一体化泵阀智能精密投加成套...备在农村小型水厂的应用研究_周霁 (1).pdf

2023 年第 1 期 104 CITY AND TOWN WATER SUPPLY县镇供水排水一体化泵阀智能精密投加成套设备在农村小型水厂的应用研究周 霁 程国和 余 祎 魏 成 张 遥（武汉长江科创科技发展有限公司，湖北武汉 430070）摘要：农村供水工程具有技术落后、数量多、分布广、不达标等特点，通过对农村供水工程现状及制水工艺的研究，对投加设备进行创新，研发出投加设备与操作控制柜集成的一体化投加设备，并且在规划、设计阶段将饮水安全工程系统进行协同优化1，使人员操作简易化，运行管理自动化。本系统运用人工神经网络算法和一体化投加设备组成闭环控制体系，实现农村供水工程精密投加，本系统已经在市政中大型水厂成功运行，对未来农村供水工程深化改造提供了新的参考。关键词：农村小型水厂；泵阀；人工神经网络；精准投加；无人值守1.国内农村小型水厂发展现状及问题进入数字智能化、智慧化时代，原有农村简易药剂投加和水厂管理模式已不适应广大农村饮水的需求。为了农村饮水安全工程的推进，给农村小型水厂的新建、旧水厂的改造提供经验，我们对 20 多家县级小型水厂进行了深入调研，总结出了农村小型水厂现状和问题，主要表现在以下几个方面：1、规模比较小，几千吨到 5 万吨不等；2、水厂建成时间久远，制水工艺落后，设备老化，故障不断，有的接近报废，无法保障正常供水；3、农村饮水安全工程具有分布广、数量多的特点，大多数水厂供水量小且分散在各个村庄，不利于集中管理；4、加药工艺是水厂的核心关键工艺，农村缺乏懂工艺的操作人员和维修人员，操作多是盲投，过度投加导致铝离子超标；5、用户经济承受能力弱等特点，导致水厂经费不足，工艺和设备无法及时更新换代，造成恶性循环2。保障农村饮水安全成为建设小康社会的重要内容和目标，随着水处理技术的发展，人工智能作为国家创新发展战略，各方面应用如火如荼。市政净水厂已有成熟的人工智能控制案例，把这些经验移植到农村小型水厂并提升水厂的智能化水平，已提到业界议事日程。智能一体化泵阀精密投加设备应运而生，其作用是在原有成熟的处理工艺技术和保证出水水质的前提下，对各处理单元进行组合、优化，形成技术先进、运行可靠、管理方便、经济合理的集成式一体化产品。32.农村小型水厂智能化控制设计方案2.1 设计方案针对农村小型水厂的种种问题，我们进行了专门的设计和试验。采用超宽量程全远程可精密控制的泵阀组合，代替计量泵作为絮凝DOI:10.14143/ki.czgs.2023.01.0212023 年第 1 期 105 CITY AND TOWN WATER SUPPLY县镇供水排水剂和消毒剂的投加设备；采用人工智能加药和消毒控制算法，合理精密投加，代替人工随意、按照经验过度投加；采用无线 4G/5G 网络集中监控分散的水厂运行，以互联网+云服务功能，加强水厂运行设备和水质指标的监控，为实现无人水厂目标奠定基础条件。利用人工神经网络建立在线模型，分析水质参数对浊度余氯值影响并优化投加量、设备参数与优化设定值，同时在保证出水水质的情况下，有效地降低系统的药剂消耗量，节能降耗。2.2 实时优化与人工神经网络实时优化（Real time optimization，RTO）控制方法已成为解决复杂流程工业过程优化与控制的有效手段。实时优化控制方法将回路控制与过程运行优化相结合，采用两层结构，上层通过计划调度优化经济性能指标，产生底层控制回路的设定值;底层通过控制器使被控变量跟踪设定值，从而尽可能使过程运行在经济优化状态2。我司设计的智能一体化泵阀精密投加系统以保障出厂水余氯、浊度等指标达标的前提下对系统进行优化升级，使水厂在系统优化后达到节能降耗、无人值守的目标。上层系统采集各水质仪表的参数上传至上位机，运用人工神经网络算法计算出合理的药剂投加值。底层设备采用精密泵阀投加设备并配有流量计，投加情况可实时监测并反馈给上层系统，投加量可人工进行设置，做到实时投加、实时反馈、实时更新，达到精密投加的效果。保障系统的高稳定性、高准确性。加药工艺具有多因子、大滞后等特点，人工神经网络可通过这些扰动因子对水质的影响进行在线学习，当这些因素发生改变时，人工神经网络根据以往大量的运行记录的经验，利用神经网络算法计算出最合理的数值并下发给执行机构进行投加。本系统采集投加设备实时流量、出厂水余氯值、滤前水浊度、出厂水浊度值等参数，实时反馈给上位机系统，人工神经网络算法可通过这些数值对投加量进行实时修正并记录，通过大量的运行数据的学习，其学习结果使人工神经网络控制算法更加成熟、稳定，适应性更强。人工神经网络算法采用前馈反馈的控制方法，前馈因子是一个多参数，例如水厂原水流量、原水浊度等，而且前馈因子是人工干预、历史专家库、现实数据库、经过神经网络学习后对当前检测数据的一个预测和推理。系统算法软件每两个小时进行一次学习，可以保证人工神经网络对于这个大系统的一些临时非常情况对控制目标的影响的权值进行识别，从而及时对控制输出值进行一些细微的调整，使生产过程能够在一些未知干扰下运行平稳。前馈实时控制系统采集各项水质参数，其作用是可以解决大滞后的缺点，反馈模糊控制加入流量反馈单元，其作用可抑制干扰的影响，提高系统的控制精度。2.3 计量泵与泵阀组合对比日本的自来水厂在几十年前，就普遍利用工业自动化标准的流量闭环控制，采用离心泵和电子调节阀的组合，实现絮凝剂的精密投加和远程控制。国内杨树浦水厂在本世纪初即采用上述方法代替计量泵实现了多达十几路加药量的输送，上海地区不少水厂也效仿此方法，淘汰计量泵，进行了技术创新。本公司引入日本的阀门控制技术，针对国内中小水厂加药调节量的需求，开发了一种超宽量程的电子式直行程调节阀，它最大的特点是当流量控制达到动态平衡时，阀门处于静止状态，机械磨损为零，因此其运行寿命和可靠性大大超过所有的计量泵，超宽的流量调节范围也是计量泵无法相提并论的特点，是水工业输送机构的重大创新。泵阀组合完成的絮凝剂投加样板工程武2023 年第 1 期 106 CITY AND TOWN WATER SUPPLY县镇供水排水汉琴断口水厂（20 万吨，2009），武汉白鹤嘴水厂（20 万吨，2010 年），武汉余家头水厂（40万吨，2015 年），最近新建或扩建的武汉堤角水厂（20 万吨），琴断口水厂 3、4 期（20 万吨），走马岭水厂（30 万吨）都已经将泵阀组合作为标准化输送设备进行设计并实施。以下列表对几种投加设备的性能进行比较。在系统投入预算有限，且自动化程度要求不高的情况下，可以选择传统计量泵模式来降低成本；在系统投入预算充足，且满足自动化程度的情况下，可使用数字计量泵模式满足基本需求；在系统投入预算充足，且满足智能投加的情况下，可使用泵阀组合模式来实现系统所有功能；若系统具有流量变化大，需配置多种规格计量泵时，可选择具有超宽量程的泵阀组合来降低系统成本；若系统运行在较偏远地区，操作工或维修工技术水平有限的情况下，可采用维护量小的泵阀组合模式来降低人工成本。2.4 智能一体化泵阀精密投加系统特点系统具备智能化、集成化、高可靠性、安全性、冗余化、经济性、易操作性和集中管理智能化：将人工智能加药控制算法和成套设备，消毒控制的智能控制算法，以及现代通信信息技术应用到市政水厂中，使整个水厂的运行操作（除了少数必须人工操作如絮凝剂解包倒药，消毒系统中解盐包倒盐等外），做到现场无人值守，生产运行全智能、全自动化运行，人工仅需要响应设备报警维护。集成化：采用一体化泵阀撬装机构，将执行机构和控制系统集合在一起，占地面积小，安装方便，维护简单。高可靠性：系统的配置硬件都是经过长期工程实践运行考验的国际或国内知名品牌厂家的产品，确保系统的长期无故障运行，解决无专业技术人员的短板。安全性：系统具有完善的运行参数监控，一般故障屏幕提示，重要故障语音报警，危及生产表 1几种投加设备的性能比较性能指标传统计量泵数字计量泵泵阀组合流量闭环输送系统控制方式开环，间接流量控制开环，间接流量控制闭环，直接流量控制流量输送范围大计量泵小流量控制困难大计量泵小流量控制困难流量控制范围极宽，可以达到10 800l/h 的流量范围流量控制精度人工操作无法精细调节流量调节比较精细，调节比1：800流量调节十分准确，采用流量闭环控制，调节比 1：900，控制精度 1l/h远程控制复杂度双回路，比较复杂简单简单成套控制设备成本高较高性能价格比高长期运行可靠性长期运行故障率高，隔膜劣化和电动执行机构故障率高长期运行故障率较高故障率极低维护技术复杂度比较复杂很复杂，返厂维修技术简单，可以就地完成维修成本电动行程控制器和隔膜价格不菲隔膜和电路维护价格较高几乎没有维修成本2023 年第 1 期 107 CITY AND TOWN WATER SUPPLY县镇供水排水安全的故障自动启动备用系统应急处理，既保证生产的安全，也确保了饮用水的指标安全。冗余化：加药和消毒投加管路、检测设备采用一用一热备份，设备和管路一旦有故障可自动切换到备用设备和管路，确保系统随时都能正常工作；系统具备现场手动、现场自动、远程手动、远程自动等功能，方便进行现场设备维护调试工作。经济性：根据大量工程实践，在保证系统能够自动化运行的前提下，调整部分原可研报告的仪表和设备配置，减少部分非必需的仪表和设备配置，做到简单、实用、可靠，降低系统的投入。易操作性：系统具有自动运行功能，正常情况下无人工干预全自动运行，人机对话界面友好，工人只需响应系统语音提示和报警。集中管理：系统设置 4G/5G 通信模块，通过无线通信技术可以以县级为单位将分散乡镇水厂集中管理，远程监控水厂运行状态和设备运行参数，建立维修班组，集中调度，科学管理。图 1 系统结构图2.5 集成化智能一体化智能加药机2.5.1 使用对象农村，水电、化工、发电等企业自备小型水厂。2.5.2 智能加药机性能指标（1）除倒药和倒盐外，现场无人值守；（2）超宽量程，一机涵盖所有量程范围，10 800l/h；（3）安装维修简单方便，占地空间小；（4）系统全智能化运行，调度监管系统运行，响应报警；（5）通过智能控制算法，保证水质达标；（6）所有水质参数实时通过短信息发给所有管理人员；（7）系统冗余化设计，设备临时故障时热备份系统投运，不仅保证水厂正常运行，而且维修人员不必 24 小时响应故障，维修工作可在空闲时间进行；（8）所有运行参数 4G/5G 无线上传县级监控中心，在水厂智能化系统运行稳定后，逐渐形成水厂全自动运行，远程监控的运行模式，组建以县为单位维修队伍，统一管理，大大节约人力成本；（9）絮凝剂和次氯酸钠投加皆可使用。3.一体化精密投加系统在农村水厂的应用成果2019 年一体化泵阀精密投加系统成功运用在洪湖陵园水厂。洪湖陵园水厂制水量为8 万吨/天，改造前采用人工手动投加，该方式需要人工根据实际制水量不停修改投加量以保障出厂水余氯值达标。这样造成工作效率低、稳定性差等问题，并且人员劳动强度高，如果遇到汛期等特殊情况，只能采用盲投的方式，耗药量高。使用一体化泵阀精密投加系统改造后，陵园水厂连续 3 天出厂水余氯值稳定控制在 0.3 0.6mg/L 之间。如下图 2所示：2023 年第 1 期 108 CITY AND TOWN WATER SUPPLY县镇供水排水该系统在保障水厂安全生产的前提下，使水厂减员增效，降低人工及药剂的使用成本。达到的效果如下：3.1 构建完善的三级安全生产保障体系系统具有自动检测、越限报警、应急处理三大功能，系统可实时监测各项水质参数、所有设备的运行情况，并将数据上传至上位机进行数据处理；系统可对设备工况进行监视，当设定参数超过设定值时，一般故障屏幕报警，重要设备故障语音报警。系统报警后会启动冗余化设计，危及生产安全自动启动备用系统，确保生产安全运行。3.2 无人值守，减员增效主工艺控制软件全智能化运行，调度控制一体化操作，远程云服务监视系统运行，调度仅需要响应和处理报警信息，控制室和现场无需专人值守操作。这样人工从低级、重复的劳动中解放出来，从事增值业务，达到减员增效的目标。