智能化水体综合处理装备控制方案的设计与应用
时间：2023-03-01 19:05:07 来源：千叶帆 本文已影响人
耿志彪，季艳茹，邢 通，陈赫朋
(黄河机械有限责任公司，河南 郑州 450006)
南水北调中线干线工程具有明渠输水距离长、跨渠建筑物众多、交叉网络交通复杂等特点。南水北调渠道受酸碱物、氧化物、油污类等化学品污染的潜在风险日益严峻，为有效应对常见化学品造成的突发水污染事件，对常见化学品引起的水污染事件的处理方法进行了综合分析，组织进行了突发水污染事件应急演练，相关设备类型及布局如图1所示，近80 m横断面的渠道两侧来回穿行不便，人力物力资源消耗大，专用设备较多、布局与控制较为分散，各设备间的配合默契度与响应速度等对应急处置有明显限制。为有效保障南水北调中线安全输水运行，提高水污染事件应急响应能力，节约人力物力，研制了一台智能化水体综合处理装备，设计人员为其开发了一套智能化闭环控制系统，实现了在线配药精细化、曝气影响范围可控、基本水质参数监测的高效闭环控制。
图1 应急演练相关设备类型及布局示意
为提高突发水污染事件的应急响应能力与水体处置效率，减少人工与设备资源的消耗，设计人员将图1中的应急发电车、曝气装置、喷洒车、水质监测车的主要功能进行集成化设计与优化改进，集中放置于具备水上移动能力的平台上，设计成兼具水上移动作业、在线自动配药喷洒系统、推流曝气系统等功能的智能化水体综合处理装备(见图2)。整个设备功能(除平台移动能力)由专用控制系统通过对硬件资源的总线连接与软件编程的流程化设计实现了软硬件资源的有效整合，开发了使用简便、操作灵活、控制精度高的电气控制系统。
图2 智能化水体综合处理装备效果图
智能化水体综合处理装备控制系统设计可根据不同化学品性质投入对应系统进行水污染应急处置。通过调整推流曝气装置的推流距离与曝气通量等参数，实现对不同水体影响范围内易挥发、易氧化污染物的处理；
通过控制在线配药喷洒装置的药剂浓度与喷洒药量等参数，实现对不同类型(酸性或碱性)的常见化学品的处置。另外，通过在线配药喷洒装置与推流曝气装置的联动运行能够实现常见化学品的高效处置工作。系统在水质监测装置的加持下，实时反馈当前水体溶氧量、pH值、酸碱度等基本参数，为水污染处置工作提供重要的参考依据。
智能化水体综合处理装备控制系统主要由蓄能电源、自动配药喷洒系统、推流曝气系统与水质监测模块4部分组成。控制系统主要工艺流程：蓄能电池放电—系统上电—自动配药喷洒+推流曝气—系统停止。
2.1 蓄能电源
装备研发目的主要是为了保护水质安全，绿色环保的新能源电池组成为蓄能电源是最佳选择，为了最大程度保障新能源电池的绿色环保与安全可靠程度，设计采用航空用磷酸铁锂电池组作为蓄能电源。
蓄能电源由电池组、双向逆变器、电源管理系统组成。电池组由100余块直流电池组成，双向逆变器可实现电池组的充电与放电功能，电源管理系统能够控制充放电电流等参数，并通过采集充放电环境信息全方位参与电源安全保护(比如蓄能电源充满电后自动断电，蓄电池电量过放后将停止继续放电)。蓄能电源为整个控制系统及执行机构(除平台移动，平台采用汽油动力驱动)提供持续运行的基本电能。
2.2 自动配药喷洒系统
自动配药喷洒系统主要由预稀释和配药喷洒2部分组成。预稀释包括液体药剂和固体粉末2种，高浓度液体药剂直接加入储药桶即可，而固体粉末需要预先在储药桶中溶解成浆液状，此状态下的溶液或浆液称为原药剂(下同)。自动配药喷洒环节流程工艺：原药剂准备—系统启动—预稀释—在线配药—喷洒。
2.2.1 预稀释
为了尽可能减轻或避免原药剂对稀释装置耐腐蚀衬里造成的影响，提高二次配药工作效率及精度，系统先行启动加水泵向稀释装置中注水至不低于低液位时，启动加药泵向稀释装置内加注原药剂，主系统对稀释过程浓度数据实时采集，并与以设定喷洒浓度为基础的计算浓度对比判断，由控制系统主动发送指令控制加水泵、加药泵的启停，将原药剂稀释为一定浓度(浓度较为粗略)的一次药液，当储药桶中药液被抽取完或稀释装置液体达到高液位时，预稀释流程结束，期间也可采用人工干预的方式即时终止(见图3)。
注：系统内部设定数据关系有：a>b。
为了应对因环境因素造成溶液结晶等问题，稀释装置设计了专门的自动恒温系统，通过对一次药液温度的控制，提高溶液溶解率，为应急处置提供有利条件。
2.2.2 配药喷洒
配药喷洒流程(见图4)是在线配药的最后一个环节，其配药精度与效率直接决定装备的应急处置能力，设计通过系统算法首先赋予清水泵、计量泵起始参数，提高系统初始阶段的响应速度与配药精度。而后，系统通过实时采集流经管道的喷洒药液的瞬时流量、浓度等数据，由闭环控制系统对清水泵、计量泵的运行频率作出实时调整，使配置的喷洒药液浓度始终处于动态平衡状态，保持瞬时流量及喷洒总量满足应急处置工作需求。
注：C混合:需要喷洒的混合药液的浓度；
Q1：通过喷洒管道的混合药液的瞬时流量；
Q总：喷洒的混合药液的总流量。
2.3 推流曝气系统
推流曝气装置主要作为辅助型装置使用，为了最大限度保证喷洒的药液与受污染水体进行迅速充分混合，因此设计为在配药喷洒系统启动后随即运行，推流机在将通过其空心转轴的由曝气风机排出的空气压入水体的同时，喷洒入水的药液在推流机轴向推动力下，随空气向水体远处迅速扩散反应，曝气机补充因参与反应可能消耗的水体溶氧，提高了工作效率。设计通过改变推流机、曝气机运行频率以调整推流曝气系统作业影响范围，以此在不影响水体处置的情况下可使系统性能得到高效的发挥，其流程图如图5所示。但是，当水体污染物只有易挥发、易氧化的化学品时，系统可单独启动推流曝气装置，在受污染水体范围内进行不间断的推流曝气操作。
图5 推流曝气流程图
2.4 水质监测
智能化水体综合处理装备搭载有酸碱浓度计、pH计、溶氧仪等基本参数监测仪器，在移动平台的应急处置工作中，可以实时了解当前水体的基本水质参数，与污染物总量、喷洒药液的总量等数据进行综合分析，判断当前应急处置工作是否满足预期效果，及时停止应急处置工作，避免因过量喷洒药液、过度处置而造成资源浪费及水质二次污染等。
该装备自2019年投入使用后，先后在南水北调中线参与多次突发水污染事件应急演练(见图6)，在应急处置方面取得了良好的应用效果，提供了水质事件应对措施与手段，强化了建管单位应急处置能力，为南水北调输水安全提供了技术支撑，为干渠沿线受水城市人民的饮水安全构筑了一道坚实的移动屏障。
图6 智能化水体综合处理装备参与现场应急演练
智能化水体综合处理装备自动控制系统的设计解决了因水体潜在污染源多样化引起的应急处置工作资源消耗大、水体处理方式复杂化的问题，实现了通过向水体推流曝气加速易氧化、易挥发危化物的挥发和氧化，通过自动配药喷洒系统与推流曝气的联合运行消除水体污染物(酸碱类为主)的目的。
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