反渗透海水淡化监控系统的设计与实现

2020-04-27邹德安

盐科学与化工 2020年4期

邹德安，晏鹏

(1.天津市合远电气有限公司，天津 300000；2.自然资源部天津海水淡化与综合利用研究所，天津 300192)

随着《中华人民共和国海岛保护法》的颁布实施，海岛及可再生能源的开发、利用日益成为热点，淡水资源紧缺问题逐渐突显。海岛淡水资源获取途径主要有拦蓄地表水、开采地下水、船舶运送、引水济岛和海水淡化等，但前四种措施难以解决根本问题且代价高。反渗透海水淡化技术具有工艺成熟、运行能耗低、建设周期短、动力匹配灵活等优点，已逐步成为解决海岛淡水资源短缺的重要途径。

反渗透海水淡化系统具有单位能耗低、单元化程度高、建设周期短、适于各种规模应用等特点，在世界范围内得到了广泛应用[5]。随着反渗透膜技术和能量回收技术的快速发展，其制水能耗和制水成本也不断降低[6]。在反渗透海水淡化工艺设计时，应综合考虑海水水质、水温、运行压力、产水水质、产水量以及回收率等因素，要求选择合适的预处理工艺以及反渗透膜组件，实现装置的长期稳定、安全、经济运行。

1 工艺流程

三沙市某岛2×500 m3/d反渗透海水淡化装置采用“双膜法”海水淡化工艺，如图1所示。原海水由海水提取泵经絮凝沉淀系统，去除较大的胶体物质和悬浮性物质，进入原水池，再经过连续超滤膜组去除海水中微生物和胶体物质后进入中间水池。中间水池的海水一部分作为超滤装置的反洗用水，另一部分经中间水泵送入保安过滤器再次过滤，最后经高压泵加压后进入反渗透膜组件。反渗透产出的淡水经后处理设施供用户使用，浓水经能量回收装置进行余压利用后排放。

图1 海水淡化工艺流程图Fig.1 Process flow chart of seawater desalination

2 控制要求

控制系统作为反渗透海水淡化装置的重要组成部分，其作用在于实现整个装置各个生产过程的自动控制和协调管理。根据反渗透海水淡化工艺流程，可以分为海水取水单元、连续超滤单元、反渗透脱盐单元、产品水后处理单元及清洗单元共五部分。

2.1 海水取水单元的控制

海水取水单元包括海水取水泵、絮凝沉淀系统、原水池及系统辅助装置。正常运行时，控制系统根据原水池的液位高低进行启停控制。

2.2 连续超滤单元的控制

(1)连续超滤单元包括原水泵、两组并列的超滤膜组、反冲泵、中间水池以及杀生剂加药。正常运行时，两组超滤同时投入使用，系统根据中间水池的液位高低进行启停控制。

(2)单个超滤膜组均包括正常运行、气水双洗和反冲洗等过程。其中，气水双洗、反冲洗过程在两组间交替进行。系统根据时间参数完成上述过程的自动切换，正常运行时间约20 min～30 min，气水双洗时间约30 s，反冲洗时间约30 s。

(3)原水泵采用变频器驱动，并根据产水流量实现恒流量闭环控制。

2.3 反渗透脱盐单元的控制

(1)反渗透脱盐单元包括中间水泵、高压泵、反渗透膜组件、能量回收装置及相应加药装置。其中，高压泵、反渗透膜组件和能量回收装置构成反渗透系统三大关键部件。

(2)高压泵的运行和控制。高压泵采用变频器驱动，高压泵进口设有低压保护开关，当供水量不足引起压力低于设定值时，PLC发出信号停运高压泵，确保高压泵不空转。反渗透进口设有高压保护开关，当因误操作或其他原因造成入口压力超过设定值时，PLC会自动切断高压泵供电，确保反渗透膜元件不受损坏。

3 系统方案

3.1 方案设计

为保障反渗透海水淡化系统供水的可靠性，该控制系统采用高可靠性、低维护性以及具有高度的开放性和可扩展性的成熟控制技术。每套海水淡化装置均配置一套西门子S7-300PLC，海水淡化装置的加药清洗等公共系统的数字量信号及模拟量信号同时采集到两套PLC系统内，保证每套系统可以独立运行。自动化控制系统中的可编程控制器PLC配置以太网通讯接口，与上位机系统通过以太网交换机共同组成工业光纤以太网，对整套海水淡化装置进行自动化控制。

3.2 编程与组态

(1)硬件组态

控制系统的硬件组态采用西门子公司STEP7编程软件，来完成Profibus-DP和Profinet的网络组态和通信设置。网络系统的配置相当灵活，既允许单主从系统运作，也允许多主站系统构成的多主从系统运作。硬件组态的步骤分为两步：第一步是将选定的电源单元、CPU单元和I/O单元，分别添加到组态系统对应槽位中，确定各数据点的物理地址位；第二步是将扩展IO模块的IM153添加到PROFIBUS-DP主站系统中，系统自动配置通讯端口。

(2)监控界面开发

上位监控界面采用西门子WinCC 组态软件进行开发，WinCC与控制主站的通信采用S7协议中的SIMATIC S7 Protocol Suite协议通道实现。上位机监控系统包括总体工艺框图、海水取水单元、连续超滤单元、反渗透脱盐单元、产品水后处理单元及清洗单元、趋势图及表格等几部分组成。当参数故障报警、阀门/水泵的状态发生变化时，监控界面相应的设备会以不同颜色显示。