远海港口反渗透海水淡化装置及电控系统

2019-01-18翟永革于宗松

中国港湾建设 2019年1期

翟永革，于宗松

（中交一航局安装工程有限公司，天津 300450）

1 概述

本装置用于某远海港口，本工程海水通过管涵从港池取水，通过管道输送到海水淡化间。海水淡化系统产水能力1 440 m3/d，采用“过滤+二级反渗透淡化（RO）”工艺，设置2套单机720 m3/d淡化装置，每套装置可独立运行，其中冲洗/化学清洗系统、加药系统共用。淡化装置包括预处理系统、反渗透系统及系统内的管路和阀门，以及电气、仪表和自动控制系统。

2 主要结构及工作原理

2.1 主要结构

装置放置于海水淡化处理车间内，主要分为预处理、一级反渗透、二级反渗透、清洗和加药等几个部分。车间布置见图1。

2.1.1 预处理系统

预处理系统包括EPD过滤器和中间水箱。进水配置混凝、杀生处理装置。

每套设置3台EPD过滤器，共6台，采用玻璃钢FRP材质罐体，每台处理水量为30 m3/h。无需反洗水泵，根据时间、压差可使用过滤后的海水手动进行反冲洗。

2.1.2 一级反渗透系统

一级反渗透系统包括：中间水泵、保安过滤器、一级反渗透膜组、增压泵、一级高压泵、能量回收装置及附属设备，中间水泵和高压泵变频控制。

共2套一级反渗透系统，设计回收率为40%，每套有10支6芯的压力容器，共计120支20．32 cm（8 in）的海水膜元件。该反渗透膜元件产水量大，脱盐率较高，可有效减少进水量，降低一级反渗透系统的操作压力，有助于提高生产效率、降低运行能耗。

图1 车间设备布置图Fig.1 Workshop equipment layout

一级反渗透浓海水通过功交换式能量回收装置PX，可把浓海水的压力直接传递给流入的原海水，能耗降低，效率可达95%以上。

2.1.3 二级反渗透系统

二级反渗透系统包括：二级高压泵、二级高压泵变频控制、二级反渗透膜堆及附属设备等。

二级反渗透系统共2套，设计的回收率为90%，每套有5支6芯压力容器，共60支20．32 cm（8 in）节能型高脱硼低压膜元件。二级反渗透系统设计采用两段式，一段浓海水全部进入二段，3∶2排列，两段产水混合成二级反渗透产水，二级反渗透浓海水全部回流至中间水箱，可以进行再利用。

2.1.4 冲洗/化学清洗系统

设置1套冲洗/化学清洗系统，可为所有工程共用。包括水泵、冲洗/化学清洗水箱、保安过滤器及附属设备，冲洗/化学清洗水泵采用变频控制。

当反渗透装置停止运行时，用一级反渗透产水自动冲洗膜内及管道中的浓海水，这样使膜完全浸泡在淡水中，用以置换系统内的浓海水，可以防止系统腐蚀和膜的自然渗透造成的生物污染和膜损坏，还可以防止再次运行时加入的药剂形成亚稳态在膜上沉淀，冲洗的过程还可以带走部分污垢，形成对膜和装置的有效保养。

2.1.5 加药系统

加药系统可进行杀生剂、还原剂、阻垢剂、NaOH和非氧化杀生剂等加药，并预留混凝剂投加系统。

2.2 工作原理

反渗透法是目前主要使用的一种海水淡化技术，本装置采用反渗透技术，海水取水加压后进入EPD过滤器，可去除大部分海水中的悬浮物、沙粒等。清洁海水过滤后存储于中间水箱，经过中间水泵后分成两部分，一部分进入到高压泵，经高压泵加压后进入到一级反渗透膜组内，另一部分进入到能量回收装置中利用反渗透浓海水的余压进行加压，再由增压泵加压进入反渗透膜组中。经过一级反渗透处理的产水存储于一级产水箱，然后进行二级处理。由于二级反渗透浓海水含盐量远小于原海水，约2 500 mg/L以下，循环回流至中间水箱，与原海水一起进行一级反渗透处理[1]。二级反渗透产水后水质完全满足GB 5749—2006《生活饮用水卫生标准》。工艺流程见图2。

图2 工艺流程图Fig.2 Process flow chart

3 主要性能参数

本装置处理量为1 440 m3/d，单台处理量720 m3/d，反渗透产水时总溶解固体10 mg/L，设计年运行时间8 000 h，RO膜更换周期3次/a，反渗透清洗周期2次/a。

4 海水淡化电气控制

4.1 概述

电气与控制系统是海水淡化装置的重要组成部分，可完成装置连续试验和运行过程中的安全供电、参数检测、逻辑运算、顺序控制、故障诊断和连锁保护等功能，是实现装置稳定运行的关键措施和重要保证[2]。

按照装置的工艺特点及控制要求，本控制系统设计有以下功能：为了不同种类信号的采集与处理，硬件设置采用模块化配置；为了系统的编程与组态，软件开发采用标准化软件程序包[3]；为了系统的维护和诊断，通讯功能具备现场总线和工业以太网通讯接口。

4.2 设计原则

4.2.1 安全、可靠

从工艺特点、介质特性、适用工况、操作要求和自动化水平等方面综合考虑，满足整个反渗透海水淡化工艺流程的监测和控制要求，确保装置能够长期安全、稳定、可靠运行是设计的基本原则。

4.2.2 操作、维护与维修方便

各系统便于学习掌握、操作简单，而且监控画面显示直观。维护和维修便利，易于查找故障、排除故障。

4.2.3 实用性强、通用性好

保证反渗透海水淡化装置运行的连续性、稳定性和安全性，同时兼顾系统的可操作性、可扩充性和可协调性，满足今后生产发展和工艺改进的需要。

4.2.4 经济性高

系统的性能价格比尽可能高，从提高产品质量与产量、节能降耗、减少污染、改善劳动条件等经济效益和社会效益方面综合评估。

4.3 供配电系统

4.3.1 供配电电压

本工程用电负荷采用380 V/220 V（AC）、频率50 Hz、三相四线制，电源电压等级为380 V（AC）±10%、50 Hz控制电源电压等级为220 V（AC）±10%，保护电源电压等级为24 V（DC）±10%。

4.3.2 系统配电方案

根据设备容量统计电气系统的安装总容量为400 kW，工作容量约358 kW，实际计算功率约为 240．5 kW。

本工程具有节能和工艺有特殊要求的用电设备均采用变频控制，其他水泵为直接启动，加药泵等小型用电设备设就地配电箱。设备用电负荷清单见表1。

表1 设备用电负荷清单Table 1 Equipment power load list

4.3.3 电气系统设计

本工程在配电室共设1台进线柜和3台变频柜，满足工程当地环境气象条件要求。

1）进线柜：柜内元器件单面布置，共设1路进线、1路变频回路和2路电源回路。前门面板设置综合智能表，用于显示进线电压和电流；设置冲/清洗水泵变频器操作面板；设置合闸指示灯、合闸按钮、分闸指示灯、分闸按钮。

2）1号变频柜：柜内元器件单面布置，共设2路变频回路和1路备用电源回路。前门面板分别设置1号一级高压泵和2号一级高压泵变频器操作面板。

3）2号变频柜：柜内元器件单面布置，共设3路变频回路、1路备用电源回路和1路车间照明电源。前门面板分别设置1号二级高压泵、1号中间水泵和1号增压泵变频器操作面板。

4）3号变频柜：柜内元器件单面布置，共设3路变频回路、1路备用电源回路、1路控制柜电源和1路加药柜电源。前门面板分别设置2号二级高压泵、2号中间水泵和2号增压泵变频器操作面板。

5）就地加药箱：采用落地式，威图柜型，就地加药柜可实现EPD过滤器、杀菌剂加药泵、非氧化剂加药泵、絮凝剂加药泵、还原剂加药泵、阻垢剂加药泵和碱剂加药泵7种设备的就地远程切换和就地启/停功能。

4.4 控制系统

控制系统采用“PLC+上位机”的监控方式，流程内所有水泵均采用变频器驱动。控制室不设置二次仪表显示屏，工艺系统内所有的操作和监视功能均在上位机监控画面中完成。

在充分满足工艺控制要求的前提下，兼顾系统的稳定性、可靠性、可操作性和可扩展性，最终达到提高自动化运行水平，降低操作维护难度，实现少人或无人值守等目的。

4.4.1 系统配置

控制系统主要设备及安装位置：在配电室设置1台PLC控制柜，在现场共设置2台一级反渗透控制箱，2台二级反渗透控制箱和1台套就地仪表箱。

1）PLC控制柜：与进线柜和变频柜成单列并排布置。柜体采用威图柜型，内部元器件为湿热型产品（TH）。

采用S7-300系列可编程控制器，预留位置作为I/O备用点数，配置一套CPU、模拟量输入/输出、开关量输入/输出等模块。人机界面采用工控机，安装WinCC7．0监控软件，实现流程演示、数据监测、数据记录存储和故障预警等功能。

2）一级反渗透控制箱：箱体采用壁挂式，威图柜型，该控制箱主要实现一级反渗透流程内相关的电控阀门就地远程切换、就地启/停功能。

3）二级反渗透控制箱：箱体采用壁挂式，威图柜型，该控制箱主要实现二级反渗透流程内相关的电控阀门就地远程切换、就地启/停功能。

4）就地仪表箱：箱柜体采用壁挂式，威图柜型，该控制箱主要实现冲/清洗系统的仪表接线以及分析仪表显示。

4.4.2 硬件设计

1）按照海水淡化装置的工艺流程图，控制系统总点数为202点，考虑了15%系统余量。

2）1号、2号反渗透海水淡化装置的点数均为90点，模拟量输入（AI）26点；模拟量输出（AO）4点；开关量输入（DI）44点；开关量输出（DO）16点。

3）模拟量输入（AI）4点，公共系统点数22点；模拟量输出（AO）1点；开关量输入（DI）14点；开关量输出（DO）3点。

4）1号、2号反渗透海水淡化装置各自设置操作员站，用于所有用电设备的调节、控制和参数采集等，这样可用于上位机软件的组态、开发、调试和维护。

4.4.3 软件开发

软件系统分为PLC编程软件、上位机监控软件和通讯软件等。其中，采用WINCC V7．0版上位机监控组态软件、采用Step7 V5．5版PLC编程软件、采用TCP/IP工业以太网通讯软件。采用Windows 7．0以上操作系统作为软件设计平台。

1）PLC编程

根据生产过程控制要求的复杂程度不同，综合采用顺序逻辑图和逻辑语句表相结合的编程方法，按结构形式将程序分为主程序块和子程序块。为实现系统的数据采集、过程控制和保护等复杂的控制算法，可通过组织块（OB1）、功能块（FB、FC）、系统功能块（SFB、SFC）、数字块（DB）等模块之间的调用实现。本设计建立的标准化程序模块主要包括：主程序块OB1、初始化程序块OB100、模拟量程序块FC10、取水程序块FC1、一级反渗透块FC2、二级反渗透程序块FC3、清洗程序块FC4等，各程序块之间相互独立。同时程序块设置对应的背景数据块DB，可用于报警参数、时间参数及通讯数据等设置[4]。

2）上位机组态

采用WinCC V7．0软件进行上位机组态开发，WinCC与PLC主站的通信采用Step7协议中的SIMATIC S7 Protocol Suite协议通道实现。通过上位机以太网口和下位机PROFINET进行系统物理连接，在WinCC中建立TCP/IP通信设置。充分利用其强大的上下位全集成功能，在上位机组态时节约开发时间，增强系统访问透明度。

3）监控画面

上位机监控系统显示工艺流程、控制方式、运行状况、测量参数、对象状态，也可显示成组参数（图1）。按照工艺流程图设计的监控画面，为保证工艺系统和控制对象完整性，设有足够的幅数，可满足整个系统运行和控制需要[5]。当控制对象故障、参数越限报警或状态变化时，可以用不同颜色进行显示。显示画面具有动态和静态2种形式，画面颜色可随参数或设备状态变化而变化。

图3 1号机组监控画面Fig.3 Unit 1 monitoring screen

4.4.4 特点及功能

1）主要功能

整套系统具备数据的采集、显示和处理等功能，并对关键变量采取了自动联锁和报警措施，可实现整个工艺流程的集中监视、管理和自动控制。PLC可实现自动控制海水淡化系统的启动、运行、冲洗、停机等过程，按照设计，每套反渗透系统还配置了就地仪表盘和就地操作箱，便于现场操作。

2）高压泵保护

高压泵进出口设有高压和低压保护。当供水量不足使高压泵入口的水压低于某一设定值时，正常压力值为0．1 MPa，PLC即发出信号停止高压泵运行以免其空转。当系统因误操作或其它的原因，使高压泵的出口压力超过某一限值时，PLC会自动切断高压泵的供电，同时将关闭整个反渗透系统。

3）反渗透产量调节

为调节反渗透产水量，可通过变频器控制高压泵的转速来改变其压力和流量。变频器可以控制高压泵的软启动以保护系统。另外通过控制高压泵启动的时间，可避免瞬时高压造成反渗透膜元件的破坏。

4）停机备用

为了防止膜表面沉积结垢而影响膜的性能，长时间（1周）不生产时需对RO进行停运冲洗，以置换出容器浓海水。当反渗透系统停止工作时，可启动淡水冲洗泵，打开产品水出口阀门和浓海水排放阀，系统进行5～10 min冲洗，设备进入备用状态。

5 特殊要求

为了适应远海高温、高湿、高盐雾、强紫外线环境的特殊做法主要包括：防潮湿设计、防霉设计、防盐雾设计。

5.1 控制设备的“三防”措施

1）柜体选用316L不锈钢板，厚度2．5 mm以上，其具有很高的耐盐雾、耐腐蚀性；

2）控制柜安装在电气室内，电气室安装通风、除湿装置；

3）柜体内安装防潮加热器，防止凝露；

4）控制模块、显示屏、开关等主要元件均选用“三防”产品，其它元件则选用湿热带型电气元件；

5）接线端子以及绝缘子均选用温热带型和防污型，一次接线端子镀锡，铜排喷涂聚氨脂磁漆防护后套绝缘套管；二次接线端子镀锌，所有二次线裸露及带电金属部件均以中性凡士林封涂。

5.2 设备材料特殊要求

1）水泵防护等级IP55。

2）膜堆支架采用碳钢防腐处理。

3）控制柜防护等级IP55，满足GB/T 12665—2008《电机在一般环境条件下使用的湿热试验要求》，耐高温、高湿、高盐雾环境。内部电气元件采用ABB或等同品牌。

4）配套仪器仪表及阀门采用SS2205等材质，耐海水腐蚀。

5）电动阀门防护等级IP55，预留RS485接口上传进行远程监控。

6）一级高压进水管和一级浓海水管，采用SS2205不锈钢或钛材，压力等级6 MPa；二级高压进水管和二级浓海水管采用SS316L，压力等级2．0 MPa；压力排水管、加药、消毒管道采用卫生级UPVC给水塑料管，压力等级1．0 MPa，质量符合 GB/T 4219．1—2008《工业用硬聚氯乙烯（PVC-U）管道系统第1部分：管材》要求；污水管、通气管采用HDPE管，质量符合CJ/T 250—2007《建筑排水用高密度聚乙烯（HDPE）管材及管件》要求。