MFIA09型反滲透高壓泵安全運行監測系統的改進

邱燦金，王振強，黃雪平

（中國衛星海上測控部，江蘇江陰 214431）

0 引言

舶舶在海上航行，需要消耗大量淡水，而獲取淡水主要依靠海水淡化裝置。某船在前后機艙分別裝有一臺MFIA09型反滲透海水淡化裝置，日產水量可達100 t。由于反滲透造水是一種濃縮擠壓的過程，獲取淡水需要在高壓下進行，所以高壓泵在反滲透海水淡化裝置中具有重要作用。由于高壓泵是柱塞式泵，屬于進口設備，結構精密，維修困難，費用昂貴，缺水易形成干磨，一旦缺乏保護將影響到整個系統的造水，怎樣保障其正常運行，提高其使用壽命，本文針對這個問題提出監測系統的改進方法。

1 反滲透工作原理

1.1 反滲透原理

海水和淡水通過一種半透膜隔開，淡水自然穿過半透膜進入海水一側，這種稀溶液向濃溶液自然流動的現象稱作“滲透”，如圖 1a)所示。反滲透則是在海水一邊加上比自然滲透壓更高的壓力，扭轉自然滲透的方向，把海水中的的淡水擠壓到半透膜的另一邊，這和自然界的正常滲透過程相反，因此稱為“反滲透”，如圖1b)所示[1]。這種特制的半透膜稱為“反滲透膜”。

圖1 反滲透原理

反滲透海水淡化裝置，就是利用反滲透的原理通過高壓作用將淡水從海水中分離出來，從而實現海水淡化的目的。

1.2 反滲透產水原理

海水由增壓泵抽水進入預處理系統，經過多介質過濾器、精密過濾器、保安過濾器過濾，去除海水中的藻類、細菌、細小顆粒物。經預處理后的海水進入高壓泵，在高壓泵的作用下（壓力不能低于4.0 MPa），進入高脫鹽率反滲透膜，通過針型閥增加壓力，使海水中的水分子透過半透膜進入多孔收集管，排入淡水艙，而鹽分子被阻止，與海水一起排出舷外[2]。如圖2所示。

圖2 反滲透海水淡化裝置產水原理

反滲透海水淡化裝置獲取淡水需要在高壓下進行，工作壓力一般在4.0 MPa～6.5 MPa范圍內，由于海水含鹽量較高，通常海水含鹽量超過35 000 mg/L時，其滲透壓為2.8 MPa。而反滲透膜組對水中的離子具有選擇透過性，在反滲透濃水側和產水側存在著滲透壓差，這樣就必須有外界的壓力來克服滲透壓差實現造水，這種外界的壓力由高壓泵提供，因此高壓泵是整個反滲透海水淡化裝置反滲透能量的核心部件，是反滲透海水淡化裝置的“心臟”，高壓泵性能的好壞將直接影響整個系統脫鹽率和造水率。

2 高壓泵監測系統存在的缺陷

2.1 故障描述

在一次出海執行任務期間，值班人員巡視反滲透海水淡化裝置發現其自然停機，系統復位后重新啟動，但高壓泵壓力仍然建立不起來，無法正常工作。后經過拆泵詳細檢查發現高壓泵整個內部結構磨損特別嚴重，單個柱塞吸、排閥體存有明顯研磨痕跡，柱塞與缸體間隙配合密封度降至正常水平的85%左右，泵運行過程中存在內外漏泄，導致泵的壓力和流量下降。圖3為已磨損的高壓泵內部。

圖3 已磨損的高壓泵內部

2.2 原因分析

反滲透本身設計有高壓泵啟停壓力繼電器，當水壓過低時系統能實現自動保護。但拆檢之后發現其壓力傳感器傳輸信號的壓力表管被鐵銹堵塞，無法正常工作。由于壓力表管路較細，加上海水中雜質較多，長時間運行海水管路存在銹蝕現象，易產生堵塞。導致水壓過低時，傳感器無法感應到實際壓力，系統誤判造成高壓泵持續工作，直至損毀[3]。

3 監測系統改進及安裝

3.1 監測系統改進設計

針對上述故障及原因分析，結合高壓泵在實際工作中存在的問題，不難發現壓力傳感器還存在很多問題，一旦壓力傳感器失靈勢必會造成泵體干磨，輕則內部磨損，重則泵直接損毀。

此時如果在高壓泵進口安裝一套可行的流量監測傳感器，通過水流監測，可以更好地保障高壓泵的正常運行。因此本文提出在高壓泵進口處加裝一套擋板式流量監測開關，來實時監測高壓泵進口水流的工作狀態，做到雙重保護，防止壓力傳感器失靈，以此來提高反滲透高壓泵的安全、高效運行。

監測系統組成：擋板式流量開關、傳感器、PLC控制系統等組成，見圖4。高壓泵實物圖見圖5。

圖4 高壓泵監測系統圖

圖5 高壓泵實物圖

3.2 監測系統功能實現

當壓力傳感器失靈情況下，擋板式流量開關擋板監測到高壓泵進口水流大于啟動流量時，水流會推動擋板產生位移，帶動頂部的微動開關傳輸給傳感器，該信號輸入到PLC控制系統，經PLC實現以水流控制高壓泵運行。

當擋板監測到高壓泵進口水流降低或滿足不了泵的啟動水流時，擋板在復位彈簧推力下帶動磁源回位，傳感器動作，輸出到PLC控制系統，經PLC控制系統斷開泵的控制回路，停止高壓泵運行，達到保護高壓泵的目的。同時PLC的輸出端輸出一路信號到控制箱上的指示燈和電鈴，發出聲光報警信號并通過通訊線路傳到中央集控室，以便值班人員及時發現并排除故障，避免高壓泵“干燒”現象的發生。

3.3 監測系統優點

該監測系統有如下優點：1）擋板式流量開關機械部分與電子部分安全隔離，能做到實時監測、報警、聯鎖保護；2）接觸面機械部分采用銅制材料，耐腐蝕，不易堵塞；3）安裝方便，靈敏度高，耐久性強。

3.4 監測系統安裝

監測系統安裝所需器材有：擋板式流量開關 1個、傳感器1個、通訊線若干。

機械部件安裝：安裝工藝相對簡單，主要是對進口管路進行小改造，在高壓泵進口30 cm處加裝，將擋板片安裝在水管中，安裝時其管路中的水流方向必須與控制器上箭頭方向一致，其接線端子應在易于接線的位置。盡可能水平或者垂直安裝，便于后期維護和維修。

控制線路安裝：在反滲透控制箱內加裝一個傳感器，作為控制回路的繼電器，可以直接將擋板式流量開關的線路接入繼電器。在PLC控制系統加裝一路接線端子，實現高壓泵的啟停控制，將通信線路接至中央集控室報警面板方便值班人員隨時監測系統運行。控制箱如圖6所示。

圖6 控制箱

4 結論

本文針對反滲透高壓泵出現缺水干磨現象進行分析，結合實際工作中的經驗，對易出現故障的高壓泵監測系統提出了改進意見，通過加裝一套擋板式流量監測開關，做到了高壓泵的雙重保護，安裝方法簡單，可靠性強，提高了反滲透海水淡化裝置運行的安全性和可靠性，具有一定的應用價值。