水厂加氯的自动控制

连庆聪 林文鹏 (泉州市自来水有限公司 362000)

An automatic chlorine-dosing control system in water works

[提 要]本文介绍在水处理过程中，应用控制器控制加氯的一种自动控制系统，并详述了其系统构成、控制原理、参数整定及应注意的问题。

[关键词] 比例控制； 复合控制； PID控制；参数整定

Abstract: This paper introduces an automatic chlorine dosing control system in a water treatment process by using controller. The system construction, theory of control and parameters adjustment are introduced in detail. Several important points were presented as well.

Keywords: Proportional control； Compound control；PID control； Parameter adjustment

1 前言

在水处理过程中，加氯消毒是水厂水质控制的重要环节。消毒时在水中的加氯量，可以分为两部分，即需氯量和余氯。对于生活饮用水工艺而言，原水加氯后经过一定时间接触，用于灭活水中微生物、氧化有机物和还原性物质等所消耗的氯量称为需氯量。为了抑制水中残余微生物的再度繁殖，管网中尚需维持少量的余氯。我国生活饮用水卫生标准规定出厂水游离余氯在接触30min后不低于0.3mg/L，管网未稍不低于0.05mg/L。后者的余氯量虽然仍具有消毒能力，但对再次污染的消毒尚嫌不足，而可作为预示再次污染的信号。此点对于管网较长枝状管网有死水端的情况，尤为重要。氯化消毒时，投氯量一般应满足杀灭细菌以达到指定的消毒指标和氧化有机物等所消耗的需氯量及抑制水中残存致病菌的再度繁殖所需的余氯量。同时，投加量过高易产生致癌物质三氯甲烷、四氯甲烷等。因此，在水处理过程中正确控制加氯量是至关重要的。 2 控制系统构成

水厂的自动加氯系统一般由前加氯与后加氯组成，前加氯主要是杀灭水中的微生物、细菌、氧化有机物及延长加氯消毒的接触时间，同时可起到助凝、助滤作用；滤后加氯主要是补充第一次原水加氯（前加氯）后的余氯不足，保证余氯量达到规定指标。泉州市第三水厂加氯自动控制系统采用了如下控制方式：①前加氯采用流量比例控制。②后加氯采用复合控制。其系统控制框图如图1所示。

原水 流量计 前加氯点 混合、反应、沉淀、过滤 后加氯点 t1 至清水池

取样点

流量 比例控制器 流量、余氯 复合控制器 反馈量 反馈量 余氯分析仪 电动调节阀 电动调节阀 取样泵 t2 整整PLC 流量信号 t3 余氯信号 图1 控制系统构成

采用以上控制方式的依据是：

①原水是采用地面水源，多少已受到有机物的污染，氧化这些有机物要消耗一定的氯量，即需氯量，由前加氯完成。加氯量必须超过需氯量，才能保证一定的剩余氯。当水中有机物较少，而且主要不是游离氨和含氮化合物时，需氯量满足以后就会才现余氯，其相关关系如图2 所示。

（mg/L）余氯 加氯量(mg/L) 图2 加氯量与余氯的关系

②原水流量恒定时，PID控制（余氯控制）能很好地满足控制要求。流量信号引入后加氯进行复合控制，原水在经过反应、沉淀、过滤过程中需进行排泥及反冲洗，在进行排泥及反冲洗过程时其原水流量与进入清水池的实际流量虽不一致，但其占原水总量的比例不大，只要正确设定PID参数，足以保证其控制效果。

③当取水泵房增减机组时，原水流量发生阶跃变化，流量比例控制作出快速反应以弥补余氯PID控制的存在滞后性的不足，而控制精度仍由PID控制保证。

3 控制系统原理

目前国内自动化控制生产的水厂，所采用的加氯设备大多是美国W&T公司或美国首都公

司提供的加氯系统，其加氯机的控制器均为带有处理器的智能控制器，其控制器和电动执行机构（调节阀）共同组成加氯机控制系统，控制器根据从PLC或其它仪器仪表等设备所接收到的信号及用户对其参数的设定和控制方式的选择，然后对执行机构（调节阀）发出调节量信号，调节阀门开度，使余氯达到期望值。

3.1比例控制

前加氯的投加量（调节阀开度）与原水流量的大小成正比。原水流量信号经PLC输入到前加氯控制器（比例控制器），比例控制器根据流量的大小，输出相应的调节量，调节电动阀的开度，其控制的数学模型如式（3—1）所示：

I0=KfQm （3—1） 其中：I0——控制器输出（4~20mA）；

Kf——比例系数； Qm——原水瞬时流量。

比例系数Kf的设定根据前加氯量（需氯量）的多少而定。比例系数Kf的设定值可通过在上位监控机上由操作人员根据工艺要求及原水需氯量的大小进行改变。 3.2复合控制

3.2.1复合控制是流量比例控制与余氯PID控制的有机给合，在复合控制过程中，流量比例控制根据流量的大小，根据其控制的数学模型，快速地给调节阀一个初始的阀门开度信号，建立一个基本的控制模型。余氯分析仪的余氯信号经PLC作为一个过程变量输入控制器，控制器通过比较过程变量与余氯设定值产生的误差，由PID方程计算出其输出量，即修正量，每经过一个滞后时间周期，从流量比例控制赋予调节阀的初始开度开始，逐步对其进行修正，直到余氯达到期望值。由于PID方程计算出的修正量，是一个累加值，其超越流量比例控制赋予调节阀的初始阀门开度值，为达到余氯设定点，具有驱使电动阀全开或全闭的能力。流量比例控制的数学模型如式（3—1）所示，其比例系数Kf设定值由操作人员根据工艺要求、原水水质、滤后水余氯设定值的高低及实践经验进行改变。

3.2.2PID控制数学模型

PID方程计算的结果驱使受控的过程变量达到期望值。PID方程有相关增益（ISA）方程和独立增益方程二种形式，在独立增益方程中，PID的三项独立地进行运算，在相关增益（ISA）方程中，比例项的改变也会影响积分项和微分项的改变。在这里，控制器采用独立增益方程来进行控制，其数学方程如式（3—2）所示：

I0=KpE+Ki∫otEdt+Kd〔E-E（n-1）〕╱dt+B （3—2）

式中，E为误差，即过程变量与设定值之差，E（n—1）是取自前一次采样的误差，Kp，Ki，

Kd分别为比例、积分、微分增益系数，B为前馈值或输出偏置，I0为控制器输出量（4~20mA）。由于偏置B通常被用于控制具有一个滞后传递函数的过程，在这里我们不加偏置。加氯消毒是一个比较复杂的过程，对它的动态特性进行数学描述比较因难。在PID方程中，PID参数设定根据原水水质和经验进行设定，比例调节（P）的作用是快速调节偏差的大小，偏差大调节大，偏差小调节小。积分调节（I）的作用是逐步改变调节作用，偏差大调节作用变化速度快，反之则慢。微分调节（D）的作用是使偏差快速消除，可以选择方程中的微分项是作用于误差的变化还是作用于过程变量的变化。在这里，我们只须对设定值的变化作出正常反应。根据经验微分增益Kd值不宜过大。

4 影响加氯自动控制的主要因素及应注意的问题 4.1加氯机控制器PID参数的整定

4.1.1比例增益和积分增益（Prop Gain and Integ Gain）

控制器所提供的比例增益和积分增益常数，其设定范围为0—100%，默认值为50%。改变其任一项均可引起PID方程的输出量（修正量）的变化。使用者投入运行后，应对Prop Gain and Integ Gain常数进行整定。整定时应以控制器提供的经验常数（默认值）为基准，根据实际应用逐步作适当调整。整定时应通过来回改变设定值，比较余氯值与控制器的输出量的变化及振荡时间来选取合适的Prop Gain and Integ Gain常数。值得注意的是，增益常数设置太高可能会引起振荡加剧，设置太低会引起控制器反应迟钝，Prop Gain and Integ Gain常数的整定应分别独立进行。

4.1.2固定滞后时间和滞后时间总量（Fixd Lag Time and Total Lag Time）

滞后时间是控制器通过PID控制对调节阀开度进行修正的时间周期。其包括固定滞后时间（Fixd Lag Time）和滞后时间总量（Total Lag Time）两个参数。滞后时间由三部分构成，如图1所示；①从水射器的投加点到余氯采样点所需的时间t1；②从取样点到余氯分析仪测出余氯值所需的时间t2；③从余氯分析仪的余氯信号传输到控制器所需的时间t3。其中，t1的大小与流量的大小相关，其包含一个可变时间t’。在整定滞后时间时以流量最大时测出的滞后时间作为固定滞后时间和在流量最小时测出的滞后时间作为滞后时间总量分别输入到控制器，控制器可根据流量的大小自动计算出可变时间t’的大小，修正滞后时间总量。其相关关系如图3所示。

4.2取样时间的长短，取样点所处位置是否合理，直接影响加氯效果。

后加氯在投加氯后经过充分混合后，一般以3分钟为宜。缩短取样时间通常有两种方法：一是尽量缩短取样管的长度，取样管越短则响应越快；二是加大取样水管排水管排水分流以加快取样水的流速。

滞后时间总量

时间变量t’

0

50%

100%

流量

固定滞后时间部分

图3 滞后时间总量（固定滞后时间+时间变量）与流量关系图

4.3余氯分析仪检测值的正确性是控制加氯的关键。

由于余氯分析仪存在零点漂移，应定期进行校正，并经常清洗电极。同时应保证取样管通道畅通，正确调节取样水通过测量室的流速。

4.4 采用抗干扰措施。

交流电源采用净化电源，滤除电源中的中高频谐波；电气、仪表线隔离敷设，消除交流电对直流信号的干扰，仪表信号线采用双绞屏蔽线及正确接地。

5 结束语

该系统自投入运行以来，系统运行稳定，可靠性高，现场操作方便，且反应迅速，既能有效保证水质，又能节省投氯量，在我厂实际应用中显示出良好的经济效益和社会效益。

参考文献

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