淨水工藝混凝劑投加量的優化控制的製作方法

2023-05-14 15:53:36 4

專利名稱：淨水工藝混凝劑投加量的優化控制的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種採用電腦程式，控制水廠淨水工藝的方法，特別是一種淨水工藝混凝劑投加量的優化控制。
在水處理淨水工藝中，混凝劑投加量的多少，直接決定其淨水效果，其目的主要是除去水中的懸浮物和膠體，這關係到飲用水的水質，同時也是影響制水成本的主要因素。確定混凝劑投加量主要有四種方式1.試驗室確定投加率，生產上人工控制其設備；2.採用模擬裝置，自動控制其投加設備；我國上海相樹浦水廠，廣州西村水廠採用過模擬沉澱池法控制混凝劑投加量，美國有的水廠採用模擬池法控制混凝劑投加量，此種方式能進行反饋自動控制，與上一種方式比較，提高了水質合格率，降低了藥耗，但因採用的是模擬裝置，與生產工藝有差別，並仍有滯後問題。
3.建立前饋經驗模式，實現計算機自動控制，目前我國只有蘇州、廣州、重慶自來水公司，在有關研究部門的協助下，總結出前饋經驗公式，但沒在生產實際中應用，發達國家有些水廠也總結出線性經驗公式，但這些經驗公式沒有理論依據和嚴密科學的指導，只處於經驗公式階段，該種方式優於前兩種方式，但控制方式仍屬於開環自動制，仍不屬於閉環優化制，並且經驗公式有待於深入定性和定量理論研究。
經過DIALOG系統的數據檢索，經查看文摘，未發現國際上有本發明內容相同文獻，國內中文資料庫中檢出相關文件0篇。
本發明的目的是提供一種採用電腦程式控制淨水混凝劑投加量的方法，以提高水質，節省混凝劑藥耗，並形成計算機自動化的系統管理方式。


圖1為混凝劑投加量與混凝沉澱效果曲線圖；圖2為計算機控制混凝劑投加程序框圖。
如圖2所示的控制淨水工藝混凝劑投加量框圖，它是一種淨水工藝混命劑投加量的優化控制，是通過安裝在現場的一次儀表，對原水流量、原水濁度、原水水溫、原水PH值、原水耗氧量、原水氨氮、沉澱池出水濁度等進行實際檢測，檢測系統通過傳感器，把採集到的參數與計算的參量信號，經變送器輸出，送給計算機處理，並對運算結果進行分析，控制混凝劑投加量並對混凝劑投加量進行微量調節和校正，其特徵是採用了如下控制步驟(1).啟動系統工作，在計算機內確立數學模型中的各變量，並分配給一定的內存空間，這些變量有x1--原水進水濁度； x2--原水進水溫度；x3--原水進水PH值； x4--原水進水耗氧量；
x5--原水進水氨氮量；xs--沉澱池出水濁度；xf--濾池出水濁度。
根據實際生產過程記錄，運用數理統計方程計算出給定係數a1--原水濁度係數；a2--原水水溫係數；a3--原水PH值係數；a4--原水耗氧量係數；a5--原水進行氨氮量係數。
給定常數C--投加率常數；K--藥劑係數(2).判斷淨水工藝係數是否投入工作，如果淨水工藝係數未工作，則安檢修處理，如果淨水工藝系統工作，則進入下一步。
(3).首先建立前饋數學優化模型，即混凝劑投加量按公式(2)計算後投加，進一步建立反饋微調數學優化模型，即沉澱池出水反饋微調投加量計算公式(6)，以及濾池出水反饋投加量計算公式(3)。Y1＝K(a1x1+a2x2+a3x3+a4x4+a5x5+C)
y1-混凝劑前饋給定投加量；F(xs)＝混凝劑沉澱池反饋投加量；d1，d2是根據生產實際情況產生沉澱出水濁度最佳區間；d3d4是根據生產實際情況產生的濾池出水濁度最佳區間(4).淨水工藝系統同時對上述參變量的信號進行實時採集，用檢測來的各數據對前一次參變量進行刷新，新的數據參與前投加量運算和處理，前一次的數據壓縮進入歷史資料庫；(5).系統設立延時判斷，當混凝劑的投入時間大於延時時間，沉澱池和濾池出水水質的檢測信號才能反饋到系統中來參與控制；(6).系統對投加時間進行判斷，若投入時間＜t時，則系統仍使用公式(1)控制投加量，當投入時間≥t時，引入反饋微調公式，Y＝Y1+F(xs)+F(xf)此時系統先確立F(xs)中加的取值區間，再確立F(xf)中的xf的取值區間，最後得出反饋後的混凝劑投加量值Y，經過選擇後，Y值是如下幾種情況中的一種a若沉澱池為d2≤xs≤d1，且濾池d4≤xf≤d3時，則Y＝Y1
b若沉澱池為d2≤xs≤d1，且濾池為d3＜xf時，則Y＝Y1+af(xf-d3)c若沉澱池為d2≤xs≤d1，且濾池為d4＞xf時，則Y＝Y1+af(xf-d4)d若沉澱池為d1＜xs，且濾池為d4≤xf≤d3時，則Y＝Y1+as(xs-d1)e若沉澱池為d1＜xs，且濾池為d3＜xf時，則Y＝Y1+as(xs-d1)+af(xf-ds)f若沉澱池為d1＜xs，且濾池為d4＞xf時，則Y＝Y1+as(xs-d1)+af(xf-d4)g若沉澱池為d2)xs，且濾池為d4≤xf≤d3時，則Y＝Y1+as(xs-d2)h若沉澱池為d2＞xs，且濾池為d3≤xf時，則Y＝Y1+as(xs-d2)+af(xf-d3)i若沉澱池為d2＞xs，且濾池為d4＞xf時，則Y＝Y1+as(xs-d2)+af(xf-d4)本發明在理論上定性與定量研究混凝劑投加量，對供水行業的淨水廠，城市用水和廢水處理的混凝劑投加量工藝，完全可採用本發明實現計算機優化控制，本發明的優點在於提高水質合格率，使淨水濁度合格率達到100％，完全達到國家標準，減少了混凝劑的消耗，平均節約藥劑為12～20％左右，降低制水成本，具有顯著的經濟效益，實現了自動控制，提高了水廠的管理質量和工作效率，同時減少了操作人員的勞動強度。
為了得到混凝劑投加量規律，我們就應研究混凝劑投加量對混凝沉澱效果的影響。圖1是用混凝沉澱後殘餘濁度，膠體電荷， 電位與混凝劑投加量的函數關係，來研究混凝劑投加量對混凝沉澱效果的影響，所謂理論上的最優投加量，就是對於某一種原水，存在一種最佳的沉澱效果，也就是使淨化後的水殘餘濁度最低，見圖1上的C點。這時，混凝沉澱後的膠體滴定電荷與 電位都趨於零，分別見圖1上的D、E點。通過分析，我們就可以得到理論上最優投加量定義理論上混凝劑最優投加量，使其混凝沉澱後淨水濁度最低，膠體滴定電荷與 電位值都趨於零。從圖1可以看出，當混凝劑投加量超過理論上最優投加量後，淨化後水的殘餘濁度逐漸增高，這時膠體滴定與 電位值由負值變成正值，並逐漸增大，這就說明混凝劑投加量過高，並不能獲得好的淨化效果。理論上混凝劑最佳投量，能使淨水殘餘濁度最低，獲得最好的淨化效果，但是該投加量非常高，制水成本高，不經濟，也不容易控制，為了在生產工藝中實現混凝劑最優投加，就必須建立混凝劑最優投加量的概念與理論。在飲用水處理中，要使淨化水達到國家標準，並不需要採用理論上混凝劑的最優投加量，一般控制沉澱池出水濁度在10NTU以下，就可達到。如控制沉澱出水濁度在5NTU以下，則濾後水濁度即可達到1NTU左右，但混凝劑投加量則偏高，相應制水成本就高。所以混凝劑最優投加量，不僅使淨化殘餘濁度達到國家標準，還要使混凝劑投加量較少，並且在生產工藝中易於控制，控制沉澱池出水與濾池出水濁度在某一最佳範圍，就能實現混凝劑最優投加。如在圖1中，控制沉澱池出水濁度在AB區間，就能確定保濾池出水濁度達到標準，同樣，我們再控制濾出水濁度在一個最佳範圍，還能使混凝劑平均投加量降低，這就是生產中混凝劑最優投加量。影響混凝劑投加量參數很多，應選用其主要影響參數來建立數學模型。在數理論統計學中對於多參數的變量，宜採用計算簡便的線性回歸方程模式。我們可以在深入研究混凝劑投加量規律與生產淨化工藝基礎上，根據混凝劑最優投加量理論，建立起數學模型的基本假設，然後用數理論統計方法，推導出最優投加量的線性數學模式。現提出以下幾個基本假設1.混凝劑最優投加率，是由前饋給定量與反饋微調節組成，首先，可根據原水水質的參數確定出前饋給定量，然後可分別根據沉澱池出水與濾池出水濁度，進行反饋調節其前饋給定量，該調節量稱之為反饋微調節量。
2.混凝劑最優投加率是前饋給定量和反饋微調節量的函數，可以把這兩部分投加量視為相互獨立的隨機變量。
3.一般來說原水水質的濁度、水溫、鹼度或PH值、有機物(TOC或COD)，氨氮等參數，是影響混凝劑前饋給定量的主要因素，我們可把這些參數視為相互獨立的隨機變量。
4.原水水溫、鹼度或PH值，有機物(TOC或COD)、NH3-N值變化範圍較小，它們前饋給定量的係數，可分別用模擬試驗來確定；而原水濁度變化範圍比較大，因此原水濁度前饋給定量的係數，必須用生產中大量數據，運用線性回歸法求得。
5.反饋微調節量與沉澱、過濾工藝中許多參數有關，很難確定它們之間函數關係式。但是其後饋微調節量與沉澱池出水濁度、有明顯的直接函數關係，就可用這兩個變量，做為反饋微調節量的自變量。並且把這兩個出水濁度視為相互獨立的隨機變量。
6.根據混凝劑最優投加量定義可知，混凝劑最優投加量會使沉澱池出水濁度與濾池出水濁度，分別都在最佳範圍，該最佳範圍可由大量生產資料統計分析得到。
7.如果沉澱池出之濁度與濾池出水濁度都在最佳範圍不需作反饋微調節，如果其中有一個出水濁度不在最佳範圍，則進行相應的反饋調節，其微調節量一是沉澱池出水濁度與該最佳範圍之差成正比；二是濾池出水濁度與該最佳範圍之差成正比
為了計算方便，我們令混凝劑最優投加率為Y，其前饋給定量為Y1，反饋微調節量為Y2，根據基本假設1，可知Y是Y1與Y2的函數，由基本假設2知道Y1與Y2是相互獨立的隨機變量，根據數理統計理論可知如果任何一個隨機變量與其它的隨機變量是相互獨立的，那麼可以近似認為它們服從正態分布，這樣就可以用其相互獨立隨機變量之和，來表示其統計關係Y＝Y1+Y2(1)設原水濁度為X1，水溫為X2，PH值為X3，耗氧量為X4，氨氮為X5。根據基本假設3，可知X1、X2、X3、X4、X5是相互獨立的隨機變量，也是可視為服從政態分布，則可用多元線性回歸方程表示Y1＝K(a1x1+a2x2+a3x3+a4x4+a5x5+C)(2)式中a1、a2、a3、a4、a5--分別為原水濁度、水溫、PH值、耗氧量、氨氮係數；C--投加率常數；K--藥劑係數。
根據基本假設4，a2、a3、a4、a5可分別用模擬試驗獲得其數據，用數理統計方法確定。當確定某一參數的係數時，讓其它參數不變，設某一參數為x，其相應投加量為z，改變該參數x，做出x與z的大量數據，用數理統計方法中直線回歸方程表示
z(x)=mz+KKXEDx(x-mz)---(3)]]>把(3)式簡化，可得到標準公式Z(x)＝ax+b(4)(4)式中的a，就是該參數的係數。
根據基本假設4，原水濁度係數a1，要採用生產實際的數據，也可用(3)、(4)式求得，由於生產數據多，可採用電子計算機計算。
對於某一特定原水水質參數，即已知x1、x2、x3、x4、x5之值，這時，生產實際投加量為y，C值可由(2)式推得。C=1ni=1nCi=1ni=1n{Kyi-a1(x1)i+a2(x2)i+a3(x3)i+a4(x4)i+a5(x5)i}---(5)]]>這樣，就可以求得前饋給定量的各個係數，建立前饋給定量的數學模式設沉澱池出水濁度為xs，濾池出水濁度為xf，由基本假設5可知y2＝F(xs，xf)由於xs與xf是相互獨立的隨機變量，則可得到y2＝F1(xs)+F2(xf)設沉澱池出水濁度最佳範圍為(d1，d2)，這裡d1＞d2；濾池出水濁度最佳範圍(d3，d4)，這裡d3＞d4。
根據基本假設6，這兩個最佳範圍，可由大量生產資料統計而得。
首先推導沉澱池出水後饋微調投加量。根據基本假設7，當沉澱池出水濁度在(d1，d2)時F1(xs)＝0當沉澱池出水濁度大於d1時；F1(xs)＝as(xs-d1)當沉澱池出水濁度小於d2時F1(xf)＝as(xs-d2)可通過大量數據用數理統計發求得，這樣沉澱池出水反饋微調投加量公式 同樣，可以推導出濾出水反饋微調投加量計算公式 af可通過大量數據用數理統計發求得。
上述是研究混凝劑最優投加率，對於不同水量Q，混凝劑投加量與水量是成正比的。這樣可得到混凝劑最優投加量模式Y＝yQ＝(y1+y2)Q (8)
在實際生產中，原水濁度變化範圍比較大時，原水濁度可以分幾個區，得到其相應的混凝劑最優投加量模式。但不論採用幾個模式，都要經過生產實際驗證，並加以修改，再應用到計算機控制程序中去。
以下是實施例我們根據哈爾濱市三水廠，供水規模為30萬m3/d，通過生產試驗了優化數學模型，淨水工藝引進國外先進可靠的傳感器和執行等設備，採用日本橫河公司生產的uxl集散控制系統。
首先根據該專利與生產數據建立數學模式，前饋數學模式y1＝1.0(0.09839x1-0.1732x2-0.1845x3+0.9650x4+5.1253x5+27.6012)沉澱池反饋數學模式 濾池出水反饋數學模式 下面是哈爾濱市供水三水廠在實際控制中一個實例
松花江原水流量與水質是在變化，在某一時刻檢測到x1＝150mg/l，x2＝16℃，x3＝7.3，x4＝4.5mg/l，x5＝0.25mg/l，Q＝13.5千m3/l，前饋投加量為Y1＝y1Q＝1.0×(0.09839×150-0.1732×16-0.1845×7.3+0.9650×4.5+5.1253×0.25+27.6012)×13.5＝43.8654×13.5＝592.1829(Kg/h)根據沉澱池出水濁度xs，進行反饋調節，實際測得沉澱池出水濁度為10NTU，說明要調節量為Y2＝y2Q＝0.5342×(10-9)×13.5＝7.2117(Kg/h)再根據濾池出水濁度xf，進行反饋調節，實際測得濾池出水濁度為1.5NTU，滿足了要求，說明要調節量為零Y3＝y3Q＝0×13.5＝0
權利要求
1，一種淨水工藝混凝劑投加量的優化控制，是通過安裝在現場的一次儀表，對原水流量、原水濁度、原水水溫、原水PH值、原水耗氧量、原水氨氮、沉澱池出水濁度等進行實際檢測，檢測系統通過傳感器，把採集到的參數與計算的參量信號，經變送器輸出，送給計算機處理，並對運算結果進行分析，控制混凝劑投加量並對混凝劑投加量進行微量調節和校正，其特徵是採用了如下控制步驟(1).啟動系統工作，在計算機內確立數學模型中的各變量，並分配給一定的內存空間，這些變量有x1--原水進水濁度； x2--原水進水溫度；x3--原水進水PH值； x4--原水進水耗氧量；x5--原水進水氨氮量；xs--沉澱池出水濁度；xf--濾池出水濁度。根據實際生產過程記錄，運用數理統計方程計算出給定係數a1--原水濁度係數；a2--原水水溫係數；a3--原水PH值係數；a4--原水耗氧量係數；a5--原水進行氨氮量係數。給定常數C--投加率常數；K--藥劑係數(2).判斷淨水工藝係數是否投入工作，如果淨水工藝係數未工作，則按檢修處理，如果淨水工藝系統工作，則進入下一步。(3).首先建立前饋數學優化模型，即混凝劑投加量按公式(2)計算後投加，進一步建立反饋微調數學優化模型，即沉澱池出水反饋微調投加量計算公式(6)，以及濾池出水反饋投加量計算公式(7)。Y1＝K(a1x1+a′2x2+a3x3+a4x4+a5x5+C)(2) y1—混凝劑前饋給定投加量；F(xs)＝混凝劑沉澱池反饋投加量；d1，d2是根據生產實際情況產生沉澱出水濁度最佳區間；d3d4是根據生產實際情況產生的濾池出水濁度最佳區間(4).淨水工藝系統同時對上述參變量的信號進行實時採集，用檢測來的各數據對前一次參變量進行刷新，新的數據參與前投加量運算和處理，前一次的數據壓縮進入歷史資料庫；(5).系統設立延時判斷，當混凝劑的投入時間大於延時時間，沉澱池和濾池出水水質的檢測信號才能反饋到系統中來參與控制；(6).系統對投加時間進行判斷，若投入時間＜t時，則系統仍使用公式(1)控制投加量，當投入時間≥t時，引入後饋微調公式，Y＝Y1+F(xs)+F(xf)此時系統先確立F(xs)中xs的取值區間，再確立F(xf)中的xf的取值區間，最後得出反饋後的混凝劑投加量值Y，經過選擇後，Y值是如下幾種情況中的一種a若沉澱池為d2≤xs≤d1，且濾池d4≤xf≤d3時，則Y＝Y1b若沉澱池為d2≤xs≤d1，且濾池為d3＜xf時，則Y＝Y1+af(xf-d3)c若沉澱池為d2≤xs≤d1，且濾池為d4＞xf時，則Y＝Y1+af(xf-d4)d若沉澱池為d1＜xs，且濾池為d4≤xf≤d3時，則Y＝Y1+as(xs-d1)e若沉澱池為d1＜xs，且濾池為d3＜xf時，則Y＝Y1+as(xs-d1)+af(xf-d3)f若沉澱池為d1＜xs，且濾池為d4＞xf時，則Y＝Y1+as(xs-d1)+af(xf-d4)g若沉澱池為d2＞xs，且濾池為d4≤xf≤d3時，則Y＝Y1+as(xs-d2)h若沉澱池為d2＞xs，且濾池為d3＜xf時，則Y＝Y1+as(xs-d2)+af(xf-d3)i若沉澱池為d2＞xs，且濾池為d4＞xf時，則Y＝Y1+as(xs-d2)+af(xf-d4)
全文摘要
本發明涉及一種採用電腦程式控制水廠淨水工藝的方法，特別是淨水工藝混凝劑投加量的優化控制，它通過現場儀表將採集到的參量信號送計算機處理，並根據混凝劑投加量數學模型以及反饋微調投加模型進行分析處理，使淨水濁度合格率達到100％，平均節約藥劑12～20％，並實現了管理自動化，廣泛適於水廠、汙水廠等水質處理工廠應用。
文檔編號C02F9/00GK1112694SQ9510272
公開日1995年11月29日 申請日期1995年3月22日 優先權日1995年3月22日
發明者王大志, 付強 申請人:王大志, 付強