CN113230917A - 一种可调式静态水力混合方法与测控系统 - Google Patents

一种可调式静态水力混合方法与测控系统 Download PDF

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Abstract

一种可调式静态水力混合方法与测控系统，属于水处理设备与调控技术领域。本发明专利能够通过流量计和压力传感器实时监测可调式静态管道混合器的进水流量和进出水压力值的变化，经微电脑自控系统建立的相关性函数综合计算进水流量、水头损失、可调式混合部件开闭角度θ、静态管道混合器局部阻力系数的对应数值，得到不同流量条件下的速度梯度(G值)，与经过检测和验证的额定流量G0值进行对比，对混合效率进行判别与综合评估后，由微电脑自控系统控制自动调节装置调控可调式混合部件的开闭角度θ，使得G值稳定在G0值或处在最佳阈值范围内。

Description

一种可调式静态水力混合方法与测控系统
技术领域
本发明属于水处理技术领域，具体是涉及一种用于水处理混凝过程的可调式静态水力混合方法与测控系统。
背景技术
近年来，随着我国经济的高速发展，水资源短缺和浪费现象越来越严重。为有效解决水资源危机问题，国家和行业都出台了相关的政策和规定，要求各种城镇、乡村、小区、建筑等区域都要充分利用给水水源以及雨水、中水等非传统水源，近年来广大农村、乡镇以及城镇的小区、公共建筑等也建立了众多小型水处理设施。由于这些小规模水处理设施服务的规模较少，昼夜用水量会有较大幅度的波动，因此水处理设施的运行工况和处理水量也经常需要根据用水量的变化进行不同程度的调节，以降低制水和供水的成本与费用。
混凝在水处理工艺中是极为重要的处理单元，水中的悬浮颗粒、胶体颗粒、部分有机物等污染物都需要经过混凝、反应、沉淀、过滤等过程得到去除。混凝过程最关键的环节是投加的混凝剂等药剂必须在短时间内与原水进行快速、充分地混合，以便进行高效的混凝、反应，更好地形成絮体进行沉淀、过滤。混凝效果与混合过程密切相关，为达到良好的混凝效果必须严格控制混凝剂等药剂投加到原水中的混合过程和混合技术参数，其中最关键的混合控制参数为速度梯度(G值)。
最常用的混合方式主要有水力混合与机械混合，其中水力混合具有适用范围广、结构简单、成本低、运维方便等特点，已具有巨大的应用市场。传统的静态管道混合器采用固定式的混合与导流部件，只能适用于额定的进水流量范围，当进水流量较低时，混合强度会显著下降，G值都无法满足要求，造成混合效率大幅度下降，混凝效果显著降低，产水水质明显变差。如何改进静态管道混合器使得不同流量条件下的混合效率始终保持在最佳范围，一直是业界的技术难题。
发明内容
本发明专利的目的在于针对进水流量变化幅度大、常规静态管道混合器的流量适用范围小、混凝效果不佳的问题，提出一种可以根据进水流量变化幅度进行随动调节的可调式静态水力混合方法与测控系统。
一种可调式静态水力混合方法与测控系统，其特征在于，由水力混合调节装置和混合效率测控系统组成，包括进水管(1)、流量计(2)、可调式静态管道混合器(3)、可调式混合部件(4)、第一压力传感器(5)、药剂投加管(6)、自动调节装置(7)、第二压力传感器(8)、出水管(9)、微电脑自控系统(10)，其中自动调节装置(7)通过传动轴与可调式静态管道混合器(3)内部的可调式混合部件(4)相连，进水管(1)和出水管(9)分别与可调式静态管道混合器(3)的前后两端连接；与进水管(1)连接的可调式静态管道混合器(3)前端配有流量计(2)、第一压力传感器(5)、药剂投加管(6)；与出水管(9)连接的可调式静态管道混合器(3)后端配有第二压力传感器(8)；流量计、第一压力传感器、第二压力传感器、自动调节装置分别通过测控信号线与微电脑自控系统相连。
可调式混合部件可为桨叶式、折板式、波纹板式、螺旋式、螺带式、交叉板式、辐条式、内置翼片式等各种型式，可调式混合部件可为所有混合部件或部分混合部件，可调节开闭角度θ范围可为0°-90°或之间的任一角度范围。第一压力传感器可设置在可调式静态管道混合器的进水管上，第二压力传感器可设置在可调式静态管道混合器的出水管上。
采用上述系统进行根据进水流量变化幅度进行随动调节的可调式静态水力混合方法，其特征在于，包括以下步骤：
当进水管的流量在额定值范围时，流量计的流量数据以及第一压力传感器与第二压力传感器检测到的可调式静态管道混合器进出水压力数据传输至微电脑自控系统；通过微电脑自控系统综合计算并建立进水流量、水头损失、可调式混合部件开闭角度θ、可调式静态管道混合器局部阻力系数的相关性函数模型，得到额定流量条件下的标准速度梯度G0值，并由微电脑自控系统设定出可调式混合部件的标准开闭角度θ0，进而确定出G0值的最佳阈值范围。
当进水管的流量发生改变时，流量计的流量数据以及第一压力传感器与第二压力传感器检测到的可调式静态管道混合器进出水压力数据传输至微电脑自控系统，通过微电脑自控系统建立的相关性函数综合计算进水流量、水头损失、可调式混合部件开闭角度θ、可调式静态管道混合器局部阻力系数的对应数值，得到不同流量条件下的速度梯度G值，并与设定的标准G0值进行对比后，由微电脑自控系统控制自动调节装置调控可调式混合部件的开闭角度θ，使得G值处在G0值的最佳数值或最佳阈值范围内。
进一步，微电脑自控系统建立的相关性函数模型是：微电脑自控系统根据大量采集的进水流量值和可调式静态管道混合器进出水口压力差值数据即水头损失h、可调式混合部件开闭角度进行统计和归类，建立基于进水流量、水头损失h、可调式混合部件开闭角度θ、可调式静态管道混合器局部阻力系数ζ与G值相关性函数，对混合效率进行判别与综合评估，以得到不同进水流量条件下的最优水力混合效率的控制方案和调控输出值，并确定出相应的G值最佳阈值范围。
在上述各类参数计算过程中，ζ局部阻力系数采用波达公式
Figure BDA0003085404650000041
计算，G值采用速度梯度公式计算，即
Figure BDA0003085404650000042
其中h为局部水头损失(m)，即第一压力传感器与第二压力传感器检测到的可调式静态管道混合器进出水压力差值，ζ为局部阻力系数，μ为进水流速(m/s)，ν为水的运动粘度(㎡/s)，T为水在可调式静态管道混合器中的水力停留时间(s)。
可调式混合部件开闭角度θ(°)与G值的函数关系可表述为：
G＝f1(θ) (1)
其中θ与G值的函数关系由于可调式混合部件的不同有所差异，其关系可采用深度学习的方法建立。
附图说明
图1是本发明的示意图。
附图标记
进水管(1)、流量计(2)、可调式静态管道混合器(3)、可调式混合部件(4)、第一压力传感器(5)、药剂投加管(6)、自动调节装置(7)、第二压力传感器(8)、出水管(9)、微电脑自控系统(10)
具体实施方式
下面结合实施例1对本发明进行详细说明，使本领域技术人员更好地理解本发明，但本发明并不局限于本实施例。
实施例1
微电脑自控系统(10)检测进水流量值和可调式静态管道混合器(3)进出水口压力差值(即水头损失)，并依据可调式静态管道混合器(3)中的可调式混合部件(4)开闭角度、可调式静态管道混合器(3)局部阻力系数建立基于G值最佳范围的相关性函数，以得到不同进水流量条件下的最优水力混合效率的控制方案和调控输出值，再由微电脑自控系统(10)驱动自动调节装置(7)实现可调式混合部件(4)开闭角度的随动调节。
在实施例中可调式混合部件(4)采用可调节式折板混合部件，混合部件采用全部可调节式，混合部件的开闭角度调节范围为0°-40°。
静态管道混合器各开闭角条件的局部阻力系数采用波达公式计算：
Figure BDA0003085404650000051
其中h为局部水头损失(m)，即第一压力传感器与第二压力传感器检测到的静态管道混合器进出水压力差值；ζ为局部阻力系数；μ为进水流速(m/s)。
水力停留时间T的计算方法如下计算方式：
Figure BDA0003085404650000061
其中T为水力停留时间(s)；L为静态管道混合器总长度(m)；μ为进水流速(m/s)。
水力混合强度G值与水头损失计算方法采用如下计算方式：
Figure BDA0003085404650000062
其中ζ为局部阻力系数，μ为进水流速(m/s)，ν为水的运动粘度(㎡/s)，T为进水在静态管道混合器中水力停留时间(s)。
混合部件开闭角度θ与G值的函数关系采用下式：
G＝f1(θ) (4)
其中θ为混合部件开闭角度(°)，θ与G值的函数关系由于可调式混合部件的不同有所差异，其关系采用深度学习的方法建立。
(1)额定流量下的G0值计算与验证
可调式静态管道混合器(3)在额定流量下的流速设为1.0m/s(即额定流量为113.0m3/h)，自动调节装置(7)调控可调式混合部件(4)的标准开闭角度设定为40°。
采用数据统计与模拟软件对额定流量下的混合效率进行模拟计算与评估，确定出可调式静态管道混合器的水头损失(即第一压力传感器(5)与第二压力传感器(8)的压力差)、局部阻力系数(计算方法如公式1所示)、G0值(计算方法如公式2、公式3所示)等参数，结果如表1所示。可知，额定流量下的G0值为2834.90s-1。可以根据进水流量的波动幅度，例如以G0值作为基准上下浮动10％作为G值的最佳调节阈值范围，即G值最佳调节阈值范围为2551.41-3118.39s-1。
表1额定流量下管道混合器的水力参数计算表
Figure BDA0003085404650000071
(2)不同流量条件下的G值计算与调控
当可调式静态管道混合器(3)内的进水流量小于额定流量值时，采用数据统计与模拟软件对不同流量下各开闭角度的混合过程进行水力模拟，确定出各流量条件下静态管道混合器的水头损失、局部阻力系数(计算方法如公式1所示)、G值(计算方法如公式2、公式3所示)等参数，结果如表2所示。可以看出，当可调式混合部件的开闭角度一定时，局部阻力系数不变，随着进水流量的增加，可调式静态管道混合器的水头损失随之增加，G值也随之增大，表现为混合强度增大、混合效率提高、混合程度更充分；当进水流量一定时，随着可调式混合部件的开闭角度增大，局部阻力系数减小，可调式静态管道混合器的水头损失随之下降，G值也随之减小，表现为混合强度下降、混合效率降低、混合程度变差。
当进水流量发生变化时，微电脑自控系统(10)通过所建立的开闭角度θ与G值的函数关系(计算方法如公式4所示)进行混合部件开闭角度θ的调节，使G值处在最佳阈值范围内；就本实例而言，当进水流速为0.8m/s(即流量为90.4m3/h)时，可调式混合部件的开闭角度可控制在30°，此时G值为2572.85s-1，满足最佳调节阈值范围控制要求；当进水流速为0.6m/s(即流量为67.8m3/h)时，可调式混合部件的开闭角度可控制在10°，此时G值为2757.65s-1，也满足最佳调节阈值范围控制要求。
表2不同流量条件下管道混合器的水力参数计算表
Figure BDA0003085404650000081
由上述可知，本发明专利提供的一种可调式静态水力混合方法与测控系统，通过微电脑自控系统检测混合管道内流量、压力等参数，进行混合强度判别与综合计算，再通过自动调节装置实现可调式混合部件的开闭角度随动调节。当进水流量低于额定流量一定幅度时，通过调节可调式混合部件的开闭角度，能够实现G值等主要混合控制参数处在设定的阈值范围内，提高药剂混合效率，使得混凝剂与进水充分混合，改善混凝效果，更好地形成絮体进行沉淀、过滤，在节省药剂的同时提高污染物去除效果和产水水质。

Claims (5)

1.一种可调式静态水力混合方法与测控系统，其特征在于，由水力混合调节装置和混合效率测控系统组成，包括进水管(1)、流量计(2)、可调式静态管道混合器(3)、可调式混合部件(4)、第一压力传感器(5)、药剂投加管(6)、自动调节装置(7)、第二压力传感器(8)、出水管(9)、微电脑自控系统(10)，其中自动调节装置(7)通过传动轴与可调式静态管道混合器(3)内部的可调式混合部件(4)相连，进水管(1)和出水管(9)分别与可调式静态管道混合器(3)的前后两端连接；与进水管(1)连接的可调式静态管道混合器(3)前端配有流量计(2)、第一压力传感器(5)、药剂投加管(6)；与出水管(9)连接的可调式静态管道混合器(3)后端配有第二压力传感器(8)；流量计、第一压力传感器、第二压力传感器、自动调节装置分别通过测控信号线与微电脑自控系统相连；
当进水管(1)的流量在额定值范围时，流量计(2)的流量数据以及第一压力传感器(5)与第二压力传感器(8)检测到的可调式静态管道混合器(3)进出水压力数据传输至微电脑自控系统(10)；通过微电脑自控系统(10)综合计算并建立进水流量、水头损失h、可调式混合部件(4)开闭角度θ、可调式静态管道混合器(3)局部阻力系数ζ的相关性函数模型，得到额定流量条件下的标准速度梯度G0值，并由微电脑自控系统(10)设定出可调式混合部件(4)的标准开闭角度θ，进而确定出G0值的最佳阈值范围。；
当进水管(1)的流量发生改变时，流量计(2)的流量数据以及第一压力传感器(5)与第二压力传感器(8)检测到的可调式静态管道混合器(3)进出水压力数据传输至微电脑自控系统(10)，通过微电脑自控系统(10)建立的相关性函数综合计算进水流量、水头损失h、可调式混合部件(4)开闭角度θ、可调式静态管道混合器(3)局部阻力系数ζ的对应数值，得到不同流量条件下的速度梯度G值，并与设定的标准G0值进行对比后，由微电脑自控系统(10)控制自动调节装置(7)调控可调式混合部件(4)的开闭角度θ，使得G值处在G0值的最佳数值或最佳阈值范围内。
2.按照权利要求1所述方法，其特征在于，微电脑自控系统建立的相关性函数模型是：微电脑自控系统根据大量采集的进水流量值和可调式静态管道混合器进出水口压力差值数据即水头损失h、可调式混合部件开闭角度θ进行统计和归类，建立基于进水流量、水头损失、可调式混合部件开闭角度θ、可调式静态管道混合器局部阻力系数ζ与G值相关性函数，对混合效率进行判别与综合评估，以得到不同进水流量条件下的最优水力混合效率的控制方案和调控输出值，并确定出相应的G值最佳阈值范围。
3.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，ζ局部阻力系数采用波达公式
Figure FDA0003085404640000021
计算，G值采用速度梯度公式计算，即
Figure FDA0003085404640000022
其中h为局部水头损失(m)，即第一压力传感器与第二压力传感器检测到的可调式静态管道混合器进出水压力差值，ζ为局部阻力系数，μ为进水流速(m/s)，ν为水的运动粘度(㎡/s)，T为水在可调式静态管道混合器中的水力停留时间(s)；
可调式混合部件开闭角度θ(°)与G值的函数关系可表述为：
G＝f1(θ) (1)
其中θ与G值的函数关系由于可调式混合部件的不同有所差异，其关系可采用深度学习的方法建立。
4.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，可调式混合部件可为桨叶式、折板式、波纹板式、螺旋式、螺带式、交叉板式、辐条式、内置翼片式等各种型式，可调式混合部件可为全部混合部件或部分混合部件，可调节开闭角度θ范围可为0°-90°或之间的任一角度范围。
5.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，第一压力传感器可设置在可调式静态管道混合器的进水管上，第二压力传感器可设置在可调式静态管道混合器的出水管上。
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