一种应急投加系统的设计和实践

高旭辉 陈奋

摘  要：通过分析自来水厂投药系统存在的隐患，设计并实施了一种针对断电、断药以及缺药等异常情况进行快速检测，自动进行药剂投加的新型药剂应急投加系统。该系统无需备用电源仍可保证药剂连续稳定投加，可保证出厂水水质稳定达标，保障水质安全。

关键词：投药系统;药剂;应急投加

1    工程概况

深圳市光明区某水厂，坐落于光明区凤凰街道办事处，总占地8.95公顷，分三期建设，始建于2001年，2008年全部建成投产，总供水规模20万m3/d。一、二期处理规模各5万m3/d，工艺流程为网格反应池+斜板沉淀池+V型滤池;三期处理规模10万m3/d，工艺流程为折板反应池+平流沉淀池+V型滤池。

该厂处理工艺包括混凝、沉淀、过滤和消毒等环节，常规投加药剂为混凝剂（聚合氯化铝）和消毒剂（次氯酸钠）。对于自来水厂而言，供水水质优劣不仅与处理工艺相关，同时也受到药剂投加等因素的影响[1]。混凝投药是自来水生产过程中净化水质的一个重要环节，投药后的净化过程具有复杂性、时变性、非线性等特点。实现混凝投药的自动控制可以稳定出水水质，降低制水成本，减轻工人的劳动强度。目前，自来水厂基本采用PLC控制投加泵实现药剂的自动投加[2-3]。

2    问题分析

在自动化高速发展的今天，投药系统投加精度越来越高，自动化程度越来越高，但是对于水厂断药、缺药应急投加的研究仍停留在配水井等药剂投加点设置应急药剂储存池，发现断药、缺药后进行人工投加的阶段，存在操作滞后、加药及时性低等问题。

2.1    隐患分析

经分析，投药系统断电、投药泵故障、投药管道爆裂/堵塞均可造成断药;投加管道破损或由于其他原因产生管道渗漏，导致投加点药量不足，会造成缺药。断药和缺药都将无法保证正常生产。

2.2    现有对策

在配水井设置应急药剂储存池，当水厂出现断药、缺药情况时，进行人工投加。

当发生投药系统断电时，原水继续流入，员工必须快速到达配水井，打开应急药剂储存池的手动投加阀进行应急投加，通常需要较长时间恢复投药，无法保证水质持续达标。

当发生投药泵故障时，原水继续流入，员工必须快速到达加药间切换投加泵，通常需要较长时间恢复投药，无法保证水质持续达标。

当发生药剂投加管道爆裂、堵塞，导致药剂投加量偏少或完全中断时，原水继续流入，人工无法及时发现、常规装置无法及时检测，通常发现时水质已经超标。

当发生投加管道破损或由于其他原因产生管道渗漏导致投加点药量不足，造成缺药时，原水继续流入，人工无法及时发现、常规装置无法及时检测，通常发现时水质已经超标。

综上所述，如何快速检测并自动应急投加药剂是重点也是难点。

3    系统设计与实践

3.1    系统总体设计思路

为解决上述技术问题，特别创新提出一种断电、断药、缺药情况下，无需备用电源仍可保证药剂连续稳定投加的系统，可保证出厂水水质稳定达标，保障水质安全。

本系统安装在配水井等药剂投加点，通过对断电、断药、缺药等可导致加药异常的情况进行检测，自动实现应急投加，同时在中控室进行报警，提示值班人员尽快处置。

3.2    系統构成

如图1所示，药剂应急自动投加系统包括储药池、投加控制装置、断药检测装置、断电检测装置、缺药检测装置以及远程报警模块。

3.3    具体实施方式

3.3.1    投加控制

本系统在储药池1和投加点之间的管道上安装一个断电开启型电磁阀7，当断电开启型电磁阀7打开，可实现无需备用电源情况下的药剂自动投加及远程报警。

3.3.2    快速检测装置

检测系统可检测三种情况下的断药信号，分别为断电检测3、断药检测4及缺药检测5。具体过程如下：

（1）断电检测3：当厂区供电中断时，断电开启型电磁阀7即刻失电，可以快速检测到断电情况，同时电磁阀7打开，启动药剂应急投加。

（2）断药检测4：在药剂投加点安装浮子流量计6，流量计浮子内嵌磁芯，锥管外装干簧管开关，用于流量的上下限报警输出。浮子流量计无流量时，带磁芯的浮子下沉至流量计锥管底部，这时下限干簧管接通，相关DI模块的输入点置1，延时5 s后，相关DO模块输出点置1，该DO模块输出点外接的继电器吸合，继电器常闭点断开，接在继电器常闭点的断电开启型电磁阀7线圈失电，电磁阀打开，启动药剂应急投加。

（3）缺药检测5：当加药管破损或其他原因导致漏药时，实际投加量可能低于所需投加量，导致浊度升高，水质异常，此时可以设置浮子流量计下限，当其低于设定值时，相关DI模块的输入点置1，延时5 s后，相关DO模块输出点置1，该DO模块输出点外接的继电器吸合，继电器常闭点断开，接在继电器常闭点的断电开启型电磁阀7线圈失电，电磁阀打开，启动药剂应急投加。

3.3.3    远程报警模块

利用3.3.2第（2）（3）条的DO模块外接的继电器常开点驱动中控室或其他远程值班室声光报警器，当出现缺药或断药时，DO模块输出点外接的继电器吸合，继电器常开点闭合，声光报警启动。

3.4    实践分析

该药剂应急投加系统相较水厂原有应急药剂投加装置增加2台浮子流量计和1台断电开启型电磁流量计及部分管材，合计金额不超过1 000元。经统计，2019年该水厂共出现10次意外断电，该系统均即时进行药剂应急投加，确保了水质稳定。如无该系统，直接损失是需要排放未正常投加药剂的原水，即F=进水量×中断加药时间×原水单价。按照每次需要半小时重新进行投药计算，则每次直接经济损失为8 300×0.5×1.06=4 399元，10次意外断电直接经济损失合计约4.4万元。

除产生明显经济效益外，该系统最大的贡献是避免无法及时发现药剂投加中断或不足产生的生产隐患，大大提高水质的稳定性，为后续智慧水厂无人和少人值守提供有力保障。

4    总结与展望

（1）本系统通过可靠检测断电、缺药、断药信号并及时进行药剂应急自动投加，确保水质达标，具有简便易行、通用性及可靠性高等特点。

（2）断电开启型电磁阀的选取及使用，解决了断电检测及无需电源自动投加药剂的难题。由于停电时间较短，电磁阀线圈处于长期通电状态，因此须考虑线圈温升可适应连续通电的条件。为此，本系统电磁阀线圈加装节能模块，有效降低了线圈温升。

（3）本系统研发及使用过程中，对于断药及缺药检测装置，在对比使用了断流指示器、电磁流量计、浮子流量计等多种流量检测仪器之后，选择浮子流量计，实现了低成本、高可靠性的设计目的，同时契合了无需备用电源的设计思路。

[参考文献]

[1] 颜一青.不同种类原水混凝剂投加量分析[J].净水技术，2017，36（Sl）：56-62.

[2] 北京市市政工程设计研究院.给水排水设计手册（第3册）[M].北京：中国建筑工业出版社，2002.

[3] 王慧娟，李金辉，殷小桃.给水厂投药系统技术改造及应用[J].中国给水排水，2011，27（24）：79-81.

收稿日期：2020-06-17

作者简介：高旭辉（1976—），男，河北赞皇人，硕士，工程师，厂长，主要从事水处理机电设备管理、研究及生产优化管理工作。