嚴(yán)菲菲 劉春艷

重慶遠(yuǎn)通電子技術(shù)開發(fā)有限公司 重慶 400060

1 背景

原某水廠加氯采用傳統(tǒng)液氯消毒方式，但液氯有劇烈刺激作用、腐蝕性和劇毒，屬于第二類危險(xiǎn)化學(xué)品，在運(yùn)輸和使用過(guò)程中存在諸多安全隱患。目前國(guó)內(nèi)各地供水企業(yè)普遍改用次氯酸鈉消毒，次氯酸鈉揮發(fā)性低，腐蝕行小，消毒效果與液氯相當(dāng)，采用次氯酸鈉消毒，可以提高水廠消毒系統(tǒng)的安全性，基本消除了液氯消毒系統(tǒng)在消毒劑運(yùn)輸以及使用過(guò)程中對(duì)水廠本身及周邊環(huán)境造成的安全隱患。各供水企業(yè)不斷在基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯、專家系統(tǒng)等控制或?qū)追N方法融合的集成智能控制方法中試圖找到適合自己工況的最優(yōu)控制方法[1]。

2 項(xiàng)目研究及方法

2.1 研究現(xiàn)狀

2.1.1 某水廠制水工藝現(xiàn)狀

圖1 某水廠工藝流程圖

某水廠先行制水工藝，依靠人工投加消毒和凈水劑，由于設(shè)備自動(dòng)化程度低、濾池年久、預(yù)沉沉淀容量有限、每個(gè)班組經(jīng)驗(yàn)差異化等原因，對(duì)出廠水的濁度、余氯穩(wěn)定性影響較大。

2.1.2 影響出廠余氯的主要影響因子

次氯酸鈉消毒殺菌最主要的作用方式是通過(guò)它的水解作用形成次氯酸，次氯酸再進(jìn)一步分解形成新生態(tài)氧[O]，新生態(tài)氧的極強(qiáng)氧化性使菌體和病毒的蛋白質(zhì)變性，從而使病原微生物致死。根據(jù)化學(xué)測(cè)定，次氯酸鈉的水解會(huì)受pH值的影響，當(dāng)pH超過(guò)9.5時(shí)就會(huì)不利于次氯酸的生成，而對(duì)于ppm級(jí)濃度的次氯酸鈉在水里幾乎是完全水解成次氯酸，其效率高于99.99%。其過(guò)程可用化學(xué)方程式簡(jiǎn)單表示如下：NaClO+H2O＝HClO+NaOHHClO→HCl+[O]。次氯酸在殺菌、殺病毒過(guò)程中，不僅可作用于細(xì)胞壁、病毒外殼，而且因次氯酸分子小，不帶電荷，還可滲透入菌（病毒）體內(nèi)與菌（病毒）體蛋白、核酸和酶等發(fā)生氧化反應(yīng)或破壞其磷酸脫氫酶，使糖代謝失調(diào)而致細(xì)胞死亡，從而殺死病原微生物。R-NH-R+HClO→R2NCl+H2O（細(xì)菌蛋白質(zhì)）次氯酸鈉的濃度越高，殺菌作用越強(qiáng)[2]。

次氯酸鈉消毒的影響因子主要集中在以下幾個(gè)方面：

（1）清水池的進(jìn)水量。清水池的進(jìn)水量是對(duì)余氯反應(yīng)的重要因素之一，次氯酸鈉的投加量和余氯反饋值是非線性正比關(guān)系。

（2）清水池的水齡。清水池的水齡也是余氯反應(yīng)的重要因素之一，次氯酸鈉的投加量和清水池水齡是反比關(guān)系，水齡越大耗氯量越大，水齡越小耗氯量越小。

（3）水中堿性和還原性物質(zhì)數(shù)量。次氯酸鈉是弱酸強(qiáng)堿鹽，水中的堿性物質(zhì)或是具有還原性的物質(zhì)能與次氯酸反應(yīng)，而pH值就是反映原水的酸堿度指標(biāo)，NH4+、COD、TOC、BOD等則是反映這類還原性物質(zhì)的還原性指標(biāo)。所以水中堿性和還原性物質(zhì)存在書來(lái)個(gè)升高會(huì)增加次氯酸的耗量。

（4）次氯酸鈉溶液的有效氯含量。R-NH-R+HClO→R2NCl+H2O（細(xì)菌蛋白質(zhì)）次氯酸鈉的濃度越高，殺菌作用越強(qiáng)。同時(shí)，次氯酸產(chǎn)生出的氯離子還能顯著改變細(xì)菌和病毒體的滲透壓，使其細(xì)胞喪失活性而死亡。次氯酸鈉溶液有效氯越高耗氯量越低。

（5）濾池反沖水量。受某水廠反沖吸水井結(jié)構(gòu)體容量限制，在濾池反沖時(shí)，會(huì)造成清水池的水位下降，而次氯酸鈉新的投加點(diǎn)在人孔處，距離清水池入口較近，勢(shì)必對(duì)余氯反應(yīng)造成影響，反沖時(shí)間短水量小，影響較小，反沖時(shí)間長(zhǎng)水量大，影響較大。但這個(gè)因子無(wú)法通過(guò)儀表或者算法來(lái)量化，待反沖結(jié)束后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)回歸正常，所以系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)暫不考慮反沖對(duì)余氯的影響。

2.2 研究?jī)?nèi)容及方法

由應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)可知，前饋控制是以源水水質(zhì)及源水水量為變量，屬于開環(huán)控制。在利用前饋控制通道的數(shù)學(xué)模型，并假設(shè)系統(tǒng)是線性的，則可以通過(guò)傳遞函數(shù)來(lái)設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)前饋補(bǔ)償器，消除可測(cè)干擾對(duì)系統(tǒng)輸出的影響。但是對(duì)非線性的加氯過(guò)程來(lái)說(shuō)，要建立精確的數(shù)學(xué)模型非常難，因此，常規(guī)前饋控制的數(shù)學(xué)模型難以滿足設(shè)計(jì)的要求。消毒投藥量的控制指標(biāo)為出水余氯，所以將其作為反饋信號(hào)。為解決這一問(wèn)題，目前在水處理中應(yīng)用較多的是前饋和反饋相結(jié)合的復(fù)合控制模型。前饋與反饋相結(jié)合的控制模型則是將沉淀池出水獨(dú)度作為反饋信號(hào)來(lái)校正前饋給定量，以達(dá)到整個(gè)處理工藝設(shè)計(jì)要求，屬于閉環(huán)控制。

本項(xiàng)目結(jié)合以往絮凝劑投加系統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)，再利用計(jì)算機(jī)、儀器儀表、自動(dòng)控制、人工智能技術(shù)，重點(diǎn)研究和開發(fā)自動(dòng)加氯和自動(dòng)加藥的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和復(fù)合閉環(huán)控制策略，下文對(duì)研究方法逐一介紹。

2.2.1 自動(dòng)加氯研究方法

（1）儀表補(bǔ)遺。根據(jù)上文2.1.2提到針對(duì)加氯影響的幾個(gè)主要因子，對(duì)原水PH、溫度增加儀表采集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。鑒于某水廠管道老舊不利于施工，采用數(shù)學(xué)算法對(duì)清水池進(jìn)水量進(jìn)行測(cè)算。對(duì)加藥管路整改高精度流量計(jì)量，準(zhǔn)確實(shí)時(shí)計(jì)量次氯酸鈉的投加量。

（2）自動(dòng)化控制。一改原來(lái)的手動(dòng)調(diào)節(jié)方式，實(shí)現(xiàn)全面自動(dòng)化控制，自控系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)儀表數(shù)據(jù)，以及智能終端預(yù)測(cè)的投加量，自控系統(tǒng)調(diào)用控制算法計(jì)算輸出，輸出指令調(diào)控現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行器來(lái)控制次氯酸鈉的投加量。經(jīng)過(guò)一定的反應(yīng)時(shí)間根據(jù)當(dāng)前反饋余氯值與設(shè)置余氯目標(biāo)值偏差對(duì)比，進(jìn)行閉環(huán)控制再次調(diào)節(jié)次氯酸鈉投加量，控制框圖如下圖和關(guān)鍵算法如下：

圖2 余氯控制框圖

（3）樣本數(shù)據(jù)采集入庫(kù)。應(yīng)用SQL數(shù)據(jù)庫(kù)，把關(guān)鍵影響因子：按1S，1M，1H的時(shí)基對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行分表存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫(kù)，模型自動(dòng)讀取數(shù)據(jù)庫(kù)的最近時(shí)間樣本數(shù)據(jù)段，進(jìn)行分析、訓(xùn)練。

（4）模型開發(fā)及優(yōu)化。通過(guò)關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)、關(guān)聯(lián)分析技術(shù)：對(duì)源水、過(guò)程水、出廠水的水質(zhì)參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析 、數(shù)據(jù)挖掘、提取特征值。利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，建立模型，通過(guò)訓(xùn)練和自學(xué)，擬合輸出投加量預(yù)測(cè)值[3]。

圖2 次氯酸鈉投加量BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

（5）存在的問(wèn)題與建議。因現(xiàn)行工藝和管路年久，原來(lái)的管道加氯不適合次氯酸鈉投加，新的次氯酸鈉投加點(diǎn)只有選擇在清水池人孔處，方便以后維護(hù)，但是該位置隔清水池進(jìn)水口不遠(yuǎn)，當(dāng)濾池反沖時(shí)，清水池的水補(bǔ)充反沖水，也會(huì)對(duì)余氯造成一定的影響，影響時(shí)間跟反沖時(shí)間長(zhǎng)短有關(guān)。

3 研究成果及效益分析

3.1 實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加氯，水質(zhì)可控

次氯酸鈉自動(dòng)投加，設(shè)定出廠水消毒控制指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)投加控制，保證出廠水余氯指標(biāo)穩(wěn)定；并徹底消除液氯使用存在的重大安全隱患，提高了社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。動(dòng)投加是余氯曲線明顯波峰和波谷減少，曲線區(qū)域平穩(wěn)。

3.2 社會(huì)效益

根據(jù)《集團(tuán)信息化戰(zhàn)略規(guī)劃》，積極推進(jìn)人工智能與水務(wù)行業(yè)的深度融合，實(shí)現(xiàn)公司治理精準(zhǔn)化，智能化，智慧化。本項(xiàng)目對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型初次嘗試，運(yùn)用模型擬合輸出值再結(jié)合PLC閉環(huán)控制，經(jīng)過(guò)一定周期運(yùn)行后，繼續(xù)深化研究，逐步完善，可進(jìn)一步延伸到集團(tuán)智能水廠建設(shè)中，提高水廠智能化控制。

4 結(jié)語(yǔ)

本項(xiàng)目提高水廠消毒系統(tǒng)的安全性，徹底消除了液氯消毒系統(tǒng)在消毒劑運(yùn)輸以及使用時(shí)對(duì)水廠本身及周邊環(huán)境造成的安全隱患，而本水廠作為該地區(qū)政治、經(jīng)濟(jì)、文化以及商貿(mào)流通中心，所以改變液氯消毒方式，采用次氯酸鈉投加消毒方式，具有良好的安全效益。