自动化技术在反渗透海水淡化系统中的应用

1、自动化技术在反渗透海水淡化系统中的应用李 超，李利平（中国电力工程顾问集团公司，北京 100120）摘要：反渗透海水淡化技术具有低能耗、安装维护简便、易于模块化扩展等特点，因而，得到了广泛的推广和应用。为了进一步提高其工程设计和控制运行方面的自动化水平。本文从系统设计优化、运行调度优化、实验平台设计、仿真系统设计和控制系统应用等方面展开讨论，分析了自动化技术在反渗透海水淡化系统中的应用情况，并从系统整体建模、通用仿真平台和新型控制算法方面给出了相关建议，以期为我国反渗透海水淡化系统设计和发展提供参考。关键词：自动化技术；海水淡化；系统优化；控制系统；试验平台。中图分类号：TP29 P747+.

2、6 文献标志码：A 文章编号：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。我国 610个中等以上城市，不同程度缺水的就达 400 多个。我国已认识到水资源短缺将成为制约社会进步和经济发展的瓶颈，但是仅靠节约用水、限制用水、水库建设等措施不足以解决水资源短缺的问题。地球上96

6、.5的水存在于海洋中，海水淡化是解决该问题的有效途径1。反渗透海水淡化技术由于其设备投资省、建造周期短和规模灵活等优点，近年来发展迅速2。但反渗透海水淡化系统自动化水平偏低，尚无法全面发挥其优势。本文首先基于反渗透技术基本原理，讨论了反渗透系统优化方法；其次从系统性能测试和仿真培训的角度，介绍了反渗透试验平台和仿真系统；然后探讨了反渗透智能控制系统的应用情况；最后，总结了反渗透海水淡化系统面临的问题，并给出了相关建议。2 反渗透系统优化策略虽然反渗透海水淡化系统结构简单清晰，但产水效益受到原水水质、过滤器种类、泵组性能、膜组件类型和运行方式等诸多因素的影响。根据反渗透海水淡化工艺数学模型进行系

7、统优化，可提高产水效益。系统优化方式可分为运行优化和系统设计优化。2.1 运行优化运行优化可分为两类，一类为针对反渗透系统某个设备的优化，如机械过滤器，另一类为针对反渗透海水淡化厂的调度运行优化。机械过滤器是海水淡化系统的重要组成部分，可过滤原水中的悬浮物，从而保障膜元件的运行安全。根据过滤器出口悬浮物浓度、运行时间、清洗次数和清洗费用建立优化模型，通过优化求解，可得到满足水质要求的机械过滤器最佳清洗周期，从而降低过滤器运行成本3。反渗透海水淡化厂一般由多个独立的反渗透系统组成，如图 1所示。图 1 海水淡化厂结构图Fig.1 Structure of Desalination plant反渗

8、透过程最大的运行费用为电能消耗费用，而在不同的时间段，电价不同，如表 1所示。因此，可从供水量需求、各个反渗透系统性能、实时电价和反渗透系统起停次数等方面综合考虑建立优化模型，然后通过优化软件进行优化，得到反渗透海水淡化厂最优运行调度计划，从而充分发挥反渗透系统运行潜力，并使产水成本最小4。表 1 舟山峰谷电价表Tab.1 Peak and off-peak tariff in Zhoushan时刻0:008:008:0011:0011:0013:0013:0019:0019:0021:0021:0022:0022:000:00电价（元/度）0.2700.6870.2700.6870.8900

9、.6870.2702.2 系统设计优化系统设计优化可分为两类，一类为单一压力容器内膜排列优化，另一类为反渗透海水淡化系统整体优化。单一压力容器内膜排列优化指在压力容器中，通过合理排列不同类型的膜元件使产水品质达到最好，如图 2所示。海水淡化压力容器入口处压力最高、浓水含盐量最低，而其出口处压力最低、浓水含盐量最高。不同膜元件（如：高抗压膜、高脱盐膜等）的给水压力、透盐率和膜压降等均不相同。根据膜元件性能，采用0-1整数规划的方法，可求出膜元件最佳排列方式，使膜元件在浓水参数变化的情况下仍然能保持最佳工作状态，从而使压力容器出口产水含盐量达到最低4。图 2 压力容器示意图Fig. 2 Schem

10、atic of pressure vessel反渗透海水淡化系统整体优化是指根据不同的给水浓度、产水品质和产水流量指标，设计优化系统结构，从而降低投资成本、运行成本和产水能耗，提高系统经济性指标。设计优化内容包括膜元件、高压泵、增压泵等设备的选取和系统级数、压力容器个数、膜元件个数、回收率、脱盐率、高压泵压力和流量等参数的确定。反渗透海水淡化工艺流程可用超结构的方法进行数学描述。超结构包括加压/减压物流分布、加压/减压物流匹配、反渗透物流分布和反渗透物流匹配四个框图。这样系统设计优化问题可表达为混合整数非线性规划问题，通过求解该规划问题获得最佳流程和设备参数、操作状态6-7。在此基础上，采用状

11、态空间法建立系统超结构的数学模型可更全面的描述反渗透系统工艺流程。这种超结构包括所有可行的设计方案，可根据给水变化，改变反渗透系统结构，选择恰当的操作参数和膜组件的型号。然后结合膜元件模型，将投资费用、操作费用和设计变量相关联，以年费用最小为目标，将系统的设计问题表达为一个混合整数非线性规划。最后通过求解可得到最优设计方案，包括最佳泵组布置方式、压力容器排布方式、压力容器中膜元件的个数和类型等8。虽然反渗透系统优化方法获得了一定的成果，但是反渗透海水淡化工程还包括预处理、后处理等辅助设备，并且上述优化过程只考虑了Na+和Cl- 离子，未考虑其他离子的脱除情况。因此，反渗透海水淡化工程整体设计优

12、化还需要进一步研究。3 反渗透实验平台设计反渗透实验平台应集数据采集、过程控制、参数监测于一体，可根据不同的给水水质，更改系统膜元件的类型和数量。实验平台相当于微缩版的海水淡化厂，因而可以模拟工厂的实际运行状况。通过修正模拟过程中出现的问题，实现对工程的精细化设计。中国电子工程设计院建设了工业规模海水淡化实验验证平台，可用于膜法海水淡化工程的实验研究和测试。该平台设计工艺流程如图 3所示，为到达进水条件相同的目的，SWRO进水采用同一管路送水；当需要对比不同预处理方式的效果时，SWRO系统也可以分两路进水，其中RO-A和RO-B为一路，RO-C和RO-D为另一路。在线加药系统分为四组，分别对应

13、不同的SWRO系统。每组SWRO系统包括单独的高压泵、能量回收系统、8英吋反渗透膜组件、管阀和测量控制系统。该平台可用于膜法海水淡化工艺的全流程实验、不同预处理的效果评估、预处理膜元件（MF或UF）的性能测试、反渗透膜元件的性能测试、反渗透系统其他设备（如能力回收）的性能测试、化学药剂测试和膜法海水淡化技术与其他技术耦合的探索性研究等9。图 3 试验平台示意图Fig.3 Schematic of experiment platform天津海水淡化与综合利用研究所依托反渗透膜组件检测实验平台开发了基于西门子S7-300系列PLC的一体化控制系统，可对海水淡化实验平台进行集中检测和监视，实现了远程

14、操作、实时数据存储和历史数据调用。逻辑控制设有步进、成组或单独操作等手段,还可设置步骤时间、状态指示、连锁和闭锁功能10。浙江省电力试验研究院构建了反渗透动态模拟试验装置。通过该装置模拟实际工程运行状况，可在较短试验周期内，解决大型工程中的类似问题，为反渗透海水淡化领域的调试、咨询和技术改进提供了试验平台。该院应用试验装置进行阻垢试验，提出了反渗透系统阻垢剂动态模拟评价方法11。4 反渗透仿真系统随着计算机控制和自动检测技术的快速发展，分散控制系统己被广泛地应用于工业生产过程。海水淡化生产过程与计算机技术、网络通信技术和过程控制策略的结合也越来越紧密，自动化程度不断的提高。因此，运行管理人员不

15、仅需要掌握海水淡化工艺的基本知识，而且应不断提高生产过程控制技术水平及对复杂工况的处理能力。基于计算机技术的仿真系统可以模拟海水淡化系统的实际运行情况，帮助运行人员熟悉整个海水淡化工艺的操作流程，锻炼运行人员检查、分析、诊断、处理故障的能力。4.1 基于HLA的海水淡化仿真系统HLA是美国国防部提出的新一代建模与仿真体系结构。文献12以黄岛发电厂10000t/d反渗透海水淡化项目为背景，基于HLA设计了仿真培训系统。该系统建立了膜元件、离心泵、PX能量回收装置和过程控制模型，采用PID控制方法，完成了反渗透海水淡化运行过程仿真和针对技能培训的故障工况仿真。4.2 基于LabView的海水淡化仿

16、真系统国家海洋局海水淡化与综合利用研究所基于LabView开发了10000t/d反渗透海水淡化仿真培训平台13。该平台包括3个界面和2个窗口，分别为海水淡化工艺流程主界面、控制参数设置界面、故障投/退界面、报警信息窗口和报警信息记录窗口；可实现反渗透工艺流程参数实时监视、控制回路手/自动切换、故障处理等功能；采用基于C/S模式的TCP数据通信模块，实现了操作员站与三维现场站的实时通信。虽然反渗透海水淡化仿真系统已取得初步进展，但是这些仿真系统对反渗透海水淡化过程的模拟比较简单，可扩展性不强。5 反渗透控制系统反渗透海水淡化系统具有建造周期短、模块化程度高、规模大小灵活等诸多优点，是海岛地区的水

17、资源获取提供了解决方案。海岛远离大陆交通不便，缺少专业的日常运行维护人员，因此，迫切需要提高反渗透海水淡化系统的监控系统水平，以保证系统长期安全稳定运行。5.1 基于现场总线的反渗透控制系统山东灵山岛300t/d反渗透海水淡化工程采用基于Profinet和Profibus的集成网络控制系统14。控制网络分为2层，上层为Profinet，采用抗干扰能力强的光纤作为传输介质，下层为Profibus-DP，采用Profibus 专用电缆为传输介质，实现主站与DP从站之间的通信。该工程采用超滤-反渗透双膜法海水淡化工艺，分为海水取水模块、连续超滤模块、反渗透脱盐模块、产品水后处理模块及清洗模块五部分。

18、通过集成网络控制系统，超滤模块可根据运行时间和相关参数自动切换运行方式。运行方式包括正常运行、气水双洗和反冲洗三种。反渗透模块具备自动运行、联锁保护及故障自动诊断的功能。5.2 基于现PLC的反渗透控制系统西沙永兴岛100t/d海水淡化控制系统采用PLC和HMI相结合的控制结构，将RS485作为HMI与PLC之间的通讯协议15。PLC采用西门子S7-200系列，包括226系列CPU模块、4块EM235和2块EM222扩展模块。PLC包括主程序、数据信息采集、故障报警、超滤和反渗透控制程序。HMI采用威纶通MT8104iH触摸屏。HMI具有手/自动切换、现场实时监控、连锁报警等功能。该系统通过P

19、ID结合变频器节能控制模块调节高压泵转速，使高压泵运行在出力高效区，提高了运行效率，节省了用电费用。舟山六横岛10000t/d反渗透海水淡化系统采用西门子S7-300系列PLC，设置1个上位工程师站、1个下位控制主站和多个下位控制分站16。上位工程师站与下位控制主站采用工业以太网连接。下位控制主站与分站之间采用Profibus通信协议。控制系统可远程监视、控制和协调反渗透海水淡化设备，并记录系统的运行状况，确保整个系统安全稳定运行。6 结论随着反渗透海水淡化工程规模的不断扩大，以及热法-膜法、风电-反渗透、光伏-反渗透等耦合系统不断涌现，超大规模、多系统联合制水工程将逐渐成为发展的主流。因而，

20、多系统组合和系统调度优化将成为反渗透海水淡化系统面临的主要问题。自动化技术可为海水淡化多系统组合和系统调度优化问题提供有效的解决方案，但目前海水淡化领域的自动化技术研究与实际工程的要求还存在一定差距。因此，需要从以下三个方面进一步研究从而提高反渗透海水淡化工程的自动化水平：1、建立综合考虑预处理、膜组件维护、多机组协调和多系统耦合的反渗透海水淡化系统模型；2、根据系统模型设计通用的反渗透仿真控制系统，为先进控制算法和调度策略提供测试平台，并为运行人员培训提供模拟操作平台；3、借鉴电力、石油、化工等行业应用先进控制系统的经验，结合新型的控制算法和调度策略，实现反渗透海水淡化系统控制方式智能化、运

21、行过程高效化和经济效益最大化的目标。参考文献：1 王世昌. 海水淡化工程M. 化学工业出版社. 2003.2 陈跃华,安恩科. 海水淡化与火力发电厂现状J. 水电能源科学,2007, 25(5):145-148.3 徐丁. 反渗透海水淡化系统优化运行与调度研究D. 杭州:杭州电子科技大学, 2010. 4 蒋镇军. 海水淡化优化运行与调度系统的研究与开发D. 杭州: 杭州电子科技大学, 2012.5 孙浩, 靖大为. 反渗透系统中膜元件位置优化的0-1整数规划算法J. 膜科学与技术, 2012, 32(1):55-57,74.6 M.M. El-Halwagi. Synthesis of re

22、verse osmosis networks for waste reductionJ. AICHE J. 1992, 38: 1185-1198 7 M. Zhu, M.M. El-Halwagi. Optimal design and scheduling of flexible reverse osmosis networks J. Journal of membrane science. 1997, 129: 161-174.8 Lu Yanyue, Hu Yang-Dong, Zhang Xiu-Ling; et al. Optimum design of reverse osmosis system under different feed concentration and product specific