自来水厂加氯消毒系统的设计

姓名：王琦 班级：自动化064 学号：2006022063 指导教师：闫华 成绩：

自来水厂加氯消毒系统的设计

1. 工艺简介

自来水净化一般是使用氯气，而残留的余氯在加热的过程中会生成三卤甲烷这种致癌物，长期饮用会对人体造成非常大的危害。尤其是近年来水源污染越发的严重，直接导致自来水中余氯含量的增加。所以直接饮用自来水烧的开水也不是健康的选择，对自来水进行再净化是关键。经过净水设备净化后的自来水称为直饮水，在保留对人体有益的矿物质的基础上吸附自来水中的余氯和其他有害物质，是真正健康的水。水健康不容忽视。

2. 系统整体设计

2.1 控制对象的分析

自来水加氯消毒起源于19世纪90年代，时至今日，这种方法仍在沿用。消毒时氯浓度介于0.3mg/L和0.5mg/L之间，消毒后剩余氯浓度应介于0.05mg/L和0.5mg/L。自来水厂将自来水供给用户之前，必须进行消毒处理，氯气是常用的消毒剂。氯气具有很强的杀菌能力，但如果用量太少，则达不到灭菌的作用，而用量太多，则会对人们饮用带来副作用。

给水处理中的加氯工艺是一个较难控制的环节。考虑到加氯系统消毒时氯浓度介于0.3mg/L和0.5mg/L之间，消毒后剩余氯浓度应介于0.05mg/L和0.5mg/L。采用比值控制结构；针对系统参数变化较大和仪表漂移，采用自校正控制。在对自来水厂加氯系统的实际改造中，通过建立清水池进、出口余氯的动态模型和使用基于自适应的单闭环比值控制方案，取得了良好的控制效果。

2.2 被控量、控制量的确定

为了使气化器出口处的压力恒定和内部温度恒定，防止发生事故，应对气化器的内部的压力和温度施以控制，其中对其影响最大的两个因素是液氯输入量和加热温度。在温度不变的前提下，当液氯输入量增加，气化器内部产生的氯气就增加，出口的压力将上升。同样，在液氯输入量不变的情况下，蒸汽的输入量增加，气化器的内的氯气会变得更加的活跃，出口处的压力和温度同样会升高。因此选择气化器内部的压力和温度两个量为被控参数。

由图一的系统框图可看出，气化器内部的压力和温度分别选取液氯的流量和蒸汽流

量为控制参数。

2.3 系统方案论证

本设计采用单闭环比值控制系统，原理方框图如下。

Q1 液氯储槽 PT 21 PC 21 气 化 器 净化水 FT 11 FT 12 FC 12 氯气 FC 11 TT 31 Q2 TC 31

蒸汽 冷凝水 图一 自来水消毒比值控制

消毒是自来水处理工艺中最重要的环节之一。在我国当前水处理行业中,使用氯气消毒是最常用的消毒方法。水厂加氯系统的主要任务,就是通过控制氯气投加量(简称加氯量) ,使得出厂水中的余氯含量在规定范围之内。再通过真空调节器送入加氯机,利用加氯机中的水射器在投加点处进行氯气投加。氯气投加量的多少通过改变加氯机阀门开度来实现。

系统方框图如下：

Q2 W1(s) W2(s) Wv(s) Wo(s) Wm2(s) Wm1(s)

图二 单闭环比值控制方框图

Q1

单闭环比值控制能使自来水量和氯气的流量间的比值较精确、方案实现起来方便，仅用一只比值器或比例调节器即可。在自来水消毒控制系统中要求两者流量之比一定，而且对总流量变化无要求，所以适合选用此控制方案。

图三 单闭环比值控制流程图

Q1 FT 11 FT 12 Q2 FC 12 FC 11 3. 器件选型

3.1 传感器与变送器的选择

流量的测量包括自来水流量和氯气流量两个部分。

LXW旋涡式流量计具有测量管内无可动部件，工作可靠，压力损失也比较小（约为孔板流量计压力损失的1/4～1/2）；测量精度高；测量范围大；其读数不受流体物理状态如温度、压力、密度及组成成分的影响，一次标定后，无须再修正或换算等优点。对于水量的检测，由于水流量在0～1000t/h间，且腐蚀性很小，可以采用旋涡时流量计。

对于氯气流量的检测，由于氯气具有腐蚀性，且氯气所需的最大流量仅有0.15m3/h，所以要求流量计具有较高的灵敏度，以保证测量精度。目前在工业上和实验室里常用转子流量计来测量小流量。天津流量仪表有限公司的LZB系列玻璃转子流量计转子流量计特别适用于测量管径在50mm以下管道的流量。由于材质为玻璃，所以可以使用于氯气流量的测量。因此选择LZB-转子流量计对氯气进行测量。

仪表可将被测温度,被测介质的差压、压力、负压力、流量、被测介质的液位、比重、密度或两种不同比重液体的界面等参数转换成统一的标准信号输出。主要技术特性：输出信号：0-10mADC(Ⅱ型)；4-20mADC或1-5VDC(Ⅲ型)。精度：0.5、1、1.5级。供电电

源：220VAC 50Hz(Ⅱ型)；24VDC(Ⅲ型)。工作条件：环境温度：现场仪表-25 +60℃；室内仪表0-50℃。空气相对湿度：现场仪表≤95%；室内仪表≤85%。工作振动：频率25Hz，全振幅≤0.2mm。周围空气中不得有与铬、镍镀层，有色金属及其合金起腐蚀作用的介质。

3.2 调节阀的选择

考虑到自来水消毒系统，在未投入运行前，气化器内应是空的，自来水管道是关闭的，而且考虑到液氯具有强的腐蚀性，释放到空气中会造成污染，故选择液氯管道阀门、自来水管道阀门和气态氯管道阀门全部为气开阀。 调节阀具体型号的选择

自来水的最大体积流量为1000m/h时对应的氯气体积流量为0.15m/h,氯气的密度为3.21Kg/m，氯气的流体重度为0.031MPa，阀门上的压差为0.2MPa，根据流通能力公式得：

C=Q

333??p=0.15×

0.031=0.058 0.24查各种尺寸调节阀的流通能力表，查得，应选阀座直径dg为8mm，公称直径Dg为3的单座阀。此时C值为0.80，这样在最大流量时尚有一定的余地。氯气调节阀的主要干扰来源为调节阀压差，由调节阀工作流量特性选择表查得，工作流量特性选择对数特性较合适。由于工作在自来水厂，所以直接选用武汉韦纳机电设备有限公司的动态流量电动调节阀，在实际的水系统中，管路水压力是波动变化的。动态平衡电动调节阀能够动态的平衡系统的压力变化，使阀门在工作时的流量特性曲线与理想的流量特性曲线保持一致，没有设计偏差。特殊的设计保证了它的调节只受控于控制信号，而不受系统压力波动的影响，当对应一个固定开度时，其流量都是唯一和恒定的，因此动态平衡电动调节阀在任一调节位置输送量都是稳定的。

韦纳WPCV系列动态流量平衡电动调节阀采用了全新的设计理念，特别适用于系统负荷变化较大的变流量系统中，具有抗压力干扰，工作状态稳定，调节精度高和节约能源的显著特点。

3.3 调节器的选择

本系统采用的是单闭环比值控制控制方案，如图二所示。在稳态时，能满足主、副流量的工艺比值要求，即Q2Q1?K。当主流量Q1不变，而副流量Q2受到扰动时，则可通过副流量的闭合回路进行定值控制。当主流量Q1受到扰动时，W1?s?则按预先设置好

的比值使其输出成比例变化，即改变Q2的给定值，W2?s?根据给定值的变化，发出控制命令，以改变调节阀Wv?s?的开度，使副流量Q2跟随Q1而变化，从而保证原设定的比值关系。W1?s?仅接收自来水主流量（自来水流量）的测量信号，仅起比值计算作用，故选P控制规律；W2?s?起比值控制作用和使副流量（氯气流量）相对稳定，故应选PI控制规律；在副回路中，考虑到氯气的腐蚀性和和成本，阀门应选用气开阀，当阀门的开度增大，则氯气的流量加大，所以对象为正作用。测量变送环节也为正作用。为了使副回路的稳定性，副回路调节器应选负作用。

在调节器的选择上，目前在工业领域被广泛采用的是DDZ-Ⅲ型仪表。由于DDZ-Ⅲ型仪表采用了线性集成电路，进一步提高了仪表在长期运行中的稳定性和可靠性，从而扩大了调节器的功能，易于组成各种变型调节器，更好地满足生产过程自动化的需要。它接受来自变送器或转换器的1～5VDC测量信号作为输入，与1～5VDC给定信号进行比较，然后对其偏差进行PID运算，输出4～20mADC标准统一信号。SR90是日本岛电公司2002年的最新技术产品，它高度总结了SR60到SR70系列的应用经验更突出高性能和高可靠的设计思想。具有自由输入，手动输出，调节输出限幅，双设定值，双调节输出，模拟变送输出，数字通讯功能，前面板符合IP66级的防护标准，使用该表完全满足要求。

4. 参数整定

1.5 比值系数的确定

在设计要求中，分析可知系统要求氯气的浓度在混合前介于0.3mg/L和0.5mg/L之间。这里为了方便系统参数的整定和提高系统抗扰动能力，选其浓度为0.4mg/L。（氯气的密度为3.21Kg/m3）故消毒工艺要求

Q20.4?10?3K==

3.21Q1=1

?10?4

自来水的最大流量Q1max为1000m3/h,氯气最大流量Q2max为0.15m3/h。 将工艺比值折算为仪表的比值系数为

K'?KQ1max1000=1.2?10?4=0.8

0.15Q2maz1.6 系统参数的整定

单闭环比值系统实质上是随动系统。一般要求副流量能快速、正确地跟随主流量变

化，不宜有超调。不能按一般定值控制系统4：1衰减过程的要求进行副流量回路参数整定，而应当将副流量的过渡过程整定为振荡与不振荡的边界为佳，这时过渡过程既不振荡而反应又快。

1.7 工作原理

根据设计要求需要设计一自来水消毒系统，使氯气注入到自来水中的量合适，必须使氯气注入量与自来水量成一定的比值关系。

加氯控制系统的指标是出厂水余氯含量,控制量是加氯量,如果将系统的输入量选为氯气投加浓度,那么系统实质上就是一个比值控制系统,需按滤后水流量进行比例投加。其投加公式为:

u = k ×qin (1)

式中: u为加氯量; qin为滤后水流量; k为比例投加系数(即氯气投加浓度) 。在各种复杂控制系统中选择比值控制系统最为合适。

对于此消毒系统，纯净的自来水是其产品，应作为主物料，其流量为主流量，用Q1表示。而氯气流量需要根随自来水流量的变化而变化，选其作为副物料，其流量就是副流量，用Q2表示。

5. 设计总结

在我国当前水处理行业中,使用氯气消毒是最常用的消毒方法。本文介绍了自来水消毒比值控制系统的设计过程。使用了较普遍的单闭环比值控制系统，实现自来水投氯系统得自动化控制过程，本系统结构简单明了，实现方便，无需特殊的设备便可组成系统。

通过这次课程设计，我发现很多的问题，自己的理论与实际的联系问题。即使有些东西你明白，但不一定能做好。我真真正正的意识到，在以后的学习中，要理论联系实际，把我们所学的理论知识用到实际当中，在实践中检验自己锻炼自己！

参考文献

[1] 过程控制系统与仪表/王再英等编著.—北京：机械工业出版社，2006.1 [2] 过程控制及仪表/邵裕森主编 —上海：上海交通大学出版社，1995.7

[2] 工业生产过程控制/何衍庆，俞金寿，蒋慰孙编著.—北京：化学工业出版社，2004.2 [5] 张国雄/金篆芷 测控电路 北京.机械工业出版社，2000. [6] 试析自来水消毒过程及建议 杨开 环境与健康杂志 1994.1

[7] 氯化消毒饮用水的致突变性研究 预防医学文献信息, 宋金林1996,03 [8] 自来水系统综合自动化解决方案 马正午 自动化博览 2000年 S1期