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Principes d’asservissement de l’injection des réactifs appliqué à la décantation lamellaire de l’usine de traitement d’HARBIN
Soit une pompe doseuse d’injection de réactif à débit variable dont le débit peut varier entre 0 et Dmax exprimé en g/h (gramme/heure) de matière active.
Soit D, le débit instantané à appliquer sur la pompe doseuse exprimé en g/h.
Soit Q le débit d’eau à traiter exprimé en m3/h.
Soit τ le taux de traitement à appliquer exprimé en g/m3 (gramme/m3).
1. Imposition d’un taux de traitement fixe
La première solution consiste à pratiquer régulièrement (de l’ordre d’une fois par jour si la qualité de l’eau ne change pas trop rapidement ou plusieurs fois par jour en cas de variation rapide) des essais jar-tests en laboratoire de façon à déterminer le meilleur taux de traitement τ à appliquer. τ est alors renseigné dans la mémoire de l’automate.
Chaque minute (ou toutes les 10 ou 20 minutes si les variations de débit entrant sont faibles), l’automate programmable mesure le débit Q à traiter, puis calcule le débit D que l’on doit appliquer à la pompe doseuse de réactif par la formule suivante :
D = Q * τ
où * est l’opération multiplier
2. Imposition d’un taux de traitement variable à l’aide d’une courbe
Lorsque l’on a une certaine expérience du fonctionnement de l’installation de traitement, les nombreux essais jar-tests pratiqués dans différentes conditions de turbidité d’eau brute permettent de tracer expérimentalement une courbe du taux de traitement τ à appliquer en fonction de la mesure de turbidité d’eau brute (voir ci-dessous).
Dans la mémoire automate, la courbe expérimentale est approximée par une série de points (abscisse = turbidité eau brute / ordonnée = taux de traitement). Dans l’exemple ci-dessous, il suffit de ranger les valeurs d’abscisse (notées par exemple de X1 à X10) et d’ordonnée (notées par exemple de Y1 à Y10) avec leurs valeurs correspondantes.
Chaque minute (ou toutes les 10 ou 20 minutes si les variations de débit d’eau brute et de turbidité d’eau brute sont faibles), l’automate effectue les opérations suivantes :
• Mesure de la turbidité d’eau brute (notée X sur la courbe ci-dessous)
• L’automate vérifie la plage de donnée dans laquelle la mesure de turbidité d’eau brute X se trouve (dans le cas présenté entre les valeurs X3 et X4). Il calcule alors la valeur Y du taux de traitement τ à appliquer par interpolation selon la formule suivante :
Y = {[(Y4-Y3)/(X4-X3)]*(X-X3)} Y3
Dans le cas présenté, si la mesure de turbidité d’eau brute vaut 23, la valeur Y du taux de traitement vaut {[(70-50)/(30-20)]*(23-20)} 50 = 56. Donc τ = Y = 56 g/h
• L’automate calcule le débit D que l’on doit appliquer à la pompe doseuse de réactif par la formule suivante : D = Q * τ où * est l’opération multiplier
3. Imposition d’un taux de traitement variable à l’aide d’un objectif de turbidité d’eau décantée
Comme dans le paragraphe 1, le laboratoire détermine une fois par jour (ou plus si nécessaire) le taux de traitement initial à appliquer. Cette valeur est notée τ0. L’automate calcule alors une première fois le débit D que l’on doit appliquer à la pompe doseuse de réactif par la formule suivante : D = Q * τ où * est l’opération multiplier et où τ = τ0
En sortie de l’étape de décantation lamellaire, on se fixe alors un objectif de turbidité à atteindre noté O.
Soit T1, le temps de séjour de l’eau dans l’étape de décantation exprimé en minute (l’ordre de grandeur de T1 est de 60 minutes).
Le principe est que l’automate effectue régulièrement selon une périodicité notée T exprimée en minute les calculs ci-après. T doit être supérieur à T1 (environ 1,5 fois T1, soit de l’ordre de 90 minutes) de façon à laisser au système le temps de réagir à une modification de l’injection de réactif à l’entrée de l’étape de décantation.
• Si la mesure de turbidité de l’eau décantée est supérieure à la valeur objectif O, cela veut dire que le taux de traitement appliqué n’est probablement pas suffisant et il faut l’augmenter légèrement. L’automate calcule alors un nouveau taux de traitement τ à partir de sa valeur précédente augmentée d’une fraction du taux de traitement τ0 proposé par le laboratoire, soit la formule suivante τ = τ Δ * τ0 où Δ est de l’ordre de quelques % (généralement de l’ordre de 5%, soit Δ = 0,05).
• Si la mesure de turbidité de l’eau décantée est inférieure à la valeur objectif O, cela veut dire que le taux de traitement appliqué est probablement trop important et il faut le réduire légèrement. L’automate calcule alors un nouveau taux de traitement τ à partir de sa valeur précédente diminuée d’une fraction du taux de traitement τ0 proposé par le laboratoire, soit la formule suivante τ = τ - Δ * τ0 où Δ est de l’ordre de quelques % (généralement de l’ordre de 5%, soit Δ = 0,05).
• Il peut être dangereux de laisser un automate modifier fortement le taux de traitement optimal τ0 proposé par le laboratoire, c’est pourquoi nous limitons généralement la capacité de variation du taux de traitement calculé par l’automate à environ ±20% du taux initial τ0 (la valeur de 20% est donnée pour exemple, mais peut-être adaptée en fonction de l’expérience). Pour cela, l’automate effectue les calculs suivants :
o Si la nouvelle valeur calculée τ est supérieure à 1,2 * τ0, la valeur de τ = 1,2 * τ0 et une alarme est envoyée aux exploitants pour leur signaler une mauvaise adaptation du taux de traitement par rapport à l’objectif de turbidité O de l’eau décantée.
o Si la nouvelle valeur calculée τ est inférieure à 0,8 * τ0, la valeur de τ = 0,8 * τ0 et une alarme est envoyée aux exploitants pour leur signaler une mauvaise adaptation du taux de traitement par rapport à l’objectif de turbidité O de l’eau décantée.
• L’automate calcule le débit D que l’on doit appliquer à la pompe doseuse de réactif par la formule suivante : D = Q * τ où * est l’opération multiplier
• L’automate attend que le temps T soit écoulé avant de faire un nouveau calcul
4. Conclusion
Mis à part les 3 principes décrits ci-dessus, de nombreux autres modes de contrôle de l’injection automatique de réactifs existent dans la littérature, mais ils sont généralement complexes à mettre en œuvre et à régler.
Dans le cas de l’usine de traitement d’HARBIN, et compte tenu de la grande expérience du laboratoire de la station et des exploitants de l’usine, nous préconisons d’utiliser la solution n°2 qui consiste à imposer un taux de traitement variable à l’aide d’une courbe expérimentale car il est simple à programmer et qu’il permet une adaptation rapide du taux de traitement à des variations rapides de la turbidité de l’eau brute.
| Translation - Chinese
哈尔滨合营公司水厂沉淀池自动投药原理
设置一台可变流量的投药泵，其药剂流量在0到D（最大）之间，单位g/h。
D，瞬间加入投药泵的药剂量，单位g/h。
Q，要处理的水量，单位m3/h。
τ，投加药剂的处理率，单位g/m3。
1. 制定一个固定的处理率
第一种办法是定期在化验室做烧杯实验（如果水质变化不太快，大约每天一次；如果变化较大就一天做多次），以便确定最佳的处理率τ。τ的数值储存在控制柜里。
每分钟（如果进水量的变化很小，也可以每隔10或20分钟一次），控制柜测量出要处理的流量Q，然后通过以下公式，计算出要加入投药泵的药剂量D：
D = Q * τ （*表示乘号）
2. 通过曲线制定一个可变化的处理率
当我们拥有了一定的水厂运行经验，可以通过不同的原水浊度条件下进行的大量烧杯实验，根据原水的浊度，绘制出一条处理率τ的实验曲线（如下图）。
在控制柜的记忆库里，这条实验曲线通过一系列的点趋向近似（横坐标=原水浊度，纵坐标=处理率）。在下面的例子中，只要将横坐标（例子中的X1到X10）和纵坐标（例子中的Y1到Y10）与其对应的数值排列一下即可。
每分钟（如果进水量的变化很小，也可以每隔10或20分钟一次），控制柜进行以下操作：
• 测量原水浊度（以下曲线中的X）
• 控制柜检查数据的范围，包括X表示的原水浊度（例子中X3到X4的数值）。然后根据以下公式，用插值法计算出Y值，即要制定的处理率τ。
Y = {[(Y4-Y3)/(X4-X3)]*(X-X3)} Y3
在例子所示情况下，如果原水浊度为23，处理率Y值就是{[(70-50)/(30-20)]*(23-20)} 50 = 56。所以τ = Y = 56 g/h
• 控制柜根据以下公式计算要投加的药剂量D: D = Q * τ
3. 通过确定沉淀池出水浊度制定可变化的处理率
如第一段说所，化验室每天确定一次（如有必要可以多次）初始的处理率。这个值记作τ0。控制柜根据以下公式，计算投药量D： D = Q * τ （τ = τ0）
我们将沉淀池出水浊度的目标值定为O。
T1，水在沉淀池的停留时间，单位是分钟（T1大约60分钟）
原理是，控制柜根据既定的周期T（单位是分钟），定期进行以下计算。T必须大于T1（大约是T1的1.5倍，差不多90分钟），以便给系统留出对沉淀开始阶段药剂量发生变化作出反应的时间。
• 如果沉淀水的浊度大于目标值O，就意味着处理率很可能不够，需要稍稍提高。于是，在化验室建议的τ0的基础上，控制柜将原数值提高一部分，再计算出一个新的处理率τ， 公式如下：τ = τ Δ * τ0 （Δ表示大约几个百分比，如约5%，则Δ = 0,05）。
• 如果沉淀水的浊度小于目标值，就意味着处理率很可能太高了，需要稍稍降低。于是，在化验室建议的τ0的基础上，控制柜将原数值降低一部分，再计算出一个新的处理率τ， 公式如下：τ = τ - Δ * τ0
• 让控制柜对化验室建议的优化值τ0进行大幅度的修改是很危险的，因此我们通常将控制柜计算的处理率的变化范围限定在初始值τ0的上下约20%之内（20%这个数值只是举例说明，可以根据经验调整）。为此，控制柜要进行以下计算：
o 如果新计算出的数值τ大于1,2 * τ0, 那么τ = 1,2 * τ0的结果连同一个报警信息将发送给管理者，使他注意处理率与沉淀水浊度的目标值O已经出现了不对应的情况。
o 如果新计算出的数值τ小于0,8 * τ0, 那么τ = 0,8 * τ0的结果连同一个报警信息将发送给管理者，使他注意处理率与沉淀水浊度的目标值O已经出现了不对应的情况。
• 控制柜根据以下公式计算要投加的药剂量：D = Q * τ
• 控制柜等待T分钟后，再进行下一次计算。
4. 总结
除了以上三种原理，还有其它很多种自动投药的方式，但落实和调节起来大都比较复杂。.
对于哈尔滨水厂，鉴于化验室和管理人员经验丰富，我们建议使用第二种方法，即通过实验曲线制定可变化的处理率，因为这种方法比较容易编程，而且在原水浊度变化快时，可以快速得到相应的处理率。
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