海水淡化系統(tǒng)半自動(dòng)化研究和應(yīng)用

徐 力，王 琛

（上海振華重工（集團(tuán)）股份有限公司，上海 200125）

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市建設(shè)，水資源逐漸匱乏，更好地開發(fā)水資源，開展自然資源的可持續(xù)發(fā)展是當(dāng)今我國(guó)重要的發(fā)展核心。面對(duì)嚴(yán)峻的環(huán)境形勢(shì)，推出海水淡化系統(tǒng)可以直接緩解用水問題，提升加快海水淡化技術(shù)是目前研究的核心。

1 海水淡化半自動(dòng)化應(yīng)用

1.1 工作原理

海水的反滲透技術(shù)是依靠反滲透設(shè)備，有效實(shí)現(xiàn)海水的分離并且可以分解鹽份。海水反滲透技術(shù)經(jīng)濟(jì)投資少、能源消耗低、設(shè)備實(shí)際占地面積比較小，相對(duì)于其他技術(shù)較為成熟，一般在大型艦船或者海上大型平臺(tái)進(jìn)行操作。海水反滲透裝置通常由海水反滲透薄膜、高壓柱塞以及海水能量回收設(shè)備組成核心區(qū)域。海水經(jīng)過(guò)輸入裝置后，通過(guò)輸入管道進(jìn)入輸出水泵結(jié)合預(yù)處理模塊，可以有效過(guò)濾海水中的泥土、沙子或者大型海藻等體積較大物質(zhì)。當(dāng)初次過(guò)濾的水流經(jīng)過(guò)濾后流向反滲透設(shè)備，設(shè)備內(nèi)部的高壓柱塞以及海水能量回收設(shè)備開始啟動(dòng)，再次向水流施壓。使得設(shè)備內(nèi)部整體一直處于高壓狀態(tài)，從而達(dá)到反滲透效果。此時(shí)海水被分解為淡水和海鹽，其中淡水部分經(jīng)過(guò)壓力的釋放進(jìn)入水質(zhì)調(diào)節(jié)設(shè)備中，經(jīng)受增加壓力的藥泵進(jìn)行酸堿調(diào)節(jié)。

通常加藥泵設(shè)置在淡水管道上，通過(guò)藥物調(diào)節(jié)水中的pH值。在水流末端使用電流導(dǎo)向儀器與水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀器檢測(cè)水質(zhì)，保證水質(zhì)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值。電氣控制技術(shù)是海水淡化系統(tǒng)中重要的組成部分，可以支持裝置的連續(xù)實(shí)驗(yàn)以及設(shè)備運(yùn)行時(shí)的供電安全、監(jiān)控所得數(shù)據(jù)、相關(guān)的邏輯性運(yùn)算、設(shè)備運(yùn)行順序的把控，以及判斷設(shè)備的故障情況等功能，確保設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行。電氣控制的運(yùn)行要求較高，為實(shí)現(xiàn)有效收集和分析設(shè)備不同品類的信息數(shù)據(jù)，電氣控制系統(tǒng)的硬件采用模塊化的分區(qū)配置，以保障系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行。

1.2 半自動(dòng)化系統(tǒng)構(gòu)成

1.2.1 反滲透系統(tǒng)

反滲透系統(tǒng)是整體海水淡化系統(tǒng)的核心部分，主要組成部分除了海水反滲透薄膜、高壓柱塞以及海水能量回收設(shè)備以外，海水流量的傳感器與各個(gè)環(huán)節(jié)的物質(zhì)傳輸設(shè)備同樣重要。其中回收設(shè)備在反滲透系統(tǒng)中處于一個(gè)低消耗的結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部采用經(jīng)過(guò)特殊建造的，以增加壓強(qiáng)為主要形式的液態(tài)壓力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用回收海水的強(qiáng)大壓力作為主要運(yùn)轉(zhuǎn)動(dòng)力。在日常工作中反滲透系統(tǒng)通過(guò)驅(qū)使高壓活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)，增加海水壓力。同時(shí)高壓栓塞泵在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，對(duì)海水進(jìn)行持續(xù)壓力輸出，使得海水直接達(dá)到淡化海水的反滲透設(shè)備入口，并且一定程度節(jié)約了海水淡化的動(dòng)力需求。

回收廢舊海水得到了動(dòng)力能量，不僅可以節(jié)省能源消耗，還可針對(duì)海水進(jìn)行二次分解，增加了海水淡化效率，增加海水能源應(yīng)用范圍。此外，反滲透系統(tǒng)的主要控制區(qū)域采用PLC 系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)監(jiān)控，主要控制室不再設(shè)置二次監(jiān)控儀器，所有工藝系統(tǒng)內(nèi)的操作環(huán)節(jié)和監(jiān)控功能都在PLC 系統(tǒng)內(nèi)觸摸屏中顯示和完成。同時(shí)，PLC 系統(tǒng)可以統(tǒng)籌系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)備的穩(wěn)定性、可行性、拓展性以及可靠性，促使整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)提升到最高自動(dòng)化的層次，以此減小日常設(shè)備維護(hù)難度，最終實(shí)現(xiàn)人力的少投入甚至不投入。

區(qū)別于大型海水淡化系統(tǒng)的全自動(dòng)化操作，考慮部分地區(qū)的人員技術(shù)水平，所以在反滲透系統(tǒng)中將采用全自動(dòng)控制，以此保證所有操作流程都在PLC 中完成邏輯控制。但一旦發(fā)生故障，需要解讀程序來(lái)處理故障。這對(duì)于當(dāng)?shù)夭僮魅藛T的技術(shù)層次提出了重大考驗(yàn)。因此，控制系統(tǒng)中除了驅(qū)動(dòng)器的啟停觸發(fā)由PLC 直接控制，所有的外圍電路需要保持屬于硬件線路，并且通過(guò)繼電器直接顯示。例如，管線高壓，就需要直接將硬件接入驅(qū)動(dòng)器端子，如果發(fā)生高壓故障，可以通過(guò)線路直接切斷驅(qū)動(dòng)器輸出。

反沖洗等控制也需要通過(guò)人為控制閥門開關(guān)來(lái)達(dá)到目的。雖然增加不少勞動(dòng)力，但是對(duì)于設(shè)備檢查以及故障排除效果更加直觀，有利于在教育程度較低地區(qū)使用。因此，對(duì)于半自動(dòng)化操作模式，即使PLC 完全癱瘓，如果增加“手動(dòng)選擇”開關(guān)，也完全可以繼續(xù)使用海淡設(shè)備。

1.2.2 水質(zhì)檢測(cè)系統(tǒng)

海水淡化整體流程中最重要的是水質(zhì)監(jiān)測(cè)環(huán)節(jié)，它直接決定了水質(zhì)是否合格并輸送給用戶。水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括加藥水泵、電向引導(dǎo)儀器、酸堿檢測(cè)儀器以及流量傳感儀器等。水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用PLC 為主要控制器進(jìn)行軟件的語(yǔ)言編程，在主體設(shè)備上PLC 的通信方式采取計(jì)算機(jī)協(xié)議通信法，利用Zigbee 技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸。實(shí)際工作中PLC系統(tǒng)通過(guò)編程寫入程序并且等待時(shí)間的觸發(fā)條件，如果事件超過(guò)300 s 還未觸發(fā)則判定為超時(shí)事件，從而進(jìn)行下一步的運(yùn)作繼續(xù)讀寫數(shù)據(jù)。通過(guò)Zigbee技術(shù)與PLC 相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，隨時(shí)檢查相關(guān)數(shù)據(jù)和設(shè)備的運(yùn)行情況，直觀了解PLC 接收的數(shù)據(jù)。我國(guó)質(zhì)量監(jiān)督制度中規(guī)定：居民日常的飲用水酸堿值需要控制在6.5～8.5，淡水中的固體溶解要小于1000 mg/L。這兩項(xiàng)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)直接影響水質(zhì)的控制和調(diào)整，對(duì)于水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，加藥水泵的加藥頻次和單次加藥計(jì)量都受到酸堿儀器的影響。這樣的日常操作既能保持酸堿度的實(shí)時(shí)調(diào)控，又能有效保證淡水的質(zhì)量保持最佳狀態(tài)，保證居民用水安全。

檢測(cè)環(huán)節(jié)不涉及整體海水淡化的流程，但是作為補(bǔ)充，需要24 h 不間斷記錄。一旦監(jiān)測(cè)到異常，就要立即反饋給值班人員，人工干預(yù)檢查。因此，對(duì)于水質(zhì)檢測(cè)系統(tǒng)，需要現(xiàn)場(chǎng)PLC 系統(tǒng)進(jìn)行24 h 監(jiān)測(cè)。這部分的智能化控制，相比手動(dòng)檢測(cè)更有實(shí)效。檢測(cè)系統(tǒng)不參與控制，只是給與反饋，不直接影響海水淡化設(shè)備使用。

2 海水淡化系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用

目前，我國(guó)海水淡化設(shè)備普遍采用500 m3/d 的海水淡化系統(tǒng)。這種系統(tǒng)結(jié)合了反滲透系統(tǒng)與高精度的過(guò)濾器，是當(dāng)下使用頻率較高的淡化系統(tǒng)。最重要的是系統(tǒng)內(nèi)部的零件構(gòu)造全部采取國(guó)產(chǎn)設(shè)備，降低了海水淡化設(shè)備的建造成本，淡化系統(tǒng)主要設(shè)備見表1。由表1 可見，常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)情況下，氯化鈉的溶液質(zhì)量為31.51 g/L，溫度保持在29.6 ℃左右，室內(nèi)壓力控制在5.5 MPa，并且在淡化系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)作過(guò)程中，需要將回收率控制在44%左右，確保設(shè)備測(cè)試的準(zhǔn)確性。測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)：產(chǎn)出淡水量516.5 m3/d，脫鹽率99.29%，其中氯化鈉的質(zhì)量數(shù)值可以達(dá)到99.43%，由此可見，設(shè)備在穩(wěn)定環(huán)境下運(yùn)行狀態(tài)良好，并且設(shè)備運(yùn)作時(shí)，其水流引導(dǎo)產(chǎn)生電量機(jī)率為45.3 cm/S，其中淡水的脫鹽率達(dá)到99.46%，基本達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值。

海水淡化技術(shù)是現(xiàn)階段世界關(guān)注的重點(diǎn)工程，通過(guò)科學(xué)技術(shù)將海水淡化成日常用水，很大程度上緩解了人們用水困難。淡水工程巨大，對(duì)于經(jīng)濟(jì)成本的需求較高，因此我國(guó)在研發(fā)技術(shù)提升的同時(shí)，對(duì)于成本的把控也作為發(fā)展重點(diǎn)。

3 結(jié)束語(yǔ)

半自動(dòng)化系統(tǒng)在使用過(guò)程中相對(duì)簡(jiǎn)單直接，并且相比手動(dòng)，檢測(cè)系統(tǒng)更加完善。全自動(dòng)化系統(tǒng)，更加適合在偏遠(yuǎn)地區(qū)應(yīng)用，如在非洲，中東等淡水缺乏地區(qū)，有著很大受益群體。若我國(guó)發(fā)生天然災(zāi)害、大面積疾病以及旱災(zāi)等突發(fā)情況，海水淡化技術(shù)可以快速進(jìn)入工作狀態(tài)，為突發(fā)事件提供能源支持，對(duì)保持社會(huì)穩(wěn)定起到巨大作用。

表1 500 m3/d 海水淡化系統(tǒng)設(shè)備組成