一种水厂臭氧接触池进水流量的在线软测量方法 【技术领域】
本发明涉及一种水厂臭氧接触池进水流量的测量方法，尤其涉及一种臭氧接触池进水流量的在线软测量方法。
背景技术
中国广大城镇居民的饮用水基本来源为自来水，自来水水质对居民的身体健康至关重要，要求做到感官方面无色透明，无嗅无味；在化学方面不含有害毒物；在细菌学方面不含致病菌，因而对大肠杆菌及细菌总数都有限制。对III类水质原水，自来水厂采用传统常规处理工艺基本可以满足上述要求。
水厂传统常规处理工艺主要是在沉淀池前端投加混凝剂以使水中胶态颗粒脱稳，经过凝聚、絮凝、沉淀，去除水中的杂质微粒，降低原水浊度；水厂加氯消毒工艺一般分为前加氯和后加氯，前加氯在原水进入沉淀池之前进行，其主要目的是氧化和降解原水中的有机物，同时杀灭水中藻类，避免其在沉淀池及滤池中生长；后加氯在清水池中进行加氯消毒，使出厂水中保持一定浓度的余氯，从而保证自来水终端用户水质不变质。
水厂传统常规处理工艺主要是去除水中悬浮颗粒、胶体物质和细菌，此工艺已被世界各国延续使用一百多年。然而，我国改革开放以来，一方面随着工农业的高速发展、城市化步伐加快，一些地方政府往往片面追求GDP增长，疏于环境监管、保护和治理，导致不少城市，尤其是位于江河下游城市的水源受到污染和富营养化的状况正逐步加深，原水水质不断劣化；受污染的原水中溶解性有机物的增多，使得常规工艺对水中污染物的去除效果明显下降；另一方面，随着人们生活水平的提高，广大市民对饮用水的要求越来越高。为此，迫切要求原水水质低于III类的城镇水厂在传统常规处理工艺基础上增加深度处理工艺，以提高出水水质。臭氧-生物活性炭深度处理工艺由德国首先开发并已在欧美、日本等发达国家广泛应用。臭氧的强氧化性及活性炭的吸附和降解特性，使得该工艺对饮用水中难降解有机物有很好的处理效果。实验研究及水厂大规模应用结果均表明，在常规工艺后增加“臭氧-活性炭”深度处理工艺，不仅能够去除水中的有机物，还能去除水中的铁、锰、色度等，提高水的安全性和生物稳定性。我国少数城市水厂在传统常规处理工艺基础上也开始增加采用此深度处理工艺。
用预臭氧代替前加氯，可初步氧化分解水中的有机物及其它还原性物质，并可以去除藻类、促进絮凝、减少絮凝剂用量、降低待滤水的浊度、提高过滤速度和延长过滤周期、减少过滤反冲洗水量、提高砂滤出水的水质。在砂滤池后增加了主臭氧和生物活性碳环节，其中主臭氧目的是消毒和有效地将水中难以生物降解的有机物断链、开环，提高原水中有机物的可生化性和可吸附性；生物活性炭凭借表面的吸附和生物膜的降解作用对有机物进行去除。
主臭氧和活性炭是整个深度处理工艺的关键环节，主臭氧投加质量的好坏直接影响到该环节的处理效果。在原水水质保持稳定情况下，臭氧投加控制系统可近似为一个比值控制系统，故连续获取臭氧接触池实时进水流量是臭氧连续投加控制的基础。如果臭氧接触池的进水流量不可测，则难以实现比值控制；同时，臭氧接触池进水流量不可测且时变则意味着臭氧投加控制过程的时延未知且时变；此外，臭氧接触池进水流量的变化还直接影响余臭氧变化过程中的静态增益及模型其他参数，因此连续获取臭氧接触池实时流量对臭氧投加实施准确控制非常关键。
本发明研究对象——苏州市自来水公司相城水厂在常规工艺后增加“臭氧-活性炭”深度处理工艺改造时，由于受环境和管道结构的限制无法在臭氧接触池之前的提升泵房出水处安装在线流量计(我国许多城镇原采用传统常规工艺水厂今后在常规工艺后增加“臭氧-活性炭”深度处理工艺改造时通常也存在此困难)，从而无法在线测得臭氧接触池进水实时流量。负责苏州市自来水公司相城水厂臭氧投加系统供货、安装、调试的德国WEDECO公司工程技术人员，与苏州市自来水公司相城水厂有关负责人商议后，把后续工艺活性炭滤池的出口在线流量计流量作为臭氧接触池的进水流量，活性炭滤池液位波动对炭滤池的出口流量存在着迭加影响，尤其在工况大幅改变(如一、二泵房开关车以及炭滤池反冲洗)情况下炭滤池存在液位波动很大，将后续工艺活性炭滤池的出口在线流量计流量作为臭氧接触池的进水流量将出现很大偏差，从而导致臭氧投加控制失准、严重影响出厂水质稳定。
虽然，水泵生产厂商对出厂水泵通常会提供水泵在扬程范围内额定流量曲线，但水厂长年运行的水泵由于存在涡轮叶片磨损、主轴磨损松动等问题，将不可避免地导致其扬程范围内额定流量性能曲线的偏移；又鉴于水厂供水不能中断，因而不允许对水泵进行拆卸、离线试验和对其流量性能曲线进行离线测定。
【发明内容】
发明目的：本发明根据研究水厂的工艺条件，解决我国许多原采用传统常规工艺水厂在常规工艺后增加“臭氧-活性炭”深度处理工艺改造时水厂通常受环境和管道结构的限制，无法在臭氧接触池之前的提升泵房2出水处安装在线流量计，不能在线测量臭氧接触池进水实时流量的问题，提出利用臭氧接触池进水前的提升泵房2(变频控制)出水流量来实时计算臭氧接触池的进水流量的软测量试验与测量方法，从而为尔后的臭氧投加优化控制提供准确地臭氧接触池的进水流量数据。
技术方案：
本发明为解决以上技术问题采用如下技术方案：
一种水厂臭氧接触池进水流量的在线软测量方法，包括如下步骤：
第(I)步骤、臭氧接触池进水提升水泵在线工作条件下的试验步骤，分别获取提升水泵在实际最大工作扬程Hmax和实际最小工作扬程Hmin下的频率-流量对应关系曲线：
(一)提升水泵在实际最大工作扬程Hmax下的频率-流量对应关系曲线获取步骤：
步骤1，将结合井的液位设定在最低允许液位Lmin处，也即提升水泵在实际最大工作扬程Hmax下运行；
步骤2，关闭被测提升水泵，固定其他提升水泵的运行频率不变，等待炭滤池出水流量稳定时，读取炭滤池出水在线流量值Qorigin；
步骤3，开启被测提升水泵并将运行频率fs调节到58％fmax，等待炭滤池出水流量稳定；
步骤4，读取炭滤池出水在线流量值Qo及每个炭滤分池的液位变化量ΔLj，臭氧接触池进水流量Qi＝Qo-ΔQ，其中ΔQ为炭滤池液位波动造成的炭滤池出水流量变化量，n为炭滤分池个数，S为每个炭滤分池的横截面积，Δt为统计时间；ΔLj与Qo为多组连续测量值经过滤波和取平均处理后的结果；计算被测提升水泵运行频率fs为58％fmax时的出水流量值Qt＝Qi-Qorigin；
步骤5，将被测提升水泵的运行频率fs依次增加5％fmax，等待炭滤池出水流量稳定后再次执行步骤4，共反复增加8次，直至被测提升水泵的运行频率fs大于98％fmax，进入步骤6；
步骤6，将以上步骤测得的9组被测提升水泵的频率fs和流量值Qt采用曲线拟和的方法得到被测提升水泵在实际最大工作扬程Hmax下的频率-流量对应关系曲线。
(二)提升水泵在实际最小工作扬程Hmin下的频率-流量对应关系曲线获取步骤：
步骤A，将结合井的液位设定在最高允许液位Lmax处，也即提升水泵在实际最小工作扬程Hmin下运行；
步骤B～步骤F采用与(一)中步骤2～步骤6所述的方法相同。
第(II)步骤、测得臭氧接触池进水提升水泵当前工作扬程Hreal，结合第(I)步骤得到的提升水泵在Hmax和Hmin条件下的频率-流量对应关系曲线，采用线性插值和曲线拟合的方法获得提升水泵当前工作扬程Hreal下的频率-流量对应关系曲线，自动查询该曲线得到提升水泵当前运行频率freal下的实时流量，当有多台提升水泵并联工作时，则多台并联工作的提升水泵实时流量之和即为臭氧接触池进水流量。
所述线性插值的方法如下式：
QH_real=QH_max+(Hreal-Hmin)×(QH_min-QH_max)(Hmax-Hmin)---(1)]]>
上式中：Hreal代表被测提升水泵的当前工作扬程；
Hmax代表被测提升水泵的实际最大工作扬程；
Hmin代表被测提升水泵的实际最小工作扬程；
QH_real代表插值得来的被测提升水泵在当前工作扬程Hreal下的出水流量值；
QH_min代表被测提升水泵在实际最小工作扬程Hmin下的出水流量值；
QH_max代表被测提升水泵在实际最大工作扬程Hmax下的出水流量值。
有益效果：
本发明适用于提升水泵的运行频率和工作扬程可测且工艺过程中存在与之相关的参考流量情况下水厂臭氧接触池进水流量的软测量，同时也适用于类似工况下的水流量软测量，其主要技术特点是：方法实用可靠，不需要增加任何额外成本，具有广泛的适用性。
【附图说明】
图1是常规饮用水处理工艺流程图；
图2是常规+“臭氧-活性炭”深度处理工艺流程图；
图3是提升水泵频率-流量对应关系曲线在线试验工艺现场图；
图4是提升水泵频率-流量对应关系曲线在线试验方法示意流程图；
图中：Lmin代表结合井的最低允许液位；Hmax代表结合井的最高允许液位；
fs代表被测提升水泵的运行频率；fmax代表被测提升水泵的最大运行频率；
τ代表一阶惯性系统时间常数；
Qorigin代表关闭被测提升水泵时的炭滤池出水流量；Qo代表炭滤池出水流量；
Qi代表臭氧接触池进水流量；ΔLj代表每个炭滤分池的液位变化量；
ΔQ代表由炭滤池液位波动造成的炭滤池出水流量变化量。
图5是提升水泵出水流量软测量示意流程图。
图6是本发明的实施例中1#提升水泵在实际最大工作扬程6m下的频率-流量对应关系曲线。
图7本发明的实施例中1#提升水泵在实际最小工作扬程5.6m下的频率-流量对应关系曲线。
图8本发明的实施例中1#提升水泵在实时工作扬程5.85m下的频率-流量对应关系曲线。
【具体实施方式】
下面结合在苏州市自来水公司相城水厂的实际在线试验对本发明的技术方案进行详细说明：
如图2所示，水厂臭氧接触池进水是通过前面的提升泵房2提升后自流形成的，提升泵房2共通常有多台提升水泵并联或间歇轮流工作。提升泵房2将结合井中的水提升到臭氧接触池中，因此臭氧接触池的进水流量也即提升泵房2的总出水流量。
臭氧接触池之后是活性炭滤池，活性炭滤池的出口处安装有在线流量计。在水流流速和缓、没有泵房开关车及大幅调节频率的稳定工况下，可根据活性炭滤池的出水流量和液位波动近似计算出臭氧接触池的进水流量，从而作为辨识提升水泵频率-流量对应关系曲线的参考流量。
第一步，对提升水泵频率-流量对应关系曲线进行在线测试试验，其工艺现场如图3所示。提升泵房2有6台提升水泵并联工作，其中4台工作2台备用，因此需要对6台提升水泵逐个进行在线测试试验。结合井的设计标高为7.1m，最高允许液位为1.5m，最低允许液位为1.1m。因此提升泵房2中的提升水泵实际最小工作扬程为5.6m(结合井的设计标高7.1m减去结合井最高允许液位1.5m)，实际最大工作扬程为6m(结合井的设计标高7.1m减去结合井最低允许液位1.1m)。
如图4所示，对提升泵房2的1#提升水泵在线测试验的具体步骤如下：
(一)获取提升水泵在实际最大工作扬程6m下的频率-流量对应关系曲线：
步骤1，将结合井的液位设定在1.1m处；
步骤2，关闭1#提升水泵，将其他三台工作的提升水泵的运行频率设定为90％fmax，等待炭滤池出水流量稳定时，读取此时炭滤池出水在线流量值为Qorigin；
步骤3，开启1#提升水泵并将运行频率调节到58％fmax，等待炭滤池出水流量稳定；
步骤4，读取此时的炭滤池出水在线流量值Qo及每个炭滤分池的液位变化量ΔLj；并由此计算出1#提升水泵在当前运行频率时的流量值Qt。
步骤5，判断1#提升水泵的运行频率是否小于98％fmax，如果小于98％fmax则将1#提升水泵的运行频率增加5％fmax，等待炭滤池出水流量稳定后跳转至步骤4；如果大于98％fmax则执行步骤6；
以上试验步骤测得58％fmax-98％fmax之间的9组频率-流量值如下表所示：
步骤6，对上表中的离散值进行最小二乘曲线拟和，得到1#提升水泵在实际最大工作扬程6m下的频率-流量对应关系曲线，如图6所示。
对于步骤3中的补充解释：
(1)关于将运行频率调节到58％fmax的解释。一般提升水泵在开泵时直接将频率调节到50％fmax以上，一方面因为频率太低容易使得水泵有转速而没有流量不能正常供水，且增加管路阻力，严重的时候有可能损害水泵；另一方面水泵频率太低使得出水的功耗比太低，从而严重不节能；为保险起见本发明直接调节到58％fmax。
(2)关于炭滤池出水流量稳定的解释。由于大多数工业过程对象为一阶系统，设在线试验对象的传递函数为其中通过阶跃响应试验可测得其时间常数τ(输出量上升到稳态值的63.2％所需的时间)，工程上通常取4τ作为系统的响应时间(4τ时系统的输出量已达到稳态值的98.2％)，因此在将被测提升水泵运行频率设定好以后至少要等待4τ时间才能保证炭滤池出水流量基本稳定。
(二)获取提升水泵在实际最小工作扬程5.6m下的频率-流量对应关系曲线：
将结合井液位设定在1.5m，重复以上(一)中步骤2-步骤6可以获得1#提升水泵在实际最小工作扬程5.6m下的频率-流量对应关系曲线，如图7所示。
下面根据以上试验得到的1#提升水泵在6m和5.6m下的频率-流量对应关系曲线，以及在正常工作下测得的结合井液位1.25m，对1#提升水泵的实时出水流量进行计算，其示意流程如图5所示，具体步骤如下：
步骤1，对1#提升水泵在6m和5.6m下的频率-流量对应关系曲线进行采样，采样值如下表所示：
步骤2，对上表中的采样值进行线形插值得到实际工作扬程5.85m下的频率流量离散表格如下：
步骤3，对上表中的离散值进行最小二乘曲线拟和，得到1#提升水泵在实时工作扬程5.85m下的频率-流量对应关系曲线，如图8所示。
步骤4，查询上图中的曲线，即可得到1#提升水泵的实时出水流量(如：查询曲线，频率86％fmax对应的流量值为920m3/h)。
采用相同的方法可以得到2#-6#提升水泵的实时出水流量(若当前4#、5#备用则为零)，1#-6#提升水泵实时出水流量之和即为臭氧接触池的进水流量。