張忠祥

1 背景介紹

1.1 集團與供水公司基本情況

東莞市水務環境投資控股集團有限公司（以下簡稱“集團”）是統籌東莞市原水供應、供水服務、市政給排水基礎設施建設、污水處理等水務與環境產業全鏈條的投資、建設、運營一體化綜合性集團。集團資產總額約700億元，凈資產187.27億元，涉水生產總能力超1400萬噸/日，年營業收入約80億元，承擔東莞市90%的供水業務與70%的污水處理業務，是區域供水安全保障的核心主體。

東莞市水務環境投資控股集團供水有限公司（以下簡稱“公司”）前身為東莞市東江水務有限公司，成立于2002年1月，為集團下屬核心供水運營主體。公司現有運營水廠29間，設計供水規模約700萬m3/日，運維供水管網總長約2.3萬公里，終端供水服務覆蓋全市除常平、清溪外的32個鎮街（園區），服務用水戶約134萬戶。2025年公司資產總額約171億元，營業收入約27億元，年總供水量約14億m3，是東莞市供水保障的核心執行單位。

1.2 老舊水廠自控現狀與核心痛點

公司下屬建成年限較長的水廠，普遍采用集中監控+半自動化的運行模式，尚未形成制水全流程閉環智能化管控體系，實際運行中存在四大核心痛點，制約了水廠精細化運營水平的提升。

松山湖水廠生產監控系統實時運行圖

一是生產管控依賴人工經驗，操作規范性不足。混凝劑投加、消毒劑投加、沉淀池排泥、濾池反沖洗、泵組啟停等核心工藝環節，均需人工根據經驗干預調整，易受人員主觀判斷、操作熟練度影響，存在操作偏差與運行風險。

二是工藝調節響應滯后，水質波動應對能力不足。現有模式無法根據原水水質、進水流量的實時波動實現動態預調，工藝調整滯后于水質變化，易出現階段性水質指標波動。

三是過程管控精度不足，物耗管控粗放。現有半自動化模式對藥耗、水耗的管控精度不足，無法實現最優投加、最優排泥、最優沖洗的精細化控制，存在物耗浪費問題。

四是節能降耗潛力未充分釋放，運行成本管控壓力突出。泵組、反沖洗、排泥等高能耗環節，未實現基于工況的智能優化運行，部分設備長期處于低效運行區間，能耗管控存在較大提升空間。

1.3 智能化改造總體思路與核心目標

針對上述老舊水廠運行管控痛點，公司以數據資源化、控制智能化為核心方向，基于多年生產運行數據自主構建工藝控制數學模型，搭建制水全流程智能化運行控制體系。

制水全流程智能化運行控制體系架構圖

本次改造以精準調節、穩定運行、節能降耗為實施路徑，最終實現降本增效、減少人為操作失誤、保障出廠水質持續穩定達標的核心目標。

體系覆蓋混凝劑自動精準投加、消毒劑自動精準投加、臭氧投加優化控制、排泥車改造與排泥周期優化、濾池智能反沖洗、取水泵組自動啟停、配水泵組優化搭配與自動運行等制水全流程核心環節，采用低成本、易落地、不改動主體工藝的改造方案，推動水廠運行模式從半自動化向全流程智能化升級。

2 制水全流程智能化控制系統搭建

圍繞老舊水廠運行管控痛點與智能化改造總體目標，公司聚焦制水全流程核心工藝環節，搭建四大類智能化控制系統，實現從原水進水到出廠水的全流程閉環智能化管控。

2.1 藥劑自動精準投加控制系統

藥劑投加是制水工藝的核心環節，直接決定出廠水質穩定性與制水藥耗水平，公司針對混凝、消毒兩大核心投加環節，分別搭建自動精準投加系統，實現藥劑投加的模型化、閉環化、自動化控制。

2.1.1 混凝劑自動精準投加系統

針對傳統混凝劑投加采用燒杯試驗與人工經驗判斷相結合的模式，存在投加量偏差大、待濾水水質穩定性不足的問題，公司基于多年生產運行歷史數據，構建混凝劑投加量數學模型，配套PLC閉環控制系統，實現混凝劑全流程自動精準投加。

系統配置原水濁度儀、原水流量計、管道靜態混合器、投加計量泵、SCD電流測試儀、待濾水濁度儀等水廠常規在用設備，核心控制流程為：在線采集原水濁度、流量等實時數據，通過預設模型自動計算最優聚氯化鋁投加量，下達指令至投加計量泵執行投加；同步采集待濾水濁度數據，實現閉環反饋調節；當工況偏離正常范圍時，系統自動切換運行模式，保障運行穩定。該系統全部采用水廠現有常規設備，基本無需新增硬件設施，不額外增加水廠運營成本，適配國內多數老舊水廠的自動化升級改造需求。

2.1.2 消毒劑自動精準投加系統

傳統次氯酸鈉投加以人工操作為主，采用單純流量配比模式，需人工結合在線儀表數據調整投加量，存在投加精度低、調節效率不足的問題，易出現出廠水余氯波動超標或藥劑浪費情況。

消毒劑自動精準投加系統架構設計圖

系統通過分析影響余氯衰減的各類因素，建立次氯酸鈉基礎投加量計算公式，以藥劑有效氯含量、濾池出水閥門開度、原水進水流量為前置輸入參數，自動調整投加流量；同步結合出廠水余氯在線監測數據，實現閉環精準調節。

核心控制流程分為六個環節：數據采集與模型構建、余氯控制目標值設定、基礎投加量自動計算、投加裝置指令執行、在線數據反饋調節、異常工況自動切換。該系統同樣采用水廠常規配置設備，無需額外新增硬件，改造成本低、現場適配性強，可有效降低人工操作成本與藥劑消耗成本。

2.2 排泥系統智能化優化

沉淀池排泥是制水工藝的關鍵環節，直接影響沉淀池沉淀效果與生產水耗，公司針對傳統排泥模式存在的問題，從排泥設備改造與運行模式優化兩個維度，實現排泥系統的智能化升級。

2.2.1 排泥車減量化與自動控制改造

傳統平流沉淀池虹吸式排泥車，排泥周期依賴人工經驗設定，存在排泥水含固率低（最低僅0.2%）、無效排水量大、排泥不徹底、沉淀池積泥嚴重等問題；配套的排泥水處理設施需設置收集池、濃縮池等構筑物，存在占地面積大、工程投資高、排泥水回用存在水質風險等弊端。

傳統虹吸式排泥車及沉淀池積泥現狀實景圖

公司依托排泥車原有主體結構實施改造，核心改造內容包括：將傳統單吸口改為多通道吸泥口，優化吸泥范圍覆蓋；根據集水槽柱間距加裝帶升降機構的刮泥裝置；將原有抽真空系統改為氣動球閥控制排泥；新增污泥濃度在線檢測裝置，實現基于污泥濃度的全自動排泥控制。改造后，排泥水含固率大幅提升，高濃度排泥水可直接進入脫水機處理，無需新建收集池與濃縮池。

水廠30m超大跨度排泥車改造后實景圖

集約式排泥水處理設施實景圖

2.2.2排泥車排泥周期優化

公司以排泥水實時污泥濃度為排泥結束的核心判斷依據，結合沉淀池沿程積泥分布規律，分階段實施排泥模式優化，先后推行兩段式、三段式分段排泥模式，并進一步將原水濁度、排泥水污泥濃度等參數與排泥周期聯動，建立可自動調節的智能化排泥模式。

平流沉淀池原排泥方式與優化后周期對比

該優化方案無需改動排泥車主體結構，單臺排泥車僅需新增1臺單價8000元的污泥濃度計，改造成本可控、落地見效快，可在不改動主體設備的前提下，實現排泥水量的顯著降低。

2.3 濾池智能反沖洗系統

傳統濾池反沖洗采用固定時間周期設定，無法匹配濾池實際堵塞狀態，反沖洗周期受季節、原水水質波動影響較大，對運行人員的動態調整能力要求較高，易出現過度沖洗造成水資源浪費，或沖洗不足導致濾池過濾效能下降的問題。

濾池智能反沖洗系統架構及MLP神經網絡流程圖

系統基于MLP神經網絡構建濾池運行周期預測數學模型，以原水流量、原水濁度、原水pH、待濾水濁度、濾后水濁度、濾池水位、過濾壓差、清水閥開度、過濾時長為輸入參數，預測濾池最優反沖洗周期；將過濾時長、水位、閥門開度、過濾壓差共同作為反沖洗觸發條件，結合PLC控制系統實現濾池全自動智能反沖洗。該系統全部采用水廠常規在線監測與控制設備，無需新增硬件投入，適配老舊水廠自動化升級改造需求。

2.4 泵組優化搭配與自動控制系統

水廠電費約占生產總成本的40%，其中取水泵、配水泵等泵組用電量占全廠總用電量的90%以上，是生產能耗管控的核心環節。傳統泵組多采用恒壓供水或人工手動控制模式，未開展單泵能效匹配與組合優化，部分機組長期處于低效運行區間，存在無效能耗浪費。

公司通過對單臺水泵開展全工況能效測試，繪制單泵流量-效率、揚程-效率特性曲線，建立泵房高效運行模型與自動調頻控制模型；系統根據出廠水壓力、流量實時需求，自動優選高效泵組組合，實現泵組自動啟停與變頻調節。本次改造僅需新增4臺進口壓力變送器，總投入約4000元，改造成本極低，可實現泵組運行能效的顯著提升。

3 現場應用成果與效益分析

本次制水全流程智能化控制體系已在公司下屬水廠完成試點驗證與規模化推廣應用，通過全環節精細化、自動化、智能化管控，在藥耗壓降、水耗節約、能耗管控及運行保障方面均取得了可量化的實施成效，全面達成降本增效、水質穩控的核心目標。

3.1 藥耗降低應用成效

混凝劑、消毒劑精準投加系統通過模型化閉環自動控制，有效解決了傳統人工投加模式下精度不足、藥耗偏高的問題，在試點及推廣水廠均實現了水質穩定性提升與藥耗顯著下降的雙重效果。

G水廠聚氯化鋁單位耗量同比降幅柱狀圖

混凝劑自動精準投加系統方面，G水廠自2023年2月系統投運以來，待濾水濁度平均值由2.3NTU下降至1.7NTU，濁度波動幅度顯著收窄，水質穩定性大幅提升；同比聚氯化鋁單位耗量下降約40%，藥耗節約效果顯著。該系統在公司9間水廠推廣應用后，聚氯化鋁單位耗量平均下降約20%，規模化應用成效突出。

L水廠次氯酸鈉手動與自動投加運行對比圖

第六水廠次氯酸鈉單位耗量同比降幅柱狀圖

消毒劑自動精準投加系統方面，L水廠自2024年5月系統投運以來，出廠水余氯基本穩定在0.9mg/L，顯著改善了傳統人工投加模式下余氯大幅波動的問題；同比次氯酸鈉單位耗量下降約25%。該系統在公司3間水廠推廣應用后，次氯酸鈉單位耗量平均下降約15%，實現了水質穩定與藥耗節約的協同優化。

3.2 水耗節約應用成效

通過排泥系統智能化優化與濾池智能反沖洗改造，有效解決了傳統工藝排泥、反沖洗過度導致的水資源浪費問題，實現了排泥水含固率提升與生產水耗顯著下降。

排泥系統優化方面，S水廠2023年11月完成排泥車減量化改造后，排泥水含固率提升至2%–5%，減少排水量80%；配套建設的集約式排泥水處理項目于2025年2月完成調試，占地面積僅約230m2，與傳統收集→濃縮→脫水的建設形式相比，工程投資減少約50%，占地面積減少約80%。排泥周期優化方案2024年8月在試點水廠投用后，平流沉淀池排泥水量減少約50%；該方案在公司4間水廠推廣應用后，排泥水量平均下降約32%，節水成效顯著。

G水廠濾池反沖洗周期與原水濁度均值對比圖

濾池智能反沖洗系統方面，2024年9月在G水廠投運后，濾池平均運行時間延長約7h，反沖洗節水率約13%；在公司4間水廠推廣應用后，平均節水率約18%，有效減少了反沖洗環節的水資源浪費。

3.3 能耗降低應用成效

泵組優化搭配與自動控制系統改造后，配水泵房機組全天運行效率穩定在70%-75%，較優化前凌晨低效運行時段效率提升3-10個百分點，有效降低了泵組運行電耗，實現了水廠能耗的精細化管控。