專利名稱：凈水工藝混凝劑投加量的優(yōu)化控制的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種采用計算機程序，控制水廠凈水工藝的方法，特別是一種凈水工藝混凝劑投加量的優(yōu)化控制。
在水處理凈水工藝中，混凝劑投加量的多少，直接決定其凈水效果，其目的主要是除去水中的懸浮物和膠體，這關系到飲用水的水質(zhì)，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(chǎn)上人工控制其設備；2.采用模擬裝置，自動控制其投加設備；我國上海相樹浦水廠，廣州西村水廠采用過模擬沉淀池法控制混凝劑投加量，美國有的水廠采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(zhì)合格率，降低了藥耗，但因采用的是模擬裝置，與生產(chǎn)工藝有差別，并仍有滯后問題。
3.建立前饋經(jīng)驗模式，實現(xiàn)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(xié)助下，總結(jié)出前饋經(jīng)驗公式，但沒在生產(chǎn)實際中應用，發(fā)達國家有些水廠也總結(jié)出線性經(jīng)驗公式，但這些經(jīng)驗公式?jīng)]有理論依據(jù)和嚴密科學的指導，只處于經(jīng)驗公式階段，該種方式優(yōu)于前兩種方式，但控制方式仍屬于開環(huán)自動制，仍不屬于閉環(huán)優(yōu)化制，并且經(jīng)驗公式有待于深入定性和定量理論研究。
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本發(fā)明的目的是提供一種采用計算機程序控制凈水混凝劑投加量的方法，以提高水質(zhì)，節(jié)省混凝劑藥耗，并形成計算機自動化的系統(tǒng)管理方式。


圖1為混凝劑投加量與混凝沉淀效果曲線圖；圖2為計算機控制混凝劑投加程序框圖。
如圖2所示的控制凈水工藝混凝劑投加量框圖，它是一種凈水工藝混命劑投加量的優(yōu)化控制，是通過安裝在現(xiàn)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、沉淀池出水濁度等進行實際檢測，檢測系統(tǒng)通過傳感器，把采集到的參數(shù)與計算的參量信號，經(jīng)變送器輸出，送給計算機處理，并對運算結(jié)果進行分析，控制混凝劑投加量并對混凝劑投加量進行微量調(diào)節(jié)和校正，其特征是采用了如下控制步驟(1).啟動系統(tǒng)工作，在計算機內(nèi)確立數(shù)學模型中的各變量，并分配給一定的內(nèi)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--沉淀池出水濁度；xf--濾池出水濁度。
根據(jù)實際生產(chǎn)過程記錄，運用數(shù)理統(tǒng)計方程計算出給定系數(shù)a1--原水濁度系數(shù)；a2--原水水溫系數(shù)；a3--原水PH值系數(shù)；a4--原水耗氧量系數(shù)；a5--原水進行氨氮量系數(shù)。
給定常數(shù)C--投加率常數(shù)；K--藥劑系數(shù)(2).判斷凈水工藝系數(shù)是否投入工作，如果凈水工藝系數(shù)未工作，則安檢修處理，如果凈水工藝系統(tǒng)工作，則進入下一步。
(3).首先建立前饋數(shù)學優(yōu)化模型，即混凝劑投加量按公式(2)計算后投加，進一步建立反饋微調(diào)數(shù)學優(yōu)化模型，即沉淀池出水反饋微調(diào)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)＝混凝劑沉淀池反饋投加量；d1，d2是根據(jù)生產(chǎn)實際情況產(chǎn)生沉淀出水濁度最佳區(qū)間；d3d4是根據(jù)生產(chǎn)實際情況產(chǎn)生的濾池出水濁度最佳區(qū)間(4).凈水工藝系統(tǒng)同時對上述參變量的信號進行實時采集，用檢測來的各數(shù)據(jù)對前一次參變量進行刷新，新的數(shù)據(jù)參與前投加量運算和處理，前一次的數(shù)據(jù)壓縮進入歷史數(shù)據(jù)庫；(5).系統(tǒng)設立延時判斷，當混凝劑的投入時間大于延時時間，沉淀池和濾池出水水質(zhì)的檢測信號才能反饋到系統(tǒng)中來參與控制；(6).系統(tǒng)對投加時間進行判斷，若投入時間＜t時，則系統(tǒng)仍使用公式(1)控制投加量，當投入時間≥t時，引入反饋微調(diào)公式，Y＝Y(jié)1+F(xs)+F(xf)此時系統(tǒng)先確立F(xs)中加的取值區(qū)間，再確立F(xf)中的xf的取值區(qū)間，最后得出反饋后的混凝劑投加量值Y，經(jīng)過選擇后，Y值是如下幾種情況中的一種a若沉淀池為d2≤xs≤d1，且濾池d4≤xf≤d3時，則Y＝Y(jié)1
b若沉淀池為d2≤xs≤d1，且濾池為d3＜xf時，則Y＝Y(jié)1+af(xf-d3)c若沉淀池為d2≤xs≤d1，且濾池為d4＞xf時，則Y＝Y(jié)1+af(xf-d4)d若沉淀池為d1＜xs，且濾池為d4≤xf≤d3時，則Y＝Y(jié)1+as(xs-d1)e若沉淀池為d1＜xs，且濾池為d3＜xf時，則Y＝Y(jié)1+as(xs-d1)+af(xf-ds)f若沉淀池為d1＜xs，且濾池為d4＞xf時，則Y＝Y(jié)1+as(xs-d1)+af(xf-d4)g若沉淀池為d2)xs，且濾池為d4≤xf≤d3時，則Y＝Y(jié)1+as(xs-d2)h若沉淀池為d2＞xs，且濾池為d3≤xf時，則Y＝Y(jié)1+as(xs-d2)+af(xf-d3)i若沉淀池為d2＞xs，且濾池為d4＞xf時，則Y＝Y(jié)1+as(xs-d2)+af(xf-d4)本發(fā)明在理論上定性與定量研究混凝劑投加量，對供水行業(yè)的凈水廠，城市用水和廢水處理的混凝劑投加量工藝，完全可采用本發(fā)明實現(xiàn)計算機優(yōu)化控制，本發(fā)明的優(yōu)點在于提高水質(zhì)合格率，使凈水濁度合格率達到100％，完全達到國家標準，減少了混凝劑的消耗，平均節(jié)約藥劑為12～20％左右，降低制水成本，具有顯著的經(jīng)濟效益，實現(xiàn)了自動控制，提高了水廠的管理質(zhì)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(guī)律，我們就應研究混凝劑投加量對混凝沉淀效果的影響。圖1是用混凝沉淀后殘余濁度，膠體電荷， 電位與混凝劑投加量的函數(shù)關系，來研究混凝劑投加量對混凝沉淀效果的影響，所謂理論上的最優(yōu)投加量，就是對于某一種原水，存在一種最佳的沉淀效果，也就是使凈化后的水殘余濁度最低，見圖1上的C點。這時，混凝沉淀后的膠體滴定電荷與 電位都趨于零，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(yōu)投加量定義理論上混凝劑最優(yōu)投加量，使其混凝沉淀后凈水濁度最低，膠體滴定電荷與 電位值都趨于零。從圖1可以看出，當混凝劑投加量超過理論上最優(yōu)投加量后，凈化后水的殘余濁度逐漸增高，這時膠體滴定與 電位值由負值變成正值，并逐漸增大，這就說明混凝劑投加量過高，并不能獲得好的凈化效果。理論上混凝劑最佳投量，能使凈水殘余濁度最低，獲得最好的凈化效果，但是該投加量非常高，制水成本高，不經(jīng)濟，也不容易控制，為了在生產(chǎn)工藝中實現(xiàn)混凝劑最優(yōu)投加，就必須建立混凝劑最優(yōu)投加量的概念與理論。在飲用水處理中，要使凈化水達到國家標準，并不需要采用理論上混凝劑的最優(yōu)投加量，一般控制沉淀池出水濁度在10NTU以下，就可達到。如控制沉淀出水濁度在5NTU以下，則濾后水濁度即可達到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(yōu)投加量，不僅使凈化殘余濁度達到國家標準，還要使混凝劑投加量較少，并且在生產(chǎn)工藝中易于控制，控制沉淀池出水與濾池出水濁度在某一最佳范圍，就能實現(xiàn)混凝劑最優(yōu)投加。如在圖1中，控制沉淀池出水濁度在AB區(qū)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范圍，還能使混凝劑平均投加量降低，這就是生產(chǎn)中混凝劑最優(yōu)投加量。影響混凝劑投加量參數(shù)很多，應選用其主要影響參數(shù)來建立數(shù)學模型。在數(shù)理論統(tǒng)計學中對于多參數(shù)的變量，宜采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(guī)律與生產(chǎn)凈化工藝基礎上，根據(jù)混凝劑最優(yōu)投加量理論，建立起數(shù)學模型的基本假設，然后用數(shù)理論統(tǒng)計方法，推導出最優(yōu)投加量的線性數(shù)學模式?，F(xiàn)提出以下幾個基本假設1.混凝劑最優(yōu)投加率，是由前饋給定量與反饋微調(diào)節(jié)組成，首先，可根據(jù)原水水質(zhì)的參數(shù)確定出前饋給定量，然后可分別根據(jù)沉淀池出水與濾池出水濁度，進行反饋調(diào)節(jié)其前饋給定量，該調(diào)節(jié)量稱之為反饋微調(diào)節(jié)量。
2.混凝劑最優(yōu)投加率是前饋給定量和反饋微調(diào)節(jié)量的函數(shù)，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(zhì)的濁度、水溫、堿度或PH值、有機物(TOC或COD)，氨氮等參數(shù)，是影響混凝劑前饋給定量的主要因素，我們可把這些參數(shù)視為相互獨立的隨機變量。
4.原水水溫、堿度或PH值，有機物(TOC或COD)、NH3-N值變化范圍較小，它們前饋給定量的系數(shù)，可分別用模擬試驗來確定；而原水濁度變化范圍比較大，因此原水濁度前饋給定量的系數(shù)，必須用生產(chǎn)中大量數(shù)據(jù)，運用線性回歸法求得。
5.反饋微調(diào)節(jié)量與沉淀、過濾工藝中許多參數(shù)有關，很難確定它們之間函數(shù)關系式。但是其后饋微調(diào)節(jié)量與沉淀池出水濁度、有明顯的直接函數(shù)關系，就可用這兩個變量，做為反饋微調(diào)節(jié)量的自變量。并且把這兩個出水濁度視為相互獨立的隨機變量。
6.根據(jù)混凝劑最優(yōu)投加量定義可知，混凝劑最優(yōu)投加量會使沉淀池出水濁度與濾池出水濁度，分別都在最佳范圍，該最佳范圍可由大量生產(chǎn)資料統(tǒng)計分析得到。
7.如果沉淀池出之濁度與濾池出水濁度都在最佳范圍不需作反饋微調(diào)節(jié)，如果其中有一個出水濁度不在最佳范圍，則進行相應的反饋調(diào)節(jié)，其微調(diào)節(jié)量一是沉淀池出水濁度與該最佳范圍之差成正比；二是濾池出水濁度與該最佳范圍之差成正比
為了計算方便，我們令混凝劑最優(yōu)投加率為Y，其前饋給定量為Y1，反饋微調(diào)節(jié)量為Y2，根據(jù)基本假設1，可知Y是Y1與Y2的函數(shù)，由基本假設2知道Y1與Y2是相互獨立的隨機變量，根據(jù)數(shù)理統(tǒng)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，那么可以近似認為它們服從正態(tài)分布，這樣就可以用其相互獨立隨機變量之和，來表示其統(tǒng)計關系Y＝Y(jié)1+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(jù)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(tài)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、氨氮系數(shù)；C--投加率常數(shù)；K--藥劑系數(shù)。
根據(jù)基本假設4，a2、a3、a4、a5可分別用模擬試驗獲得其數(shù)據(jù)，用數(shù)理統(tǒng)計方法確定。當確定某一參數(shù)的系數(shù)時，讓其它參數(shù)不變，設某一參數(shù)為x，其相應投加量為z，改變該參數(shù)x，做出x與z的大量數(shù)據(jù)，用數(shù)理統(tǒng)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(shù)的系數(shù)。
根據(jù)基本假設4，原水濁度系數(shù)a1，要采用生產(chǎn)實際的數(shù)據(jù)，也可用(3)、(4)式求得，由于生產(chǎn)數(shù)據(jù)多，可采用電子計算機計算。
對于某一特定原水水質(zhì)參數(shù)，即已知x1、x2、x3、x4、x5之值，這時，生產(chǎn)實際投加量為y，C值可由(2)式推得。C=1nΣi=1nCi=1nΣi=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系數(shù)，建立前饋給定量的數(shù)學模式設沉淀池出水濁度為xs，濾池出水濁度為xf，由基本假設5可知y2＝F(xs，xf)由于xs與xf是相互獨立的隨機變量，則可得到y(tǒng)2＝F1(xs)+F2(xf)設沉淀池出水濁度最佳范圍為(d1，d2)，這里d1＞d2；濾池出水濁度最佳范圍(d3，d4)，這里d3＞d4。
根據(jù)基本假設6，這兩個最佳范圍，可由大量生產(chǎn)資料統(tǒng)計而得。
首先推導沉淀池出水后饋微調(diào)投加量。根據(jù)基本假設7，當沉淀池出水濁度在(d1，d2)時F1(xs)＝0當沉淀池出水濁度大于d1時；F1(xs)＝as(xs-d1)當沉淀池出水濁度小于d2時F1(xf)＝as(xs-d2)可通過大量數(shù)據(jù)用數(shù)理統(tǒng)計發(fā)求得，這樣沉淀池出水反饋微調(diào)投加量公式 同樣，可以推導出濾出水反饋微調(diào)投加量計算公式 af可通過大量數(shù)據(jù)用數(shù)理統(tǒng)計發(fā)求得。
上述是研究混凝劑最優(yōu)投加率，對于不同水量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(yōu)投加量模式Y(jié)＝y(tǒng)Q＝(y1+y2)Q (8)
在實際生產(chǎn)中，原水濁度變化范圍比較大時，原水濁度可以分幾個區(qū)，得到其相應的混凝劑最優(yōu)投加量模式。但不論采用幾個模式，都要經(jīng)過生產(chǎn)實際驗證，并加以修改，再應用到計算機控制程序中去。
以下是實施例我們根據(jù)哈爾濱市三水廠，供水規(guī)模為30萬m3/d，通過生產(chǎn)試驗了優(yōu)化數(shù)學模型，凈水工藝引進國外先進可靠的傳感器和執(zhí)行等設備，采用日本橫河公司生產(chǎn)的uxl集散控制系統(tǒng)。
首先根據(jù)該專利與生產(chǎn)數(shù)據(jù)建立數(shù)學模式，前饋數(shù)學模式y(tǒng)1＝1.0(0.09839x1-0.1732x2-0.1845x3+0.9650x4+5.1253x5+27.6012)沉淀池反饋數(shù)學模式 濾池出水反饋數(shù)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(zhì)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＝y(tǒng)1Q＝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(jù)沉淀池出水濁度xs，進行反饋調(diào)節(jié)，實際測得沉淀池出水濁度為10NTU，說明要調(diào)節(jié)量為Y2＝y(tǒng)2Q＝0.5342×(10-9)×13.5＝7.2117(Kg/h)再根據(jù)濾池出水濁度xf，進行反饋調(diào)節(jié)，實際測得濾池出水濁度為1.5NTU，滿足了要求，說明要調(diào)節(jié)量為零Y3＝y(tǒng)3Q＝0×13.5＝0
權(quán)利要求
1，一種凈水工藝混凝劑投加量的優(yōu)化控制，是通過安裝在現(xiàn)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、沉淀池出水濁度等進行實際檢測，檢測系統(tǒng)通過傳感器，把采集到的參數(shù)與計算的參量信號，經(jīng)變送器輸出，送給計算機處理，并對運算結(jié)果進行分析，控制混凝劑投加量并對混凝劑投加量進行微量調(diào)節(jié)和校正，其特征是采用了如下控制步驟(1).啟動系統(tǒng)工作，在計算機內(nèi)確立數(shù)學模型中的各變量，并分配給一定的內(nèi)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--沉淀池出水濁度；xf--濾池出水濁度。根據(jù)實際生產(chǎn)過程記錄，運用數(shù)理統(tǒng)計方程計算出給定系數(shù)a1--原水濁度系數(shù)；a2--原水水溫系數(shù)；a3--原水PH值系數(shù)；a4--原水耗氧量系數(shù)；a5--原水進行氨氮量系數(shù)。給定常數(shù)C--投加率常數(shù)；K--藥劑系數(shù)(2).判斷凈水工藝系數(shù)是否投入工作，如果凈水工藝系數(shù)未工作，則按檢修處理，如果凈水工藝系統(tǒng)工作，則進入下一步。(3).首先建立前饋數(shù)學優(yōu)化模型，即混凝劑投加量按公式(2)計算后投加，進一步建立反饋微調(diào)數(shù)學優(yōu)化模型，即沉淀池出水反饋微調(diào)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)＝混凝劑沉淀池反饋投加量；d1，d2是根據(jù)生產(chǎn)實際情況產(chǎn)生沉淀出水濁度最佳區(qū)間；d3d4是根據(jù)生產(chǎn)實際情況產(chǎn)生的濾池出水濁度最佳區(qū)間(4).凈水工藝系統(tǒng)同時對上述參變量的信號進行實時采集，用檢測來的各數(shù)據(jù)對前一次參變量進行刷新，新的數(shù)據(jù)參與前投加量運算和處理，前一次的數(shù)據(jù)壓縮進入歷史數(shù)據(jù)庫；(5).系統(tǒng)設立延時判斷，當混凝劑的投入時間大于延時時間，沉淀池和濾池出水水質(zhì)的檢測信號才能反饋到系統(tǒng)中來參與控制；(6).系統(tǒng)對投加時間進行判斷，若投入時間＜t時，則系統(tǒng)仍使用公式(1)控制投加量，當投入時間≥t時，引入后饋微調(diào)公式，Y＝Y(jié)1+F(xs)+F(xf)此時系統(tǒng)先確立F(xs)中xs的取值區(qū)間，再確立F(xf)中的xf的取值區(qū)間，最后得出反饋后的混凝劑投加量值Y，經(jīng)過選擇后，Y值是如下幾種情況中的一種a若沉淀池為d2≤xs≤d1，且濾池d4≤xf≤d3時，則Y＝Y(jié)1b若沉淀池為d2≤xs≤d1，且濾池為d3＜xf時，則Y＝Y(jié)1+af(xf-d3)c若沉淀池為d2≤xs≤d1，且濾池為d4＞xf時，則Y＝Y(jié)1+af(xf-d4)d若沉淀池為d1＜xs，且濾池為d4≤xf≤d3時，則Y＝Y(jié)1+as(xs-d1)e若沉淀池為d1＜xs，且濾池為d3＜xf時，則Y＝Y(jié)1+as(xs-d1)+af(xf-d3)f若沉淀池為d1＜xs，且濾池為d4＞xf時，則Y＝Y(jié)1+as(xs-d1)+af(xf-d4)g若沉淀池為d2＞xs，且濾池為d4≤xf≤d3時，則Y＝Y(jié)1+as(xs-d2)h若沉淀池為d2＞xs，且濾池為d3＜xf時，則Y＝Y(jié)1+as(xs-d2)+af(xf-d3)i若沉淀池為d2＞xs，且濾池為d4＞xf時，則Y＝Y(jié)1+as(xs-d2)+af(xf-d4)
全文摘要
本發(fā)明涉及一種采用計算機程序控制水廠凈水工藝的方法，特別是凈水工藝混凝劑投加量的優(yōu)化控制，它通過現(xiàn)場儀表將采集到的參量信號送計算機處理，并根據(jù)混凝劑投加量數(shù)學模型以及反饋微調(diào)投加模型進行分析處理，使凈水濁度合格率達到100％，平均節(jié)約藥劑12～20％，并實現(xiàn)了管理自動化，廣泛適于水廠、污水廠等水質(zhì)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(yōu)先權(quán)日1995年3月22日
發(fā)明者王大志, 付強 申請人:王大志, 付強