基于压差、浊度的滤池自动反冲洗控制技术及运行分析

基于压差、浊度的滤池自动反冲洗控制技术及运行分析

袁小军

南京源动力水处理技术有限公司江苏南京210000

一、概述

地表水常规处理工艺包括混凝、沉淀、过滤、消毒等步骤。其中过滤一般指以石英砂等粒状滤料层截留水中悬浮杂质，从而使水获得澄清的工艺过程。滤出水必须达到饮用水标准。过滤的功效，不仅在于进一步降低水的浊度，而且水中有机物、细菌乃至病毒等将随水的浊度降低而被部分去除，从而为滤后的消毒工艺创造良好条件。

过滤的目的是截留水中的杂质，经过一定的过滤时间，滤层内截留的污物达到一定限度，就需要进行反冲洗，使滤池恢复过滤能力。确定合理的反冲洗方式，在保障出水水质、节约水耗及电耗、提高水厂运行效益等方面，具有十分重要的意义。

二、基于压差、浊度自动反冲洗工艺控制要求

①每个系列选定几个代表性滤格，利用颗粒计数器和滤后水浊度仪确定单个滤格的最大过滤周期。衡量滤池过滤效果的直观指标是滤后水浊度，当滤池运行一定时间、滤后水浊度超过一定限度且一定时间内无下降趋势，则表明滤池处理能力已经不符合过滤要求，必须进行反冲洗。颗粒计数器可以准确计量单位体积滤后水中各种粒径范围多的颗粒数目，在监测水质方面比浊度更为准确，当滤池运行一段时间、滤后水颗粒物浓度有明显突越，则表明该滤池处理能力已经不能满足过滤要求，必须进行反冲洗。计划利用颗粒计数器和滤后水浊度仪对各滤池的过滤周期进行确定。

②滤池过滤最大周期确定之后，分别计算其水头损失值在过滤周期内的代数和，即间接表示在过滤周期内滤层截留污物的总量。比较同系列各滤格的水头损失之和，选取一个保险的较小值作为该系列滤池反冲洗的限定值；

③根据生产运行经验，确定滤池过滤周期的最短设定时间tmin和最长设定时间tmax。在日常的生产中，根据经验，在一定运行时间内滤池一定可以安全运行。此时限tmin即为最短设定时间。如果滤池运行周期过长，由于水中所含杂质的成分和性质有所差异，虽然可能滤后水浊度并未满足反冲洗条件，且水损积分值也未达到反冲洗要求，但有可能会引起滤层内有机物积累，以及难以除掉的粘滞物增长，并还导致滤层形成泥球，增加冲洗麻烦。因此，需要设定一个最长过滤周期tmax，如果滤池运行时间达到此时限，则需要立即进行反冲洗。

④滤格运行中，如果在最短设定时间内，滤后水浊度趋势达到反冲洗要求或者水头损失累积值达到反冲洗要求，则只报警、不进行反冲洗；超过最短设定时间且未达到最长设定时间，若浊度趋势先达到反冲洗要求，即进行反冲洗；若水头损失累计值先达到反冲洗要求，也进行反冲洗。如果运行时间达到最长设定时间，尽管此时滤后水浊度趋势和水损积分值都未达到反冲洗要求，也应进行反冲洗。

具体流程图如下：

三、基于压差、浊度自动反冲洗控制程序编制方法

1.当上一轮的反冲洗信号反馈后，程序进行初始化，所有的累加器，计时器都清零。当系统处于自动状态下时，滤池的运行时间开始计时，排除由于检修造成的时间误计。

2.浊度趋势满足以下条件：每两分钟（可调设定值）采样一个浊度值N，且必须满足一定变化范围内的N值留下，然后将下一个浊度值N1与上一个浊度值N0进行比较△N=N1-N0,取30组△N值进行分析，若有25组（可调设定值）△N满足△N≥0(逻辑与)说明浊度呈上升趋势，当N临值≥0.2（可调设定值）时，且延时1min（可调设定值）后，再进行判断比较，如果继续保持或大于数值，那么就说明在线监测的水质超标。

当滤池运行的时间t<tmin时，报警人工处理，不进行任何程序处理，然后继续进行自动状态的判断并计时；

当tmin<t<tmax时，进行反冲洗。

3.水损积分采用积分运算方法，在1min采样周期（可调设定值）内采得压差值P(t),然后将P(t)值累加（相当于单位面积值的和），将累加值与其可调设定值进行比较。

当t<tmin时，报警人工处理，不进行任何程序处理，然后继续进行自动状态的判断并计时；

当tmin<t<tmax时，进行反冲洗。

4.当t=tmax时，进行反冲洗。

四、基于压差、浊度自动反冲洗控制程序运行分析

1.滤格自动运行参数选定：

首先，确定最大运行时间和最小运行时间。

根据当前的生产运行情况，可以确定在30小时的时间里，基本可以确保三系列的12个滤格在过滤过程中不会因为超过滤格运行的负荷而导致滤后水的浊度超标，同时也可以保证较好的反冲洗效果，所以最小的运行时间设定为30小时。同时，经过和总调度以及工艺相关人员的沟通和讨论后，初步将最大运行时间设定为40小时，一是为了能较好的测试当前的软件，加长单个周期的运行时间，同时又不会对滤后水造成太大的影响。

其次，确定压差累计值的设定值。

设定值的选定以1#滤格为例：

以上图为例，通过观察1#滤格从2013年2月14日13点44分开始之后十天的运行数据，在运行的7个完整的周期中，通过比较30小时冲洗时的压差累计值，发现其中有5个周期的压差累计值是在17500到18000之间的，占到了整个样本的70%以上。同时为了将运行时间控制在35个小时左右，所以适当的将设定值放大。初步选定在20000。

通过上述方法，选定所有12个滤格的压差设定值。如下表格所示：

最后，确定浊度上限值以及浊度上升组数设定值。

按照前文中的反冲洗改进思路所述，浊度上限值设定为0.2NTU，上述组数值设定为25。但是经过和运行班组以及调度人员的沟通后，将浊度上限值改为0.12NTU，预留了40%的空间以应付突发情况。具体理由如下：

1)如果按照0.2NTU来进行冲洗，意味着每次冲洗都达到了滤格运行的临界值，这样虽然最大限度的使用了滤格，但是不能保证按当前的反冲洗时间能够将滤格完全的冲洗干净，长期这样运行会对滤格的使用寿命造成影响；

2)如果设定成0.2NTU，那么必须在第一时间停止使用当前滤格，不然会对整个三系列滤后水的浊度有明显的影响，更有可能导致整个出厂水浊度的提高甚至超标。并且考虑到三系列和四系列不能同时冲洗，所以设成0.2NTU是明显不合适的。

2.单个滤格的运行数据比较分析：

调取三系列1#滤格最近10天的运行数据，如下图所示：

从图中可以看出，利用压差设定值来控制反冲洗的效果还是十分明显的，在最近6个周期中，100%的做到了当压差值（图中紫色曲线）达到20000以后进行反冲洗。但是浊度有明显的升高（图中绿色曲线）。这可能是多方面原因导致的。从程序上来说，可能是运行的时间过长，压差累计值设定过大导致的。但是观察压差的变化，运行的时间，以及压差累计值的上升趋势，并没有明显的发现压差较大的变化。也就是说滤沙中的杂质在6个周期中并没有明显的增多，所以从压差计的数据来看，并没有体现出是程序引起滤后水浊度升高的线索，所以暂时还不能确定原因。

2#到12#滤格最近10天的运行数据如下各图所示：

从上面的11张图中可以看出，利用压差的累计值作为反冲洗条件，目前的程序基本已经实现该功能。且多个周期之间比较，并没有出现与1#滤格相似的滤后水浊度持续上升的现象。可以推测出滤后水浊度持续上升并不是该程序的通病，只是针对1#滤格所产生的个别情况。

由于设定的浊度上限是0.12NTU，目前在运行过程中较少达到这一数值，比较后发现，浊度上升组数的设定值过高，在最近10天的数据中，最大的上升组数出现在4#滤格中，为21组，其余的均分布在15组到18组之间，与设定的25组相去甚远，所以浊度与浊度上升组数的设定值有待修正。

通过观察11#滤格的曲线，可以发现在这最近10天的7个过滤周期中，基本上压差累计值都超过了设定值，并且单个周期的累计值相差也较大。小的在21000左右，大的接近27000。通过详细的分析这两个周期内的曲线，发现是由以下情况导致的：

1)在静置完后投入运行时，初始的压差仪分别为5.74KPa和7.95KPa，而在整个运行过程中，最高的压差值分别是19.49KPa和20.73KPa。按一个周期30小时计算，一分钟计算一个累加值，这样平均每个值相差1KPa，总的下来就会相差1800KPa。而目前最大最小的相差了6000KPa，也就是说平均每个点都要高出3.3KPa，这个差值占到了最大值的15%，这个比例还是比较大的；

2)在压差累计值较高的周期里，平均压差以及压差的上升趋势也明显高于压差累计值较低的周期，在压差累计值最高的周期里，压差的瞬时值在接近2/3个周期的时间里就已经接近了最大值，而同时刻别的运行周期里的压差瞬时值距离最大值还有不小的差距。

3.多个滤格间的运行数据比较分析：

为了排除距离进水管道的距离对滤池流速的影响，通过分析滤格分布的位置，暂时将12个滤格分为6组进行比较。1#和7#为第一组，2#和8#为第二组，3#和9#为第三组，4#和10#为第四组，5#和11#为第五组，6#和12#为第六组。通过分析上文中各个滤格在最近10天内的运行曲线，可以得到以下表格：

组号滤格号压差设定值（KPa）压差设定值的差值（KPa）运行中最大上升组数

通过观察上述表格发现，在排除了位置的干扰后，同组滤池中最小的压差设定值得差值也有3000KPa，而第一组和第四组的差值达到了13000KPa，同一组中的设定值差距非常明显。按照理论来说，同样的冲洗和过滤条件下，最后的压差累计值应该基本上的相等的。而目前通过经验得到的设定值最大的有30000KPa，最小的才7000KPa，且在这样差距悬殊的情况下各个滤格均能正常运行，目前尚未找到造成这样现象的原因。

五、基于压差、浊度自动反冲洗控制尚存在的问题

针对目前的软件以及流程而言，通过一段时间的运行后，发现还有以下问题待解决：

1)具体、科学的压差累计设定值的确定方法

目前我们确定压差累计设定值的方法主要是靠经验，通过观察一段时间内的运行曲线，来确定压差累计值设定值的大小。但这中方法存在一定的弊端。由于不能通过一定的方法计算出该设定值的大小，当季节变化，水量变化，滤格最大阀位变化后，不能及时的对照改变的条件进行设定值的自动修改，还是需要经过一段时间的运行和观察来得到经验值，这样整个系统的调节响应时间就会非常长，不利于整个系统的推广使用。

目前，已知会对压差累计设定值的确定造成明显影响的有以下几个：

a)压差初始值

压差初始值对压差累计值得影响在前文中已经有提到。但是通过使用累计的方法，可以减少差值所占的比例。例如上文中所提到的11#滤格，初始压差的差值2.21KPa占到最大初始压差7.95KPa的27.8%。如果两个滤格压差的增长速率相同，那么必然导致实际运行时的压差累计值会相差较大，且差值会占到总值的30%左右，从而使得在这两个周期里的滤格运行时间相差也在30%左右，考虑到目前滤格运行的普遍时间在35小时，那么单个滤格由于压差初始值不同而造成的单个过滤周期的运行时间将会差到10小时左右。

b)阀位的变化

目前我厂采用的过滤方法是衡水位控制，而实现这一目的则是通过调节清水阀的阀位，以及增减滤格。所以在单个运行周期中，清水阀的阀位变化次数，以及在各个阀位上的运行时间，也会导致压差累计值的变化。通过观察上图中的曲线，可以发现，在阀位保持不变时，压差瞬时值是随时间而增加的，但是瞬时值同样也会随着阀位的变动而有明显的变化。这样压差累计值与时间和阀位的函数关系就有可能是一个二元多次的函数，这对我们之后推导和计算函数关系是非常不利的。

阀位变化对过滤时间的影响无法估计出确定的数值，但是很明显的，如果在单个周期里，长时间的使用较大的阀位，或者有频繁的阀位变动，那么单个周期的压差累计值也会有较大的差别。

c)滤前水水质、过滤的水量

之所以将这两项放在一起讨论，是由于我们目前设计该软件的目的就是为了针对不同的水质，不同的过滤水量来调节滤格的过滤时间，所以这两项所产生的影响是该程序需要正面去面对和解决的。

2)如何通过压差的积分值来判断反冲洗的时间

压差的大小体现的是滤料阻塞度的大小，通俗的说就是滤沙中的含泥量。从目前的结果来看，对于压差累计值在30000KPa的和7000KPa的滤格，我们都使用的是同样的一套反冲洗标准。这样虽然确保了把含泥量大的滤格冲洗干净，但是对于含泥量少的滤格来说就是一种浪费。既然改进反冲洗周期的目的中包含了节约，那么也应当适当的考虑不同滤格采用不同的反冲洗标准。

3)最小和最大时间的确定

目前最小时间的确定是通过经验的方式，在之前使用的固定周期反冲洗程序过程中，在周期是30小时内进行长期运行确实是不会对滤格寿命和滤后水浊度造成影响的。但是这并不能说明30小时就是最小的安全运行时间。而至于最大的运行时间，短期内也无法进行确定，因为偶尔一两次的长时间运行对滤格的影响并不明显，如何确定最大和最小时间也是一个比较困难的问题。

六、总结

通过这段时间的运行、观察以及发现问题后适当的对程序进行修改，目前已经基本搭建好了一个符合工艺要求，并且方便工艺和运行班组人员进行操作的软件平台，这对于我们确定合理的反冲洗方式，在保障出水水质、节约水耗及电耗、提高水厂运行效益等方面，是有比较大的帮助的。