海水淡化系统半自动化研究和应用

徐 力，王 琛

（上海振华重工（集团）股份有限公司，上海 200125）

0 引言

随着社会经济发展和城市建设，水资源逐渐匮乏，更好地开发水资源，开展自然资源的可持续发展是当今我国重要的发展核心。面对严峻的环境形势，推出海水淡化系统可以直接缓解用水问题，提升加快海水淡化技术是目前研究的核心。

1 海水淡化半自动化应用

1.1 工作原理

海水的反渗透技术是依靠反渗透设备，有效实现海水的分离并且可以分解盐份。海水反渗透技术经济投资少、能源消耗低、设备实际占地面积比较小，相对于其他技术较为成熟，一般在大型舰船或者海上大型平台进行操作。海水反渗透装置通常由海水反渗透薄膜、高压柱塞以及海水能量回收设备组成核心区域。海水经过输入装置后，通过输入管道进入输出水泵结合预处理模块，可以有效过滤海水中的泥土、沙子或者大型海藻等体积较大物质。当初次过滤的水流经过滤后流向反渗透设备，设备内部的高压柱塞以及海水能量回收设备开始启动，再次向水流施压。使得设备内部整体一直处于高压状态，从而达到反渗透效果。此时海水被分解为淡水和海盐，其中淡水部分经过压力的释放进入水质调节设备中，经受增加压力的药泵进行酸碱调节。

通常加药泵设置在淡水管道上，通过药物调节水中的pH值。在水流末端使用电流导向仪器与水质监测仪器检测水质，保证水质达到标准数值。电气控制技术是海水淡化系统中重要的组成部分，可以支持装置的连续实验以及设备运行时的供电安全、监控所得数据、相关的逻辑性运算、设备运行顺序的把控，以及判断设备的故障情况等功能，确保设备稳定运行。电气控制的运行要求较高，为实现有效收集和分析设备不同品类的信息数据，电气控制系统的硬件采用模块化的分区配置，以保障系统平稳运行。

1.2 半自动化系统构成

1.2.1 反渗透系统

反渗透系统是整体海水淡化系统的核心部分，主要组成部分除了海水反渗透薄膜、高压柱塞以及海水能量回收设备以外，海水流量的传感器与各个环节的物质传输设备同样重要。其中回收设备在反渗透系统中处于一个低消耗的结构，其内部采用经过特殊建造的，以增加压强为主要形式的液态压力驱动系统。驱动系统采用回收海水的强大压力作为主要运转动力。在日常工作中反渗透系统通过驱使高压活塞往复运动，增加海水压力。同时高压栓塞泵在运转过程中，对海水进行持续压力输出，使得海水直接达到淡化海水的反渗透设备入口，并且一定程度节约了海水淡化的动力需求。

回收废旧海水得到了动力能量，不仅可以节省能源消耗，还可针对海水进行二次分解，增加了海水淡化效率，增加海水能源应用范围。此外，反渗透系统的主要控制区域采用PLC 系统进行系统监控，主要控制室不再设置二次监控仪器，所有工艺系统内的操作环节和监控功能都在PLC 系统内触摸屏中显示和完成。同时，PLC 系统可以统筹系统内部设备的稳定性、可行性、拓展性以及可靠性，促使整体系统结构提升到最高自动化的层次，以此减小日常设备维护难度，最终实现人力的少投入甚至不投入。

区别于大型海水淡化系统的全自动化操作，考虑部分地区的人员技术水平，所以在反渗透系统中将采用全自动控制，以此保证所有操作流程都在PLC 中完成逻辑控制。但一旦发生故障，需要解读程序来处理故障。这对于当地操作人员的技术层次提出了重大考验。因此，控制系统中除了驱动器的启停触发由PLC 直接控制，所有的外围电路需要保持属于硬件线路，并且通过继电器直接显示。例如，管线高压，就需要直接将硬件接入驱动器端子，如果发生高压故障，可以通过线路直接切断驱动器输出。

反冲洗等控制也需要通过人为控制阀门开关来达到目的。虽然增加不少劳动力，但是对于设备检查以及故障排除效果更加直观，有利于在教育程度较低地区使用。因此，对于半自动化操作模式，即使PLC 完全瘫痪，如果增加“手动选择”开关，也完全可以继续使用海淡设备。

1.2.2 水质检测系统

海水淡化整体流程中最重要的是水质监测环节，它直接决定了水质是否合格并输送给用户。水质监测系统包括加药水泵、电向引导仪器、酸碱检测仪器以及流量传感仪器等。水质监测系统采用PLC 为主要控制器进行软件的语言编程，在主体设备上PLC 的通信方式采取计算机协议通信法，利用Zigbee 技术实现数据的无线传输。实际工作中PLC系统通过编程写入程序并且等待时间的触发条件，如果事件超过300 s 还未触发则判定为超时事件，从而进行下一步的运作继续读写数据。通过Zigbee技术与PLC 相结合，可以实现远程监控，随时检查相关数据和设备的运行情况，直观了解PLC 接收的数据。我国质量监督制度中规定：居民日常的饮用水酸碱值需要控制在6.5～8.5，淡水中的固体溶解要小于1000 mg/L。这两项检测标准直接影响水质的控制和调整，对于水质监测系统，加药水泵的加药频次和单次加药计量都受到酸碱仪器的影响。这样的日常操作既能保持酸碱度的实时调控，又能有效保证淡水的质量保持最佳状态，保证居民用水安全。

检测环节不涉及整体海水淡化的流程，但是作为补充，需要24 h 不间断记录。一旦监测到异常，就要立即反馈给值班人员，人工干预检查。因此，对于水质检测系统，需要现场PLC 系统进行24 h 监测。这部分的智能化控制，相比手动检测更有实效。检测系统不参与控制，只是给与反馈，不直接影响海水淡化设备使用。

2 海水淡化系统实际应用

目前，我国海水淡化设备普遍采用500 m3/d 的海水淡化系统。这种系统结合了反渗透系统与高精度的过滤器，是当下使用频率较高的淡化系统。最重要的是系统内部的零件构造全部采取国产设备，降低了海水淡化设备的建造成本，淡化系统主要设备见表1。由表1 可见，常规标准情况下，氯化钠的溶液质量为31.51 g/L，温度保持在29.6 ℃左右，室内压力控制在5.5 MPa，并且在淡化系统设备运作过程中，需要将回收率控制在44%左右，确保设备测试的准确性。测试结果数据：产出淡水量516.5 m3/d，脱盐率99.29%，其中氯化钠的质量数值可以达到99.43%，由此可见，设备在稳定环境下运行状态良好，并且设备运作时，其水流引导产生电量机率为45.3 cm/S，其中淡水的脱盐率达到99.46%，基本达到标准数值。

海水淡化技术是现阶段世界关注的重点工程，通过科学技术将海水淡化成日常用水，很大程度上缓解了人们用水困难。淡水工程巨大，对于经济成本的需求较高，因此我国在研发技术提升的同时，对于成本的把控也作为发展重点。

3 结束语

半自动化系统在使用过程中相对简单直接，并且相比手动，检测系统更加完善。全自动化系统，更加适合在偏远地区应用，如在非洲，中东等淡水缺乏地区，有着很大受益群体。若我国发生天然灾害、大面积疾病以及旱灾等突发情况，海水淡化技术可以快速进入工作状态，为突发事件提供能源支持，对保持社会稳定起到巨大作用。

表1 500 m3/d 海水淡化系统设备组成