双阀滤池自动化改造

厦门水务中环制水有限公司高殿水厂3#滤池为双阀滤池，共有12格滤池，原设计具有自动控制系统，主要有滤池恒水位过滤控制与自动反冲洗控制。滤池恒水位过滤控制系统用的是三档水位开关量信号，通过水位负反馈控制调节阀门开度，使过滤水位保持在1.1m左右。自动反冲洗使用PLC计时，自动抽真空进行反冲洗，每格滤池冲洗间隔时间为24h，平均2h冲洗一格滤池。但在实际运行中，滤池的自动控制一直无法良好运行：一是在恒水位过滤方面，由于水位用的是开关量信号，无法线性监控，其波动相当大，低水位过滤问题时常出现；二是在自动反冲洗方面，由于真空管路不合理、真空泵及真空阀的老化等问题，滤池的反冲洗阀开阀时间与真空形成时间无法良好配对，一直无法完成自动反冲洗任务。因此在多次实验与总结之后，拟对滤池进行自动化改造。改造后滤池可基本完成全自动化控制，达到无人值守的条件，在提高滤池安全性及可靠性的同时，也为今后水厂减员增效奠定基础。

1 滤池现状及原因分析

水厂现有工艺采用双阀滤池工艺。通过滤沙进行固液分离，进一步去除水中细小的悬浮物及细菌，使沉淀池出水能够达到饮用水的水质标准。虹吸式双阀滤池控制部分主要由清水阀、反冲洗阀、进水虹吸管、排水虹吸管及真空管路系统组成，反冲洗采用高位水池，进水管为500×400mm的虹吸管，高差1m；排水管为600×730mm的虹吸管，高差2.5m。虹吸式双阀滤池工艺流程如图1。

图1 虹吸式双阀滤池工艺流程图

改造前滤池真空管路如图2。

图2 原真空系统管路图

管路主回路为DN50铁管，进排水末端缩为DN25铁管，包含DN25电磁阀。

早期滤池经历过一次自动化改造，改造后出现的问题主要为以下几个方面：（1）管道设计不合理，反冲洗虹吸建立时间长。（2）电磁阀气密性不好，真空度不容易形成且易被破坏。（3）反冲洗阀开关阀时间长，电气控制是大滞后系统，控制不易把握。（4）液位开关选择是三级开关信号，不是模拟量线性信号，对水位无法精度判断。（5）真空电接点压力表不准确，无法准确判断是否形成真空。可见2#池的真空管路距离真空泵最远。经实验，用真空泵抽2#池抽排水真空要2min以上，其他各池在70~120s之间，时间普遍较长，并且水塔反冲洗水的水速较快，容易造成真空还未形成，冲洗水就已到位的溢流现象。

滤池现阶段会有以下缺陷：（1）由于自动系统不完善，所有操作均需要人工进行，不便于节省人力。（2）进水虹吸由于电磁阀漏气原因会自动破坏。（3）清水阀无一键开关按钮（需要人员长按）。（4）反冲洗水塔由于液位计显示不准确，经常出现水溢出问题，导致在冲洗水塔下方配电柜经常受到损坏，并且如果水塔水位过低会吸入空气，冲洗时容易损坏滤板。

2 滤池的改造

针对以上问题对3#滤池进行改造，改造内容包括：PLC柜、操作台、真空系统、阀门、液位计、冲洗水塔等，以下主要针对真空系统及信号2个方面展开分析。

2.1 真空系统

对于真空系统的改造，主要有增加真空罐与改造真空管路2种方式。

2.1.1 增加真空罐

考虑在不更换真空泵的情况下，可采取增添真空储气罐的方式。真空罐的材料包括真空电接点压力表、排气电动阀、排水电动阀。同时在真空管路增添电动球阀，在真空泵汽水分离器增添电动阀进行自动补水。

理论上每提高真空度-0.01MPa,提升水位约1m。如果我们需要提升水位约4m，我们可将真空罐的电接点压力表的下限值调到-0.04MPa,而上限值调到-0.05MPa即可满足工艺要求。根据真空罐的负压，控制真空系统自成闭环控制，用PLC真空泵的启停。

加真空罐的优点：（1）用真空罐抽虹吸真空相比直接使用真空泵抽虹吸真空，可以使整个系统达到一个相对稳定的负压状态，并且减少抽管路真空的时间，为自动化控制提供更加快捷的时间参数。（2）在抽真空过程中，真空形成之后，由于阀门关闭延迟等原因，会有少量水随管路进入真空泵。添加真空罐可防止虹吸形成将水带入真空泵，打击和腐蚀叶轮，起到一个反冲的作用。（3）使用真空罐抽真空可不受真空泵性能影响，只要达到的真空度够高，就可保证12格滤池虹吸形成的时间基本相同，为自动反冲洗提供更稳定的控制方案。

真空系统运行步骤应改为：打开真空泵及其进气阀，先将真空罐抽成真空，但不开虹吸管的阀门，达到预定真空度且稳定之后，关闭真空泵及其进气阀，再打开虹吸管阀门抽真空。

但增加真空罐也可能会出现以下问题。

（1）真空罐会增加占地面积。真空管道与虹吸管气体体积总和大概为4m³，排水虹吸高度差4m，根据抽气时间计算公式：

式中：t为抽气时间，min；V为真空系统的容积，m3；S为真空泵的抽气速率，m3/min；P1为真空系统初始压力，kPa；P2为真空系统终了的压力，kPa；Kq为修正系数。

根据理论算，如果要靠真空罐建立虹吸，由于现场1#真空泵能达到的最大真空度只有-0.5MPa，并且真空度要在-0.4MPa以上，真空罐体积要在4m³左右。2m³真空罐是高2.8m，直径1.2m的圆柱体，因此理论上要增加2个2m³真空罐。

（2）抽真空后，真空罐内会形成积水，要自动排放，还须增添相应的电磁阀、水位计、电接点压力表等，增添了改造部分设备的成本。

（3）如果让真空罐一直保持在真空负压状态，阀门和真空电接点压力表等设备长时间有压力，可能会减短其寿命。如果只在需要反冲洗时才将罐抽成真空，由于此过程被一分为二，会导致单格滤池冲洗时间的加长，也可能会影响整个滤池的反冲洗时间。

（4）使用真空罐抽虹吸，由于负压高，开阀瞬间气体对阀门的冲击会比较大，有可能会影响管路和阀门的气密与寿命。

要注意的是真空管路应尽量高于真空罐。由于虹吸形成之后，阀门的关闭会有延迟，少量水会随真空被抽起，进入到管路和真空罐中，如果真空管低于真空罐，水会余留在管道内，无法全部到达真空罐内。为减少管内残留的水，应尽量把管路抬高。

总体来说，在条件允许的情况下，增加真空罐是保证抽真空时间稳定的良好选择。

2.1.2 改造真空管路

在真空管路的改造上，主要要考虑以下几个问题。

（1）真空管径的选择至关重要。大口径的管可以加快抽气速度，减少真空形成时间，让反冲洗更好操作；但大口径的管更大、更重、不好布置，而且还要加大抽气量，也会增加真空泵的抽气时间，电耗更大。小口径与大口径管路正好相反，但小口径管路布管方便，用料少，对应的阀门也较小，可以降低设备成本。

（2）在管路的布置方面，各池的距离应相对平均，保证时间基本一致，便于控制。并且真空管路应当越短越好，加快抽真空速度。

（3）原有的管路设计不够合理，真空泵距离池子有远有近，不好控制。为加快抽真空时间进度，设计更换所有真空管路，将原有的DN25真空管全部改为DN50管。

图3 管路改造图

图4 自动控制系统流程图

不仅如此，可考虑在真空泵出口处增添4个电动阀门（如图3），把真空管路分为4个部分，每个阀门控制3个池子，需要用到这片区域池子才打开此阀门，这样可以避免某些池子因真空管道过远造成的真空形成时间不均等，同时也可减少需要抽气的管路体积，节省时间，亦可减少各池建立虹吸的相互影响。

2种改造方式各有优缺点，对比如下。

（1）增添真空泵可提高稳定性，使得各池子抽真空时间接近，且不受真空泵性能退化影响，但占用大量空间。

（2）可节约改造成本，减少占用空间，但稳定性不高。

经讨论，在条件允许的情况下，最好的办法是以上方法结合，增加真空罐同时改造真空管路，既可增加系统的可靠性，又可保证抽气效率。

3 自动系统改造

增添1台施耐德M580公共冲洗柜PLC，每格滤池操作台增加1个施耐德M218PLC。主要需要执行的操作为为恒水位过滤与自动反冲洗2部分。主要的流程如图4。

4 结语

双阀滤池是水厂最常见的滤池之一。其中真空系统是关系到滤池反冲洗稳定性与安全性的重要因素，分析真空系统有助于实现滤池的完全自动化控制，实现水厂无人值守的目标。通过对高殿水厂3#滤池的分析，总结了一些对双阀滤池系统中的真空系统及其自动化改造的关键因素，在工艺上提出初步的改造计划。接下来还需进一步结合实际，完善改造的各项工作，提出一个更加切实可行的计划。