海水淡化仪表选型一般原则

李建同，李亚楠

（青岛双瑞海洋环境工程股份有限公司，山东 青岛 266101）

随着中国经济的高速发展，工业用水和生活用水的需求日益增加，国内淡水资源短缺的问题日益严重，刺激了海水淡化行业的快速发展，近几年国内沿海及海岛地区陆续建设了大量的海水淡化工程[1]。本文以江苏某地1.5×104t/d 海水淡化工程为例，针对各个工艺系统不同水质要求，主要从防腐材质等方面分析仪表配置，进而选取能够保障海水淡化工程稳定运行且充分反映系统状态的仪表，以减少工程的维护和检修工作，提高系统运行效率。

1 工艺流程介绍

上述工程主要分为3 大部分：预处理系统、海淡系统和除盐水系统。其主要工艺流程如图1 所示。预处理系统是将海水经过管道混合器加药混合后，送至混凝沉淀池，再经混凝和沉淀工序去除水中大部分杂质，沉淀池上层清水溢流至V 型滤池（均质石英砂滤料）过滤后进入清水池，用超滤给水泵送至海水淡化系统。

图1 海水淡化系统主要工艺流程Fig.1 Main process flow of seawater desalination system

据各用户用水水质要求及进水水质情况，海水淡化系统中的海淡部分主要通过膜法来处理，主要设备包括自清洗过滤器、超滤装置、一级反渗透装置、二级反渗透装置和相关水箱等，其中一级反渗透装置配套能量回收装置，可以增加能源利用率，大大降低系统能耗。

海水淡化系统产水仍然含有少量的离子，为了将其含量降低至用户要求的标准，设置除盐水系统。除盐水系统包括阳离子交换器、阴离子交换器、混合离子交换器等主要设备及其再生等辅助系统，离子交换器填充离子交换树脂对流体中的离子进行交换、脱除。

2 水质及材质选择

本项目的特点是前后系统水质变化较大，前端膜法海淡各流程含盐量变化如图2 所示。可以看出，原海水TDS和氯离子含量高，腐蚀性强，经过层层处理，后端除盐水水质接近纯水[2]。因为水质变化大，在仪表选型时需要特别注意接液材质的要求。一些项目忽略了接液材质的防腐性能，选材不合格，在运行了半年或者一年之后，现场大量仪表出现腐蚀的情况，造成仪表损坏，导致项目无法正常运行。

图2 膜法海淡各流程含盐量变化Fig.2 Changes in salt content in different processes of membrane seawater dilution

为了准确选择接液材质，图3 以氯离子的含量为标准列举了部分膜法海水淡化中常见高性能钢，用于确定在不同氯离子含量下的钢材。另外，海水淡化项目还需特别注意环境腐蚀，但海边的盐雾腐蚀环境往往是容易被忽略的一点[3]。在ISO 12944 标准中，大气环境根据腐蚀程度被分为6 类，从低到高，在海淡系统中室内设备最低外表面要求达到C4 标准，一般建议是C5 标准，室外必须达到C5标准。环境腐蚀对设备的选型要求主要体现为设备或仪表的外表面漆膜厚度或盐雾腐蚀试验。具体的腐蚀类别分类如图4 所示。

图3 膜法海水淡化中常见高性能钢Fig.3 Common high-performance steel in membrane seawater desalination

图4 腐蚀类别分类Fig.4 Classification of corrosion categories

3 仪表选型

海水淡化系统常用的仪表根据其用途可以分为压力仪表、温度仪表、物位仪表、流量仪表和水质分析仪表。

3.1 压力类仪表

海水淡化系统中常用压力类仪表主要有就地压力表、压力变送器、差压变送器、压力开关和静压液位计等。海水淡化项目的介质温度多为常温，温度对该压力仪表选型影响较小，影响压力类仪表选型的主要参数有：量程、精度、防护等级、工艺接口、电气接口、电源、材质、输出信号等，其中量程需根据每个压力测点工作压力来选取。下面针对各种压力类仪表具体分析。

就地压力表是使用较多的压力类仪表，测量压力宜在压力表满量程的1/3 ～2/3 处；防护等级一般要求IP65 以上；关于接液材质，一级反渗透装置的产水前工序中的介质主要是海水，需要选择哈C 合金及以上金属材质，或者采用防腐内衬材质，内衬要求衬胶或衬四氟；一级反渗透产水至二级反渗透产水之前的水质为苦咸水，TDS 和氯离子含量已经大大降低，二级反渗透产水至混床产水的水质为除盐水，不锈钢316 均能耐以上两种水质的腐蚀，接液材质可选不锈钢316 或316L。就地压力表其他参数：精度常见要求有1 级、1.5 级、1.6 级等；工艺接口可以是各种规格的螺纹接口，也可以做法兰接口。压力表的表盘有φ60、φ100 和φ150 等常用规格，压力表内部可填充硅油或甘油以降低振动。

压力变送器、差压变送器的其他参数：精度常见要求±0.075%；一般常见工艺接口为1/2〞NPT（压力变送器）和1/4〞NPT（差压变送器），其他规格接口可通过转换接头转换，接头材质与压力表要求一致；电气接口一般为M20×1.5 螺纹和1/2〞NPT、G1/2 等比较常见；电源一般不单独供电，采用两线制接法，信号线带24VDC 电源，输出4 mADC ～20 mADC。现在为了调试方便，一般厂家会标配HART 协议。

压力开关一般设置在高压泵进出口，高压泵是保障海水淡化系统平稳运行的重要设备，所以在其进口设置低压开关，入口进水压力低于设定值后报警并联锁停高压泵，以防止高压泵空转损坏泵体，泵出口设置高压开关，压力高于设定压力后报警并联锁停高压泵，以防止压力过高损坏反渗透膜；压力开关其他参数：精度一般要求1.0%，工艺接口与压力变送器和差压变送器类似，常见为1/2〞NPT和1/4〞NPT，其他规格接口可通过转换接头转换；电气接口一般也为M20×1.5 螺纹和1/2〞NPT、G1/2 等；不需要供电，输出为干接点信号；压力开关在选型时需要注意压力可调范围和设定压力两个参数，压力可调范围要涵盖工艺系统所需设置调节的范围，但一般不需要满量程可调。如二级反渗透高压泵扬程在1.0 MPa ～1.6MPa 范围内，膜的耐受压力不得大于1.4MPa，那么压力开关的压力可调范围可设置为1.0MPa ～1.5MPa，设定压力要小于1.4MPa，且是唯一值，在仪表出厂前需设定好。

静压液位计的原理是通过测量测点的压力，根据液体的密度和测量的压力值转换成液位值，可以采用缆式液位计将探头投入到液体里，也可以采用法兰式的压力变送器测量，如采用缆式液位计需注意测量液体对探头的腐蚀性。

3.2 温度类仪表

海水淡化中常用温度类仪表主要有就地温度计和远传温度计。

就地温度计采用抽芯式万向型双金属温度计，温度测量范围与就地压力表类似，测量温度在表的满量程的1/3 ～2/3 处最佳，精度要求A 级，防护等级不低于IP 65，工艺接口可选择焊接式底座，也可选择法兰接口。一般海水淡化项目特别是海水介质的管道会选择玻璃钢材质或内衬材质，不适合焊接，尽量留取法兰接口，现场安装也方便。该处法兰需注意压力等级的要求，应按照实际工作压力进行选取。套管材质的选取与压力类仪表相似，海水介质选哈C 合金，苦咸水和除盐水介质选不锈钢316 或不锈钢316L；套管外径有φ12、φ16、φ18 等多种选择；表盘有φ60、φ100、φ150 等常用规格。另外，还需注意插入长度的要求，一般海淡系统如果安装在管道上，管道的外径不大于500 mm 时，插入深度宜为管道外径的1/2；外径大于500 mm 时，插入深度宜为300 mm。

远传温度计一般选用PT100 作为测量元件，精度、防护等级和工艺接口、套管材质及外径、插入长度均与就地温度计一致；电气接口常用M 20×1.5 螺纹和1/2〞NPT、G 1/2 等；输出信号常用三线制或四线制PT100、4mA～20mA变送器等形式。

3.3 物位类仪表

海水淡化中常用物位类仪表有超声波液位计、雷达物位计、磁翻板液位计、液位开关、污泥界面仪等。

超声波液位计和雷达物位计因其与所测液体不直接接触，且具有安装方便，测量精度高等优点，应用于各种场合。超声波液位计和雷达物位计都是通过利用测量声波或雷达波从发射至接收的时间间隔，结合补偿后的声波声速得到声波传输的距离。雷达物位计的穿透性更强，广泛应用于含有粉尘等恶劣环境的场合，超声波液位计更多地应用于相对较好的环境。连接方式可选择螺纹连接和法兰连接，在敞口的池子上也可采用关卡固定在支架上。安装时需要注意发射角的要求，避免声波打到侧壁上影响测量。一般非大量程的仪表采用两线制方式，外壳材质普遍采用各种工程塑料以满足现场各种防腐要求，常规可选用一体式，如有特殊要求，也可选用分体式。将变送器安装在方便观察的地方，有利于现场运行人员的巡检与抄表。

磁翻板液位计一般用于加药计量箱或储罐上水箱上，为了就地观看方便一般也会设置，但如果水箱高度比较高时，需适当考虑分节设置。磁翻板液位计根据浮力原理和磁性耦合作用研制而成，具有全过程测量无盲区，显示清晰，测量范围大等优点，但其精度较差，一般为10mm。常规安装方式有侧装式和顶装式两种，顶装式一般用于底下水池等处；工艺连接接口一般为法兰口，根据磁翻板液位计的尺寸不同，可预留DN25 或DN50（大量程时考虑采用较大法兰尺寸连接）等法兰，通过一次阀固定在设备上；腔体和浮子材质一般要根据测量介质的腐蚀性选择，对于具有腐蚀性的药剂，可选择PP 或UPVC 等非金属的材质，也可选择金属内衬耐腐蚀塑料的方式；磁翻板液位计既可以选择仅就地显示，也可以通过增加干簧管和变送器远传输出液位信号。

液位开关一般用于需特殊联锁的位置。液位开关市面上有多种形式，可选择简单的浮球式控制地坑泵的启停，也可选择超声波式液位开关进行报警，价格跨度较大，现场需根据不同的工况及工程成本选择合适的产品。

污泥界面仪广泛应用于污泥浓缩池等脱水系统，是脱水机运行的一个重要参考值。污泥界面仪是专门用于测量模糊界面的高频超声波液位计，可分辨出具有清晰界面泥水分界点，一般用于污泥浓缩池、斜板澄清池等场合，控制设备的排泥及脱水机的运行。但由于设备运行时不容易产生明显的泥水分界面，该仪表大部分情况仅供运行人员参考，不作为程控的联锁条件。

3.4 流量仪表

海水淡化中常用流量仪表有电磁流量计、孔板流量计、超声波流量计、涡街流量计、浮子流量计等，每种流量计都有自己的局限性，适用于不同的场合。

电磁流量计是应用电磁感应原理，根据导电流体通过外加磁场时感生的电动势来测量导电流体流量的一种仪器[4]。电磁流量计的精度一般不大于±0.5%；防护等级从IP 65 ～IP 68 不等；可220 VAC 供电，也可24VDC 供电，电气接口常用M 20×1.5 螺纹和1/2〞NPT、G1/2 等；瞬时流量可通过4 mA ～20 mA 模拟量输出，累计流量可通过通讯的方式输出。为满足各种环境要求，采用铝制或不锈钢表头；电磁流量计的内衬材质需根据介质的腐蚀强度、蕴含杂质等的情况，从防腐和耐磨的角度选取，常规有丁腈橡胶、PTFE、聚全氟乙丙烯、聚氨酯橡胶、聚氟合乙烯、陶瓷材质等。电磁流量计的另一重要参数是电极材质，常规有316L、哈C 合金、钛合金、钽、铂等。在海水淡化中，常用316L 和哈C 合金电极；电磁流量计又分为一体式和分体式两种，分体式更便于运行检修，但在电磁干扰较强的环境中容易受到干扰。电磁流量计有局限性，当液体的电导率小于20μS/cm 时，电磁流量计无法准确测量。为保险起见，一般二级反渗透产水之后的流程均不采用电磁流量计。

孔板流量计工作原理是当液体充满管道并通过节流装置的时候，会在节流件附近产生局部的收缩，增加流速，从而在上游与下游分别产生不同的压力，形成静压差。根据流动连续性原理以及伯努利方程，孔板流量计就能够计算出差压与流量的关系，从而得出流量的数值。孔板流量计是由节流装置和差压变送器共同组成的，差压变送器的量程需根据孔板计算书确定。节流装置根据每家的结构不同、取样方式不同，常分为环室取压、角接单独钻孔取压、法兰取压、径距取压和其他方式取压，需要考虑现场安装是否需要焊接、孔板尺寸长度、前后直管段安装要求等，综合考虑采取哪种孔板。孔板流量计需要取样出来，就要求测量介质不能有颗粒状杂质，一般应用于通过膜工艺处理后的工况，再加上海水腐蚀性较强，需考虑采用哈C 合金以上的材质，造价成本高，所以在海水介质中一般不采用孔板流量计。

超声波流量计可采用外夹式，不接触介质，可用于腐蚀性较强的介质，但其测量原理是通过声波在不同介质中传输速度不同进行测量的，要求管道材质必须是单一材质，对于有内衬的管道，不适合用超声波液位计进行测量。

涡街流量计一般用于气体或除盐水的测量；浮子流量计一般用于就地显示流量，由于精度较差，通常情况下不参与控制联锁。

3.5 水质分析仪表

海水淡化系统常用水质分析仪表有pH、电导率、浊度、ORP、余氯、硅表、钠表、酸碱浓度计和SDI 仪等。该类仪表准确反映了海水淡化设备的处理效果，对海水淡化系统的运行起到了至关重要的作用。大部分工况下，该类仪表选用流通式方式进行测量，个别情况如溢流出水的敞口池子、氨溶液箱等需考虑沉入式安装[5]。

对于水质分析仪表，每个厂家的产品均分为几个系列，如纯水系列、污水系列等，工况确定后，产品系列就确定了，基本不存在定制的情况，所以需要在选型的时候提供测点的介质、工艺段等信息。分析仪表的量程是选型的另一关键参数，比如电导率不同的量程对应不同常数的电极，需要准确提供需要测量的量程点。

4 结语

随着海水淡化技术的应用与发展，越来越多的仪表被应用于海水淡化项目，各种复杂的工况也随之出现。这就要求设计人员需要更深入地去了解仪表参数与选型[6]，当然仅了解仪表本身的参数是不能完全满足测量需求的，还需要根据实际情况考虑仪表的安装要求，通过更合理测量位置的设置，保证仪表测量的准确性和稳定性。