高浊度水絮凝投药自动控制系统模型试验研究

于水利 李圭白

　　摘 要：本文提出了以絮凝检测仪为基础的高浊度水絮凝投药自控制系统，并对该系统在实验室进行了模型试验。试验结果表明，该系统对原水含沙量和水量的变化适应性较好，可以达到调整控制投药量、稳定出水水质的效果。

　　我国是多沙河流较多的国家之一，年平均输沙量在1000万吨以上的河流有40条，年最大输沙量超过1000万吨的有60条，黄河河水是世界上泥沙含量最高的高浊度水^[1]。黄河高浊度水含沙量受季节和气候的影响很大，夏季洪水期沙峰到来时河水含沙量猛增，变幅很大。并且各次沙峰的泥沙颗粒和泥沙性质各不相同，给高浊度水的絮凝处理带来很大困难，难以准确控制絮凝剂的投量。因此，准确、合理控制絮凝剂投量成为高浊度水处理成败的关键。
　　高浊度水絮凝与一般浊度水不同，主要是吸附桥机理，同时由于高浊度水泥沙含量、颗粒级配等特性难以实现在线连续检测，所以适合于一般浊度水的数字模型法以及近年发展起来的流动电流法等控制方式均难以用于高浊度水。八十年代J · Gregory研制开发了根据悬浊液的透光率脉动值分析絮粒大小的絮凝检测仪^[6]（Photometic Dispersion Analyser）。该仪器用于一般浊度水投药时，由于滞后时间长，适时性差，控制效果不理想。本研究试图将其用于检测高浊度水絮凝反应后絮粒大小，并以此来控制絮凝剂投量，组成以絮凝检测仪为基础的检测值R单回路高浊度水絮凝投药自动控制系统，并对该控制系统的性能进行了模型试验研究，现将研究情况作一介绍。

1．絮凝检测仪原理

　　图1为絮凝检测原理示意图。一狭窄光束照射流动的悬浊液，透过光由光敏管接收，光路中的颗粒使光产生散射（也可能是吸收），导致透光强度减弱，透过光能地是转换成电压（或电流）信号。由于光路内浊质颗粒数目是随机变化的并可以泊松分布表示^[3]，所以透光强度也是随机变化的，相应的电压信号也随着波动，经适当处理以直流成（DC）脉动成（交流成分AC）输出。浊质颗粒聚或絮凝时，颗粒粒径增大，个数浓度减小，跟平均透光强度相应的直流成分不太变化，而对应于光路内颗粒平均个数存在的颗粒数目随机波动的脉动成分却显著增大。即由絮凝检测仪输出的脉动成分可以灵敏地反映出悬浊液颗粒的絮凝情况。作为反映脉动成分在小的指标，絮凝检测仪有二个输出值，一个是脉动电压的均方根（V_RMS，输出电压关于均值的均方差），另一个是V_RMS与其相应的直流电压（V）的比值R（V_RMS／V）。应用中往往将此比值R作为悬浊液混凝的半定量指标。因为R值不受管壁污染及电子元件漂移的影响，管壁污染及电子元件漂移输出V和V_RMS有同样的程度的影响^[4]。

2．控制系统总体设计

2.1 沉速和检测值R的关系
　　浑液面沉速是高浊度水絮凝处理的重要参数^[2]。絮凝检测仪检测值R可以反映悬浊液颗粒平均粒径的大小，即反映颗粒的絮凝情况。所以R值必与浑液面沉速有相关关系，为此我们进行了实验验证，实验结果示于图2。

　　絮凝实验是在190×190×250mm的有机玻璃槽中进行的。水样是用哈尔滨自来水和兰州自来水厂自然沉淀池沉泥配制而成的。絮凝剂为阴离子型PAM，水解度30％，分子量大300万，试验时水温13.5ºC。
　　本试验对30、40、60、70mg/m³四种含沙量进行了测定。
　　图2中，含水利理相同时，浑液面沉速写民R值呈现良好的正相关关系，相关系数0．975～0．998。由此通过检测R值，即可获得浑液面沉速在小的住处，使浑液面沉速的测定大为简化，但不同含沙量时R值跟液面沉速的相关性不同，浑液面沉速随含沙量增大而减小（R相同），所以若想建立浑液面沉速与R值定量关系尚需考虑含沙量、水温等因素。
2.2 控制系统总体设计
　　检测值R可以直接反映高浊度水絮凝情况，进而间接反映浑液面沉速大小。高浊度水絮凝好坏主要决定于投药量，而影响投药量的因素很多。实质上絮凝检测值R的大小可以反映出影响絮凝剂投量的全部因素的综合效果。因此只需检测加药絮凝后高浊度水的一个参数——R值并适时控制即可实现絮凝投药的自动控制。由此提出了以絮凝检测仪为基础的高浊度水絮凝投药自控系统——R值单回路控制系统。该系统是一个中馈闭环直接数字控制系统（图3）。

　　系统以絮凝检测仪为基础，连续检测絮凝高浊度水的检测值，微机将检测值R与预先设定的“给定值R₀”比较，并按一定的控制算法通过执行机构（阀门或高频器）来调整投药量。

3．控制系统硬件及软件设计

3.1 硬件设计
　　微机是控制系统的中心。所选用的微机应具有足够的可靠性，实时性及很强的环境适应性，该系统所选用的IBM－PC／XT型工业控制微机，外高I／O接口由12位单端16路模入的A／D转换器和12位1路输出的D／A转换器组成，A／D和D／A制作在一个板上，直接插在PC／XT机内，占用机内一个总线扩展槽，利用扩展槽所提供的确根数据线、控制线与计算机内部联系。
　　执行机构由韩国出品的Goldstar 变频调速器和国产离心式水泵组成，变频器输入信号4～20mA或0～10V，变频最大范围0.5～50H_Z，离心泵杨程H＝12m，流量5m³/h。
　　絮凝检测仪型号为HJG－I，表头为三位半数字显示板（LED19.99），可以显示检测信号平均值（DC），脉动值（RMS）和比值（R），比值的输出信号为0~5V。
3.2 软件设计
　　控制系统软件主要由初始化程序，反馈运算程序和键盘管理程序组成，键盘显示管理程序主要具有以下功能：
　　（1）参数显示：集中显示当前投药量，变频器输出频率，处理水量，“给定值”等并能以图形方式显示，打印检测值R的变化曲线。
　　（2）参数设定：通过键盘设定程序中的一些基本参数。
　　（3）自动、手动软切换。
　　（4）自动脱机功能：当控制系统有故障则自动和脱机。
　　以上功能，分别安排于不同画面，通过人机对话以“菜单”形式进行选择。
　　控制系统反馈计算子程序框图示于图4。

4．试验模型及系统调试

4.1 试验模型
　　高浊度水用黄河泥沙和哈尔滨自来水配制。系统的调配装置可使系统进水含沙量任意改变。高浊度水在絮凝槽内停留时间1min左右（可调节）与絮凝剂反应。沉淀是在直径2m，圆心角12.5°的扇形辐沉池模型中进行。
　　絮凝检测仪自沉淀池的进水管（圆柱形进水室下部）取样检测，记录仪将检测信号自动记录，微机对采集的检测信号进行判断、运算，通过执行机构（变频器和水泵）控制系统的投药量。模型控制系统成如图5所示。

4.2 控制系统调试
　　(1) 给定值选择
　　模型试验按不同的“给定值R₀”（以R₀为均值的区间）控制，表1是进水负荷和含沙量及其它条件均不变，只改变“给定值R₀”时系统的运行情况。

不“给定值R₀”系统运行情况 表1

R₀(V)

2.0±0.10

3.0±0.15

4.0±0.20

PAM投量（mg/L）
浑液面上升平均速度（mm/s）
出水浊度（度）
浑液面静水沉速（mm/s）

1.47
0.026
900～1000
0.137

2.02
0.017
750～810
0.241

2.26
0.012
450～500
0.310

　　*原水含沙量：30kg/m³,水温11.5℃,进水负荷0.19mm/s.
　　模型辐沉池排泥是间歇式的，当浑液面上升至水面以下200mm处开始排根据浑液面上升过程线求得浑液面上升的平均速度。自絮凝槽取水样作静水沉速。出水浊度用分光光度计按标准曲线法测得。
　　表1表明对于固定水质条件的原水，R₀值越大，原水絮凝程度愈高，浑液面静水沉速增大，相应的浑液面上升速度缓慢，出水浊度减小。不过原水水质一般是变化的，这时即使“给定值R₀”控制不变，系统运行情况也将发生变化。表2为“给定值R₀”等于“3”，原水含沙量为30kg/m³t 45kg/m³时，系统运行情况。
　　从表2可知含沙量增大时，虽然控制系统可以增加投药量将R值控制在“给定值R₀”范围内，保证高浊度水絮程度不变。但由于含沙量增大，使浑液面沉速减小，导致出水水质变差。实际上，沉淀池进水负荷、水温、泥沙颗粒级配等的变化，对系统的运行均有类似的影响。表3是不同进水负荷时系统运行情况。为了保证系统的最优运行状态，可以根据原水的水质情况随时调整“给定值R₀”。不过生产中为了管理方便，可以按不同季节的最不利情况设定“给定值R₀”。由于水样中絮凝颗粒分布的不均匀性。检测值R是随机波动的，所以“给定值”亦应是以R₀为均值的一个区间（ΔR₀）。

　　含水量变化对系统运行情况影响　表2

R₀(V)

3.0±0.15

　

含沙量（mm/s³）
PAM投量（mg/L）
浑液面静水沉速（mm/s）出水浊度（度）
浑液面上升平均速度（mm/s）

30
2.02
0. 241
750～810
0.018

45
2.87
0.216
800～900
0.025

　　　　　＊ 进水负荷 0.19mm/s,水温11.5℃, ΔR₀=0.15(V)

进水负荷变化系统运行情况 表3

R₀±ΔR₀(V)

　

3.0±0.15

进水负荷 （mm/s）
PAM投量（mg/L）
浑液面静水沉速（mm/s）
浑液面上升平均速度（mm/s）
出水浊度（度）

0.19
2.02
0.241
0.017
730～770

　

0.28
3.06
0.245
0.028
820～950

　　　　　　　　*含沙量：30kg/m³,水温11.5℃,
　　（2）检测周期的选择
　　模型控制系统采用周期性调节，调节周期为可调参数，可人为进行修改。调节周期要考虑系统的各个惯性和纯滞后环节。理想的调节周期是系统即能正确获得被控量的变化情况，同时调节时间最短^[5]。试验是通过实测确定调节周期的。方法是测定从含沙量或投药量变化开始，导致被控量R值改变一直到稳定需要的时间。模型系统调节周期选2min。

6．控制系统调节性能

6.1 适应含沙量变化的能力
　　图6是控制系统对含沙量变化调节情况的一次典型记录。隔一定时间通过调配系统改变一次含沙量，含沙量最在变化范围为5～45kg/m³，最小范围28～33.2kg/m³，变化时间一般为5～10min，原水其它条件基本不变。“给定值R⁰”为“3”，始终保持不变。

　　实验结果表明，系统对沙量变化响应很快，调节时间只有2~4min。控制量R值波动小,并且紧紧跟踪“给定值R₀”，系统稳定性良好。出水浊度700~950°，平均浊度831°，浊度偏离平均值最大范围14％，而原水含沙量的变化很强地调节能力。
6.2 适应进水流量变化的能力
　　进水量通过改变模型系统沉淀池与絮凝槽水位差调整。当进水量增大时，单位水体药量减少，絮凝程度下降，R值降低，偏离“给定值R₀”范围。这时系统立即作出反应，微机通过执行机构调大投药量保证高浊度水絮凝程度不变（图7），将R控制在“给定值R₀”范围内。图案中平均出水浊度为867°，浊度偏离平均值最大范围约10%.而进水量平均为21ml/s,最大流量为37ml/s,最小流量8ml/s偏离平均值最大范围78%,即出水浊度波动程度只相当于进水流量波动程度1/7．8,由此可见控制系统对水量变化的调节能力很强。另外，试验表明，进水流量增大，沉淀池浑液面上升速度增大，反之减小，当系统进水流量时大时小时，浑液面上升速度受进水流量影响程度较小。

6.3 经济性和安全性
　　控制系统调节时间短（2~4min），可以快速跟踪原水含沙量、水量等的变化适时调节投药量，保证原水一定的絮凝程度。与人工投药相比出水水质有可靠的保障，可以保证系统安全稳定运行。同时，由于自动投药时，投药准确、合理，克服了人工投药时为了安全而加大投药量，无为消耗药剂的浪费现象，使更经济有效。

6. 结论

　　综上，PDA检测值R单回路高浊度水投药自控系统，对高浊度水絮凝程度有很强的控制能力，能适应原水含沙量、水量等的变化。当含沙量、水量等变幅很大时，只需相应调整“给定值R₀”，就能保证系统优良运行。“给定值R₀”可按经验或作静水沉淀实验确定。
　　R值单回路控制系统检测因子单一，组成简单，控制功能可靠，调节时间短，适时性强，控制精度高，即可以保证处理系统安全稳定地运行，同时，也可以节省药耗，具有很好的开发前景。

参考文献

　　[1] 钱宁／戴定忠，“中国泥沙问题及其研究概况”，第一次河流泥沙国际学术讲座会论文，1988年3月，PP．3～18。
　　[2] 李圭白，“高浊度水的动水浑缩规律和自然沉淀池的计算方法”，土木工程学报第10卷，第1期，（1964）。
　　[3] J.Gregry,“Turbidity fluctuations in Flowing Suspen sions”,J.Colloid interfade sci .,Vol.105,No.2
　　[4] T.O Kayode and J.Gregory , “A New Technique for Monitering Alum Sludge Conditioning”.Wat ,Res ,Vol .22NO.1PP85-90.1988.
　　[5] 王锦标、方崇，《过程计算机控制》清华大学出版社，1992年版。
　　[6] RANK BROTHERS LTD . “Photometic Dispersion Analyser PDA 2000 OPERTATING MANUAL”.

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　　此文曾刊载于1994年第7期的《给水排水》杂志