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(yùn)行成本。在運(yùn)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(yùn)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(jìn)行了探討，重點(diǎn)闡述了PLC+人機(jī)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(jìn)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(jìn)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(yùn)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(shí)現(xiàn)裝置的長期穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)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(xì)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(diǎn)，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(jìn)水水質(zhì)SDI<3，濁度<0.5NTU，滿足反滲透系統(tǒng)最佳運(yùn)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(dá)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(jìn)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(dá)5.5～6.5MPa。按照40％回收率計算，排放的濃鹽水中還蘊(yùn)含約60％的進(jìn)料水壓力能量，將這一部分能量回收變成進(jìn)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(shí)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(yùn)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(kuò)展模塊。人機(jī)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(jìn)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(hù)，自動計量、沖洗周期的實(shí)現(xiàn)；上位機(jī)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(jī)界面作為操作人員和生產(chǎn)過程之間的一個交互窗口，實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)過程進(jìn)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(shí)現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)控、連鎖報警及正常開停機(jī)等功能，保證裝置的安全連續(xù)運(yùn)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(jìn)行控制。高壓泵電機(jī)的拖動系統(tǒng)的運(yùn)行速度需要平穩(wěn)，而負(fù)載在運(yùn)行中不可避免受到一些不可預(yù)見的干擾，系統(tǒng)的運(yùn)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(jìn)行控制以調(diào)節(jié)反滲透膜堆的進(jìn)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(yùn)行狀態(tài)，節(jié)能控制用于加強(qiáng)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(jī)的頻率逐漸降低，但仍在不停運(yùn)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(shí)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(diǎn)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(jī)，當(dāng)電機(jī)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(shí)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(jìn)行高壓泵的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，不但使高壓泵運(yùn)行在出力最大高效區(qū)時，而且提高了高壓泵的運(yùn)行效率最高，節(jié)約用電量，進(jìn)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(jìn)行了運(yùn)用，運(yùn)行結(jié)果表明：降低了高壓泵電機(jī)的啟動轉(zhuǎn)矩，避免了對管路的機(jī)械沖擊；變頻器自身設(shè)置電流、電壓保護(hù)功能，消除了高壓泵電機(jī)因過載或單相運(yùn)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(yùn)行狀態(tài)，達(dá)到了節(jié)能的目的。