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| 自动化仪表在水处理系统中的应用 | |
| 天津市给排水研究设计院 杨祖萍 | |
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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。 （图片） （图片） （图片） | |
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