Технологических процессов в системах водоснабжения

8.1. Автоматизация водоприемников

При заборе воды из поверхностных источников в водо­приемных сооружениях применяются автоматические устройства для регулирования уровня воды, промывки механических (бара­банных или ленточных) водоприемных сеток, управления насо­сами, контроля и сигнализации о работе водоприемника и уровня воды в водоеме.

Необходимость автоматического регулирования воды в водо­приемнике связана с колебаниями уровня в источнике. Для этого используют щиты и затворы с гидравлическим, пневматическим или электрическим управлением. Создание схем управления шибе­рами и затворами не вызывает больших трудностей и выполняется на базе серийных исполнительных механизмов общепромышлен­ного назначения. Однако в процессе эксплуатации автоматизиро­ванные шиберы и затворы нуждаются в систематическом обслу­живании в связи с коррозией и влиянием отрицательных темпе­ратур воздуха.

Автоматическая промывка барабанных сеток водоприемников осуществляется с помощью гидравлического привода (рис. 86). При засорении сеток увеличивается перепад уровней воды до и после сеток. По достижении предельного перепада поплавковый или манометрический указатель подает сигнал на передвижение сетки и промывку напорной водой ее засоренных участков. Бара­бан 8 с сеткой снабжен ободом 2, имеющим зубья червячной пе­редачи. Червяк 1 посредством редуктора 4 связан с гидравличе­ской турбиной 6. Эксцентрик 3, укрепленный на червячном валу, с помощью шатуна 5 открывает и закрывает кран 7 на трубе, по­дающей воду для промывки сетки.

Схема автоматической промывки ленточной вращающейся сетки приведена на рис. 87. При возрастании перепада уровней воды до и после сетки из-за засорения ее контактная система 5 дифференциального манометра 6 включает открытие задвижки 4. После поступления воды на промывку контактный манометр 3 включает двигатель 7 и приводит во вращение сетку 2. По мере отмывки сетки перепад уровней уменьшается и дифманометр 6

контактами минимального перепада закрывает задвижку 4. Из­вестна также система автоматической промывки сеток с исполь­зованием дифференциального реле ДРД и измерением уровней барботажным способом. Используется и периодическая автома­тическая промывка сеток по установленной программе времени. Водоприемники больших систем водоснабжения оборудуют оградителями для защиты от шуги и льда, которые иногда снаб­жают паровыми или электрическими нагревателями. В целях эко­номии теплоты в них применяют автоматические шумосигнализаторы, с высокой точностью определяющие моменты включения и выключения обогрева оградителей. Работа этих приборов осно­вана на различиях в электропроводности воды и льда (рис. 88).

Сигнализатор фиксирует увеличение электрического сопротивле­ния между электродами при появлении шуги или льда. При по­крытии электродов 3 льдом сопротивление электрической цепи скачкообразно увеличивается, что нарушает баланс моста. Появ­ляющееся при этом напряжение от трансформатора 1 в диагонали моста через селеновый выпрямитель 2 воздействует на поляризован­ное реле РП, которое замыкает контакт в цепи исполнительного механизма и цепи сигнализации. В сифонных водоприемниках осуществляются автоматическое управление вакуум-насосами и контроль вакуума в вакуум-котле.

8.2. Автоматизация процесса коагуляции природных вод

Коагуляция является важнейшим этапом в технологии водообработки и представляет собой сложный физико-химический процесс, механизм которого до сих пор полностью не раскрыт. Процесс зависит от многих факторов: щелочности воды и вели­чины ее рН, цветности, концентрации и температуры, степени дисперсности и природы взвешенных и коллоидных частиц, их электрического потенциала. Существенное значение имеют вид применяемого коагулянта, его химический состав и посторонние примеси. Большое число этих факторов, их нестабильность во времени и зависимость от свойств воды конкретного водоисточ­ника, а также невозможность оперативного определения боль­шинства из них существенно усложняют управление этим про­цессом. Поэтому большинство АСР этого процесса пока связаны лишь с экономным дозированием коагулянта.

Для работы в АСР дозированием растворов коагулянтов по расходу обрабатываемой воды используются регуляторы двух видов: клапаны с линейной характеристикой в непрерывном режиме ра­боты и запорные клапаны в импульсном режиме работы (открыт-закрыт). Непрерывная подача реагента предпочтительнее импуль­сной как для технологии очистки воды, так и для долговечности работы привода клапана. Схема АСР непрерывного дозирования раствора коагулянта приведена на рис. 89. В ней, как и в показан­ной ранее на рис. 55, используются два измерителя расходов (воды и коагулянта) и регулирующий клапан.

Схема АСР подачи коагулянта с применением бункерного бака-дозатора показана на рис. 90. Расход обрабатываемой воды в трубе измеряется с помощью сужающего устройства (сопла Вентури), дифманометра и вторичного прибора со 100%-ным вторичным задатчиком.

Сигнал, пропорциональный расходу воды, с задатчика поступает на вход электронного регулятора, выход кото­рого через реверсивный пускатель связан с электроприводом исполнительного механизма дозатора. На другой вход регулятора от реостатного датчика исполнительного механизма поступает сигнал обратной связи. Таким образом, в этой АСР обратная связь осуществляется не непосредственно по расходу, а по положению регулирующего органа, определяющего расход. При нарушении заданного соотношения расходов сигнал рассогласования вклю­чает исполнительный механизм дозатора, который действует до тех пор, пока не восстановится прежнее положение.

Как известно, введенные в воду коагулянты изменяют электри­ческую проводимость воды, и это обстоятельство также использу­ется для регулирования дозы коагулянта. Так, в кондуктометрических системах дозирования применяется разность удельных элект­рических проводимостей обработанной коагулянтом и исходной воды. По этому принципу построена АСР подачи коагулянта, при­веденная на рис. 91. В ней на вход регулятора 5 подаются выходные сигналы от расходомера 4 и кондуктометра 20, снабженного трехпозиционным контактным регулятором. Связь кондуктометра с регулятором осуществляется через блок формирования пауз 16, блок управляющих импульсов 15 и промежуточный исполнитель­ный механизм 10. Приборы 75 и 16 введены в схему из-за большого запаздывания (12-15 мин) сигнала, поступающего от кондуктомера после очередного измерения дозы коагулянта. Управляющий им­пульс, поступающий с блока 15, вызывает поворот вала промежу­точного исполнительного механизма и соответствующее переме­щение движка вторичного реостатного датчика (или плунжера ин­дукционного датчика), включенного на вход измерительного блока регулятора 5. Выходной сигнал регулятора через магнитный пуска­тель 19 воздействует на электропривод 22 регулирующего клапана.

Данная АСР позволяет осуществлять как непрерывное дози­рование путем дросселирования регулирующего клапана, так и импульсное — путем периодического открытия и закрытия кла­пана. В качестве пускового устройства при импульсном режиме работы применяют трехфазный тиристорный усилитель 21. Сис­тема дозирует коагулянт только по приращению электрической проводимости без участия расходомера воды. Положение кон­тактного регулятора кондуктометра сигнализируется лампами 17, конечные положения регулирующего клапана — лампами 18. В качестве регулирующего органа используется мембранный кла­пан с электроприводом.

1,2— первичные преобразователи кондуктометрического

концентратомера обработанной и исходной воды; 3,4 — расходомер

воды; 5 — регулятор импульсный; б — ключ управления отключением

воздействия расхода воды; 7 — ключ управления переводом

на дистанционное управление дозированием коагулянта; 8 — ключ

дистанционного управления дозированием коагулянта; 9 — задатчик

регулятора; 10 — исполнительный механизм с датчиком обратной

связи; 11 — указатель положения вала исполнительного механизма;

12,19 — пусковые реле; 13 — ключ для перевода на полуавтоматическое

управление; 14 — ключ полуавтоматического управления; 15 — импульсный ступенчатый прерыватель; 16 — прибор командный

электропневматический; 17,18 — сигнальные лампы;

20 — концентратомер кондуктометрический; 21 — усилитель

тиристорный (пускатель магнитный; 22 — электропривод клапана;

23 — клапан регулирующий); 24 — клапан на байпасе; 23 — бак

коагулянта

8.3. Автоматизация процессов отстаивания

и фильтрации воды

Несмотря на кажущуюся простоту процессов, проис­ходящих в отстойниках, довольно трудно добиться их работы в оптимальном режиме с эффективным использованием всего объ­ема рабочего пространства. Особенно сложно стабилизировать режим работы осветлителей со взвешенным слоем осадка, где на гидродинамику процесса накладываются колебания температуры. Такие осветлители нуждаются в автоматизации в большей сте­пени, чем отстойники.

Схема АСР гидравлической нагрузки на осветлитель, выпол­ненная на элементах серийной системы «Каскад» (рис. 92), обес­печивает регулирование нагрузки, превышающей 50% номиналь­ной, по расходу воды, подаваемой в осветлитель, и по уровню воды в сборном резервуаре. Помимо этого, система регулирует поступление в осветлитель воды от промывки фильтров. Регулятор 3 с измерительным

блоком 2, получая входные сигналы от расходомера 5 и уровнемера 1, воздействует на исполнительный механизм задвижки на трубопроводе подачи исходной воды и таким образом регулирует расход воды, поступающей на осветлитель, в зависимости от уровня воды в промежуточном баке. Регулятор 6, получая сигналы от расходомеров 5 и 8, воздействует на исполни­тельные механизмы задвижек 4 и таким образом регулирует соот­ношение между расходами исходной воды и промывной воды, по­ступающей от механических фильтров. Расход промывной воды, поступающей на осветлитель, составляет 2—6% полного расхода. Соотношение между расходом воды на осветлитель, расходом промывной воды и уровнем в промежуточном резервуаре задается задатчиками 7.

Для удаления из воды мелкодисперсных и коллоидных частиц, не задержанных в отстойниках и осветлителяхл1сг1ользуют обычные^ скорые фильтры сУнеотной1зёрнистой загрузкой (песок, гравий, дробленый антрацит). Рабочие циклы (фильтрование) периоди-чески прерываются для восстановления фильтрующей способ­ности загрузки путем промывки чистой водой.

При устройстве АСР производительности фильтров и скорости фильтрования .различают два способа наполнения открытых фильтров водой. По первому способу подача воды производится напуском с разрывом напорного потока. В этом случае фильтры не имеют между собой гидравлической связи: производительность и скорость фильтрования_отдельного фильтра могут регулироваться по уровню воды или по потерям напора, а общая произво­дительность фильтровального отделения регулируется графиком вывода фильтров на промывку и_ ремонт.

По второму способу вода на фильтр подводится под уровень воды, т. е. под небольшим напором. При таком способе увеличение сопротивления загрузки в_одном из фильтров или вывод фильтра на промывку влечет за собой перераспределение воды по другим фильтрам. Скорость филътрования регулируется по расходу воды, прошедшей через Фильтр, а общая производительность — по уровню в резервуарах чистой воды (рис. 93). По такой схеме_работают все напорные фильтры. На станциях небольшой производительности применяют регуляторы скорости фильтрования прямого действия (поплавковые с дроссельной заслонкой или гид­равлические).,.

Система управления открытыми фильтрами (рис. 94) состоит из двух не связанных между собой подсистем — для регулирова­ния скорости фильтрования и управления промывкой фильтра.

Первая действует по отклонению расхода фильтрата от заданного значения и построена на базе расходомера и П-регулятора. Освет­ленная вода через открытую задвижку 3 отводится в резервуар чистой воды. Расход воды воспринимается сужающим устрой­ством 2 с дифманометром 7, электрический сигнал с которого поступает в регулятор 8, управляющий приводом задвижки с по­мощью магнитного пускателя 9. Задвижка открывается до тех пор, пока уменьшение ее сопротивления не скомпенсирует прирост потерь в зернистой загрузке. Перепад напора в фильтре измеря­ется дифманометром 4 и вторичным прибором 5 с позиционным регулятором, по сигналу которого приводится в действие подсис­тема управления промывкой.

Когда наполнение фильтра производится не под уровень воды и между фильтрами нет гидравлической связи, регулирование скорости фильтрования производится по уровню с помощью электродного датчика 1, регулятора 6 и магнитного пускателя 9 привода задвижки 3.

Схема АСР производительности фильтра с автоматическим задатчиком (рис. 95) реализует зависимость скорости фильтрова­ния от уровня в открытом подводящем коллекторе. Система применяется только в тех

случаях, когда между фильтрами гидравлическая связь. Восстановление фильтрующей способности фильтра связано с рядом операций, производимых в определенной последовательности с заданной продолжительностью: отключение фильтра от общей магистрали (0,5-1 мин); включение промывных насосов (напорного резервуара) и воздуходувок и водовоздушное взрыхление загрузки (3-5 мин); отключение воздуходувок промывки 5-10 мин); спуск первого фильтрата после промывки (3—5 мин); включение фильтра в рабочий цикл (1—2 мин).

Выполнение перечисленных операций связано с открытием и закрытием пяти-шести задвижек на каждом фильтре, включение и отключением насосов и воздуходувок. При большом числе фильтров выполнение этих операций возможно только при дистанционном или автоматическом управлении. Задача автоматизации фильтров заключается не только в оперативном и надежном управлении переключательными операциями, но и в том чтобы добиться максимальной продолжительности фильтроцикла чтобы с наменьшими затратами воды.

8.4. Автоматизация процессов обеззараживания воды

Наиболее распространенный способ обеззараживания воды на водопроводных станциях — обработка хлором. Газообраз­ный хлор хорошо растворяется в воде, однако непосредственно из баллонов не может вводиться в воду по условиям техники безо­пасности. Для введения газообразного хлора в воду служат хлора­торы — аппараты, предназначенные для снижения давления и дозирования хлора. Схема одного из них (модель С-0378, рис. 96) состоит из технологического блока А (дозатора) и блока управ­ления Б. Принцип работы блока дозирования следующий. Хлор-газ, проходя запорный вентиль и фильтр, поступает в регулятор давления, где оно понижается до 1,5 ±0,05 кгс/см² (0,15 МПа) и остается таким в качестве рабочего. Давление задается нажимной пружиной регулятора с помощью регулирующего винта.

Из регулятора давления газ поступает через мембранную ко­робку манометра в электрический ротаметр, сигнал от которого

передается в блок управления Б для выработки управляющего сигнала исполнительному механизму регулирующего клапана. Управление исполнительным механизмом обеспечивается ПИ-регулятором. Регулирование количества газа возможно и вручную с помощью маховика ручного управления приводом. На корпусе привода размещен миллиамперметр, служащий указателем поло­жения запорного конуса вентиля.

К нижней части вентиля присоединен вакуумный клапан. При нормальном режиме работы хлоратора после вентиля должно быть разрежение не ниже 0,02 МПа, при котором клапан открыт. При падении разрежения ниже 0,02 МПа клапан перекрывает по­ток газа. Таким образом, вакуумный клапан пропускает газ только при заданном разрежении. Из редукционного вентиля газ, пройдя обратный клапан, попадает в эжектор. Если подача хлор-газа пре­рывается, обратный клапан закрывается и предотвращает попада­ние воды в газопровод, а оттуда в эжектор. В эжекторе хлоргаз перемешивается с рабочей водой и направляется в обрабатыва­емую воду. Схема АСР хлоратором по расходу воды и остаточному хлору приведена на рис. 97.

8.5. Автоматизация процессов фторирования воды

До недавнего времени на водопроводных станциях применялись системы автоматизации, в которых подача объем­ного количества фторсодержащего раствора производилась про­порционально расходу обрабатываемой воды без компенсации других возмущающих воздействий. Более совершенные АСР, ос­нованные на измерении концентрации фтор-ионов в воде, ком­пенсируют отклонения от заданной нормы фтора, вызванные всеми возмущающими воздействиями.

Схема узла дозирования фторсодержащего реагента приведена на рис. 98. Раствор, приготовленный в растворных баках с пере­мешиванием сжатым воздухом, подается на фильтр (песчаный или антрацитовый) и затем в накопительные баки, откуда через дозирующее устройство поступает в камеру смешения.

Надежность аппаратуры для измерения содержания фтора, незначительные колебания расхода обрабатываемой воды и узкий диапазон изменения других возмущений (концентрация фтора в воде и реагенте, температура воды) позволили применить одно­контурную замкнутую АСР, работающую по принципу компенса­ции отклонения от заданной величины регулируемого параметра

рF(рис. 99). Датчик на рF установлен на выходе из камеры смеше­ния, так как в этом створе обеспечивается хорошее перемешива­ние реагента с массой воды и наименьшее запаздывание регули­рующего сигнала. В качестве арматуры датчика в этой АСР ис­пользуется проточный датчик рН-метра, а регулирующего органа — клапан с однооборотным реверсивным двигателем. Клапан имеет линейную расходную характеристику, поэтому степень

его открытия и, соответственно, расход реагента контролируются указателем положения вала привода. В схеме предусмотрено и ручное дистанционное управление клапаном. В качестве индика­торного используется ионоселективный фторидный электрод в качестве сравнительного –хлорсеребряный проточный элект­род.

8.6. Автоматизация процессов реагентного умягчения воды

Умягчение воды относится к числу распространенных процессов обработки воды в промышленном водоснабжении. Ос­новным методом обработки является реагентный, который при неглубоком умягчении применяется самостоятельно, а при глубо­ком — в сочетании с методом катионирования. При введении в воду реагентов (извести или соды) катионы кальция и магния превращаются в труднорастворимые системы, выпадающие в оса­док.

Основным параметром регулирования процесса умягчения воды реагентным методом служит величина рН, при отклонении которой от заданного значения изменяется подача реагента. Схема АСР дозирования реагентов в осветлитель показана на рис. 100. В контуре регулирования подачи извести величина рН измеряется в конце зоны смешения осветлителя в пробоотборной точке. В этой точке реакция взаимодействия реагентов с солями карбо­натной жесткости проходит примерно на 80%, поэтому контроль­ное значение рН задается меньшим с расчетом на то, что в верхних зонах осветлителя величина рН достигнет -10,2.

Система дозирования извести — это одноконтурная АСР ве­личины рН, действующая по принципу компенсации отклонения параметра. Отклонения, вызванные изменением концентрации известкового молока, колебаниями его расхода из-за неравномер­ности подачи насосами и засорения трубопроводов, изменением расхода воды и ее щелочности, формируют сигнал, поступающий на вход регулятора, который через дозатор корректирует дозу из­вести.

Пробоотборный датчик рН-метра 2а монтируется на пробоот­борной линии из осветлителя. В датчике установлены стеклянные измерительные электроды с изопотенциальной точкой, соответ­ствующей рН 10. Это позволяет поддерживать заданное значение рН 10,3 в месте пробоотбора без введения автоматической темпе­ратурной компенсации.

Для повышения срока службы стеклянных электродов перед датчиком установлен делитель потока, который делит общий по­ток на две неравные части с соотношением расходов 1:3. Поток с меньшим расходом проходит через датчик рН-метра, а второй сбрасывается в лоток. Сигнал от датчика через высокоомный пре­образователь 26 подается на вторичный прибор 2в, выход которого включен на вход регулятора 2г. При отклонении рН от

заданного значения на входе регулятора возникает напряжение неба­ланса. Этот сигнал через магнитный пускатель 2ж воздействует на исполнительный механизм 2з, передвигающий регулирующий орган дозатора известкового молока 2к в сторону компенсации отклонения регулируемого параметра.

Дозатор известкового молока ДИМБА устроен так, что угол поворота вала однооборотного механизма пропорционален рас­ходу отдозированной известковой суспензии. Сигнал от датчика обратной связи исполнительного механизма дозатора поступает на регулятор-импульсатор, который через магнитный пускатель управляет приводом насоса-дозатора. Импульсный режим работы насосов-дозаторов обеспечивается настроечными параметрами регулятора и задатчика.

8.7. Автоматизация стабилизационной обработки воды

Стабилизационной называется обработка воды с целью регулирования в ней углекислого равновесия, при нарушении ко­торого в одних случаях образуются карбонатные отложения на стенках труб и аппаратов, в других — происходит коррозия мате­риалов из-за способности воды растворять карбонат кальция.

Отмеченные нарушения особенно характерны для оборотных охлаждающих систем водоснабжения, в которых для предотвра­щения карбонатных отложений применяют подкисление воды. Кислоту вводят в добавочную воду во всасывающие линии цирку­ляционных насосов. Дозирование кислоты является весьма от­ветственной операцией, поскольку превышение дозы приводит к коррозии, а недостаток — к выпадению карбоната кальция.

Упрощенные АСР процесса подкисления оборотной воды обычно строятся по величине рН, которая корректируется в про­цессе эксплуатации системы по данным аналитических методов. Воздействие реагентов на массу циркулирующей воды является инерционным и обычно занимает несколько часов. Это озна­чает, что сигнал от рН-метра поступает на регулятор дозатора с большим запаздыванием. Более высокими динамическими свойствами обладают АСР подачи реагента при его введении в добавочную воду, количество которой составляет 5—10% всего объема циркулирующей воды. При таком способе регулирова­ния массообмен между кислотой и водой происходит за более короткое время.

В этом случае регулирующее значение рН определяется расче­том и корректируется по показаниям второго, корректирующего рН-метра, который устанавливается на горячей воде, как и в пер­вом варианте АСР (рис. 101). Очевидно, более совершенной АСР будет система, построенная с применением карбонатного погло­тителя (рис. 102). АСР подачи кислоты дополняется системой контроля параметров, характеризующих состояние охлаждающей воды. Ее основу составляют расходомеры циркуляционной и до­бавочной воды, измерители температуры воды, охлажденной в градирнях и нагретой в теплообменнике, и атмосферного воз­духа.