CN110745932B

CN110745932B - 一种基于DCS的三级废水pH控制方法和系统

Info

Publication number: CN110745932B
Application number: CN201911031055.8A
Authority: CN
Inventors: 王浩; 王远辉; 朱敏燕; 王亚辉; 田宇; 吴雪峰; 张宏科
Original assignee: Wanhua Chemical Group Co Ltd; Wanhua Chemical Ningbo Co Ltd
Current assignee: Wanhua Chemical Group Co Ltd; Wanhua Chemical Ningbo Co Ltd
Priority date: 2019-10-28
Filing date: 2019-10-28
Publication date: 2022-07-12
Anticipated expiration: 2039-10-28
Also published as: CN110745932A

Abstract

本发明公开了一种基于DCS的三级废水pH控制方法及系统，包括以下步骤：(1)使用工具采集工艺废水流量、pH值以及细调池、保护池废水pH值，并通讯进入DCS；(2)通过预设好的软仪表得到进入一级粗调池的酸/碱量，乘以中和比例因子后作为中和剂的设定值，在一级粗调池进行初步中和；(3)根据细调池废水pH值与设定值偏差继续添加中和剂进行调节，根据废水pH值在滴定曲线的不同区间赋予控制器不同的PID参数；(4)根据保护池废水pH值与设定值偏差，当偏差超出设定区间，继续添加中和剂进行调节。本发明的目的在于通过多级调节提高废水pH调节精度，减少pH波动对下游装置工艺与设备的影响，保障装置长周期稳定运行，经济效益明显。

Description

一种基于DCS的三级废水pH控制方法和系统

技术领域

本发明涉及一种基于DCS的三级废水pH控制方法和系统。

背景技术

酸性或碱性的工艺废水在送往下游装置处理前，往往需要添加中和剂对其pH值进行调节，工艺废水pH控制的稳定与否直接影响到下游装置的稳定与安全运行。

目前大多数pH自动控制采用简单控制作用进行调节，没有针对pH调节过程存在的强非线性与滞后性等特点设计自动控制方案，当废水流量、组成发生变化时，易引起中和剂添加过量，导致中和后废水pH波动较大，进而造成下游装置过酸或过碱，影响絮凝沉降、催化氧化、生化处理等后续设施的处理效果。因此pH不能实现自动稳定控制不仅增加人力成本、污染生态环境，甚至可能因废水处理系统处理能力不足导致上游生产装置减产或停车。

专利CN109368760A公开了一种废水pH自适应控制在DCS中实现的方法，包括：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。该发明具有以下缺点：①通过单级废水池进行中和，未充分考虑到废水与中和混合过程的滞后性，无法精确控制中和后的废水pH值；②废水pH值PID控制器使用固定的PID参数，未充分考虑到pH调节过程的非线性，易导致pH值超调；③未设置保护调节池，对中和剂添加过量后无法将废水pH拉回目标值。

因此考虑设计一种三级废水pH控制方法，该方法针对pH调节过程的特点，分粗调、细调、微调三个阶段采用不同的控制方案进行调节，较传统的pH调节方案具有降低pH波动、减少人工干预的优势。

发明内容

本发明的目的在于稳定废水的pH，通过粗调、细调、微调三种不同的控制方法实现pH的稳定控制，主要用于克服废水的组成、流量能够发生变化造成的中和后废水pH波动现象，同时，由于pH值自动控制，装置自控率得到提高，降低了操作强度。

根据本发明，提供了一种基于DCS(集散控制系统，distributed control system)的三级废水pH控制方法，其中，工艺废水进入粗调池与中和剂混合，粗调池中和后的废水溢流依次进入细调池与保护池，进行进一步的中和处置，中和完成后废水送往下游装置，该方法包括以下步骤：

(1)使用工具采集工艺废水流量、pH值以及细调池、保护池废水pH值，并通讯进入DCS；

(2)通过预设好的软仪表得到进入粗调池的酸/碱量，乘以中和比例因子后作为中和剂的设定值，在一级粗调池进行初步中和；

(3)根据细调池废水pH值与设定值偏差继续添加中和剂进行调节，根据废水pH值在滴定曲线的不同区间赋予控制器不同的PID参数；

(4)根据保护池废水pH值与设定值偏差，当偏差超出设定区间，继续添加中和剂进行调节。

进一步地，进入粗调池的酸/碱量通过以下步骤获得：

根据步骤(1)中采集的工艺参数，在DCS系统中增设酸/碱量软仪表，实时计算进入粗调池的酸/碱摩尔量，软仪表计算公式如下：

X＝F1*A1

X:废水酸/碱量，mol/h；

F1:工艺废水体积流量，L/h；A1:由pH值换算得到的废水中H⁺或OH^-浓度，mol/L。

进一步地，中和比例因子通过以下步骤获得：

在DCS系统中增加比例控制器，输入变量为软仪表计算得到进入粗调池的废水酸/碱量，输出变量为中和剂质量流量，比例值由以下公式计算得到：

R:比例因子；

X:废水酸/碱量，mol/h；

F1:工艺废水体积流量，L/h；

V1:中和剂有效组分摩尔体积，L/mol；

A2:中和剂质量浓度，％；

A1:每摩尔废水中有效组分被中和到设定pH值(设定值根据工艺要求给定)消耗的中和剂摩尔量。

进一步地，在步骤(3)中，在DCS系统中增加细调池废水pH值的自适应PID控制器，由操作人员根据工艺需求输入pH设定值，PID控制器根据设定值与实际pH值的偏差调整进入细调池的中和剂流量，一般地，调节公式为：

P(t)：控制器输出；

t：当前时刻，由PID控制器自动识别；

e(t)：pH实际值与设定值偏差，由PID控制器自动计算给出；

k_e：比例系数，一般为0.01～10；

T_i：积分系数，一般为10～5000；

T_d：微分系数，一般为0～50。

特别地，pH控制器中增加自适应PID模块，该模块根据实际pH值所处在滴定曲线的不同区间(滴定曲线见图2)，赋予控制器不同的PID参数(比例参数通常为0.01～10，积分参数通常为10～5000，微分参数通常为0～50)。

进一步地，步骤(4)中，在DCS系统中增加保护池废水pH值的区间PID控制器，由操作人员根据工艺需求设定pH值许可区间，若实际pH值处于许可区间，控制器不动作；若实际pH值高于(低于)许可区间，PID控制器根据实际pH值与许可区间中点的偏差(即以许可区间中点作为保护池废水pH控制器设定值)，通过PID作用根对进入保护池的中和剂流量进行调节。

在本发明中，PID是指Proportional integral derivative(PID)。PID控制器是指比例、积分、微分控制器，即proportional,integral,derivative(PID)controller。

进一步地，步骤(3)所述的控制方式为变增益串级控制，输入变量为细调池废水pH值，输出变量为中和剂流量设定值。其中pH值0～3和11～14位慢速调节区，控制器采用弱增益；H值3～11为快速调节区，控制器采用强增益。

进一步地，步骤(4)所述的控制方式为变增益分程控制，输入变量为保护池废水pH值，输出变量为酸性中和剂流量设定值与碱性中和剂流量设定值，pH处于设定区间内给零增益，超出设定区间给非零增益。

根据本发明的另一个方面，提供了一种基于DCS(集散控制系统，distributedcontrol system)的三级废水pH控制系统，其包括：依次排列的粗调池、细调池、保护池，粗调池经溢流进入细调池，细调池下部与保护池(下部)联通，粗调池、细调池、保护池分别连接有第一中和剂进料管，保护池另外连接有第二中和剂进料管，粗调池、细调池、保护池分别连接的第一中和剂进料管分别设有粗调池第一中和剂流量计、细调池第一中和剂流量计和保护池第一中和剂流量计，以及与粗调池第一中和剂流量计、细调池第一中和剂流量计和保护池第一中和剂流量计联锁调节控制的粗调池第一中和剂调节阀、细调池第一中和剂调节阀、保护池第一中和剂调节阀，保护池另外连接有第二中和剂进料管，第二中和剂进料管上设有保护池第二中和剂流量计以及与之联锁调节控制的保护池第二中和剂调节阀，

细调池设置有用于测量细调池内液体pH值的细调池pH计，细调池pH计与进入细调池的第一中和剂进料管上设置的细调池第一中和剂流量计通信连接，

保护池设置有保护池pH计，保护池pH计同时与设置在进入保护池的第一中和剂进料管上的保护池第一中和剂流量计和设置在进入保护池的第二中和剂进料管上的保护池第二中和剂流量计通信连接；

与进入粗调池的废水进料管和进入粗调池的第一中和剂进料管上的流量计通信连接的酸/碱量软仪表和比例控制器。

进一步，保护池通过泵连接下游装置。

当第一中和剂是酸时，第二中和剂为碱；当第二中和剂为碱时，第一中和剂是酸。

本发明相比传统控制，有以下优势：(1)通过软仪表计算出进入废水处理系统的酸/碱量，快速通过比例调节向粗调池中加入中和剂，可以避免pH过程中的滞后现象；(2)通过在细调池中根据pH所处的区间，使用不同的增益强度进行pH调节，可以适应pH调节过程的强非线性特征，减少pH波动；(3)通过在保护池中根据pH值与给定区间的偏差，选择性的补加酸性中和剂、碱性中和剂或者不补加中和剂，可以进一步减少pH调节过程滞后的影响，保证送往下游装置废水pH的稳定。

附图说明

图1是本发明提供一种基于DCS的三级废水pH控制方法的控制示意图；

图2是本发明中涉及的细调池变增益区间与pH值对应关系。

附图标记：

1粗调池，2细调池，3保护池，4出料泵，5酸/碱量软仪表，6比例控制器，7粗调池中和剂流量计，8细调池中和剂流量计，9保护池酸性中和剂流量计，10保护池碱性中和剂流量计，11细调池pH计，12保护池pH计，13粗调池中和剂调节阀；14细调池中和剂调节阀；15保护池酸性中和剂调节阀，16保护池碱性中和剂调节阀。

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。

如图1所示，一种基于DCS(集散控制系统，distributed control system)的三级废水pH控制系统，其包括：依次排列的粗调池1、细调池2、保护池3，粗调池1经溢流进入细调池2，细调池2下部与保护池3(下部)联通，粗调池1、细调池2、保护池3分别连接有第一中和剂进料管，保护池3另外连接有第二中和剂进料管，粗调池1、细调池2、保护池3分别连接的第一中和剂进料管分别设有粗调池第一中和剂流量计7、细调池第一中和剂流量计8和保护池第一中和剂流量计9，以及与粗调池第一中和剂流量计7、细调池第一中和剂流量计8和保护池第一中和剂流量计9联锁调节控制的粗调池第一中和剂调节阀13、细调池第一中和剂调节阀14、保护池第一中和剂调节阀15，保护池3另外连接有第二中和剂进料管，第二中和剂进料管上设有保护池第二中和剂流量计10以及与之联锁调节控制的保护池第二中和剂调节阀16，

细调池设置有用于测量细调池内液体pH值的细调池pH计11，细调池pH计11与进入细调池的第一中和剂进料管上设置的细调池第一中和剂流量计8通信连接，

保护池设置有保护池pH计12，保护池pH计12同时与设置在进入保护池的第一中和剂进料管上的保护池第一中和剂流量计9和设置在进入保护池的第二中和剂进料管上的保护池第二中和剂流量计10通信连接；

与进入粗调池的废水进料管和进入粗调池的第一中和剂进料管上的流量计通信连接的酸/碱量软仪表5和比例控制器6。

进一步，保护池通过泵连接下游装置。

工艺废水通过管线进入粗调池，测量进入废水池的所有废水流股的流量与pH值，并通过DCS读取其数值，代入酸/碱量计算软仪表中得到进入废水池的酸/碱量AIC001。

废水酸/碱量软仪表计算公式为：

X＝F1*A1

X:废水酸/碱量，mol/h；

F1:工艺废水体积流量，L/h；

A1:由pH值换算得到的废水中H⁺或OH^-浓度，mol/L。

以进入废水池的酸/碱量AI-001乘以中和比例因子R作为一级粗调池中和剂的流量设定值FIC-001.SP，使pH快速粗调至接近预设值，克服了废水流量与组成对pH的干扰。

中和比例因子由以下公式计算得到：

R:比例因子；

X:废水酸/碱量，mol/h；

F1:工艺废水体积流量，L/h；

V1:中和剂有效组分摩尔体积，L/mol；

A2:中和剂质量浓度，％；

操作人员根据下游装置需求给定细调池废水pH控制器设定值，PID控制器通过传入DCS系统中的细调池pH计11实测值AIC-002.PV与AIC-002.SP(设计值)的偏差，对细调池中和剂流量计8的设定流量FIC-002.SP进行调节，当AIC-002.SP高于AIC-002.PV时，PID控制器调低FIC-002.SP；当AIC-002.SP低于AIC-002.PV时，PID控制器调高FIC-002.SP；当AIC-002.SP等于AIC-002.PV时，PID控制器不对FIC-002.SP进行调节：FIC-002.SP的调节幅度由pH控制器设定的PID参数(比例参数通常为0.1～5，积分参数通常为100～3000，微分参数通常为0～50)决定。该PID控制器具有自适应功能，细调池pH实测值AIC-002.PV在不同的区间内，控制器设有不同的PID参数，PID参数与AIC-002.PV所处区间的关系如图2所示，该功能用于克服pH控制中的非线性问题。

①保护池区间PID控制器的设定区间同样由操作人员根据下游装置需求设定，优选为细调池pH控制器设定值AIC-002.SP±0.5至AIC-002.SP±2，PID控制器通过传入DCS系统中的保护池pH计12实测值AIC-003.PV与设定区间的偏差，对保护池第一(例如酸性)中和剂的设定流量FIC-003.SP或第二(例如碱性)中和剂的设定流量FIC-004.SP进行调节，当AIC-003.PV高于设定区间上限时，PID控制器调高FIC-004.SP，并将FIC-003.SP设为零；当AIC-003.PV低于设定区间下限时，PID控制器调高FIC-003.SP，并将FIC-004.SP设为零；当AIC-003.PV处于设定区间时，PID控制器不进行调节：FIC-003.SP与FIC-004.SP的调节幅度由pH控制器设定的PID参数决定，PID参数可由经验凑试法或计算法得到。

通过以上步骤就可以充分考虑到pH调节过程的非线性与滞后性，克服废水进料和组成波动对pH的干扰，达到平稳、快速调节的目的。

出料泵4位于保护池出口管线后，用于向下游装置输送处理后的废水；粗调池中和剂流量计7与粗调池中和剂调节阀13位于粗调池中和剂管线，该管线插入粗调池下部；细调池第一中和剂流量计8与细调池第一中和剂调节阀14位于细调池中和剂管线，该管线插入细调池下部；保护池第一中和剂流量计9与保护池第一中和剂调节阀15位于保护池第一中和剂管线，保护池第二中和剂流量计10与保护池第二中和剂调节阀16位于保护池第二中和剂管线，此两条管线插入保护池下部；细调池pH计11检测细调池废水pH值，探头位于细调池下部；保护池pH计12检测保护池废水pH值，探头位于保护池上部。

废水首先进行粗调池，经溢流进入细调池，细调池下部与保护池联通，并通过泵将保护池中处理好的废水送往下游装置。

根据废水滴定过程中，pH值与中和剂加入量的滴定曲线，将细调池废水pH值分为快速反应区与慢速反应区两个区间，其中慢速反应区一般为(0,3～6)和(8～11,14)，优选为(0,4～5)和(9～10,14)；快速反应区一般为(3～6,8～11)，优选为(4～5,9～10)。

使用经验凑试法或计算法得到细调池pH值分别处于慢速反应区与快速反应区时的PID参数，并通过预设控制逻辑，根据细调池pH值处于慢速反应区或者快速反应区，给予细调池废水pH控制器对应的PID参数。

实施例1

某化工厂产生一股碱性废水，其pH值在10～12之间，采用8％盐酸作为中和剂在三级中和池内进行pH调节，希望pH值控制在5～7。除该流股废水外，此废水池还不定期接受另一股pH值在13以上的碱性废水(2～3次/班)，使进入中和池的废水流量及组成波动较大，原设计的简单回路无法实现pH值的稳定控制，需要操作员频繁进行手动干预，操作量高达15次/班，pH超调±3以上，既阻碍了废水处理系统的长周期稳定运行，又严重影响了装置自动化程度。为此，根据本专利进行改造，增加相应硬件与三级保护池的5％烧碱管线，在DCS中按照本专利设计的控制方案进行重新组态。

经改造后，碱性废水首先进入粗调池，粗调池中和剂比例控制器首先根据步骤(2)所述的碱量软仪表得到的废水含碱量：

X＝F1*A1

X:废水酸/碱量，97.5mol/h；

F1:工艺废水体积流量，100m3/h；A1:由pH值换算得到的废水中H⁺或OH^-浓度，9.75*10^-4mol/L。

通过步骤(3)所述的中和剂比例因子计算公式得到碱性废水与进入粗调池的8％盐酸的进料量比值，进而调节粗调池盐酸流量：

R:比例因子,0.002；

X:废水酸/碱量,97.5mol/h；

F1:工艺废水质量流量，100m3/h；

V1:中和剂有效组分摩尔体积，0.0365L/mol；

A2:中和剂质量浓度，8％；

A1:每摩尔废水中有效组分被中和到设定pH值(设定值根据工艺要求给定)消耗的中和剂有效组分摩尔量，0.5。

废水经粗调池中和后，pH变为4～8并溢流进入细调池。细调池pH值控制器的设定值为6，快速反应区为(4，10)，慢速反应区为(0，4)和(10，14)，控制器根据检测到的废水pH值与设定值6的偏差，采用快速反应区下的PID参数对进入细调池的8％盐酸进料量进行调节。废水经细调池中和后，pH变为5.5～6.5并进入保护池，保护池pH控制器的设定区间为(6,7)，当前废水pH值在保护区间内，因此保护池不进行调节。若废水pH值不在保护区间内，PID控制器根据实际pH值与许可区间中点的偏差(即以许可区间中点作为保护池废水pH控制器设定值)，通过PID调节公式计算得到中和剂用量，对进入保护池的中和剂流量进行调节(高于区间时使用盐酸调节，低于区间时使用烧碱调节)。

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，自动化得到大幅提高；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。

实施例2

某化工厂产生一股酸性废水，其pH值在3～4之间，采用10％烧碱作为中和剂在中和池内进行pH调节，希望pH值控制在6～8，因只有一级中和池，酸性废水与烧碱的混合时间较短，中和不完全，因此中和池出口废水的pH值只能控制在(6～10)，影响下游装置使用寿命。为此，根据本专利进行改造，扩增为三级保护池，并在细调池增加10％烧碱管线、保护池增加10％烧碱管线与10％盐酸管线，在DCS中按照本专利设计的控制方案进行重新组态。

X＝F1*A1

X:废水酸/碱量，4mol/h；

F1:工艺废水质量流量，80m3/h；A1:由pH值换算得到的废水中H⁺或OH^-浓度，5*10^- ⁵mol/L。

R:比例因子,0.00002；

X:废水酸/碱量,4mol/h；

F1:工艺废水体积流量，80m3/h；

V1:中和剂有效组分摩尔体积，0.04L/mol；

A2:中和剂质量浓度，10％；

A1:每摩尔废水中有效组分被中和到设定pH值(设定值根据工艺要求给定)消耗的中和剂有效组分摩尔量，1。

废水经粗调池中和后，pH变为7～10并溢流进入细调池。细调池pH值控制器的设定值为7，快速反应区为(5，9)，慢速反应区为(0，5)和(9，14)，控制器根据检测到的废水pH值判断其属于快速反应区或慢速反应区，分别选用快速反应区或慢速反应区下的PID参数代入本专利描述的PID作用公式，并根据其与设定值7的偏差，通过公式计算结果对10％烧碱进料流量进行调节。废水经细调池中和后，pH变为6～7并进入保护池，保护池pH控制器的设定区间为(6，8)，当前废水pH值在保护区间内，因此保护池不进行调节。

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，自动化得到大幅提高；同时pH控制更加精准，偏差在±1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

1.一种基于DCS的三级废水pH控制方法，其中，

工艺废水进入粗调池与中和剂混合，粗调池中和后的废水溢流依次进入细调池与保护池，进行进一步的中和处置，中和完成后废水送往下游装置，该方法包括如下步骤：

(2)通过预设好的软仪表得到进入一级粗调池的酸/碱量，乘以中和比例因子后作为中和剂的设定值，在一级粗调池进行初步中和；

(4)根据保护池废水pH值与设定值偏差，当偏差超出设定区间，继续添加中和剂进行调节；

其中，步骤(2)所述的控制方式为比例控制，输入变量为软仪表计算得到废水酸/碱量，输出变量为中和剂质量流量，比例因子由以下公式计算得到：

R:比例因子；

X:废水酸/碱量，mol/h；

F1:工艺废水体积流量，L/h；

V1:中和剂有效组分摩尔体积，L/mol；

A2:中和剂质量浓度，％；

A1:每摩尔废水中有效组分被中和到设定pH值消耗的中和剂摩尔量；

在步骤(3)中，在DCS系统中增加细调池废水pH值的自适应PID控制器，由操作人员根据工艺需求输入pH设定值，PID控制器根据设定值与实际pH值的偏差调整进入细调池的中和剂流量，调节公式为：

P(t)：控制器输出；

t：当前时刻，s；

e(t)：pH实际值与设定值偏差，由PID自动计算给出；

k_e：比例系数，取值为0.01～10；

T_i：积分系数，取值为10～5000；

T_d：微分系数，取值为0～50。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：步骤(2)所述的废水酸/碱量软仪表计算公式为：

X＝F1*A1

X:废水酸/碱量，mol/h；

3.根据权利要求1或2所述的控制方法，其特征在于：步骤(3)所述的控制方式为变增益串级控制，输入变量为细调池废水pH值，输出变量为中和剂流量设定值；其中pH值0～3和11～14为慢速调节区，控制器采用弱增益；pH值3～11为快速调节区，控制器采用强增益。

4.根据权利要求1或2所述的控制方法，其特征在于：步骤(4)所述的控制方式为变增益分程控制，输入变量为保护池废水pH值，输出变量为酸性中和剂流量设定值与碱性中和剂流量设定值，pH处于设定区间内给零增益，超出设定区间给非零增益。

5.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于：步骤(4)所述的控制方式为变增益分程控制，输入变量为保护池废水pH值，输出变量为酸性中和剂流量设定值与碱性中和剂流量设定值，pH处于设定区间内给零增益，超出设定区间给非零增益。

6.一种基于DCS的三级废水pH控制系统，其包括：依次排列的粗调池、细调池、保护池，粗调池经溢流进入细调池，细调池下部与保护池联通，粗调池、细调池、保护池分别连接有第一中和剂进料管，保护池另外连接有第二中和剂进料管，粗调池、细调池、保护池各自连接的第一中和剂进料管分别设有粗调池第一中和剂流量计、细调池第一中和剂流量计和保护池第一中和剂流量计，以及分别由粗调池第一中和剂流量计、细调池第一中和剂流量计和保护池第一中和剂流量计控制的粗调池第一中和剂调节阀、细调池第一中和剂调节阀、保护池第一中和剂调节阀，保护池另外连接有第二中和剂进料管，第二中和剂进料管上设有保护池第二中和剂流量计以及由其控制的保护池第二中和剂调节阀，

与进入粗调池的废水进料管和进入粗调池的第一中和剂进料管上的流量计通信连接的是酸/碱量软仪表和比例控制器。

7.根据权利要求6所述的控制系统，其特征在于，保护池通过泵连接下游装置。

8.根据权利要求6或7所述的控制系统，其特征在于，当第一中和剂是酸时，第二中和剂为碱；当第二中和剂为碱时，第一中和剂是酸。