智能控制技術(shù)在海水淡化處理中的應(yīng)用與研究進(jìn)展

張蓬亮，武玉堃，楊會(huì)朝，侯 冰，孫亞偉

（國(guó)家能源蓬萊發(fā)電有限公司，山東 蓬萊 265601）

水資源短缺是制約人類可持續(xù)發(fā)展的全球性問(wèn)題。海水淡化有望成為解決這一全球性問(wèn)題的有效途徑。國(guó)際海水淡化協(xié)會(huì)（IDA）表示，截至2017年底，在150個(gè)國(guó)家運(yùn)行的約18 500個(gè)海水淡化廠，最大合同產(chǎn)能約為9 980萬(wàn)m3/d，在一定程度上緩解了全球淡水危機(jī)[1]。

許多地區(qū)面臨著淡水資源短缺的問(wèn)題，特別是干旱地區(qū)或海水資源豐富而淡水資源有限的沿海地區(qū)。海水淡化處理可以提供一種可靠的補(bǔ)充水源，滿足人們的用水需求[2]。與此同時(shí)，全球人口不斷增長(zhǎng)，導(dǎo)致對(duì)水資源的需求日益加大。海水淡化處理可以擴(kuò)大可用的水資源范圍，滿足人口增長(zhǎng)所帶來(lái)的用水需求[3]。我國(guó)的發(fā)展規(guī)劃《全國(guó)海水利用“十三五”規(guī)劃》對(duì)海水淡化產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提出了更大的目標(biāo)：到2025年底，全國(guó)海水淡化產(chǎn)量將達(dá)到220萬(wàn)m3/d[4]。我國(guó)將成為世界上最有前景的海水淡化市場(chǎng)之一[5]。

以往的許多工作研究了海水淡化技術(shù)及設(shè)備的演變與創(chuàng)新[6]，大多忽略了智能控制技術(shù)在海水淡化領(lǐng)域的發(fā)展及相關(guān)的工程應(yīng)用。本文從技術(shù)和工程的角度介紹海水淡化目前遇到的挑戰(zhàn)，闡述智能控制技術(shù)在海水淡化工業(yè)發(fā)展進(jìn)程的作用及影響，如圖1所示。

圖1 1980年至2030年淡水消耗量隨全民人數(shù)遞增的變化（按使用類別劃分）[7]

1 海水淡化產(chǎn)業(yè)的挑戰(zhàn)

目前，海水淡化處理需要消耗大量的能源，特別是反滲透膜技術(shù)，其能源消耗較高。高能耗直接影響處理成本，需要尋找更有效的能源管理和技術(shù)創(chuàng)新，以降低成本并提高能源效率。反滲透膜容易受到污染，如鹽積聚、微生物生長(zhǎng)和沉積物堆積等[8]。膜污染會(huì)降低膜的性能和壽命，需要進(jìn)行定期清洗和維護(hù)。有效的膜污染控制和維護(hù)策略是關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一。同時(shí)，海水淡化處理過(guò)程中產(chǎn)生的廢鹽和廢水會(huì)對(duì)海洋環(huán)境造成影響，尤其是在廢鹽排放和廢水處理方面需要注意環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展。

隨著淡水資源短缺、人口增長(zhǎng)等日益增長(zhǎng)的需求，海水淡化處理同時(shí)也面臨高能耗、膜污染和環(huán)境影響等挑戰(zhàn)。通過(guò)模型預(yù)測(cè)控制技術(shù)、智慧化運(yùn)維能源管理和環(huán)境保護(hù)措施，可以努力克服這些挑戰(zhàn)，提供可靠、經(jīng)濟(jì)和可持續(xù)的海水淡化處理解決方案。

2 智能控制技術(shù)在海水淡化中的應(yīng)用

2.1 智能控制技術(shù)概述

智能控制技術(shù)以數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過(guò)實(shí)時(shí)采集、傳輸和分析系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，為控制決策提供支持。它能夠分析和處理大量的數(shù)據(jù)，并根據(jù)預(yù)設(shè)的目標(biāo)和約束條件，生成最佳的控制決策，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)化和最優(yōu)性，可以提高系統(tǒng)的性能、效率和可靠性，推動(dòng)自動(dòng)化系統(tǒng)向智能化方向發(fā)展。

2.2 模型預(yù)測(cè)控制在海水淡化處理中的應(yīng)用

海水淡化處理系統(tǒng)中的流量和壓力控制是至關(guān)重要的。通過(guò)建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并結(jié)合實(shí)時(shí)的傳感器數(shù)據(jù)，可利用MPC 來(lái)預(yù)測(cè)未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)的流量和壓力變化，并根據(jù)設(shè)定的控制目標(biāo)，調(diào)整閥門、泵等設(shè)備的控制策略，以實(shí)現(xiàn)精確的流量和壓力控制[9]。此外，MPC 可以通過(guò)模型對(duì)鹽度進(jìn)行預(yù)測(cè)，根據(jù)所需的鹽度目標(biāo)，通過(guò)調(diào)節(jié)反滲透膜通量、反沖洗周期等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)淡水鹽度的精確控制。

海水淡化處理通常需要大量的能源，如電力或燃料。MPC 可以結(jié)合能源成本模型和系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，根據(jù)電力市場(chǎng)價(jià)格、能源供應(yīng)情況等因素，優(yōu)化能源的消耗和利用方式。通過(guò)預(yù)測(cè)未來(lái)的能源需求和供應(yīng)情況，MPC 能夠調(diào)整設(shè)備運(yùn)行模式，以最小化能源成本并提高能源效率。反滲透膜的污染會(huì)降低海水淡化系統(tǒng)的效率和壽命[9]。MPC 利用膜污染模型和實(shí)時(shí)傳感器數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)膜的污染程度，并根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果調(diào)整清洗周期、清洗強(qiáng)度等參數(shù)，以最大程度地延長(zhǎng)膜的使用壽命和保持水質(zhì)。

模型預(yù)測(cè)控制在海水淡化處理中能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)關(guān)鍵參數(shù)的精確控制，并在不確定性條件下優(yōu)化系統(tǒng)的運(yùn)行。通過(guò)結(jié)合系統(tǒng)模型和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，可以預(yù)測(cè)未來(lái)的系統(tǒng)行為并制定最優(yōu)的控制策略，從而提高海水淡化處理系統(tǒng)的效率、性能和可靠性。

2.3 傳感器技術(shù)和數(shù)據(jù)分析在海水淡化處理中的應(yīng)用

傳感器技術(shù)可用于監(jiān)測(cè)海水淡化系統(tǒng)中的水質(zhì)參數(shù)與流量和壓力，如鹽度、pH、溶解氧等。這些傳感器能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量水體的化學(xué)特性，確保淡化過(guò)程的效果和水質(zhì)的穩(wěn)定性。通過(guò)測(cè)量進(jìn)水和出水的流量，以及各個(gè)關(guān)鍵位置的壓力，實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化。

此外，多組傳感器可同時(shí)監(jiān)測(cè)反滲透膜的狀態(tài)和性能。如通過(guò)監(jiān)測(cè)膜表面的壓力和通量，識(shí)別膜的污染程度和性能衰減，并及時(shí)采取清洗或維護(hù)措施，延長(zhǎng)膜的使用壽命[10]。通過(guò)對(duì)傳感器收集和記錄海水淡化處理系統(tǒng)的各種數(shù)據(jù)，包括水質(zhì)參數(shù)、流量、壓力、溫度等進(jìn)行分析和建模，預(yù)測(cè)海水淡化系統(tǒng)的行為和性能。結(jié)合數(shù)據(jù)分析技術(shù)，如機(jī)器學(xué)習(xí)和統(tǒng)計(jì)分析，從數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)潛在的關(guān)聯(lián)和規(guī)律，并幫助優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行、故障檢測(cè)和決策制定。

傳感器技術(shù)和數(shù)據(jù)分析為海水淡化處理提供了實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)、精確的數(shù)據(jù)反饋和智能化的決策支持[12]?？梢蕴岣呦到y(tǒng)的效率、穩(wěn)定性和可靠性，同時(shí)減少能源和資源的浪費(fèi)。隨著傳感器技術(shù)和數(shù)據(jù)分析算法的不斷發(fā)展，海水淡化處理的性能和可持續(xù)性將得到進(jìn)一步提升。

2.4 智能化運(yùn)維管理在海水淡化處理中的應(yīng)用

智能化運(yùn)維管理系統(tǒng)可精準(zhǔn)預(yù)測(cè)海水淡化系統(tǒng)的設(shè)備壽命、故障概率和維護(hù)需求?；谶@些預(yù)測(cè)結(jié)果，可以制定合理的維護(hù)計(jì)劃，包括設(shè)備更換、清洗、校準(zhǔn)和定期保養(yǎng)，以最大限度地減少停機(jī)時(shí)間并提高系統(tǒng)的可用性和性能[11]。智能化的運(yùn)維管理系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)分析和診斷這些數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)異常狀態(tài)和潛在的故障，并提供及時(shí)的警報(bào)和報(bào)警通知。

智能化運(yùn)維管理系統(tǒng)與海水淡化系統(tǒng)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)集成，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和遠(yuǎn)程控制。運(yùn)維人員可以通過(guò)云平臺(tái)或移動(dòng)應(yīng)用程序遠(yuǎn)程監(jiān)視和操作系統(tǒng)，調(diào)整控制參數(shù)、查看實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和報(bào)告，以及進(jìn)行故障診斷和維修。這樣可以提高運(yùn)維效率、減少人力資源成本，并快速響應(yīng)系統(tǒng)問(wèn)題[12]。利用數(shù)據(jù)分析技術(shù)，如機(jī)器學(xué)習(xí)和數(shù)據(jù)挖掘，識(shí)別潛在的性能改進(jìn)機(jī)會(huì)、優(yōu)化運(yùn)行策略和節(jié)能措施[13]。運(yùn)維人員可以利用這些分析結(jié)果進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化和決策制定，以提高系統(tǒng)效率和降低運(yùn)營(yíng)成本。

智能化運(yùn)維管理在海水淡化處理中的應(yīng)用可以提高系統(tǒng)的可靠性、效率和維護(hù)效果。它可以減少人為錯(cuò)誤，提高運(yùn)維效率，并提供數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的決策支持，從而實(shí)現(xiàn)可持續(xù)和經(jīng)濟(jì)高效的海水淡化處理。

3 未來(lái)發(fā)展和挑戰(zhàn)

3.1 智能控制技術(shù)的前景和潛力

隨著智能控制技術(shù)的不斷發(fā)展和創(chuàng)新，其在海水處理領(lǐng)域的應(yīng)用前景將繼續(xù)擴(kuò)大。智能控制技術(shù)可以提高海水處理系統(tǒng)的效率、可持續(xù)性和經(jīng)濟(jì)性，為滿足不斷增長(zhǎng)的淡水需求提供創(chuàng)新解決方案。同時(shí)，智能控制技術(shù)結(jié)合數(shù)據(jù)分析和機(jī)器學(xué)習(xí)算法，可以對(duì)海水處理系統(tǒng)的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和優(yōu)化。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、分析和預(yù)測(cè)，可以優(yōu)化系統(tǒng)的運(yùn)行策略、降低能源消耗，提高水質(zhì)控制，并預(yù)測(cè)系統(tǒng)故障和維護(hù)需求。

3.2 面臨的挑戰(zhàn)和解決方案

盡管智能控制技術(shù)在海水淡化處理中具有廣闊的應(yīng)用前景，但仍需要進(jìn)一步的研究和實(shí)踐來(lái)解決實(shí)際工程中的挑戰(zhàn)，如處理效率的提高、能源消耗的降低和技術(shù)經(jīng)濟(jì)性的改善。

智能控制技術(shù)需要可靠和準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，而海水處理過(guò)程中的數(shù)據(jù)可能受到傳感器誤差、干擾和故障等因素的影響。確保數(shù)據(jù)的質(zhì)量和可靠性對(duì)于智能控制的準(zhǔn)確性和有效性至關(guān)重要。

海水處理系統(tǒng)具有復(fù)雜性和動(dòng)態(tài)性，涉及多個(gè)物理、化學(xué)和生物過(guò)程的相互作用[14]。這些復(fù)雜性和不確定性使得建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型和預(yù)測(cè)變得具有挑戰(zhàn)性。智能控制技術(shù)需要能夠處理不確定性和適應(yīng)系統(tǒng)變化的算法和方法。

海水處理過(guò)程中的能源消耗是一個(gè)重要的問(wèn)題。智能控制技術(shù)需要尋找最佳的控制策略和運(yùn)行模式，以實(shí)現(xiàn)能源的最優(yōu)利用和經(jīng)濟(jì)性[15]。然而，能源效率和經(jīng)濟(jì)性之間的平衡是一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題，需要綜合考慮多個(gè)因素。

海水處理技術(shù)需要考慮可持續(xù)性和環(huán)境影響。智能控制技術(shù)需要考慮如何最大程度地減少資源消耗、廢物產(chǎn)生和環(huán)境污染，以實(shí)現(xiàn)海水處理的可持續(xù)發(fā)展。

4 結(jié)束語(yǔ)

智能控制技術(shù)在海水淡化處理中的應(yīng)用和研究進(jìn)展正不斷提升。智能控制技術(shù)在海水淡化處理中的應(yīng)用可以提高系統(tǒng)的效率，降低能源消耗，改善水質(zhì)，并提供及時(shí)的故障檢測(cè)和維護(hù)支持，但仍需要綜合考慮技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境等多個(gè)方面，進(jìn)一步研究和創(chuàng)新以提高智能控制技術(shù)在海水處理中的應(yīng)用效果，并推動(dòng)海水處理技術(shù)向更加可持續(xù)的方向發(fā)展。