反滲透海水淡化系統(tǒng)故障分析

姜周曙， 翁翔彬， 王 劍， 雷淳正

(杭州電子科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，浙江杭州310018)

淡水短缺已成為阻礙社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要瓶頸，海水淡化技術(shù)是解決淡水資源短缺的主要途徑之一。經(jīng)過(guò)50多年的發(fā)展，從20世紀(jì)90年代開(kāi)始，以能耗低、建造周期短、設(shè)備安裝簡(jiǎn)便等諸多優(yōu)點(diǎn)集一身的反滲透海水淡化技術(shù)被公認(rèn)為是21世紀(jì)海水淡化的主導(dǎo)技術(shù)［1］，目前在國(guó)內(nèi)外已得到廣泛應(yīng)用。

隨著反滲透技術(shù)的大力發(fā)展，全球各地的反滲透海水淡化工程的規(guī)模也越來(lái)越大，日產(chǎn)幾十萬(wàn)噸級(jí)的海水淡化工廠不斷出現(xiàn)。以色列阿什凱隆的哈代拉海水淡化廠日產(chǎn)淡水33萬(wàn)t，為現(xiàn)在世界上運(yùn)營(yíng)中最大反滲透海水淡化廠。在我國(guó)，浙江舟山六橫島日產(chǎn)10萬(wàn)t的海水淡化工程即將竣工;河北曹妃甸阿科凌海水淡化項(xiàng)目完成一期日產(chǎn)5萬(wàn)t的工程，全部工程預(yù)期日產(chǎn)淡水100萬(wàn)t，如若建成將成為世界上最大的反滲透工程。針對(duì)如此大規(guī)模復(fù)雜的海水淡化工程，對(duì)其進(jìn)行故障分析是保證系統(tǒng)正常運(yùn)行的一個(gè)重要前提。文中將從反滲透海水淡化工程的工藝流程入手，以“脫鹽率與產(chǎn)水量上升”故障為例，建立故障樹(shù)并進(jìn)行定性定量分析，找出該故障的成因和防止其發(fā)生的方法。

1 大型反滲透海水淡化工程工藝流程分析

根據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，海水淡化工程出現(xiàn)80%的故障都源于對(duì)海水原水的預(yù)處理不當(dāng)，因此研究海水淡化工藝流程尤其是預(yù)處理階段的步驟極其重要。給水預(yù)處理對(duì)反滲透安全運(yùn)行至關(guān)重要。膜材料具有一定的化學(xué)穩(wěn)定性，余氯、pH值、細(xì)菌、溫度、某些化學(xué)物質(zhì)等對(duì)穩(wěn)定性有很大影響，反滲透系統(tǒng)對(duì)給水水質(zhì)要求較高，通常要求SDI＜3.0(5.0)。因此反滲透系統(tǒng)之前通常配有較為完善的預(yù)處理系統(tǒng)，預(yù)處理的作用是為了降低污染指數(shù)，使系統(tǒng)經(jīng)過(guò)更長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后再進(jìn)行清洗;減少硬度和有機(jī)物的沉淀，確保膜免受機(jī)械和化學(xué)損傷，以使膜有良好的性能和足夠長(zhǎng)的使用壽命。下面以浙江舟山六橫島日產(chǎn)10萬(wàn)t反滲透海水淡化工程為例，介紹流程工藝以及預(yù)處理環(huán)節(jié)。

典型的大規(guī)模反滲透海水淡化工程包括取水、預(yù)處理、反滲透、后處理和供水等處理單元。設(shè)在海邊的深水泵將海水原水送入預(yù)處理單元。海水的一級(jí)預(yù)處理單元通過(guò)加入FeCl3、骨膠并使用隔板絮凝等處理環(huán)節(jié)，有效去除海水中的懸浮物、有機(jī)物、無(wú)機(jī)膠體等雜質(zhì)，在二級(jí)預(yù)處理單元中海水依次通過(guò)多介質(zhì)機(jī)械過(guò)濾器和保安過(guò)濾器以保證出水水質(zhì)達(dá)到反滲透水質(zhì)要求，兩級(jí)預(yù)處理后的海水經(jīng)高壓泵和能量回收裝置提升到反滲透所需壓力后，送入反滲透單元進(jìn)行淡化，淡化后的產(chǎn)品水經(jīng)過(guò)后處理調(diào)質(zhì)后，供水廠調(diào)度。反滲透后的高壓濃海水經(jīng)能量回收后，變?yōu)榈蛪簼夂Ｋ?jīng)合理處置后排放。整個(gè)工程工藝流程如圖1所示。

圖1 反滲透海水淡化系統(tǒng)工藝流程Fig.1 Reverse osmosis desalination process

2 反滲透海水淡化故障樹(shù)

故障樹(shù)分析(Fault Tree Analysis，F(xiàn)TA)是一種將系統(tǒng)故障形成的原因由總體至部分按樹(shù)枝狀逐級(jí)細(xì)化的分析方法，因而是對(duì)復(fù)雜動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、工廠試驗(yàn)或現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)失效形式進(jìn)行可靠性分析的工具，其目的是判明故障，確定故障的原因、影響和發(fā)生概率［2］。

FTA最早由美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的沃森和莫恩斯提出，其后波音公司哈斯?fàn)柕热藢⑵溥\(yùn)用到了宇航領(lǐng)域，使飛機(jī)的設(shè)計(jì)有了重要的改進(jìn)。而后美國(guó)原子能委員會(huì)利用FTA分析了核電站可能發(fā)生的各種事故的概率，并由此得出核能是非常安全的能源結(jié)論。隨著FTA方法的逐漸完整和日益廣泛的應(yīng)用，已被公認(rèn)為是可靠性、安全性分析的一種快速高效的方法［3］。

2.1 建立故障樹(shù)

故障樹(shù)模型是描述診斷對(duì)象結(jié)構(gòu)、功能和關(guān)系的一種定性因果模型［4］。以出現(xiàn)的故障為出發(fā)點(diǎn)，逐級(jí)找出導(dǎo)致發(fā)生故障的原因，并用相應(yīng)的符號(hào)將故障現(xiàn)象和各級(jí)故障原因連接起來(lái)，形成一個(gè)因果關(guān)系圖。故障樹(shù)建造的完善程度將直接影響專家系統(tǒng)的診斷推理效率及正確性［5］。建樹(shù)過(guò)程是一種反復(fù)的過(guò)程，要在廣泛吸取系統(tǒng)設(shè)計(jì)、使用過(guò)程的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)并深入分析系統(tǒng)的實(shí)際情況的基礎(chǔ)上不斷修改完善。故障樹(shù)建造過(guò)程的實(shí)質(zhì)就是尋找出所研究的系統(tǒng)故障和導(dǎo)致系統(tǒng)故障的諸多因素之間的邏輯關(guān)系，并把這種關(guān)系用故障樹(shù)的圖形符號(hào)表示出來(lái)［6］，故障樹(shù)中常用事件與邏輯門(mén)如表1所示。

脫鹽率和產(chǎn)水量是反滲透海水淡化工程中兩個(gè)重要的指標(biāo)，淡化水合格與否完全取決于這兩個(gè)指標(biāo)是否達(dá)標(biāo)。因此，一旦脫鹽率和產(chǎn)水量有異常變化，就要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行排查，確定故障位置，采取相應(yīng)的糾正措施［7-8］。文中選取“脫鹽率下降且產(chǎn)水量上升”為頂事件的例子，自上而下繪制導(dǎo)致該故障發(fā)生的故障樹(shù)并對(duì)其進(jìn)行分析(見(jiàn)圖2)。

表1 故障樹(shù)事件符號(hào)與邏輯門(mén)符號(hào)釋義Tab.1 Explanation of logic and event signs

圖2 “脫鹽率下降且產(chǎn)水量上升”故障樹(shù)Fig.2 Fault tree of desalting rate reduce and water production rise

2.2 故障樹(shù)定性分析

為了找出導(dǎo)致頂事件發(fā)生的所有可能的故障模式，對(duì)故障樹(shù)進(jìn)行定性分析［9］。一般的定性分析方法有求解故障樹(shù)的最小割集、最小徑集以及結(jié)構(gòu)重要度。

2.2.1 最小割集 在故障樹(shù)中，幾個(gè)底事件的集合同時(shí)發(fā)生時(shí)引起頂事件的發(fā)生，這個(gè)集合便稱為割集。而在這個(gè)割集中若任意去掉其中任意一個(gè)底事件，就不再是割集，即不能再引起頂事件的發(fā)生，則這個(gè)割集被稱之為最小割集(Minimal Cut Sets，MCS)。對(duì)于故障樹(shù)來(lái)說(shuō)，它的全部最小割集的完整集合代表了頂事件發(fā)生的所有可能性。

2.2.2 最小徑集 在故障樹(shù)中，幾個(gè)事件的集合同時(shí)不發(fā)生時(shí)不會(huì)引起頂事件的發(fā)生，這個(gè)集合便稱為徑集。而在這個(gè)徑集中若任意去掉其中任意一個(gè)底事件，就不再是徑集，即要引起頂事件的發(fā)生，則這個(gè)徑集被稱之為最小徑集(Minimal Path Sets，MPS)。對(duì)于故障樹(shù)來(lái)說(shuō)，它的全部最小徑集的完整集合代表了避免頂事件發(fā)生的各種安全模式。

2.2.3 結(jié)構(gòu)重要度 在故障樹(shù)中，每個(gè)底事件對(duì)故障頂事件有不同的影響，各底事件相對(duì)應(yīng)的重要程度也有大小之分。因此，重要度分析就是一種研究底事件對(duì)故障頂事件的影響程度，并確定其重要性的分析方法［9］，有助于有效地改進(jìn)系統(tǒng)的可靠度。結(jié)構(gòu)重要度是在不考慮各底事件的發(fā)生概率，或者說(shuō)假設(shè)在各底事件的發(fā)生概率都是一樣的情

2.3 故障樹(shù)定量分析

故障樹(shù)定量分析方法［10］前提要求出各底事件發(fā)生的概率，從而利用最小割集與最小徑集來(lái)計(jì)算頂事件發(fā)生的概率。

1)利用最小割集計(jì)算頂事件發(fā)生概率:況下，從故障樹(shù)的邏輯關(guān)系對(duì)各底事件對(duì)故障頂事件的影響程度進(jìn)行分析。這是一種定性的重要度分析［7］。

求解底事件的結(jié)構(gòu)重要系數(shù)是求解結(jié)構(gòu)重要度的一種重要的方法。當(dāng)某個(gè)底事件的狀態(tài)從正常狀態(tài)0變?yōu)楣收蠣顟B(tài)1，而其他底事件的狀態(tài)保持不變時(shí)，則頂事件也從正常狀態(tài)0變?yōu)楣收蠣顟B(tài)1時(shí)如公式1，2所示:

其中，φ(0i，x)和φ(1i，x)分別代表底事件Xi的0狀態(tài)與1狀態(tài)下頂事件的狀態(tài)。2個(gè)公式表示這個(gè)底事件的狀態(tài)變化對(duì)頂事件的發(fā)生發(fā)揮了作用。在有m個(gè)底事件的故障樹(shù)中，兩種狀態(tài)的互不相容的組合數(shù)共有2m個(gè)。當(dāng)把第Xi個(gè)底事件作為變化對(duì)象時(shí)，其余(m－1)個(gè)底事件狀態(tài)所對(duì)應(yīng)保持不變的對(duì)照組共有2m－1個(gè)組合。在這2m－1個(gè)對(duì)照組中有多少對(duì)照組使頂事件的狀態(tài)發(fā)生變化的比值就是該事件Xi的結(jié)構(gòu)重要系數(shù)，用公式3表示:

2)利用最小徑集計(jì)算頂事件發(fā)生概率:

式(5)中，r，s分別表示最小徑集的序數(shù);Xi∈kr∪ks表示第i個(gè)底事件Xi或?qū)儆诘趓個(gè)最小徑集，或?qū)儆诘趕個(gè)最小徑集。1≤r＜s≤k表示r，s的取值范圍。

在實(shí)際情況中，要合理運(yùn)用以上兩個(gè)計(jì)算頂事件發(fā)生概率的公式，若故障樹(shù)最小割集較少，則用公式(4)來(lái)計(jì)算，若最小徑集較少，則用公式(5)來(lái)計(jì)算。以上公式均是考慮底事件相互獨(dú)立。若底事件相關(guān)聯(lián)，則必須考慮相容事件和相斥事件的概率計(jì)算問(wèn)題。另在故障樹(shù)分析中，有些很復(fù)雜很龐大的故障樹(shù)要精確求出頂事件的發(fā)生概率非常困難，這需要采用簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確、快速的近似算法來(lái)替代最小割集最小徑集法，一般有求近似區(qū)間法，首項(xiàng)近似法以及獨(dú)立近似法等，在這里不做展開(kāi)。

2.4 “脫鹽率下降且產(chǎn)水量上升”故障分析與維護(hù)

通過(guò)上述故障樹(shù)分析方法，對(duì)圖2故障樹(shù)的邏輯關(guān)系進(jìn)行分析計(jì)算，“脫鹽率下降且產(chǎn)水量上升”故障T存在19個(gè)最小割集:K1={X2}，K2={X3}，X19}，K19={X1，X20}。19 個(gè)最小割集表示了造成系統(tǒng)“脫鹽率下降且產(chǎn)水量上升”的19種故障模式。同時(shí)存在2 個(gè)最小徑集個(gè)最小徑集表示了2 種保證系統(tǒng)正常運(yùn)行的安全模式。并得出底事件的結(jié)構(gòu)重要度順序?yàn)?/p>

將如圖2所示的故障樹(shù)的底事件，按結(jié)構(gòu)重要度排列之后不難發(fā)現(xiàn)，誘發(fā)薄膜氧化所引發(fā)的故障底事件對(duì)頂事件“脫鹽率下降且產(chǎn)水量上升”故障的影響最大。在實(shí)際反滲透海水淡化系統(tǒng)運(yùn)行中最需要防范以及注意這些故障的發(fā)生。

底事件的結(jié)構(gòu)重要度為防止故障的發(fā)生提供了參考。實(shí)際上，要對(duì)誘發(fā)“脫鹽率下降且產(chǎn)水量上升”故障的其他故障進(jìn)行分析，相關(guān)故障若無(wú)法恢復(fù)，就會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，諸如此類也應(yīng)給予高度重視。

將“脫鹽率下降且產(chǎn)水量上升”故障對(duì)系統(tǒng)的影響嚴(yán)重程度分為3級(jí)。其中，系統(tǒng)組件不可恢復(fù)性損害故障為嚴(yán)重型，用“★★★”表示;系統(tǒng)中部分組件造成不可恢復(fù)性損害的故障為中度型，用“★★”表示;只需加以清洗、消毒等方式便能消去的故障為輕微型，用“★”表示;若不及時(shí)處理將會(huì)對(duì)系統(tǒng)中部分組件造成不可恢復(fù)性損害的故障用“★★☆”表示［11］。“脫鹽率下降且產(chǎn)水量上升”故障分析如表2所示。

表2 “脫鹽率下降且產(chǎn)水量上升”故障分析Tab.2 Fault analysis of decreases of desalination rate and water output

從表2的故障危害程度可以看到雖然引起“‘O’形圈泄漏”、“中心管損壞”、“中心疊片破裂”等這些中間故障事件的故障的底事件結(jié)構(gòu)重要度不高，但所造成的危害卻是非常嚴(yán)重、不易恢復(fù)的。所以實(shí)際的維護(hù)故障預(yù)防不但要考慮FTA的底事件的結(jié)構(gòu)重要度，還要根據(jù)故障可能會(huì)造成生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)上的損失而引起相關(guān)重視。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)反滲透海水淡化工程工藝流程的研究，繪制了以“脫鹽率下降且產(chǎn)水量上升”故障為頂事件的故障樹(shù)，并分別提出了對(duì)故障樹(shù)進(jìn)行定性定量分析的方法。在對(duì)繪制的故障樹(shù)進(jìn)行分析后，求出最小割集、最小徑集和結(jié)構(gòu)重要度。將引起該故障的各種故障模式一一列出，并發(fā)現(xiàn)了最重要的事件為引起薄膜氧化的故障(X1，X2，X3)。

通過(guò)對(duì)故障的深入研究對(duì)引發(fā)“脫鹽率下降且產(chǎn)水量上升”故障的故障中間事件提出了相關(guān)的處理方法;并發(fā)現(xiàn)“膜組件機(jī)械損壞”(C2)等故障對(duì)反滲透海水淡化系統(tǒng)影響較大，且因此在海水淡化生產(chǎn)時(shí)應(yīng)對(duì)上述故障加以密切關(guān)注，并給予定期的檢查與維護(hù)，保證反滲透海水淡化系統(tǒng)正常運(yùn)行。故障樹(shù)分析法為及時(shí)檢查、排除故障并采取有效措施預(yù)防故障的發(fā)生提供了全面而可靠的信息，為反滲透海水淡化故障診斷專家系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

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