鄒德安，晏 鵬

(1.天津市合遠電氣有限公司，天津 300000；2.自然資源部天津海水淡化與綜合利用研究所，天津 300192)

隨著《中華人民共和國海島保護法》的頒布實施，海島及可再生能源的開發(fā)、利用日益成為熱點，淡水資源緊缺問題逐漸突顯。海島淡水資源獲取途徑主要有攔蓄地表水、開采地下水、船舶運送、引水濟島和海水淡化等，但前四種措施難以解決根本問題且代價高。反滲透海水淡化技術具有工藝成熟、運行能耗低、建設周期短、動力匹配靈活等優(yōu)點，已逐步成為解決海島淡水資源短缺的重要途徑。

反滲透海水淡化系統(tǒng)具有單位能耗低、單元化程度高、建設周期短、適于各種規(guī)模應用等特點，在世界范圍內(nèi)得到了廣泛應用[5]。隨著反滲透膜技術和能量回收技術的快速發(fā)展，其制水能耗和制水成本也不斷降低[6]。在反滲透海水淡化工藝設計時，應綜合考慮海水水質(zhì)、水溫、運行壓力、產(chǎn)水水質(zhì)、產(chǎn)水量以及回收率等因素，要求選擇合適的預處理工藝以及反滲透膜組件，實現(xiàn)裝置的長期穩(wěn)定、安全、經(jīng)濟運行。

1 工藝流程

三沙市某島2×500 m3/d反滲透海水淡化裝置采用“雙膜法”海水淡化工藝，如圖1所示。原海水由海水提取泵經(jīng)絮凝沉淀系統(tǒng)，去除較大的膠體物質(zhì)和懸浮性物質(zhì)，進入原水池，再經(jīng)過連續(xù)超濾膜組去除海水中微生物和膠體物質(zhì)后進入中間水池。中間水池的海水一部分作為超濾裝置的反洗用水，另一部分經(jīng)中間水泵送入保安過濾器再次過濾，最后經(jīng)高壓泵加壓后進入反滲透膜組件。反滲透產(chǎn)出的淡水經(jīng)后處理設施供用戶使用，濃水經(jīng)能量回收裝置進行余壓利用后排放。

圖1 海水淡化工藝流程圖Fig.1 Process flow chart of seawater desalination

2 控制要求

控制系統(tǒng)作為反滲透海水淡化裝置的重要組成部分，其作用在于實現(xiàn)整個裝置各個生產(chǎn)過程的自動控制和協(xié)調(diào)管理。根據(jù)反滲透海水淡化工藝流程，可以分為海水取水單元、連續(xù)超濾單元、反滲透脫鹽單元、產(chǎn)品水后處理單元及清洗單元共五部分。

2.1 海水取水單元的控制

海水取水單元包括海水取水泵、絮凝沉淀系統(tǒng)、原水池及系統(tǒng)輔助裝置。正常運行時，控制系統(tǒng)根據(jù)原水池的液位高低進行啟?？刂?。

2.2 連續(xù)超濾單元的控制

(1)連續(xù)超濾單元包括原水泵、兩組并列的超濾膜組、反沖泵、中間水池以及殺生劑加藥。正常運行時，兩組超濾同時投入使用，系統(tǒng)根據(jù)中間水池的液位高低進行啟?？刂?。

(2)單個超濾膜組均包括正常運行、氣水雙洗和反沖洗等過程。其中，氣水雙洗、反沖洗過程在兩組間交替進行。系統(tǒng)根據(jù)時間參數(shù)完成上述過程的自動切換，正常運行時間約20 min～30 min，氣水雙洗時間約30 s，反沖洗時間約30 s。

(3)原水泵采用變頻器驅(qū)動，并根據(jù)產(chǎn)水流量實現(xiàn)恒流量閉環(huán)控制。

2.3 反滲透脫鹽單元的控制

(1)反滲透脫鹽單元包括中間水泵、高壓泵、反滲透膜組件、能量回收裝置及相應加藥裝置。其中，高壓泵、反滲透膜組件和能量回收裝置構(gòu)成反滲透系統(tǒng)三大關鍵部件。

(2)高壓泵的運行和控制。高壓泵采用變頻器驅(qū)動，高壓泵進口設有低壓保護開關，當供水量不足引起壓力低于設定值時，PLC發(fā)出信號停運高壓泵，確保高壓泵不空轉(zhuǎn)。反滲透進口設有高壓保護開關，當因誤操作或其他原因造成入口壓力超過設定值時，PLC會自動切斷高壓泵供電，確保反滲透膜元件不受損壞。

3 系統(tǒng)方案

3.1 方案設計

為保障反滲透海水淡化系統(tǒng)供水的可靠性，該控制系統(tǒng)采用高可靠性、低維護性以及具有高度的開放性和可擴展性的成熟控制技術。每套海水淡化裝置均配置一套西門子S7-300PLC，海水淡化裝置的加藥清洗等公共系統(tǒng)的數(shù)字量信號及模擬量信號同時采集到兩套PLC系統(tǒng)內(nèi)，保證每套系統(tǒng)可以獨立運行。自動化控制系統(tǒng)中的可編程控制器PLC配置以太網(wǎng)通訊接口，與上位機系統(tǒng)通過以太網(wǎng)交換機共同組成工業(yè)光纖以太網(wǎng)，對整套海水淡化裝置進行自動化控制。

3.2 編程與組態(tài)

(1)硬件組態(tài)

控制系統(tǒng)的硬件組態(tài)采用西門子公司STEP7編程軟件，來完成Profibus-DP和Profinet的網(wǎng)絡組態(tài)和通信設置。網(wǎng)絡系統(tǒng)的配置相當靈活，既允許單主從系統(tǒng)運作，也允許多主站系統(tǒng)構(gòu)成的多主從系統(tǒng)運作。硬件組態(tài)的步驟分為兩步：第一步是將選定的電源單元、CPU單元和I/O單元，分別添加到組態(tài)系統(tǒng)對應槽位中，確定各數(shù)據(jù)點的物理地址位；第二步是將擴展IO模塊的IM153添加到PROFIBUS-DP主站系統(tǒng)中，系統(tǒng)自動配置通訊端口。

(2)監(jiān)控界面開發(fā)

上位監(jiān)控界面采用西門子WinCC 組態(tài)軟件進行開發(fā)，WinCC與控制主站的通信采用S7協(xié)議中的SIMATIC S7 Protocol Suite協(xié)議通道實現(xiàn)。上位機監(jiān)控系統(tǒng)包括總體工藝框圖、海水取水單元、連續(xù)超濾單元、反滲透脫鹽單元、產(chǎn)品水后處理單元及清洗單元、趨勢圖及表格等幾部分組成。當參數(shù)故障報警、閥門/水泵的狀態(tài)發(fā)生變化時，監(jiān)控界面相應的設備會以不同顏色顯示。

4 結(jié)論

控制系統(tǒng)選用自控系統(tǒng)設備性能可靠、軟件設計合理，配置的監(jiān)測儀表具有精度高、性能穩(wěn)定的特點；完成了生產(chǎn)參數(shù)的在線檢測、數(shù)據(jù)處理運算、顯示、存儲、管理、控制輸出、報表打印等功能；實現(xiàn)了操作人員可通過人機對話修改、設定過程參量并控制設備運行狀態(tài)，提高了反滲透海水淡化工程運行的穩(wěn)定性和可靠性。