陳 芃,王金燕,劉筱昱

（國家海洋局天津海水淡化與綜合利用研究所，天津,300192）

自增壓高壓泵小型淡化機(jī)工藝與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳 芃,王金燕,劉筱昱

（國家海洋局天津海水淡化與綜合利用研究所，天津,300192）

自增壓高壓泵小型淡化機(jī)具有能量回收效率高、全自動操作、便于安裝、集成化程度高等優(yōu)點(diǎn)。本文詳細(xì)介紹了裝置的工藝流程和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，其中控制系統(tǒng)硬件部分由集成觸摸屏與PLC電控箱組成，軟件部分包括人機(jī)界面組態(tài)軟件和PLC編程軟件?？刂葡到y(tǒng)可調(diào)節(jié)關(guān)鍵點(diǎn)位的壓力、流量等參數(shù)，使整個(gè)工藝過程按邏輯順序進(jìn)行，并實(shí)現(xiàn)裝置的自動啟停、連鎖保護(hù)、故障報(bào)警及數(shù)據(jù)記錄管理等功能。

控制系統(tǒng)；小型淡化機(jī)；自增壓高壓泵

0 引言

近年來，海水淡化作為解決水資源短缺的一個(gè)重要途徑越來越受到關(guān)注。小型海水淡化裝置體積小、重量輕、總體投資少、可移動性強(qiáng)、即買即用，出水水質(zhì)可達(dá)到《國家生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)（GB5749-2006）》，非常適合作為淡水供給的補(bǔ)充來源。對地下水為苦咸水的廣大農(nóng)村、海島及海防哨所等存在分散式缺水問題的地區(qū)而言，小型淡化裝置可充分滿足間歇式用水且用水量較小的要求，市場前景廣闊。

目前限制小型海水淡化裝置發(fā)展的主要問題是能耗較高。一般來說，中大型的反滲透海水淡化裝置噸水能耗可降到3.8～4.5kWh，而小型裝置的噸水能耗卻高達(dá)9～12kWh，主要原因是沒有合適的能量回收設(shè)備與之相匹配。因此，研制具有能量回收功能的小型淡化機(jī)顯得尤為重要。在前期工作中，本課題組已經(jīng)研發(fā)了一種集高壓泵、增壓泵、能量回收功能于一身的自增壓高壓泵，并以其為核心開發(fā)了一臺自增壓高壓泵小型淡化機(jī)。本文詳細(xì)介紹了自增壓高壓泵小型淡化機(jī)的工作原理，并對裝置集成控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)整體工藝監(jiān)控和整機(jī)協(xié)調(diào)控制。

1 自增壓高壓泵小型淡化機(jī)工作原理

自增壓高壓泵小型淡化機(jī)采用模塊化設(shè)計(jì)，具有能量回收效率高、連續(xù)運(yùn)行安靜、便于安裝、不需要油潤滑等優(yōu)點(diǎn)。裝置的關(guān)鍵部件為自增壓高壓泵，它本身無需電源，僅依靠活塞的往復(fù)運(yùn)動，就可以循環(huán)增壓至設(shè)計(jì)壓力。

裝置的具體工藝流程為：原水由原水泵取出，經(jīng)過5μm濾芯，去除原海水中的懸浮物和細(xì)小顆粒等雜質(zhì)。經(jīng)過濾芯后的海水通過提升泵加壓后進(jìn)入自增壓高壓泵的一個(gè)液缸，這部分海水與反滲透膜組產(chǎn)生的帶壓濃鹽水共同推動活塞給另一個(gè)液缸的海水加壓，使海水達(dá)到透過反滲透膜的壓力并產(chǎn)生淡水，當(dāng)活塞到達(dá)缸體一端時(shí)，這個(gè)過程由換向觸發(fā)裝置切換，活塞向反方向移動，實(shí)現(xiàn)循環(huán)增壓，當(dāng)循環(huán)增壓至設(shè)定壓力時(shí)，達(dá)到壓力平衡，不再增壓。自增壓高壓泵出水經(jīng)過反滲透膜處理后即可得到產(chǎn)品淡水。

2 裝置集成控制方案設(shè)計(jì)

裝置控制系統(tǒng)的作用在于對整個(gè)裝置自動工作過程進(jìn)行控制和協(xié)調(diào)，使復(fù)雜工藝過程按邏輯順序進(jìn)行。集成控制方案的功能主要體現(xiàn)在對必要的壓力、液位、流量、時(shí)間和速度的調(diào)節(jié)及控制，對各種連鎖保護(hù)，自動計(jì)量、工作周期的實(shí)現(xiàn)，以及裝置的自動啟停、故障報(bào)警及數(shù)據(jù)記錄管理等方面。

2.1 硬件設(shè)計(jì)

自增壓高壓泵小型淡化機(jī)電氣控制系統(tǒng)的硬件部分由1塊集成觸摸屏+PLC電控箱組成。其中PLC控制柜選用西門子公司S7-200系列，PLC為CPU222，變頻器選用丹佛斯FC360系列，人機(jī)界面選用威綸通MT6107iE系列。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

自增壓高壓泵小型淡化機(jī)電氣控制系統(tǒng)的軟件部分包括人機(jī)界面組態(tài)軟件和PLC編程軟件，其中人機(jī)界面組態(tài)軟件采用Easybuild Pro、PLC編程軟件采用Step7-microWIN4.0，可為操作人員提供良好的人機(jī)交互界面，方便實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)存儲和處理

2.3 功能設(shè)計(jì)

（1）控制模式

裝置的控制系統(tǒng)設(shè)置手動和自動兩種操作模式。其中，手動模式是指操作員在人機(jī)界面人為確定各個(gè)設(shè)備的啟停；自動模式是指系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際情況自動控制生產(chǎn)過程的各個(gè)環(huán)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)無人值守的運(yùn)行方式。一般情況下，手動模式僅用于裝置調(diào)試，正常運(yùn)行的時(shí)候則推薦采用自動操作模式。

（2）取水控制

取水系統(tǒng)的自動啟停主要由原水箱液位高低決定。當(dāng)原水箱液位低于中液位時(shí)，取水系統(tǒng)運(yùn)行，當(dāng)原水箱液位低于低液位時(shí)，小型淡化機(jī)進(jìn)入急停狀態(tài)。操作人員也可在任意時(shí)間內(nèi)根據(jù)系統(tǒng)需要進(jìn)行手動開機(jī)。

（3）反滲透控制

反滲透系統(tǒng)的提升泵進(jìn)水口設(shè)置低壓（0.1MPa）開關(guān)保護(hù)，反滲透膜元件進(jìn)水口設(shè)置高壓（5.5MPa）開關(guān)保護(hù)。當(dāng)提升泵給水不足以致所給壓力小于預(yù)設(shè)值時(shí)，低壓開關(guān)將關(guān)閉提升以防止空轉(zhuǎn)。當(dāng)反滲透膜前進(jìn)水壓力高于預(yù)設(shè)值時(shí)，高壓開關(guān)發(fā)出報(bào)警信號，并自動停止小型淡化機(jī)以防止超高壓運(yùn)轉(zhuǎn)。

（4）反滲透啟動和停止保護(hù)

啟動提升泵時(shí)壓力會突然增加，為防止由此產(chǎn)生的高壓沖擊對自增壓高壓泵造成的損害，選用變頻器作為提升泵的啟動裝置以逐漸增加其壓力和流量。

3 裝置集成控制系統(tǒng)編程與組態(tài)

3.1 編程

自增壓高壓泵小型淡化機(jī)的程序按照模塊化設(shè)計(jì)理念，即首先用主程序、子程序、子過程等框架把軟件的主要結(jié)構(gòu)和流程描述出來，并定義和調(diào)試好各個(gè)框架之間的輸入、輸出鏈接關(guān)系。

（1）標(biāo)準(zhǔn)化程序模塊開發(fā)

程序模塊主要包括主程序、初始化程序塊、模擬量程序塊各程序塊之間相互獨(dú)立。模塊化分層調(diào)用結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

（2）智能化功能模塊設(shè)計(jì)

根據(jù)自增壓高壓泵小型淡化機(jī)的工藝計(jì)算和過程調(diào)節(jié)要求，通過比較系統(tǒng)行為（輸出）與期望行為之間的偏差，并消除偏差以獲得預(yù)期系統(tǒng)性能的評價(jià)方法，建立典型智能調(diào)節(jié)回路恒壓負(fù)反饋PID控制器。包括提升泵恒壓閉環(huán)控制回路，主要用于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動運(yùn)行過程中的順序邏輯控制、回路調(diào)節(jié)控制等功能。變頻器控制框圖和邏輯調(diào)節(jié)回路框圖分別如圖2、圖3所示。

圖1 模塊化分層調(diào)用結(jié)構(gòu)

圖2 變頻器控制框圖

3.2 組態(tài)

自增壓高壓泵小型淡化機(jī)的人機(jī)界面（HMI）可顯示工藝流程及測量參數(shù)，控制方式、順序運(yùn)行狀況、控制對象狀態(tài)，也能顯示成組參數(shù)。當(dāng)參數(shù)越限報(bào)警、控制對象故障或狀態(tài)變化時(shí)，以不同顏色進(jìn)行顯示。按照工藝流程圖設(shè)計(jì)人機(jī)界面畫面，至少包括：系統(tǒng)首頁、流程監(jiān)控、數(shù)據(jù)記錄等3個(gè)畫面。

為驗(yàn)證自增壓高壓泵小型淡化機(jī)的集成控制系統(tǒng)是否完整，在實(shí)驗(yàn)室中開展裝置性能測試。以人工配制的海水作為原水，通過反滲透膜產(chǎn)生的淡水與自增壓高壓泵排出的低壓濃鹽水混合后返回原水箱，保證實(shí)驗(yàn)連續(xù)進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明樣機(jī)各項(xiàng)性能滿足設(shè)計(jì)需求，在裝置運(yùn)行過程中關(guān)鍵點(diǎn)位的高、低壓原水與濃水的流量、壓力及電導(dǎo)等參數(shù)均可自動精確顯示。裝置的集成控制系統(tǒng)可按照工藝需求，完成整體工藝監(jiān)控和整機(jī)的協(xié)調(diào)控制。

4 結(jié)論

自增壓高壓泵小型淡化機(jī)采用模塊化設(shè)計(jì)，關(guān)鍵部件為自增壓高壓泵，本身無需電源，僅依靠活塞的往復(fù)運(yùn)動，就可以循環(huán)增壓至反滲透膜組所需壓力，保證裝置的連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。通過工藝與電氣控制的準(zhǔn)確設(shè)計(jì)，可對裝置的各個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)位進(jìn)行精確的監(jiān)測與控制。

自增壓高壓泵小型淡化機(jī)提升泵進(jìn)水口設(shè)置低壓開關(guān)保護(hù)，反滲透膜元件進(jìn)水口設(shè)置高壓開關(guān)保護(hù)。同時(shí)配備變頻器作為提升泵啟動裝置，以避免提升泵產(chǎn)生的壓力沖擊對自增壓高壓泵造成影響。裝置集成控制系統(tǒng)的硬件部分由集成觸摸屏和PLC電控箱組成，軟件部分則包括人機(jī)界面組態(tài)軟件和PLC編程軟件，在裝置正常工作狀態(tài)下使用自動模式操作。該系統(tǒng)充分保證了裝置自動工作過程的控制和協(xié)調(diào)，可實(shí)現(xiàn)裝置的自動啟停、連鎖保護(hù)、故障報(bào)警及數(shù)據(jù)記錄管理等功能。

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Design of technical processand control system for small seawaterdesalination device with self-boosting high pressure pump

Chen Peng,WangJinyan,Liu Xiaoyu
（The Institute of Seawater Desalination and Multipurpose Utilization,SOA(Tianjin)）

Small seawater desalination device with self-boosting high pressure pump has many advantages including high recovery efficiency,easy installationand high integrated degree.Design oftechnical process and control system are introduced in detail in this paper.Function of the control system composed of integrated touch screen,PLC and man-machine interface configuration softwareincludes automatic start and stop, chain protection,fault alarm,data record management and so on.

Control system;Small seawater desalination device;Self-boosting high pressure pump

圖3 邏輯調(diào)節(jié)回路框圖

基金支持：天津市科技支撐計(jì)劃“自增壓高壓泵小型淡化機(jī)研發(fā)”（項(xiàng)目編號12ZCZDSF02400）