自动化控制系统在水厂节能降耗中的应用研究

随着城市化进程不断加快以及用水需求 持续 水厂作为城市供水系统当中的核心设施，其运行效率和能耗方面的问题愈发明显，目前很 消耗高等突出问题，这不但增加了运营成本，还对供水质量的稳 繁启停、混凝剂与消毒剂投加不精准等状况，都造成了能源与资 自动化控制技术的应用成了水厂节能降耗的关键突破口，借助变频调速技术、 药剂投加优化以及泵站智能控制等手段，水厂能够实现工艺参数的精准调控、设备运行的高效管理以及能耗的精细化控制。

1 水厂自动化控制系统概述

1.1 自动化控制系统组成

水厂自动化控制系统属于现代化水处理设施的核心管理平台，它是由数据采集与监测系统（SCADA）、可编程逻辑控制器（PLC）、人机交互界面（HMI）、通信网络以及执行机构等关键模块所组成。SCADA 系统作为整个控制的中枢部分，能够实时采集流量、压力、水质等关键参数，并且通过可视化界面展示系统运行状态，同时还具备数据存储和报警等功能。PLC 作为系统的“大脑”分布在各个工艺段，主要执行逻辑控制工作，例如根据水质变化自动调节加药量或者控制滤池反冲洗周期。HMI 为人为操作人员提供了直观的操作界面，并且支持进行远程监控和参数调整等操作，稳定可靠的通信网络可以确保各子系统数据实现实时交互，通常采用工业以太网和冗余设计来提高系统可靠性。执行机构包含变频泵、电动阀门等末端设备，能够精准执行相应的控制指令，这些子系统相互协同工作，共同构建起一个完整的自动化控制体系，为水厂的智能化运行提供有力的技术支撑[1]。

1.2 自动化控制系统工作原理

水厂自动化控制系统运用“感知 - 决策 - 执行”闭环控制模式 感器实时采集各类工艺参数，再经通信网络传输到PLC 或SCADA 系统进行 系统依据 智能算法生成控制指令，比如，调节加药量、启停水泵或者触发反冲洗程序， 行状态实时反馈形成闭环控制的长期运行数据，能够用于优化控制策略。 现代系统 持管理人员随时掌握运行状态，并且集成了应急预案来处理突发情况，这种智能化控制模式不但确保了水处理工艺的稳定运行和水质安全，还通过优化调度降低能耗显著提升水厂管理效率和经济效益。

2 水厂运行过程中的能耗问题分析

2.1 电能消耗较大

水厂的电能消耗主要集中在水泵运行、加压设备和各类电气设备使用过程里，水泵作为水厂的核心动力设备其运行效率直接决定电能消耗状况，实际运行中因水泵选型与实际工况不匹配致使部分水泵长期处于低效运行状态。比如，供水需求较低时水泵仍按额定功率运行造成电能浪费，此外水泵电机老化、绝缘性能下降等问题也会增加电能损耗，加压设备的频繁启停会导致电能额外消耗，水厂供水过程中为满足不同区域水压需求加压设备需根据管网压力变化调整，部分水厂加压设备控制系统简单无法实现精准启停控制，导致设备频繁启动增加电机启动电流进而提高电能损耗。水厂内各类电气设备运行效率低下是电能损耗重要原因之一，像一些老旧变压器、配电柜等设备因技术落后和维护不善存在较大电能损耗。

2.2 水厂矾耗和氯耗居高不下

矾耗和氯耗属于水厂运行当中重要的药剂消耗指标，其高低情况会直接影响水厂运行成本与供水质量，矾耗主要和水厂的混凝沉淀工艺存在关联，原水进入水厂之后需加入硫酸铝、聚合氯化铝等混凝剂，以此促进水中悬浮物和胶体颗粒凝聚沉淀，但部分水厂在混凝剂投加过程里存在投加量不准确的状况。一方面原水水质波动较大，混凝剂投加系统不能及时依据水质变化调整投加量，这会造成混凝剂过量投加，如原水浊度较低时还按高浊度时投加量投加，既浪费混凝剂又可能影响后续过滤效果；另一方面混凝剂投加方式也有问题，部分水厂采用人工投加或简单定量投加方式，无法实现精准投加控制，导致混凝剂利用率较低，氯耗主要与水厂的消毒工艺存在联系 2]。为确保供水水质符合卫生标准，水厂要在出厂水中加入一定量氯气或次氯酸钠等消毒剂，然而部分水厂在消毒剂投加过程中，有投加量过高或分布不均匀的问题，一方面因管网长度较长或供水范围较大，为保证管网末梢余氯含量，水厂常于出厂水投加较多消毒剂，致使氯耗增加；另一方面，消毒剂投加系统精度不足，无法实现均匀投加，部分区域可能消毒剂过量而部分区域可能消毒剂不足，影响供水水质和消毒效果

3 自动化控制系统在水厂节能降耗中的实践应用要点分析

3.1 变频调速技术的应用

变频调速技术是水 节能降耗方 频率实现电机转速无级调节，进而依据实际 行状态。在水厂当中水泵属于主要能耗设 用可让水泵依据管网压力和流量 时，水泵转速降低使电机功率 时电流冲击以延长电机和水泵 命， 供水压力管理，避免因压力过高造成管 耗，还能提高设备运行稳定性和可靠性，是水厂实现节能降耗的一项关键技术

3.2 在线监测系统的应用

在线监测系统是水厂实现自动 关键工艺环节安装各类传感器和监测设备， 中各种参数数据，为水在如下几个方面，首先，它能实 时发现能耗异常情况，找出节 水质和出厂水水质，为混凝剂 降低药剂成本又减少因药剂投 测， 及时发现设备故障 行效率并降低能耗，所以在线 的 行效率和管理水平 [3]。如图 1

3.3 药剂投加优化处理

药剂投加在水厂 运行成本和供水质量，传统水 精准调整，造成药剂 问题，药剂投加优化处 实时水质数据，自动化控 剂投加方面会根据原水浊度 在消毒剂投加方面通过 此外，药剂投加优化 药剂浪费，造成的能源消耗和环境影响， 是水

3.4 泵站智能控制

泵站作为水厂的核心组成部 泵站智能控制属于自动化控 压力和流量的变化自动 化启停和变频调速 输数据至组合，保证泵站始 管网压力较低时系 泵站智能控制还可 及时发现水泵的潜在 制还可以与水 站的负荷，优化水和高效运行的重要保障，能够有效提高水厂的运行效率和经济效益

4 案例分析

4.1 项目概况

某水厂作为中型供水系统典型案例 雨 自动化升 运营效能瓶颈，具体的表现情况是，工艺设备陈旧且主要依靠人工操 组由于缺乏智能调控系统频繁启停，既造成电能损耗又加 的缺陷，无法达成关键指标的动态跟踪效果，对供水安全构成潜在 水处 人工经验，既难以保证投加精度又造成资源的浪费，直接影响处理效果 经济方 些系统性缺 不仅使得运营成本一直居高不下，更对供水服务的可靠性与安全性产生负面的影响

4.2 自动化控制系统的实施

根据当前的工艺流程、设备运行状况还有升级需求， 来水 编制出完整的自动化改造实施方案，这个计划包含控制设备选型、专用软件 等关键环节，当中把PLC设备和SCADA 监控平台进行有机整合， 针对一线操作人员开展了专项技术培训，目的是确保他们能够熟练 供水泵站的运行效能，自来水厂实施了变频调速技术改造方案，研究团队在核心泵 2 ，该设备能依据管网实时流量监测数据动态调节水泵转速。

自来水厂沉淀池排泥系统由排泥阀和排泥运输车辆共同组成，其运行能耗大概占到水厂总能耗的 15% -20%，通过优化控制系统能够实现显著的节能降耗效果。依据实测数据来看，合理的自动化控制方案可以让排泥系统能耗降低 30% 以上，同时还能减少大约 25% 的水资源浪费。首先，是排泥阀的智能管理与调控，排泥阀的运行参数会直接对系统能耗产生影响，研究表明采用智能控制策略之后，排泥阀的启闭次数能够减少40%，单次运行时间会缩短 20%，一年大概能节约 5 万 kWh 的电能。具体的实施方案包含，一是基于浊度在线监测的动态排泥控制，当浊度达到设定阈值时就自动启动排泥；二是采用变频控制技术来调节阀门开度，和传统的全开全关模式相比能够节能 15% ；三是建立排泥周期自学习模型，按照季节变化自动调整排泥频率，夏季可以设定为4 - 6 小时/ 次，冬季延长到8 - 12 小时/ 次，同时通过精确控制排泥过程，每年可节约排泥用水量约1.5 万吨，具有显著的经济和环境效益。

实践证明，这一自动化控制策略不但使系统能耗指标明显改善，还大幅降低了水泵机组及输水管道的机械损耗程度，该市供水企业构建了覆盖全流程的水质实时监控网络，它由分布在关键节点的多个自动监测站所组成，各个站点都配备了高精度传感器及远程数据传输装置，该系统可以对水处理工艺中的 pH 值、浊度、余氯浓度等核心指标进行连续动态监测，采集的实时数据通过无线通信网络传输到调度中心，给运行管理人员提供决策依据，这一智能化监测体系的建立显著提高了水质异常事件的预警能力，有效确保了城市饮用水安全[5]。

4.3 实施后的效果

通过引入自动化控制系统，市自来水厂在运营效能与经济效益方面均取得显著提升，具体而言，变频调速技术的应用使泵站运行效率提高约，同时通过精准控制有效降低了电能损耗和设备磨损，水质在线监测系统的实施不仅确保了供水质量的稳定性，还大幅提升了用户满意度。在化学处理环节，智能加药装置的应用实现了药剂投加的精确控制，年度药剂支出减少逾，并显著降低了环境风险。

5 结语：

综上所述，水厂在运行过程中面临着电能损耗较大、矾耗和氯耗居高不下的能耗问题。通过应用自动化控制系统中的变频调速技术、在线监测系统、药剂投加优化处理以及泵站智能控制等技术措施，可以有效解决水厂的能耗问题，实现节能降耗的目标。水厂应根据自身的实际情况，合理选择和应用这些技术措施，加强运行管理和维护，不断提高水厂的运行效率和经济效益，为城市的可持续发展。

参考文献：

[1] 青志鹏 , 罗建蓉 , 蓝锂新 , 等 . 水厂节能降耗策略研究—— 以青衣水厂为例 [J]. 仪器仪表用户 ,2024,31(09):91-93.

[2] 曹雁超 . 自动化控制系统在水厂节能降耗中的应用 [J]. 清洗世界 ,2024,40(07):25-27.

[3] 钟逵 . 人工智能在自来水厂电气自动化控制中的应用 [J]. 现代工业经济和信息化 ,2022,12(12):137-139.

[4] 陶育宝 . 自动化控制系统在水厂节能降耗中的应用 [J]. 造纸装备及材料 ,2022,51(10):37-39.

[5] 陈天顺 . 电气自动化控制系统在水厂的应用 [J]. 集成电路应用 ,2020,37(11):154-155.

作者简介：李磊（1983.8.8-），男，高级工程师，硕士研究生，现主要从事的工作：给水排水