自動(dòng)化技術(shù)在反滲透海水淡化系統(tǒng)中的應(yīng)用

1、自動(dòng)化技術(shù)在反滲透海水淡化系統(tǒng)中的應(yīng)用李 超，李利平（中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)公司，北京 100120）摘要：反滲透海水淡化技術(shù)具有低能耗、安裝維護(hù)簡(jiǎn)便、易于模塊化擴(kuò)展等特點(diǎn)，因而，得到了廣泛的推廣和應(yīng)用。為了進(jìn)一步提高其工程設(shè)計(jì)和控制運(yùn)行方面的自動(dòng)化水平。本文從系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化、運(yùn)行調(diào)度優(yōu)化、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)、仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)應(yīng)用等方面展開(kāi)討論，分析了自動(dòng)化技術(shù)在反滲透海水淡化系統(tǒng)中的應(yīng)用情況，并從系統(tǒng)整體建模、通用仿真平臺(tái)和新型控制算法方面給出了相關(guān)建議，以期為我國(guó)反滲透海水淡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)和發(fā)展提供參考。關(guān)鍵詞：自動(dòng)化技術(shù)；海水淡化；系統(tǒng)優(yōu)化；控制系統(tǒng)；試驗(yàn)平臺(tái)。中圖分類號(hào)：TP29 P747+.

2、6 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：Application of automation techniques in reverse osmosis seawater desalination system LI Chao，LI Liping(China Power Engineering Consulting Group Corporation, Beijing 100120, China;Abstract: Seawater desalination utilizing reverse osmosis technology has the advantages of low-energy, sim

3、ply install and maintenance and module installment, thus obtains the widespread application. In order to improvement the level of automation of engineering design and control operation, the application of automation techniques in reverse osmosis seawater desalination system is introduced from system

4、s design optimization, operation optimization, experimental platform design, simulation system design and control system application. Meanwhile, some suggestions about overall system modeling, universal simulation platform and new control methods are also given in order to provide the references for

5、 design and development of reverse osmosis seawater desalination system.Key words: automation techniques; seawater desalination; systems optimization; control system; experimental platform.1 引言水是生命之源。我國(guó) 610個(gè)中等以上城市，不同程度缺水的就達(dá) 400 多個(gè)。我國(guó)已認(rèn)識(shí)到水資源短缺將成為制約社會(huì)進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸，但是僅靠節(jié)約用水、限制用水、水庫(kù)建設(shè)等措施不足以解決水資源短缺的問(wèn)題。地球上96

6、.5的水存在于海洋中，海水淡化是解決該問(wèn)題的有效途徑1。反滲透海水淡化技術(shù)由于其設(shè)備投資省、建造周期短和規(guī)模靈活等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)發(fā)展迅速2。但反滲透海水淡化系統(tǒng)自動(dòng)化水平偏低，尚無(wú)法全面發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。本文首先基于反滲透技術(shù)基本原理，討論了反滲透系統(tǒng)優(yōu)化方法；其次從系統(tǒng)性能測(cè)試和仿真培訓(xùn)的角度，介紹了反滲透試驗(yàn)平臺(tái)和仿真系統(tǒng)；然后探討了反滲透智能控制系統(tǒng)的應(yīng)用情況；最后，總結(jié)了反滲透海水淡化系統(tǒng)面臨的問(wèn)題，并給出了相關(guān)建議。2 反滲透系統(tǒng)優(yōu)化策略雖然反滲透海水淡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單清晰，但產(chǎn)水效益受到原水水質(zhì)、過(guò)濾器種類、泵組性能、膜組件類型和運(yùn)行方式等諸多因素的影響。根據(jù)反滲透海水淡化工藝數(shù)學(xué)模型進(jìn)行系

7、統(tǒng)優(yōu)化，可提高產(chǎn)水效益。系統(tǒng)優(yōu)化方式可分為運(yùn)行優(yōu)化和系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化。2.1 運(yùn)行優(yōu)化運(yùn)行優(yōu)化可分為兩類，一類為針對(duì)反滲透系統(tǒng)某個(gè)設(shè)備的優(yōu)化，如機(jī)械過(guò)濾器，另一類為針對(duì)反滲透海水淡化廠的調(diào)度運(yùn)行優(yōu)化。機(jī)械過(guò)濾器是海水淡化系統(tǒng)的重要組成部分，可過(guò)濾原水中的懸浮物，從而保障膜元件的運(yùn)行安全。根據(jù)過(guò)濾器出口懸浮物濃度、運(yùn)行時(shí)間、清洗次數(shù)和清洗費(fèi)用建立優(yōu)化模型，通過(guò)優(yōu)化求解，可得到滿足水質(zhì)要求的機(jī)械過(guò)濾器最佳清洗周期，從而降低過(guò)濾器運(yùn)行成本3。反滲透海水淡化廠一般由多個(gè)獨(dú)立的反滲透系統(tǒng)組成，如圖 1所示。圖 1 海水淡化廠結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of Desalination plant反滲

8、透過(guò)程最大的運(yùn)行費(fèi)用為電能消耗費(fèi)用，而在不同的時(shí)間段，電價(jià)不同，如表 1所示。因此，可從供水量需求、各個(gè)反滲透系統(tǒng)性能、實(shí)時(shí)電價(jià)和反滲透系統(tǒng)起停次數(shù)等方面綜合考慮建立優(yōu)化模型，然后通過(guò)優(yōu)化軟件進(jìn)行優(yōu)化，得到反滲透海水淡化廠最優(yōu)運(yùn)行調(diào)度計(jì)劃，從而充分發(fā)揮反滲透系統(tǒng)運(yùn)行潛力，并使產(chǎn)水成本最小4。表 1 舟山峰谷電價(jià)表Tab.1 Peak and off-peak tariff in Zhoushan時(shí)刻0:008:008:0011:0011:0013:0013:0019:0019:0021:0021:0022:0022:000:00電價(jià)（元/度）0.2700.6870.2700.6870.8900

9、.6870.2702.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化可分為兩類，一類為單一壓力容器內(nèi)膜排列優(yōu)化，另一類為反滲透海水淡化系統(tǒng)整體優(yōu)化。單一壓力容器內(nèi)膜排列優(yōu)化指在壓力容器中，通過(guò)合理排列不同類型的膜元件使產(chǎn)水品質(zhì)達(dá)到最好，如圖 2所示。海水淡化壓力容器入口處壓力最高、濃水含鹽量最低，而其出口處壓力最低、濃水含鹽量最高。不同膜元件（如：高抗壓膜、高脫鹽膜等）的給水壓力、透鹽率和膜壓降等均不相同。根據(jù)膜元件性能，采用0-1整數(shù)規(guī)劃的方法，可求出膜元件最佳排列方式，使膜元件在濃水參數(shù)變化的情況下仍然能保持最佳工作狀態(tài)，從而使壓力容器出口產(chǎn)水含鹽量達(dá)到最低4。圖 2 壓力容器示意圖Fig. 2 Schem

10、atic of pressure vessel反滲透海水淡化系統(tǒng)整體優(yōu)化是指根據(jù)不同的給水濃度、產(chǎn)水品質(zhì)和產(chǎn)水流量指標(biāo)，設(shè)計(jì)優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，從而降低投資成本、運(yùn)行成本和產(chǎn)水能耗，提高系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。設(shè)計(jì)優(yōu)化內(nèi)容包括膜元件、高壓泵、增壓泵等設(shè)備的選取和系統(tǒng)級(jí)數(shù)、壓力容器個(gè)數(shù)、膜元件個(gè)數(shù)、回收率、脫鹽率、高壓泵壓力和流量等參數(shù)的確定。反滲透海水淡化工藝流程可用超結(jié)構(gòu)的方法進(jìn)行數(shù)學(xué)描述。超結(jié)構(gòu)包括加壓/減壓物流分布、加壓/減壓物流匹配、反滲透物流分布和反滲透物流匹配四個(gè)框圖。這樣系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化問(wèn)題可表達(dá)為混合整數(shù)非線性規(guī)劃問(wèn)題，通過(guò)求解該規(guī)劃問(wèn)題獲得最佳流程和設(shè)備參數(shù)、操作狀態(tài)6-7。在此基礎(chǔ)上，采用狀

11、態(tài)空間法建立系統(tǒng)超結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型可更全面的描述反滲透系統(tǒng)工藝流程。這種超結(jié)構(gòu)包括所有可行的設(shè)計(jì)方案，可根據(jù)給水變化，改變反滲透系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，選擇恰當(dāng)?shù)牟僮鲄?shù)和膜組件的型號(hào)。然后結(jié)合膜元件模型，將投資費(fèi)用、操作費(fèi)用和設(shè)計(jì)變量相關(guān)聯(lián)，以年費(fèi)用最小為目標(biāo)，將系統(tǒng)的設(shè)計(jì)問(wèn)題表達(dá)為一個(gè)混合整數(shù)非線性規(guī)劃。最后通過(guò)求解可得到最優(yōu)設(shè)計(jì)方案，包括最佳泵組布置方式、壓力容器排布方式、壓力容器中膜元件的個(gè)數(shù)和類型等8。雖然反滲透系統(tǒng)優(yōu)化方法獲得了一定的成果，但是反滲透海水淡化工程還包括預(yù)處理、后處理等輔助設(shè)備，并且上述優(yōu)化過(guò)程只考慮了Na+和Cl- 離子，未考慮其他離子的脫除情況。因此，反滲透海水淡化工程整體設(shè)計(jì)優(yōu)

12、化還需要進(jìn)一步研究。3 反滲透實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)反滲透實(shí)驗(yàn)平臺(tái)應(yīng)集數(shù)據(jù)采集、過(guò)程控制、參數(shù)監(jiān)測(cè)于一體，可根據(jù)不同的給水水質(zhì)，更改系統(tǒng)膜元件的類型和數(shù)量。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)相當(dāng)于微縮版的海水淡化廠，因而可以模擬工廠的實(shí)際運(yùn)行狀況。通過(guò)修正模擬過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)對(duì)工程的精細(xì)化設(shè)計(jì)。中國(guó)電子工程設(shè)計(jì)院建設(shè)了工業(yè)規(guī)模海水淡化實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)，可用于膜法海水淡化工程的實(shí)驗(yàn)研究和測(cè)試。該平臺(tái)設(shè)計(jì)工藝流程如圖 3所示，為到達(dá)進(jìn)水條件相同的目的，SWRO進(jìn)水采用同一管路送水；當(dāng)需要對(duì)比不同預(yù)處理方式的效果時(shí)，SWRO系統(tǒng)也可以分兩路進(jìn)水，其中RO-A和RO-B為一路，RO-C和RO-D為另一路。在線加藥系統(tǒng)分為四組，分別對(duì)應(yīng)

13、不同的SWRO系統(tǒng)。每組SWRO系統(tǒng)包括單獨(dú)的高壓泵、能量回收系統(tǒng)、8英吋反滲透膜組件、管閥和測(cè)量控制系統(tǒng)。該平臺(tái)可用于膜法海水淡化工藝的全流程實(shí)驗(yàn)、不同預(yù)處理的效果評(píng)估、預(yù)處理膜元件（MF或UF）的性能測(cè)試、反滲透膜元件的性能測(cè)試、反滲透系統(tǒng)其他設(shè)備（如能力回收）的性能測(cè)試、化學(xué)藥劑測(cè)試和膜法海水淡化技術(shù)與其他技術(shù)耦合的探索性研究等9。圖 3 試驗(yàn)平臺(tái)示意圖Fig.3 Schematic of experiment platform天津海水淡化與綜合利用研究所依托反滲透膜組件檢測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)發(fā)了基于西門(mén)子S7-300系列PLC的一體化控制系統(tǒng)，可對(duì)海水淡化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行集中檢測(cè)和監(jiān)視，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程

14、操作、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和歷史數(shù)據(jù)調(diào)用。邏輯控制設(shè)有步進(jìn)、成組或單獨(dú)操作等手段,還可設(shè)置步驟時(shí)間、狀態(tài)指示、連鎖和閉鎖功能10。浙江省電力試驗(yàn)研究院構(gòu)建了反滲透動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)裝置。通過(guò)該裝置模擬實(shí)際工程運(yùn)行狀況，可在較短試驗(yàn)周期內(nèi)，解決大型工程中的類似問(wèn)題，為反滲透海水淡化領(lǐng)域的調(diào)試、咨詢和技術(shù)改進(jìn)提供了試驗(yàn)平臺(tái)。該院應(yīng)用試驗(yàn)裝置進(jìn)行阻垢試驗(yàn)，提出了反滲透系統(tǒng)阻垢劑動(dòng)態(tài)模擬評(píng)價(jià)方法11。4 反滲透仿真系統(tǒng)隨著計(jì)算機(jī)控制和自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)的快速發(fā)展，分散控制系統(tǒng)己被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程。海水淡化生產(chǎn)過(guò)程與計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和過(guò)程控制策略的結(jié)合也越來(lái)越緊密，自動(dòng)化程度不斷的提高。因此，運(yùn)行管理人員不

15、僅需要掌握海水淡化工藝的基本知識(shí)，而且應(yīng)不斷提高生產(chǎn)過(guò)程控制技術(shù)水平及對(duì)復(fù)雜工況的處理能力?；谟?jì)算機(jī)技術(shù)的仿真系統(tǒng)可以模擬海水淡化系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行情況，幫助運(yùn)行人員熟悉整個(gè)海水淡化工藝的操作流程，鍛煉運(yùn)行人員檢查、分析、診斷、處理故障的能力。4.1 基于HLA的海水淡化仿真系統(tǒng)HLA是美國(guó)國(guó)防部提出的新一代建模與仿真體系結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)12以黃島發(fā)電廠10000t/d反滲透海水淡化項(xiàng)目為背景，基于HLA設(shè)計(jì)了仿真培訓(xùn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)建立了膜元件、離心泵、PX能量回收裝置和過(guò)程控制模型，采用PID控制方法，完成了反滲透海水淡化運(yùn)行過(guò)程仿真和針對(duì)技能培訓(xùn)的故障工況仿真。4.2 基于LabView的海水淡化仿

16、真系統(tǒng)國(guó)家海洋局海水淡化與綜合利用研究所基于LabView開(kāi)發(fā)了10000t/d反滲透海水淡化仿真培訓(xùn)平臺(tái)13。該平臺(tái)包括3個(gè)界面和2個(gè)窗口，分別為海水淡化工藝流程主界面、控制參數(shù)設(shè)置界面、故障投/退界面、報(bào)警信息窗口和報(bào)警信息記錄窗口；可實(shí)現(xiàn)反滲透工藝流程參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)視、控制回路手/自動(dòng)切換、故障處理等功能；采用基于C/S模式的TCP數(shù)據(jù)通信模塊，實(shí)現(xiàn)了操作員站與三維現(xiàn)場(chǎng)站的實(shí)時(shí)通信。雖然反滲透海水淡化仿真系統(tǒng)已取得初步進(jìn)展，但是這些仿真系統(tǒng)對(duì)反滲透海水淡化過(guò)程的模擬比較簡(jiǎn)單，可擴(kuò)展性不強(qiáng)。5 反滲透控制系統(tǒng)反滲透海水淡化系統(tǒng)具有建造周期短、模塊化程度高、規(guī)模大小靈活等諸多優(yōu)點(diǎn)，是海島地區(qū)的水

17、資源獲取提供了解決方案。海島遠(yuǎn)離大陸交通不便，缺少專業(yè)的日常運(yùn)行維護(hù)人員，因此，迫切需要提高反滲透海水淡化系統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)水平，以保證系統(tǒng)長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行。5.1 基于現(xiàn)場(chǎng)總線的反滲透控制系統(tǒng)山東靈山島300t/d反滲透海水淡化工程采用基于Profinet和Profibus的集成網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)14?？刂凭W(wǎng)絡(luò)分為2層，上層為Profinet，采用抗干擾能力強(qiáng)的光纖作為傳輸介質(zhì)，下層為Profibus-DP，采用Profibus 專用電纜為傳輸介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)主站與DP從站之間的通信。該工程采用超濾-反滲透雙膜法海水淡化工藝，分為海水取水模塊、連續(xù)超濾模塊、反滲透脫鹽模塊、產(chǎn)品水后處理模塊及清洗模塊五部分。

18、通過(guò)集成網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，超濾模塊可根據(jù)運(yùn)行時(shí)間和相關(guān)參數(shù)自動(dòng)切換運(yùn)行方式。運(yùn)行方式包括正常運(yùn)行、氣水雙洗和反沖洗三種。反滲透模塊具備自動(dòng)運(yùn)行、聯(lián)鎖保護(hù)及故障自動(dòng)診斷的功能。5.2 基于現(xiàn)PLC的反滲透控制系統(tǒng)西沙永興島100t/d海水淡化控制系統(tǒng)采用PLC和HMI相結(jié)合的控制結(jié)構(gòu)，將RS485作為HMI與PLC之間的通訊協(xié)議15。PLC采用西門(mén)子S7-200系列，包括226系列CPU模塊、4塊EM235和2塊EM222擴(kuò)展模塊。PLC包括主程序、數(shù)據(jù)信息采集、故障報(bào)警、超濾和反滲透控制程序。HMI采用威綸通MT8104iH觸摸屏。HMI具有手/自動(dòng)切換、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)控、連鎖報(bào)警等功能。該系統(tǒng)通過(guò)P

19、ID結(jié)合變頻器節(jié)能控制模塊調(diào)節(jié)高壓泵轉(zhuǎn)速，使高壓泵運(yùn)行在出力高效區(qū)，提高了運(yùn)行效率，節(jié)省了用電費(fèi)用。舟山六橫島10000t/d反滲透海水淡化系統(tǒng)采用西門(mén)子S7-300系列PLC，設(shè)置1個(gè)上位工程師站、1個(gè)下位控制主站和多個(gè)下位控制分站16。上位工程師站與下位控制主站采用工業(yè)以太網(wǎng)連接。下位控制主站與分站之間采用Profibus通信協(xié)議?？刂葡到y(tǒng)可遠(yuǎn)程監(jiān)視、控制和協(xié)調(diào)反滲透海水淡化設(shè)備，并記錄系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，確保整個(gè)系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。6 結(jié)論隨著反滲透海水淡化工程規(guī)模的不斷擴(kuò)大，以及熱法-膜法、風(fēng)電-反滲透、光伏-反滲透等耦合系統(tǒng)不斷涌現(xiàn)，超大規(guī)模、多系統(tǒng)聯(lián)合制水工程將逐漸成為發(fā)展的主流。因而，

20、多系統(tǒng)組合和系統(tǒng)調(diào)度優(yōu)化將成為反滲透海水淡化系統(tǒng)面臨的主要問(wèn)題。自動(dòng)化技術(shù)可為海水淡化多系統(tǒng)組合和系統(tǒng)調(diào)度優(yōu)化問(wèn)題提供有效的解決方案，但目前海水淡化領(lǐng)域的自動(dòng)化技術(shù)研究與實(shí)際工程的要求還存在一定差距。因此，需要從以下三個(gè)方面進(jìn)一步研究從而提高反滲透海水淡化工程的自動(dòng)化水平：1、建立綜合考慮預(yù)處理、膜組件維護(hù)、多機(jī)組協(xié)調(diào)和多系統(tǒng)耦合的反滲透海水淡化系統(tǒng)模型；2、根據(jù)系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)通用的反滲透仿真控制系統(tǒng)，為先進(jìn)控制算法和調(diào)度策略提供測(cè)試平臺(tái)，并為運(yùn)行人員培訓(xùn)提供模擬操作平臺(tái)；3、借鑒電力、石油、化工等行業(yè)應(yīng)用先進(jìn)控制系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合新型的控制算法和調(diào)度策略，實(shí)現(xiàn)反滲透海水淡化系統(tǒng)控制方式智能化、運(yùn)

21、行過(guò)程高效化和經(jīng)濟(jì)效益最大化的目標(biāo)。參考文獻(xiàn)：1 王世昌. 海水淡化工程M. 化學(xué)工業(yè)出版社. 2003.2 陳躍華,安恩科. 海水淡化與火力發(fā)電廠現(xiàn)狀J. 水電能源科學(xué),2007, 25(5):145-148.3 徐丁. 反滲透海水淡化系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行與調(diào)度研究D. 杭州:杭州電子科技大學(xué), 2010. 4 蔣鎮(zhèn)軍. 海水淡化優(yōu)化運(yùn)行與調(diào)度系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)D. 杭州: 杭州電子科技大學(xué), 2012.5 孫浩, 靖大為. 反滲透系統(tǒng)中膜元件位置優(yōu)化的0-1整數(shù)規(guī)劃算法J. 膜科學(xué)與技術(shù), 2012, 32(1):55-57,74.6 M.M. El-Halwagi. Synthesis of re

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