低溫多效蒸餾海水淡化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

馮 濤，李 楠，王可寧，邵天寶，邢玉雷

(自然資源部 天津海水淡化與綜合利用研究所，天津 300192)

目前，我國淡水資源短缺問題日益嚴(yán)重，極大地制約了經(jīng)濟(jì)和環(huán)境等方面的發(fā)展。作為一種可以有效獲取淡水的方式，海水淡化技術(shù)已經(jīng)十分成熟。

低溫多效蒸餾海水淡化技術(shù)(LT-MED)作為海水淡化幾大主流技術(shù)之一，自20世紀(jì)80年代廣泛投入使用以來發(fā)展十分迅速。相比較于其他工藝如反滲透(RO)、多級閃蒸(MSF)而言，其有著適應(yīng)能力強(qiáng)、效率高、產(chǎn)水水質(zhì)好等特點(diǎn)。此外，借助電廠提供的蒸汽從而實(shí)現(xiàn)電水聯(lián)產(chǎn)，已成為當(dāng)今國內(nèi)外大型海水淡化工程建設(shè)的主要模式之一。

系統(tǒng)依據(jù)“實(shí)驗(yàn)功能完備、運(yùn)行穩(wěn)定可靠、拆裝移動靈活”的設(shè)計(jì)原則，完成了12 t/d測試實(shí)驗(yàn)平臺的設(shè)計(jì)和開發(fā)。文章則主要通過分析低溫多效實(shí)驗(yàn)裝置的工藝特點(diǎn)，設(shè)計(jì)并開發(fā)了一套控制操作可靠的電控系統(tǒng)，在降低實(shí)驗(yàn)人員操作量的同時也提高了設(shè)備的自動化控制水平。

1 低溫多效海水淡化工藝介紹

測試平臺采用MED低溫多效蒸餾技術(shù)，設(shè)計(jì)效數(shù)為“2效蒸發(fā)器+1冷凝器”，設(shè)計(jì)產(chǎn)水量為12 t/d，產(chǎn)水TDS≤5 mg/L。

主體裝置裝機(jī)總功率為15.9 kW，造水比為1.5～2.0可調(diào)。平臺所需的蒸汽由電加熱鍋爐提供，蒸汽供汽參數(shù)：流量0.33 t/h，溫度70 ℃，壓力0.031 2 MPa。工藝流程簡圖見圖1。

圖1 LT-MED海水淡化工藝流程簡圖Fig.1 Flow diagram of LT-MED seawater desalination process

整套系統(tǒng)主要由兩效水平管降膜蒸發(fā)器和一效冷凝器串聯(lián)而成，采用方形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。1效蒸發(fā)器、2效蒸發(fā)器與冷凝器順序相連，“一”字形排布，操作觀測方便，安裝運(yùn)輸簡單。整個系統(tǒng)進(jìn)行針對性的防腐耐蝕處理，可有效滿足沿海腐蝕工作環(huán)境的使用要求。

此外，多效蒸餾海水淡化性能測試平臺具有完備的實(shí)驗(yàn)測試功能，可模擬大型熱法多效蒸餾海水淡化性能測試平臺運(yùn)行工況和操作條件，測試和驗(yàn)證蒸發(fā)溫度、傳熱溫差、噴淋布液等操作條件對產(chǎn)水性能的影響，分析檢驗(yàn)多效蒸餾海水淡化性能測試平臺的汽液分離效果、阻垢效果、耐腐蝕性能、運(yùn)行穩(wěn)定性等技術(shù)性能。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)

低溫多效蒸餾海水淡化工程具有多參量(液位、溫度、流量等)，多任務(wù)，多設(shè)備(水泵、閥門、變頻器等)以及隨機(jī)性、時變性和耦合性等特點(diǎn)。控制信號以開關(guān)量居多，邏輯運(yùn)算回路較少?？刂七^程以順序邏輯控制為主，單回路負(fù)反饋閉環(huán)調(diào)節(jié)為輔。

控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以海水淡化工藝特點(diǎn)和應(yīng)用要求為主要依據(jù)，本著從滿足生產(chǎn)的實(shí)際需要出發(fā)，在設(shè)計(jì)中遵循了以下3方面原則：

(1)可靠性。

PLC系統(tǒng)的穩(wěn)定性是實(shí)現(xiàn)整套狀態(tài)穩(wěn)定可靠運(yùn)行的前提和保障。因此，在設(shè)計(jì)過程中，CPU及擴(kuò)展模塊供電單元采用主/從雙電源供電方式，當(dāng)主電源線路出現(xiàn)故障后，系統(tǒng)將立即切換至備用電源工作，其中切換響應(yīng)時間≤80 ms。

(2)擴(kuò)展性。

控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，在系統(tǒng)實(shí)際需求基礎(chǔ)之上，預(yù)留15%的I/O數(shù)字量和模擬量點(diǎn)位，同時預(yù)留了開放性通訊接口，保證系統(tǒng)后續(xù)的升級，提高了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。表1是項(xiàng)目設(shè)計(jì)過程中的I/O點(diǎn)位清單。

表1 I/O點(diǎn)位統(tǒng)計(jì)Tab.1 Statistics of I/O point

(3)通用性。

系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過程中，選型西門子Smart200 SR20系列產(chǎn)品作為控制系統(tǒng)的中央處理器，數(shù)量2，其中主、從站點(diǎn)個1個，主站與子站之間通過CPU控制器的以太網(wǎng)口及并行式交換機(jī)進(jìn)行交互式通訊，保證了整個控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)具有較好的標(biāo)準(zhǔn)性、開放性與互連性，同時也提高了系統(tǒng)的可兼容性。圖2為整套實(shí)驗(yàn)裝置控制系統(tǒng)的拓?fù)鋱D。

2.2 儀表系統(tǒng)

根據(jù)2效低溫多效蒸餾海水淡化實(shí)驗(yàn)平臺的流程圖將整個工藝劃分為海水進(jìn)料系統(tǒng)、濃鹽水系統(tǒng)、產(chǎn)品水系統(tǒng)、抽真空系統(tǒng)、蒸汽系統(tǒng)和蒸發(fā)系統(tǒng)等6個子系統(tǒng)。各子系統(tǒng)主要監(jiān)測和控制的工藝參數(shù)包括溫度、流量、壓力、液位以及電導(dǎo)等5大類。

在儀表選型和安裝的過程中，主要遵循以下幾方面原則：(1)溫度儀表。溫度測量儀表的選型從包括測溫范圍、準(zhǔn)確度要求等方面綜合考慮。根據(jù)現(xiàn)場或遠(yuǎn)傳顯示要求的不同，本設(shè)計(jì)分別選用雙金屬溫度計(jì)和三線制Pt100裝配式熱電阻。(2)壓力儀表。正常工況下，MED裝置處于負(fù)壓工況，因此選型時特別注意壓力儀表的耐壓等級和量程范圍。選擇壓力表時，要求壓力表最大工作壓力不超過儀表滿量程的2/3～3/4，最小工作壓力不小于滿量程的1/3。(3)流量儀表。MED裝置流量測量介質(zhì)包括蒸汽、蒸汽空氣混合體、海水、淡水等。其中，海水和濃海水管道由于介質(zhì)電導(dǎo)率較高，設(shè)計(jì)選用電磁流量計(jì)。根據(jù)MED工藝，產(chǎn)水管路電導(dǎo)較低(TDS≤5 mg/L)，普通電磁流量計(jì)無法滿足測量需求，故而選擇渦輪流量計(jì)進(jìn)線測量。而蒸汽管路則由于蒸汽溫度和壓力的不確定性，通常選用帶蒸汽密度補(bǔ)償?shù)臏u街流量計(jì)進(jìn)行測量。表2是低溫多效蒸餾海水淡化實(shí)驗(yàn)裝置的儀表選型清單。

表2 2效MED海水淡化裝置儀表測點(diǎn)分布Tab.2 Distribution of instrument measuring points of 2-effect MED seawater desalination unit

續(xù)表2 (Continue)

3 控制系統(tǒng)開發(fā)

3.1 功能概述

控制系統(tǒng)采用PLC+上位機(jī)的控制結(jié)構(gòu)，具有實(shí)時數(shù)據(jù)采集、過程邏輯運(yùn)算、順序控制、故障報警和在線診斷等功能，并可對數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄、統(tǒng)計(jì)、歸檔和打印處理。工藝系統(tǒng)內(nèi)的操作和監(jiān)視功能均可在上位機(jī)監(jiān)控畫面中完成。在充分滿足工藝控制要求的前提下，兼顧系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、可操作性和擴(kuò)展性。

3.2 控制回路設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)程序在設(shè)計(jì)過程中除了常規(guī)的數(shù)據(jù)采集、水泵閥門的連鎖控制保護(hù)外，還通過模擬量和順序控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了整個實(shí)驗(yàn)裝置的非線性單變量閉環(huán)PID控制。根據(jù)實(shí)際裝置的工藝控制需求，共設(shè)計(jì)7個PID控制回路如表3。此外，以下PID控制回路均采用積分比例控制。

表3 PID控制回路設(shè)置Tab.3 PID control loop

3.3 PLC程序設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)程序采用西門子STEP 7-Micro/WIN SMART編程軟件進(jìn)行開發(fā)。程序開發(fā)過程中，針對工藝流程以水箱為界限進(jìn)行劃分的特點(diǎn)，程序設(shè)計(jì)同樣采用模塊化的編程方法，將控制系統(tǒng)按照氣浮、砂濾、超濾、反滲透、輔助等模塊進(jìn)行劃分，這種編程方式的優(yōu)點(diǎn)在于，一方面可以提高程序的可讀性，便于后期改造；另一面可以提高程序的可移植性，降低后續(xù)設(shè)計(jì)類似項(xiàng)目的工作量。模塊具體劃分包括：程序初始化模塊、氣浮模塊、砂濾模塊、超濾模塊、反滲透模塊、反滲透清洗及加藥模塊、反滲透高壓復(fù)位模塊、4 mA～20 mA模擬量轉(zhuǎn)換模塊。

3.4 系統(tǒng)編程與組態(tài)

控制系統(tǒng)采用“PLC+WINCC”的控制方式，上位監(jiān)控終端分別設(shè)工程師及操作員站各1個，選用聯(lián)想系列產(chǎn)品。PLC程序開發(fā)采用西門子Smart200自帶編程軟件STEP 7 MicroWIN SMART V2.2進(jìn)行開發(fā)，而上位機(jī)則采用SIMAITC WinCC7.5最新版本進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)。

(1)系統(tǒng)編程。

由于低溫多效海水淡化生產(chǎn)過程控制要求的復(fù)雜程度不同，將程序按結(jié)構(gòu)形式分為基本程序和模塊化程序。

基本程序既可以作為獨(dú)立程序控制簡單的生產(chǎn)工藝過程，也可以作為組合模塊結(jié)構(gòu)中的單元程序。模塊化程序?qū)⒖偟目刂颇繕?biāo)程序劃分成多個具有明確子任務(wù)的程序模塊，分別編寫和調(diào)試，最后組合成一個完成總?cè)蝿?wù)的完整程序。其中具體包括，4 mA～20 mA模擬量量程轉(zhuǎn)換模塊，系統(tǒng)累計(jì)運(yùn)行時間模塊等。

(2)系統(tǒng)組態(tài)。

按照工藝流程圖設(shè)計(jì)監(jiān)控畫面，設(shè)有足夠的畫面數(shù)量保證滿足整個系統(tǒng)的運(yùn)行和控制的需要，同時各個畫面均能方便切換。畫面具有動態(tài)和靜態(tài)兩種形式，設(shè)備顏色隨參數(shù)或設(shè)備狀態(tài)變化而變化。

監(jiān)控系統(tǒng)包括系統(tǒng)登錄、流程監(jiān)控、參數(shù)設(shè)置、歷史數(shù)據(jù)及報警記錄查詢等4個子監(jiān)控界面。

4 應(yīng)用情況

基于PLC和WinCC的控制系統(tǒng)在2效低溫多效海水淡化實(shí)驗(yàn)裝置中應(yīng)用效果良好。整套系統(tǒng)伴隨實(shí)驗(yàn)裝置已運(yùn)行數(shù)月。運(yùn)行結(jié)果表明：系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠且自動化程度高，控制連鎖完整可靠，系統(tǒng)操作簡單便捷，可達(dá)少人甚至無人值守的要求。

系統(tǒng)各項(xiàng)主要運(yùn)行參數(shù)均達(dá)到工藝設(shè)計(jì)指標(biāo)，其中：產(chǎn)水TDS≤5 mg/L，裝置整體造水比實(shí)現(xiàn)了1.5～2可調(diào)。

5 結(jié)語

文章針對低溫多效海水淡化工藝設(shè)計(jì)開發(fā)了一套控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的開發(fā)實(shí)現(xiàn)了該設(shè)備的連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。一方面提高了海水淡化控制系統(tǒng)自動化程度，另一方面為日后在大型低溫多效海水淡化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開發(fā)提供了有益借鑒。