气水反冲洗滤池自控系统设计

白敬中

（中国市政工程中南设计研究总院有限公司，湖北 武汉 430010）

1 引言

给水处理中的过滤一般是指通过过滤介质的表面或滤层截留水体中悬浮固体和其它杂质的过程。对于大多数地面水处理来说，过滤是消毒工艺前的关键性处理手段，对保证出水水质具有重要的作用。但是滤池在运行一段时间后，就会出现含泥量增大、过滤效果降低的情况。为恢复滤池滤层的截污能力，需要采用反冲洗措施。水厂的滤池反冲洗近年多采用气水联合反冲洗的方式，分为气冲过程、气水同时反洗过程、水洗过程，同时一般伴随着表面漂洗过程，使滤池滤层内的污物能有效地被剥离和冲洗排出滤池，从而保证后续的正常过滤周期和效果。由于这种高效的再生滤层过滤能力的作用，气水反洗滤池被日益广泛地应用到了净水处理厂。由于其布水布气结构和控制系统复杂，依靠传统的操作人员凭经验手动或半自动控制其实际效果很差，很难达到设计要求。因此，滤池的仪表设置及自控系统设计在全厂的仪表、自控系统设计中具有举足轻重的地位。目前，大中型水厂采用较多的是气水反冲洗“V”型滤池。本文主要介绍了某净水厂“V”型滤池仪表及自控系统的设计。

2 简介

2.1 气水反冲洗V型滤池工艺过程

滤池的工艺过程可分为正常过滤和滤池反冲洗两个子过程，这两个子过程交替运行，相互之间间隔一定时间。滤池的正常过滤过程就是去除水中浊度和细菌，随着浊度的降低，水中有机物等也可相应降低，使出厂水的水质达到国家饮用水的卫生标准。因此，保证滤后水达到较低指标是滤池运行的关键。为了保证滤后水浊度，除了加强滤前处理工艺外，保持滤料的清洁是非常关键的。因此，滤池运行一段时间后，就要进行反冲洗。滤池的反冲洗就是先后运行气洗、水洗等清洗方式去除滤料层中的杂质，通过选用合理的冲洗方法和冲洗强度，既能有效地冲去积泥，又能保存滤料表面一定的生物膜，是滤池自净的工艺措施。图1表示滤池工艺过程简图。

图1 滤池工艺过程简图

2.2 V型滤池工艺参数及控制要求

该水厂为扩建工程，新设一座V型滤池，滤池处理水量为15×1.05=15.75万m3/d。设滤池1座，因用地限制，采用单排布置。分为10格，每格过滤面积84.21m2。

土建平面尺寸86.30×20.23m，钢筋砼结构。

主要设计数据如下：

单格面积F=84.21m2

平均滤速V=7.79m/h

强制滤速V1=8.66m/h

①进水

滤池周边设配水渠道，宽1.50m，水深1.40m。每格滤池设3个进水孔，中间为大孔500×400mm，设电动闸板，反冲时关闭，两侧小孔为300×350mm，设手动闸板，为常开式，反冲洗仍然进水，用作表面扫洗。水流经过三个进水孔后，再经溢流堰进入V形槽，均匀进入池内进行过滤。

②排水

单格滤池中间设两层渠道，上层为排水渠道，下层为过滤及反冲时的集、配水渠道。排水渠道末端池壁上开DN500排水孔，设电动闸板，排入滤池外侧总排水渠，排水总渠宽1.40m。

③配水

采用ABS长柄滤头配水，开孔率为1.0～1.3%。

④出水

滤后水经单格滤池下层集水渠收集后，经DN350清水出水管进入单格滤池出水箱。DN350管上设可调式电动蝶阀，可根据池内水位变化调节开启度，保证恒速恒水位过滤。出水箱尺寸为2.60×2.30m，深3.80m，最后进入总出水井内。出水井设出水总堰，水流经总出水堰出流后采用DN1600钢管送至清水池。

滤池滤科采用石英砂均质滤料，粒径1.0～1.25mm，K60=1.20，滤层厚度1.3m，承托层采用砾石，分两层，粒径分别为2～4mm和4～8mm，厚度均为0.05m。滤池配水配气系统采用长柄滤头，在滤板上均匀布置，滤板下部空间净高0.85m。每格滤池出水管上设置气动调节阀控制滤池恒水位运行，滤池反冲洗按运行周期、出水浊度、水头损失等自控进行。冲洗过程为：先气冲洗，强度15L/s·m2，时间2min；再气水同时冲洗，气冲强度15L/s·m2，水冲强度3L/s·m2，时间4min；后水冲洗，强度6L/s·m2，时间6min；为使冲洗时表面污物能更好地清除，增设表面水扫洗，表面扫洗强度2L/s·m2，全程扫洗。正常过滤时滤池反冲洗周期24～48h。

3 仪表、自控系统设计

要实现工艺的控制要求，需要设置相应的检测仪表对水位水质进行检测、对各设备状态进行监测及配置高效智能的自控设备。图2表示滤池仪表、自控系统简图。

图2 滤池仪表、自控系统简图

3.1 仪表设置及主要自控检测项目

检测仪表根据工艺流程和计算机测控管理系统的要求配置。仪表的选型除满足被测对象的性质和环境条件、测量范围及精度、防护等级等要求外，还要适合当地气候特点。根据工艺控制要求，设置如下检测仪表：

滤池每格液位检测 （超声波液位计）

滤池每格水头损失检测 （水头损失检测仪）

滤池每格出水浊度检测 （浊度检测仪）

滤前（总）进水浊度检测 （浊度检测仪）

滤后（总）出水浊度检测 （浊度检测仪）

冲洗水泵出水压力检测 （智能压力检测仪）

冲洗水流量检测 （电磁流量计）

鼓风机出风压力检测 （智能压力检测仪）

反冲洗水池液位检测 （超声波液位计）

除设置适当的在线检测仪表检测相应的工艺参数外，还要对水泵、阀门、鼓风机等电气设备进行监测、控制，才能实现整个过滤及反冲洗过程的自动控制。自控主要接口如下：

进水气动闸板：开/关控制及位置状态

排水气动闸板：开/关控制及位置状态

反冲洗水管气动蝶阀：开/关控制及位置状态

反冲洗气管气动蝶阀：开/关控制及位置状态

清水调节阀：阀门开度调节及位置状态

排气阀：开/关控制

冲洗水泵：开/停控制，运行状态监控，频率调节

反冲洗鼓风机：开/停控制，运行状态监控

空压机：开/停控制，运行状态监控

3.2 自控系统设计

（1）功能要求

在反冲洗泵房设有PLC控制主站，每格滤池单独设操作台，内置PLC子站，能在PLC控制主站的协调下，独立完成每格滤池的过滤和反冲洗操作。公共设备（如冲洗水泵、鼓风机、空压机等）由PLC主站控制开停，实时接受每格滤池的状态信号和请求反冲洗信号，并根据反冲洗规则，协调每格滤池的反冲洗操作。PLC主站及各滤格PLC子站具体控制功能如下：

①滤池PLC主站控制装置

·对各滤格滤池控制装置上送“请求冲洗”申请的次序，组成一队列，并按次序启动各滤格子PLC站共同自动完成反冲洗过程，反冲洗按气冲、气水混和冲、水冲的过程进行。

·监控反冲先水泵、阀门、鼓风机、出气阀、运行状态。

·气动阀门气源运行状态监控。

·对反冲先水泵、鼓风机、阀门进行故障检测、故障判断和进行故障保护控制，特别是与之相关的设备必须同时进行保护控制。

·操作终端上动态显示工艺检测参数和设备工作状态，并实时向中心控制室传送数据。

·接受中央控制室下达的控制指令，包括强制某格滤池进行冲先的指令，判断其正确性、可执行性后加以执行。

·采集相关工艺仪表检测信号。

②滤格PLC子站控制装置

·实时采集每格滤池的运行水位、出水浊度和水头损失。

·根据滤池水位，通过预装PID调节程序调节清水阀开启度，保证滤池恒水位过滤。

·根据滤池水头损失和过滤周期，与设定值相比较，达到任一冲洗条件时间向PLC主站发出“请求冲洗”信号，得到允许后，自动完成本格滤池的反冲洗。

·根据工艺过程，对本格滤格的进水、出水、气冲、水冲、排气等阀门进行逻辑控制，同时进行故障检测、故障判断和进行故障保护控制，特别是与之相关的设备必须同时进行保护控制。

·当主控制装置送来反冲洗水泵、鼓风机、阀门有故障时，对本格滤池的各种阀门作相应的保护。

·就地显示水位、水头损失、各个阀门的工作状态。

（2）自动控制要求

根据工艺过程，自动控制亦分为正常过滤时的自动控制和反冲洗自动控制。其控制要求如下：

①正常过滤时的自动控制

当滤池正常过滤的时候，其工艺要求就是要保持滤池水位的恒定，以保证滤池有一个稳定的生化环境，这个过程是通过实时检测每格滤池的水位，根据水位变化，调节清水出水阀门的开启度来实现的。图3表示正常过滤过程时的自动控制简图。

图3 正常过滤过程时的自动控制简图

②反冲洗时的自动控制

滤池的反冲洗控制可分为两部分：反冲洗启动和反冲洗过程的控制。反冲洗启动有两种途径，一是由上位机下达反冲洗命令；二是当反冲洗条件满足时自动开始反冲洗。

滤池反冲洗控制：反冲洗控制有三种方式，一种是根据清水阀开启度和运行时间控制；第二种是定时周期顺序冲洗方式；第三种是根据滤层水头损失（或每格滤池出水浊度）达到设定值时，发出冲洗信号。这三个条件是并列的，只要满足一个，就可以进行反冲洗。同时控制中心或分站也可强制滤池反冲洗。反冲洗时每次只能单格滤池反冲洗。

采用第一种控制方式时，当清水阀门开启到设定位置，且滤池运行时间已到设定周期时间，发出冲洗信号。定时冲洗则可以设置为具体时间，也可以按照过滤的运行时间来安排，即当滤池连续正常过滤一定时间后自动启动反冲洗。在反冲洗结束、过滤开始的时候，启动一计时器，时间到便开始反冲洗程序。水头损失反冲洗可以这样设计：在正常过滤过程控制中，如果清水阀已开到最大，水头损失超出设定值，再看液位是否上升，如果是，则条件满足，启动反冲洗。根据浊度反冲洗则是浊度达到设定值时，即进行反冲洗过程，这样可以对每格滤池出水浊度进行精确控制，以满足出厂水浊度的要求。

反冲洗过程比较繁琐，有一系列开、关阀门，开、关风机，开、关水泵的命令，大致过程如下：关进水阀，停止进水，水位下降至冲洗水位→关清水调节阀，停止出水→开鼓风机及相应出口阀，准备气冲→开气冲阀，开始冲洗，时间约2分钟（可调）→开冲洗水泵及相应出口阀，准备水冲→开排水阀，准备排水→开水冲阀，在气冲2分钟后开始气水混合冲洗，时间约4分钟（可调）→关气冲阀、停鼓风机及关闭相应出口阀，进行水冲漂洗，时间约6分钟（可调）→关水冲阀、关闭冲洗水管出口阀及停相应冲洗泵，在漂洗6分钟后停止水冲→关排水阀，待水位下降至排水槽以下时停止排水→开气冲阀管路上的排气阀，排池内空气→开进水阀，开始进水，水位恢复上升→关排气阀，在开排气阀5～10分钟后→开清水调节阀，先开20～30%，然后约2～5分钟后，根据设计过滤水位（即恒定过滤水位）或差压信号（此信号代表要维持的恒定水位的参比基准信号）调节清水阀开度，逐步开启直到全开→等待下轮反冲洗。

4 结束语

该水厂虽为扩建工程，但新、老水厂的反冲洗水泵、鼓风机并不共用，减少了自控程序的复杂性。新装的反冲洗水泵共有3站，可以进行反冲洗强度的调节，但业主要求每台反冲洗水泵需设变频器，在反冲洗过程中，可根据进水水质情况及反冲洗的进程调节反冲洗水泵的频率以调节冲洗强度，达到最佳的反冲洗效果。虽然滤池平时均为自控运行状态，但各设备均设有手动控制，因反冲洗中的鼓风机、水泵为多个滤格共用，因而单个滤格的手动命令必须在鼓风机、水泵控制命令中有所体现，避免出现滤格切换到手动后，鼓风机或水泵仍处于运行状态，导致事故发生。因滤池是整个净水厂工艺过程中最重要、最复杂的环节，要求自控系统承包量编程时，对开、关阀门的条件必须严格限制，避免错误的、不适时机的开、关阀门命令。设备运行过程中的故障、报警等更需要特别处理。上位机编程时要注意上、下位机结合，弥补PLC功能的一些不足，才能够达到更好的控制效果。

[1]中国市政工程中南设计研究院主编.给水排水设计手册第8册电气与自控（第二版）[M].北京：中国建筑工业出版社，2002.

[2]GB50013-2006，室外给水设计规范[S].