曹妃甸海水淡化反滲透高壓泵控制系統應用和研究

李永杰

【摘 要】國際脫鹽協會（InternationalDesalinationAsso2 ciation，IDA）的最新統計資料表明，到2002年初，全世界脫鹽裝置淡水總產量已達3240萬t/d，而且還將以10%～30%的年增長速度攀升，海水淡化技術在解決世界范圍淡水短缺問題上發揮著越來越重的作用。反滲透海水淡化作為一項新型技術，正在得到越來越多的應用。本文結合曹妃甸5萬噸/日海水淡化工程，通過介紹海水淡化系統的原理，研究了高壓泵變頻控制在反滲透系統中的應用。對反滲透海水淡化系統具有一定的指導意義。

【關鍵詞】反滲透 海水淡化 高壓泵 控制系統

目前，反滲透海水淡化在大規模淡化海水項目中越來越多的被應用。反滲透（RO）法是采用高壓泵將海水打入到反滲透膜組中，如果對海水側施加一大于海水滲透壓的外壓，那么海水中的純水通過反滲透膜流向淡水側，從而實現海水的淡化。隨著反滲透海水淡化技術的發展，工程造價和運行成本將會繼續降低，它將成為海水淡化技術發展的重點。

1 工藝流程簡介

目前曹妃甸5萬噸/日海水淡化項目（共有5套系統，單套系統產能1萬噸/日）采用的是雙膜法海水淡化技術，即超濾膜（UF）+反滲透膜（RO）海水淡化技術，它采用的水處理技術是膜分離法。其工藝流程是：超濾膜組的產品水通過管道連接至高壓泵進入反滲透膜組，由反滲透膜組產出淡化水。

根據RO膜本身的特性，需有一定的推動力去克服滲透壓等阻力，才能保證達到設計的產水量。RO高壓泵即是為RO本體裝置提供足夠的進水壓力，保證RO膜的正常運行。

由于水溫對RO裝置的產水量影響較大，即水溫每變化1℃，在進水壓力不變的情況下，其產水量大致增減2.7%。如果進水水溫降低，在系統其它條件不變的情況下，將導致產水量的下降。為了保證在低溫情況下RO出水不變，高壓泵采用變頻調速可以提高進水壓力，以保證RO系統足夠的推動力，從而保證系統的產水能力。因此，RO系統需配置一臺變頻調速的高壓泵。

2 反滲透高壓泵變頻控制工作原理

整個反滲透海水淡化控制系統設計采用國際先進的PLC程序控制，由主控室操作站的可編程控制器（PLC）組成一個分散采樣控制和集中控制操作的系統。變頻器接收PLC的指令信號，對水泵電機進行速度控制，實現泵的變流量控制。即系統通過改變變頻器的輸出頻率來控制高壓泵電機的轉速從而實現反滲透（RO）裝置產水流量的恒定。

高壓泵進口安裝低壓壓力繼電器，壓力低時發出報警信號，高壓泵停止運行。高壓泵出口安裝高壓壓力繼電器，壓力高時發出報警信號，高壓泵停止運行。

3 反滲透高壓泵變頻控制系統硬件設計

反滲透水處理變頻控制系統的變頻器選用DANFOSS FC202系列變頻器，供電電壓 AC 690 V， PLC系統采用AB PLC的冗余熱備控制系統，PLC控制器采用1756-L62的CPU， PLC主站和現場的遠程站的PLC 通訊采用Control Net通訊，主站的DeviceNet的通訊模塊采用1756-CNBR/E；遠程站的通訊模塊采用1794-ACNR15/C，I/O模塊采用：1794-IB32，32 路 DI 模塊（DC24V）；1794-OB32，32 路 DO 模塊（DC24V）；1794-IE8/B，8 路 AI模塊；1794-OE4/B，4路 AO 模塊。

上位機軟件FactoryTalk View與AB PLC通訊為以太網通訊，PLC主站選用通訊卡 1756-ENBT/A。PLC和變頻器之間的通訊采用Device Net通訊方式，PLC主站采用1756-DNB模塊與變頻器上（變頻器采用DANFOSS FC202P1M2P7變頻器）的DeviceNet卡進行數據交換，變頻器接收PLC輸出的設定頻率，對高壓泵電動機進行調速，從而實現對反滲透系統的壓力和產水流量的調節。現場的電磁流量計采集的流量數值和現場的壓力變送器采集的管路壓力數值分別通過PLC模擬量輸入模塊傳輸至PLC系統中，經過PLC系統內部運算后上傳至FactoryTalk View上位軟件的HMI中進行顯示和記錄。PLC系統根據現場綜合反饋的信息，接收子系統模塊控制指令，對電磁閥、指示燈等外設器件進行操控，實現系統協調控制功能。

4 反滲透高壓泵變頻控制系統的軟件設計

該系統軟件使用 AB 公司的 RSLogix5000軟件。系統程序的設計采用模塊化結構，主要包括：邏輯控制程序、模擬量數據采集處理程序、變頻調速控制程序部分。

4.1 邏輯控制程序的實現

邏輯控制程序主要是RO高壓泵的啟動、停止和各種連鎖保護的控制。如高壓泵進水壓力、高壓泵出水壓力、高壓泵電機溫度、相應RO裝置閥門的開啟狀態、急停等均作為RO高壓泵的啟動條件。

4.2 模擬量數據采集處理程序的實現

模擬量信號處理主要是高壓泵電機溫度、高壓泵出口壓力等的數據處理及報警的處理。

高壓泵的電機選用的是ABB電動機，電機內部繞組和軸承上均安裝有測溫元件，測溫元件通過現場安裝的溫度變送器傳輸至PLC系統中。如圖1所示，溫度數據的轉換通過SCP功能塊來實現，當檢測的電機溫度大于130℃，且時間超過3S時，發出電機高溫報警信息。

圖1 電機溫度數據采集處理程序

高壓泵出口壓力的控制程序與溫度的控制程序處理是相似的，壓力數據的轉換通過SCP功能塊來實現，當檢測到高壓泵出口壓力大于69bar，且時間超過3S時，發出高壓泵出口壓力高報警信息。

4.3 高壓泵變頻調速控制程序

高壓泵的變頻調速主要分為RO正常運行調速和RO停機沖洗調速兩部分。變頻調速程序控制如圖2所示。

RO正常運行調速是指RO運行時對高壓泵頻率控制。當高壓泵啟動條件滿足的情況下，系統發出啟動高壓泵的指令時，高壓泵首先以20HZ運行240S的時間，然后高壓泵轉速提升至工藝設定的頻率（例如48HZ）運行。

RO停機沖洗調速是在RO系統停機后對RO膜進行沖洗時，對高壓泵頻率的控制。RO沖洗指令發出后，高壓泵首先以35HZ運行60S，然后高壓泵的轉速降低為20HZ運行，運行180S后發出高壓泵停機指令。

圖2 變頻調速控制程序

為了保證停機時高壓泵的出水流量緩慢降為零，電機降速的時間不應小于180S。

5 海水淡化系統的前景

海水淡化RO高壓泵變頻系統的優勢是，變頻啟動大大降低啟動電流和沖擊轉矩，變頻器自身具有過流、過壓、欠壓等保護，保障了設備和人員操作的安全性。該裝置還可以自動適應不同工況，采用閉環自動控制方法和水處理流量調節 PID 算法，這種控制通過調整頻率來改變泵的轉速，既滿足了設計使用的需要，又可以使泵處于最佳的運行狀態，保證了運行的可靠性和穩定性。

曹妃甸海水淡化項目是我國自行設計，并由國內企業總承包建設的第一個大型海水淡化項目，它的竣工投產標志著我國海水淡化產業發展進入了一個新的階段。為支持海水淡化產業發展，國家發改委于2011年7月將該項目列為“國家發展改革委海水淡化產業發展重點示范項目”。 曹妃甸海水淡化項目的開發模式具有良好的示范作用，其投產運行將大大推動我國海水淡化產業的發展進程。

參考文獻：

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