王可宁，冯 涛，肖亚苏，薛喜东，李 露

(自然资源部 天津海水淡化与综合利用研究所，天津 300192)

0 引言

目前，我国淡水资源短缺问题日益严重，极大的制约了经济和环境等方面的发展。作为一种可以有效获取淡水的方式，海水淡化技术已经十分成熟。随着能量回收装置的引入和高压泵等关键设备的逐步完善，反渗透海水淡化技术无论是在技术上还是经济上都体现出了巨大优势。

该装置以山东某地15万吨/日反渗透海水淡化技术咨询项目作为背景，针对当地取海水水质，开展了60吨/日中试实验的设计和研发工作。该文通过分析反渗透中试实验装置的工艺路线，设计并开发了一套供电稳定安全、控制操作可靠的电控系统，在降低实验人员操作量的同时也提高了设备的自动化控制水平。

1 反渗透海水淡化工艺介绍

移动式反渗透海水淡化装置采用“气浮+砂滤+超滤+一级反渗透”的强化预处理加反渗透工艺流程，系统主要由气浮、砂/超滤、反渗透及清洗加药辅助等4个子系统组成。系统设计产水规模为60吨/日。反渗透海水淡化工艺流程如图1所示。

图1 反渗透海水淡化工艺流程简图

气浮子系统：潜水泵将海水经取水管网输送至气浮集装箱后，通过在反应池投加絮凝剂、助凝剂后进入气浮装置进行初步过滤，用于去除原水中的藻类悬浮物，经气浮装置过滤后的产品水通过投加酸剂对产水pH进行调节并进中间水箱。

砂/超滤子系统：中间水泵将气浮装置产水提升至砂滤罐进水端进行二级预处理，该过程主要用于对粒径在10～100 μm之间的颗粒物进行截留，而后砂滤装置产水进入超滤系统进行预处理阶段最后一步的深度预处理，该阶段主要对原水中更为细小的悬浮物及胶体等进行深度过滤，保证后续反渗透系统的进水水质参数达到浊度≤1NTU且SDI≤3的指标。

反渗透子系统：原料海水经各级预处理后分为两股，一股由高压泵加压后打入反渗透膜进行脱盐处理，经反渗透处理后，淡水进水产品水箱；另一股则与带压的反渗透浓水共同进入能量回收装置进行能量交换，交换后浓水完成卸压并进行排放，而获得压力势能的原水则经增压泵进行二次加压后进入反渗透膜进行脱盐处理。能量回收装置的引入大大降低了反渗透海水淡化主机系统的能耗，其能量转化效率通常在95%以上。

清洗及加药子系统：清洗系统由CIP水泵及清洗水箱组成，其中清洗水箱与产品水箱共用，由反渗透产水进行补水。清洗系统使用周期一般较长，具体由原水水质和阻垢剂投加情况而定，系统相对独立。加药系统由PAC、PAM、非氧化杀生剂、阻垢剂、还原剂、次氯酸钠及盐酸等加药装置等组成。

2 硬件设计

2.1 电气系统

系统设计用电负荷均采用380/220 VAC、50 Hz、三相五线制，其中动力电源电压等级为380 VAC、控制电源电压等级为220 VAC。设计过程中主要从以下几方面进行考虑：

(1)实验性：设计过程中在进线侧设置测量用电流互感装置及配套电能表，用于统计装置在运行过程中的实际耗电量，从而更加直观的反映反渗透系统的吨水耗电量。其中，电流互感器选用外形小巧、安装便捷、适用于低压配电系统的塑壳式电流互感器。

(2)安全性：电气柜总进线处设置SPD防浪涌保护装置，其主要作用在于当主回路因为外界的干扰突然产生尖峰电流或者电压时，保护器可在微秒级时间内导通分流，从而避免浪涌对海水淡化系统中其他用电设备造成不可逆的损害。

(3)经济性：根据工艺需求，电气系统设计过程中将反渗透高压泵、增压泵等具有节能潜力和工艺上有特殊要求的用电设备设为变频控制，其余则均采用直接启动的方式，在有效降低运行电耗的同时提高了工艺系统的可调节性。

系统总装机功率为34.9 kW，其中气浮系统为12 kW，反渗透系统为22.9 kW，具体设备用电负荷清单如表1所示。

表1 系统主体电气设备清单

2.2 控制系统

该项目所使用的移动式海水淡化装置按照工艺进行划分，主要由气浮和反渗透2个可移动式集装箱组成，其中模拟量输入(AI)15点，模拟量输出(AO)5点，数字量输入(DI)52点，数字量输出(DO)31点，共计100点。

在控制系统设计选型过程中，遵循“分散控制、集中管理”的原则。从控制系统适用性、经济性的角度出发进行考虑，选用西门子S7-Smart 200系列产品。其中，反渗透集装箱设1台CPU作为主站，而气浮集装箱设1台CPU作为子站，主站与子站之间通过CPU控制器的以太网口及并行式交换机进行交互式通讯。设计过程中充分考虑控制系统的可扩展性，扩展模块选型预留15%裕量。监控终端同样选择西门子配套的SIMATIC HMI系列产品。下面是控制系统设备的选型清单，如表2所示。

表2 PLC硬件设备选型清单

2.3 仪表系统

根据移动式反渗透海水淡化装置的P&ID流程图将整个海水淡化工艺划分为4个子系统，分别是气浮子系统、砂/超滤子系统、反渗透子系统、清洗及加药子系统。各子系统主要监测和控制的工艺参数包括温度、流量、压力、液位以及水质(电导、pH、ORP、浊度)等5大类。

仪表选型过程中，主要遵循以下两方面原则：一是充分考虑测量点位实际运行参数及测量点位的管道接液材质，确保遴选的测量仪表可真实准确的反映装置实际运行状况；二是根据工艺及实际使用需求，合理布设仪表测量点位，避免遗漏重要测点或增加不必要点位的设置，从而有效控制仪表系统成本。以下是移动式海水淡化装置气浮、超滤、反渗透以及辅助等子系统设置的仪表测点清单，如表3所示。

表3 移动式RO海水淡化装置仪表测点分布

3 软件开发

3.1 控制过程分析

(1)气浮单元

为有效去除原海水中总固体悬浮物(TSS)及藻类等微生物絮凝体，预处理阶段在“砂滤+超滤”传统预处理工艺的基础上增加了溶气气浮工艺流程，强化预处理工艺流程，保证后续反渗透进水水质达标，延长反渗透系统主机的使用寿命。具体运行步序如下：①启动取海水泵待进水流量大于设定值后，启动管道混合器前端的PAC，PAM加药装置；②打开溶气罐进水电动调节阀(MV101)，与总进水量和溶气罐进水流量进行关联，采用PID控制反馈进行调节，设置溶气罐进水量在总进水量的15%～20%区间内；③待气浮池液位达到设定值后，启动环形行走电机及气浮池撇泥机，其中行走电机为连续运行，撇泥机为间歇运行，(设置运行值：3 mins，间歇值：300 mins)；④气浮产水后，产水pH与产水侧酸剂加药泵进行关联，当pH≥8时，酸剂加药泵开始运行，pH<6.5，酸剂加药泵停止运行。其中，所有关联参数均为在线设置。

(2)砂/超滤单元

砂滤器主要用于截留原海水中粒径较大的胶体及颗粒。但是，随着系统运行时间的推移，砂滤器截留的大分子物质势必会不断堆积，导致过滤器通量下降，影响后续工艺的产水量。因此，在程序设计过程中，通过电动多路阀并配合时间定时程序对砂滤系统进行定时反洗，设置2套砂滤器累计产水24小时后分组进行反洗，反洗时间为20 mins。

超滤系统为原海水进入反渗透阶段最后一步预处理工艺，也是最为关键的一步预处理工艺。其主要功能为去除原水中微米级的胶体及悬浮物，其控制特点为“多步序、多阀组”切换，具体运行步骤包括开机冲洗、产水、气水双洗、反洗、排污、正洗等6个步骤，其中各步骤对应的各设备开关状态如表4所示，其中“〇”为打开，“×”为关闭。

表4 超滤各运行阶段设备开关状态

(3)反渗透单元

反渗透单元是整个移动式海水淡化装置的主机单元，是整个系统最为关键和核心的部分。其主机控制过程主要由自动启停和关键设备连锁组成。

设备的启动步骤：①启动反渗透供水泵；②待供水泵运行3 mins后，延时启动增压泵至40 Hz(在线可调)，增压泵启动采用斜坡启动方式；③待增压泵运行5 mins后，延时启动高压泵至47.5 Hz(在线可调)，其变频器启动方式与增压泵相同，同时观察进水压力、产水流量及电导等关键参数。停机过程与开机过程相反，需要注意的一点是，设备停机时，变频器停机采用斜坡停机的方式。

关键设备信号连锁主要包括：①反渗透供水泵启动：超滤产水箱低液位状态消失；②增压泵启动：供水泵延时启动信号触发；③高压泵：增压泵延时启动信号触发、高/低压开关信号、进水ORP低值信号；④阻垢剂、还原剂加药泵：增压泵启动信号触发。

3.2 PLC程序设计

控制系统程序采用西门子STEP 7-Micro/WIN SMART编程软件进行开发。程序开发过程中，针对工艺流程以水箱为界限进行划分的特点，程序设计同样采用模块化的编程方法，将控制系统按照气浮、砂滤、超滤、反渗透、辅助等模块进行划分，这种编程方式的优点：一方面可以提高程序的可读性，便于后期改造；另一面可以提高程序的可移植性，降低后续设计类似项目的工作量。模块具体划分包括：程序初始化模块、气浮模块、砂滤模块、超滤模块、反渗透模块、反渗透清洗及加药模块、反渗透高压复位模块、4～20 mA模拟量转换模块。

3.3 监控程序开发

控制系统采用“PLC+HMI”的控制方式，上位监控终端在气浮及反渗透集装箱各设1台，选用SIMATIC HMI系列产品，屏幕尺寸根据工艺流程复杂度分别确定为10吋和8吋。

上位监控软件开发采用标准化的设计方法，以SIMATIC WINCC flexible 作为编程环境进行开发，实现了对气浮、砂/超滤、反渗透、辅助等子系统关键设备及参数的实时监控和有效管理，确保移动式海水淡化装置运行。此外，上位监控单元实现了设备分模块的一键启停，历史参数及故障报警记录查询、关键参数在线修改设置等功能，提高了设备运行的稳定性和可靠性，同时降低了实验人员的工作量。

图2 触摸屏运行监控界面

4 应用情况

移动式反渗透海水淡化装置目前已完成调试工作，在山东潍坊实验现场累计运行近90天，运行结果表明：系统自动化程度高，控制连锁完整，可达到夜间少人甚至无人值守的标准，同时也实现各子系统之间的高效匹配和协同运行。

系统各项主要运行参数均达到工艺设计指标，其中：一级反渗透系统脱盐率达到了99%以上；系统运行回收率最高达到60%；产水电导率持续稳定在400 μs/cm以下；产水量稳定在2.5吨/时左右。

5 结语

该文针对移动式反渗透海水淡化装置设计开发了一套电气和控制系统，系统的开发实现了该设备的连续稳定运行。一方面提高了海水淡化控制系统模块化和智能化程度，降低了实验人员的日常工作量；另一方面辅助印证了“气浮+砂/超滤+反渗透”工艺系统的可行性，为后续15万吨/日海水淡化系统的设计和开发提供了有益借鉴和技术支撑。