曹妃甸海水淡化反滲透高壓泵控制系統(tǒng)應(yīng)用和研究

李永杰

【摘 要】國際脫鹽協(xié)會（InternationalDesalinationAsso2 ciation，IDA）的最新統(tǒng)計(jì)資料表明，到2002年初，全世界脫鹽裝置淡水總產(chǎn)量已達(dá)3240萬t/d，而且還將以10%～30%的年增長速度攀升，海水淡化技術(shù)在解決世界范圍淡水短缺問題上發(fā)揮著越來越重的作用。反滲透海水淡化作為一項(xiàng)新型技術(shù)，正在得到越來越多的應(yīng)用。本文結(jié)合曹妃甸5萬噸/日海水淡化工程，通過介紹海水淡化系統(tǒng)的原理，研究了高壓泵變頻控制在反滲透系統(tǒng)中的應(yīng)用。對反滲透海水淡化系統(tǒng)具有一定的指導(dǎo)意義。

【關(guān)鍵詞】反滲透 海水淡化 高壓泵 控制系統(tǒng)

目前，反滲透海水淡化在大規(guī)模淡化海水項(xiàng)目中越來越多的被應(yīng)用。反滲透（RO）法是采用高壓泵將海水打入到反滲透膜組中，如果對海水側(cè)施加一大于海水滲透壓的外壓，那么海水中的純水通過反滲透膜流向淡水側(cè)，從而實(shí)現(xiàn)海水的淡化。隨著反滲透海水淡化技術(shù)的發(fā)展，工程造價(jià)和運(yùn)行成本將會繼續(xù)降低，它將成為海水淡化技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)。

1 工藝流程簡介

目前曹妃甸5萬噸/日海水淡化項(xiàng)目（共有5套系統(tǒng)，單套系統(tǒng)產(chǎn)能1萬噸/日）采用的是雙膜法海水淡化技術(shù)，即超濾膜（UF）+反滲透膜（RO）海水淡化技術(shù)，它采用的水處理技術(shù)是膜分離法。其工藝流程是：超濾膜組的產(chǎn)品水通過管道連接至高壓泵進(jìn)入反滲透膜組，由反滲透膜組產(chǎn)出淡化水。

根據(jù)RO膜本身的特性，需有一定的推動力去克服滲透壓等阻力，才能保證達(dá)到設(shè)計(jì)的產(chǎn)水量。RO高壓泵即是為RO本體裝置提供足夠的進(jìn)水壓力，保證RO膜的正常運(yùn)行。

由于水溫對RO裝置的產(chǎn)水量影響較大，即水溫每變化1℃，在進(jìn)水壓力不變的情況下，其產(chǎn)水量大致增減2.7%。如果進(jìn)水水溫降低，在系統(tǒng)其它條件不變的情況下，將導(dǎo)致產(chǎn)水量的下降。為了保證在低溫情況下RO出水不變，高壓泵采用變頻調(diào)速可以提高進(jìn)水壓力，以保證RO系統(tǒng)足夠的推動力，從而保證系統(tǒng)的產(chǎn)水能力。因此，RO系統(tǒng)需配置一臺變頻調(diào)速的高壓泵。

2 反滲透高壓泵變頻控制工作原理

整個(gè)反滲透海水淡化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用國際先進(jìn)的PLC程序控制，由主控室操作站的可編程控制器（PLC）組成一個(gè)分散采樣控制和集中控制操作的系統(tǒng)。變頻器接收PLC的指令信號，對水泵電機(jī)進(jìn)行速度控制，實(shí)現(xiàn)泵的變流量控制。即系統(tǒng)通過改變變頻器的輸出頻率來控制高壓泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速從而實(shí)現(xiàn)反滲透（RO）裝置產(chǎn)水流量的恒定。

高壓泵進(jìn)口安裝低壓壓力繼電器，壓力低時(shí)發(fā)出報(bào)警信號，高壓泵停止運(yùn)行。高壓泵出口安裝高壓壓力繼電器，壓力高時(shí)發(fā)出報(bào)警信號，高壓泵停止運(yùn)行。

3 反滲透高壓泵變頻控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

反滲透水處理變頻控制系統(tǒng)的變頻器選用DANFOSS FC202系列變頻器，供電電壓 AC 690 V， PLC系統(tǒng)采用AB PLC的冗余熱備控制系統(tǒng)，PLC控制器采用1756-L62的CPU， PLC主站和現(xiàn)場的遠(yuǎn)程站的PLC 通訊采用Control Net通訊，主站的DeviceNet的通訊模塊采用1756-CNBR/E；遠(yuǎn)程站的通訊模塊采用1794-ACNR15/C，I/O模塊采用：1794-IB32，32 路 DI 模塊（DC24V）；1794-OB32，32 路 DO 模塊（DC24V）；1794-IE8/B，8 路 AI模塊；1794-OE4/B，4路 AO 模塊。

上位機(jī)軟件FactoryTalk View與AB PLC通訊為以太網(wǎng)通訊，PLC主站選用通訊卡 1756-ENBT/A。PLC和變頻器之間的通訊采用Device Net通訊方式，PLC主站采用1756-DNB模塊與變頻器上（變頻器采用DANFOSS FC202P1M2P7變頻器）的DeviceNet卡進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，變頻器接收PLC輸出的設(shè)定頻率，對高壓泵電動機(jī)進(jìn)行調(diào)速，從而實(shí)現(xiàn)對反滲透系統(tǒng)的壓力和產(chǎn)水流量的調(diào)節(jié)?，F(xiàn)場的電磁流量計(jì)采集的流量數(shù)值和現(xiàn)場的壓力變送器采集的管路壓力數(shù)值分別通過PLC模擬量輸入模塊傳輸至PLC系統(tǒng)中，經(jīng)過PLC系統(tǒng)內(nèi)部運(yùn)算后上傳至FactoryTalk View上位軟件的HMI中進(jìn)行顯示和記錄。PLC系統(tǒng)根據(jù)現(xiàn)場綜合反饋的信息，接收子系統(tǒng)模塊控制指令，對電磁閥、指示燈等外設(shè)器件進(jìn)行操控，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制功能。

4 反滲透高壓泵變頻控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)軟件使用 AB 公司的 RSLogix5000軟件。系統(tǒng)程序的設(shè)計(jì)采用模塊化結(jié)構(gòu)，主要包括：邏輯控制程序、模擬量數(shù)據(jù)采集處理程序、變頻調(diào)速控制程序部分。

4.1 邏輯控制程序的實(shí)現(xiàn)

邏輯控制程序主要是RO高壓泵的啟動、停止和各種連鎖保護(hù)的控制。如高壓泵進(jìn)水壓力、高壓泵出水壓力、高壓泵電機(jī)溫度、相應(yīng)RO裝置閥門的開啟狀態(tài)、急停等均作為RO高壓泵的啟動條件。

4.2 模擬量數(shù)據(jù)采集處理程序的實(shí)現(xiàn)

模擬量信號處理主要是高壓泵電機(jī)溫度、高壓泵出口壓力等的數(shù)據(jù)處理及報(bào)警的處理。

高壓泵的電機(jī)選用的是ABB電動機(jī)，電機(jī)內(nèi)部繞組和軸承上均安裝有測溫元件，測溫元件通過現(xiàn)場安裝的溫度變送器傳輸至PLC系統(tǒng)中。如圖1所示，溫度數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換通過SCP功能塊來實(shí)現(xiàn)，當(dāng)檢測的電機(jī)溫度大于130℃，且時(shí)間超過3S時(shí)，發(fā)出電機(jī)高溫報(bào)警信息。

圖1 電機(jī)溫度數(shù)據(jù)采集處理程序

高壓泵出口壓力的控制程序與溫度的控制程序處理是相似的，壓力數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換通過SCP功能塊來實(shí)現(xiàn)，當(dāng)檢測到高壓泵出口壓力大于69bar，且時(shí)間超過3S時(shí)，發(fā)出高壓泵出口壓力高報(bào)警信息。

4.3 高壓泵變頻調(diào)速控制程序

高壓泵的變頻調(diào)速主要分為RO正常運(yùn)行調(diào)速和RO停機(jī)沖洗調(diào)速兩部分。變頻調(diào)速程序控制如圖2所示。

RO正常運(yùn)行調(diào)速是指RO運(yùn)行時(shí)對高壓泵頻率控制。當(dāng)高壓泵啟動條件滿足的情況下，系統(tǒng)發(fā)出啟動高壓泵的指令時(shí)，高壓泵首先以20HZ運(yùn)行240S的時(shí)間，然后高壓泵轉(zhuǎn)速提升至工藝設(shè)定的頻率（例如48HZ）運(yùn)行。

RO停機(jī)沖洗調(diào)速是在RO系統(tǒng)停機(jī)后對RO膜進(jìn)行沖洗時(shí)，對高壓泵頻率的控制。RO沖洗指令發(fā)出后，高壓泵首先以35HZ運(yùn)行60S，然后高壓泵的轉(zhuǎn)速降低為20HZ運(yùn)行，運(yùn)行180S后發(fā)出高壓泵停機(jī)指令。

圖2 變頻調(diào)速控制程序

為了保證停機(jī)時(shí)高壓泵的出水流量緩慢降為零，電機(jī)降速的時(shí)間不應(yīng)小于180S。

5 海水淡化系統(tǒng)的前景

海水淡化RO高壓泵變頻系統(tǒng)的優(yōu)勢是，變頻啟動大大降低啟動電流和沖擊轉(zhuǎn)矩，變頻器自身具有過流、過壓、欠壓等保護(hù)，保障了設(shè)備和人員操作的安全性。該裝置還可以自動適應(yīng)不同工況，采用閉環(huán)自動控制方法和水處理流量調(diào)節(jié) PID 算法，這種控制通過調(diào)整頻率來改變泵的轉(zhuǎn)速，既滿足了設(shè)計(jì)使用的需要，又可以使泵處于最佳的運(yùn)行狀態(tài)，保證了運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性。

曹妃甸海水淡化項(xiàng)目是我國自行設(shè)計(jì)，并由國內(nèi)企業(yè)總承包建設(shè)的第一個(gè)大型海水淡化項(xiàng)目，它的竣工投產(chǎn)標(biāo)志著我國海水淡化產(chǎn)業(yè)發(fā)展進(jìn)入了一個(gè)新的階段。為支持海水淡化產(chǎn)業(yè)發(fā)展，國家發(fā)改委于2011年7月將該項(xiàng)目列為“國家發(fā)展改革委海水淡化產(chǎn)業(yè)發(fā)展重點(diǎn)示范項(xiàng)目”。 曹妃甸海水淡化項(xiàng)目的開發(fā)模式具有良好的示范作用，其投產(chǎn)運(yùn)行將大大推動我國海水淡化產(chǎn)業(yè)的發(fā)展進(jìn)程。

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