专家观点 | 金华水司：水厂药剂智能化投加的探索与应用

“新质生产力赋能浙江城乡水务高质量发展”研讨会暨浙江省城市水业协会2024年年会于2024年9月4-6日在浙江宁波举办。会议精心邀请60余位行业专家与会交流，来自浙江省水务企业、高等院校、设计院、研究院、政府部门及国内友好交流单位等近千位水务同仁、专家、学者参加了此次会议。上海《净水技术》杂志社作为此次年会的媒体支持单位，整理了大会部分报告内容，欢迎各位水业同仁赏阅。

水厂药剂智能化投加的探索与应用

黄磊

金华市自来水有限公司

自控网络负责人

一、智能化改造的背景与需求

金华目前有金沙湾与仙源湖两座大型水厂在供水，日供水能力55万吨，服务人口约130多万人。第三座水厂——九峰水厂在建，计划2025年完工。仙源湖水厂位于婺城区苏孟乡，占地98.6亩，原水取自库容为6250万立方米的安地水库。设计日供水能力25万立方米，一次性规划建设，于2014年12月动工建设，2016年6月30日建成通水。2020年开始，仙源湖水厂进行全面智能化升级改造。

仙源湖水厂采用常规处理工艺：取水→混凝→沉淀→过滤→消毒。原水取自安地水库，水质良好，常规情况下，浊度在1NTU左右，pH偏弱酸性。助凝剂采用石灰（氢氧化钙），用于调节原水pH值，同时具有助凝作用，改善混凝沉淀效果，提高出厂水的化学稳定性；消毒剂采用次氯酸钠，用于杀死水里的病菌，在水处理中用作净水剂、杀菌剂、消毒剂；混凝剂采用PAC（聚合氯化铝），可以使原水中的颗粒失去稳定性，并提供吸附水中杂质的接触介质，起到絮凝作用。

智能改造的必要性

在改造之前，投加系统存在自动控制精度低、投加依赖于人工经验、药剂容易过量、导致出水水质不稳定等问题，我们希望通过改造，实现精准控制，提高药剂投加效率，减少人工操作；增强系统稳定性，提高供水品质；降低运行成本，提升经济效益。

二、投加系统智能化改造

投加系统智能化改造的主要过程包括石灰投加优化、次钠投加优化和SCD在PAC投加中的应用。石灰投加系统主要由制备罐、储液罐、料仓、投加点、投加设备组成，投加点在反应池前端进水总管处。在智能化改造中优化的控制方式采用的是流量比例复合环算法控制投加，只需给定目标pH值，系统无需人工参与，自动开停螺杆泵，智能调节石灰投加量，实现全流程自动精准投加。

石灰投加优化

在石灰投加过程中，很容易吸附在管壁上，造成投加管路的口径缩小，容易堵塞，影响投加效果。在改造中，将原先的PVC和不锈钢管更换为透明波纹管。波纹管属于软管，在实际使用中，石灰不易吸附，便于观察维护和更换。同时在投加管道中配比持续性压缩空气，效果明显。通过改造，将投加管路使用寿命延长至原来的3倍多。通过改造后出厂水pH的曲线可以看出，从波动较大变得平缓稳定，系统整体投加更精准，调节更精细。2018年到2023年石灰的年平均药耗可以看出，改造前后对比，氢氧化钙药耗降幅明显，平均降幅达到了19.48%。

流量比例复合环控制方式是在自动化改造中，水厂药剂投加具有大惯性、大滞后的特点，纯滞后时间较长，且系统的干扰因素较多，如果采用常规PID运算控制方式，控制效果不理想。

流量比例复合环控制，采用的是双信号控制，利用进水流量作前馈量，在线仪表实测值作反馈量。前馈采用开环控制，通过其变化可以快速对扰动项进行有效补偿。当干扰因子出现时，立即进行相应调控，可迅速、有效地消除扰动项的影响。反馈的处理，可实现细调，有效提高整体的精细程度。

在实际工作中，前馈控制可以迅速调整由水流量变化产生的药剂需求变化，反馈调节可以根据仪表实测结果对投加进行准确的修正。整个算法的关键点是反应周期。算法取值时，需要确保药剂已经充分反应生效，再进行调节，用反应周期进行限定。

水厂药剂投加流量比例复合环控制的过程，首先进行水厂药剂投加，其次获取进水流量值，然后根据进水流量按比例投加药剂，接着，投加的药剂经过完整的反应周期后，再根据仪表实测值与目标值偏差调节投加量，与生活中患者看病吃药相似，正如奥卡姆剃刀原则说的往往有效的方法是简单的。

次钠投加系统改造

次钠投加系统包括储液罐、计量泵、投加点。投加点共8处：前加氯2处，在反应池进水总管前；后加氯4处，在滤后水进入清水池之前；补加氯2处，在出厂水管道混合器前。

对设备进行了改造，优化自动配药程序，实现一键制备功能，系统根据目标浓度，全流程自动完成药剂配置，减小人工配制错误概率。投加改造中，前加氯采用流量比例投加；后加氯、补氯采用流量比例复合环控制。系统根据目标余氯值自动控制投加，投加更加精准、稳定。

改造前后的余氯曲线的对比可以看出，次钠投加系统通过智能化改造后余氯曲线变得平缓稳定，系统整体投加更精准，通过改造后的油耗降幅达到了18.71%。

SCD在PAC投加系统中的应用

PAC投加系统包括储液罐、矾池、投加泵和投加点。投加点在反应池的管道混合器前端。在PAC智能改造中，新增了SCD仪，游动电流检测仪（SCD）是动电荷的在线分析装置，为混凝过程提供检测、记录和控制功能，是直接测量混凝剂投加效果的在线仪表。

整体的改造过程中有几个关键点。第一，通过石灰智能投加先将pH控制稳定，排除其影响。pH的波动对SCD测量值影响很大，整体的PAC智能投加是在石灰智能投加的基础上实现的。第二，不使用SCD内置的PID功能，改用流量比例复合环算法控制投加。第三，引入“PAC计算周期”变量，精准利用延时环节，有效消除系统滞后因素对运算的影响。第四，将SCD仪测量数据进行周期性抗干扰滤波处理，提高测量稳定性、可靠性。通过改造后的曲线可以看出，改造后投加的更精准，响应快速、浊度控制稳定，经过改造后药耗降幅达到了20.83%。

通过三种药剂智能投加的改造，实现了药剂全流程投加，简化了操作流程，提高了控制精度，提升了出水水质。在增强系统稳定性的同时，三种药剂降幅均超过了18%，减少了药剂浪费，提高了经济效益。

三、智慧水厂建设思考

水厂智慧化建设不可避免的回到什么是智慧化，怎么建设智慧水厂的问题上，当我们真正去建设，要部署智慧水厂建设的时候，还是会觉得心里没底，始终有疑问，到底什么是我们需要的智慧水厂，怎么去建设。

水厂智慧化的建设应该从核心、外在两个层面分别布局。水厂的核心是自控，外在是各种功能应用。自控应向极简化发展，功能应向全面化的发展。

控制“极简化”，通过高度集成的控制系统和智能化管理，减少了系统的复杂性。优化了资源分配，降低了运营成本，提高了自适应能力，实现了全流程自动控制，提高了水厂的整体运行效率，确保水质安全与供应稳定。

在控制“极简化”的同时，水厂各项应用从不同角度辅助日常生产与管理，向“全面化”发展。根据不同水厂各自管理的实际需求，有针对性的定制化开发各项应用，例如虚拟现实、数字挛生、物联感知、Al分析、智能巡检等智慧化应用，“全面”覆盖水厂自身需求，挑选切实有用的应用建设，不要为了“智慧”而“智慧”。水厂功能应用全面化是智慧水厂建设的重要组成部分，它有助于实现水厂的全面升级，提高水厂的整体性能和服务质量。

九峰水厂是金华自来水公司第三座大型水厂，设计日供水能力25万立方米，原水取自九峰水库，目前正处于施工建设阶段。九峰水厂设计建设中积极向智慧化进行探索，采用预处理＋常规处理＋臭氧活性炭深度处理的净水工艺，全厂智能安防系統与自控系统联动，各硬件设备和软件系统集成到统一管理平台。搭建数字孪生、设备智能运维管理平台，同时对接公司数据中台，支撑各类需求应用的拓展，实现水厂全生命周期的智慧管控。