城市供水系統(tǒng)監(jiān)控和自動化技術(shù)設備情況介紹

1、摘要：采用生物接觸氧化技術(shù)預處理微污染原水，并和水廠常規(guī)處理工藝進行了對比。中試結(jié)果表明，原水濁度為50200NTU、氨氮濃度為110mg/L、水溫為1830時，生化池對氨氮的去除率為60%80%，CODMn去除率為0.5%25%，UV254的去除率為1%15%；正常運行時，較高濁度(200800NTU)的沖擊不會明顯影響生化池對氨氮和CODMn的去除；生化池的亞硝酸鹽氮去除率為20%50%，在原水氨氮濃度較高時亞硝酸鹽氮積累增多；增加生物接觸氧化預處理工藝，顯著提高了后續(xù)混凝沉淀池和砂濾池的除污染效果。 關(guān)鍵詞：微污染原水 預處理 生物接觸氧化  一、專題概況“污水處理與水工業(yè)關(guān)鍵

2、技術(shù)研究”是我國“九五”期間設立的國家重點科技攻關(guān)項目。該項目由5個課題、21個專題組成，分別由建設部、國家環(huán)?？偩帧⒅袊茖W院等6個部委組織實施。“城市供水系統(tǒng)監(jiān)控和自動化技術(shù)設備”（96-909-03-04）是專題之一，由哈爾濱工業(yè)大學（原哈爾濱建筑大學）主持。專題下設4個子專題，即1、安全飲用水的監(jiān)測儀表；2、已建水廠集散型計算機監(jiān)控系統(tǒng)；3新建水廠集散型計算機監(jiān)控系統(tǒng)；4、城市供水系統(tǒng)監(jiān)控技術(shù)設備與優(yōu)化調(diào)度研究，分別由哈爾濱工業(yè)大學、中國市政工程中南設計研究院、深圳自來水集團公司承擔，有廣東開平供水集團公司、廈門飛華環(huán)保器材有限公司、三門峽市自來水公司等單位參加。該專題工作自1996年

3、至2000年進行，歷時5年，參加攻關(guān)人員總計約40人，投入經(jīng)費2374萬元。二、專題設立的指導思想1、研究的目的和意義隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，水對人民生活與生產(chǎn)的影響日益加強，對供水的質(zhì)量與安全可靠性的要求不斷提高，人們也更加重視降低供水系統(tǒng)的能耗，為此，一項重要而有效的措施就是加強供水系統(tǒng)工況的監(jiān)測，尤其是加強水處理廠各個工藝環(huán)節(jié)的自動監(jiān)測與控制。研究城市供水系統(tǒng)的監(jiān)控與水廠自動化技術(shù)裝備，必須考慮中國供水行業(yè)的技術(shù)特點與經(jīng)濟力量。我國水廠的基本現(xiàn)狀是：水工業(yè)整體技術(shù)水平低，特別缺乏供水系統(tǒng)監(jiān)控技術(shù)與人才；水工業(yè)儀表與裝備基礎(chǔ)薄弱，國產(chǎn)的專用水質(zhì)在線檢測儀表及主要裝備性能難以滿足供水企業(yè)的需要；

4、受社會經(jīng)濟發(fā)展水平限制，供水企業(yè)經(jīng)濟實力不足，除了少數(shù)較大型企業(yè)有能力通過貸款等方式引進國外的先進技術(shù)與設備、發(fā)展供水監(jiān)控系統(tǒng)外，多數(shù)的中水水廠面臨的是缺資金、少技術(shù)、進口設備買不起、國產(chǎn)設備質(zhì)量不過關(guān)的局面。這些情況決定了發(fā)展中國家供水行業(yè)的現(xiàn)代化不能全盤照搬西方發(fā)達國家的經(jīng)驗，要形成有中國特色的技術(shù)路線。為此，本專題的研究目的就是在“八五”攻關(guān)成果的基礎(chǔ)上，繼續(xù)發(fā)揮已有研究優(yōu)勢，開發(fā)出一批適全中國國情特點的、關(guān)鍵的水質(zhì)專用檢測儀表與裝備；總結(jié)我國供水系統(tǒng)監(jiān)控技術(shù)經(jīng)濟，參考借鑒國外的先進經(jīng)濟，建成若干有代表性的水廠集散型計算機監(jiān)控系統(tǒng)示范工程。這一專題的研究將有效地提高供水系統(tǒng)的工作質(zhì)量及供

5、水的安全可靠性，降低供水成本，推進我國供水系統(tǒng)監(jiān)控現(xiàn)代化的進程，具有很顯著的社會效益與經(jīng)濟效益。2、國內(nèi)外技術(shù)發(fā)展概況及國內(nèi)需求國外自60-70年代起開始了供水系統(tǒng)自動監(jiān)控的研究與應用工作。尤其是自80年代以來，微電子等現(xiàn)代科技高速發(fā)展，水工業(yè)專用檢測儀表與裝備不斷發(fā)展，水工業(yè)專用檢測儀表與裝備不斷發(fā)展與完善，相應地推動供水系統(tǒng)的自動監(jiān)控技術(shù)有了質(zhì)的飛躍。加之西方發(fā)達國家雄厚經(jīng)濟實力與技術(shù)基礎(chǔ)，供水系統(tǒng)的自動監(jiān)控已得到普遍應用。一些水廠已實現(xiàn)全自動運行，能對生產(chǎn)工藝的各個環(huán)節(jié)連續(xù)自動地監(jiān)測、調(diào)節(jié)、記錄、報警等等。這種高度自動化運行的模式是符合西方國情特點的。西方許多國家人力資源緊張，人工費用往

6、往占生產(chǎn)成本構(gòu)成的比重較大，而儀表設備費相對較低，加之設備質(zhì)量可靠，高度自動化節(jié)省了人力資源也就是獲取了較高的經(jīng)濟效益。西方也有相當多的水廠僅對一些影響處理水質(zhì)及費用關(guān)鍵工藝環(huán)節(jié)實施自動控制，而對各個工藝階段的主要水質(zhì)與運行參數(shù)進行自動監(jiān)測。這是一種經(jīng)濟高效的自動監(jiān)控方案，值得借鑒。國外的水廠監(jiān)控普遍采用集散式系統(tǒng)。對各個工藝單元進行分散控制減小了各控制環(huán)節(jié)之間的干擾，提高了工作的可靠性；對全廠的集中監(jiān)控，又保證了統(tǒng)一指揮、調(diào)度的靈活性。我國自80年代中后期起，陸續(xù)有一些較大型的水廠利用外資建設，同時引進了成套的水廠現(xiàn)代化監(jiān)控儀表與設備。我國在水廠關(guān)鍵環(huán)節(jié)混凝投藥控制技術(shù)與設備方面實現(xiàn)了流動電

7、流及透光率脈動兩種凝控制設備的國產(chǎn)化，并在水廠獲得推廣應用，取得顯著效果，在此方面已居于國際領(lǐng)先水平。水工業(yè)的一些專用檢測儀表與設備，如在線檢測濁度儀、計量投加泵等，也有一些廠家開始生產(chǎn)，但是質(zhì)量水平與國外產(chǎn)品相對仍有距離，難以滿足國內(nèi)市場需要。我國大多數(shù)水廠的監(jiān)控技術(shù)仍是很落后的，基本以人工方式為主，很難適應現(xiàn)代化的要求，一些水廠（包括有些引進設備的水廠）的自動監(jiān)控基本照搬西方的模式，雖然采用了龐大的自動化系統(tǒng)、投資很大，然而在一些關(guān)鍵環(huán)節(jié)上的調(diào)近代功能并不強。如混凝投藥是按原水流量比例控制，不能跟蹤響應原水水質(zhì)等因素變化對藥耗的需求；沉淀池排泥用水；傳統(tǒng)的處理效果以濁度為指標，存在檢測可靠

8、性等問題等等。這種模式并不適應我國相當多的水廠原水水質(zhì)變化大而快的情況，而談不上保證水處理系統(tǒng)運行優(yōu)化，結(jié)果水質(zhì)保證率低，而運行費用高。這些自動監(jiān)控系統(tǒng)并不完全符合提高水廠技術(shù)經(jīng)濟效益這一根本目的。針對我國的技術(shù)經(jīng)濟條件，不同規(guī)模水廠迫切需要解決的問題有所不同。近年來建設的較大型的、自動監(jiān)控水平較高的水廠需要認真總結(jié)應用經(jīng)驗，并向優(yōu)化運行方面發(fā)展，為這類水廠自動監(jiān)控技術(shù)的進步提供借鑒與指導。對于眾多的中小水廠，經(jīng)濟條件有限，應在堅持國產(chǎn)化、實用化的原則下，著重發(fā)展那些對供水質(zhì)量、運行費用有重要影響的工藝環(huán)節(jié)的自動監(jiān)控技術(shù)與設備，建立規(guī)模適宜的集散型計算機監(jiān)控系統(tǒng)。三、專題執(zhí)行情況1、安全飲用水

9、的監(jiān)測儀表針對現(xiàn)有濁度儀的檢測原理、結(jié)構(gòu)形式、以及輔助功能等方面與國外進口產(chǎn)品的差距和實際生產(chǎn)應用的需要，著重在以下幾個方面進行了改進與完善。采用CPU微處理器，可實現(xiàn)各種參數(shù)的設置、儲存、備份，具有上下限報警、聲光批示、線性校正功能，同時可實現(xiàn)時間設定、RS-232通訊接口、信號平滑電子密碼鎖等多項智能化功能。采用懸掛式連續(xù)采樣系統(tǒng)，垂直安裝的大直徑取樣器，具有黑體吸收結(jié)構(gòu)，并實現(xiàn)了產(chǎn)品模具化。通過采用高穩(wěn)定度的光源與高精度、低漂移的光電轉(zhuǎn)換器，高穩(wěn)度電源、光學透鏡等器件，配備了機械消氣泡裝置，設置了電路濾波、計算機軟件消泡功能。這些措施提高了信號接收的穩(wěn)定性，解決清潔維護問題。在技術(shù)性、穩(wěn)

10、定性、線性度及抗干擾性等四個主要方面與美國進口的同類產(chǎn)品進行對比，表明其質(zhì)量和參數(shù)的可靠性均達到滿意的水平。準確度實驗表明，表面散射光濁度儀定位準確穩(wěn)定，線性較好，回收率在98%102%之間，可見其測定準確度較高。精密度實驗表明：同臺儀器測定的相對偏差不大于2.5%，不同儀器間的最大偏差不大于1.5%，相對標準偏差（RSD）小于2.0%，均滿足濁度測定國家標準方法的要求，同時也表示該種儀器具有很高的精密度，已達到國際先進水平。濁度儀的穩(wěn)定性、準確性、重要性、絕緣性等主要指標均符合技術(shù)要求。濁度脈動檢測儀采用光透射式檢測方式，根據(jù)光束內(nèi)顆粒物質(zhì)數(shù)量濃度的變化情況進行檢測。有效檢測信號輸出值為比值

11、的形式，由于電子元器件的老化漂移及透光表面的粘污所千萬的檢測信號改變，在兩個計算值上產(chǎn)生相同程度影響，其比值R則消除了這些影響，避免了許多光電儀器存在的嚴重問題，因此具有抗污染性能，在檢測過程中不需要進行常規(guī)的標定和清洗，具有免清潔、免維護的特點。這是該檢測方法的一種獨特的性質(zhì)，也彌補了濁度測定法存在的電子漂移和檢測器表面粘污等弊端。R值能夠更有效地表達出懸浮液中顆粒物質(zhì)含量相對數(shù)量及其變化情況，彌補了濁度測定方法受顆粒粒徑影響大的缺陷。從以上結(jié)果和分析可看出，濁度法更適用于小于1m的懸浮顆粒。這兩種檢測方法實現(xiàn)了優(yōu)勢互補，從而使得在整個顆粒粒徑范圍內(nèi)都有了有效的顆粒檢測方法。當顆粒大于1.5

12、m時，濁度脈動法可直接檢測ppb級至109個/cm3以上范圍的顆粒，而常規(guī)顆粒計數(shù)方法在大于106個cm3時就必須進行稀釋；濁度檢測也會因重疊效應產(chǎn)生較大偏差。濁度脈動檢測技術(shù)有極大的適用性，一般不需稀釋或預處理可直接檢測，拓寬了應用范圍，大幅度簡化了操作程序，更具實用性。在儀表設計及測試中，采用高性能的遠紅外激光發(fā)射二級管，大幅度穩(wěn)定光源強度，同時配置高性能光敏二極管，以及高精度電子處理電路，使檢測信號的處理精度進一步提高，而且不易受到干擾，信號的波動和飄移程度均低于±2%。對待檢測水進行取樣時，考慮到流速過低會使絮凝體或懸浮顆粒產(chǎn)生沉淀，而且檢滯后時間加大，不利于控制過程；但流速

13、過高會使絮凝體顆粒破碎；一般取樣流速應大于100ml/min為宜。配備進口的智能化功能微電腦控制器，具有自動診斷、自動校準、自動量程轉(zhuǎn)換，誤操作及傳感器故障自動對策。報警方式有誤操作及傳感器故障數(shù)字顯示、聲光報警；過投藥、欠投藥、斷藥報警；變頻器停機及故障報警。整機的關(guān)鍵部件均采用高質(zhì)量器件，可充分保證儀表的使用壽命。傳感器部分為不銹鋼材質(zhì)，采用分體式遠傳信號傳感器，具有密封、防水、耐溫等功能，可適用與各種條件惡劣的現(xiàn)場，保證長時間正常使用。對于低濃度懸浮液，儀器的信號將主要由通過光束的單個顆粒產(chǎn)生，此時濁度脈動檢測儀器的運行方式 與基于光阻塞理論的顆粒分析計數(shù)儀器的非常相似，可以對清潔水質(zhì)中

14、的濃度極低的懸浮顆粒物質(zhì)進行檢測。與常規(guī)顆粒計數(shù)檢測儀器進行的平行對比結(jié)果表明，濁度脈動檢測儀器的檢測值與實際顆粒計數(shù)值的變化趨勢完全相同，而價格要低于常規(guī)顆粒計數(shù)檢測儀器數(shù)倍。由于常規(guī)顆粒計數(shù)儀器在運行時只能檢測某個粒徑范圍的顆粒，而濁度脈動檢測儀可以有效地檢測出大于1m粒徑物質(zhì)，并且顆粒濃度及粒徑都不受限制，所以后者應該更具代表性，更能真實地反映水中顆粒物質(zhì)相對含量。因而，該檢測技術(shù)有可能作為一種全新的顆粒物質(zhì)總體含量的有效檢測方法。濁度脈動檢測方法同樣可檢測顆粒濃度高的懸浮液，此時光束可有數(shù)以千計的顆粒，但檢測過程不受顆粒濃度的限制，避免了濁度檢測法和常規(guī)顆粒計數(shù)檢測法存在的嚴重重疊效應

15、問題。這是該方法的一個主要優(yōu)點。對于水處理工藝的水質(zhì)來說，顆粒物質(zhì)只要低于一定的整體水平即可滿足，一般不需要知道顆粒數(shù)量和粒徑的具體數(shù)據(jù)。因此使用濁度脈動檢測方法會更方便、更快捷，而且具有儀器投資少，運行費用低，維護簡單等諸多優(yōu)點。通過與顯微照相和常規(guī)顆粒計數(shù)檢測儀器相結(jié)合的檢測和對比運行，表明濁度脈動監(jiān)測儀的確可真實地反映出水中絮凝體和懸浮顆粒物質(zhì)的相對尺寸及其變化情況，檢測結(jié)果可以作為一種相對檢測指標，提供出水水質(zhì)或混凝狀況。NextPage 2、已建水廠集散型計算機監(jiān)控系統(tǒng)本子專題建立了以廣東開平供水集團公司振華水廠為基地的示范工程。針對各單元控制系統(tǒng)的可靠性、集散型系統(tǒng)的可擴展性等方面

16、進行了從理論到實際生產(chǎn)實用的多方位、多層次的研究，為已建成水廠集散型計算機監(jiān)控系統(tǒng)的推廣應用奠定了堅實的基礎(chǔ)，完成了合同中要求的各部分內(nèi)容。在振華水廠的應用示范表明，開發(fā)的這一集成系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，而且操作簡單，頗受水廠技術(shù)人員的歡迎。該部分內(nèi)容已經(jīng)在本次會議上進行了鑒定，不再詳述。3、新建水廠集散型計算機監(jiān)控系統(tǒng)由中國市政工程西南設計院主持完成的這部分任務，對計算機監(jiān)控進行開發(fā)，在河南省三門峽第三水廠是比較典型的應用實例，所以選擇這個工程為本研究的示范工程。水廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能為監(jiān)視，控制和管理。其中控制直接作用于生產(chǎn)過程。為把因計算機監(jiān)控系統(tǒng)故障造成的對生產(chǎn)過程的影響減小到最低程度，把

17、提高計算機監(jiān)控系統(tǒng)的安全性和可靠性放在重要的位置上加以考慮。在計算機監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計上，采用多臺計算機同時工作，各自完成其特定功能的方式，把風險分散。當某一臺出現(xiàn)故障時，不影響系統(tǒng)其它功能的完成。同時監(jiān)視和管理是集中的，以便于生產(chǎn)管理人員及時了解生產(chǎn)全過程的情況，對全廠的生產(chǎn)進行管理。通過現(xiàn)代通訊技術(shù)，將多臺計算機連接起來形成一個局域計算機網(wǎng)絡，從而形成水廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)中有一臺核心主控機，它不直接與生產(chǎn)過程中的各種設備連接，而是通過網(wǎng)絡收集其它計算機采集的信息，協(xié)調(diào)其它計算機之間的關(guān)系，為集中監(jiān)視和管理提供界面。它是整個計算機監(jiān)控系統(tǒng)信息的交匯點。其它計算機則分布在生產(chǎn)過程的各環(huán)節(jié)，負

18、責相應工藝環(huán)節(jié)的監(jiān)視和控制功能的實現(xiàn)。 在功能滿足要求的情況下，計算機監(jiān)控系統(tǒng)能夠投入實行運行的關(guān)鍵是能夠適應工業(yè)現(xiàn)場惡劣的環(huán)境。在研制開發(fā)計算機監(jiān)控系統(tǒng)時，對其防塵、抗震、防電壓工業(yè)現(xiàn)場惡劣的環(huán)境。在研制開發(fā)計算機監(jiān)控系統(tǒng)時，對其防塵、抗震、防電壓沖擊和電磁干擾方面作了充分的考慮。在器件選擇面、板布置、連接方式等方面，也都使其盡量滿足工業(yè)現(xiàn)場平均無故障時間長，易于操作，易于維護更換等要求。通過不斷的完善，終于使開發(fā)的這套計算機監(jiān)控系統(tǒng)從實驗室走向工業(yè)現(xiàn)場，在實際項目中取得成功的應用。通過示范工程的應用，證明這套計算機控制系統(tǒng)在用于中小規(guī)模的水廠中時，僅濾池反沖洗水量就可節(jié)約10%，取得較為明

19、顯的社會效益和經(jīng)濟效益。4、城市供水系統(tǒng)監(jiān)控技術(shù)設備與優(yōu)化調(diào)度研究該部分內(nèi)容由深圳自來水公司完成。開發(fā)了可靠性高、開放性好、適應性強的城市供水監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)。三年多來的運行實踐表明，系統(tǒng)的可靠性高：所有軟件平臺穩(wěn)定正確運行；室內(nèi)安裝的各類計算機、通信網(wǎng)絡設備均一直正常運行；配水管上安裝的硬設備除少量壓力變送器因元件受損進行過維修外，數(shù)據(jù)采集器和電臺無一故障。所有這些都保證了系統(tǒng)很高的可靠性與可用性?；诘乩硇畔⑾到y(tǒng)（DIS）平臺，進行了優(yōu)化調(diào)度研究。選擇了Autodesk作為GIS平臺，除價格因素外，主要還由于它具有（相對）較強的管網(wǎng)分析能力、最擅長于進行我們原有的管網(wǎng)基礎(chǔ)資料的輸入與整飾。已完

20、成了市區(qū)配水管網(wǎng)全部圖形文件的整飾，二次開發(fā)的管網(wǎng)維護、爆管搶修關(guān)閥的應用功能已投入使用，包括停水施工方案的決策，效果良好。提交了先進實用的城市供水監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)的集成技術(shù)。城市供水監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)的可靠性、開放性、適應性，很大程度上取決于安裝在城市供水調(diào)度中心這一層次上的軟、硬件平臺，整個系統(tǒng)的集成就是調(diào)度中心的監(jiān)控系統(tǒng)與水廠、原水泵站、配水管網(wǎng)各分系統(tǒng)間的通信（即，數(shù)據(jù)交換）集成。本系統(tǒng)采用的、調(diào)度中心這一層次上的SCADA平臺為澳洲MITS公司的產(chǎn)品MOSAIC。這是一個開放性很強的SCADA平臺。它支持多種操作系統(tǒng)和監(jiān)控通信協(xié)議，有利于用戶的硬件平臺選擇，和對其它監(jiān)控平臺的集成。調(diào)度管理系統(tǒng)工程已具規(guī)模，并獲得初期效益。選好調(diào)度中心這一層次的系統(tǒng)軟件平臺與相應的計算機、通信等硬設備，實現(xiàn)對一片配水管網(wǎng)、一個水廠和一個泵站監(jiān)控系統(tǒng)（已建或新建）的集成，形成一定的系統(tǒng)規(guī)模并獲取初期效益；同時解決對其它片匹配水管網(wǎng)、其它水廠和泵站的全部集成的技術(shù)問題，視其監(jiān)控系統(tǒng)建設的進度，逐一加入調(diào)度管理系統(tǒng)。先期建成的調(diào)度管理系統(tǒng)在輔助實時調(diào)度決策方面發(fā)揮了顯著作用，為保證安全可靠供水、實現(xiàn)集團公司對社會作出的供水服務承諾，發(fā)揮了積極促進作用，取得了顯著的社會效益。借助于已具規(guī)模的調(diào)度管理系統(tǒng)，集團公司調(diào)度中心的調(diào)度人員方便地進行