CN109368760B - 一种废水pH自适应控制在DCS中实现的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种废水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，并通过DCS读取。②以废水流量的测量值乘以中和比例因子作为中和剂的主调流量设定值，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。④比较中和剂的辅调阀位实际值和设定值，以其偏差通过PID作用，调节中和比例因子，达到自适应调节的目的。本发明的目的在于提高废水pH自动控制性能，使pH能够及时自动调节，降低了对下游装置的安全风险，同时减少了人工操作，提高了装置运行效率，环境及经济效益显著。

Description

一种废水pH自适应控制在DCS中实现的方法

技术领域

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。

发明内容

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≈0 t/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。

Claims (6)

1.一种废水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：

实时检测废水的废水流量实时测量值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值波动范围是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实时测量值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实时测量值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)；

其中步骤(B)(1)中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调节回路的中和剂流量设定值F1，其与废水流量实时测量值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；

F0：废水流量实时测量值；其中比例因子

是在0.15－0.20之间，

其中，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，并且，比例因子实时变化量

和辅调节回路阀门开度实际值与目标值之差的实时值△MV＇(t)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，Kp、Td、Ts分别为0.2～0.5、800～1200、0～5；t：时间。

2.根据权利要求1所述的方法，其中：中和剂辅调节回路阀门开度由pH控制器给出；并且，辅调节回路阀门开度实时变化量△MV(t)和目标pH值与实际pH值之差的实时值△pH(t)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)：辅调节回路阀门开度在t时刻的变化量，其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，Kp、Td、Ts分别为1.5～2.5、400～600和10～20；

t：时间。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中废水是含碱的废水，中和剂是无机酸类或有机酸类。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其中a是F_设定值的1/10至1/5。

5.根据权利要求4所述的方法，其中a是F_设定值的1/8至1/6。

6.根据权利要求1所述的方法，其中：

公式(3)中，方程参数Kp、Td、Ts分别为0.23～0.47、850～1150、0.5～4.5。

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