石灰投加系统控制应用

2011-02-03朱志平

电气自动化 2011年3期

朱志平

(通用电气实业(上海)有限公司上海 201400)

0 系统简介

在水资源日益紧张的今天，工厂的废水，包括冷却塔排放、浓缩水回收和处理后的气化废水通过先进的水处理工艺进行处理，不仅可以减少污染，而且可以做到水资源的再利用，提高水资源的利用效率，产生更高的经济价值。在内蒙古鄂尔多斯一工厂采用水处理工艺对工厂废水进行再利用，其预处理工段对工厂废水来水向澄清池中投加石灰，调节进水pH值，以达到去除水中硬度的要求。其主要工艺流程为石灰投加进入石灰料仓后，通过螺旋输送机投加入石灰乳罐制备石灰乳，石灰乳通过石灰乳输送泵投加入投加池调节pH，工艺系统简图如图1所示。

图1 工艺系统简图

该石灰投加系统主要包括两部分:

(1)石灰乳液制备系统，工艺设备包括石灰料仓、螺旋输送机、振打器、石灰乳罐、搅拌器;控制部分包括料仓高料位开关(LSH)、料仓中料位开关(LS)、料仓低料位开关(LSL)、补给水流量计(FIT2)、石灰乳罐液位计(LIT)、补给水阀门V0。

(2)石灰乳液投加系统，工艺设备包括石灰乳输送泵、投加池及相关管道;控制部分包括进水总管流量计(FIT1)、投加池pH分析仪(AIT)、石灰管路压力变送器(PIT)、石灰乳输送泵入口阀V1、补给水管路冲洗阀V2。

1 控制系统

工厂的污水处理系统负责对整个污水处理流程进行监控。中央控制室设置两台Dell服务器作为人机接口系统(HMI)冗余的数据采集机和主备数据库服务器，两台主控计算机采用AB公司RS View工控软件，其PLC系统采用双机冗余系统，PLC系统选用美国AB公司Controllogix系列PLC，其配置如表1所示。为保证可靠性，主控系统通过光纤以太网与下位的子系统如石灰投加子系统相连，进行数据采集及监视，同时主控系统通过Controlnet总线对部分重要数据进行监控。主控系统结构原理如图2所示。

表1 Controllogix系列PLC配置表

图2 污水处理主系统配置图

石灰投加系统作为整体供货设备在整个污水处理系统中自成一个子系统，设置独立的PLC系统，提供触摸屏供给就地操作，并通过光纤交换机和Controlnet总线将本地数据传送至中控室监控计算机进行远程监控。

该石灰投加系统仪表配置如表2所示，控制系统采用美国AB公司FLEXLOGIX系列PLC

图3 石灰投加子系统配置图

表2 石灰投加系统仪表配置

2 控制策略

2.1 石灰乳液制备系统

石灰乳液制备系统的控制关键点是按设定的石灰乳浓度在石灰乳罐中配置所需石灰乳液。螺旋输送机为主要被控设备，采用变频控制，选用ABB ACS800变频器。螺旋输送机石灰的单位时间输送量与变频器的频率成线性，图4为石灰输出量与频率关系图，其斜率即螺旋输送机石灰的单位时间输送量，单位为kg/Hz*hr。

图4 石灰输出量与频率关系图

当石灰乳罐液位低于石灰乳罐液位中值LIT.M(LIT，液位传感器)时，补给水阀门V0打开，螺旋输送机开始工作，其频率通过式(1)得出，当石灰乳罐液位高于石灰乳罐液位高值LIT.H时，补给水阀门V0关闭，螺旋输送机停止工作。

式中:F—变频器工作频率，ρ—石灰乳浓度，FIT2—补给水流量，M—石灰的单位时间输送量。

公式(1)中石灰乳浓度可根据现场实际需要进行设定，浓度设定后PLC即自动根据补给水流量FIT2控制螺旋输送机的频率来配比正确的石灰乳浓度。

螺旋输送机由变频器进行控制，电机的变频范围宜为15Hz～50Hz之间，超过这个范围的频率会被变频器限制，为保证配置出正确的石灰乳浓度，根据石灰乳的设定浓度及电机的频率上下限值(见公式(2)和公式(3))即可得出补给水流量FIT2的上下限制，此限值根据石灰配比浓度自动调整，当补给水流量FIT2值不在限值范围内时发出报警提醒工作人员调整补给水进水量。

式中:FIT2.H－补给水流量上限值，FIT2.L－补给水流量下限值，ρ—石灰乳浓度，M—石灰的单位时间输送量。石灰乳液制备系统中石灰料仓仅安装了高中低三个阻旋式料位开关，仅能提供高低料位报警，没有石灰罐内石灰的较精确料位，给石灰投加工作带来一定困难，现场采用石灰的累积消耗量予以解决。

螺旋输送机每次运行时的频率乘以石灰的单位时间输送量，然后进行积分累积即可得到石灰的累积消耗量，石灰料仓的石灰总容量减去石灰的累积消耗量即可折算出石灰料仓的当前料位。石灰补给时，每次添加至石灰料仓发出高料位信号LSH时，高料位信号LSH的脉冲将石灰的累积消耗量清零。通过石灰槽罐车的称重可知每次的石灰添加量，此值与计算的石灰累积消耗量的比较可以校验石灰的单位时间输送量值的正确性。

石灰乳罐的搅拌器，只要石灰乳罐的液位不低于液位低值LIT.L，则一直搅拌，以防止石灰沉淀。因石灰粉容易在料仓内搭桥形成空穴，当低料位开关LSL报警而中料位开关LS正常时，应启动料仓振打器进行短时振打。

2.2 石灰乳投加系统

石灰乳液投加系统的控制关键点是按设定的pH值及投加池的进水流量来投加石灰乳。石灰乳输送泵为主要被控设备，采用变频控制，选用ABB ACS800系列变频器。

石灰乳输送泵的起停条件为进水总管流量计FIT1的高低限值，高于高值FIT1.H时石灰乳输送泵启动，低于低值FIT1.L时石灰乳输送泵停止，同时石灰乳罐的液位低值LIT.L，作为石灰乳输送泵的低液位保护。

投加池的体积及进水量相对于石灰乳的投加量是巨大的，因此如果仅仅靠pH值来控制石灰乳输送泵的频率，则因反应的时滞性，往往很难达到稳定的控制效果。因此本石灰投加系统控制采用流量控制与pH控制双参量的控制方式。

根据不同的进水水质分析得出大致的每吨水的加剂量，再根据进水总管流量FIT1及石灰乳的浓度、密度、泵的额定输送能力即可得出石灰乳输送泵的运行频率。

式中:FFIT1—根据流量计算得到的变频器频率，A—加剂量，FIT1—进水总管流量，ρ—石灰乳浓度，D—石灰密度，N—泵的额定输送能力。

根据投加池的pH值，进行PID运算即可得到石灰乳输送泵的运行频率:频率pH(表示根据pH值PID计算得到的当前频率)，当pH值高于设定值时，降低石灰乳输送泵运行频率，当pH值低于设定值时，提高石灰乳输送泵运行频率。

则石灰乳输送泵的实际运行频率为

式中:FFIT1—根据流量计算得到的变频器频率，FpH——根据pH值PID计算得到的变频器频率，F.bias—偏置控制参数

偏置控制参数F.bias根据现场实际运行工况及运行效果调整，对流量和pH值在石灰乳输送泵控制中的比率进行调整，在进水初期或流量波动比较剧烈时，F.bias应接近1，以流量前馈控制为主，能提供更迅速的控制反应。在系统进入稳定期后，F.bias可以适当减小，以pH的控制为主，自动调节投加比例。进水总管流量FIT1和投加池pH值双参量的控制，较好的解决了流量波动时石灰投加pH值变化滞后问题，达到了不错的控制效果。

由于石灰乳的特性，很容易在输送管道中形成沉积，致使输送压力不断加大，引起设备损坏及事故，因此在石灰乳输送泵出口设置压力变送器提供压力保护。当石灰乳输送泵出口压力高于压力高高值PIT.HH时，石灰乳输送泵停止工作，通知工作人员进行管道疏通;当石灰乳输送泵运行时，出口压力低于压力低值PIT.L时，则说明石灰乳输送泵入口阀V1和补给水管路冲洗阀V2存在开启故障，石灰乳输送泵停止工作，以防止泵空转。

当石灰乳输送泵出口压力值大于压力高值PIT.H时，补给水管路冲洗阀V2打开，石灰乳输送泵入口阀V1关闭，用补给水对石灰输送管路进行短时间的冲洗，疏通管道。同样在石灰乳输送泵停机时，也须打开补给水管路冲洗阀V2，关闭石灰乳输送泵入口阀V1，对石灰输送管路进行冲洗，防止石灰乳沉积在管路引起堵塞。