据被测数据的范围及测量过程中根据实际生产需要所允许的测量偏差要求选择仪表型号。量程范围的选择影响着测量的精度,测量的精度直接影响测量数据的准确性。在选择中应按实际情况选择在线仪表。如测量水质参数时由于原水的浊度不稳定且数值较高,因此可以采用高量程仪表,出厂水的浊度以北京地区为例基本控制在 0.3NTU 以下,为了取得更精准的数据应选择低量程仪表。其次是经济与精度的要求。一般来说测量数据的精度级别越高越好,但过高的精度则往往需要投入更大的建设成本,同时对供水管理来说并不会带来更多的效益。许多在线仪表的建设投资都比较大,因此经济与精度的平衡也是在线仪表选择的一个重要因素。如在原水预处理阶段需要选择在线水质仪表测定余氯数据。
 
一般来说,在原水预处理水质检测过程中余氯数据精度要求不高,可以选择电极法余氯检测仪表。而在配水泵房则需要安装比色法余氯仪表以保证实时精准的掌握出厂水余氯数据。再次在线仪表的选择还要考虑运维成本,运维成本包括时间成本以及经济成本。时间成本可以理解为维护工作量,工作量越小在线仪表的故障台时越短,对水厂运行影响越小。
 
比如在安装滤池在线液位仪表时,一般从前期建设成本上考虑,选择的都是静压式液位仪表。以某水厂为例在实际运行过程发现静压式仪表的传感器探头经常被埋入砂层或碳层下面,在处理这类事件中往往需要将滤池先退出运行,再由人工下到砂面或碳面上将其挖出,调整好安装位置后,要先对滤池进行反冲洗才能投入使用,整个处理过程不仅时间长,且无形中增加了其他滤池的运行负荷,从而对水厂的整体运行产生了影响。在后期改造过程中,该水厂将滤池上应用静压式液位仪表全部更换为无需接触的超声波仪表。
 
经济成本取决于在线仪表的稳定性及运行中的损耗,比如刚才讲的电极法余氯仪和比色法余氯仪的运维成本就有很大的不同,电极法余氯仪表的常规维护一般情况下只需 6 个月更换电极棒内的渗透膜及电解液即可,而比色法余氯仪表除每月的药剂损耗外,每年还需要更换加药管路等配件,所以比色法余氯检测仪表的维护费用远高于电极法余氯检测仪表。
 
2、仪表的安装调试要求
在线仪表基于其工作原理及内外部构造等方面的因素制约,对现场安装调试工作及现场运行环境情况都有着严格的技术要求。如在安装调试过程中没有达到设备安装的技术要求,会对在线仪表的正常运行产生影响,这种影响不仅体现在在线仪表的使用寿命上,更体现在所测数据的精准性和稳定性上。因在线仪表供电方式一般为市电供电,在安装过程中不仅需要做好防雷接地措施,也要做好对地绝缘工作。
 
除此之外,在压力仪表的安装调试过程中还做好管道的防冻保暖,防止因结冰而导致管道压力增加造成的仪表损坏;在流量仪表的安装中除了需确保流量传感器前后管段为直管段外,根据仪表的安装环境情况,有些安装位置不方便检修或检修时影响生产的,应建有用于检修仪表的检修井和跨越管道;在液位仪表安装中还需要注意传输信号的屏蔽防护,特别是超声波液位仪表对谐波干扰很敏感,安装过程中可加入滤波器;在水质分析仪表的安装调试中需注意工作环境温度、湿度及被测水样的水环境的要求,通常应使用专业的水质仪表柜,且水质仪表柜应安装在室内,若现场条件不允许安装在室内,应做好设备的防寒保暖工作。在安装过程中,可结合实际情况将不同分析仪表进行组合应用。
 
三、在线仪表的综合应用
随着水处理技术的发展及生产自动化水平的提高,在线仪表的应用已不再局限于简单的显示测量数据,也开始逐渐参与到自动化控制系统的综合应用中。通过这些在线仪表的监测运行人员可快速掌握全厂水压、水量、水质状况,为优化生产调度和节能降耗提供了可能,同时对水质自动化及水量管理也带来了技术支撑。下面简单介绍目前一些在线仪表在供水管理中的应用。
 
1、自动加药系统
水厂的药剂投加系统一般分为混凝剂投加系统、助凝剂投加系统、臭氧投加系统,消毒剂投加系统,酸碱投加系统及粉碳投加系统等。为了保证药剂投加量的精准度,药剂投加系统通常采用可编程控制器控制,利用在线流量计将进水量数据上传至可编程控制器,可编程控制器根据设定好的投加率,结合进水量的数据实现实时地精准药剂投加。在一些生产自动化水平较高的水厂,在线水质分析仪表也会参与到药剂投加系统中,比如在次氯酸钠投加系统中,在线水质分析仪表余氯数据可以实时上传至次氯酸钠投加系统的可编程控制器,当检测余氯数值高于预警值时,次氯酸钠投加系统的可编程控制器可以根据程序设定,结合实时的进水量相应的自动降低药剂投加率,从而保证水质指标合格。
 
2、Ⅴ型滤池自动运行系统
在Ⅴ型滤池自动运行系统中,滤池的液位数据起着至关重要的作用,滤池的整体运行是通过可编程控制器实现自动控制的,无论是正向过滤时还是反冲洗时,滤池各个阀门的开闭状态,都是通过液位仪表实时地向可编程控制提供液位数据,从而对阀门状态实现控制,保证滤池运行安全。
 
3、高密度澄清池排泥系统
高密度澄清池排泥系统的运行方式,是根据在线进水流量仪表向可编程控制器提供的流量数据,并结合人工设定的累计进水量和排泥时间,从而进行自动排泥的。为防止污泥回收池泥位溢流,往往在排泥系统中还将污泥回收池的在线液位仪表与高密度澄清池的控制系统相关联,实现排泥泵与污泥回收池液位联动的状态,如当污泥回收池泥位超过预警时,排泥泵若处在运行状态时,排泥泵应自动停泵且在泥位未下降到安全泥位时排泥泵无法自动运行。
 
综上所述,随着自动化技术在水厂运行管理中的大量应用,在线仪表作为自动化技术的感知层,它的作用也变得越来越重要,随着传感器及芯片技术的发展,在线仪表的精密度在提高,安装环境的要求也在提高,调试工作随着在线仪表功能的增强而变得复杂化,所以当进行在线仪表选型时及安装调试时,要进行全方位的思考,既要满足测量目的的要求,又要合理的进行成本控制,在精度、稳定性、运维成本以及建设成本中寻找平衡点,从而保证水厂可以即安全又经济的生产运行。

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