环保资讯

混凝剂加注量的自动控制新方法

摘要:报导了净水过程中使用计算机实时采集和定量分析絮凝池中絮体图像,算出絮体沉淀“等效直径”作为控制混凝剂加注率的目标值,并用进水流量和沉淀水浊度信号自动修正目标设定值。加注量为进水流量与加注率之积。实验数据表明,该方法能适应水质和其他因素的变化自动调整加注量,达到了稳定沉淀水浊度的目的。

关键词:絮体图像 等效直径 混凝剂加注量 计算机控制

在净水自动化中,混凝剂加注量的自动控制是一个既关键又难解决的问题。因为影响混凝剂加注量的因素很多,如原水浊度、水温、流量、碱度、氨氮、耗氧量和净水设备的负荷、状态等,目前国内外使用的方法尚不完善。因此,需寻求效果好、适用范围广、性能先进、运行方便、造价低、维护简单的自动控制方式。

1 定量分析絮体形状

确定适当的混凝剂加注量,关键是要找出一个滞后时间较短,而与沉淀水浊度相关性又较好的参量作为目标值来控制。
1.1 絮体沉淀特性和沉淀水浊度的关系
从净水过程可知,沉淀水浊度与原水加混凝剂后形成的絮体特征和沉淀有关,絮体形成得越好,沉淀越充分,沉淀水浊度越小。在一定沉淀条件下,沉淀水浊度和絮体的沉淀特性密切相关。
絮体的沉降规律是比较复杂的,常简化用颗粒沉降的Stokes公式来描述:

v=(ρs-ρ)gds2/18μ(1)
式中v——絮体沉降速度,cm/s
ρs——絮体体积质量,g/cm3
ρ——水的体积质量,g/cm3
dS——絮体直径,cm
μ——水的粘滞系数,g/(cm·s)
g——重力加速度,980 cm/s2
进一步的研究[1~6]表明,絮体粒径增加时,体积质量相应减小,其关系式为:
ρS-ρ=dS-kp (2)
式中kP——系数,1.2~1.5,决定于混凝剂加注率与原水水质

v=gds(2-kp)/18μ(3)

上述分析均假设絮体为球状颗粒,而实际絮体基本上是不规则状态,其沉降速度显然应比同体积的球状絮体慢一些。絮体的大小、形状可反映在絮体图像上,因此通过分析絮体的图像,可以得到一个与沉淀水浊度相关性很好的参量。用它作为目标值来控制混凝剂加注量可使滞后时间大大缩短。
1.2 定量分析絮体图形,计算等效直径
为了从絮体的二维图形综合出与絮体沉淀速度有关的参量,给絮体图形定出了以下四个特征:①表示絮体大小的絮体面积s;②与絮体形状有关的絮体周长l;③与絮体松散程度有关的絮体中间空出面积s0;④絮体的长宽比m。这些特征基本表示了絮体的特性,且易于计算。最后按下式折算成称之为“等效直径”Φ的参量:

Φ=2(s/π)0.5×[1-k1(1-2(sπ)/l)]×[1-k2(1-1/m)]×(1-k3s0/s)(4)

式中 k1、k2、k3——周长、长宽比、中空面积的折扣系数,是0~1的小数,为0时不打折扣,为1时折扣最大,可根据实际情况选取Φ越大,沉降速度越快。当絮体为一标准圆形时,式(4)的等效直径即为实际直径。
絮体的图像是通过传感头在絮凝池中直接采集的,水不停地流过传感头的取样窗,取样窗的水域面积为26mm×20mm,厚度仅为3.5mm,以减少二维图像中两个絮体重叠的可能性。在该截面中一般包含了数十到上百个絮体。系统每5s采集一幅图像,按式(4)计算出每个絮体的等效直径,每5min得到60幅图像中所有絮体的等效直径及其数值分布情况,取其分布中某一部分加权平均算出平均等效直径。试验表明,在沉淀条件不变的情况下,平均等效直径与沉淀水浊度有很好的相关性。
1.3 等效直径控制加注率
加注率是等效直径的实测值与设置值之差,通过数字PID(比例、、微分)运算后得到的,其递推式为:

Δp(k)=p(k)-p(k-1)=kp[e(k)-e(k-1)]+kie(k)+kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)](5)
式中Δp(k)——第k次采样时加注率的修正值
p(k-1)——第(k-1)次采样时的加注率
e(k-1)——第(k-1)次采样时的偏差
p(k)——第k次采样时的加注率
e(k)——第k次采样时的偏差
kp——比例系数
ki——系数
kd——微分系数
由于混凝剂的加注到絮体的形成有一定的滞后,仅用一般的PID算法难以得到较好的动态性能,因此还增加了Smith预估控制,在假设系统为一阶惯性纯滞后系统的前提下,该方法增加一纯滞后补偿环节,该补偿环节和原系统一起构成的广义对象不再具有纯滞后,利用广义对象的输出信号作为反馈信号进行控制,可解决纯滞后问题。具体做法是在偏差计算时增加一修正项e1S(k):

e(k)=e1(k)+e1S(k)(6)
式中e1(k)——实际偏差

e1S(k)的算式为:

e1S(k)=K[ν(k)-ν(k-1)] (7)
v(k)=(1-T/Tm)v(k-1)+p(k-1)T/Tm(8)
式中 T——采样周期
K——系统增益
Tm——系统惯性时间常数
l与系统滞后时间τ的关系为:
τ=lT(9)
第k次采样时的加注量Q(k)为:
Q(k)=p(k)×L(k)(10)
式中L(k)——第k次采样时的进水流量
1.4 条件变化的反馈自动调整
沉淀条件不变时,等效直径与沉淀水浊度有很好的对应关系,但当沉淀条件变化时,等效直径与沉淀水浊度的对应关系会有变化。这时就需要调整等效直径的设定值,也就是说该方法和前述多数方法一样,不能模拟。为此,当流量有变化时,每次采样该系统能自动调整等效直径的设定值,以消除流量变化引起的沉淀条件变化对设定值的影响。一般除流量外,沉淀条件的变化都较缓慢,为此该系统还使用沉淀水浊度反馈来自动调整设定值。做法是每30min将沉淀水浊度的测量值与目标值之差加上Smith预估修正项,经PID运算后改变等效直径的设定值。