20kg/h臭氧系统在昆山自来水公司的应用
发布时间：2024-12-01
丁香鹏1 张磊1 王承宝2
（青岛市臭氧应用工程技术研究中心，山东 青岛 266031）
摘要：结合昆山自来水公司第三水厂二期20万m3/d供水项目，介绍了国产20kg/h臭氧系统，包括臭氧设备、系统控制、臭氧投加、尾气分解等部分，代表了国产臭氧设备在市政供水领域工程化和系统化水平。
关键词：20kg/h臭氧发生器 深度处理 投加系统 尾气分解
0 前言
自上世纪90年代开始，在我国经济发达、水源污染严重的地区纷纷采用臭氧—活性炭工艺，效果明显，处理后水质大幅提高。由于90年代国内还不能生产2kg/h以上规格臭氧发生器，只能选择进口并一直影响至今，目前我国市政给水行业所用的臭氧设备基本被国外厂家垄断。但进口设备昂贵的价格，使我国部分地区的自来水公司难以承受，从而影响了臭氧—活性炭工艺的普及应用。
CiLvSuanNa.com公司自2002年起，先后研制成功空气源3kg/h、5kg/h、10kg/h 的臭氧发生器，并于2004年研制出氧气源20kg/h臭氧发生器、2008年又成功开发了氧气源50kg/h大型臭氧发生器，并通过了国家建设部的鉴定。以上成果填补了国产大型臭氧发生器的技术空白，技术指标也逐步提高，目前臭氧浓度可达120-160mg/L（质量比8.3%-10.9%）。
由于近年来国内臭氧技术快速发展，以及进口设备价格、售后服务方面的问题，国产大型臭氧设备越来越受到国内供水公司及行业专家的关注。CiLvSuanNa.com公司继2004年起，先后为利津自来水厂、神华生活区自来水厂、华联三鑫自来水厂先后提供了2-12kg/h的臭氧系统。2008年7月中标昆山自来水公司第三水厂20万吨/天自来水处理的20kg/h臭氧制备系统，于12月安装调试完毕并投入运行，系统运行3年来来稳定可靠，受到业主的好评。于2009年7月，昆山自来水公司第四水厂一期30万吨/天自来水处理的所用2套20kg/h臭氧制备系统进行公开招标，在与国外臭氧设备的竞争中，CiLvSuanNa.com公司再次中标。
至此，CiLvSuanNa.com臭氧系统在自来水深度处理上还有上海松江自来水厂（20万吨）、小昆山水厂（20万吨）、济南鹊华自来水厂（20万吨）、江苏建湖自来水厂（10万吨）、兴化自来水厂（5万吨）、秦山核电站水厂（3.6万吨）等，超高的性价比、可靠的运行稳定性和良好的处理效果，受到用户普遍好批。
随着国家新的《生活饮用水卫生标准》（GB5749-2006）颁布实施，相信国产臭氧系统随着技术指标和设备性能的提高，将会更广泛的应用于我国市政供水领域。
1 项目简介
该项目为昆山自来水公司第三水厂的二期工程，采用太湖流域傀儡湖水源，由于河网水质污染和湖泊富营养化严重，供水水源为Ⅲ-Ⅳ类水体，2006年昆山自来水公司实施了水质深度处理。第三水厂现有供水规模40万m3/d，采用进口20kg/h臭氧系统3套（两用一备），二期工程再增加规模20万m3/d，采用CiLvSuanNa.com20kg/h臭氧系统1套。
水厂采用O3+常规处理+O3-BAC工艺。
臭氧投加分两个阶段——前臭氧和后臭氧。前臭氧接触池的接触时间为4min，通过射流器投加，臭氧设计投加量为0.5mg/L-1.0mg/L，有效水深为6.0m。后臭氧接触池分为2格，每格3个投加点，投加比例为6:2:2，有效水深为6.0m，接触时间约10min，采用微孔陶瓷盘布气，臭氧设计投加量为1.5mg/L-2.5mg/L。
2 系统总体控制方式及要求
总体控制系统能够显示臭氧系统的工艺流程、设备运行状况，实现工艺参数设定等，可以根据预先设定在臭氧系统发生的故障的性质，决定在某一故障出现时报警或同时自动停机；或根据故障的性质，分级报警，提示操作员根据故障性质输入指令来决定处理方式。
臭氧发生控制方式：臭氧发生量根据需要以“恒定臭氧浓度，调节氧气流量和功率投加量”进行控制。
前臭氧投加控制：根据前臭氧接触池进水流量以及投加比率设定值的变化自动调节投加量。
后臭氧投加控制：根据后臭氧接触池进水流量以及投加比率设定值的变化自动调节投加量，保证出水达到设定的余臭氧值。
3 臭氧系统设计概述
20kg/h氧气源臭氧系统主要包含20kg/h臭氧发生器、前臭氧投加系统、后臭氧投加系统、尾气臭氧破坏系统、检测及PLC监控系统、仪表空气及液氧补加空气系统。
现场提供氧气浓度90%以上的富氧气源，纯氧气源作为备用，使用时添加5%左右的压缩空气作为氮气补充，使氧气浓度为95%左右。气源经除尘过滤，去除大于0.01um的粉尘。进气端管路配置切断阀门、安全阀、露点检测、压力传感器、压力表等。氧气经臭氧放电室转化成臭氧，经臭氧浓度检测、流量检测及调节等输送到臭氧传输管道。出气口管路还配置温度传感器及压力表等。
臭氧电源装置向臭氧放电室输出电压4kV左右、频率800Hz左右的电源，在放电单元中形成中频高压电场使O2转化为O3。臭氧电源装置自带PLC控制系统，能实现本地自动控制并可与总控PLC通讯。
臭氧车间安装臭氧泄漏报警仪及氧气泄漏报警仪，车间内环境中臭氧或氧气泄露超标，报警仪检测发出信号报警，并可同时启动车间排气装置。
前臭氧接触池设计分两条投加线并联投加运行，每条线设计一套臭氧投加单元，采用射流投加，由增压泵、射流器、流量计、电动调节阀、气动切断阀、压力传感器、压力表等组成。两套臭氧投加单元由前投加控制柜的PLC统一控制，根据设定的供水流量及投加比例由前投加控制柜自动调节臭氧的投加量。增压泵设计为两用一备，两条投加线同时投加臭氧到前臭氧接触池内。臭氧投加单元的气动切断阀根据压力实现自动关断，可有效防止水倒灌进臭氧输送管路。
后臭氧接触池设计分两格运行，每格设计一条臭氧投加线，每条线设3个投加点，3个点臭氧的投加比例顺水流方向依次为投加量的60%（调节范围为40-80%）、20%（调节范围为10-30%）、20%（调节范围为10-30%），采用微孔曝气盘投加臭氧。每条臭氧投加线设计一套臭氧投加控制单元，由流量计、电动调节阀、压力表等组成。两套臭氧投加单元由后投加控制柜的PLC统一控制，根据设定的供水流量及投加比例由后投加控制柜自动调节臭氧的投加量。臭氧投加控制在总控PLC柜统一设定，总控PLC将控制指令发送到后投加控制柜。后臭氧接触池内部均匀分布微孔曝气盘，臭氧气体通过微孔曝气盘均匀地投加到水体中。
后臭氧接触池还设置多个取样口，可通过取样口检测水中剩余臭氧浓度。控制系统还可通过检测水中臭氧浓度自控调节后臭氧投加量。
为保证前、后臭氧接触池内外的压力平衡，在顶部均安装双向安全阀。
前、后臭氧预投加系统各设计了两台尾气臭氧破坏器，一用一备，确保排入环境大气中的臭氧浓度低于0.1ppm。尾气臭氧破坏器出气口有排气臭氧浓度监测仪，进气口设置了取样口，通过便携式臭氧浓度监测仪监测尾气浓度，当尾气浓度较高时，可通过调节系统设定降低臭氧投加量。
4 氧气源20kg/h臭氧发生器
臭氧发生器采用CiLvSuanNa.com公司自主研发的20kg/h大型中频臭氧发生器，主要部分由臭氧放电室组件和臭氧电源装置构成。
4.1 主要技术参数
本次设备的技术参数安装招标文件的要求设计：臭氧产量≥ 20kgO3/h ；臭氧浓度≥ 8.0wt%；功耗7.8-10kWh/kgO3。
CiLvSuanNa.com目前的臭氧技术已达到臭氧浓度≥ 10wt%条件下，功耗≤10kWh/kgO3。
4.2臭氧电源装置
臭氧电源装置设计为中频电源，与国外大功率臭氧电源一样，采用全控整流逆变式大功率电源技术，由整流、逆变和升压回路组成的。
由于国内电网电压波动较大，谐波干扰各不相同，使国外臭氧设备在国内运行中经常出现电源故障。针对以上问题，我们对臭氧电源进行了优化改进，增加了电源谐波滤除装置，隔离电网谐波和消除系统正常工作时产生的谐波；采用非阻容吸收式可控硅逆变电路和LCM1200C大规模可编程逻辑器件CPLD控制技术，使臭氧电源的控制速度更快、稳定性更高，更有利于主电路的工作和控制，做到了臭氧运行过程中能恒电流、恒电压、恒功率运行，更加适应我国电网电源的实际情况，使臭氧系统能够稳定运行。
针对南方夏季的高温环境，臭氧电源装置配置水冷空调，电源工作产生的热量完全通过冷却水带走，不会对周围的环境造成温度升高等影响，更不会依赖周围环境条件，在夏季高温季节采用强制通风，避免了进口设备的电源装置采用风冷空调散热的弊端。
臭氧电源装置自带PLC控制系统，即就地PLC系统，实现就地手动/自动监控臭氧发生器的运行并与臭氧系统的总控PLC进行通讯，实现远距离控制监测的功能。臭氧放电室组件配置的自控仪器、自控仪表、自动阀门等，臭氧电源装置的逆变器、整流器、变压器、空调及其附属设备的运行状况、电源柜温度等，均由就地PLC自动监控。就地PLC系统对臭氧发生器采用恒浓度控制，即根据自动调节后的流量及检测到的臭氧浓度信号，自动调节电源投加功率，使臭氧发生器工作在一个相对恒定的浓度上。
4.3臭氧放电室
在常规20kg/h臭氧发生器放电室结构和技术的基础上，改进了放电室的冷却工艺和放电体的装配工艺，提高了放电室的冷却效率，放电体进行了严格地筛选，每个放电单元的电容值接近相同，更有利于高浓度臭氧的产出。
改进了放电体的材料和烧结工艺，采用第三代放电体釉料和SPCC材料的放电体基体（发明专利已授理），采用新型自动化恒温控制烧结炉，提高了放电体的放电效率为30%。
臭氧放电室组件带一体化安装底座及支架，配置产品气体臭氧浓度检测仪、臭氧流量计、电动调节阀、气动切断阀、进气过滤器、露点传感器、压力传感器、温度传感器、就地仪表及手动阀门等，主要仪表采用ABB等国际知名品牌，最大限度地保证系统工作的稳定性。臭氧放电室组件带一体化安装底座及支架，所有仪表、阀门及连接管路等一体化安装完毕，整体调试出厂。
臭氧放电室组件配置原理如下图：
5 前臭氧投加系统
前臭氧投加系统设计增压泵3台（2用1备），设计2套臭氧投加控制单元并联工作，2台尾气臭氧分解器（1用1备），2台双向安全阀，1台投加控制柜。投加控制柜通过设定自动调节臭氧的投加量和相关设备的工作/备用状态，并与总控PLC进行通讯。
3台增压泵设置手动切换阀门，切换阀门带有阀门位置开关，控制柜可根据阀门的位置判断，确定开启某一台水泵。
每套臭氧投加单元包括：射流器1台、臭氧流量计1只（带信号输出）、电动角座调节阀 1只、气动切断阀1只、压力传感器1只、Y型过滤器1只、压力表3只、手动阀门1套，组成配置原理如下图：
6 后臭氧投加系统
6.1 后臭氧接触池
后臭氧接触池设计分两格运行，每格处理水量为4167m3/h，臭氧投加装置采用刚玉曝气头，根据曝气量和服务面积共设计曝气头96只。曝气微孔孔径为10-15μm，产生1-2mm大小的微气泡。因每格设计一条臭氧投加线，每条线设3个投加点，每段臭氧的投加比例按顺水流方向依次为60%、20%、20%，3个投加点配用的曝气盘数量依次为26只、11只、11只。
每格设计双向安全阀1只，共2只。每条臭氧投加线设计臭氧投加控制单元1套。
后臭氧接触系统设计2台尾气臭氧分解器，1用1备；2台除雾器。
6.2后臭氧投加控制单元
臭氧气体通过管道通至臭氧接触池顶端并分为两路进入每条臭氧投加线，各配置一套臭氧投加单元。每套臭氧投加单元经臭氧流量计及电动调节阀检测、调节流量，再分为三个分支管路，各经过一台分支管道流量计检测各自流量后分别进入三个投加点。每个支路除设有流量计外还设有手动调节阀、压力表，进行气量控制和压力检测，控制每个点的臭氧投加量。
每套臭氧投加控制单元包括：总管臭氧流量计1只（带信号输出）、电动角座调节阀1只、分支臭氧流量计3只、压力表4只、手动阀门1套，组成配置原理如下图：
7 尾气臭氧分解器
因臭氧属有害气体，尾气中未被溶解的臭氧需去除掉，以达到环境允许的臭氧浓度标准。前臭氧系统和后臭氧系统各设置2台尾气破坏器，1用1备。
臭氧尾气破坏采用加热-催化混合型尾气臭氧分解方式，主要通过催化分解作用分解尾气中的多余臭氧，由催化反应槽、加热器、温控器、离心风机、检测仪、控制系统等部件组成，除现场手动控制外，还可由PLC实现远程自动控制。
尾气在进入催化反应槽之前先经过预加热，防止其在工艺过程中由于冷凝产生液态水。加热器通过温控器，可保证系统按设定的温度范围工作。在催化反应槽内臭氧分子在通过催化剂得以分解，去除臭氧的尾气被离心风机从催化床抽出排入大气。
尾气臭氧分解器由现场PLC控制自动运行，实现就地手动/自动监控臭氧尾气破坏器的运行，并与臭氧系统的主控制PLC进行通讯，实现远距离监控的功能。
后臭氧系统尾气臭氧分解器组成配置原理如下图：
8 运行状况
该套系统于08年12月投入使用，臭氧主机与3套同规格进口设备在同一车间运行，运行状态稳定正常，无故障发生，总结如下。
a、产量、浓度、电耗稳定正常，达到招标文件要求的技术指标。
b、电源装置与进口设备相比，对电网的适应性更好，未出现因电网电压波动而停机的现象。
c、自控系统灵敏可靠，实现了对臭氧发生器、冷却系统、前后投加系统及尾气破坏系统的良好控制。
d、可靠实现了臭氧发生量根据水量以“恒定臭氧浓度，调节氧气流量和功率投加量”的控制方式。
9 结束语
这是国内市政供水行业第一次所采用国产最大规格的臭氧系统，该系统的设计吸取了国内外市政给水行业臭氧系统的先进经验，重点保证系统运行的稳定性和控制的可靠性。我们会通过不断努力、总结经验，逐渐缩小与国外先进臭氧系统的差距，为我国供水事业做出更大的贡献。
