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中水反渗透自动化监控系统的设计与应用

0反渗透水处理系统在电厂中的应用为了加强环境可持续发展战略,国家和政府有关部门高度重视污水处理厂废水排放的示范和改造,加快污水收集和城市水回收利用。同时,采取了多项政策,鼓励大型国有企业和家庭用自来水代替自来水,以提高环境效率。中水回用系统产水作为电厂水源,稳定供给是实现电厂正常生产的必要前提。,为保障中水回用系统的稳定运行,设计开发了一套运行稳定可靠、操作简洁方便的自动监控系统,在保障产水稳定的前提下,可实现无人或少人值守,提高工厂自动化水平。反渗透作为主流水处理技术之一,具有技术成熟、能耗较低、组合灵活等多种优点,广泛应用于电力、化工等行业中。该文以内蒙古杭锦后旗某电厂50t/h中水反渗透项目为例,对其一体化集控系统的设计开发进行详细介绍。1反渗透系统设计中水反渗透系统主体采用“多介质+一级二段反渗透”的工艺流程,系统包括预处理单元、反渗透单元和产水输送单元及清洗加药单元,反渗透产水主要用于为电厂循环冷却水进行补水。中水反渗透工艺流程如图1所示。预处理单元:污水处理厂中水经管网输送至电厂,投加非氧化杀菌剂后进入多介质过滤器进行初步过滤,用于去除原水中的大颗粒悬浮物,经多介质过滤器过滤后的产品水进入中间水箱。反渗透单元:中间水泵将多介质过滤器产水提升至保安过滤器进行二次过滤后,再经高压泵加压进入一段反渗透膜组,一段反渗透浓水作为二段进水;一、二段产水经产品水输送泵提升共同进入循环冷却补水蓄水池,二段浓水分为两路,一路直接排放,另一路回流至保安过滤器后,与原多介质产水混合再次进行反渗透处理,从而提高系统回收率。辅助单元:由清洗和加药两部分组成。清洗系统针对膜结构的成分又分为酸洗和碱洗,使用周期一般为一季度至半年一次,相对独立。加药系统又包括杀生剂、阻垢剂、还原剂和碱剂等。2系统控制过程的研究2.1多介质过滤器控制步序由于反渗透膜对于进水水质要求较为严苛,污水厂中水难以达到其要求,故而系统预处理单元设置多介质过滤器和保安过滤器双重措施确保预处理产水水质达标。运行期间,在中水供水量不变的情况下,多介质过滤器和保安过滤器的操作压差会随时间不断变大,中水经过预处理系统的渗透速率也会不断下降,从而导致预处理产水量不断衰减。因此需要根据采集的压差值(≥0.15MPa)对保安过滤器进行定时更换;并根据预处理PLC采集运算的累计运行时间和压差来实现对多介质过滤器的运行、正洗、反洗、气洗等工作状态的自动化切换。多介质过滤器的控制步序:1)排气打开多介质过滤器进水阀、排气阀,直至排气阀出水后,关闭排气阀,完成排气;2)正洗保持进水阀打开状态、打开下排阀,运行60s后,关闭下排阀完成正洗;3)产水保持进水阀打开状态、打开产水阀,累计运行48h或压差≥0.08MPa后停止正常产水,准备进行冲洗;4)气洗关闭进水阀和产水阀,打开进气阀、上排阀和排气阀,进行60s气洗后停止;5)反洗关闭进气阀和排气阀,打开反洗阀,启动反洗泵,运行15min后,停止反洗泵,关闭反洗阀、上排阀,重复第1步操作步骤。上述各步骤对应的阀门开关状态如表1所示,其中“√”为阀门开状态,“×”为阀门关状态,多介质过滤器阀门对应的P&ID流程如图2所示。此外,系统还可根据运行过程实际需求,在上位机监控界面对系统各步骤的运行时间参数进行调整。2.2中水处理工艺技术及在线仪表反渗透单元为整个中水处理系统的主机单元,是整个中水处理系统最为关键和核心的部分,其工艺流程、设备分布及在线仪表如图3所示。主机控制过程包括自动启动、自动停机和设备急停。1启动中间提升泵,关闭无合格水阀中间水箱水位达到中液位时,系统具备启动条件,启动步序如下:(1)打开不合格水阀和浓排阀,启动中间提升泵,低压状态下冲洗2min;(2)关闭浓排阀,启动高压泵,高压泵为VFD变频控制,启动方式为斜坡启动;(3)系统运行稳定后,当产水电导小于电导设置高值后(初始值200μs/cm),系统自动打开合格水阀,关闭不合格水阀。至此,系统完成全自动启动全部步骤。2高压泵停机及频率降低系统自动停机或中间水箱液位达到低值时候,系统首先停止高压泵,高压泵停机采用斜坡方式,频率逐步降至预设置25Hz后再完全停止;中间提升泵延迟1min后自动停止,待提升泵、高压泵完全停止后,关闭合格水阀,系统完成自动停机。3水压力值设定系统在全自动运行的情况下,WinCC上位监控界面实时采集高压泵进出口压力数值。当高压泵进水压力值小于压力开关预设值时(初始值0.15MPa)时或膜组进水压力高于设置值时(初始值1.6MPa),系统自动停机并出现设备复位键。为避免高压泵急停形成的水锤效应给反渗透膜组和管路带来的冲击力过大,系统同样设置高压泵为阶梯式停机,即在低速运行一定时间后再完全停机。2.3反渗透化学清洗系统加药单元运行是否正常直接关系到产品水水质及反渗透膜组使用寿命,加药单元具体包括:非氧化杀生剂、阻垢剂、还原剂和碱剂。系统自动运行后,加药单元随着自动投加非氧化杀生剂、阻垢剂和还原剂。碱剂的投机取决于中水系统产水的pH值,当产水pH值小于预设值(初始值6.5)时,碱剂加药泵开始投入运行,反正则停止运行。反渗透化学清洗周期一般为每季度或两季度清洗一次,当WinCC上位采集到的数据表明跨膜压差上升明显或低于设计产水量10%以上时,则需要根据具体结垢成分来制定酸洗或碱洗方案。由于清洗系统使用率较低,系统未设计全自动清洗程序。系统停机清洗时,上位监控机将“自动”切换至“手动”,再在上位机依次打开清洗泵和对应阀门进行清洗工作。3基于信息系统的设计和开发3.1点开关量输出d中水回用系统控制规模属中小型,监控点数77点,其中22点模拟量输入(AI),1点模拟量输出(AO),41点开关量输入(DI),13点开关量输出(DO)。综合考虑经济性、适用性、可靠性及可扩展性,系统采用了西门子S7-200Smart型号产品,该系列产品适用于中小型系统,具有较强的扩容性,此外还集成了独立的以太网口,组态通信更加方便灵活,具体模块配置如表2所示。3.2反渗透控制模块控制系统程序设计采用与西门子S7-200Smart配套的STEP7-MicroWinSMART编程语言进行开发。采用模块化的设计思路,其程序具有较强的可读性和扩容性。具体包括:系统初始化模块、模拟量转化模块、预处理模块、反渗透模块、清洗及加药系统模块等,其中反渗透模块是整个程序设计的关键,其逻辑框图如图4所示。反渗透控制模块实现的主要连锁保护有:(1)中间水箱设置低液位保护和中液位启动,当液位≤500mm,系统停机并报警,当液位恢复至1300mm以上后,系统恢复运行;(2)高压泵进出口分别设置高低压保护,当供水压力≤0.15MPa或高压泵出口压力≥1.6MPa时,系统停机并报警;(3)产水电导≤200μS/cm时,合格阀打开,不合格阀关闭;产水电导≥200μS/cm时,合格阀打开,不合格阀关闭;(4)反渗透进水ORP≥300mV时,系统启动还原剂加药泵;(5)反渗透产水pH≤6.5时,系统自动启动碱剂加药泵。3.3上位监控单元整套上位监控界面采用标准化、模块化的设计方法,采用WinCCExplorer的编程开发环境,实现对预处理、反渗透、辅助等单元关键参数的实时监控和有效管理,确保中水反渗透装置长期稳定运行。上位监控单元除实时监测海水淡化工艺流程及参数、还具备一键启停,历史参数查询、关键参数设置、Horn声控报警等功能,在确保设备稳定运行的同时,也大大降低了操作人员的工作强度,提高了系统的自动化水平。此外,为了直观深入地了解和统计中水反渗透装置连续运行情况,系统还利用VC编程脚本实现了数据自动存储功能,将上位机采集的各项运行数据自动导入Excel数据表,用于数据的存储和管理,上位监控界面如图5所示。4装置运行效果基于PLC和WinCC的集控系统在内蒙巴彦淖尔某电厂50t/h中水反渗透处理系统中成功应用。实际装置如图6所示。系统已连续稳定运行2个月,累计产水量5万吨。运行结果表明:系统自动化程度高,运行稳定安全,实现各单元高效匹配和协同运行,系统脱盐率及回收率等各项性能指标达到预期设计要求,出水

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