水厂过滤工艺水头损失计算与试验.pdf

净水技术2 0 1 1，3 0(2)：7 2 7 5W a t e rP u r i f i c a t i o nT e c h n o l o g y水厂过滤工艺水头损失计算与试验邓晓燕1，唐德翠L z，朱学峰-，邹振裕，李展峰，罗永恒s(1 华南理工大学自动化学院，广东广州5 1 0 6 4 1；2 广东技术师范学院自动化学院，广东广州5 1 0 6 3 5；3 广东省佛山市水业集团有限公司沙口水厂，广东佛山5 2 8 0 0 0)摘要基于水厂实际生产过程，利用堵塞计测定滤层中的压力值的方法进行了水头损失的计算建立了水厂实际生产中水头损失的模型，并利用差分进化算法对模型进行了参数辨识，从而确定了滤池总水头损失的数学模型。结果表明：模型较为准确可靠。生产过程中可根据该模型实时计算出滤池总水头损失，为水厂过滤过程的优化运行打下了良好的基础。关键词过滤工艺水头损失堵塞计数学模型中圈分类号：T U 9 9 1 2 4文献标识码：A文章编号：1 0 0 9 _ 0 1 7 7(2 0 1 1)0 2-0 0 7 2-0 4C a l c u l a t i o na n dE x p e r i m e n to nt h eH e a dL o s so fF i l t r a t i o nP r o c e s si nW a t e rT r e a t m e n tP l a n tD e n gX i a o y a n l，T a n gD e t 2 u i l J，Z h uX u e f e n 9 1，Z o uZ h e n y u 3,L iZ h a n f e n 9 3,L u oY o n g h e n 9 3(1 I n s t i t u t eo f Au t o m a t i o nS c i e n c ea n dE n g i n e e r,S o u t hC h i n aU n i v e r s 时o fT e c h n o l o g y,G u a n g z h o u5 1 0 6 4 1 C h i n a；2 I n s t i t u t eo f A u t o m a t i o n，G u a n gd D 增P o l y t e c h n i cN o r m a lU n w e m i t y,G u a n g z h o u5 1 0 6 3 5,C h i n a；3 S h a k o uW a t e r w o r k s，F o s h a nW a t e rG r o u pC o m p a n y,F o s h a n5 2 8 0 0 0,C h i n a)A b s t r a c tO nt h eb a s i so ft h ea c t u a lp r o d u c t i o np r o c e s so fw a t e rt r e a t m e n tp l a n t,c a l c u l a t i o no fh e a dl o s so ff i l t e rb ym e a s u r i n gp r e s-s u r ei nt h ef i l t e rb e dW a si n t r o d u c e d Am o d e lo fh e a dl o s si na c t u a lw a t e rt r e a t m e n tp l a n tp r o d u c t i o nW a se s t a b l i s h e db ym e a n so fp a-r a m e t e ri d e n t i f i c a t i o nm e t h o db a s e do nd i f f e r e n t i a le v o l u t i o n，a n dt h e nam a t h e m a t i c a lm o d e lo ff i h e r st o t a lh e a dl o s sW a sd e t e r-m i n e d R e s u l ts h o w st h a tt h i sm o d e li sa c c u r a t ea n dr e l i a b l e，t h et o t a lh e a dl o s sc a nb ec a l c u l a t e di nt h ep r o d u c t i o np r o c e s sb a s eo nt h i sm o d e l T h em o d e lp r o v i d e sag o o df o u n d a t i o nf o rt h eo p t i m a lo p e r a t i o ni nw a t e rt r e a t m e n tp l a n t K e yW o r d sf i l t r a t i o np r o c e s sh e a dl o s sg a u g ef o rf i l t e rp l u g g i n gm e a s u r i n gm a t h e m a t i e Mm o d e l过滤是水处理过程中非常重要的一个环节1 1 I。随着过滤进行，杂质不断被滤层中的滤砂截留，滤层阻力不断增大。到目前为止，因滤层内颗粒沉积量和空隙率的变化，滤层的水头损失还无法进行精确地计算1 2 。在实际生产中，滤池的冲洗可以根据水头损失或出水水质来确定，若能借助相关仪器，对水头损失进行数值计算，从而通过水头损失设计相应的过滤时间，可使滤池发挥较高的效能，从而使运行比较合理经济。本文以广东省某水厂的过滤实际生产过程为研究对象，建立了该水厂实际生产中水头损失的数学模型，并采用差分进化算法对模型中待定参数进行辨识。首先，利用滤池滤层中现有的压力变送器，【收稿日期】2 0 1 0-0 7 1 7【基金项目】佛山市禅城区产学研项目(2 0 0 8 8 1 0 3 4)【作者简介1 邓晓燕(1 9 8 3 一)。女，在读硕士研究生。电话：1 3 7 6 0 6 2 3 2 9 6；E m a i l：s k y d e n g x y q q c o m。一7 2 一根据实际过滤过程中压力变送器示数，得到不同厚度滤层随过滤时间的水头损失值，从而确定辨识所需要的数据样本。然后，运用差分进化算法辨识模型参数，最后利用所确定的模型对总水头进行估算，以解决实际生产中不能直接得出总水头的问题，为水厂的建模与操作优化打下基础。1 试验方法该水厂的试验滤池设计为v 型滤池，均匀滤料恒速过滤，滤层厚度为1 3 5m，分别在距离滤层的砂面0 5 5、0。8、l。0 9、1。7 5 D 处安装了四个堵塞计(实际为压力变送器)，另外在距离砂面的上方0 9m 处安装了液位计。实际生产装置情况如图l所示。试验中从沉淀池流人的待滤水的浊度为2 0 2 6N T U，在过滤周期内要求出水浊度 0 5N T U。在过滤过程中，水流经过滤层会受摩擦力影响，消耗一定能量，即水头损失露。根据实际过滤过程中万方数据净水技术W A T E RP U R l F I C A T l 0 NT E C H N O L O G Y的堵塞计的读数，即实际的压力值，计算在不同堵塞计位置处的水头损失的方程为：H=h o+A h A p(1)式中h。为每个堵塞计与液位计的距离，A h 为液位计读取的液面高度。在过滤过程中，A h 正常为(0 2 3+0 0 2)m。A p 是堵塞度计的读数，所测对象为压力。单位是I T I。图I实际生产装置示意图F i g 1S c h e m a t i cD i a g r a mo ft h eA c t u a lP l a n t2 清洁滤层水头损失的确定2 1 根据水力学原理确定清洁滤层水头损失一般而言。清洁滤层的水头损失可以根据水力学的原理1 2 l 来计算：H o=0 0 1 8 7#o t 2 丛掣(2)d：s a式中：水的密度p=l0 0 0k g m 3；设计滤速矽=8 4 5m h=2 3 5 x 1 0。m s；水的动力粘度肛在水温2 0 时约等于1 0 0 6 x 1 0。P a s；滤层等效粒径以约为1 2m m；形状系数a=O 9 4；清洁滤层时，孔隙度约为0 3 9；滤层厚度L=I 3 5m。滤层中的水流流态，可用过滤的水流雷诺数R e=_ 旦k 来判定：计算可以得到尺e 一1 4 9 2，q 州L l 一J属于层流状态。代入数据后得到清洁滤层时总水头损失为0 2 3m。由于缺乏滤层孔隙度在过滤过程中随着时间以及高度变化的可靠理论，目前只能够计算过滤刚开始滤层处于清洁状态下的水头损失1 2 1。虽然有很多学者企图建立整个过滤过程精确的数学模型，也提出了很多公式，但其计算精度难于保证，实际应用仍存在较大的困难。V 0 1 3 0，N o 2，2 0 1 1A 州l2 5 t h，2 0 1 12 2 应用堵塞计计算清洁滤层水头损失利用堵塞计，按照式(1)可计算清洁滤层水头损失。滤池经过反冲洗阶段后，滤层处于清洁状态。对于滤池满负荷的状态下，根据试验分别得到了四个堵塞计的读数。经过多次测量并取均值，所得数据见表l：表1清洁滤层时，四个堵塞计的压力值及水头损失T a b 1T h eP r e s s u r ea n dH e a dl _ D s so fF o u rG a u g e sf o rF i l t e rP l u g g i n gM e a s u r i n gi nC l e a nF i l t e rL a y e r堵塞计l 堵塞计2 堵塞汁3 堵塞计4由于堵塞计4 安装在滤层底下的气垫层内，因而计算得到的水头损失包含了长柄滤头阻力的影响，所以在计算清洁滤层水头损失时，可用前面三个堵塞计进行估算。对于清洁滤层来说，滤池仅在表面起到截污作用，因此堵塞计1 3 的压力读数成线性关系，即存在这样的关系：护0 8 9 x+1 0 0 7，其中，茗表示滤层深度，Y 表示压力。由此可以计算出清洁滤层的总水头损失为：风=o 2 6 01m，与根据水力学原理(式2)计算得到的清洁滤层的水头损失0 2 3m近似相等，证明试验结果有效。3 滤层总水头损失模型确定3 1 模型的建立本试验由于受到实际生产条件的限制，滤池砂面和水面交界层以及滤层最底部没有安装堵塞计。因此，在计算整个滤层的总水头损失时，尚不能直接利用堵塞计测量的压力值来计算滤层总水头损失。本文中我们尝试用间接法来计算总水头损失。根据艾维斯(I r e s)提出的均匀滤料等速过滤时，全滤层水头损失的经验方程式，建立了在一定滤层结构下，过滤水头损失与相关因素一般性表达式1 4 J：H H F K t Q V b 铲(3)式中：为水头损失(m)；风为清洁滤层水头损失(m)，t 为时间(h)；C 为待滤水浊度(N T U)；V 为滤速(m h)；算为滤层厚度(m)；K、a、b 和d 为待估参数。3 2 模型参数的确定本文采用差分进化算法(D E)来辨识式(3)所示一7 3 万方数据邓晓燕，唐德翠。朱学峰，等水厂过滤工艺水头损失计算与试验V 0 1 3 0，N o 2，2 0 1l总水头损失模型中的待定参数K、a、b 和d。差分进化算法是一种采用浮点矢量编码，在连续空间中进行启发式随机搜索的智能优化算法1 5 1，它对一些规模大、维数高、非线性和不可微等特性的函数进行优化时效果明显1 6 1。同遗传算法一样，D E 算法首先要随机产生一个种群，然后对种群中的个体进行变异、交叉和选择操作，从而产生新的一代，如此反复迭代最终收敛到最优个仁印。对于指数函数拟合参数来说，可将函数描述为待求优化问题|l l i 酿x)m。根据式(3)，要辨识未知的参数K、o、6 和d，需要用到水头损失日、清洁滤层水头损失风、待滤水浊度C。、滤速y 及滤层厚度石等数据。若已知数据f(魁，巩，C。；，V 彬i)诗l，n 集，试拟合数学模型(式3)中的系数K、a、b 和d。该问题可转化为无约束非线性优化问题，取样本数据的相对误差平方和均值为比较指标，即嘲m i n E=n d ni 1 善l 学l=n d n 萋f H-K t C _ l V b x d+H。u)2(4)。，”7式中，n 为样本容量，日为水头损失根据式(1)得到的实际测量计算值，曰为模型参数已知时，对第i 个样本由模型计算出的水头损失估计值。算法迭代的原则即是使E 达到最小。在满负荷实验情况下，运用公式(1)求得随着过滤时间不同厚度滤层的水头损失H 以及清洁滤层风，再与对应时刻的水厂实际生产运行的待滤水浊度、速度等变化数据共同建立样本空间。将广东某水厂实际生产的2 0 1 0 年2 4 月数据经过去野值和平滑处理后得到l2 9 6 组数据，分成6 个数据表，取其中的5 个数据表用于参数辨识，余下1 个数据表用于模型检验。由于篇幅关系从数据样本空间中随机选取1 0 组数据，各参数单位如3 1 节所示，数据样本如表2。表2 数据样本范例T a b 2E x a m p l eo fD a t aS a m p l e s7 4-利用标准差分进化算法将5 个数据表中的数据样本进行参数辨识，分别得到5 组不同的模型参数，如表3 所示：表3 差分进化算法辨识模型参数的结果T a b 3T h eR I l l t so ft h eM o d e lP a r a m e t e r sl d e n 曲c a t i o nB a s e do nD EA l g o r i t h m参数l2345平均值X2 1 9 6 22 3 5 4 42 2 0 7 82 3 31 02 0 9 5 62 2 3 781 7 6 221 7 4 341 7 2 951 6 9 391 7 3 7l1 7 3 3b-4 6 9 51-4 7 2 25-4 8 6 18-4 7 3 43-4 6 5 24-4 7 3 3d0 6 9 5l0 6 5 820 6 6 940 6 7 930 6 6 4l0 6 7 3取表3 中5 组参数的平均值作为模型的最后参数。由表3 得到数学模型为：H=2 2 3 7 t C 7 3 3 y 删x o-6 7 3+H o(5)对于不同厚度滤层的初始状态，其风均有所不同，可根据表l 将厚度分别为0 5 5、0 8、1 0 9m 的滤层的清洁滤层水头损失代人方程，并用余下1 个数据表中的数据检验模型，得到样本数据的相对误差平方和均值误差为0 0 8 52。模型估计值与不同厚度滤层实际水头损失值如图2 所示。图2 表明该方法基于的模型结构正确，三种厚度下的水头损失的拟合曲线与实际曲线比较接近，表明采用差分辨识所得参数准确可靠。_ j j 骣冰*过滤时间h图2 不同深度滤层的水头损失预测结果F i g 2T h eP r e d i c t i o n so fD i f f e r e n tD e p t hF i l t r a t i o nL a y e r s3 3 总水头损失估算根据3 2 节所得的数学模型，可以估算整个滤层的总水头损失计算方程，即将x=1 3 5m 以及该滤层清洁时候的水头损失值风-0 2 6 0l 代入式(5)，得到：H=2 7 3 7 7 t C 瑚y 肋+0 2 6 0l(6)万方数据净水技术W A T E RP U R I 兀C A T I O NT E C H N O L O G YV 0 1 3 0,N o 2。2 0 1 lA p r i l2 5 t h，2 0 11在特定过滤条件下(即C。，V，戈恒定)，日与t 的关系见图3。由图3 看出，广东某水厂的滤池经过7 2h 的过滤后，水头损失将约等于1 0 9r n。从水头损失的角度分析，尚未达到水厂滤池允许最大的水头损失值，还可以适当延长过滤时间。水羁泳*过滤时间h图3 总水头损失预测结果F i g 3T h eP r e d i c t i o nR e s u l to fT o t a lH e a dlo s s4 结论本文应用滤池滤层中现有的压力变送器，在水厂过滤的实际生产过程中得到不同厚度滤层随过滤时间的水头损失值。通过由各个堵塞计的读数计算得到的水头损失曲线来估算该过滤过程的总水头损失，为水厂的技术人员和操作工提供水头损失这一重要工艺参数。另外，通过堵塞计的读数来计算过滤水头损失，建立实际生产过程的水头损失模型，并运用差分进化算法进行参数辨识，则可以根据辨识得到的模型实时计算总水头损失。因此在确定最佳过滤周期时可以把总水头损失作为触发停止过滤的条件之一，为水厂过滤过程的优化运行打下了良好的基础。本论文提出的总水头计算模型是基于某滤池的有关测量数据得到的，能否用于其它滤池还要做进一步的研究，该项研究目前正在进行之中。参考文献 1 张莹，施周黄京敏，等上向流过滤实验研究叨净水技术2 0 0 3，2 2(2)：2 0-2 3 2 景有海，金同轨，范瑾初均质滤料过滤过程的水头损失计算模型【J】中国给水排水，2 0 0 0,1 6：9 1 2 3】许保玖给水处理理论f M】北京：中国建筑工业出版社，2 0 0 0 4 田一梅，张宏伟，齐庚中，等水处理系统运行状态数学模拟的研究I J】中国给水排水，1 9 9 8，1 4：1 0-1 3 5 邓泽喜，曹敦虔，刘晓冀，等一种新的差分进化算法阴计算机工程与应用，2 0 0 8，4 4(2 4)，4 0-4 2 5 2 6 肖术骏，朱学峰一种改进的快速高效的差分进化算法【J】合肥工业大学学报，2 0 0 9，3 2(11)：1 7 0 0-1 7 0 3 7】陈华邓少贵，李智强，等差分进化算法在双指数拟合中的应用们计算机工程与应用2 0 0 8，4 4(1 6)：2 3 1 2 3 5 8 唐德翠，邓晓燕，朱学峰，等水厂混凝剂投加量建模研究们水处理技术。2 0 1 0，3 6(6)：5 4-5 6 9 张建锋，王晓昌，金同轨均质滤料过滤阻力的数学模型【J】环境科学学报，2 0 0 3，2 3(2)：2 A 6-2 5 0 1 0 于玲红瓷砂均质滤料过滤性能的实验研究【D 1 西安：西安建筑科技大学。2 0 0 3 11 王利平，张世华，王峰慧，等均质石英砂滤料过滤性能的试验研究【J】西安建筑科技大学学报，1 9 9 6，2 8(1)：6 5-6 9 1 2 张建锋，金间轨，王晓昌，等均质滤料滤层设计的优化研究叨，给水排水,2 0 0 2。2 8(2)：2 6-2 8 水文局两项目通过三峡集团公司验收3 月3 0 日，三峡工程水文泥沙观测设备采购及集成第四标段和三峡库区水准连测项目验收会在三峡坝区长江三峡集团公司召开，会议审查并通过了由长江委水文局承担完成的这两个项目成果。验收会上，长江委水文局汇报了项目实施情况，与会验收专家审查了长江委水文局提交的所有成果资料，并提出了宝贵意见；三峡集团总公司枢纽管理局处长陈磊主持了汇报会并充分肯定了水文局完成的成果质量，对下一步工作提出了明确要求；长江委水文局副局长刘东生代表水文局感谢三峡集团公司一直以来对水文局的支持，表示将及时调整服务理念，全力为三峡工程调度运行提供优质服务。参加汇报会的还有三峡集团总公司相关单位的验收代表，以及长江委水文局副总工陈松生、副总工陈显维及规计处、技术管理处、科研所、上游局、三峡局、中游局的代表共2 5 人。来源：长江水利网一7 5 万方数据水厂过滤工艺水头损失计算与试验水厂过滤工艺水头损失计算与试验作者：邓晓燕，唐德翠，朱学峰，邹振裕，李展峰，罗永恒，Deng Xiaoyan，Tang Decui，Zhu Xuefeng，Zou Zhenyu，Li Zhanfeng，Luo Yongheng作者单位：邓晓燕,朱学峰,Deng Xiaoyan,Zhu Xuefeng(华南理工大学自动化学院,广东,广州,510641)，唐德翠,Tang Decui(华南理工大学自动化学院,广东,广州,510641;广东技术师范学院自动化学院,广东,广州,510635)，邹振裕,李展峰,罗永恒,Zou Zhenyu,Li Zhanfeng,LuoYongheng(广东省佛山市水业集团有限公司沙口水厂,广东,佛山,528000)刊名：净水技术英文刊名：WATER PURIFICATION TECHNOLOGY年，卷(期)：2011,30(2)参考文献(12条)参考文献(12条)1.张莹;施周;黄京敏 上向流过滤实验研究期刊论文-净水技术 2003(02)2.王利平;张世华;王峰慧 均质石英砂滤料过滤性能的试验研究 1996(01)3.于玲红 瓷砂均质滤料过滤性能的实验研究学位论文 20034.张建锋;王晓昌;金同轨 均质滤料过滤阻力的数学模型期刊论文-环境科学学报 2003(02)5.唐德翠;邓晓燕;朱学峰 水厂混凝剂投加量建模研究期刊论文-水处理技术 2010(06)6.陈华;邓少贵;李智强 差分进化算法在双指数拟合中的应用期刊论文-计算机工程与应用 2008(16)7.肖术骏;朱学峰 一种改进的快速高效的差分进化算法期刊论文-合肥工业大学学报 2009(11)8.邓泽喜;曹敦虔;刘晓冀 一种新的差分进化算法期刊论文-计算机工程与应用 2008(24)9.田一梅;张宏伟;齐庚中 水处理系统运行状态数学模拟的研究 199810.许保玖 给水处理理论 200011.景有海;淦同轨;范瑾初 均质滤料过滤过程的水头损失计算模型期刊论文-中国给水排水 2000(2)12.张建锋;金同轨;王晓昌 均质滤料滤层设计的优化研究期刊论文-给水排水 2002(02)本文读者也读过(10条)本文读者也读过(10条)1.王志.王世昌.许骏.魏新渝 分离膜复杂污染层的形成、结构与清洗会议论文-20102.楼文高.刘遂庆 滤料气水反冲洗性能的人工神经网络模拟研究期刊论文-给水排水2004,30(9)3.姚金苗 基于人工神经网络的死端微滤膜通量及污染研究学位论文20084.赵星明.徐志伟 氧化沟的水头损失计算与导流板偏置的作用期刊论文-中国给水排水2000,16(7)5.薛罡.马钟瑛.刘亚男.XUE Gang.MA Zhong-ying.LIU Ya-nan 反渗透膜深度净水系统中膜单元运行电费模型期刊论文-环境科学与技术2009,32(7)6.汪志英 过滤效率模型及其放大的试验研究学位论文20097.贺安坤.苗良.HE ANKUN.MIAO LIANG 差分进化微粒群优化算法-DEPSO期刊论文-微计算机信息2006,22(36)8.赵之平.王志.王世昌 现代分析测试技术在膜结构与性能研究中的应用期刊论文-膜科学与技术2001,21(6)9.崔彦杰 人工神经网络在超、微滤膜过滤行为研究中的应用学位论文200910.李目.何怡刚.周少武.谭文.LI Mu.HE Yi-gang.ZHOU Shao-wu.TAN Wen 混沌时间序列的自适应变异差分进化ANFIS预测期刊论文-计算机工程与应用2009,45(12)本文链接：http:/