反滲透海水淡化監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

鄒德安，晏 鵬

(1.天津市合遠(yuǎn)電氣有限公司，天津 300000；2.自然資源部天津海水淡化與綜合利用研究所，天津 300192)

隨著《中華人民共和國(guó)海島保護(hù)法》的頒布實(shí)施，海島及可再生能源的開發(fā)、利用日益成為熱點(diǎn)，淡水資源緊缺問題逐漸突顯。海島淡水資源獲取途徑主要有攔蓄地表水、開采地下水、船舶運(yùn)送、引水濟(jì)島和海水淡化等，但前四種措施難以解決根本問題且代價(jià)高。反滲透海水淡化技術(shù)具有工藝成熟、運(yùn)行能耗低、建設(shè)周期短、動(dòng)力匹配靈活等優(yōu)點(diǎn)，已逐步成為解決海島淡水資源短缺的重要途徑。

反滲透海水淡化系統(tǒng)具有單位能耗低、單元化程度高、建設(shè)周期短、適于各種規(guī)模應(yīng)用等特點(diǎn)，在世界范圍內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用[5]。隨著反滲透膜技術(shù)和能量回收技術(shù)的快速發(fā)展，其制水能耗和制水成本也不斷降低[6]。在反滲透海水淡化工藝設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)綜合考慮海水水質(zhì)、水溫、運(yùn)行壓力、產(chǎn)水水質(zhì)、產(chǎn)水量以及回收率等因素，要求選擇合適的預(yù)處理工藝以及反滲透膜組件，實(shí)現(xiàn)裝置的長(zhǎng)期穩(wěn)定、安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

1 工藝流程

三沙市某島2×500 m3/d反滲透海水淡化裝置采用“雙膜法”海水淡化工藝，如圖1所示。原海水由海水提取泵經(jīng)絮凝沉淀系統(tǒng)，去除較大的膠體物質(zhì)和懸浮性物質(zhì)，進(jìn)入原水池，再經(jīng)過連續(xù)超濾膜組去除海水中微生物和膠體物質(zhì)后進(jìn)入中間水池。中間水池的海水一部分作為超濾裝置的反洗用水，另一部分經(jīng)中間水泵送入保安過濾器再次過濾，最后經(jīng)高壓泵加壓后進(jìn)入反滲透膜組件。反滲透產(chǎn)出的淡水經(jīng)后處理設(shè)施供用戶使用，濃水經(jīng)能量回收裝置進(jìn)行余壓利用后排放。

圖1 海水淡化工藝流程圖Fig.1 Process flow chart of seawater desalination

2 控制要求

控制系統(tǒng)作為反滲透海水淡化裝置的重要組成部分，其作用在于實(shí)現(xiàn)整個(gè)裝置各個(gè)生產(chǎn)過程的自動(dòng)控制和協(xié)調(diào)管理。根據(jù)反滲透海水淡化工藝流程，可以分為海水取水單元、連續(xù)超濾單元、反滲透脫鹽單元、產(chǎn)品水后處理單元及清洗單元共五部分。

2.1 海水取水單元的控制

海水取水單元包括海水取水泵、絮凝沉淀系統(tǒng)、原水池及系統(tǒng)輔助裝置。正常運(yùn)行時(shí)，控制系統(tǒng)根據(jù)原水池的液位高低進(jìn)行啟?？刂啤?/p>

2.2 連續(xù)超濾單元的控制

(1)連續(xù)超濾單元包括原水泵、兩組并列的超濾膜組、反沖泵、中間水池以及殺生劑加藥。正常運(yùn)行時(shí)，兩組超濾同時(shí)投入使用，系統(tǒng)根據(jù)中間水池的液位高低進(jìn)行啟?？刂?。

(2)單個(gè)超濾膜組均包括正常運(yùn)行、氣水雙洗和反沖洗等過程。其中，氣水雙洗、反沖洗過程在兩組間交替進(jìn)行。系統(tǒng)根據(jù)時(shí)間參數(shù)完成上述過程的自動(dòng)切換，正常運(yùn)行時(shí)間約20 min～30 min，氣水雙洗時(shí)間約30 s，反沖洗時(shí)間約30 s。

(3)原水泵采用變頻器驅(qū)動(dòng)，并根據(jù)產(chǎn)水流量實(shí)現(xiàn)恒流量閉環(huán)控制。

2.3 反滲透脫鹽單元的控制

(1)反滲透脫鹽單元包括中間水泵、高壓泵、反滲透膜組件、能量回收裝置及相應(yīng)加藥裝置。其中，高壓泵、反滲透膜組件和能量回收裝置構(gòu)成反滲透系統(tǒng)三大關(guān)鍵部件。

(2)高壓泵的運(yùn)行和控制。高壓泵采用變頻器驅(qū)動(dòng)，高壓泵進(jìn)口設(shè)有低壓保護(hù)開關(guān)，當(dāng)供水量不足引起壓力低于設(shè)定值時(shí)，PLC發(fā)出信號(hào)停運(yùn)高壓泵，確保高壓泵不空轉(zhuǎn)。反滲透進(jìn)口設(shè)有高壓保護(hù)開關(guān)，當(dāng)因誤操作或其他原因造成入口壓力超過設(shè)定值時(shí)，PLC會(huì)自動(dòng)切斷高壓泵供電，確保反滲透膜元件不受損壞。

3 系統(tǒng)方案

3.1 方案設(shè)計(jì)

為保障反滲透海水淡化系統(tǒng)供水的可靠性，該控制系統(tǒng)采用高可靠性、低維護(hù)性以及具有高度的開放性和可擴(kuò)展性的成熟控制技術(shù)。每套海水淡化裝置均配置一套西門子S7-300PLC，海水淡化裝置的加藥清洗等公共系統(tǒng)的數(shù)字量信號(hào)及模擬量信號(hào)同時(shí)采集到兩套PLC系統(tǒng)內(nèi)，保證每套系統(tǒng)可以獨(dú)立運(yùn)行。自動(dòng)化控制系統(tǒng)中的可編程控制器PLC配置以太網(wǎng)通訊接口，與上位機(jī)系統(tǒng)通過以太網(wǎng)交換機(jī)共同組成工業(yè)光纖以太網(wǎng)，對(duì)整套海水淡化裝置進(jìn)行自動(dòng)化控制。

3.2 編程與組態(tài)

(1)硬件組態(tài)

控制系統(tǒng)的硬件組態(tài)采用西門子公司STEP7編程軟件，來(lái)完成Profibus-DP和Profinet的網(wǎng)絡(luò)組態(tài)和通信設(shè)置。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的配置相當(dāng)靈活，既允許單主從系統(tǒng)運(yùn)作，也允許多主站系統(tǒng)構(gòu)成的多主從系統(tǒng)運(yùn)作。硬件組態(tài)的步驟分為兩步：第一步是將選定的電源單元、CPU單元和I/O單元，分別添加到組態(tài)系統(tǒng)對(duì)應(yīng)槽位中，確定各數(shù)據(jù)點(diǎn)的物理地址位；第二步是將擴(kuò)展IO模塊的IM153添加到PROFIBUS-DP主站系統(tǒng)中，系統(tǒng)自動(dòng)配置通訊端口。

(2)監(jiān)控界面開發(fā)

上位監(jiān)控界面采用西門子WinCC 組態(tài)軟件進(jìn)行開發(fā)，WinCC與控制主站的通信采用S7協(xié)議中的SIMATIC S7 Protocol Suite協(xié)議通道實(shí)現(xiàn)。上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)包括總體工藝框圖、海水取水單元、連續(xù)超濾單元、反滲透脫鹽單元、產(chǎn)品水后處理單元及清洗單元、趨勢(shì)圖及表格等幾部分組成。當(dāng)參數(shù)故障報(bào)警、閥門/水泵的狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，監(jiān)控界面相應(yīng)的設(shè)備會(huì)以不同顏色顯示。

4 結(jié)論

控制系統(tǒng)選用自控系統(tǒng)設(shè)備性能可靠、軟件設(shè)計(jì)合理，配置的監(jiān)測(cè)儀表具有精度高、性能穩(wěn)定的特點(diǎn)；完成了生產(chǎn)參數(shù)的在線檢測(cè)、數(shù)據(jù)處理運(yùn)算、顯示、存儲(chǔ)、管理、控制輸出、報(bào)表打印等功能；實(shí)現(xiàn)了操作人員可通過人機(jī)對(duì)話修改、設(shè)定過程參量并控制設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，提高了反滲透海水淡化工程運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。