秦二厂首个非放生产废水控制系统调试及优化

2023-09-12王雁翎刘思琦

仪器仪表用户 2023年10期

王雁翎，刘思琦

（中核核电运行管理有限公司维修四处，浙江嘉兴 314300）

0 引言

近几年，近岸海域污染也表现为水体的富营养化，含氮、磷的废水（如生活污水）未经处理直排入海引发水土富营养化，污染近岸海域，后产生一系列的生态问题[1]，降低近岸海域污染物入海量迫在眉睫。为深入贯彻落实《浙江省近岸海域污染防治实施方案》，秦二厂根据浙江省环保厅《关于开展入海排污口规范化整治提升工作的通知》的要求，新增了非放生产废水处理系统，将秦二厂原排入雨排系统的非放生产废水进行雨废分流改造，设置独立生产废水排水管线，并将上述非放生产废水进行收集，通过该系统对非放生产废水进行集中自动处理，使非放生产废水排放满足浙江省《城镇污水处理厂主要水污染物排放标准》[2]。

PLC可以为各种自动化设备提供非常可靠的控制应用，在进行控制的时候能够提出比较可靠和完善的解决方法[3]。该系统以PLC为控制核心，实现对设备状态的集中监视，并对相关设备进行自动控制，满足了自动处理非放生产废水的需求，降低了非放生产废水中的化学需氧量、氨氮、总氮和总磷含量。

1 非放生产废水处理系统简介

该系统收集上游废水至废水收集箱A及废水收集箱B，通过水质监测设备自动检测废水水质，再通过酸碱调节装置、次氯酸钠加药装置、除磷装置对废水进行自动处理。水质处理检测达标后，由排水泵自动排放。该系统的设备概况如图1所示。

图1 生产废水处理系统设备概况图Fig.1 Overview of production wastewater treatment system equipment

2 控制系统组成

2.1 系统概述

该系统采用西门子PLC SMART 200进行控制，根据编制的程序以及采得的数据信息进行逻辑运算，并将运算结果通过信号输出到执行机构来控制系统设备的运行。系统首先通过水质监测设备自动检测废水收集箱内废水水质，再将检测结果传输给PLC进行分析处理。当检测结果PH值不合格时，经过PLC自动计算后，从YA原酸、碱罐取盐酸或氢氧化钠，一次精准加药调节废水PH值；再判断废水中的氨氮含量是否合格，如氨氮含量不合格，则从次氯酸钠储罐自动精准投加次氯酸钠；然后，判断废水中的总磷含量是否合格。如总磷含量不合格，则自动精准投加氯化钙，期间产生的少量絮凝物使用活性炭过滤器吸附去除。在以上步骤中，如废水内PH值、氨氮含量或总磷含量检测结果合格，则跳过相应加药步序。在排放前，系统再次检测废水水质，PH、氨氮、总氮、总磷、COD 五项均符合排放标准后自动排放。如检测结果为水质不合格，则自动继续加药步序，直至水质合格后排放。硬件系统架构及处理流程如图2、图3所示。

图2 生产废水系统架构图Fig.2 Architecture diagram of production wastewater system

图3 废水处理流程图Fig.3 Wastewater treatment flow chart

2.2 系统逻辑

2.2.1 PH调节控制逻辑

1）若检测所得PH值大于9，PLC计算酸加药时长如公式（1）所示：

其中：10-（X-7）为废水PH中和至7所需的盐酸量（mol/L）；X为检测所得PH值；36.5为盐酸摩尔质量；C为盐酸浓度（31%）；H1为废水收集箱实际液位；H为废水收集箱高液位（10m）；V为废水收集箱容积（500m3）；Q为酸加药泵流量（500L/h）。

简化后逻辑计算酸加药时长如公式（2）所示：

计算完毕后开启酸加药泵，到达计算时长后关闭酸加药泵。废水收集箱出口设有PH表，实时监测废水PH值。当PH值到达8时，若酸加药泵还未停止，则强制停泵。

2）若检测所得PH值小于6，逻辑计算碱加药时长如公式（3）所示：

其中：10-（X-7）为废水PH中和至7所需的NAOH量（mol/L）；X为检测所得PH值；40为NAOH摩尔质量；C为NAOH浓度32%（业主提供数据）；H1为废水收集箱实际液位；H为废水收集箱高液位（10m）；V为废水收集箱容积（500m3）；Q为碱加药泵流量（500L/h）。

简化后逻辑计算碱加药时长如公式（4）所示：

计算完毕后开启碱加药泵，到达计算时长后关闭碱加药泵。废水收集箱出口设有PH表，实时监测废水PH值。当PH值到达7时，若碱加药泵还未停止，则强制停泵。

2.2.2 氨氮处理控制逻辑

若废水中氨氮含量不合格，PLC计算次氯酸钠加药停止液位如公式（5）所示：

其中：L（NaClO）为次氯酸钠加药停止液位；L为次氯酸钠加药起始液位；K为次氯酸钠处理氨氮药量比（8.2）；m为废水中氨氮浓度（mg/L）；H1为废水收集箱实际液位；H为废水收集箱高液位（10m）；V为废水收集箱容积（500m3）；B为可在上位机设置的系数；S为次氯酸钠储罐圆面积。

简化后逻辑计算次氯酸钠加药停止液位如公式（6）所示：

计算完毕后开启次氯酸钠加药泵，到达次氯酸钠加药停止液位后，关闭次氯酸钠加药泵。废水收集箱出口设有余氯表，实时监测废水中余氯含量。当废水中余氯含量＞100mg/L时，若次氯酸钠加药泵还未停止，则强制停泵。

2.2.3 总磷处理控制逻辑

若废水中总磷含量不合格，则开启氯化钙加药泵，氯化钙加药泵开启5min后停止。然后，开启活性炭过滤器入口/出口电动阀，关闭活性炭过滤器旁通阀，使用活性炭过滤器吸附去除除磷过程中产生的少量絮凝物。1h后，再关闭活性炭过滤器入口/出口电动阀，开启活性炭过滤器旁通阀，除磷流程结束。

2.2.4 排放逻辑

化学除磷结束后，系统再次自动进行水质检测。当水质数据可用且合格后，开启废水收集箱排放阀及排水泵，将合格的废水排放至SEL或CC跌落井。如检测结果为水质不合格，则自动继续加药步序，直至水质合格后排放。

3 调试及优化

3.1 采样工艺流程及其控制程序的优化

3.1.1 水质监测仪表

水质监测仪表包含氨氮表、总氮表、总磷表、COD表及PH表，当在线监测间取样泵开启后，PH表可实时监测废水PH值，其它仪表无实时监测功能，最长需1.33h后得到检测结果。其它仪表做样方式分为手动与自动两种，自动做样又有整点做样、间隔做样及触发做样3种模式。整点做样与间隔做样都是仪表在固定时间自动做样，触发做样功能是当PLC向仪表发送开始取样信号后，仪表开始做样。对样水的分析由仪表自带程序控制，检测结果通过4mA～20mA信号传输至PLC。在下一次检测完毕前，仪表保持上次检测结果输出。

3.1.2 水质监测仪表控制优化

在原设计中，全部水质监测仪表都与PH表一样，仅有AI输入信号，仅接收仪表传输至PLC的检测结果，无对仪表的控制信号。因此，仪表只能采用整点做样或间隔做样两种模式，而这两种模式无法满足该系统自动处理需求。在PLC程序内新增了水质监测仪表控制逻辑，当废水收集箱水循环结束后，在线监测间取样泵开启，冲洗取样管线5min。然后，以在线监测间取样泵开启5min作为触发条件，发送开始取样信号，控制仪表开始做样。同时在线监测间取样泵停止。

3.1.3 氨氮、总氮含量检测工艺的优化

根据现场实际工况，非放生产废水处理前氨氮含量最高达584mg/L，总氮含量最高达584ppm，而氨氮与总氮的排放标准分别仅有1.5mg/L与10ppm。

如使用同一仪表检测处理前/后的废水，由于仪表量程过大，会导致处理后废水内的氨氮和总氮含量检测误差过大，无法准确检测实际水质，极大可能会造成误排放。因此，对原采样工艺进行修改，新增一台氨氮表、一台总氮表。

但与此同时，又有新的问题出现。由于仪表本身的误差，两个不同量程仪表检测同一样水时结果差异较大，而在检测之前，系统无法判断废水收集箱内废水的氨氮、总氮含量，无法直接选用其中一台仪表的检测数据。因此，在系统控制逻辑中又新增了氨氮、总氮含量检测结果判定逻辑。

在修改控制逻辑之前，先对仪表的输出进行了确认。当仪表检测结果超量程时，输出电流＞20mA；当检测结果未超量程时，输出电流≤20mA。基于此，将氨氮、总氮含量检测结果判定逻辑设计为：

首先，对低量程仪表检测结果进行判断，如PLC接收到的电流信号未超过20mA，则选取低量程仪表的检测结果作为废水收集箱内废水实际氨氮/总氮含量。如低量程仪表送至PLC的电流信号超过20mA，则选取高量程仪表的检测结果作为废水收集箱内废水实际氨氮/总氮含量。

3.1.4 水质监测仪表数据准确性问题及优化方式

该系统最初设计的采样工艺流程为取样一次，根据水质监测仪表分析数据，进行下一步加药流程。但根据经验，在实际运行过程中，可能会遇到以下问题：

① 仪表故障不分析：仪表触发做样功能失效或仪表做样、分析系统故障停止等，会导致仪表不正常做样，始终输出上一次的检测结果。当PLC程序运行至获取水质数据步序时，获取到的就是与实际水质数据不一致的上一次检测结果。

② 仪表做样、分析功能异常：仪表做样、分析功能异常可能会造成检测结果出现偏差，与实际水质数据不符。

③ 仪表数据转化模块异常：仪表数据转化模块异常会造成仪表输出的信号与实际检测结果不符，导致PLC接收到错误的水质数据。

除上述问题之外，还有其他问题，如：仪表老化等可能影响水质数据准确性的问题，导致仪表检测结果与实际偏差较大。当获取的水质数据高于实际值时，会导致加药过程中盐酸、氢氧化钠、次氯酸钠、氯化钙的浪费。而当获取的水质数据低于实际值时，可能会导致一次加药量偏少需多次重复取样加药流程，浪费时间及资源，还可能会造成超标废水的误排放。因此在实施过程中，优化了其控制程序，修改如下：

每次取样步序均执行两次检测，PLC对接收到的两次水质数据进行可用性分析。可用性分析公式如公式（7）所示：

其中，A为第一次检测结果，B为第二次检测结果。仪表允许误差为10%，逻辑设定当-0.001≤C≤0.001或C＞0.2或C＜-0.2，即当两次水质数据几乎无变化（排除信号波动的影响）或偏差＞20%时，判定水质监测仪表功能异常，水质数据不可用，需暂停系统人工干预。其他情况则判定水质监测仪表功能正常，继续执行下一步序（加药处理或排放）。

在实际调试过程中，又发现修改后的控制程序仍有问题。当废水收集箱内水质数据低于排放标准较多，即实际水质检测结果过小时，会出现上述计算中的C＞20%现象，但经过实验，出现该现象时的检测结果即使加上最大误差，也仍低于排放标准，系统没有必要在这种情况下重复取样流程。因此，又对水质监测仪表可用性分析做了如下调整：

PLC程序内新增了判断条件，当同一样水的两次检测结果都低于排放标准的1/3，同时满足-0.001≤C≤0.001时，判定该数据可用，执行下一步流程。

修改过后，系统运行效率大大提高，减少了非必要的取样次数，大大降低了时间及资源成本。

3.2 取样功能优化

在原设计中，该系统为全自动运行。如出现异常情况，系统将停止运行，直至系统恢复正常，才能继续进入自动处理流程处理废水。

为保证在水质监测仪表功能异常，且短时间内无法恢复正常时仍能处理非放生产废水，实施期间在该系统的控制逻辑内增加了手动取样功能。当水质监测仪表功能异常时，可以启用该功能，将人工取样结果输入至PLC，然后继续自动加药步序。在自动加药步序结束后，需再次输入人工取样结果，PLC自动判断水质数据是否合格，合格则自动排放，不合格则继续加药流程，直至水质合格后自动排放。

3.3 加药控制逻辑优化

在原设计中，PH调节控制逻辑不是计算过后精准加药，而是在PH表检测到废水收集箱内PH值到达排放标准后，停止加药。但根据经验，在PH值为6～8之间时，加药量对PH调节影响极大。PH表检测到PH值满足排放标准到加药停止需要一定时间，由于现场工况复杂，该时间在每次处理时都可能不同，系统难以准确加药，会造成加药过量或多次加药情况。因此，将PH调节控制逻辑优化为了前文所述的一次精准加药模式，可以降低酸、碱的浪费的同时，亦节约了时间成本。

原设计中，氨氮处理控制逻辑是在固定时间内通过控制次氯酸钠加药泵频率来控制次氯酸钠加药量，整套次氯酸钠加药流程所需时间为2.5h，耗时过长，且加药过程中受到的影响因素过多，加药准确度不高。因此，将氨氮处理控制逻辑优化为了前文所述的一次精准加药模式。优化后的氨氮处理功能的效率更高，亦降低了次氯酸钠的浪费。

3.4 其他优化

一键处理功能优化：新增了一键循环、一键取样功能，使得运行人员可以在全自动处理流程之外手动执行部分程序块。一键循环功能可以在满足循环条件的情况下一直循环，直至按下一键取样按钮。一键取样功能则是在满足条件的情况下自动开始取样分析，取样成功后自动进入下一步加药流程。

在原设计中，室外取样管线采用了透明橡胶管。根据以往经验，在室外无遮挡环境下，透明橡胶管极易老化，一旦破损，会影响系统正常运行。因此在实施过程中，将橡胶管更换为了不锈钢管。

调试期间，在上位机画面新增了设备状态监测列表，便于判断整个系统的状态。

4 经验反馈

在调试过程中，发生了在线监测间内PH表数据波动问题。经检查，发现电缆屏蔽层接地线松动。电缆屏蔽层一端接地的目的就是利用抑制电势电位差达到消除电磁干扰的效果[4]，如电缆屏蔽层接地不可靠，会导致该PH表信号受到干扰，产生波动现象。接地线重新紧固后，PH表波动现象消失。

在调试过程中发现水质监测间回水管未安装止回阀，止回阀是指依靠介质本身流动而自动开闭阀瓣，允许介质单向流动的阀门[5]，未安装止回阀会导致回水管内介质回流。同时，现场溢流管与回水管汇流后的管径过小，导致水质监测仪表取样口压力过高。以上两者都会影响仪表正常工作，影响水质数据的准确性。在回水管上安装止回阀，将溢流管与回水管汇流后的管径扩大后，水质监测仪表取样恢复正常。