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      三暢創新研發儀表、助力工業自動化升級

      自來水廠生產運行自動化系統中常用在線儀表的分析與應用

      來源: 北京市自來水集團亦莊水廠項目部 作者:范羽多 發布日期:2021-06-04

       一、常用儀表

      自來水水廠(以下簡稱水廠)水處理系統中所涉及的在線儀表主要指與水處理工藝設備設施相關聯,并通過水處理設備設施獲取重要供水數據的設備。在線儀表主要由各類傳感器及二次儀表組成,通過傳感器來實現供水重要數據的采集,并通過二次儀表轉換輸出成可以接收的模擬信號或數字信號,在一些高性能的在線儀表中甚至會將可編程控制器集成在內,從而實現更加豐富的功能控制與綜合應用。在線儀表根據功能不同可分為不同種類。如:壓力變送器、液位儀、流量計,水質分析儀表等,可分別實現壓力數據、液位數據、流量數據、水質數據等參數的實時監測。其中在水廠運行系統中非常為常用的在線儀表主要為壓力儀表、流量儀表、液位儀表及水質分析儀表。
       
      1、壓力儀表
      壓力儀表也稱壓力表或壓力變送器,是水廠中非常為常用的儀表之一。這類儀表主要通過傳感器中壓力敏感元件采集壓力信號并轉換為相應的電信號輸出的原理,來實現壓力數據的監測。壓力儀表在水廠中主要應用于加藥系統壓力監測,各工藝段進出水及水廠輸配水干管壓力的監測。壓力數據是水廠生產運行中重要的參數指標,它不單單起到了自動化采集壓力數據的作用,在一些水處理工藝上,運行人員可以通過壓力數據的變化,直接了解到該工藝段的運行情況。比如監測炭砂濾池的濾后水出管道上的壓力數值時,當濾池正常過濾時在水量不變的情況下,濾后水壓力低于正常值時,可以初步判斷為濾池截污能力下降,特別是剛沖洗完后的濾池濾后水壓力低于正常值時,可初步判斷為濾池有板結風險。因此壓力儀表在整個水處理中是非常為重要的在線儀表之一。
       
      2、流量計儀表
      在水處理工藝中,流量計儀表應用廣泛,不僅僅安裝的輸配水管線上,往往根據水廠自動化運行系統的要求,還會安裝在凈水工藝各工藝段的進出水管及藥劑投加管上,通過流量計采集的水量數據及藥劑瞬時投加量數據,運行人員可以更直觀的了解設備的運行狀態和提前對水廠運行狀態做出預判。水廠常用的流量計主要是超聲波流量計電磁流量計,其中超聲波流量計又可分為時差式超聲波流量計和多普勒超聲波流量計等,在輸配水管道上通常采用時差式超聲波流量計,這類流量計,一共兩個探頭,這兩個探頭安裝在管壁兩側,兩探頭相距距離就是管徑的直徑,其中非常好個探頭發射信號穿過管壁、介質及另一側管壁,第二個探頭接收信號,同時第二個探頭同樣發射信號穿過管壁、介質及另一側管壁被非常好個探頭接收到,由于受到介質流速的影響,二者存在時間差 Δt,根據公式 V=(C2/2L)×Δt,進而可以得到該管段的流量數據。超聲波流量計由于不需與被測介質接觸,所以廣泛應用于具有腐蝕性強、非導電性、放射性等介質的流量測量,其測量精準度高,安裝維護方便,不受管徑限制。應盡量在滿管狀態下使用,否則將影響其測量精度,同時超聲波流量計易受電磁干擾,不適用于在復雜的電磁環境中工作。電磁流量計是根據法拉第電磁感應定律進行流量測量的流量計,其工作性能優越,測量精度高,耗電量低,零點不易發生漂移。但要注意在進行非滿管狀態下測量時,其測量精度會有所下降,電磁流量計在測量過程中,電極會跟被測介質接觸,若電極堆積大量污垢,會降低測量的精度及數據的穩定性,因此在實際應用過程中,要經常對管道內壁進行除垢維護工作。
       
      3、液位儀表
      液位計儀表種類繁多,應用在水廠的液位儀表主要是壓力式液位儀表和超聲波式液位儀表。一般來說壓力式液位計主要應用于測量吸揚井和清水池液位及儲存相對靜態且無腐蝕性液體構筑物的液位。超聲波液位計用于測量儲存具有一定腐蝕性液體構筑物的液位,主要應用于儲藥池、廢水回收池及污泥池。壓力式液位計是以傳感器所采集的靜壓值與傳感器安裝位置的液體深度成正比為原理,將靜壓信號轉換為電信號,再通過液體溫度補償和線性修正,轉化成標準電信號的一種測量液位的液位儀表。該儀表工作性能穩定,測量精度高,使用壽命長,抗電磁干擾能力強,耗電量小,但由于該類儀表需要直接投入被測介質中,所以要求被測介質密度均勻且無腐蝕性,同時因探頭易發生堵塞,所以探頭需要及時清潔,若清潔不到位,會影響該液位計的測量精度及使用壽命。超聲波液位計是超聲傳感器在微處理器的控制下,發射和接收超聲波,由于聲波在空中傳播的速度 c 不變,根據 s=ct/2 和h=H-s,通過微處理器計算而得出液位數據的液位計。其優點是該儀表為非接觸式儀表可用于腐蝕性介質的測量、測量精度高、使用壽命長、性能穩定可靠,維護方便。但需注意環境對設備的影響,如粉塵、溫度會影響其測量精度,抗電磁干擾能力弱;電耗量比壓力式儀表大;被測液體中不能產生大量氣泡,懸浮物,如儲藥池在攪拌時,應盡量避免產生大量氣泡,從而影響測量精度。
       
      4、水質分析儀表
      水質數據是水處理中非常為重要的質量指標,在線水質數據可以實時的、準確的反映水廠水處理運行工況。因此為了保證水廠水處理工藝安全運行和出廠水水質的合格,必須在自來水水廠各工藝段安裝各類在線水質儀表。在線水質儀表種類繁多,在自來水水廠自動化系統中較為常用的在線水質儀表主要為余氯儀、濁度儀、pH 計、溫度計、電導率儀、氨氮儀和COD 儀等儀表。在線水質儀表屬于高精密儀表,價格較高,初期建設費用高,整個在線水質儀表的建設工程量較其它在線儀表建設工程量大,需要獨立的進水與排水系統。對安裝環境要求較高,需要專業人員對其進行定期維護保養。
       
      二、儀表的選型與安裝
      由于在線儀表根據原理、結構及使用環境的不同,在選擇型號與安裝調試上也各有要求。
      1、儀表的選型
      在選擇儀表型號時要需考慮下面幾個方面。首先是儀表量程和儀表測量精度的要求,這是儀表型號選擇的重要條件。應根據被測數據的范圍及測量過程中根據實際生產需要所允許的測量偏差要求選擇儀表型號。量程范圍的選擇影響著測量的精度,測量的精度直接影響測量數據的準確性。在選擇中應按實際情況選擇在線儀表。如測量水質參數時由于原水的濁度不穩定且數值較高,因此可以采用高量程儀表,出廠水的濁度以北京地區為例基本控制在 0.3NTU 以下,為了取得更精準的數據應選擇低量程儀表。其次是經濟與精度的要求。一般來說測量數據的精度級別越高越好,但過高的精度則往往需要投入更大的建設成本,同時對供水管理來說并不會帶來更多的效益。許多在線儀表的建設投資都比較大,因此經濟與精度的平衡也是在線儀表選擇的一個重要因素。如在原水預處理階段需要選擇在線水質儀表測定余氯數據。
       
      一般來說,在原水預處理水質檢測過程中余氯數據精度要求不高,可以選擇電極法余氯檢測儀表。而在配水泵房則需要安裝比色法余氯儀表以保證實時精準的掌握出廠水余氯數據。再次在線儀表的選擇還要考慮運維成本,運維成本包括時間成本以及經濟成本。時間成本可以理解為維護工作量,工作量越小在線儀表的故障臺時越短,對水廠運行影響越小。
       
      比如在安裝濾池在線液位儀表時,一般從前期建設成本上考慮,選擇的都是靜壓式液位儀表。以某水廠為例在實際運行過程發現靜壓式儀表的傳感器探頭經常被埋入砂層或碳層下面,在處理這類事件中往往需要將濾池先退出運行,再由人工下到砂面或碳面上將其挖出,調整好安裝位置后,要先對濾池進行反沖洗才能投入使用,整個處理過程不僅時間長,且無形中增加了其他濾池的運行負荷,從而對水廠的整體運行產生了影響。在后期改造過程中,該水廠將濾池上應用靜壓式液位儀表全部更換為無需接觸的超聲波儀表。
       
      經濟成本取決于在線儀表的穩定性及運行中的損耗,比如剛才講的電極法余氯儀和比色法余氯儀的運維成本就有很大的不同,電極法余氯儀表的常規維護一般情況下只需 6 個月更換電極棒內的滲透膜及電解液即可,而比色法余氯儀表除每月的藥劑損耗外,每年還需要更換加藥管路等配件,所以比色法余氯檢測儀表的維護費用遠高于電極法余氯檢測儀表。
       
      2、儀表的安裝調試要求
      在線儀表基于其工作原理及內外部構造等方面的因素制約,對現場安裝調試工作及現場運行環境情況都有著嚴格的技術要求。如在安裝調試過程中沒有達到設備安裝的技術要求,會對在線儀表的正常運行產生影響,這種影響不僅體現在在線儀表的使用壽命上,更體現在所測數據的精準性和穩定性上。因在線儀表供電方式一般為市電供電,在安裝過程中不僅需要做好防雷接地措施,也要做好對地絕緣工作。
       
      除此之外,在壓力儀表的安裝調試過程中還做好管道的防凍保暖,防止因結冰而導致管道壓力增加造成的儀表損壞;在流量儀表的安裝中除了需確保流量傳感器前后管段為直管段外,根據儀表的安裝環境情況,有些安裝位置不方便檢修或檢修時影響生產的,應建有用于檢修儀表的檢修井和跨越管道;在液位儀表安裝中還需要注意傳輸信號的屏蔽防護,特別是超聲波液位儀表對諧波干擾很敏感,安裝過程中可加入濾波器;在水質分析儀表的安裝調試中需注意工作環境溫度、濕度及被測水樣的水環境的要求,通常應使用專業的水質儀表柜,且水質儀表柜應安裝在室內,若現場條件不允許安裝在室內,應做好設備的防寒保暖工作。在安裝過程中,可結合實際情況將不同分析儀表進行組合應用。
       
      三、在線儀表的綜合應用
      隨著水處理技術的發展及生產自動化水平的提高,在線儀表的應用已不再局限于簡單的顯示測量數據,也開始逐漸參與到自動化控制系統的綜合應用中。通過這些在線儀表的監測運行人員可快速掌握全廠水壓、水量、水質狀況,為優化生產調度和節能降耗提供了可能,同時對水質自動化及水量管理也帶來了技術支撐。下面簡單介紹目前一些在線儀表在供水管理中的應用。
       
      1、自動加藥系統
      水廠的藥劑投加系統一般分為混凝劑投加系統、助凝劑投加系統、臭氧投加系統,消毒劑投加系統,酸堿投加系統及粉碳投加系統等。為了保證藥劑投加量的精準度,藥劑投加系統通常采用可編程控制器控制,利用在線流量計將進水量數據上傳至可編程控制器,可編程控制器根據設定好的投加率,結合進水量的數據實現實時地精準藥劑投加。在一些生產自動化水平較高的水廠,在線水質分析儀表也會參與到藥劑投加系統中,比如在次氯酸鈉投加系統中,在線水質分析儀表余氯數據可以實時上傳至次氯酸鈉投加系統的可編程控制器,當檢測余氯數值高于預警值時,次氯酸鈉投加系統的可編程控制器可以根據程序設定,結合實時的進水量相應的自動降低藥劑投加率,從而保證水質指標合格。
       
      2、Ⅴ型濾池自動運行系統
      在Ⅴ型濾池自動運行系統中,濾池的液位數據起著至關重要的作用,濾池的整體運行是通過可編程控制器實現自動控制的,無論是正向過濾時還是反沖洗時,濾池各個閥門的開閉狀態,都是通過液位儀表實時地向可編程控制提供液位數據,從而對閥門狀態實現控制,保證濾池運行安全。
       
      3、高密度澄清池排泥系統
      高密度澄清池排泥系統的運行方式,是根據在線進水流量儀表向可編程控制器提供的流量數據,并結合人工設定的累計進水量和排泥時間,從而進行自動排泥的。為防止污泥回收池泥位溢流,往往在排泥系統中還將污泥回收池的在線液位儀表與高密度澄清池的控制系統相關聯,實現排泥泵與污泥回收池液位聯動的狀態,如當污泥回收池泥位超過預警時,排泥泵若處在運行狀態時,排泥泵應自動停泵且在泥位未下降到安全泥位時排泥泵無法自動運行。
       
      綜上所述,隨著自動化技術在水廠運行管理中的大量應用,在線儀表作為自動化技術的感知層,它的作用也變得越來越重要,隨著傳感器及芯片技術的發展,在線儀表的精密度在提高,安裝環境的要求也在提高,調試工作隨著在線儀表功能的增強而變得復雜化,所以當進行在線儀表選型時及安裝調試時,要進行全方位的思考,既要滿足測量目的的要求,又要合理的進行成本控制,在精度、穩定性、運維成本以及建設成本中尋找平衡點,從而保證水廠可以即安全又經濟的生產運行。

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