凈水廠氯氣投加的控制策略及其實(shí)現(xiàn)
一 總論
在水處理過程中，加氯消毒是水廠水質(zhì)控制的重要環(huán)節(jié)。消毒時在水中的加氯量，可以分為兩部分，即需氯量和余氯。對于生活飲用水工藝而言，原水加氯后經(jīng)過一定時間接觸，用于滅活水中微生物、氧化有機(jī)物和還原性物質(zhì)等所消耗的氯量稱為需氯量。為了抑制水中殘余微生物的再度繁殖，管網(wǎng)中尚需維持少量的余氯。我國生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定出廠水游離余氯在接觸30min后不低于0.3mg/L，管網(wǎng)未稍不低于0.05mg/L。后者的余氯量雖然仍具有消毒能力，但對再次污染的消毒尚嫌不足，而可作為預(yù)示再次污染的信號。此點(diǎn)對于管網(wǎng)較長枝狀管網(wǎng)有死水端的情況，尤為重要。氯化消毒時，投氯量一般應(yīng)滿足殺滅細(xì)菌以達(dá)到指定的消毒指標(biāo)和氧化有機(jī)物等所消耗的需氯量及抑制水中殘存致病菌的再度繁殖所需的余氯量。同時，投加量過高易產(chǎn)生致癌物質(zhì)三氯甲烷、四氯甲烷等。因此，在水處理過程中正確控制加氯量是至關(guān)重要的。
加氯是現(xiàn)行常規(guī)水處理過程中確保水質(zhì)不可缺少的重要環(huán)節(jié)。水處理的氯氣投加分為前加氯和后加氯。前加氯在原水的管路上進(jìn)行投加，其目的在于殺死原水中的微生物或氧化分解有機(jī)物；后加氯一般在濾后水的管路上投加，其目的主要是起消毒作用。
正確選擇和使用可靠的加氯設(shè)備，是保證加氯安全和計(jì)量準(zhǔn)確的關(guān)鍵。為了滿足不斷提高的城市供水水質(zhì)要求，提高加氯系統(tǒng)的安全可靠性，降低操作工人的勞動強(qiáng)度，提高水質(zhì)的余氯合格率，應(yīng)積極采用先進(jìn)的氯投加設(shè)備和控制技術(shù)。
二 PID控制數(shù)學(xué)模型
PID調(diào)節(jié)使比例、積分、微分三種調(diào)節(jié)規(guī)律結(jié)合。在容量之后大而又要消除余差的場合廣泛適用。它仍以比例作用為基本調(diào)節(jié)規(guī)律，以微分的超前作用克服容量滯后、測量之后，以積分作用最后消除余差。PID方程的結(jié)果驅(qū)使受控的過程變量達(dá)到期望值。氯消毒是一個比較復(fù)雜的過程，對它的動態(tài)特性進(jìn)行數(shù)學(xué)描述比較因難。在PID方程中，PID參數(shù)設(shè)定根據(jù)原水水質(zhì)和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)定，比例調(diào)節(jié)的作用是快速調(diào)節(jié)偏差的大小，偏差大調(diào)節(jié)大，偏差小調(diào)節(jié)小。積分調(diào)節(jié)的作用是逐步改變調(diào)節(jié)作用，偏差大調(diào)節(jié)作用變化速度快，反之則慢。微分調(diào)節(jié)的作用是使偏差快速消除，可以選擇方程中的微分項(xiàng)是作用于誤差的變化還是作用于過程變量的變化。我們只須對設(shè)定值的變化作出正常反應(yīng)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)微分增益值不宜過大。
三 氯氣投加的自動控制
對于氯氣的自帶投加控制，按控制系統(tǒng)的形式劃分，可以有以下幾種：
(1)流量比例前饋：即控制投加量與水流量成一定比例。前加氯主要目的是殺死水中的微生物或氧化有機(jī)物，對投加量準(zhǔn)確性要求不高，以采用原水量進(jìn)行比例投加為好。所以流量流量比例前饋控制一般于前加氯。投加量按下式確定：
Y=1000KQ （3－1）
其中 Y——前加氯的投加量(mg/L)
K——單位原水投氯量(mg/L)
Q——與投加點(diǎn)對應(yīng)的原水進(jìn)水量(m3/L)
如果已知K、Q，則可以計(jì)算出前加氯的投加量，調(diào)節(jié)加氯機(jī)的投加量從而實(shí)現(xiàn)前饋比例投加。
(2)余氯反饋控制：按照投加以后水中的余氯進(jìn)行反饋控制。在處理水出廠前，檢查水中余氯，該值被反饋到控制系統(tǒng)中，并與余氯設(shè)定值比較，控制系統(tǒng)根據(jù)兩者的偏差情況，采用PID調(diào)節(jié)方式調(diào)節(jié)投加量，使濾后水余氯穩(wěn)定在設(shè)定值附件。這種控制方式從濾后投加點(diǎn)要經(jīng)過清水池，系統(tǒng)滯后較大，通常在30min以上，控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)特性不好，尤其是當(dāng)水質(zhì)水量變化較大時問題更為突出。一般這種方式較少采用。
(3)復(fù)合環(huán)控制：即按照水流量和余氯進(jìn)行的復(fù)合控制，或雙重余氯串級控制等。
前饋反饋復(fù)合環(huán)控制就是按前饋流量比例和余氯反饋進(jìn)行復(fù)合調(diào)節(jié)。前虧比例調(diào)節(jié)可以迅速地調(diào)整由于處理水量變化產(chǎn)水的氯需求變化；反饋調(diào)節(jié)可以對余氯偏差進(jìn)行更準(zhǔn)確的修正，調(diào)整特性較簡單，反饋控制有所改善。但是這種調(diào)節(jié)方式仍不能解決水質(zhì)迅速變化所產(chǎn)水的問題。
(4)其他控制方式，如以PH值和氧化還原電勢為參數(shù)進(jìn)行控制等。
四 氯氣投加自動控制的實(shí)現(xiàn)
4-1流量比例前饋
流量比例前饋具體的實(shí)現(xiàn)投加量控制的原理為：
原水流量信號經(jīng)PLC輸入到前加氯控制器（比例控制器），比例控制器根據(jù)流量的大小，輸出相應(yīng)的調(diào)節(jié)量，調(diào)節(jié)電動閥的開度，其控制的數(shù)學(xué)模型如下式所示：
I0=KfQm （4－1）
……
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