自來水廠藥劑應急自動投加系統的設計和實踐

高旭輝，陳 奮，于宏靜

(深圳市深水光明水務有限公司，廣東深圳 518107)

1 工程概況

深圳市光明區JZT水廠，坐落于光明區鳳凰街道辦事處甲子塘大道77號，總占地0.0 895 km2，分三期建設，始建于2001年，于2008年全部建成投產，總供水規模為20萬m3/d。一、二期處理規模各5萬m3/d，工藝流程為網格反應池+斜板沉淀池+V型濾池；三期處理規模為10萬m3/d，工藝流程為折板反應池+平流沉淀池+V型濾池。

該廠處理工藝包括混凝、沉淀、過濾和消毒等環節，常規投加藥劑為混凝劑(聚合氯化鋁)和消毒劑(次氯酸鈉)?；炷幚頌檎麄€水處理過程的第一個環節，通過投加混凝劑與原水中的顆粒物相互碰撞和接觸，形成礬花，是整個水處理的基礎。對于自來水廠而言，供水水質優劣不僅與處理工藝相關，同時也受到藥劑投加等因素的影響[1]?；炷端幨亲詠硭a過程中凈化水質的一個重要環節，投藥后的凈化過程具有復雜性、時變性、非線性等特點。實現混凝投藥的自動控制可以穩定出水水質，降低制水成本，減輕工人的勞動強度。目前，自來水廠的藥劑投加基本采用PLC控制投加泵進行自動投藥[2-5]。

2 問題分析

自來水生產是一個連續的過程，故混凝劑必須連續投加，若發生混凝劑投加中斷，將引起渾濁度升高，導致出廠水水質超標，甚至造成重大水質事故，產生不良社會影響。近年來，在自動化高速發展的今天，投藥系統(圖1)投加精度和自動化程度越來越高，但是水廠斷藥、缺藥應急投加的研究仍停留在配水井等藥劑投加點，設置應急藥劑儲存池，發現斷藥、缺藥后進行人工投加，存在操作滯后、加藥及時性低等問題。

圖1 工藝流程Fig.1 Process Flow

2.1 隱患分析

經分析，投藥系統斷電、投藥泵故障、投藥管道爆裂堵塞均會造成斷藥；投加管道破損或其他原因產生管道滲漏會導致投加點藥量不足造成缺藥。斷藥和缺藥都將無法保證正常生產。

2.2 現有對策

在配水井設置應急藥劑儲存池，當水廠出現斷藥、缺藥情況時，進行人工投加。

當發生投藥系統斷電時，原水繼續流入，員工必須快速到達配水井，打開應急藥劑儲存池的手動投加閥進行應急投加，通常需要較長時間恢復投藥，無法保證水質持續達標。

當發生投藥泵故障時，原水繼續流入，員工必須快速到達加藥間切換投加泵，通常需要較長時間恢復投藥，無法保證水質持續達標。

當發生藥劑投加管道爆裂、堵塞，導致藥劑投加量偏少或完全中斷時，原水繼續流入，人工無法及時發現、常規裝置無法及時檢測，通常發現時已經導致水質超標。

當發生投加管道破損或其他原因產生管道滲漏，導致投加點藥量不足造成缺藥時，原水繼續流入，人工無法及時發現、常規裝置無法及時檢測，通常發現時已經導致水質超標。

綜上所述，如何快速檢測并自動應急投加是重點、也是難點。

3 系統設計與實踐

3.1 系統總體設計思路

為解決上述技術問題，特別創新提出一種斷電、斷藥、缺藥情況下，無需備用電源仍可保證藥劑連續穩定的投加系統，可保證出廠水水質穩定達標、保障水質安全。

本系統安裝在配水井等藥劑投加點，通過對斷電、斷藥以及缺藥等可導致加藥異常情況的檢測，自動進行應急投加，同時在中控室進行報警，提示值班人員盡快處置。所有應急操作均無需配備應急電源，大大提高系統的可推廣性。

3.2 系統構成

藥劑應急自動投加系統(圖2)，包括儲藥池、投加控制裝置、斷藥檢測裝置、斷電檢測裝置、缺藥檢測裝置以及遠程報警模塊。

(1)儲藥池：安裝于配水井等藥劑投加點所在構筑物；

(2)投加控制裝置：通過安裝于儲藥池和投加點之間的斷電開啟型電磁閥控制應急投加；

(3)斷藥檢測裝置：通過安裝于藥劑投加點浮子流量計進行檢測；

(4)斷電檢測裝置：通過電磁閥失電進行檢測；

(5)缺藥檢測裝置：通過設置浮子流量計下限，當浮子流量計低于設定值時，進行檢測；

(6)遠程報警模塊：通過外接的繼電器常開點驅動中控室或其他遠程值班室聲光報警器，實現聲光報警。

注：1-儲藥池;2-常開手動閥;3-斷電檢測;4-斷藥檢測;5-缺藥檢測;6-浮子流量計;7-開啟型電磁閥;8-手動閥圖2 藥劑應急自動投加系統Fig.2 Emergency Automatic Dosing System

3.3 具體實施方式

3.3.1 投加控制

本系統在藥劑儲藥池和投加點之間的管道上安裝一個斷電開啟型電磁閥，當斷電開啟型電磁閥打開時，可實現無需備用電源情況下的藥劑自動投加及遠程報警。

該應急加藥系統是一個重力加藥系統，應急加藥量會隨貯藥箱液位下降而減小，為此需將儲藥池放置在適當高度，保證在最低液位時流量可以滿足最小投加藥量。儲藥池如圖3所示。

圖3 儲藥池Fig.3 Storage Tank

儲藥池容積的設置需綜合考慮應急保障的時間和藥劑的保質期，既要提供足夠時長的應急投加時間，又要避免頻繁更換過期藥劑產生浪費。根據《水庫型水源給水廠特定混凝劑使用技術導則》，自來水廠常用液體混凝劑保質期應不少于6個月，固體混凝劑保質期應不少于12個月[6]，故常規情況主要根據需應急加藥的時間和流量計算容積，并定期更換儲存藥劑。

3.3.2 快速檢測裝置

快速檢測裝置具有3種檢測功能，分別為斷電檢測、斷藥檢測及缺藥檢測。其具體過程如下。

(1)斷電檢測：當廠區供電中斷時，斷電開啟型電磁閥(圖4)即刻失電，可以快速檢測到斷電情況，同時電磁閥打開，啟動藥劑應急投加。

圖4 斷電開啟型電磁閥Fig.4 De Energized Open Solenoid Valve

(2)斷藥檢測：在藥劑投加點安裝浮子流量計(圖5)，流量計浮子內嵌磁芯，椎管外裝干簧管開關，用于流量的上下限報警輸出。浮子流量計無流量時，帶磁芯的浮子下沉至流量計椎管底部，這時下限干簧管接通，相關DI模塊的輸入點置1，延時5 s后，相關DO模塊輸出點置1，該DO模塊輸出點外接的繼電器吸合，繼電器常閉點斷開，接在繼電器常閉點的斷電開啟型電磁閥線圈失電，電磁閥打開，啟動藥劑應急投加。

(3)缺藥檢測：當加藥管破損或其他原因滲漏導致漏藥時，實際投加量可能低于所需投加量，導致渾濁度升高水質異常。此時可以設置浮子流量計下限，當浮子流量計低于設定值時，相關DI模塊的輸入點置1，延時5 s后，相關DO模塊輸出點置1，該DO模塊輸出點外接的繼電器吸合，繼電器常閉點斷開，接在繼電器常閉點的斷電開啟型電磁閥線圈失電，電磁閥打開，啟動藥劑應急投加。

3.3.3 遠程報警模塊

利用3.3.2節(2)、(3)中DO模塊外接的繼電器常開點驅動中控室或其他遠程值班室聲光報警器，當出現缺藥或斷藥時，DO模塊輸出點外接的繼電器吸合，繼電器常開點閉合，聲光報警啟動。

3.4 實踐分析

該藥劑應急投加系統相較JZT水廠原有應急藥劑投加裝置，增加了2臺浮子流量計和1臺斷電開啟型電磁流量計及部分管材，合計金額不超過1 000元。

經統計2018年—2019年JZT水廠共出現21次意外斷電(表1)，該系統均即時進行藥劑應急投加，確保水質穩定。如無該系統，直接損失是要排放未正常投加藥劑的原水，即F=進水量×中斷加藥時間×原水單價。按照每次需要半小時重新進行投藥，則每次直接經濟損失為8 300×0.5×1.06=4 399元，合計約9.24萬元。

表1 JZT水廠意外停電統計Tab.1 Statistics of Unexpected Power Outages of JZT Water Plant

除產生明顯經濟效益外，該系統最大的貢獻是避免無法及時發現藥劑投加中斷或不足產生的生產隱患，大大提高水質的穩定性，為后續智慧水廠無人和少人值守提供有力保障。

4 總結與展望

(1)本系統通過檢測斷電、缺藥、斷藥信號并及時進行藥劑應急自動投加，確保水質達標，具有簡便性、通用性及高可靠性等特點。

(2)斷電開啟型電磁閥的選取及使用，解決了斷電檢測以及無需備用電源自動投加藥劑的難題。由于停電時間較短，電磁閥線圈處于長期通電狀態，因此，須考慮線圈溫升可適應連續通電的條件。為此，本系統電磁閥線圈加裝節能模塊，有效降低了線圈溫升。

(3)本系統在研發及使用過程中，斷藥及缺藥檢測裝置對比使用了斷流指示器、電磁流量計、浮子流量計等多種流量檢測方法之后選擇浮子流量計，實現了低成本、高可靠的設計目的，同時契合了無需備用電源的設計思路。

(4)本系統除了可自動應急投加混凝劑之外，同樣適用于水廠消毒劑等其他生產藥劑的應急自動投加，并具有廣泛的適用性，可在自來水廠、污水廠進行推廣。