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          淺析水廠超濾膜工藝自控系統的實現對城市用水的影響

          來源:中國市政工程華北設計研究總院有限公司    發布日期:2019-07-25 15:31:44    作者:楊 超, 劉 杰, 劉忠祥, 解存福

          摘要:給水工程中的超濾膜處理工藝控制過程比較復雜,自控系統的編程、調試和網絡架構等直接影響到超濾膜處理效果和運行成本。廊坊市地表水廠一期工程規模為 15 ×10 4 m 3 /d,采用超濾膜工藝,其控制流程包括膜池過濾控制流程、維護性清洗控制流程、恢復性化學清洗控制流程、膜完整性檢測控制流程。2016 年底投入運行以來,超濾膜池自動運行穩定,既保證了產水水質,又提高了運行效率,可為同行業相關設計提供借鑒和參考。
          隨著社會經濟的快速發展,城市飲用水水質標準更加嚴格,供水保證率和供水安全度要求日益提高,使得超濾膜工藝在給水工程中得到推廣應用[1 -3] 。該工藝需要依靠完整的自控系統來實現,自控系統的編程、調試和網絡架構等直接影響到超濾膜處理的效果和運行成本。
          廊坊市地表水廠采用超濾膜處理工藝,該水廠是南水北調的配套工程,擔負著廊坊市的主要供水任務。廊坊市屬于嚴重缺水地區,水源僅為開采地下水,人均水資源量只有 260 m 3 ,隨著地下水的水質受到了不同程度的污染,供水安全性受到威脅。
          新建廊坊地表水廠 30 ×10 4 m 3 /d 的規模,分兩期實施,一期規模為 15 ×10 4 m 3 /d,于 2016 年底建成,將南水北調的水引進廊坊市,為城市的社會、經濟和生態發展提供重要保障。

          1 水廠工藝概述
          根據南水北調工程取水口多年來的水質分析數據,原水水質大多數指標符合《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)的Ⅱ ~ Ⅲ類標準,常年濁度都不高。
          該水廠的主要水處理建(構)筑物有:格柵間及取水泵房、混合絮凝池、沉淀池、超濾膜池、清水池、送水泵房及變配電間、加藥加氯間及排泥水處理車間等。
          工藝流程見圖 1。
          主要處理單元為浸沒式超濾膜池,共 16 組膜池,其主要設計參數見表 1。

          浸沒式超濾系統既可抽真空虹吸出水,又可以泵抽吸出水,每池設 1 臺變頻水泵,單泵流量為 450m 3 /h,揚程為 100 kPa。
          膜池反沖洗采用水泵直接沖洗,反沖洗水泵共4 臺,2 用 2 備。膜的化學清洗分為維護性清洗和恢復性清洗,均為在線清洗。

          2 水廠自控系統概述
          根據工藝需要,水廠自控系統采用“集中監控、管理,分散控制”的集散型系統,整個自控系統分為三個層次,即管理監控層、現場控制層和設備層,由管理監控中心和 5 個 PLC 現場控制主站、16 個膜池控制子站組成全廠實時工業控制網。
          控制層 PLC 和設備層之間通過標準總線進行數據通信;控制層 PLC 和中控室監控計算機之間通過 10/100 M TCP/IP 光纖單環網工業以太網進行高速大容量數據交換;管理層各節點通過交換機構成星型以太網。
          水廠自控系統見圖 2。
          3 超濾膜車間自控系統配置
          3. 1 管理監控中心
          該廠一期工程的監控中心設在超濾膜處理車間,主要由兩臺中央監控計算機、數據庫服務器、視頻監視計算機、拼接大屏幕等構成,作為管理控制中心。
          兩套中央監控計算機互為冗余,采用 Kingscada上位監控軟件,主要完成對膜池以及全廠其他處理段的管理、調度、集中操作、監視、系統功能組態等。在中央監控計算機操作界面上含有膜系統關鍵參數的顯示,如過濾周期、系統運行狀態的倒計時、液位、壓力、跨膜壓差、維護性清洗周期的計數等。對于膜系統不正常的運行狀態或是應有的操作未按照程序執行,設立相應的報警信息,以方便運行人員采取相應的對策。
          數據庫服務器采用 KingHistorian 實時數據庫軟件,實時接收現場采集的各類數據,包括工藝流程參數、設備運行狀態和報警信號等,具有定時巡測、隨機點測、分組監測等功能,建立各類實時數據庫和歷史數據庫,為網絡上其他節點提供相應權限級別的數據服務。

          3. 2 現場控制站
          超濾膜處理車間設一套 PLC 控制主站,采用雙CPU 冗余,具有更高的可靠性,主要負責膜池的反沖洗泵、鼓風機、維護性清洗系統、化學清洗系統的設備自控和數據采集。在每個膜池設置一個 PLC子站控制臺,負責單個膜池的信號采集和自動運行。子站控制臺嵌有觸摸屏,可以顯示膜池的閥門狀態、池內液位、產水量、跨膜壓差、出水濁度等多項檢測數據。
          每個 PLC 子站通過以太網交換機與控制主站進行數據交換,PLC 根據膜工藝要求進行控制參數設定,并可在觸摸屏上進行修改。

          3. 3 在線儀表的設置和作用
          每座膜池設置超聲波液位計,控制膜池恒水位過濾;膜池出水管設置壓力變送器,檢測阻塞情況,控制反沖洗的進行;在出水管設電磁流量計,計量抽吸泵的產水量;膜池出口設置濁度計,檢測膜池的過濾效果;膜池總出水設置顆粒計數儀,檢測膜池的水質、監測膜的完整性。

          4 超濾膜池的控制流程
          超濾膜池的整體控制流程見圖 3。
          4. 1 膜池過濾控制流程
          沉淀池來水由進水配水渠、進水閘,經配水堰進入每組膜池,自外而內穿過膜絲經集水系統虹吸或泵抽吸至清水渠,最后由總出水管送至清水池。在沉淀后出水注滿膜池后(達到設定過濾水位),首先啟動真空抽虹吸裝置,虹吸形成后緩緩啟動清水抽吸泵或打開出水調節閥。裝置投入運行后,由膜池液位控制抽吸泵的轉速或調節出水調節閥的開度,以保證超濾裝置的恒流過濾。

          4. 2 膜池反沖洗控制流程
          正常的膜池反沖洗根據時間或跨膜壓差狀態自動進行。反沖洗采用透過液(超濾出水)進行反洗,水反洗的同時膜箱底部曝氣。
          膜池反沖洗過程由下列步驟組成:
          ① 膜池氣動進水閘關閉,產水繼續運行,膜池降低水位,約 1 min;
          ② 關閉抽吸泵或出水調節閥;
          ③ 啟動擦洗鼓風機,開啟該膜池的氣動進氣閥,膜池曝氣;
          ④ 開啟反沖洗水閥、反沖洗水泵,氣水同洗約2. 5 min;
          ⑤ 停止鼓風機,關閉該膜池的氣動進氣閥;關閉反洗泵,關閉反洗閥;
          ⑥ 打開排水氣動提板閘,排污一定水量后,約1 min,關閉提板閘;
          ⑦ 打開氣動進水閘進水,達到液位后(約 1min)重新開始過濾。

          4. 3 維護性清洗控制流程
          維護性清洗程序根據計數至 M 次排空周期后,進入維護性清洗程序。通常而言,維護性清洗周期為7 ~14 d。不同膜池間的維護性清洗輪流進行,并根據現場需要,設置一鍵式維護性清洗模式。該步驟在膜系統運行的任何階段均可有效插入。

          4. 4 恢復性化學清洗控制流程
          恢復性化學清洗的周期可根據膜污染程度而定,一般為 2 ~4 個月,由堿洗、酸洗以及漂洗三部分組成。

          4. 5 膜完整性檢測控制流程
          膜完整性檢測(MIT)過程為全自動,每次耗時約10 min。檢測頻率根據需要確定,即在產水濁度、顆粒計數異常時進行。
          若壓力衰減速率≤3 kPa/min,膜完整性檢測通過,系統恢復正常過濾狀態,即開啟抽真空引水,啟動抽吸泵過濾;若壓力衰減速率 > 3 kPa/min,膜完整性檢測失敗,PLC 報警,該膜過濾池停機,然后需要人工找出破損部位,并進行修復。

          5 自動報警系統
          在膜池自動運行的過程中,運行參數和重要數據均設有報警信號,提示運行人員處理。
          ① 膜池低液位:在過濾以及停池階段,保證水位沒過膜絲。
          ② 膜池不能正常反洗報警:如果不能正常反洗,連續過濾時間超過兩個過濾周期,系統報警,并強制反洗。
          ③ 膜池不能正常排空報警:膜池每“過濾 -反洗”循環幾個周期后排空一次,如果不能正常排空,則報警,提示運行人員強制排空。
          ④ 膜池降液超過設定時間報警:打開排污閥輔助降液,運行人員看到降液報警后,該膜池進入維護清洗程序,完成后再重新運行。

          6 結論
          廊坊市地表水廠一期工程于 2017 年 4 月 11 日正式通水并投入運行,并獲得了中國建筑工程“魯班獎”。出廠水水質符合《生活飲用水衛生標準》(GB 5749—2006) 和《城市供水水質標準》(CJ/T206—2005),出廠水濁度≤0. 3 NTU,確保城市居民獲得優質安全的飲用水。
          該水廠的自控系統運行穩定,實現超濾膜池的連續自動運行、自動反沖洗、自動維護性清洗和恢復性清洗,日常無需現場運行人員的人為參與,既提高了運行效率,又保證了產水質量。

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