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自动化仪表在水处理系统中的应用

放大字体  缩小字体 发布日期:2017-06-16  浏览次数:2076
核心提示:目前,国内净水厂自控系统采用最多的是由工业计算机(IPC)+可编程序逻辑控制器(PLC)+自动化仪表组成的多级分布式计算机测控管理系统。

意大利Atos中国有限公司-东莞巴菲特销售处

随着我国改革开放政策的深化和国外贷款项目的不断增多,计算机测控管理系统已普遍进入净水厂自动化领域。目前,国内净水厂自控系统采用最多的是由工业计算机(IPC)+可编程序逻辑控制器(PLC)+自动化仪表组成的多级分布式计算机测控管理系统。

一 自动化仪表在水处理系统中的重要地位

在现代化的净水厂中,每一个生产过程总是与相应的仪表及自控技术有关。仪表能连续检测各工艺参数,根据这些参数的数据进行手动或自动控制,从而协调供需之间、系统各组成部分之间、各水处理工艺之间的关系,以便使各种设备与设施得到更充分、合理的使用。同时,由于检测仪表测定的数值与设定值可连续进行比较,发生偏差时,立即进行调整,从而保证水处理质量。根据仪表检测的参数,能进一步自动调节和控制药剂投加量,保证水泵机组的合理运行,使管理更加科学化,达到经济运行的目的。由于仪表具有连续检测、越限报警的功能,便于及时处理事故。仪表还是实现计算机控制的前提条件。所以在先进的水处理系统中,自动化仪表具有非常重要的作用。

二 水处理系统常用仪表的分类

给水工程所用仪表大致可分为两大类:一类属于监测生产过程物理参数的仪表,如检测温度、压力、液位、流量等。这类仪表采用国产表,其性能和质量基本能满足要求。另一类属于检测水质的分析仪表,如检测水的浊度、pH值、溶氧含量、余氯、SCD值等。这些专用仪表在我国发展比较晚,因此,通常选用国外先进产品,从长远观点看是比较经济、可靠的。

检测仪表的好坏直接关系到给水自动化的效果。在工程设计过程中,从仪表的性能、质量、价格、备件情况、售后服务等方面进行反复比较,我们一般采用进口仪表和国产仪表相结合的方法。

三 净水厂监控系统的构成模式及监测参数

1. 净水厂监控系统的构成模式

净水厂的监控系统一般由水厂管理层和现场监控层两级系统构成,按集中管理、分散控制的原则进行监控。在工程设计中,将厂级计算机系统(即主站)设在水厂中心控制室,各现场监控站(即分站)的数量和位置按工艺流程及构筑物的位置、分散程度来定。一般地表水厂现场分站的设置是:进水泵房分站、反应沉淀与加氯加药分站、过滤分站、送水泵房及变配电室分站、污泥处理分站。各监测仪表的数据均送到计算机系统,可在监控站的工控机上显示、控制并打印、记录、报警。

2. 各分站监测参数

a. 进水泵房分站监测参数

水质参数:源水浊度、pH值、水温、溶解氧等。

运行参数:调节池水位、吸水井水位、源水流量、泵机分电量、泵站总电量等。

b. 反应沉淀、加氯加药分站

水质参数:沉淀池出口浊度、滤后余氯、SCD值。

运行参数:沉淀池水位、沉淀前流量、搅拌罐液位、药池液位、药液浓度、沉淀池泥位。

c. 过滤分站

水质参数:滤后水浊度、余氯。

运行参数:滤池水位、水头损失、反冲洗水流量、冲洗水箱水位。

d. 送水泵房及变配电室分站

水质参数:出厂水流量、余氯。

运行参数:出厂水压力、流量、清水池水位、吸水井水位、交流电压、交流电流、电量等。

e. 污泥处理分站

运行参数:回流池水位、水量、浓缩池水位、回流水浊度。

四、水处理系统常用仪表在选型及设计中应注意的问题

1. 仪表选配的一般要求

(1)精确度:是指在正常使用条件下,仪表测量结果的准确程度,误差越小,精确度越高。

生产过程物理检测仪表的精确度为±1%,水质分析仪表的精确度为±2%(测高浊水的浊度仪的精确度为±5%)。

(2)响应时间:当对被测量进行测量时,仪表指示值总要经过一段时间才能显示出来,这段时间即为仪表的响应时间。一只仪表能不能尽快反应出参数变化的情况,是很重要的指标。对水质分析仪表要求的响应时间应不超过3min。

(3)输出信号:仪表的模拟输出应是4~20mA DC信号,负载能力不小于600Ω。

(4)仪表的防护等级应满足所在环境的要求,一般应不低于IP65,用于药剂投加系统的检测仪表要求能耐腐蚀。

(5)四线制的仪表电源多为220V AC、50Hz,两线制的仪表电源为24V DC。

(6)现场监测仪表宜选用数显仪。

(7)仪表的工作电源应独立,不应和计算机共用电源,以保证发生故障和检修时电源互不干扰,使各自都能稳定可靠地运行。

(8)为使计算机能检测到电压互感器和电流互感器的异常信号并报警,设计选配的电压及电流变送器的输入信号应比电流及电压互感器大,即分别为0~6A及0~120V。

(9)应选择能够提供可靠服务和有丰富经验的仪表生产厂商。

2. 水位测量

选择液位计时应考虑以下因素:(1)测量对象,如被测介质的物理和化学性质,以及工作压力和温度、安装条件、液位变化的速度等;(2)测量和控制要求,如测量范围、测量(或控制)精确度、显示方式、现场指示、远距离指示、与计算机的接口、安全防腐、可靠性及施工方便性。

给水工程中常用的液位计及选型要点如下:

a. 浮球式液位计

在液体中放入一个空心的浮球,当液位变化时,浮球将产生与液位变化相同的位移。可用机械或电的方法来测得浮球的位移,其精确度为±(1~2)%,这种液位计不适用于高粘度的液体,其输出端有开关控制和连续输出。

在净水厂的设计中,多将此种液位计用于集水井的液位测量以控制排水泵的自动开停。

b.静压(或差压)式液位计

由于液柱的静压与液位成正比,因此利用压力表测量基准面上液柱的静压就可测得液位。根据被测介质的密度及液体测量范围计算出压力或压差范围,再选用量程、精确度等性能合适的压力表或差压表。这种液位计的精确度为±(0.5~2)%。

c. 电容式液位计

在容器内插入电极,当液位变化时,电极内部介质改变,电极间(或电极与容器壁之间)的电容也随之变化,该电容量的变化再转换成标准化的直流电信号。其精确度为±(0.5~1.5)%。

电容式液位计具有以下优点:传感器无机械可动部分,结构简单、可靠;精确度高;检测端消耗电能小,动态响应快;维护方便,寿命长。缺点是被测液体的介电常数不稳定会引起误差。电容式液位计一般用于调节池、清水池等的液位测量。

当测量范围不超过2m时,采用棒状、板状、同轴电极;当超过2m时,采用缆式电极。当被测介质为水时,采用带绝缘层(可用聚乙烯)的电极。

d. 超声液位计

超声液位计的传感器由一对发射、接收换能器组成。发射换能器面对液面发射超声波脉冲,超声波脉冲从液面上反射回来,被接收换能器接收。根据发射至接收的时间可确定传感器与液面之间的距离,即可换算成液位。其精确度为±0.5%。

这种液位计无机械可动部分,可靠性高,安装简单、方便,属于非接触测量,且不受液体的粘度、密度等影响,因此多用于药池、药罐、排泥水池等的液位测量。但此种方法有一定的盲区,且价格较贵。

3. 流量测量

流量测量分为两种,一种用于流量检测,参与过程控制,以达到提高生产自动化水平,改善生产工艺条件,提高产品质量和产量的目的。另一种用于流量的计量,不仅计量产品的产量,还是供水企业主要技术经济指标计算的依据。在供水企业最主要的8项经济指标中,有3项指标是以流量计测量的数据为基础的。

流量计的选型应考虑以下因素:

(1)任何型号的流量计都必须有国家计量部门检定的证书方可选用。

(2)流量计本身的压力损失要小。

(3)根据行业要求,流量计的准确度应不低于2.5级。

(4)安装现场条件应满足所选流量计对直管段的要求。

(5)所选流量计应能适应安装现场环境条件如温度、湿度、电磁干扰等。

(6)所选流量计应能适用于待测的液体介质。

目前,在给水工程设计中,采用最多的是电磁流量计和超声流量计。

a. 电磁流量计

电磁流量计的原理是应用法拉弟电磁感应定律,由传感器和转换器组成。

在测量中,液体本身为导体,磁场通过安装在管路中的两个线圈产生。线圈由交流或直流电源励磁,磁场作用于管道内流动的液体,在管道中产生一个与被测流体平均流速V相对应的电压,且该电压与流体的流速分布无关。

与管道绝缘的两个电极监测液体的感应电压。磁场方向、流体流向及两个检测电极的相对位置三者互相垂直。

电磁流量计的优点:

(1)测量不受被测液体的温度、压力或粘度的影响。

(2)没有压力损失。

(3)能连续测量,测量精确度高。

(4)口径范围和测量范围大,测量范围连续可调。

(5)与流速分布无关。

(6)前后直管段较短,前置直管段为5D(D为仪表的直径),后置直管段为3D。

(7)稳定性好,输出为标准化信号,可方便地进入自控系统。

(8)变送器导管内壁有衬里材料,具备良好的耐腐、耐磨性。

(9)转换器体积小,消耗功率小,抗干扰性能强,便于现场观察。

应用于水处理系统的电磁流量计的衬里材料多选用氯丁橡胶,因其有较好的耐磨性。安装时应注意远离外界的电磁场源,以免影响传感器的工作磁场及流量信号,传感器水平安装时,要求两个电极的中心轴线处于水平状态,防止颗粒杂质沉积,影响电极工作。测量管内应为满管,不允许大量气泡通过传感器,当不能满足条件时,应采取相应措施。

为使仪表可靠地工作,提高测量精确度,不受外界寄生电势的干扰,传感器应有良好的单独接地线,且接地电阻应小于10Ω,尤其是安装在阴极保护管道上时。如在天津水源厂出厂干管上安装的电磁流量计,由于管道采用了阴极保护,防护电解腐蚀的管道内壁和外壁之间是绝缘的,被测介质没有接地电位,所以,将传感器接地环装在传感器的两个端面上,与连接管道的法兰绝缘。传感器与接地环用接地线相连,并引至接地极。管道法兰之间用电缆相连但不连到传感器上。法兰连接螺栓用绝缘衬套和垫圈隔离。该电磁流量计自投产使用以来,效果一直较好。

转换器应安装在符合其防护等级要求的场所,在满足安装环境、使用要求的前提下,转换器与传感器之间的距离和连接电缆越短越好,以节约投资,减少可能产生的强电信号的干扰。

b. 超声流量计

最近十几年来,由于电子技术的发展,超声流量计才得以应用于流量测量。利用超声流量计进行测量的方法有很多种,其中较为典型的是时差法和多普勒法。净水厂多选用时差法流量计,其方法是在测量管道上安装两个换能器,因顺流与逆流流速差别的影响,测量从发射到接收而产生的时间差,据此测出流速。

超声流量计的主要优点:

(1)安装维护方便。随着夹装式传感器的广泛使用,在安装和维护超声流量计时不需在管道上打孔或切断流量,就可在已存在的应用场合很方便地进行安装,尤其适用于大口径管道检测系统。

(2)口径范围大,且价格不受管径影响。

(3)测量可靠性高。

(4)无压力损失。

(5)不受流体参数影响。

(6)输出标准化直流信号,可方便地进入自控系统。

选用超声流量计要特别注意传感器的安装误差、管道内壁结垢、防腐层均匀与否,这些因素对测量结果影响很大。另据超声流量计的测量原理,只有流速分布均匀时才能保证测量的精确度,所以在流量计的上下游要有足够的直管段,参考各种资料及流量计的使用手册,要求上游最少不小于10D,下游大于5D。

由于自来水行业为连续生产,进行不间断计量是极为重要的,所以一般安装于管道上的流量计不能经常拆卸送检,一般做法是采用精确度较高的便携式超声流量计,按周期送国家认证单位进行校准,作为企业的标准器具,再用比对的方式定期检测在线流量计。这需要设计人员在设计时应根据使用单位要求,考虑将来生产管理的需要,预留出比对测量的空间,以方便用户,即将流量计井做得稍大一些,除安装固定式流量计外,还应如图1所示预留出便携式流量计测量的空间。

4.浊度的测量

浊度是水体浑浊程度的度量,也就是水体中存在微细分散的悬浮性粒子,使水透明度降低的程度。浊度仪是测量水体浑浊程度的仪器,主要用于对水质的监测和管理。

净水厂负责供应居民生活用水和工业用水,供水的质量直接涉及人民的健康、安全,以及食品、酿造、医药、纺织、印染、电力等各行各业的正常生产和产品质量。浊度是一项很重要的水质指标,因此对浊度仪的选择显得尤为重要。浊度仪可分为目视浊度仪和光电浊度仪两大类。光电浊度仪就其用途可分为工艺监控(连续测定)浊度仪和实验室(包括便携式)浊度仪,就其设计原理又可分为透射光浊度仪和散射光浊度仪。

由于散射光浊度仪对水的低浊度有较高的灵敏度,准确度高,相对误差小,重复性好,水的色度不显示浊度,且散射光与入射光强度比可呈线性关系,故1992年9月世界卫生组织公布的《饮用水水质准则》中规定将散射光浊度仪作为测定仪器。同时,"供水行业2000年技术进步发展规划"中已明确规定一类水司管网水浊度指标为1NTU。

在净水厂设计中常用HACH公司的1720D、SS6系列浊度仪(属于散射光式浊度仪)。

在滤后水及出厂水的测量中,一般采用1720D(原为1720C)系列浊度仪。使用时水样连续流入浊度仪,流经脱泡器以排空水流中的气泡,然后进入浊度仪的中柱内,上升至测量室并溢过其边缘进入排放口。聚光束从传感器头部组件中向下投射到浊度仪主体内的水样中,浸在水样中的光电管测量水中悬浮固体90°方向的散射光,散射光的量与水样的浊度成正比。1720D不需采用样品池,这样可减少杂散光,提高测量准确度。1720D的准确度为:0~40NTU范围内为±2%,40~100NTU范围内为±5%,分辨力为0.001NTU,响应时间为75s。

测量滤后水的浊度仪多安装于滤站管廊内,可采用壁挂或柜装,出厂水的测量一般在送水泵房设置水质仪表间,将浊度仪及其他水质检测仪表置于仪表间内,再将信号引至监控站。

虽然1720D的测量范围为0~ 100NTU,但最好不用其测量滤前水,因为虽然光学上能测到100NTU,但在生产使用上会带来许多不便。测量源水及滤前水多使用SS6系列表面散射式浊度仪,它是将光束射在液体表面,测定来自液面的散射光,避免了光学系统与水样直接接触,消除了清洗流通池时带来的信号丢失。

 
关键词: 智能仪器 水处理 东莞巴菲特 智能仪表
 
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