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        自動化儀錶及其相關設備在水處理系統中的應用

        時間:2010-07-21 09:42來源:未知 作者:yuanyi 點擊:
        隨著我國改革開放政策的深化和國外貸款項目的不斷增多,計算機測控管理系統已普遍進入凈水廠自動化領域。目前,國內凈水廠自控系統採用最多的是由工業計算機 (IPC)+ 可編程序邏輯控制器 (PLC)+ 自動化儀錶組成的多級分散式計算機測控管理系統。 一 自動化儀

        隨著我國改革開放政策的深化和國外貸款項目的不斷增多,計算機測控管理系統已普遍進入凈水廠自動化領域。目前,國內凈水廠自控系統採用最多的是由工業計算機 (IPC)+ 可編程序邏輯控制器 (PLC)+ 自動化儀錶組成的多級分散式計算機測控管理系統。

        一 自動化儀錶在水處理系統中的重要地位

          在現代化的凈水廠中,每一個生產過程總是與相應的儀錶及自控技術有關。儀錶能連續檢測各工藝參數,根據這些參數的數據進行手動或自動控制,從而協調供需之間、系統各組成部分之間、各水處理工藝之間的關係,以便使各種設備與設施得到更充分、合理的使用。同時,由於檢測儀錶測定的數值與設定值可連續進行比較,發生偏差時,立即進行調整,從而保證水處理質量。根據儀錶檢測的參數,能進一步自動調節和控制藥劑投加量,保證水泵機組的合理運行,使管理更加科學化,達到經濟運行的目的。由於儀錶具有連續檢測、越限報警的功能,便於及時處理事故。儀錶還是實現計算機控制的前提條件。所以在先進的水處理系統中,自動化儀錶具有非常重要的作用。

        二 水處理系統常用儀錶的分類

          給水工程所用儀錶大致可分為兩大類:一類屬於監測生產過程物理參數的儀錶,如檢測溫度、壓力、液位、流量等。這類儀錶採用國產表,其性能和質量基本能滿足要求。另一類屬於檢測水質的分析儀錶,如檢測水的濁度、 pH 值、溶氧含量、余氯、 SCD 值等。這些專用儀錶在我國發展比較晚,因此,通常選用國外先進產品,從長遠觀點看是比較經濟、可靠的。
        檢測儀錶的好壞直接關係到給水自動化的效果。在工程設計過程中,從儀錶的性能、質量、價格、備件情況、售後服務等方面進行反覆比較,我們一般採用進口儀錶和國產儀錶相結合的方法。

        三 凈水廠監控系統的構成模式及監測參數

        1. 凈水廠監控系統的構成模式

          凈水廠的監控系統一般由水廠管理層和現場監控層兩級系統構成,按集中管理、分散控制的原則進行監控。在工程設計中,將廠級計算機系統 ( 即主站 ) 設在水廠中心控制室,各現場監控站 ( 即分站 ) 的數量和位置按工藝流程及構築物的位置、分散程度來定。一般地表水廠現場分站的設置是:進水泵房分站、反應沉澱與加氯加藥分站、過濾分站、送水泵房及變配電室分站、污泥處理分站。各監測儀錶的數據均送到計算機系統,可在監控站的工控機上顯示、控制並列印、記錄、報警。

        2. 各分站監測參數
        a. 進水泵房分站監測參數
        水質參數:源水濁度、 pH 值、水溫、溶解氧等。
        運行參數:調節池水位、吸水井水位、源水流量、泵機分電量、泵站總電量等。

        b. 反應沉澱、加氯加藥分站
        水質參數:沉澱池出口濁度、濾后余氯、 SCD 值。
        運行參數:沉澱池水位、沉澱前流量、攪拌罐液位、葯池液位、藥液濃度、沉澱池泥位。

        c. 過濾分站
        水質參數:濾后水濁度、余氯。
        運行參數:濾池水位、水頭損失、反衝洗水流量、沖洗水箱水位。

        d. 送水泵房及變配電室分站
        水質參數:出廠水流量、余氯。
        運行參數:出廠水壓力、流量、清水池水位、吸水井水位、交流電壓、交流電流、電量等。

        e. 污泥處理分站
        運行參數:迴流池水位、水量、濃縮池水位、迴流水濁度。

        四 水處理系統常用儀錶在選型及設計中應注意的問題

        1. 儀錶選配的一般要求

        (1) 精確度:是指在正常使用條件下,儀錶測量結果的準確程度,誤差越小,精確度越高。
        生產過程物理檢測儀錶的精確度為 ±1% ,水質分析儀錶的精確度為 ±2%( 測高濁水的濁度儀的精確度為 ±5%) 。

        (2) 響應時間:當對被測量進行測量時,儀錶指示值總要經過一段時間才能顯示出來,這段時間即為儀錶的響應時間。一隻儀錶能不能儘快反應出參數變化的情況,是很重要的指標。對水質分析儀錶要求的響應時間應不超過 3min 。

        (3) 輸出信號:儀錶的模擬輸出應是 4~20mA DC 信號,負載能力不小於 600Ω 。

        (4) 儀錶的防護等級應滿足所在環境的要求,一般應不低於 IP65 ,用於藥劑投加系統的檢測儀錶要求能耐腐蝕。

        (5) 四線制的儀錶電源多為 220V AC 、 50Hz ,兩線制的儀錶電源為 24V DC 。

        (6) 現場監測儀錶宜選用數顯儀。

        (7) 儀錶的工作電源應獨立,不應和計算機共用電源,以保證發生故障和檢修時電源互不干擾,使各自都能穩定可靠地運行。

        (8) 為使計算機能檢測到電壓互感器和電流互感器的異常信號並報警,設計選配的電壓及電流變送器的輸入信號應比電流及電壓互感器大,即分別為 0~6A 及 0~120V 。

        (9) 應選擇能夠提供可靠服務和有豐富經驗的儀錶生產廠商。

        2. 水位測量
          選擇液位計時應考慮以下因素:
        (1) 測量對象,如被測介質的物理和化學性質,以及工作壓力和溫度、安裝條件、液位變化的速度等;
        (2) 測量和控制要求,如測量範圍、測量 ( 或控制 ) 精確度、顯示方式、現場指示、遠距離指示、與計算機的介面、安全防腐、可靠性及施工方便性。
        給水工程中常用的液位計及選型要點如下:

        a. 浮球式液位計
        在液體中放入一個空心的浮球,當液位變化時,浮球將產生與液位變化相同的位移。可用機械或電的方法來測得浮球的位移,其精確度為 ±(1~2)% ,這種液位計不適用於高粘度的液體,其輸出端有開關控制和連續輸出。
        在凈水廠的設計中,多將此種液位計用於集水井的液位測量以控制排水泵的自動開停。

        b. 靜壓 ( 或差壓 ) 式液位計
        由於液柱的靜壓與液位成正比,因此利用壓力表測量基準面上液柱的靜壓就可測得液位。根據被測介質的密度及液體測量範圍計算出壓力或壓差範圍,再選用量程、精確度等性能合適的壓力表或差壓表。這種液位計的精確度為 ±(0.5~2)% 。

        c. 電容式液位計
        在容器內插入電極,當液位變化時,電極內部介質改變,電極間 ( 或電極與容器壁之間 ) 的電容也隨之變化,該電容量的變化再轉換成標準化的直流電信號。其精確度為 ±(0.5~1.5)% 。

        電容式液位計具有以下優點:感測器無機械可動部分,結構簡單、可靠;精確度高;檢測端消耗電能小,動態響應快;維護方便,壽命長。缺點是被測液體的介電常數不穩定會引起誤差。電容式液位計一般用於調節池、清水池等的液位測量。

        當測量範圍不超過 2m 時,採用棒狀、板狀、同軸電極;當超過 2m 時,採用纜式電極。當被測介質為水時,採用帶絕緣層 ( 可用聚乙烯 ) 的電極。

        d. 超聲液位計
        超聲液位計的感測器由一對發射、接收換能器組成。發射換能器面對液面發射超聲波脈衝,超聲波脈衝從液面上反射回來,被接收換能器接收。根據發射至接收的時間可確定感測器與液面之間的距離,即可換算成液位。其精確度為 ±0.5% 。

        這種液位計無機械可動部分,可靠性高,安裝簡單、方便,屬於非接觸測量,且不受液體的粘度、密度等影響,因此多用於葯池、藥罐、排泥水池等的液位測量。但此種方法有一定的盲區,且價格較貴。

        3. 流量測量
          流量測量分為兩種,一種用於流量檢測,參與過程式控制制,以達到提高生產自動化水平,改善生產工藝條件,提高產品質量和產量的目的。另一種用於流量的計量,不僅計量產品的產量,還是供水企業主要技術經濟指標計算的依據。在供水企業最主要的 8 項經濟指標中,有 3 項指標是以流量計測量的數據為基礎的。

        流量計的選型應考慮以下因素:
        (1) 任何型號的流量計都必須有國家計量部門檢定的證書方可選用。
        (2) 流量計本身的壓力損失要小。
        (3) 根據行業要求,流量計的準確度應不低於 2.5 級。
        (4) 安裝現場條件應滿足所選流量計對直管段的要求。
        (5) 所選流量計應能適應安裝現場環境條件如溫度、濕度、電磁干擾等。
        (6) 所選流量計應能適用於待測的液體介質。

        目前,在給水工程設計中,採用最多的是電磁流量計和超聲流量計。

        a. 電磁流量計

        電磁流量計的原理是應用法拉弟電磁感應定律,由感測器和轉換器組成。
        在測量中,液體本身為導體,磁場通過安裝在管路中的兩個線圈產生。線圈由交流或直流電源勵磁,磁場作用於管道內流動的液體,在管道中產生一個與被測流體平均流速 V 相對應的電壓,且該電壓與流體的流速分佈無關。
        與管道絕緣的兩個電極監測液體的感應電壓。磁場方向、流體流向及兩個檢測電極的相對位置三者互相垂直。

        電磁流量計的優點:
        (1) 測量不受被測液體的溫度、壓力或粘度的影響。
        (2) 沒有壓力損失。
        (3) 能連續測量,測量精確度高。
        (4) 口徑範圍和測量範圍大,測量範圍連續可調。
        (5) 與流速分佈無關。
        (6) 前後直管段較短,前置直管段為 5D(D 為儀錶的直徑 ) ,後置直管段為 3D 。
        (7) 穩定性好,輸出為標準化信號,可方便地進入自控系統。
        (8) 變送器導管內壁有襯裡材料,具備良好的耐腐、耐磨性。
        (9) 轉換器體積小,消耗功率小,抗干擾性能強,便於現場觀察。

          應用於水處理系統的電磁流量計的襯裡材料多選用氯丁橡膠,因其有較好的耐磨性。安裝時應注意遠離外界的電磁場源,以免影響感測器的工作磁場及流量信號,感測器水平安裝時,要求兩個電極的中心軸線處於水平狀態,防止顆粒雜質沉積,影響電極工作。測量管內應為滿管,不允許大量氣泡通過感測器,當不能滿足條件時,應採取相應措施。
          為使儀錶可靠地工作,提高測量精確度,不受外界寄生電勢的干擾,感測器應有良好的單獨接地線,且接地電阻應小於 10Ω ,尤其是安裝在陰極保護管道上時。如在台湾水源廠出廠干管上安裝的電磁流量計,由於管道採用了陰極保護,防護電解腐蝕的管道內壁和外壁之間是絕緣的,被測介質沒有接地電位,所以,將感測器接地環裝在感測器的兩個端面上,與連接管道的法蘭絕緣。感測器與接地環用接地線相連,並引至接地極。管道法蘭之間用電纜相連但不連到感測器上。法蘭連接螺栓用絕緣襯套和墊圈隔離。該電磁流量計自投產使用以來,效果一直較好。
          轉換器應安裝在符合其防護等級要求的場所,在滿足安裝環境、使用要求的前提下,轉換器與感測器之間的距離和連接電纜越短越好,以節約投資,減少可能產生的強電信號的干擾。

        b. 超聲流量計
        最近十幾年來,由於電子技術的發展,超聲流量計才得以應用於流量測量。利用超聲流量計進行測量的方法有很多種,其中較為典型的是時差法和多普勒法。凈水廠多選用時差法流量計,其方法是在測量管道上安裝兩個換能器,因順流與逆流流速差別的影響,測量從發射到接收而產生的時間差,據此測出流速。

        超聲流量計的主要優點:
        (1) 安裝維護方便。隨著夾裝式感測器的廣泛使用,在安裝和維護超聲流量計時不需在管道上打孔或切斷流量,就可在已存在的應用場合很方便地進行安裝,尤其適用於大口徑管道檢測系統。
        (2) 口徑範圍大,且價格不受管徑影響。
        (3) 測量可靠性高。
        (4) 無壓力損失。
        (5) 不受流體參數影響。
        (6) 輸出標準化直流信號,可方便地進入自控系統。

          選用超聲流量計要特別注意感測器的安裝誤差、管道內壁結垢、防腐層均勻與否,這些因素對測量結果影響很大。另據超聲流量計的測量原理,只有流速分佈均勻時才能保證測量的精確度,所以在流量計的上下游要有足夠的直管段,參考各種資料及流量計的使用手冊,要求上游最少不小於 10D ,下游大於 5D 。

          由於自來水行業為連續生產,進行不間斷計量是極為重要的,所以一般安裝於管道上的流量計不能經常拆卸送檢,一般做法是採用精確度較高的攜帶型超聲流量計,按周期送國家認證單位進行校準,作為企業的標準器具,再用比對的方式定期檢測在線流量計。這需要設計人員在設計時應根據使用單位要求,考慮將來生產管理的需要,預留出比對測量的空間,以方便用戶,即將流量計井做得稍大一些,除安裝固定式流量計外,還應如圖 1 所示預留出攜帶型流量計測量的空間。

        4. 濁度的測量
          濁度是水體渾濁程度的度量,也就是水體中存在微細分散的懸浮性粒子,使水透明度降低的程度。濁度儀是測量水體渾濁程度的儀器,主要用於對水質的監測和管理。
          凈水廠負責供應居民生活用水和工業用水,供水的質量直接涉及人民的健康、安全,以及食品、釀造、醫藥、紡織、印染、電力等各行各業的正常生產和產品質量。濁度是一項很重要的水質指標,因此對濁度儀的選擇顯得尤為重要。濁度儀可分為目視濁度儀和光電濁度儀兩大類。光電濁度儀就其用途可分為工藝監控 ( 連續測定 ) 濁度儀和實驗室 ( 包括攜帶型 ) 濁度儀,就其設計原理又可分為透射光濁度儀和散射光濁度儀。
          由於散射光濁度儀對水的低濁度有較高的靈敏度,準確度高,相對誤差小,重複性好,水的色度不顯示濁度,且散射光與入射光強度比可呈線性關係,故 1992 年 9 月世界衛生組織公布的《飲用水水質準則》中規定將散射光濁度儀作為測定儀器。同時, “ 供水行業 2000 年技術進步發展規劃 ” 中已明確規定一類水司管網水濁度指標為 1NTU 。
        在凈水廠設計中常用 HACH 公司的 1720D 、 SS6 系列濁度儀 ( 屬於散射光式濁度儀 ) 。
          在濾后水及出廠水的測量中,一般採用 1720D( 原為 1720C) 系列濁度儀。使用時水樣連續流入濁度儀,流經脫泡器以排空水流中的氣泡,然後進入濁度儀的中柱內,上升至測量室並溢過其邊緣進入排放口。聚光束從感測器頭部組件中向下投射到濁度儀主體內的水樣中,浸在水樣中的光電管測量水中懸浮固體 90° 方向的散射光,散射光的量與水樣的濁度成正比。 1720D 不需採用樣品池,這樣可減少雜散光,提高測量準確度。 1720D 的準確度為: 0~40NTU 範圍內為 ±2% , 40~100NTU 範圍內為 ±5% ,分辨力為 0.001NTU ,響應時間為 75s 。
          測量濾后水的濁度儀多安裝於濾站管廊內,可採用壁掛或櫃裝,出廠水的測量一般在送水泵房設置水質儀錶間,將濁度儀及其他水質檢測儀錶置於儀錶間內,再將信號引至監控站。
          雖然 1720D 的測量範圍為 0~ 100NTU ,但最好不用其測量濾前水,因為雖然光學上能測到 100NTU ,但在生產使用上會帶來許多不便。測量源水及濾前水多使用 SS6 系列表面散射式濁度儀,它是將光束射在液體表面,測定來自液面的散射光,避免了光學系統與水樣直接接觸,消除了清洗流通池時帶來的信號丟失,如圖 2 所示。
          SS6 系列的測量範圍為 0~9999NTU ,一般地表水廠的源水均在此範圍內。它在 0~2000NTU 範圍內的準確度為 ±5% , 2000~9999NTU 範圍內準確度為 ±10% 。
          濁度儀取樣點的選擇應與工藝專業緊密結合,選取最有代表性的點,取樣孔最好不要開在被取樣管道的頂部,避免將管道中的氣泡抽進取樣管而影響濁度儀的測量準確度,水樣的提取最好用小型採樣泵取樣,保證取樣管內有一定流速,不易在管道內壁結垢。取樣管道的口徑應根據儀錶取樣水的總需要量決定。

        5. 顯示儀錶的選用
          一般凈水廠工程多選用智能化顯示儀錶,其功能齊全,能進行數字信號處理,實現控制功能,而且測量值以液晶顯示,操作方便,可以保存數據,具有自診斷功能。雖然與計算機系統聯網后,它的優勢沒有完全發揮出來,而被計算機系統所取代,但在目前凈水廠的建設中,使用智能化的顯示儀錶作為在計算機系統未調試投運階段或發生故障時的輔助儀錶,也能滿足現場控制、顯示的要求。
          在某些情況下,同時需要本地顯示與遠程傳送,此時不宜採取信號串聯方式,而應採用信號分配器,即 1 路輸入,兩路輸出,一路輸出送顯示儀錶,另一路輸出可輸入 PLC ,如常用的 WS15242 ,如圖 3 所示。

        6. 儀錶系統的接地和防雷
          接地可分為保護接地和工作接地。保護接地是為避免工作人員因設備絕緣損壞或絕緣性能下降時遭受觸電危險和保護設備的安全。工作接地是為保證儀錶穩定可靠地運行。一般凈水廠儀錶系統的接地採用 TN-S 系統,即 3 根相線 A 、 B 、 C , 1 根中性線 N 即保護線 PE 。用電設備的外露可導電部分接到 PE 線上,其優點是 PE 線在正常工作時不呈現電流,因此設備的外露可導電部分不呈現對地電壓而且在事故時也容易切斷電源,有較強的電磁適應性,避免了高次諧波的干擾。
          工作接地的原則是單點接地。由於對地電位差的存在,如果出現一個以上的接地點就會形成地迴路,將干擾引入儀錶中,所以,同一信號迴路、同一屏蔽層只能有一個接地點。
          儀錶工作接地可單獨設置或與保護接地共用同一接地體。從工程實踐經驗來看,接地電阻一般應不超過 1Ω 。
          一般凈水廠設施分散,構築物低矮,地形平坦、空曠,特別是有些流量計井位於廠區之外,在這種情況下,儀錶設備的被雷擊率增加。在實踐中,筆者多次遇到過雷擊損壞儀錶或儀錶不明原因損壞的事件。因此,安裝品質優良,動作可靠的避雷器,是不可缺少的保護措施,如採用德國 Pepperl+Fuchs 公司的 ESP 系列避雷柵用於流量計的信號和電源的保護,效果良好。

        五 總結

        (1) 要實現凈水廠的現代化管理,必須使用自動化儀錶。
        (2) 設計人員應站在用戶的角度上,為用戶著想,在設計與選用儀錶時,應做到:穩定可靠,操作簡單,安裝方便,物美價廉,連續測量,反應靈敏,互換性強,便於維護。
        (3) 設計人員平時應注意技術資料的收集、整理,以便於消化吸收。
        (4) 凈水廠建成通水,儀錶正確投入使用后,設計人員應多下現場,對儀錶的使用情況做跟蹤調查,了解儀錶的工作情況,及時總結經驗,以利於今後的設計工作日趨完善。
         

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