智能数字计量泵在次氯酸钠消毒系统中的应用

马宝圆

（天津塘沽中法供水有限公司，天津 300450）

消毒工艺在自来水处理工艺中具有非常重要的作用，目前所使用的消毒剂中氯气最为经济，但是氯气在运输、存储、使用上存在不安全问题，在综合考虑生产能力、现有设施设备情况、水质要求及制水成本等因素后，选取制水安全性较高、设备投加简单、持续消毒效果好的次氯酸钠替代氯气进行消毒[1]。2016年7月，该自来水厂已将消毒药剂由氯气替换为浓度为10%的次氯酸钠溶液，并建成了次氯酸钠消毒系统，该系统按照流量比例的投加方式通过控制隔膜计量泵来自动调节加药量。由于该水厂供水区域内工业水占比较多，供水量昼夜变化较大。因此，次氯酸钠夜间最小目标投加量需调小至12 L/h，而日间最大目标投加量又需增大到60 L/h。运行2 a多来，现有消毒系统在使用过程中出现了系统维护频繁、投加量不稳定、投加精度不高、投加量响应时间滞后等问题。该水厂希望在原有工艺条件保持不变的情况下，通过设备更新或优化系统控制方式来解决上述问题。经过反复调研，在综合考虑投资成本、安全生产、与原有系统是否兼容等因素后，于2019年6月对该消毒系统进行了优化。

1 次氯酸钠消毒系统及智能数字计量泵概况

1.1 次氯酸钠消毒系统概况

该水厂现有次氯酸钠消毒系统电气及设备部分主要包括配电系统、PLC（可编程逻辑控制器）控制系统、隔膜计量泵、流量计、变频器、电动阀、提升泵、液位计、液位开关等，采用流量比例的控制方式对药剂投加量进行调节[2]，但在实际使用过程中经常会出现以下三方面的问题。

1.1.1 调节比范围小

现有2种规格隔膜计量泵互为阶梯泵使用，大泵量程为80 L/h，投加量的有效调节范围为16～80 L/h；小泵量程为30 L/h，投加量的有效调节范围为6～30 L/h。当药剂的目标投加量变化较大时，需调节隔膜计量泵冲程或使用阶梯泵才能让实际投加量满足要求，若调整不及时，则很容易导致出厂水余氯值波动。

1.1.2 实际投加量不稳定

现有消毒系统的排气装置只能排出储药罐和消毒管路内较大的气泡，对于次氯酸钠溶液自身分解所产生的小气泡并不能完全排出，药剂投加过程中小气泡会在管路中逐渐聚集，导致药剂的瞬时流量产生波动，严重时会产生气阻，影响了药剂投加的稳定性。

1.1.3 实际加药量响应时间滞后

现有消毒系统是通过变频器来控制隔膜计量泵，从而实现投加量的自动调节。但是，当原水流量发生变化时，实际投加量需要一定的时间才能调整到与目标值相同。

1.2 智能数字计量泵概况

鉴于以上情况，为了能更好地控制出厂余氯，该水厂根据实际工况配置了一台智能数字计量泵来替代原有的隔膜计量泵，该泵的特点记述如下（以所选规格为例）。

1.2.1 调节比范围

该规格智能数字计量泵的调节比为1∶1 000，故加药的有效调节范围能够控制在0.2～200 L/h。

1.2.2 自动排气

当次氯酸钠消毒系统运行时，一旦泵出口检测不到药剂时，排气阀会自动打开进行排气。当排气完成后，阀门会自动关闭继续进行药剂的投加。

1.2.3 加药量控制

自带流量控制模块，可省去变频器和加药流量计，直接对数字泵的加药量进行控制及跟踪。

2 优化前后次氯酸钠消毒系统使用情况比较

2.1 投加设备

优化前，该消毒系统通过隔膜计量泵、流量计、变频器来控制次氯酸钠的自动投加。设备的购置及维护成本高，影响投加精度的因素较多（当以上3种设备其中之一出现问题时都会导致投药的准确度下降），缺少故障自检、保护及提示功能，手动操作时较为繁琐。

优化后，仅需要配置智能数字计量泵即可实现次氯酸钠的自动投加。设备的购置及维护成本有了一定程度下降，同时更加简单易用，维护频率降低，增加了故障停机、过（欠）压报警等功能，有效保障了泵组的安全运行。

2.2 PLC控制模式

该消毒系统使用施耐德M340系列PLC，同时利用Unity Pro V11.0编程平台进行程序设计。

优化前，次氯酸钠消毒系统在自动运行的情况下，通过变频器的频率变化来控制隔膜计量泵，从而间接达到调整实际投加量的目的。该过程由PLC内部的PID模块来完成。此控制模式下，程序的编写较为复杂且需要设定的参数较多，包括次氯酸钠单耗AF1_RA、PID的手动输出值out_man、比例增益kp、积分时间ti、微分时间td、采样周期ts、频率输出上限out_max、频率输出下限out_min、冲击模式选择no_bump，PLC输出的信号与实际投加量之间是非线性关系[3]。

优化前程序段如下：

chl_pid_para2[1]：=5000；（*out_man*）

chl_pid_para2[2]：=900；（*kp*）

chl_pid_para2[3]：=200；（*ti*）

chl_pid_para2[4]：=0；（*td*）

chl_pid_para2[5]：=200；（*ts*）

chl_pid_para2[6]：=10000；（*out_max*）

chl_pid_para2[7]：=1000；（*out_min*）

set（chl_pid_para2[8].4）；（*no_bump*）

NEW_LL_real：=int_to_real（NEW_LL）/50.0；

NEW_LL_int：=real_to_int（NEW_LL_real）；

LL_real：=int_to_real（LL）/1000.0；

AF1_RA_real：=int_to_real（AF1_RA）/100.0；

AF1：=real_to_int（LL_real*AF1_RA_real）；

chl_pid_para2[0]：=AF1；

B2：=NEW_AT；

pid_int（'chl'，'hz'，NEW_LL_int，b2，chl_pid_pa⁃ra2，AF1_AO）。

优化后，通过PLC模拟量输出模块将程序计算的目标投加量转换成直流4～20 mA的电流信号后，传送给智能数字计量泵，这样便达到了按流量比例调整实际投加量的目的。使用这种控制方式，程序的编写较为简单并且仅需设定次氯酸钠单耗这一个参数即可，同时PLC输出的信号与实际投加量之间是一对一的线性关系。

优化后程序段如下：

LL_smooth_int：=LL/100；

LL_smooth_real：=int_to_real（LL3）；

AF3_RA_real：=int_to_real（AF1_RA）/100.0；

digital_pump_LL_ck：=real_to_int（LL_smooth_re⁃al*AF1_RA_real）；

if digital_pump_select then digital_pump_LL_set：=digital_pump_LL_yk*50；

else digital_pump_LL_set：=digital_pump_LL_ck*50；end_if。

2.3 投加量稳定性

优化前投加量的精度为4 L/h，时常会出现瞬间峰值，实际加药量响应时间约有3 min的滞后。

优化后投加量的精度可控制在1 L/h，瞬间峰值已完全消除，实际投加量可同步调整到与目标投加量相同，彻底解决了实际投加量响应时间滞后的问题。

2.4 出厂余氯

优化前在12 h的时间段内，该水厂出厂水余氯最小值为0.94 mg/L，最大值为1.33 mg/L，波动范围是0.39 mg/L。

优化后在12 h的时间段内，该水厂出厂水余氯最小值为1.06 mg/L，最大值为1.23 mg/L，波动范围是0.17 mg/L。

3 结语

通过更换智能数字泵对次氯酸钠消毒系统进行优化，不但容易实现，且投入成本低。优化后，相关设备故障率明显降低，工作人员不再需要对系统进行人为干预。在保证了出厂水余氯稳定的同时，降低了系统运行成本，提高了生产的安全性，有利于在同行业次氯酸钠消毒系统项目中进行推广。