显示式絮凝控制系统（FCD）在水厂的应用

杨凯人
（上海临江自来水制水有限公司，上海 201114）

　　摘 要： 详细介绍了显示式絮凝控制系统(FCD)在水厂应用中的效果和应注意的问题，体现了我国自行研制、开发的自动加矾控制系统在适用性和实用程度上更具优势。?
　　关键词： FCD； 水厂； 应用效果
　　中图分类号： TU991.22
　　文献标识码： C
　　文章编号： 1000-4602(2000)03-0041-03

1 概况

　　上海临江自来水制水有限公司是上海市自来水公司临江水厂改制后的制水企业，是上海市利 用西班牙政府贷款项目新建的自动化程度较高的水厂(由上海市政设计研究院设计)，于1997年7月通水投产。设计供水能力为40×10⁴m³/d，主要机电及自控生产设备是国外引进，取用的原水由黄浦江上游引水二期工程的淞浦取水泵站提供，再经由临江泵站提升后输入，原水浊度年平均值40NTU左右，最高约150NTU，最低约10NTU。1998年出厂水平均浊度为0.30NTU。制水生产流程为：

　　

　　净水构筑物中有四座10×10⁴m³/d的沉淀池(设计参数：反应池停留时间16min，沉淀时间90min，进水量4500m³/h)，二座20×10⁴m³/d滤池，二座2×10⁴m³清水池。?
　　混凝剂选用液体碱式氯化铝。碱铝的提升、配制和搅拌全部采用自动控制。加矾设备是使用德国Prominent公司生产的四头泵，最大加注量为5000L/h，具有变频和冲程双因子控制。
　　“显示式絮凝控制系统”的诞生为实现全自动加矾的闭环控制提供了新的方法和手段，水厂于1999年5月在3^＃沉淀池安装了上海尼臣环保实业有限公司生产的FCD进行生产性应用试验。FCD具有调整加注泵冲程、控制加注率随水量变化同步调整加矾量的双重功能，但考虑到原系统中按流量比例的变频控制较正常、所以仍继续保持使用，而将FCD用来控制加注泵冲程调节，即控制混凝剂加注率。该自动加矾系统见图1(左边为我公司保持使用的原有系统装置，右边为FCD系统)。

1.1 FCD简介
　　显示式絮凝控制系统(Flocculation Control Device)，简称FCD，主要由绒体图像采集传感器和奔腾微机两大部分组成。图像采集传感器安装在反应池出口水流较稳定处，水样经取样窗(可定时自动清洗)由高分辩CCD摄像头水下摄像，由LED发光管照明以提高絮凝体图像清晰度，经视频电缆传输进计算机，对数据进行图像预处理，以排除噪声的干扰，改善图像的成像质量，绒体图像放大6倍可在显示器上显示；将灰质图像通过计算机转换成二值化图像找出绒体颗粒分界线，进行图形连通性判别，从而得出每一幅图像中每一个绒体的大小和其他参数。
1.2 FCD自动控制原理
　　依据绒体的沉淀特性用一个“等效直径”的代表性概念作为与沉淀水浊度相关的参量。在加矾技术上，解决了非球体绒体状态的测量、计算和分析，据此利用实测值与目标值比较后的偏差来自动调整混凝剂加注率(或加矾量)；同时，又以沉淀池出水浊度的实测值与目标设定值比较后的偏差来自动修正绒体等效直径的目标值，达到了智能化控制。因此，在应用中很明显地反映出：绒体等效直径与加注率成正比，而与浊度目标设定值成反比；绒体等效直径与接触时间(反应池停留时间)成正比，而与进水量成反比。

2 FCD的运行、调控

　　水厂从1999年5月下旬开始在3?＃沉淀池安装FCD至今，为保证沉淀水浊度符合要求(厂规定沉淀水浊度≯2.5 NTU)，进一步提高该系统稳定性，重点结合水厂生产实际解决了以下一些问题。?
2.1 绒体等效直径的实测值与进水量变化的关系
　　绒体等效直径的实测值在加注率较稳定的情况下，会因沉淀池进水量调整变化而出现明显的突变，且成反比。主要是由于水量大小变化引起反应池流速和停留时间发生变化，若进水量由小变大，反应池流速相应地变快，接触停留时间变短，则绒体粒径实测值迅速变小。例如，当3^＃沉淀池进水量按设计流量由4500m³/h增调到5000m³/h(流量变化为10%)，此时绒体粒径实测值变小约0.02～0.05mm左右，粒径变小幅度为5%～10%左右。在此种情况下，如绒体粒径的目标值不能同步或近似地响应调整，则加注率的调整会发生误导，可造成沉淀水浊度波动。若进水流量由大变小则出现相反情况。为此，决定将流量系数确定在-0.50～-0.75左右，另外将绒体粒径目标值的调整由30min一次改为15min一次，使得加注率的控制和调整适应实际工况变化的需要，并使加注率和沉淀水浊度在进水流量变化时保持相对稳定。
2.2 绒体等效直径与沉淀水浊度目标值的关系
　　绒体等效直径实测值与沉淀水浊度目标值的设定有关，且成反比。浊度目标设定值小，则绒体粒径实测值就大。例如3^＃沉淀池出水浊度目标值设定在1.8NTU时，一般绒体粒径实测值约在0.400～0.440mm左右；当浊度目标值设定为1.5NTU时，绒体粒径实测值可达0.460mm左右；当浊度目标值设定为1.0NTU时，绒体粒径实测值可达0.480mm左右，甚至超过。因此绒体粒径实测值会因浊度目标值不同而不一样，但实际生产中，沉淀水浊度目标值往往是相对固定设置，不会经常变化。
2.3 绒体等效直径、加注率与混合条件的关系
　　绒体等效直径的实测值、加注率与混合条件变化有关。当进水量、浊度目标值及加注率一定，混合条件较好时则绒体粒径实测值就大、加注率降低，即混合条件稳定则绒体粒径实测值也就相对稳定。反之，绒体粒径实测值会发生明显变化。这一点对保持系统运行的稳定性很重要，而在实际生产中过去往往容易忽视，例如原先加矾混合采用的是静态混合器，投加点设在沉淀池进水调流阀后约1m处。原来沉淀池、进水泵和调流阀的运行方式见表1。

表１　　水厂原运行方式 运行方式 Ⅰ Ⅱ Ⅲ 进水泵运行台数（台） 1 2 2 沉淀池运行座数（座） 1 2 3 沉淀池调流阀开启度（%） 41 44 100 进水流量（m³/h） 4500 9000 13000　

　　当采用第Ⅲ种方式运行时，由于调流阀开启度变化较大，造成原来工况下的混合条件发生较大变化，使得绒体粒径实测值突然变小。将调流阀开启度从原100%调整到70%(该阀的调流特性约在开启度30%～70%)，总的进水量无明显变化(3^＃沉淀池进水量仍为4500m3/h，浊度目标值为1.0NTU)，而绒体粒径实测值从0.440 mm左右回复到0.480mm左右。现已将第三种运行方式的调流阀开启度确定为68%，使FCD尽量避免混合条件变化产生的干扰，保持在不同运行工况下的稳定性。采取该措施后，3^＃沉淀池水浊度实测值更趋稳定，由此可以得到启示：①保持混合条件稳定，对FCD运行的稳定性有利；②改善混合条件后会有明显 的节矾效果，如调流阀的开启度定为68%后，加注泵的冲程数(约相当于加注率)从原来60%左右降到45%～50%左右，降低约15%～25%；③现有静态混合器的混合方式，其混合效果会 随进水流量的变化而不同，而选择更为合理的混合方式将是今后需要积极探求的。?
2.4 偶然因素对运行的影响程度
　　 当绒体粒径的实测值和目标值相对稳定时，有时沉淀池出水浊度会遇到一些偶然因素的影响，如突然的暴雨、大风等影响，沉淀水浊度会上升约0.8～1.0NTU左右，但对滤后水浊度要求没有明显影响，且此种情况时间不会太长，待浊度反馈调整绒体目标值后，加注率自动调整，沉淀水浊度实测值会趋于逼近目标值。另外有时浊度仪信号会突然变化，但时间也很短。上述偶然因素产生的变化现象，在FCD的运行过程中能明显地观察到，但对该系统的正常运行没有明显影响。?

3 FCD生产应用的效果

　　① 稳定性好。应用FCD控制混凝剂加注率，进一步提高了沉淀水浊度的合格率和稳定性。例如10月1日—7日一周的数据(每5min一次数据统计共2016次)，仅有一次实测值为20NTU，合格率为99.95%。浊度的稳定性也比人工控制的要好。
　　②降低矾耗。在其他条件相似的情况下，3^＃沉淀池的矾耗减少约10kg/h(折算为标准硫酸铝)，矾基数比平均0.025kg/m³下降0.0022kg/m³，降低率约8%左右。?
　　③可实现水厂加矾全自动控制。FCD在自动检测绒体粒径数据的基础上，实现自动加矾的智能化闭环控制，为水厂加矾实现全自动化提供了新的方法和手段。同时FCD还可应用于对混合、絮凝等净水工艺效果进行定量的测定和分析研究，为改善水厂的净水工艺和构筑物改造提供依据。?
　　④形象直观，调控方便。FCD检测控制参数与沉淀水浊度相关性好，受原水水质的干扰小，且简单直观，与净水生产的人工控制方式一致性强，很容易被水厂接受和使用。该系统灵活性也好，对各项参数和加矾量的上、下限均可按要求设置与调整。
　　⑤可靠性强，维护方便。FCD的装置简单，保养维修工作量小，通过三个多月的试用，对传感器只作过一次密封性能检查和清洁保养工作。?
　　⑥提高劳动生产率，降低劳动强度。可以减少生产人员对沉淀池现场巡检的频率，降低劳动强度，特别是在雨雪天气和夜间。同时也促进了生产人员技术素质的提高，缩小水厂岗位 体力劳动与脑力劳动的差别，有利于水厂生产岗位的减员增效。?
　　FCD是国内自行研制、开发生产的自动加矾控制系统，为国际首创，完全能替代进口设备，且在适用性和实用程度上更具有优势，有利于水厂自动化向国产化方向发展。?

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收稿日期：1999-11-20