自增壓高壓泵小型淡化機工藝與控制系統設計

陳 芃,王金燕,劉筱昱

（國家海洋局天津海水淡化與綜合利用研究所，天津,300192）

自增壓高壓泵小型淡化機工藝與控制系統設計

陳 芃,王金燕,劉筱昱

（國家海洋局天津海水淡化與綜合利用研究所，天津,300192）

自增壓高壓泵小型淡化機具有能量回收效率高、全自動操作、便于安裝、集成化程度高等優點。本文詳細介紹了裝置的工藝流程和控制系統的設計，其中控制系統硬件部分由集成觸摸屏與PLC電控箱組成，軟件部分包括人機界面組態軟件和PLC編程軟件。控制系統可調節關鍵點位的壓力、流量等參數，使整個工藝過程按邏輯順序進行，并實現裝置的自動啟停、連鎖保護、故障報警及數據記錄管理等功能。

控制系統；小型淡化機；自增壓高壓泵

0 引言

近年來，海水淡化作為解決水資源短缺的一個重要途徑越來越受到關注。小型海水淡化裝置體積小、重量輕、總體投資少、可移動性強、即買即用，出水水質可達到《國家生活飲用水衛生標準（GB5749-2006）》，非常適合作為淡水供給的補充來源。對地下水為苦咸水的廣大農村、海島及海防哨所等存在分散式缺水問題的地區而言，小型淡化裝置可充分滿足間歇式用水且用水量較小的要求，市場前景廣闊。

目前限制小型海水淡化裝置發展的主要問題是能耗較高。一般來說，中大型的反滲透海水淡化裝置噸水能耗可降到3.8～4.5kWh，而小型裝置的噸水能耗卻高達9～12kWh，主要原因是沒有合適的能量回收設備與之相匹配。因此，研制具有能量回收功能的小型淡化機顯得尤為重要。在前期工作中，本課題組已經研發了一種集高壓泵、增壓泵、能量回收功能于一身的自增壓高壓泵，并以其為核心開發了一臺自增壓高壓泵小型淡化機。本文詳細介紹了自增壓高壓泵小型淡化機的工作原理，并對裝置集成控制系統進行設計，以實現整體工藝監控和整機協調控制。

1 自增壓高壓泵小型淡化機工作原理

自增壓高壓泵小型淡化機采用模塊化設計，具有能量回收效率高、連續運行安靜、便于安裝、不需要油潤滑等優點。裝置的關鍵部件為自增壓高壓泵，它本身無需電源，僅依靠活塞的往復運動，就可以循環增壓至設計壓力。

裝置的具體工藝流程為：原水由原水泵取出，經過5μm濾芯，去除原海水中的懸浮物和細小顆粒等雜質。經過濾芯后的海水通過提升泵加壓后進入自增壓高壓泵的一個液缸，這部分海水與反滲透膜組產生的帶壓濃鹽水共同推動活塞給另一個液缸的海水加壓，使海水達到透過反滲透膜的壓力并產生淡水，當活塞到達缸體一端時，這個過程由換向觸發裝置切換，活塞向反方向移動，實現循環增壓，當循環增壓至設定壓力時，達到壓力平衡，不再增壓。自增壓高壓泵出水經過反滲透膜處理后即可得到產品淡水。

2 裝置集成控制方案設計

裝置控制系統的作用在于對整個裝置自動工作過程進行控制和協調，使復雜工藝過程按邏輯順序進行。集成控制方案的功能主要體現在對必要的壓力、液位、流量、時間和速度的調節及控制，對各種連鎖保護，自動計量、工作周期的實現，以及裝置的自動啟停、故障報警及數據記錄管理等方面。

2.1 硬件設計

自增壓高壓泵小型淡化機電氣控制系統的硬件部分由1塊集成觸摸屏+PLC電控箱組成。其中PLC控制柜選用西門子公司S7-200系列，PLC為CPU222，變頻器選用丹佛斯FC360系列，人機界面選用威綸通MT6107iE系列。

2.2 軟件設計

自增壓高壓泵小型淡化機電氣控制系統的軟件部分包括人機界面組態軟件和PLC編程軟件，其中人機界面組態軟件采用Easybuild Pro、PLC編程軟件采用Step7-microWIN4.0，可為操作人員提供良好的人機交互界面，方便實驗數據存儲和處理

2.3 功能設計

（1）控制模式

裝置的控制系統設置手動和自動兩種操作模式。其中，手動模式是指操作員在人機界面人為確定各個設備的啟停；自動模式是指系統根據實際情況自動控制生產過程的各個環節，可實現無人值守的運行方式。一般情況下，手動模式僅用于裝置調試，正常運行的時候則推薦采用自動操作模式。

（2）取水控制

取水系統的自動啟停主要由原水箱液位高低決定。當原水箱液位低于中液位時，取水系統運行，當原水箱液位低于低液位時，小型淡化機進入急停狀態。操作人員也可在任意時間內根據系統需要進行手動開機。

（3）反滲透控制

反滲透系統的提升泵進水口設置低壓（0.1MPa）開關保護，反滲透膜元件進水口設置高壓（5.5MPa）開關保護。當提升泵給水不足以致所給壓力小于預設值時，低壓開關將關閉提升以防止空轉。當反滲透膜前進水壓力高于預設值時，高壓開關發出報警信號，并自動停止小型淡化機以防止超高壓運轉。

（4）反滲透啟動和停止保護

啟動提升泵時壓力會突然增加，為防止由此產生的高壓沖擊對自增壓高壓泵造成的損害，選用變頻器作為提升泵的啟動裝置以逐漸增加其壓力和流量。

3 裝置集成控制系統編程與組態

3.1 編程

自增壓高壓泵小型淡化機的程序按照模塊化設計理念，即首先用主程序、子程序、子過程等框架把軟件的主要結構和流程描述出來，并定義和調試好各個框架之間的輸入、輸出鏈接關系。

（1）標準化程序模塊開發

程序模塊主要包括主程序、初始化程序塊、模擬量程序塊各程序塊之間相互獨立。模塊化分層調用結構圖如圖1所示。

（2）智能化功能模塊設計

根據自增壓高壓泵小型淡化機的工藝計算和過程調節要求，通過比較系統行為（輸出）與期望行為之間的偏差，并消除偏差以獲得預期系統性能的評價方法，建立典型智能調節回路恒壓負反饋PID控制器。包括提升泵恒壓閉環控制回路，主要用于實現系統自動運行過程中的順序邏輯控制、回路調節控制等功能。變頻器控制框圖和邏輯調節回路框圖分別如圖2、圖3所示。

圖1 模塊化分層調用結構

圖2 變頻器控制框圖

3.2 組態

自增壓高壓泵小型淡化機的人機界面（HMI）可顯示工藝流程及測量參數，控制方式、順序運行狀況、控制對象狀態，也能顯示成組參數。當參數越限報警、控制對象故障或狀態變化時，以不同顏色進行顯示。按照工藝流程圖設計人機界面畫面，至少包括：系統首頁、流程監控、數據記錄等3個畫面。

為驗證自增壓高壓泵小型淡化機的集成控制系統是否完整，在實驗室中開展裝置性能測試。以人工配制的海水作為原水，通過反滲透膜產生的淡水與自增壓高壓泵排出的低壓濃鹽水混合后返回原水箱，保證實驗連續進行。實驗結果表明樣機各項性能滿足設計需求，在裝置運行過程中關鍵點位的高、低壓原水與濃水的流量、壓力及電導等參數均可自動精確顯示。裝置的集成控制系統可按照工藝需求，完成整體工藝監控和整機的協調控制。

4 結論

自增壓高壓泵小型淡化機采用模塊化設計，關鍵部件為自增壓高壓泵，本身無需電源，僅依靠活塞的往復運動，就可以循環增壓至反滲透膜組所需壓力，保證裝置的連續穩定運行。通過工藝與電氣控制的準確設計，可對裝置的各個關鍵點位進行精確的監測與控制。

自增壓高壓泵小型淡化機提升泵進水口設置低壓開關保護，反滲透膜元件進水口設置高壓開關保護。同時配備變頻器作為提升泵啟動裝置，以避免提升泵產生的壓力沖擊對自增壓高壓泵造成影響。裝置集成控制系統的硬件部分由集成觸摸屏和PLC電控箱組成，軟件部分則包括人機界面組態軟件和PLC編程軟件，在裝置正常工作狀態下使用自動模式操作。該系統充分保證了裝置自動工作過程的控制和協調，可實現裝置的自動啟停、連鎖保護、故障報警及數據記錄管理等功能。

[1] Elimelech M. Phillip WA.The future of seawater desalination: energy, technology, and the environment [J]. Science, 2011, 8 (6043):712-7

[2] 邢國平，劉洪海，邵兆鳳. 渤海地區反滲透海水淡化能耗分析[J].給水排水，2012，S1：146-149.

[3] 王生輝，蘇慧超，馮厚軍，等. 反滲透海水淡化自增壓能量回收高壓泵[P].ZL201210038542.9

[4]李超, 李利平. 自動化技術在反滲透海水淡化系統中的應用[J].制造業自動化， 2014，14（36）：80-83.

[5]劉振全，王漢芝. 觸摸屏與PLC在海水淡化控制系統中的應用[J].自動化儀表，2007，5（5）：36-39.

Design of technical processand control system for small seawaterdesalination device with self-boosting high pressure pump

Chen Peng,WangJinyan,Liu Xiaoyu
（The Institute of Seawater Desalination and Multipurpose Utilization,SOA(Tianjin)）

Small seawater desalination device with self-boosting high pressure pump has many advantages including high recovery efficiency,easy installationand high integrated degree.Design oftechnical process and control system are introduced in detail in this paper.Function of the control system composed of integrated touch screen,PLC and man-machine interface configuration softwareincludes automatic start and stop, chain protection,fault alarm,data record management and so on.

Control system;Small seawater desalination device;Self-boosting high pressure pump

圖3 邏輯調節回路框圖

基金支持：天津市科技支撐計劃“自增壓高壓泵小型淡化機研發”（項目編號12ZCZDSF02400）