專利名稱：城市供水過濾系統(tǒng)水頭損失的一種新的計(jì)算方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種自動化技術(shù)和給排水處理工藝，特別涉及一種城市供水過濾系統(tǒng) 水頭損失的計(jì)算方法。
背景技術(shù)：
過濾是水處理過程中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。隨著過濾的進(jìn)行，雜質(zhì)不斷地被濾層 中的濾砂截留，宏觀的角度來看，則會引起濾層的阻力不斷增大，即水頭損失不斷地變大； 而從微觀的角度來說，則是引起濾層中比沉積量的增大或者說是濾層空隙率的不斷減小。 計(jì)算水通過濾層時(shí)所產(chǎn)生的水頭損失是過濾水力學(xué)中的一項(xiàng)最基本的內(nèi)容，也是過濾實(shí)踐 和理論中的最重要內(nèi)容。一般而言，濾池最大過濾時(shí)間的確定主要由出水濁度和水頭損失 兩者的允許指標(biāo)來確定，以先達(dá)到控制指標(biāo)的時(shí)間為最大過濾時(shí)間。但在實(shí)際過濾過程中， 會出現(xiàn)兩種情況，一是當(dāng)出現(xiàn)泄漏濁度時(shí)水頭損失并未達(dá)到允許值，因而余下的水頭損失 沒有得到利用，另外一方面是當(dāng)水頭損失達(dá)到最大值，但未出現(xiàn)泄漏濁度，從而使濾層未能 充分發(fā)揮其過濾能力。因此，濾池最優(yōu)工作條件是由濁度確定的最大過濾時(shí)間和由水頭損 失確定的最大過濾時(shí)間相等。為此，要對濾池進(jìn)行優(yōu)化研究必須要確定濾出水濁度和水頭 損失隨時(shí)間增大的規(guī)律。但長期以來由于缺乏濾層孔隙度在過濾過程中隨時(shí)間以及厚度變化的可靠理論， 濾層中濁質(zhì)顆粒的比沉積量隨時(shí)間變化規(guī)律的確定一直是一個(gè)難題，目前只能夠計(jì)算過濾 剛開始時(shí)，濾層處于清潔狀態(tài)的水頭損失，這在很大程度上影響了水頭損失計(jì)算的進(jìn)一步 研究，從而影響了對過濾過程建模、仿真與優(yōu)化的研究。為了解決比沉積量隨時(shí)間變化的規(guī)律，從而建立起水頭損失隨時(shí)間、深度變化的 模型。目前國內(nèi)外有一些學(xué)者提出了一些方程式，其中大部分基于經(jīng)驗(yàn)建模，或僅限于理論 研究，實(shí)踐中并沒有真正得到運(yùn)用。方程式當(dāng)中的一些參數(shù)，也未提出行之有效的設(shè)定或求 解方法。國內(nèi)外的一些學(xué)者提出了截污濾層過濾阻力的計(jì)算公式，但基本只能用于實(shí)驗(yàn)室 的模擬設(shè)備中，甚少用于真正的生產(chǎn)實(shí)踐過程。常見的計(jì)算水頭損失的方程式如表1所示。表1過濾阻力計(jì)算公式
目前，在實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行中，結(jié)束過濾周期的條件可以有三種情況一是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè) 定時(shí)間周期；二是濾后水質(zhì)達(dá)不到要求；三是水頭損失達(dá)到極限值。對于前兩種情況來說，利用表1所示的前兩種模式進(jìn)行控制，可以確保濾后水的 水質(zhì)合格，保持濾池出水的質(zhì)量，但第一種情況往往會浪費(fèi)了濾層的截污能力，沒有將濾層 發(fā)揮到最佳的狀態(tài)，而第二種情況不利于濾砂的保養(yǎng)，有可能造成過濾周期過長導(dǎo)致濾層 內(nèi)積泥腐化或結(jié)塊。而第三種情況可以避免濾層產(chǎn)生負(fù)壓，在保證出水水質(zhì)的前提下，以充 分發(fā)揮濾層的截污能力。若能將三者結(jié)合，可使濾池工況的檢測和反沖洗控制起到更合理 的作用。但目前國內(nèi)外均沒有研發(fā)出一種計(jì)算水頭損失的可行、比較準(zhǔn)確，實(shí)用的方法，使 得采用水頭損失來確定過濾周期遇到一些困難。發(fā)明目的本發(fā)明的目的在于提供城市供水過濾系統(tǒng)水頭損失的一種計(jì)算方法，通過計(jì)算最 大過濾時(shí)間，得到允許的最大水頭損失，以實(shí)現(xiàn)過濾過程的建模與優(yōu)化，提高水廠的運(yùn)行水 平并達(dá)到節(jié)能的目的。本發(fā)明公開的水頭損失計(jì)算方法，是一種結(jié)合目前國內(nèi)學(xué)者關(guān)于水 頭損失和比沉積量的理論推導(dǎo)公式，利用水廠實(shí)際生產(chǎn)測得的水頭損失數(shù)據(jù)，對水頭損失 方程式進(jìn)行參數(shù)辨識的方法。這樣，操作人員就可以根據(jù)計(jì)算出來的允許的最大水頭損失 (可換算成安裝在濾池下面的堵塞度計(jì)數(shù)值)作為過濾周期終止的一個(gè)條件。而這個(gè)條件 也可以編程作為過濾結(jié)束的觸發(fā)條件之一，從而使過濾周期的確定得到合理優(yōu)化。為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的采用如下的技術(shù)方案一種城市供水過濾系統(tǒng)水頭損失的計(jì) 算方法，其特征是，包括如下步驟第一步測量過濾系統(tǒng)中不同時(shí)刻不同厚度的濾層的水壓力，得到水從任意一濾
層到另一濾層的壓力差，并依次計(jì)算出不同時(shí)刻各對應(yīng)厚度的濾層的水頭損失 2 2 式中，Ht是指水從某一濾層到另一濾層的水頭損失，單位米；h0是指兩濾層的相對高度，單位米；V1和V2分別指兩濾層的過濾速度，單位米/秒，該參數(shù)為設(shè)計(jì)參數(shù)，預(yù)先設(shè)定；g 重力加速度，單位m/s2 ；
ΔΡ 水從某一濾層到另一濾層的壓力差，單位m ；P 水的密度，單位kg/m3 ；第二步用不同時(shí)刻不同厚度的濾層的水頭損失，來計(jì)算各對應(yīng)厚度的濾層的比
沉積量 式中，Ht 某一時(shí)刻某一厚度濾層的水頭損失，單位米；H0 某一厚度清潔濾層的水頭損失，單位米；ε ^ 清潔濾層孔隙度；此參數(shù)為工藝設(shè)計(jì)參數(shù)，根據(jù)該設(shè)計(jì)參數(shù)選擇相應(yīng)的濾層 材料；σ 濾層比沉積量；第三步建立不同厚度的濾層的比沉積量與濾池過濾時(shí)間、待濾水濁度、濾層厚度 以及濾速ν之間的關(guān)系函數(shù) 式中，t 濾池過濾時(shí)間，單位小時(shí)；ν 濾池過濾速度，單位m/h ；C0 待濾水濁度，單位NTU ；ε ^ 該濾層清潔濾層的孔隙度；σ :該厚度的濾層的比沉積量；χ 某一濾層的厚度，單位m ；過濾系數(shù)；根據(jù)對應(yīng)時(shí)刻的水廠實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行的待濾水濁度、濾池過濾速度的變化數(shù)據(jù)共同 建立數(shù)據(jù)樣本空間；第四步對所述式⑶的函數(shù)中的過濾系數(shù)λ工和λ 2進(jìn)行辨識求解；第五步將第四步的求解結(jié)果代入式(8)，同時(shí)令ο =95% Qmax，可知由水頭損失
確定的最大過濾時(shí)間為 式中，Tfflax 最大過濾時(shí)間，單位小時(shí)；C0 待濾水濁度，單位NTU ；ν 濾池過濾速度，單位m/h ；ε Q 清潔濾層孔隙度；φ φ = λ jc0+ λ 2ν ；過濾系數(shù)；第六步將所述最大過濾時(shí)間代入式(8)和(4)，得到允許的最大水頭損失。更具體的技術(shù)方案是，所述第一步中測量過濾系統(tǒng)中不同時(shí)刻不同厚度的濾層的 水壓力，是指利用堵塞度計(jì)測量過濾系統(tǒng)中不同時(shí)刻不同厚度的濾層的水壓力。所述第二步中的某一厚度清潔濾層的水頭損失Htl由式(1)結(jié)合式(2)計(jì)算
式中，Htl 某一厚度清潔濾層的水頭損失，單位米；AHi 把濾層分成η等分，每等分相應(yīng)的水頭損失，單位米；ν 濾池的過濾速度，單位m/s ；μ 水的動力粘度，N · s/m2，水溫在20°C時(shí)，約等于1. 006 X ICT3Pa · s ；de 濾料的粒徑，單位mm ；α 形狀系數(shù)，表示非球形的顆粒的表面積與等體積球形顆粒表面積的比值；ε ^ 清潔濾層孔隙度；Δ Li 把整個(gè)濾層分成Δ Lp Δ L2……Δ Li等濾層，單位米。所述第四步中對所述式⑶的函數(shù)中的系數(shù)入工和λ 2進(jìn)行辨識求解，是指用辨識 參數(shù)的方法對所述式(8)的函數(shù)中的系數(shù)X1和λ 2進(jìn)行辨識求解。所述辨識參數(shù)的方法是指差分進(jìn)化算法或非線性回歸函數(shù)算法。本發(fā)明的設(shè)計(jì)原理是這樣的1、模型確定(1)確定水頭損失與比沉積的關(guān)系在過濾過程中，水中的固體懸浮物不斷地被截留在濾層的表面，一方面引起濾層 空隙率的減少，另一方面引起濾料顆粒粒徑增大，因此濾層的空隙率和比表面積在過濾過 程中不斷變化。國內(nèi)學(xué)者提出了某一厚度清潔濾層的水頭損失Htl為 式中，Htl 某一厚度清潔濾層的水頭損失，單位米；AHi 把濾層分成η等分，每等分相應(yīng)的水頭損失，單位米；ν 濾池的過濾速度，單位m/s ；μ 水的動力粘度，N · s/m2，水溫在20°C時(shí)，約等于1. 006 X ICT3Pa · s ；de 濾料的粒徑，單位mm ；α 形狀系數(shù)，表示非球形的顆粒的表面積與等體積球形顆粒表面積的比值；ε ^ 清潔濾層孔隙度；Δ Li 把整個(gè)濾層分成AL1, Δ L2……Δ Li等濾層，單位米。隨著濾層不斷截污，濾層的孔隙度ε隨時(shí)間及濾層的厚度變化，從而又將引起尤 的變化。在某一濾層，t時(shí)刻的水頭損失與清潔濾層的水頭損失之比為
0075 其中，AHt 某一時(shí)刻某一濾層的水頭損失，單位米；
AH0 某一厚度清潔濾層的水頭損失，單位米；ε ^ 清潔濾層孔隙度；ε 某一時(shí)刻濾層孔隙度，ε = ε。-σ ；det 當(dāng)量粒徑，匪；σ 濾層比沉積量；根據(jù)國內(nèi)學(xué)者提出的由粒狀材料組成的濾床，可看成是有無數(shù)條毛細(xì)管組成的管束，那么水流通過濾層的過濾過程，就是水流在這些毛細(xì)管道中的流動過程，毛細(xì)管的管徑禮與粒徑尤存在一定的關(guān)系
，心式。隨著過濾的進(jìn)行，毛細(xì)管管 徑將因截留濁質(zhì)逐漸變小，那么清潔狀態(tài)下的dm(l將減少至dmt，從而可得到 其中，Ht 某一時(shí)刻某一厚度濾層的水頭損失，單位米；H0 某一厚度清潔濾層的水頭損失，單位米；ε Q 清潔濾層孔隙度；σ 濾層比沉積量；結(jié)合水力學(xué)中的伯努利方程得到不同厚度的濾層的水頭損失計(jì)算式為 式中，Ht是指水從某一濾層到另一濾層的水頭損失，單位米；h0是指兩濾層的相對高度，單位米；^和^分別指兩濾層的過濾速度，單位米/秒；該參數(shù)為設(shè)計(jì)參數(shù)，是預(yù)先設(shè)定 好的；g 重力加速度，單位m/s2 ；Δ P 水從某一濾層到另一濾層的壓力差，單位m ；P 水的密度，單位kg/m3 ；其中不同厚度的濾層的水壓力可以從水廠安裝在對應(yīng)厚度的濾層中的堵塞度計(jì) 的讀數(shù)得到。將由(5)式計(jì)算得到的不同時(shí)刻不同厚度的濾層的水頭損失數(shù)據(jù)代入式(4)可確 定出不同厚度濾層不同時(shí)刻的比沉積。(2)比沉積量與過濾時(shí)間的關(guān)系按照現(xiàn)有技術(shù)的理論分析和過程推導(dǎo)，堵塞濾層中的比沉積量沿濾層厚度的分布 規(guī)律為σ = oJOe-h (6)其中， 式中，λ^Π λ2:過濾系數(shù)；ν 濾池過濾速度，m/s ；σ 濾層比沉積量；χ 某一濾層的厚度，m;
σ i為濾層表層的比沉積量，是過濾時(shí)間t的函數(shù)，滿足如下關(guān)系式 其中， 那么，σ跟時(shí)間t、待濾水濁度Ctl、濾層厚度χ以及濾速ν之間的關(guān)系為
, 式中，t 濾池過濾時(shí)間，單位小時(shí)；V 濾池過濾速度，單位m/h ；C0 待濾水濁度，單位NTU ；ε Q:清潔濾層孔隙度；σ 該厚度濾層比沉積量；χ:某一濾層厚度，單位米；過濾系數(shù)。2、參數(shù)辨識(1)建立數(shù)據(jù)樣本根據(jù)式(8)，要辨識參數(shù)入工和λ 2，需要用到隨時(shí)間t變化的比沉積量σ、待濾水 濁度Ctl、濾層厚度χ以及濾速ν等數(shù)據(jù)。根據(jù)上述的方法求得不同過濾時(shí)間不同厚度的濾 層的水頭損失后，即可計(jì)算得到不同厚度濾層的比沉積量的變化數(shù)據(jù)，再與對應(yīng)時(shí)刻的水 廠實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行的待濾水濁度、速度等的變化數(shù)據(jù)共同建立樣本空間。(2)參數(shù)辨識方法對于像式(8)這樣的復(fù)雜非線性的函數(shù)來說，可以利用一些常見的辨識參數(shù)的方 法例如DE (差分進(jìn)化算法)、nlinfit (非線性回歸函數(shù))等算法進(jìn)行參數(shù)辨識，即可求解 系數(shù)入工和λ2。將求解得到的系數(shù)代入(8)式，則可得到相應(yīng)的Oi和時(shí)間t、待濾水濁度 C0以及濾速ν之間的關(guān)系式，進(jìn)而可得到σ跟t、C(l、v等之間的關(guān)系。差分進(jìn)化算法(DE)是一種采用浮點(diǎn)矢量編碼，在連續(xù)空間中進(jìn)行啟發(fā)式隨機(jī)搜 索的優(yōu)化算法。DE對一些規(guī)模大、維數(shù)高、非線性和不可微等特性的函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化時(shí)效果明 顯。而MATLAB中的nlinfit函數(shù)是使用高斯-牛頓算法，可以進(jìn)行多元的最小二乘擬合的 非線性回歸函數(shù)。另外還有許多進(jìn)化算法也可以應(yīng)用于求解復(fù)雜函數(shù)的參數(shù)問題。3、最大過濾時(shí)間從微觀的角度分析，當(dāng)比沉積量ο達(dá)到最大值，即與初始的孔隙率ε C1相等時(shí)， 被認(rèn)為濾層是完全堵塞了。但在實(shí)際中，不可能出現(xiàn)這種情況，國內(nèi)有學(xué)者提出了當(dāng)σ = 95% 0_時(shí)，即認(rèn)為是濾層達(dá)到飽和。根據(jù)上述的時(shí)間t與σ之間的關(guān)系，可知由水頭損 失確定的最大過濾時(shí)間為
9
將水廠待濾水的濁度經(jīng)常保持的區(qū)間范圍代入式(9)中，那么最大的過濾時(shí)間則 可根據(jù)式(9)進(jìn)行估算。若對于不同的水廠，則最大的過濾時(shí)間也并不相同。將最大的過濾時(shí)間，代入式(8)和式(4)，則可以根據(jù)上述的方法計(jì)算允許的最大 水頭損失，那么可將允許的最大水頭損失值換算為堵塞度計(jì)數(shù)值，作為停止過濾的觸發(fā)條 件之一，對過濾的周期進(jìn)行自動控制。與現(xiàn)有的技術(shù)相比，本發(fā)明提供的城市供水過濾系統(tǒng)水頭損失的計(jì)算方法具有如 下優(yōu)點(diǎn)1、根據(jù)本發(fā)明的方法計(jì)算得到的最大過濾時(shí)間，確定最大水頭損失并作為濾池停 止過濾的觸發(fā)條件，可以避免過早地停止過濾，將濾池效能發(fā)揮到最佳狀態(tài)；2、本發(fā)明的方法結(jié)合多種算法對模型參數(shù)進(jìn)行辨識求解，并應(yīng)用到給水排水知識 的實(shí)踐當(dāng)中，是前所未有的一種創(chuàng)新，與實(shí)際測量的結(jié)果比較，達(dá)到了較高的精確度，具有 重要的示范效應(yīng)；3、由于受到實(shí)際生產(chǎn)設(shè)備的限制，一般濾層最底部不可能安裝堵塞度計(jì)，可以根 據(jù)本發(fā)明公開的計(jì)算方法，利用隨著時(shí)間t不斷變化的近似σ、實(shí)際的C(l、v代入式(8)，通 過運(yùn)用進(jìn)化算法和二分法等估值方法，能得到近似的總水頭損失，從而解決了實(shí)際帶來的 困難；4、本發(fā)明的方法的推廣應(yīng)用將使水廠過濾過程的操作達(dá)到工藝優(yōu)化，使水廠的自 動化水平有所提高，對于降低制水成本等也具有較重要的意義。


圖1是本發(fā)明的計(jì)算方法的流程框圖；圖2是應(yīng)用本方法得到的厚度為1. 09m的濾層比沉積量擬合結(jié)果與通過實(shí)際測量 的結(jié)果比較圖；圖3是應(yīng)用本方法得到的厚度為1. 09m的濾層的水頭損失擬合結(jié)果與通過實(shí)際測 量的結(jié)果比較圖；圖4是實(shí)施例三的三支堵塞度計(jì)測得的不同時(shí)刻不同厚度的濾層的水頭損失圖；圖5是由圖4的水頭損失值應(yīng)用本方法得到的對應(yīng)的比沉積量。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對本發(fā)明做進(jìn)一步地詳細(xì)描述，但本發(fā)明的實(shí)施方式并 不限于此。實(shí)施例一本發(fā)明的計(jì)算方法的流程框圖如圖1所示，過濾系統(tǒng)中不同時(shí)刻不同厚度的濾層 的水壓力由安裝在濾層中的堵塞度計(jì)測得，預(yù)先設(shè)定好的濾層表面的過濾速度V1和距離濾 層表面1. 09m的濾層的過濾速度V2分別是5. 8m/h、7m/h ；將堵塞度計(jì)測得的濾層表面及距
10離濾層表面為1. 09m的濾層的水壓力實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)代入式(5)
得到該濾
層厚度不同時(shí)刻的水頭損失，將得到的水頭損失代入式(4)
得到不同時(shí)
刻的比沉積量。其中，Htl由式⑴結(jié)合式⑵算出 用本發(fā)明的計(jì)算方法得到距離濾層砂面為1. 09m的濾層的比沉積量擬合結(jié)果與 通過實(shí)際測量的結(jié)果比較如圖2所示，可見，用本發(fā)明的計(jì)算方法得到的比沉積量可以達(dá) 到較精確的程度。實(shí)施例二本發(fā)明的計(jì)算方法的流程框圖如圖1所示，過濾系統(tǒng)中不同時(shí)刻不同厚度的濾層 的水壓力由安裝在濾層中的堵塞度計(jì)測得，預(yù)先設(shè)定好的濾層表面的過濾速度V1和距離濾 層表面1. 09m的過濾速度V2分別是5. 8m/h、7m/h ；將堵塞度計(jì)測得的濾層表面及距離濾層 表面為1.09m的濾層的水壓力實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)代入式(5)，得到該濾層厚度不同時(shí)刻的水頭損失， 具體計(jì)算方法同實(shí)施例一。用本發(fā)明的計(jì)算方法得到距離濾層表面為為1.09m的濾層的水 頭損失擬合結(jié)果與通過實(shí)際測量的結(jié)果如圖3所示，可見，用本發(fā)明的計(jì)算方法得到的水 頭損失可以達(dá)到較精確的程度。實(shí)施例三利用本發(fā)明的方法計(jì)算某水廠濾池的允許的最大水頭損失第一步利用水廠濾層中的三支堵塞度計(jì)測量距離濾層表面為0. 55m、0. 80m、 1. 09m的濾層的實(shí)時(shí)水壓力數(shù)據(jù)、水廠設(shè)定的待濾水進(jìn)入上述三濾層的濾速和流出上述三 濾層的濾速，均為7m/h ；代入式(5) 得到隨過濾時(shí)間變化的不同厚度的濾層的水頭損失如圖4所示；第二步將由(5)式計(jì)算得到的不同厚度的濾層隨過濾時(shí)間變化的水頭損失數(shù)據(jù) 代入式(4)，可確定出厚度為0. 55m、0. 80m、l. 09m的濾層不同時(shí)刻的比沉積，其變化趨勢如 圖5所示； 其中，Htl由式⑴結(jié)合式⑵算出
第三步根據(jù)上述步驟得到的隨著過濾時(shí)間不同厚度的水頭損失和比沉積量的變
化數(shù)據(jù)，按照式⑶: 再與對應(yīng)時(shí)刻的水廠實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行的待濾水濁度、過濾速度等的變化數(shù)據(jù)共同建 立樣本空間。根據(jù)廣東某水廠的實(shí)際運(yùn)行情況及所處地理環(huán)境水質(zhì)的情況，待濾水的濁度 一般均能保持在一定區(qū)間范圍2. 0-2. 6NTU之內(nèi)。第四步運(yùn)用常見的辨識參數(shù)的方法DE(差分進(jìn)化算法)對式(8)進(jìn)行擬合，求 解系數(shù) X1 和 λ2，分別為 A1 = L51X10—3，A2 = 8. 62Χ10—5。第五步將求解得到的系數(shù)代入(8)式，令σ = 95% Qmax，根據(jù)上述式(8)中時(shí) 間1與σ之間的關(guān)系，可知由水頭損失確定的最大過濾時(shí)間為 第六步根據(jù)廣東某水廠的實(shí)際運(yùn)行情況及所處地理環(huán)境水質(zhì)的情況，待濾水的 濁度一般均能保持在一定區(qū)間范圍2. 0-2. 6NTU之內(nèi)，設(shè)定濾速ν = 7m/h、ε 0 = 0. 39，那么 最大的過濾時(shí)間根據(jù)式(9)進(jìn)行估算，最大過濾時(shí)間可計(jì)算得到約等于110小時(shí)，此時(shí)允許 的最大水頭損失為2. 2m。根據(jù)最大的過濾時(shí)間，則可以根據(jù)上述的方法計(jì)算允許的最大水 頭損失，那么可將最大水頭損失值換算為堵塞度計(jì)數(shù)值，并在該廠中心控制室的控制計(jì)算 機(jī)的“天工”軟件中編程，作為停止過濾的觸發(fā)條件之一。在應(yīng)用本發(fā)明的計(jì)算方法的過程中，由于式(8)是一個(gè)極為復(fù)雜的非線性隱含 式，若要根據(jù)時(shí)間t計(jì)算比沉積量ο，不能簡單地求解，必須尋求其它的求解方程得到方程 根的比較精確地近似值?？梢岳枚址?、迭代法等數(shù)值方法，編程后可進(jìn)行求解。二分 法是區(qū)間迭代法的一種，它是重復(fù)運(yùn)用零點(diǎn)存在性定理，每次將區(qū)間壓縮一半且其中一個(gè) 區(qū)間至少包含一個(gè)根，逐步縮短區(qū)間，直到確定滿足一定精度要求為止。具體的計(jì)算過程如 下首先設(shè)定ο的初始區(qū)間以及所需的精度要求，然后運(yùn)用二分法不斷將區(qū)間縮短， 最后逼近精度要求的近似的ο，代入到式(4)即可求得隨著不同的比沉積量ο變化的近似 的水頭損失。水廠的實(shí)際運(yùn)行證明，將采用本方法得到的最大水頭損失值作為水廠停止過濾的 觸發(fā)條件之一，達(dá)到了節(jié)約電能和水資源費(fèi)用的效果。具體節(jié)能數(shù)據(jù)如下，其中，節(jié)約資金 含水資源費(fèi)目前，濾池的過濾周期一般設(shè)為48小時(shí)，反沖用清水約為350噸/次，反沖用電約 為15度/次。設(shè)延長過濾時(shí)間N小時(shí)，則相比現(xiàn)在的設(shè)定每個(gè)濾池每小時(shí)可以節(jié)約的反沖清水為{350* [N/(48+N)]}/48噸；每小時(shí)可以節(jié)約用電為{15* [N/(48+N) ]}/48度。如果 該水廠36個(gè)濾池全部都根據(jù)上述方法計(jì)算水頭損失，并且讓允許的最大水頭損失作為觸 發(fā)條件實(shí)現(xiàn)反沖洗控制，則在現(xiàn)有基礎(chǔ)上，全年(按365天計(jì)算)節(jié)能降耗情況如表2 表權(quán)利要求
一種城市供水過濾系統(tǒng)水頭損失的計(jì)算方法，其特征是，包括如下步驟第一步測量過濾系統(tǒng)中不同時(shí)刻不同厚度的濾層的水壓力，得到水從任意一濾層到另一濾層的壓力差，并依次計(jì)算出不同時(shí)刻各對應(yīng)厚度的濾層的水頭損失 <mrow><msub> <mi>H</mi> <mi>t</mi></msub><mo>=</mo><msub> <mi>h</mi> <mn>0</mn></msub><mo>+</mo><mfrac> <mrow><msubsup> <mi>v</mi> <mn>1</mn> <mn>2</mn></msubsup><mo>-</mo><msubsup> <mi>v</mi> <mn>2</mn> <mn>2</mn></msubsup> </mrow> <mrow><mn>2</mn><mi>g</mi> </mrow></mfrac><mo>-</mo><mfrac> <mi>&Delta;p</mi> <mi>&rho;g</mi></mfrac><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>5</mn> <mo>)</mo></mrow><mo>;</mo> </mrow>式中，Ht是指水從某一濾層到另一濾層的水頭損失，單位米；h0是指兩濾層的相對高度，單位米；v1和v2分別指兩濾層的過濾速度，單位米/秒，該參數(shù)為設(shè)計(jì)參數(shù)，預(yù)先設(shè)定；g重力加速度，單位m/s2；ΔP水從某一濾層到另一濾層的壓力差，單位m；ρ水的密度，單位kg/m3；第二步用不同時(shí)刻不同厚度的濾層的水頭損失，來計(jì)算各對應(yīng)厚度的濾層的比沉積量式中，Ht某一時(shí)刻某一厚度濾層的水頭損失，單位米；H0某一厚度清潔濾層的水頭損失，單位米；ε0清潔濾層孔隙度；此參數(shù)為工藝設(shè)計(jì)參數(shù)，根據(jù)該設(shè)計(jì)參數(shù)選擇相應(yīng)的濾層材料；σ濾層比沉積量；第三步建立不同厚度的濾層的比沉積量與濾池過濾時(shí)間、待濾水濁度、濾層厚度以及濾速v之間的關(guān)系函數(shù) <mrow><mi>t</mi><mo>=</mo><mfrac> <mrow><msub> <mi>&lambda;</mi> <mn>2</mn></msub><mi>v</mi><msub> <mi>&epsiv;</mi> <mn>0</mn></msub> </mrow> <msup><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>&lambda;</mi><mn>1</mn> </msub> <msub><mi>c</mi><mn>0</mn> </msub> <mo>+</mo> <msub><mi>&lambda;</mi><mn>2</mn> </msub> <mi>v</mi> <mo>)</mo></mrow><mn>2</mn> </msup></mfrac><mi>ln</mi><mfrac> <mrow><msub> <mi>&lambda;</mi> <mn>1</mn></msub><msub> <mi>c</mi> <mn>0</mn></msub><msub> <mi>&epsiv;</mi> <mn>0</mn></msub> </mrow> <msup><mrow> <msub><mi>&lambda;</mi><mn>1</mn> </msub> <msub><mi>c</mi><mn>0</mn> </msub> <msub><mi>&epsiv;</mi><mn>0</mn> </msub> <mo>-</mo> <mrow><mo>(</mo><msub> <mi>&lambda;</mi> <mn>1</mn></msub><msub> <mi>c</mi> <mn>0</mn></msub><mo>+</mo><msub> <mi>&lambda;</mi> <mn>2</mn></msub><mi>v</mi><mo>)</mo> </mrow> <mi>&sigma;e</mi></mrow><mrow> <mrow><mo>(</mo><mfrac> <msub><mi>&lambda;</mi><mn>1</mn> </msub> <mi>v</mi></mfrac><mo>-</mo><msub> <mi>&lambda;</mi> <mn>2</mn></msub><mo>)</mo> </mrow> <mi>x</mi></mrow> </msup></mfrac><mo>+</mo><mfrac> <msup><mi>&sigma;e</mi><mrow> <mrow><mo>(</mo><mfrac> <msub><mi>&lambda;</mi><mn>1</mn> </msub> <mi>v</mi></mfrac><mo>-</mo><msub> <mi>&lambda;</mi> <mn>2</mn></msub><mo>)</mo> </mrow> <mi>x</mi></mrow> </msup> <mrow><mo>(</mo><msub> <mi>&lambda;</mi> <mn>1</mn></msub><msub> <mi>c</mi> <mn>0</mn></msub><mo>+</mo><msub> <mi>&lambda;</mi> <mn>2</mn></msub><mi>v</mi><mo>)</mo> </mrow></mfrac><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>8</mn> <mo>)</mo></mrow><mo>;</mo> </mrow>式中，t濾池過濾時(shí)間，單位小時(shí)；v濾池過濾速度，單位m/h；c0待濾水濁度，單位NTU；ε0該濾層清潔濾層的孔隙度；σ該厚度的濾層的比沉積量；x某一濾層的厚度，單位m；λ1和λ2過濾系數(shù)；根據(jù)對應(yīng)時(shí)刻的水廠實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行的待濾水濁度、濾池過濾速度的變化數(shù)據(jù)共同建立數(shù)據(jù)樣本空間；第四步對所述式(8)的函數(shù)中的過濾系數(shù)λ1和λ2進(jìn)行辨識求解；第五步將第四步的求解結(jié)果代入式(8)，同時(shí)令σ＝95％σmax，可知由水頭損失確定的最大過濾時(shí)間為 <mrow><msub> <mi>T</mi> <mi>max</mi></msub><mo>=</mo><mfrac> <mrow><mn>0.95</mn><msub> <mi>&lambda;</mi> <mn>1</mn></msub><msub> <mi>c</mi> <mn>0</mn></msub><mo>+</mo><mn>3.0</mn><msub> <mi>&lambda;</mi> <mn>2</mn></msub><mi>v</mi> </mrow> <msup><mi>&phi;</mi><mn>2</mn> </msup></mfrac><msub> <mi>&epsiv;</mi> <mn>0</mn></msub><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>9</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>式中，Tmax最大過濾時(shí)間，單位小時(shí)c0待濾水濁度，單位NTUv濾池過濾速度，單位m/hε0清潔濾層孔隙度φφ＝λ1c0+λ2vλ1和λ2過濾系數(shù)第六步將所述最大過濾時(shí)間代入式(8)和(4)，得到允許的最大水頭損失。FSA00000168006900012.tif
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的城市供水過濾系統(tǒng)水頭損失的計(jì)算方法，其特征是，所述第 一步中測量過濾系統(tǒng)中不同時(shí)刻不同厚度的濾層的水壓力，是指利用堵塞度計(jì)測量過濾系 統(tǒng)中不同時(shí)刻不同厚度的濾層的水壓力。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的城市供水過濾系統(tǒng)水頭損失的計(jì)算方法，其特征是，所述第 二步中的某一厚度清潔濾層的水頭損失Htl由式(1)結(jié)合式(2)計(jì)算 式中，Htl 某一厚度清潔濾層的水頭損失，單位米；AHi 把濾層分成η等分，每等分相應(yīng)的水頭損失，單位米；ν:濾池的過濾速度，單位m/s;μ 水的動力粘度，N · s/m2，水溫在20°C時(shí)，約等于1. 006 X ICT3Pa · s ； de:濾料的粒徑，單位mm;α 形狀系數(shù)，表示非球形的顆粒的表面積與等體積球形顆粒表面積的比值； ε ^ 清潔濾層孔隙度；Δ Li 把整個(gè)濾層分成Δ Lp Δ L2……Δ Li等濾層，單位米。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的城市供水過濾系統(tǒng)水頭損失的計(jì)算方法，其特征是，所述第 四步中對所述式(8)的函數(shù)中的系數(shù)λ工和λ 2進(jìn)行辨識求解，是指用辨識參數(shù)的方法對所 述式(8)的函數(shù)中的系數(shù)入工和λ 2進(jìn)行辨識求解。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的城市供水過濾系統(tǒng)水頭損失的計(jì)算方法，其特征是，所述辨 識參數(shù)的方法是指差分進(jìn)化算法或非線性回歸函數(shù)算法。全文摘要
本發(fā)明是一種城市供水過濾系統(tǒng)水頭損失的計(jì)算方法，包括下述步驟1、計(jì)算不同時(shí)刻不同厚度的濾層的水頭損失；2、計(jì)算不同厚度的濾層的比沉積量；3、建立不同厚度的濾層的比沉積量與濾池過濾時(shí)間、待濾水濁度、濾層厚度以及濾速v之間的關(guān)系函數(shù)；根據(jù)對應(yīng)時(shí)刻的實(shí)際運(yùn)行的待濾水濁度、濾池過濾速度的變化數(shù)據(jù)共同建立數(shù)據(jù)樣本空間；4、對第3步建立的關(guān)系函數(shù)中的過濾系數(shù)進(jìn)行辨識求解；5、確定由水頭損失確定的最大過濾時(shí)間；6、由最大過濾時(shí)間得到允許的最大水頭損失。將本發(fā)明的方法確定的最大水頭損失作為停止過濾的觸發(fā)條件，可以避免過早地停止過濾，發(fā)揮濾池最佳狀態(tài)，優(yōu)化水廠過濾工藝，提高水廠自動化水平。
文檔編號C02F1/00GK101905906SQ20101021678
公開日2010年12月8日 申請日期2010年7月1日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月1日
發(fā)明者唐德翠, 徐廷國, 朱學(xué)峰, 李展峰, 林顯增, 羅永恒, 鄧曉燕, 鄒振裕 申請人:佛山水業(yè)集團(tuán)有限公司;華南理工大學(xué)