一种废水pH自适应控制在DCS中实现的方法与流程

本发明涉及一种废水ph自适应控制在dcs中实现的方法。

背景技术：

国家环保部门曾对5556套工业和生活污水处理设施的运行情况作了全面的调查，结果显示运行效果良好的只占24％，自动化不足是其主要原因之一。ph中和过程是污水处理厂自动控制系统的重要环节，其控制水平的高低会对污水处理的合格程度起着重要作用，高水平的自动化管理不仅能节省人力物力，更能使系统稳定可靠，节约运行成本。

目前大多数ph自动控制采用简单控制方案进行一级或多级调节，传统调节方式的控制性能不佳且成本较高。ph控制性能受污水流量、组成的影响较大，其波动时会导致中和效果较差，进而导致中和出水过酸或过碱。中和是废水处理的一个环节，其后一般设有絮凝沉降以及催化氧化单元，中和效果的好坏直接影响后续处理过程，如ph过碱会导致废水絮凝沉降效果不佳，ss超标；ph过酸会导致催化氧化催化剂活性流失，toc处理不合格。因此ph不能自动稳定控制不仅会增加人力成本，而且会对污水处理系统产生极其不良的影响，破坏生态环境。因此为了快速平稳调节ph并实现其自动控制，设计合理的ph自适应控制方案，克服污水流量及组成的干扰，成为迫切需要解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提高废水ph自动控制性能，通过中和剂主调和辅调的相互作用，快速精准克服污水流量、组成等干扰因素对ph的影响，达到ph自适应调节，避免ph失调对污水处理产生的不良影响。

根据本发明，提供一种废水ph自适应控制在dcs中实现的方法，其特征在于，该方法采用中和剂的主调节回路和辅调节回路来调节废水的ph值，其中中和剂的主调节回路为粗调，克服废水流量波动对ph值调节的干扰，而中和剂的辅调节回路为微调，克服废水组成因素对ph值调节的干扰，该方法包括以下步骤：

实时检测废水的流量f0并通过dcs读取流量数据，与预先设定的废水流量的目标值f设定进行对比，其中废水流量的预先设定的目标波动范围是f设定±a，该a是废水流量以f设定为中心的期望的变化幅度；

(a)当实时测量的废水流量数据f0与其预先设定的目标值波动范围f设定±a的所述目标值f设定之间的偏差△f值是相对于a的>0％到<50％时，选择中和剂的辅调节回路来调节废水的ph值，将中和后的废水的ph实测值与作为中和目标值的ph设定值进行比较，以其偏差△ph(t)通过pid作用，调节中和剂辅调回路阀门开度，使ph得到精确调整，阀位调节量为辅调阀位实际值和设定值之间的偏差△mv＇(t)；

(b)当实时测量的废水流量数据f0与其预先设定的目标值波动范围f设定±a的目标值f设定之间的偏差△f值是相对于a的≥50％时，(1)首先，选择中和剂的主调节回路来调节废水的ph值；(2)然后，将中和后的废水的ph实测值与作为中和目标值的ph设定值进行比较，以其偏差△ph(t)通过pid作用，调节中和剂辅调回路阀门开度，使ph得到精确调整，阀位调节量为辅调阀位实际值和设定值之间的偏差△mv＇(t)。

优选的是，在上述方法中，(1)选择中和剂的主调节回路来调节废水的ph值是通过如下方式来进行的：

中和剂主调节回路的流量与废水流量呈变比例调节，比例因子由阀位控制器给出；主调节回路调节目标为主回路中和剂流量f1，其与废水流量f0的数学关系如下：

f1：主调节回路的中和剂流量设定值；

比例因子(与废水组成有关，为变量，一般在0.15－0.20之间取值，例如0.16、0.17、0.18、0.19)；

f0：废水流量实时测量值。

优选的是，中和剂辅调节回路阀门开度由ph控制器给出。辅调节回路阀门开度实时变化量△mv(t)和△ph(t)(即，目标ph值与实际ph值之差的实时值)之间是通过闭环反馈调节完成的，其满足如下动态关系：

△mv(t)：调节回路阀门开度在t时刻的变化量(本质是调节辅调节回路中和剂流量)；

△ph(t)：t时刻，ph目标值与实际值之间的偏差；

kp、td、ts＝动态方程调节参数；

t：时间。

辅调节回路主要克服废水组成波动对ph的影响，由于废水组成变化多为不可测因素，且干扰频次少、过程长，因此采用反馈调节方式。如公式(2)所示，只要ph未达到控制要求(△ph(t)不为0)，就一直调节辅调节回路中和剂的量(△mv(t)不为0)，直至ph达到控制要求。

进一步优选的是，中和剂辅调节回路与主调节回路阀门cv值的比例在1:5到1:10之间，更优选在1:6到1:8之间。这是由于废水流量和废水组成对ph的影响程度不同，且ph控制本身属于非线性控制。因此采用不同能力的主调和辅调回路，匹配两者对ph的影响程度，达到粗调和微调目的的同时使控制阀门均能在最佳调节范围内工作。

一般来说，比例因子是废水组成的隐函数，其自适应调节是通过辅调节回路的阀位控制器实现的，阀位控制器不仅输出比例因子还使辅调节回路阀门一直处于50％的最佳调控值(上下调节幅度最大)，避免因辅调节回路调节精度低、范围窄，造成阀门一直处于过高或过低的调控状态。比例因子实时变化量和△mv＇(t)(辅调节回路阀门开度实际值与目标值之差的实时值)之间是通过闭环反馈调节完成的，其满足如下动态关系：

比例因子在t时刻的变化量；

△mv＇(t)：t时刻，辅调节回路阀门开度实际值与目标值之差；

kp、td、ts＝动态方程调节参数；

t：时间。

自适应机理如下：当废水组成发生变化，引起ph改变时，辅调节回路阀门实时调节，将ph调节至目标值；由于辅调节回路阀门的实时调节，其开度偏离50％的目标值，此时比例因子将会发生改变，使辅调节回路阀门开度回归至50％，等到下一次废水组成变化时，可保持最大的调节能力。上述动作的过程最终使得，废水组成的变化引起了比例因子的实时调节，即最终达到自适应调节的目的。

简单来说，根据本发明，提供了一种废水ph自适应控制在dcs中实现的方法，包括如下步骤：

①测量废水流量f0，并通过dcs读取。

②以废水流量的测量值f0乘以中和比例因子作为中和剂的主调流量设定值f1，立即调节中和剂的主调流量，使ph得到快速粗调。

③比较中和后废水ph的设定值和实际值，以其偏差△ph(t)通过pid作用，调节中和剂辅调回路阀门开度，使ph得到精确调整，调节量为△mv(t)。

④比较中和剂的辅调阀位实际值和设定值，以其偏差△mv＇(t)通过pid作用，调节中和比例因子使比例因子适应废水组成等其他因素的变化，同时使辅调阀门处于50％开度左右，保持其上调和下调的最大空间。

综上所述，本发明所述自适应控制方法，通过以下数学模型调节中和剂流量，达到克服废水流量和废水组成对ph的影响，使得中和比例因子自适应调节。

在公式(2)和(3)中，方程参数kp、td、ts可通过阶跃测试，由imc算法结合实际情况给出。

需要指出的是，imc算法仅仅是pid整定中常用的一种算法，实际过程中pid整定采用经验法较多，且pid整定是本领域技术人员的必备的基本知识，这里不再赘述。

一般而言，公式(2)中，方程参数kp、td、ts在本发明中建议取值范围分别为1.5～2.5、400～600、10～20；优选，分别为1.7～2.3、450～550、12～18；更优选，分别为1.8～2.2、470～530、13～17；更优选，分别为1.9～2.1、480～520、14～16；更优选，分别为2.0、500、15。具体值应根据实际整定效果进行确定。

一般而言，公式(3)中，方程参数kp、td、ts在本发明中建议范围分别为0.2～0.5、800～1200、0～5。优选，分别为0.23～0.47、850～1150、0.5～4.5；更优选，分别为0.25～0.45、880～1120、1.0～4.0；更优选，分别为0.28～0.43、920～1080、1.5～3.5；更优选，分别为0.30～0.40、950～1050、1.8～3.2；更优选，分别为0.33～0.37、980～1020、2.0～3.0；更优选，分别为0.35、1000、2.5。具体值应根据实际整定效果进行确定。

在本申请中，优选的是，废水是含碱的废水，中和剂是无机酸类或有机酸类。

在本申请中，优选的是，a是f设定值的1/10至1/5，更优选1/8至1/6。

本发明的优点

本发明相比传统控制，有以下优势：(1)通过中和剂与污水流量的比例控制，提前消除污水流量波动对ph的影响；(2)通过辅调回路，快速克服污水组成等其他因素对ph的影响；(3)通过阀位控制器，使中和比例因子自适应调节，同时保持辅调回路的最大调节能力。ph的自动稳定控制不仅为下游污水处理单元提供了良好的基础，同时提高了装置自动化水平，减轻了操作人员的劳动强度。

附图说明

图1是本发明提供的废水ph自适应控制在dcs中实现方法的示意图。

图2是本发明的运算实施例1中的闭环计算逻辑图。

图3是本发明的运算实施例1中的自动调节与手动调节的效果对比图。其中横坐标是日期，纵坐标是中和后废水ph值的实时值。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明作进一步的描述。

图1以示意流程图显示了本发明的废水ph自适应控制在dcs中实现方法。

运算实施例1

如图2中所示，在本运算实施例1中采用闭环计算逻辑图来进行操控。

某化工厂处理含碱废水。废水流量的预先设定的目标波动范围是f设定±a。废水设定流量f设定＝12t/h。废水流量以f设定为中心的期望的变化幅度a＝2t/h。

该化工厂的废水流量fic-001.pv为12t/h，在当前稳态运行工况下，主调比例因子为0.17，(酸类)中和剂(例如5wt％浓度的盐酸)的主调节流量fic-002.pv为2.04/h，辅调节阀开度fv-003为50％，最终控制目标ph设定值ph-001.sp为8.3，实际值为ph-001.pv为8.3，满足要求。

1)随后，在某一时间段中出现工况一：

装置负荷提升，废水流量由f设定＝12t/h增加到f0＝15t/h。废水流量偏差值△f＝f0-f设定＝3t/h，此时△f>(a×50％)，因此，按本发明控制逻辑，选择中和剂的主调节回路来调节废水的ph值。运算结果如下：

①如公式(1)所述，主调流量

②由于废水组成未改变，按酸碱中和原理，主调流量fic-002.sp按比例提升后，ph-001.pv未出现扰动(仍为8.3)，即△ph(t)＝0，如公式(2)所述△mv(t)＝0，即辅调节回路阀门fv-003无需动作，保持50％开度。

③如公式(3)所述，△mv(t)＝0使得即主调节回路中和因子无需变动。

通过以上逻辑，控制过程形成稳态闭环，快速克服了负荷提升对ph控制带来的扰动。

2)随后，在另一时间段中出现工况二：

装置反应器效率下降，废水流量没有变化(△f≈0t/h)，即△f<(a×50％)；但是，废水中废碱含量提高6％，即废水组成发生了改变。按本发明控制逻辑，运算结果如下：

①如公式(1)所述，由于负荷未变，且无法实时测量废水组成，因此主调流量fic-002.sp仍维持2.04t/h。

②由于废水中含碱量增加，按酸碱中和原理，因主调流量fic-002.sp未及时作出响应，ph-001.pv出现升高趋势(>8.3)，即△ph(t)>0，如公式(2)所述△mv(t)>0，即辅调节回路阀门fv-003开大(＞50％)，中和剂流量提升。由于该过程中实时检测ph-001.pv，并根据偏差调节fv-003开度，因此最终ph-001.pv逐渐降低到8.3，fv-003开度逐渐提高到57％。

③如公式(3)所述，△mv(t)>0使得即主调节中和比例因子不断提高，如公式(1)所述，fic-002.sp不断提高；按中和原理，fic-002.sp的提高打破②建立的平衡，使得ph-001.pv出现降低趋势(＜8.3)，如公式(2)所述，此时△mv(t)＜0，即辅调节回路阀门fv-003降低，如此循环往复③-②-①-③过程，直至fv-003重新降低到50％，形成新的稳态，此时主调节中和比例因子不断提高并稳定至0.18，主调流量fic-002.sp＝2.16t/h。主调节中和比例因子的试差确定过程最终使得ph控制达到自适应的目的。

图3显示了自动调节与手动调节的效果对比图。横坐标是日期，纵坐标是中和后废水ph值的实时值。

操作实施例a

根据本发明，提供了一种废水ph自适应控制在dcs中实现的方法，包括如下步骤：

①测量废水流量fic-001.pv，并通过dcs读取其数值。

②以废水流量的测量值fic-001.pv乘以中和比例因子作为中和剂的主调流量设定值fic-002.sp，中和剂的主调流量迅速响应，使ph得到快速粗调，克服了废水流量对ph的干扰。

③比较中和后废水ph的设定值ph-001.sp和实际值ph-001.pv，以其偏差△ph(t)通过pid作用，调节中和剂辅调回路阀门fv-003，使ph精确调整到ph-001.sp。

④比较辅调回路阀门fv-003的阀位实际值vc-001.pv和设定值vc-001.sp(50％)，以其偏差通过pid作用，调节中和比例因子主调回路流量设定值fic-002.sp随改变，ph间接得到调节。反复该过程，直至fv-003回归到最佳调节位置，即50％。

通过以上步骤就可以使中和剂主调和辅调相互关联，各自保持其最佳控制性能，快速准确克服废水进料和组成波动对ph的干扰，达到自适应调节的目的。

操作实施例b

某化工厂产生的一股废水，采用5％盐酸作为中和剂在中和池内进行ph调节。受生产负荷影响，该股废水的流量及组成波动较大，使得原设计的ph单回路控制无法自动调节，该回路一直处于手动状态，员工操作量高达20次/班，ph超调±2以上，不能满足后续废水处理的工艺需求，同时严重影响了装置自动化程度。为此，根据本专利进行改造，硬件上在原单回路基础上增加辅调回路，两者调节阀cv值比例为1:8，在dcs中按照本专利设计的控制方案进行重新组态，经过参数整定，改造后的控制回路得到稳定投用，ph不需人工调节，自动化得到大幅提升；同时ph控制更加精准，偏差在±0.5以内，保护了下游废水处理装置，提高了装置运行的稳定性。