遠海港口反滲透海水淡化裝置及電控系統

翟永革，于宗松

（中交一航局安裝工程有限公司，天津 300450）

1 概述

本裝置用于某遠海港口，本工程海水通過管涵從港池取水，通過管道輸送到海水淡化間。海水淡化系統產水能力1 440 m3/d，采用“過濾+二級反滲透淡化（RO）”工藝，設置2套單機720 m3/d淡化裝置，每套裝置可獨立運行，其中沖洗/化學清洗系統、加藥系統共用。淡化裝置包括預處理系統、反滲透系統及系統內的管路和閥門，以及電氣、儀表和自動控制系統。

2 主要結構及工作原理

2.1 主要結構

裝置放置于海水淡化處理車間內，主要分為預處理、一級反滲透、二級反滲透、清洗和加藥等幾個部分。車間布置見圖1。

2.1.1 預處理系統

預處理系統包括EPD過濾器和中間水箱。進水配置混凝、殺生處理裝置。

每套設置3臺EPD過濾器，共6臺，采用玻璃鋼FRP材質罐體，每臺處理水量為30 m3/h。無需反洗水泵，根據時間、壓差可使用過濾后的海水手動進行反沖洗。

2.1.2 一級反滲透系統

一級反滲透系統包括：中間水泵、保安過濾器、一級反滲透膜組、增壓泵、一級高壓泵、能量回收裝置及附屬設備，中間水泵和高壓泵變頻控制。

共2套一級反滲透系統，設計回收率為40%，每套有10支6芯的壓力容器，共計120支20．32 cm（8 in）的海水膜元件。該反滲透膜元件產水量大，脫鹽率較高，可有效減少進水量，降低一級反滲透系統的操作壓力，有助于提高生產效率、降低運行能耗。

圖1 車間設備布置圖Fig.1 Workshop equipment layout

一級反滲透濃海水通過功交換式能量回收裝置PX，可把濃海水的壓力直接傳遞給流入的原海水，能耗降低，效率可達95%以上。

2.1.3 二級反滲透系統

二級反滲透系統包括：二級高壓泵、二級高壓泵變頻控制、二級反滲透膜堆及附屬設備等。

二級反滲透系統共2套，設計的回收率為90%，每套有5支6芯壓力容器，共60支20．32 cm（8 in）節能型高脫硼低壓膜元件。二級反滲透系統設計采用兩段式，一段濃海水全部進入二段，3∶2排列，兩段產水混合成二級反滲透產水，二級反滲透濃海水全部回流至中間水箱，可以進行再利用。

2.1.4 沖洗/化學清洗系統

設置1套沖洗/化學清洗系統，可為所有工程共用。包括水泵、沖洗/化學清洗水箱、保安過濾器及附屬設備，沖洗/化學清洗水泵采用變頻控制。

當反滲透裝置停止運行時，用一級反滲透產水自動沖洗膜內及管道中的濃海水，這樣使膜完全浸泡在淡水中，用以置換系統內的濃海水，可以防止系統腐蝕和膜的自然滲透造成的生物污染和膜損壞，還可以防止再次運行時加入的藥劑形成亞穩態在膜上沉淀，沖洗的過程還可以帶走部分污垢，形成對膜和裝置的有效保養。

2.1.5 加藥系統

加藥系統可進行殺生劑、還原劑、阻垢劑、NaOH和非氧化殺生劑等加藥，并預留混凝劑投加系統。

2.2 工作原理

反滲透法是目前主要使用的一種海水淡化技術，本裝置采用反滲透技術，海水取水加壓后進入EPD過濾器，可去除大部分海水中的懸浮物、沙粒等。清潔海水過濾后存儲于中間水箱，經過中間水泵后分成兩部分，一部分進入到高壓泵，經高壓泵加壓后進入到一級反滲透膜組內，另一部分進入到能量回收裝置中利用反滲透濃海水的余壓進行加壓，再由增壓泵加壓進入反滲透膜組中。經過一級反滲透處理的產水存儲于一級產水箱，然后進行二級處理。由于二級反滲透濃海水含鹽量遠小于原海水，約2 500 mg/L以下，循環回流至中間水箱，與原海水一起進行一級反滲透處理[1]。二級反滲透產水后水質完全滿足GB 5749—2006《生活飲用水衛生標準》。工藝流程見圖2。

圖2 工藝流程圖Fig.2 Process flow chart

3 主要性能參數

本裝置處理量為1 440 m3/d，單臺處理量720 m3/d，反滲透產水時總溶解固體10 mg/L，設計年運行時間8 000 h，RO膜更換周期3次/a，反滲透清洗周期2次/a。

4 海水淡化電氣控制

4.1 概述

電氣與控制系統是海水淡化裝置的重要組成部分，可完成裝置連續試驗和運行過程中的安全供電、參數檢測、邏輯運算、順序控制、故障診斷和連鎖保護等功能，是實現裝置穩定運行的關鍵措施和重要保證[2]。

按照裝置的工藝特點及控制要求，本控制系統設計有以下功能：為了不同種類信號的采集與處理，硬件設置采用模塊化配置；為了系統的編程與組態，軟件開發采用標準化軟件程序包[3]；為了系統的維護和診斷，通訊功能具備現場總線和工業以太網通訊接口。

4.2 設計原則

4.2.1 安全、可靠

從工藝特點、介質特性、適用工況、操作要求和自動化水平等方面綜合考慮，滿足整個反滲透海水淡化工藝流程的監測和控制要求，確保裝置能夠長期安全、穩定、可靠運行是設計的基本原則。

4.2.2 操作、維護與維修方便

各系統便于學習掌握、操作簡單，而且監控畫面顯示直觀。維護和維修便利，易于查找故障、排除故障。

4.2.3 實用性強、通用性好

保證反滲透海水淡化裝置運行的連續性、穩定性和安全性，同時兼顧系統的可操作性、可擴充性和可協調性，滿足今后生產發展和工藝改進的需要。

4.2.4 經濟性高

系統的性能價格比盡可能高，從提高產品質量與產量、節能降耗、減少污染、改善勞動條件等經濟效益和社會效益方面綜合評估。

4.3 供配電系統

4.3.1 供配電電壓

本工程用電負荷采用380 V/220 V（AC）、頻率50 Hz、三相四線制，電源電壓等級為380 V（AC）±10%、50 Hz控制電源電壓等級為220 V（AC）±10%，保護電源電壓等級為24 V（DC）±10%。

4.3.2 系統配電方案

根據設備容量統計電氣系統的安裝總容量為400 kW，工作容量約358 kW，實際計算功率約為 240．5 kW。

本工程具有節能和工藝有特殊要求的用電設備均采用變頻控制，其他水泵為直接啟動，加藥泵等小型用電設備設就地配電箱。設備用電負荷清單見表1。

表1 設備用電負荷清單Table 1 Equipment power load list

4.3.3 電氣系統設計

本工程在配電室共設1臺進線柜和3臺變頻柜，滿足工程當地環境氣象條件要求。

1）進線柜：柜內元器件單面布置，共設1路進線、1路變頻回路和2路電源回路。前門面板設置綜合智能表，用于顯示進線電壓和電流；設置沖/清洗水泵變頻器操作面板；設置合閘指示燈、合閘按鈕、分閘指示燈、分閘按鈕。

2）1號變頻柜：柜內元器件單面布置，共設2路變頻回路和1路備用電源回路。前門面板分別設置1號一級高壓泵和2號一級高壓泵變頻器操作面板。

3）2號變頻柜：柜內元器件單面布置，共設3路變頻回路、1路備用電源回路和1路車間照明電源。前門面板分別設置1號二級高壓泵、1號中間水泵和1號增壓泵變頻器操作面板。

4）3號變頻柜：柜內元器件單面布置，共設3路變頻回路、1路備用電源回路、1路控制柜電源和1路加藥柜電源。前門面板分別設置2號二級高壓泵、2號中間水泵和2號增壓泵變頻器操作面板。

5）就地加藥箱：采用落地式，威圖柜型，就地加藥柜可實現EPD過濾器、殺菌劑加藥泵、非氧化劑加藥泵、絮凝劑加藥泵、還原劑加藥泵、阻垢劑加藥泵和堿劑加藥泵7種設備的就地遠程切換和就地啟/停功能。

4.4 控制系統

控制系統采用“PLC+上位機”的監控方式，流程內所有水泵均采用變頻器驅動。控制室不設置二次儀表顯示屏，工藝系統內所有的操作和監視功能均在上位機監控畫面中完成。

在充分滿足工藝控制要求的前提下，兼顧系統的穩定性、可靠性、可操作性和可擴展性，最終達到提高自動化運行水平，降低操作維護難度，實現少人或無人值守等目的。

4.4.1 系統配置

控制系統主要設備及安裝位置：在配電室設置1臺PLC控制柜，在現場共設置2臺一級反滲透控制箱，2臺二級反滲透控制箱和1臺套就地儀表箱。

1）PLC控制柜：與進線柜和變頻柜成單列并排布置。柜體采用威圖柜型，內部元器件為濕熱型產品（TH）。

采用S7-300系列可編程控制器，預留位置作為I/O備用點數，配置一套CPU、模擬量輸入/輸出、開關量輸入/輸出等模塊。人機界面采用工控機，安裝WinCC7．0監控軟件，實現流程演示、數據監測、數據記錄存儲和故障預警等功能。

2）一級反滲透控制箱：箱體采用壁掛式，威圖柜型，該控制箱主要實現一級反滲透流程內相關的電控閥門就地遠程切換、就地啟/停功能。

3）二級反滲透控制箱：箱體采用壁掛式，威圖柜型，該控制箱主要實現二級反滲透流程內相關的電控閥門就地遠程切換、就地啟/停功能。

4）就地儀表箱：箱柜體采用壁掛式，威圖柜型，該控制箱主要實現沖/清洗系統的儀表接線以及分析儀表顯示。

4.4.2 硬件設計

1）按照海水淡化裝置的工藝流程圖，控制系統總點數為202點，考慮了15%系統余量。

2）1號、2號反滲透海水淡化裝置的點數均為90點，模擬量輸入（AI）26點；模擬量輸出（AO）4點；開關量輸入（DI）44點；開關量輸出（DO）16點。

3）模擬量輸入（AI）4點，公共系統點數22點；模擬量輸出（AO）1點；開關量輸入（DI）14點；開關量輸出（DO）3點。

4）1號、2號反滲透海水淡化裝置各自設置操作員站，用于所有用電設備的調節、控制和參數采集等，這樣可用于上位機軟件的組態、開發、調試和維護。

4.4.3 軟件開發

軟件系統分為PLC編程軟件、上位機監控軟件和通訊軟件等。其中，采用WINCC V7．0版上位機監控組態軟件、采用Step7 V5．5版PLC編程軟件、采用TCP/IP工業以太網通訊軟件。采用Windows 7．0以上操作系統作為軟件設計平臺。

1）PLC編程

根據生產過程控制要求的復雜程度不同，綜合采用順序邏輯圖和邏輯語句表相結合的編程方法，按結構形式將程序分為主程序塊和子程序塊。為實現系統的數據采集、過程控制和保護等復雜的控制算法，可通過組織塊（OB1）、功能塊（FB、FC）、系統功能塊（SFB、SFC）、數字塊（DB）等模塊之間的調用實現。本設計建立的標準化程序模塊主要包括：主程序塊OB1、初始化程序塊OB100、模擬量程序塊FC10、取水程序塊FC1、一級反滲透塊FC2、二級反滲透程序塊FC3、清洗程序塊FC4等，各程序塊之間相互獨立。同時程序塊設置對應的背景數據塊DB，可用于報警參數、時間參數及通訊數據等設置[4]。

2）上位機組態

采用WinCC V7．0軟件進行上位機組態開發，WinCC與PLC主站的通信采用Step7協議中的SIMATIC S7 Protocol Suite協議通道實現。通過上位機以太網口和下位機PROFINET進行系統物理連接，在WinCC中建立TCP/IP通信設置。充分利用其強大的上下位全集成功能，在上位機組態時節約開發時間，增強系統訪問透明度。

3）監控畫面

上位機監控系統顯示工藝流程、控制方式、運行狀況、測量參數、對象狀態，也可顯示成組參數（圖1）。按照工藝流程圖設計的監控畫面，為保證工藝系統和控制對象完整性，設有足夠的幅數，可滿足整個系統運行和控制需要[5]。當控制對象故障、參數越限報警或狀態變化時，可以用不同顏色進行顯示。顯示畫面具有動態和靜態2種形式，畫面顏色可隨參數或設備狀態變化而變化。

圖3 1號機組監控畫面Fig.3 Unit 1 monitoring screen

4.4.4 特點及功能

1）主要功能

整套系統具備數據的采集、顯示和處理等功能，并對關鍵變量采取了自動聯鎖和報警措施，可實現整個工藝流程的集中監視、管理和自動控制。PLC可實現自動控制海水淡化系統的啟動、運行、沖洗、停機等過程，按照設計，每套反滲透系統還配置了就地儀表盤和就地操作箱，便于現場操作。

2）高壓泵保護

高壓泵進出口設有高壓和低壓保護。當供水量不足使高壓泵入口的水壓低于某一設定值時，正常壓力值為0．1 MPa，PLC即發出信號停止高壓泵運行以免其空轉。當系統因誤操作或其它的原因，使高壓泵的出口壓力超過某一限值時，PLC會自動切斷高壓泵的供電，同時將關閉整個反滲透系統。

3）反滲透產量調節

為調節反滲透產水量，可通過變頻器控制高壓泵的轉速來改變其壓力和流量。變頻器可以控制高壓泵的軟啟動以保護系統。另外通過控制高壓泵啟動的時間，可避免瞬時高壓造成反滲透膜元件的破壞。

4）停機備用

為了防止膜表面沉積結垢而影響膜的性能，長時間（1周）不生產時需對RO進行停運沖洗，以置換出容器濃海水。當反滲透系統停止工作時，可啟動淡水沖洗泵，打開產品水出口閥門和濃海水排放閥，系統進行5～10 min沖洗，設備進入備用狀態。

5 特殊要求

為了適應遠海高溫、高濕、高鹽霧、強紫外線環境的特殊做法主要包括：防潮濕設計、防霉設計、防鹽霧設計。

5.1 控制設備的“三防”措施

1）柜體選用316L不銹鋼板，厚度2．5 mm以上，其具有很高的耐鹽霧、耐腐蝕性；

2）控制柜安裝在電氣室內，電氣室安裝通風、除濕裝置；

3）柜體內安裝防潮加熱器，防止凝露；

4）控制模塊、顯示屏、開關等主要元件均選用“三防”產品，其它元件則選用濕熱帶型電氣元件；

5）接線端子以及絕緣子均選用溫熱帶型和防污型，一次接線端子鍍錫，銅排噴涂聚氨脂磁漆防護后套絕緣套管；二次接線端子鍍鋅，所有二次線裸露及帶電金屬部件均以中性凡士林封涂。

5.2 設備材料特殊要求

1）水泵防護等級IP55。

2）膜堆支架采用碳鋼防腐處理。

3）控制柜防護等級IP55，滿足GB/T 12665—2008《電機在一般環境條件下使用的濕熱試驗要求》，耐高溫、高濕、高鹽霧環境。內部電氣元件采用ABB或等同品牌。

4）配套儀器儀表及閥門采用SS2205等材質，耐海水腐蝕。

5）電動閥門防護等級IP55，預留RS485接口上傳進行遠程監控。

6）一級高壓進水管和一級濃海水管，采用SS2205不銹鋼或鈦材，壓力等級6 MPa；二級高壓進水管和二級濃海水管采用SS316L，壓力等級2．0 MPa；壓力排水管、加藥、消毒管道采用衛生級UPVC給水塑料管，壓力等級1．0 MPa，質量符合 GB/T 4219．1—2008《工業用硬聚氯乙烯（PVC-U）管道系統第1部分：管材》要求；污水管、通氣管采用HDPE管，質量符合CJ/T 250—2007《建筑排水用高密度聚乙烯（HDPE）管材及管件》要求。

6 結語

隨著遠海工程的建設開發，我國遠海港口上已經建立了多套海水淡化設施，海水淡化已成為解決用水緊張的重要手段，遠海地區遠離大陸，交通不便，氣候條件惡劣，缺乏專業人員，所以設計時要考慮增加抗高溫、高濕、高鹽霧、強紫外線的措施，同時在工藝設計和選材上保證系統經久耐用。

遠海港口海水淡化裝置的成功建成，及時解決了遠海現場的用水需求，海水淡化出水經水質監測一次合格，滿足了GB 5749—2006《生活飲用水衛生標準》的要求，裝置性能可靠、穩定，獲得了建設單位和使用單位的好評，可為類似工程提供借鑒和參考。