氣水反沖洗濾池自控系統設計

白敬中

（中國市政工程中南設計研究總院有限公司，湖北 武漢 430010）

1 引言

給水處理中的過濾一般是指通過過濾介質的表面或濾層截留水體中懸浮固體和其它雜質的過程。對于大多數地面水處理來說，過濾是消毒工藝前的關鍵性處理手段，對保證出水水質具有重要的作用。但是濾池在運行一段時間后，就會出現含泥量增大、過濾效果降低的情況。為恢復濾池濾層的截污能力，需要采用反沖洗措施。水廠的濾池反沖洗近年多采用氣水聯合反沖洗的方式，分為氣沖過程、氣水同時反洗過程、水洗過程，同時一般伴隨著表面漂洗過程，使濾池濾層內的污物能有效地被剝離和沖洗排出濾池，從而保證后續的正常過濾周期和效果。由于這種高效的再生濾層過濾能力的作用，氣水反洗濾池被日益廣泛地應用到了凈水處理廠。由于其布水布氣結構和控制系統復雜，依靠傳統的操作人員憑經驗手動或半自動控制其實際效果很差，很難達到設計要求。因此，濾池的儀表設置及自控系統設計在全廠的儀表、自控系統設計中具有舉足輕重的地位。目前，大中型水廠采用較多的是氣水反沖洗“V”型濾池。本文主要介紹了某凈水廠“V”型濾池儀表及自控系統的設計。

2 簡介

2.1 氣水反沖洗V型濾池工藝過程

濾池的工藝過程可分為正常過濾和濾池反沖洗兩個子過程，這兩個子過程交替運行，相互之間間隔一定時間。濾池的正常過濾過程就是去除水中濁度和細菌，隨著濁度的降低，水中有機物等也可相應降低，使出廠水的水質達到國家飲用水的衛生標準。因此，保證濾后水達到較低指標是濾池運行的關鍵。為了保證濾后水濁度，除了加強濾前處理工藝外，保持濾料的清潔是非常關鍵的。因此，濾池運行一段時間后，就要進行反沖洗。濾池的反沖洗就是先后運行氣洗、水洗等清洗方式去除濾料層中的雜質，通過選用合理的沖洗方法和沖洗強度，既能有效地沖去積泥，又能保存濾料表面一定的生物膜，是濾池自凈的工藝措施。圖1表示濾池工藝過程簡圖。

圖1 濾池工藝過程簡圖

2.2 V型濾池工藝參數及控制要求

該水廠為擴建工程，新設一座V型濾池，濾池處理水量為15×1.05=15.75萬m3/d。設濾池1座，因用地限制，采用單排布置。分為10格，每格過濾面積84.21m2。

土建平面尺寸86.30×20.23m，鋼筋砼結構。

主要設計數據如下：

單格面積F=84.21m2

平均濾速V=7.79m/h

強制濾速V1=8.66m/h

①進水

濾池周邊設配水渠道，寬1.50m，水深1.40m。每格濾池設3個進水孔，中間為大孔500×400mm，設電動閘板，反沖時關閉，兩側小孔為300×350mm，設手動閘板，為常開式，反沖洗仍然進水，用作表面掃洗。水流經過三個進水孔后，再經溢流堰進入V形槽，均勻進入池內進行過濾。

②排水

單格濾池中間設兩層渠道，上層為排水渠道，下層為過濾及反沖時的集、配水渠道。排水渠道末端池壁上開DN500排水孔，設電動閘板，排入濾池外側總排水渠，排水總渠寬1.40m。

③配水

采用ABS長柄濾頭配水，開孔率為1.0～1.3%。

④出水

濾后水經單格濾池下層集水渠收集后，經DN350清水出水管進入單格濾池出水箱。DN350管上設可調式電動蝶閥，可根據池內水位變化調節開啟度，保證恒速恒水位過濾。出水箱尺寸為2.60×2.30m，深3.80m，最后進入總出水井內。出水井設出水總堰，水流經總出水堰出流后采用DN1600鋼管送至清水池。

濾池濾科采用石英砂均質濾料，粒徑1.0～1.25mm，K60=1.20，濾層厚度1.3m，承托層采用礫石，分兩層，粒徑分別為2～4mm和4～8mm，厚度均為0.05m。濾池配水配氣系統采用長柄濾頭，在濾板上均勻布置，濾板下部空間凈高0.85m。每格濾池出水管上設置氣動調節閥控制濾池恒水位運行，濾池反沖洗按運行周期、出水濁度、水頭損失等自控進行。沖洗過程為：先氣沖洗，強度15L/s·m2，時間2min；再氣水同時沖洗，氣沖強度15L/s·m2，水沖強度3L/s·m2，時間4min；后水沖洗，強度6L/s·m2，時間6min；為使沖洗時表面污物能更好地清除，增設表面水掃洗，表面掃洗強度2L/s·m2，全程掃洗。正常過濾時濾池反沖洗周期24～48h。

3 儀表、自控系統設計

要實現工藝的控制要求，需要設置相應的檢測儀表對水位水質進行檢測、對各設備狀態進行監測及配置高效智能的自控設備。圖2表示濾池儀表、自控系統簡圖。

圖2 濾池儀表、自控系統簡圖

3.1 儀表設置及主要自控檢測項目

檢測儀表根據工藝流程和計算機測控管理系統的要求配置。儀表的選型除滿足被測對象的性質和環境條件、測量范圍及精度、防護等級等要求外，還要適合當地氣候特點。根據工藝控制要求，設置如下檢測儀表：

濾池每格液位檢測 （超聲波液位計）

濾池每格水頭損失檢測 （水頭損失檢測儀）

濾池每格出水濁度檢測 （濁度檢測儀）

濾前（總）進水濁度檢測 （濁度檢測儀）

濾后（總）出水濁度檢測 （濁度檢測儀）

沖洗水泵出水壓力檢測 （智能壓力檢測儀）

沖洗水流量檢測 （電磁流量計）

鼓風機出風壓力檢測 （智能壓力檢測儀）

反沖洗水池液位檢測 （超聲波液位計）

除設置適當的在線檢測儀表檢測相應的工藝參數外，還要對水泵、閥門、鼓風機等電氣設備進行監測、控制，才能實現整個過濾及反沖洗過程的自動控制。自控主要接口如下：

進水氣動閘板：開/關控制及位置狀態

排水氣動閘板：開/關控制及位置狀態

反沖洗水管氣動蝶閥：開/關控制及位置狀態

反沖洗氣管氣動蝶閥：開/關控制及位置狀態

清水調節閥：閥門開度調節及位置狀態

排氣閥：開/關控制

沖洗水泵：開/?？刂?，運行狀態監控，頻率調節

反沖洗鼓風機：開/?？刂?，運行狀態監控

空壓機：開/?？刂?，運行狀態監控

3.2 自控系統設計

（1）功能要求

在反沖洗泵房設有PLC控制主站，每格濾池單獨設操作臺，內置PLC子站，能在PLC控制主站的協調下，獨立完成每格濾池的過濾和反沖洗操作。公共設備（如沖洗水泵、鼓風機、空壓機等）由PLC主站控制開停，實時接受每格濾池的狀態信號和請求反沖洗信號，并根據反沖洗規則，協調每格濾池的反沖洗操作。PLC主站及各濾格PLC子站具體控制功能如下：

①濾池PLC主站控制裝置

·對各濾格濾池控制裝置上送“請求沖洗”申請的次序，組成一隊列，并按次序啟動各濾格子PLC站共同自動完成反沖洗過程，反沖洗按氣沖、氣水混和沖、水沖的過程進行。

·監控反沖先水泵、閥門、鼓風機、出氣閥、運行狀態。

·氣動閥門氣源運行狀態監控。

·對反沖先水泵、鼓風機、閥門進行故障檢測、故障判斷和進行故障保護控制，特別是與之相關的設備必須同時進行保護控制。

·操作終端上動態顯示工藝檢測參數和設備工作狀態，并實時向中心控制室傳送數據。

·接受中央控制室下達的控制指令，包括強制某格濾池進行沖先的指令，判斷其正確性、可執行性后加以執行。

·采集相關工藝儀表檢測信號。

②濾格PLC子站控制裝置

·實時采集每格濾池的運行水位、出水濁度和水頭損失。

·根據濾池水位，通過預裝PID調節程序調節清水閥開啟度，保證濾池恒水位過濾。

·根據濾池水頭損失和過濾周期，與設定值相比較，達到任一沖洗條件時間向PLC主站發出“請求沖洗”信號，得到允許后，自動完成本格濾池的反沖洗。

·根據工藝過程，對本格濾格的進水、出水、氣沖、水沖、排氣等閥門進行邏輯控制，同時進行故障檢測、故障判斷和進行故障保護控制，特別是與之相關的設備必須同時進行保護控制。

·當主控制裝置送來反沖洗水泵、鼓風機、閥門有故障時，對本格濾池的各種閥門作相應的保護。

·就地顯示水位、水頭損失、各個閥門的工作狀態。

（2）自動控制要求

根據工藝過程，自動控制亦分為正常過濾時的自動控制和反沖洗自動控制。其控制要求如下：

①正常過濾時的自動控制

當濾池正常過濾的時候，其工藝要求就是要保持濾池水位的恒定，以保證濾池有一個穩定的生化環境，這個過程是通過實時檢測每格濾池的水位，根據水位變化，調節清水出水閥門的開啟度來實現的。圖3表示正常過濾過程時的自動控制簡圖。

圖3 正常過濾過程時的自動控制簡圖

②反沖洗時的自動控制

濾池的反沖洗控制可分為兩部分：反沖洗啟動和反沖洗過程的控制。反沖洗啟動有兩種途徑，一是由上位機下達反沖洗命令；二是當反沖洗條件滿足時自動開始反沖洗。

濾池反沖洗控制：反沖洗控制有三種方式，一種是根據清水閥開啟度和運行時間控制；第二種是定時周期順序沖洗方式；第三種是根據濾層水頭損失（或每格濾池出水濁度）達到設定值時，發出沖洗信號。這三個條件是并列的，只要滿足一個，就可以進行反沖洗。同時控制中心或分站也可強制濾池反沖洗。反沖洗時每次只能單格濾池反沖洗。

采用第一種控制方式時，當清水閥門開啟到設定位置，且濾池運行時間已到設定周期時間，發出沖洗信號。定時沖洗則可以設置為具體時間，也可以按照過濾的運行時間來安排，即當濾池連續正常過濾一定時間后自動啟動反沖洗。在反沖洗結束、過濾開始的時候，啟動一計時器，時間到便開始反沖洗程序。水頭損失反沖洗可以這樣設計：在正常過濾過程控制中，如果清水閥已開到最大，水頭損失超出設定值，再看液位是否上升，如果是，則條件滿足，啟動反沖洗。根據濁度反沖洗則是濁度達到設定值時，即進行反沖洗過程，這樣可以對每格濾池出水濁度進行精確控制，以滿足出廠水濁度的要求。

反沖洗過程比較繁瑣，有一系列開、關閥門，開、關風機，開、關水泵的命令，大致過程如下：關進水閥，停止進水，水位下降至沖洗水位→關清水調節閥，停止出水→開鼓風機及相應出口閥，準備氣沖→開氣沖閥，開始沖洗，時間約2分鐘（可調）→開沖洗水泵及相應出口閥，準備水沖→開排水閥，準備排水→開水沖閥，在氣沖2分鐘后開始氣水混合沖洗，時間約4分鐘（可調）→關氣沖閥、停鼓風機及關閉相應出口閥，進行水沖漂洗，時間約6分鐘（可調）→關水沖閥、關閉沖洗水管出口閥及停相應沖洗泵，在漂洗6分鐘后停止水沖→關排水閥，待水位下降至排水槽以下時停止排水→開氣沖閥管路上的排氣閥，排池內空氣→開進水閥，開始進水，水位恢復上升→關排氣閥，在開排氣閥5～10分鐘后→開清水調節閥，先開20～30%，然后約2～5分鐘后，根據設計過濾水位（即恒定過濾水位）或差壓信號（此信號代表要維持的恒定水位的參比基準信號）調節清水閥開度，逐步開啟直到全開→等待下輪反沖洗。

4 結束語

該水廠雖為擴建工程，但新、老水廠的反沖洗水泵、鼓風機并不共用，減少了自控程序的復雜性。新裝的反沖洗水泵共有3站，可以進行反沖洗強度的調節，但業主要求每臺反沖洗水泵需設變頻器，在反沖洗過程中，可根據進水水質情況及反沖洗的進程調節反沖洗水泵的頻率以調節沖洗強度，達到最佳的反沖洗效果。雖然濾池平時均為自控運行狀態，但各設備均設有手動控制，因反沖洗中的鼓風機、水泵為多個濾格共用，因而單個濾格的手動命令必須在鼓風機、水泵控制命令中有所體現，避免出現濾格切換到手動后，鼓風機或水泵仍處于運行狀態，導致事故發生。因濾池是整個凈水廠工藝過程中最重要、最復雜的環節，要求自控系統承包量編程時，對開、關閥門的條件必須嚴格限制，避免錯誤的、不適時機的開、關閥門命令。設備運行過程中的故障、報警等更需要特別處理。上位機編程時要注意上、下位機結合，彌補PLC功能的一些不足，才能夠達到更好的控制效果。

[1]中國市政工程中南設計研究院主編.給水排水設計手冊第8冊電氣與自控（第二版）[M].北京：中國建筑工業出版社，2002.

[2]GB50013-2006，室外給水設計規范[S].