自動化技術在海水淡化設備的應用

李彬

摘要：隨著海水淡化技術的逐步提高，相關系統及設備的控制方式由人工向自動化發展，本文從控制角度，對自動化技術在海水淡化設備上的應用及發展進行分析。

關鍵詞：自動控制;海水淡化

一、概述

為滿足生產和生活的需求，從20世紀開始人類已著手研究海水進行淡化技術。海水淡化技術主要包括：蒸餾法、反滲透法、電滲析法、太陽能法、核能和冷凍法，其中以反滲透法應用最為廣泛。

反滲透法是以對海水加壓造成膜兩端壓力不同形成滲透壓使海水中的水分子透過膜片實現脫鹽。

影響海水淡化效果的因素很多，其中海水水溫、含鹽度、淡化工藝為主要因素。

海水水溫

通常海水水溫對于海水淡化膜性能影響較明顯，主要由于熱脹冷縮。就產水水質來說，一定溫度范圍內較低水溫海水淡化效果明顯好于較高溫度海水。

含鹽度

世界各地水質復雜，以我國四大海域為例，渤海含鹽度約為3%;東海和黃海平均鹽度為（3.1-3.2%）;南海鹽度最大平均3.5%，萬寧周邊海域含鹽度甚至超過6%。一定壓力范圍內，同一海水淡化膜淡化不同海域海水所需壓力不同，高鹽度海水壓力高于低鹽度海水。

淡化工藝

一級反滲透工藝可滿足絕大多數海域海水的淡化要求（各海水淡化膜廠商均以含鹽度3.2%標準液作為設計依據），然而對于高鹽度海域一級工藝明顯效果不佳。以6%含鹽度的南海為例，需要對其加壓至6MPa以上才會有淡水產生，但產水水質較差，繼續提高其壓力水質相對轉好。但如果工作壓力超過8MPa會影響膜使用壽命，所以需要采用其他工藝實現最終目的。

由于海水受到以上三大主要因素影響，在設計海水淡化設備時需要予以充分考慮。如何充分設備性能同時兼顧影響海水淡化因素使海水淡化產水水質達到最優一直是海水淡化設備設計者不斷追求的目標。從前人們多采取手動控制，根據個人經驗操作設備來決定最終的產水;近年來自動控制技術的高速發展，越來越多的設計者選擇以該技術替代人工進行設備控制，使設備最終產水水質最優同時保持持續穩定。

二、自動化理論在海水淡化系統的應用

在海水淡化設備中引入自動化技術，根本目的在于建立閉環系統對設備整體進行邏輯控制，以實現取代人力的最終目的。

目前海水淡化設備基本都進行了不同程度的自動化操作，以邏輯控制全面或部分地替代人力，節約了人工成本，保證產水水質;同時設備配有自動停機和報警的功能，對運行過程中的隨機問題做出及時反應，降低了使用風險和維護成本;另外自動控制系統可實時監控設備運行，為數據的采集和后續的設備改良提供理論支持。

設備運行時，相關數據通過傳感器反饋至控制系統，通過顯示屏顯示，控制系統依據設定的理論值對運行狀態實時分析。控制系統控制著整個海水淡化設備，一旦設備出現溫度過熱、流量過大、壓力多大、缺水等問題，可通過控制系統對設備其他運行部件進行調節，以保證設備運行的穩定;同時通過控制系統也可以起到保護設備的作用，當反饋數據超出控制系統的控制范圍，設備將立刻停機、報警及提示問題所在，避免設備損壞。

三、海水淡化自動控制系統原理及說明

（一）海水淡化設備組成

一臺海水淡化設備的常規配置由取水系統、預處理系統、反滲透系統、后處理系統、高壓系統、控制系統、反饋系統以及設備外殼組成。

（二）海水淡化設備工作原理

取水系統用于提取海水，并向預處理系統供水;海水中的泥沙、浮游物及膠體等經預處理系統過濾后由高壓系統進行加壓（經過預處理的海水濁度應≤1.0NTU）;反滲透系統用于海水脫鹽;后處理系統用于根據產出的淡水水質做針對性處理。

（三）自動控制系統

在海水淡化設備配置自動控制系統為了實現節省人工及保證產水水質的目的。目前不同海水淡化設備制造商依據圖1所示的基本流程增加反饋單元形成閉環控制，不同制造商的海水淡化設備的控制系統也不盡相同。本文選擇的日產3噸海水淡化設備為一級閉環控制系統。

控制系統作為整臺設備的“大腦”控制著設備內各子系統，采用PLC邏輯控制;輔以電導率、壓力、流量等傳感器組成的反饋系統，實時監控設備各數據并反饋給控制系統。控制系統以PLC內的設計程序為理論參考，對反饋數據進行邏輯識別，形成輸出命令控制設備各元件運行，保證產水水質;同時在PLC程序內設計工作極限值，當反饋數據超出極限值設備停機并報警，對設備進行保護。

（四）日產3噸海水淡化設備控制原理

常規情況，設備進水口前應設一儲水容器，用于保持原水水質穩定及沉淀原水內泥沙及不可溶物等。由于設備對進入反滲透膜的海水濁度要求很嚴格（≤1.0NTU），需要通過預處理系統調整海水濁度，利用濁度儀進行檢測并呈現于控制系統的顯示屏，通過檢測值可判斷預處理工藝是否合理。

高壓系統的作用是對海水加壓，使其滿足脫鹽條件。由于不同地域海水含鹽量不同，要想獲得同等水質淡水，不同含鹽量海水需在不同工作壓力下方可實現。設備內部的壓力探頭用于監測反滲透系統工作壓力，并將壓力值反饋至控制系統。通過控制系統內編寫的邏輯程序對壓力值進行分析，輸出控制指令控制高壓泵或壓力調節閥工作。為了保證海水淡化膜的使用壽命，其工作壓力不可超過8MPa;以實驗室標準液為準（含鹽量3.2%），通常以（5-5.5）MPa工作壓力下脫鹽效果最優。本設備可提供兩種調壓方式：a、變頻調節：通過調節高壓泵電機轉速上高或降低輸出壓力;b電動調節閥調節：通過調節閥門孔徑調節工作壓力。如果通過調節高壓泵電機轉速或電動調節閥孔徑也無法將工作壓力控制在海水淡化膜極限工作壓力范圍內，控制系統將立刻斷電停機保證設備安全，同時報警并提示故障原因。另外如果設備工作環境不固定，加入電導率及PH傳感器反饋環節并與控制系統聯用可使產水效果更優，也可以決定后處理工藝的設計和選擇。

后處理系統配有TDS或者PH傳感器，通常以檢測產水中的電導率（以TDS探頭數據表示）和PH值作為評價水質的依據，檢測數據反饋至控制系統并呈現于顯示屏作為后處理工藝的設計依據。由于海水淡化膜對于病毒及硼的脫除效果不明顯，所以后處理工藝必不可少。

四、結束語

自動化技術與海水淡化技術都在以驚人的速度發展，未來二者會以更多的相結合，進而創造出更多樣化的海水淡化設備。