虹吸滤池全自控运行应用实践
由于虹吸滤池具有基建投资少，出水水质稳定，又可实现水力全自动运行，维修管理方便等特点，在20世纪80年代中期前建成的水厂较多采用此种池型。深圳市宝安自来水有限公司新安水厂一、二、三期工程分别于1983年、1985年、1988年建成投产，总设计供水能力为7万吨/日，均采用虹吸滤池。由于虹吸滤池存在水力反冲洗浪费待滤水等问题，2000年6月至10月，水厂经过反复摸索和运行调试，成功地实现了虹吸滤池全自控运行。较好地解决了水厂虹吸滤池存在的主要问题，减轻了工人劳动强度，且系统运行稳定，维护管理工作极少。现将有关工程内容阐述如下。
1 虹吸滤池运行存在的主要问题
由于新安水厂虹吸滤池单池面积小（10.5m2），设计滤速低（6m/h），采用双层陶土孔板砖配水系统，开孔比为1.023%，配水较均匀，单层石英砂滤料厚800mm，粗砂+砾石支承层厚250mm，冲洗水头1.07m，基本满足要求。但还存在如下问题：
（1）反冲洗时进水虹吸不能破坏，浪费部分待滤水。
（2）不能确保按原有设计意图，一次最多冲洗二格滤池，经常性多格滤池同时到达期终水头损失，同时冲洗。如不人为放空，阻止其反冲洗，冲洗水头不够，造成滤砂冲洗不干净而板结或产生泥球，减少过滤周期及滤砂使用寿命。
（3）由于清水池设计调节容积为8.57%，超负荷运行时仅6%左右。多格滤池冲洗，清水池进水少，造成清水池水位迅速下降，送水泵房不得不部分停机，使供水管网服务压力波动较大。
（4）员工劳动强度大，且需要较强的责任心。实际上晚班、早班难以做到，以致于一般情况下，滤砂使用周期仅二年左右。
2 虹吸滤池水力反冲洗系统改造方案设想
（1）由电磁阀代替各格滤池上原有手动操作阀，即进水虹吸破坏阀，排水虹吸破坏阀，高压水强制反冲洗阀。
（2）由PLC输出信号控制各格滤池电磁阀动作。
（3）各滤池期终水位由水位计信号传送至PLC。
3 系统控制原理
系统由PLC可编程控制器自动控制，只要各滤池水位超过水位计所设定的水位时，水位计开始闭合。闭合信号传到PLC，通过程序计算，PLC输出1个开启信号至进水虹吸管上常闭式电磁阀，常阀点开启，虹吸破坏，滤池停止进水。延时3min，待滤池内水位下降1m左右时，PLC输出两个信号，一个为关闭信号至排水虹吸管上常开式电磁阀，使常开点闭合，逐渐形成排水虹吸；另一个为开启信号至高压水常闭式电磁阀，使常闭点开启，高压水帮助排水虹吸尽快形成。同时，PLC经程序运算，断开其它已到期终水位的滤池冲洗，保持等候状态，以确保每组每次只冲洗1格滤池。当排水虹吸形成后，PLC送一个延时信号至高压水电磁阀，使常闭点关闭，高压水停止进水。高压水延长时间由人工根据排水虹吸形成所需时间设定，目前设定为50S。排水虹吸形成后，滤池反冲洗开始，冲洗历时由人工根据反冲洗出水浊度控制值设定，目前设定为400S左右。反冲洗结束后，PLC输出两个信号，一个为开启信号至排水虹吸上常开式电磁阀，使常开点开启，排水虹吸破坏，反冲洗停止；另一个为关闭信号至进水虹吸上常闭式电磁阀，使常闭点闭合，滤池开始进水，恢复过滤状态直至下一个冲洗过程。如此反复循环控制各个滤池工作。程序设计流程见图1。
4 系统主要设备及功能
（1）P170触摸面板。进入主菜单后，通过输入数字，对高压水进水时间，反冲洗时间设置与修改，并记忆各格滤池的冲洗次数，同时，还可进行画面设置。
（2）可编程控制器。1台S7 - 200Micro PLC内有1台单独的27 - 224CPU模板，并带有1个EM223，2个EM222扩展单元。S7 - 224CPU模块内含1个中央处理单元、电源以及数字量I/0点，这些都被紧奏地置于1个独立的设备中。
CPU负责召待程序和存储数据，控制整个运行过程。系统的控制点为输入输出部分，输入部分采集各格滤池水位计信号，输出部分则控制电磁阀；电源向CPU及其所连接的模块提供电力；通讯端口将使S7 - 200CPU同TP170A连接起来；状态信号灯显示CPU的工作模式，即运行或停止；通过扩展模块EM222、EM223增加CPU的1/0点数。
（3）每格滤池3个电磁阀。常开式电磁阀1个，即断电开启，通电关闭，用于排水虹吸抽气。介质为空气，直径25mm，工作压力0~0.05MPa。线圈垂直向下安装。常闭式电磁阀2个，即断电关闭，通电开启，1个用于高压进水，介质为水，直径40mm，工作压力0.5MPa左右。另1个用于进水虹吸抽气，介质为空气，直径25mm，工作压力0~0.05MPa。
（4）每格滤池1个电缆式浮球阀。
5 工程投资
三期工程虹吸滤池（设计供水能力4万吨/日，共28格，每格面积10.5m2）自控系统工程总投资约为9万元。其中PLC系统约为20000元，信号电缆及穿线管约为8000元，电磁阀DN25约为596元/个共56个，DN40约为820元/个共28个，电缆式浮球阀196元/个共28个。
6 结语
目前，虹吸滤池改造方法较多。有改造水力反冲洗系统、配水系统、滤料等。也有采用气水反冲洗，进水排水用闸板控制，滤板滤头配水系统，整个过程采用PLC程序控制。还有的仅留一个钢筋砼外壳，内部结构部分按V型滤池改造等等。其实，虹吸滤池一般单池面积都不大，砂层也仅800~900mm厚，承托层厚250mm左右，若配水系统运作良好，滤砂完全可以被冲洗干净。而虹吸滤池最大的缺点就是反冲洗时浪费部分待滤水，水力自动反冲洗系统运行欠佳，部分配水系统设计不合理等。因此，笔者认为，对现有虹吸滤池改造，若从经济、技术角度考虑，较为合理的方式应为基本不动其主体结构，进水排水采用自动控制虹吸系统（实际是保持管路处于常真空状态，当需要形成真空时只需打开真空管上的阀门，虹吸管立即形成真空）或气动闸板控制，必要时改造配水系统，整个过程采用PLC程序控制。这样，即可以克服虹吸滤池的缺点，又可实现全自动运行，且投入较少，一般镇级水厂都可以接受。
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