自動化技術(shù)在海水淡化設(shè)備的應(yīng)用

李彬

摘要：隨著海水淡化技術(shù)的逐步提高，相關(guān)系統(tǒng)及設(shè)備的控制方式由人工向自動化發(fā)展，本文從控制角度，對自動化技術(shù)在海水淡化設(shè)備上的應(yīng)用及發(fā)展進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：自動控制;海水淡化

一、概述

為滿足生產(chǎn)和生活的需求，從20世紀(jì)開始人類已著手研究海水進(jìn)行淡化技術(shù)。海水淡化技術(shù)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(yīng)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(xiàn)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(chǎn)水水質(zhì)來說，一定溫度范圍內(nèi)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(zhì)復(fù)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(nèi)，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(shù)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(biāo)準(zhǔn)液作為設(shè)計依據(jù)），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(chǎn)生，但產(chǎn)水水質(zhì)較差，繼續(xù)提高其壓力水質(zhì)相對轉(zhuǎn)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(xiàn)最終目的。

由于海水受到以上三大主要因素影響，在設(shè)計海水淡化設(shè)備時需要予以充分考慮。如何充分設(shè)備性能同時兼顧影響海水淡化因素使海水淡化產(chǎn)水水質(zhì)達(dá)到最優(yōu)一直是海水淡化設(shè)備設(shè)計者不斷追求的目標(biāo)。從前人們多采取手動控制，根據(jù)個人經(jīng)驗操作設(shè)備來決定最終的產(chǎn)水;近年來自動控制技術(shù)的高速發(fā)展，越來越多的設(shè)計者選擇以該技術(shù)替代人工進(jìn)行設(shè)備控制，使設(shè)備最終產(chǎn)水水質(zhì)最優(yōu)同時保持持續(xù)穩(wěn)定。

二、自動化理論在海水淡化系統(tǒng)的應(yīng)用

在海水淡化設(shè)備中引入自動化技術(shù)，根本目的在于建立閉環(huán)系統(tǒng)對設(shè)備整體進(jìn)行邏輯控制，以實現(xiàn)取代人力的最終目的。

目前海水淡化設(shè)備基本都進(jìn)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(jié)約了人工成本，保證產(chǎn)水水質(zhì);同時設(shè)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(yīng)，降低了使用風(fēng)險和維護(hù)成本;另外自動控制系統(tǒng)可實時監(jiān)控設(shè)備運行，為數(shù)據(jù)的采集和后續(xù)的設(shè)備改良提供理論支持。

設(shè)備運行時，相關(guān)數(shù)據(jù)通過傳感器反饋至控制系統(tǒng)，通過顯示屏顯示，控制系統(tǒng)依據(jù)設(shè)定的理論值對運行狀態(tài)實時分析。控制系統(tǒng)控制著整個海水淡化設(shè)備，一旦設(shè)備出現(xiàn)溫度過熱、流量過大、壓力多大、缺水等問題，可通過控制系統(tǒng)對設(shè)備其他運行部件進(jìn)行調(diào)節(jié)，以保證設(shè)備運行的穩(wěn)定;同時通過控制系統(tǒng)也可以起到保護(hù)設(shè)備的作用，當(dāng)反饋數(shù)據(jù)超出控制系統(tǒng)的控制范圍，設(shè)備將立刻停機、報警及提示問題所在，避免設(shè)備損壞。

三、海水淡化自動控制系統(tǒng)原理及說明

（一）海水淡化設(shè)備組成

一臺海水淡化設(shè)備的常規(guī)配置由取水系統(tǒng)、預(yù)處理系統(tǒng)、反滲透系統(tǒng)、后處理系統(tǒng)、高壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、反饋系統(tǒng)以及設(shè)備外殼組成。

（二）海水淡化設(shè)備工作原理

取水系統(tǒng)用于提取海水，并向預(yù)處理系統(tǒng)供水;海水中的泥沙、浮游物及膠體等經(jīng)預(yù)處理系統(tǒng)過濾后由高壓系統(tǒng)進(jìn)行加壓（經(jīng)過預(yù)處理的海水濁度應(yīng)≤1.0NTU）;反滲透系統(tǒng)用于海水脫鹽;后處理系統(tǒng)用于根據(jù)產(chǎn)出的淡水水質(zhì)做針對性處理。

（三）自動控制系統(tǒng)

在海水淡化設(shè)備配置自動控制系統(tǒng)為了實現(xiàn)節(jié)省人工及保證產(chǎn)水水質(zhì)的目的。目前不同海水淡化設(shè)備制造商依據(jù)圖1所示的基本流程增加反饋單元形成閉環(huán)控制，不同制造商的海水淡化設(shè)備的控制系統(tǒng)也不盡相同。本文選擇的日產(chǎn)3噸海水淡化設(shè)備為一級閉環(huán)控制系統(tǒng)。

控制系統(tǒng)作為整臺設(shè)備的“大腦”控制著設(shè)備內(nèi)各子系統(tǒng)，采用PLC邏輯控制;輔以電導(dǎo)率、壓力、流量等傳感器組成的反饋系統(tǒng)，實時監(jiān)控設(shè)備各數(shù)據(jù)并反饋給控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)以PLC內(nèi)的設(shè)計程序為理論參考，對反饋數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯識別，形成輸出命令控制設(shè)備各元件運行，保證產(chǎn)水水質(zhì);同時在PLC程序內(nèi)設(shè)計工作極限值，當(dāng)反饋數(shù)據(jù)超出極限值設(shè)備停機并報警，對設(shè)備進(jìn)行保護(hù)。

（四）日產(chǎn)3噸海水淡化設(shè)備控制原理

常規(guī)情況，設(shè)備進(jìn)水口前應(yīng)設(shè)一儲水容器，用于保持原水水質(zhì)穩(wěn)定及沉淀原水內(nèi)泥沙及不可溶物等。由于設(shè)備對進(jìn)入反滲透膜的海水濁度要求很嚴(yán)格（≤1.0NTU），需要通過預(yù)處理系統(tǒng)調(diào)整海水濁度，利用濁度儀進(jìn)行檢測并呈現(xiàn)于控制系統(tǒng)的顯示屏，通過檢測值可判斷預(yù)處理工藝是否合理。

高壓系統(tǒng)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(zhì)淡水，不同含鹽量海水需在不同工作壓力下方可實現(xiàn)。設(shè)備內(nèi)部的壓力探頭用于監(jiān)測反滲透系統(tǒng)工作壓力，并將壓力值反饋至控制系統(tǒng)。通過控制系統(tǒng)內(nèi)編寫的邏輯程序?qū)毫χ颠M(jìn)行分析，輸出控制指令控制高壓泵或壓力調(diào)節(jié)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(biāo)準(zhǔn)液為準(zhǔn)（含鹽量3.2%），通常以（5-5.5）MPa工作壓力下脫鹽效果最優(yōu)。本設(shè)備可提供兩種調(diào)壓方式：a、變頻調(diào)節(jié)：通過調(diào)節(jié)高壓泵電機轉(zhuǎn)速上高或降低輸出壓力;b電動調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)：通過調(diào)節(jié)閥門孔徑調(diào)節(jié)工作壓力。如果通過調(diào)節(jié)高壓泵電機轉(zhuǎn)速或電動調(diào)節(jié)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(nèi)，控制系統(tǒng)將立刻斷電停機保證設(shè)備安全，同時報警并提示故障原因。另外如果設(shè)備工作環(huán)境不固定，加入電導(dǎo)率及PH傳感器反饋環(huán)節(jié)并與控制系統(tǒng)聯(lián)用可使產(chǎn)水效果更優(yōu)，也可以決定后處理工藝的設(shè)計和選擇。

后處理系統(tǒng)配有TDS或者PH傳感器，通常以檢測產(chǎn)水中的電導(dǎo)率（以TDS探頭數(shù)據(jù)表示）和PH值作為評價水質(zhì)的依據(jù)，檢測數(shù)據(jù)反饋至控制系統(tǒng)并呈現(xiàn)于顯示屏作為后處理工藝的設(shè)計依據(jù)。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(jié)束語

自動化技術(shù)與海水淡化技術(shù)都在以驚人的速度發(fā)展，未來二者會以更多的相結(jié)合，進(jìn)而創(chuàng)造出更多樣化的海水淡化設(shè)備。