島用反滲透淡化裝置控制系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化設(shè)計

引言

反滲透法和蒸餾法是當(dāng)前主流的海水淡化技術(shù)，其技術(shù)發(fā)展的一個重要目標(biāo)是降低運行成本。在運行成本的構(gòu)成中能耗所占的比重最大，因此降低能耗是降低海水淡化成本最有效的手段。反滲透海水淡化的能量消耗主要是電耗，包括高壓泵和其他水泵。特別是高壓泵的能耗，約占系統(tǒng)運行能耗的70％～90％。本文以永興島100 m³／d反滲透海水淡化裝置為例，從工藝流程、硬件配置和軟件開發(fā)等幾方面對裝置節(jié)能降耗進行了探討，重點闡述了PLC+人機界面控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計，為今后海島海水淡化裝置的研制提供技術(shù)支持。

進料海水經(jīng)預(yù)處理，去除懸浮固體及其他有害物，然后經(jīng)高壓泵增壓后，進入反滲透膜設(shè)備，產(chǎn)出的淡水經(jīng)后處理設(shè)施供用戶使用，濃鹽水自反滲透膜設(shè)備排出。反滲透工藝流程圖如圖1。反滲透海水淡化系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)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(yù)處理工藝以及膜組件，實現(xiàn)裝置的長期穩(wěn)定、經(jīng)濟運行。反滲透海水淡化工藝包括取水模塊、預(yù)處理模塊、反滲透模塊及清洗模塊等。其中，反滲透模塊是裝置的核心和關(guān)鍵，主要由高壓泵、能量回收裝置和反滲透膜三大關(guān)鍵部件組成。

工藝設(shè)計優(yōu)化

(1)取水方法。合理選擇反滲透海水淡化系統(tǒng)的取水方式，對有效降低海水濁度、減少海水中細菌、藻類、貝殼等微生物對系統(tǒng)的影響，以及降低預(yù)處理難度、提高反滲透膜組件平均產(chǎn)水通量等方面至關(guān)重要。針對永興島地理位置及施工條件，本裝置選擇沉井式取水方法。

(2)預(yù)處理工藝。針對反滲透系統(tǒng)對預(yù)處理要求較高的特點，設(shè)計采用多介質(zhì)過濾器、超濾膜單元和過濾精度為5um的保安過濾器組合構(gòu)成預(yù)處理工藝，保證后續(xù)系統(tǒng)進水水質(zhì)SDI<3，濁度<0.5NTU，滿足反滲透系統(tǒng)最佳運行條件。

(3)反滲透膜組件。新型反滲透膜組件的研發(fā)提高了單支膜組件的產(chǎn)水量和脫鹽率，從而降低淡化系統(tǒng)噸水能耗。本裝置設(shè)計選用陶氏公司SW30HRLE-400，標(biāo)稱單支膜組件產(chǎn)水量28m³／d，穩(wěn)定脫鹽率達99.75％。

(4)能量回收。反滲透海水淡化過程需消耗大量電能提升進水壓力以克服水的滲透壓，而從反滲透膜殼排出的濃水余壓高達5.5～6.5MPa。按照40％回收率計算，排放的濃鹽水中還蘊含約60％的進料水壓力能量，將這一部分能量回收變成進水能量可大幅降低反滲透海水淡化的能耗，而這一目標(biāo)的實現(xiàn)有賴于利用能量回收技術(shù)。本裝置設(shè)計選用美國ERI公司的PX-30S轉(zhuǎn)子式壓力交換能量回收裝置，它可回收濃水壓力能的96％，使反滲透主體產(chǎn)水能耗降至4KWh以下。控制節(jié)能設(shè)計

控制系統(tǒng)作為反滲透海水淡化裝置的重要組成部分，對裝置的穩(wěn)定運行和節(jié)能降耗至關(guān)重要。控制系統(tǒng)的節(jié)能主要體現(xiàn)在改善過程動態(tài)控制性能、減少過程變量的波動幅度以及提高裝置自動化水平等方面，需要合理配備滿足工藝控制要求的專業(yè)軟硬件系統(tǒng)。

硬件配置

島用反滲透海水淡化裝置采用PLC+HMI的控制結(jié)構(gòu)，控制系統(tǒng)的核心是可編程控制器，被控對象包括水泵、電動閥門、氣動閥門、變頻器和儀器儀表等。其中，PLC采用德國西門子$7-200系列可編程控制器及相應(yīng)I／O模塊，包括226系列CPU模塊、4快EM2，35和2快EM222擴展模塊。人機界面采用威綸通MT8104iH觸摸屏，PLC與HMI之間通過RS485通訊。

軟件開發(fā)

軟件開發(fā)的作用在于對整個裝置自動工作過程進行控制和協(xié)調(diào)，主要包括PLC程序完成各種復(fù)雜工藝過程邏輯的邏輯控制，必要的壓力、液位、流量、時間、速度的調(diào)節(jié)和控制以及各種連鎖保護，自動計量、沖洗周期的實現(xiàn)；上位機完成裝置的自動啟停、故障報警及數(shù)據(jù)記錄管理等方面。

PLC程序設(shè)計采用模塊化結(jié)構(gòu)，主要包括主程序、數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)、故障報警系統(tǒng)、超濾系統(tǒng)、反滲透系統(tǒng)以及部分控制子程序。程序框圖2所示。

人機界面作為操作人員和生產(chǎn)過程之間的一個交互窗口，實現(xiàn)對生產(chǎn)過程進行顯示、監(jiān)視、操作、控制和管理。HMI操作界面設(shè)計自動和手動兩種控制模式，能自動實現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)控、連鎖報警及正常開停機等功能，保證裝置的安全連續(xù)運行。

節(jié)能模塊

在反滲透控制系統(tǒng)中，恒流量調(diào)節(jié)是整個工藝控制的重要內(nèi)容。高壓泵是反滲透海水淡化的關(guān)鍵部件，同時也是最大的耗能單元。本裝置設(shè)計采用自動化技術(shù)融合智能控制算法對高壓泵進行控制。高壓泵電機的拖動系統(tǒng)的運行速度需要平穩(wěn)，而負(fù)載在運行中不可避免受到一些不可預(yù)見的干擾，系統(tǒng)的運行速度將失去平衡，造成理論值和設(shè)定值存在偏差。對于該偏差本控制系統(tǒng)采用西門子MM430變頻器的PID調(diào)節(jié)對高壓泵進行控制以調(diào)節(jié)反滲透膜堆的進料海水流量，迅速、準(zhǔn)確地消除拖動系統(tǒng)的偏差，回復(fù)到給定值。變頻器PID控制簡圖如圖4。

為了將這種干擾降低到最小，本系統(tǒng)中的PID調(diào)節(jié)采用比例積分環(huán)節(jié)，變頻器PID的調(diào)節(jié)參數(shù)設(shè)定如表1。

為更好地發(fā)揮變頻器的節(jié)能效果，本系統(tǒng)將流量PID控制和變頻器內(nèi)置節(jié)能模塊協(xié)調(diào)使用。當(dāng)變頻器輸出低于一定頻率并保持一定的時間后，將變頻器切入節(jié)能運行狀態(tài)，節(jié)能控制用于加強PID控制器的功能。在PID控制過程中，當(dāng)反饋信號大于主設(shè)定頻率時，系統(tǒng)偏差為負(fù)，此時電動機的頻率逐漸降低，但仍在不停運轉(zhuǎn)，在系統(tǒng)偏差不斷調(diào)節(jié)的同時，系統(tǒng)不斷消耗電能。為了實現(xiàn)節(jié)能，本系統(tǒng)采用變頻器內(nèi)置的節(jié)能模塊，當(dāng)點擊的頻率低于P2390的設(shè)定值時，激活節(jié)能定時器P2391，當(dāng)定時時間到時，按斜坡下降時間停車，即輸出功率為零，在無輸出的情況下，系統(tǒng)偏差會迅速從負(fù)到正變化，當(dāng)偏差超過P2392設(shè)定值時，再啟動電機，當(dāng)電機頻率按斜坡上升時間升到大于P2390的設(shè)定頻率值時，自動投入PID，使系統(tǒng)恢復(fù)正常控制。

P2390要低于PID主設(shè)定值所對應(yīng)頻率一定幅度，以保證系統(tǒng)實現(xiàn)正常的PID控制，如果P2390太小，節(jié)能又不易投入，在本系統(tǒng)中設(shè)定P2390=10Hz，P2391=60s，P2292=0.5，P2391定時器時間的設(shè)定要依據(jù)系統(tǒng)的響應(yīng)速度，如果系統(tǒng)響應(yīng)時間快，則P239l應(yīng)設(shè)定較小的值。

通過PID結(jié)合節(jié)能控制模塊進行高壓泵的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，不但使高壓泵運行在出力最大高效區(qū)時，而且提高了高壓泵的運行效率最高，節(jié)約用電量，進料水量的準(zhǔn)確調(diào)節(jié)不但可以提高生產(chǎn)的效益而且保障了設(shè)備的安全性。

結(jié)語

本控制系統(tǒng)已在永興島100m³／d的反滲透海水淡化裝置中進行了運用，運行結(jié)果表明：降低了高壓泵電機的啟動轉(zhuǎn)矩，避免了對管路的機械沖擊；變頻器自身設(shè)置電流、電壓保護功能，消除了高壓泵電機因過載或單相運行而造成的安全隱患：通過PID和節(jié)能模塊的配合調(diào)節(jié)，不但保障了產(chǎn)水量而且通過調(diào)整頻率來改變高壓泵的轉(zhuǎn)速，使高壓泵處于最佳運行狀態(tài)，達到了節(jié)能的目的。