自动化技术在海水淡化设备的应用

李彬

摘要：随着海水淡化技术的逐步提高，相关系统及设备的控制方式由人工向自动化发展，本文从控制角度，对自动化技术在海水淡化设备上的应用及发展进行分析。

关键词：自动控制;海水淡化

一、概述

為满足生产和生活的需求，从20世纪开始人类已着手研究海水进行淡化技术。海水淡化技术主要包括：蒸馏法、反渗透法、电渗析法、太阳能法、核能和冷冻法，其中以反渗透法应用最为广泛。

反渗透法是以对海水加压造成膜两端压力不同形成渗透压使海水中的水分子透过膜片实现脱盐。

影响海水淡化效果的因素很多，其中海水水温、含盐度、淡化工艺为主要因素。

海水水温

通常海水水温对于海水淡化膜性能影响较明显，主要由于热胀冷缩。就产水水质来说，一定温度范围内较低水温海水淡化效果明显好于较高温度海水。

含盐度

世界各地水质复杂，以我国四大海域为例，渤海含盐度约为3%;东海和黄海平均盐度为（3.1-3.2%）;南海盐度最大平均3.5%，万宁周边海域含盐度甚至超过6%。一定压力范围内，同一海水淡化膜淡化不同海域海水所需压力不同，高盐度海水压力高于低盐度海水。

淡化工艺

一级反渗透工艺可满足绝大多数海域海水的淡化要求（各海水淡化膜厂商均以含盐度3.2%标准液作为设计依据），然而对于高盐度海域一级工艺明显效果不佳。以6%含盐度的南海为例，需要对其加压至6MPa以上才会有淡水产生，但产水水质较差，继续提高其压力水质相对转好。但如果工作压力超过8MPa会影响膜使用寿命，所以需要采用其他工艺实现最终目的。

由于海水受到以上三大主要因素影响，在设计海水淡化设备时需要予以充分考虑。如何充分设备性能同时兼顾影响海水淡化因素使海水淡化产水水质达到最优一直是海水淡化设备设计者不断追求的目标。从前人们多采取手动控制，根据个人经验操作设备来决定最终的产水;近年来自动控制技术的高速发展，越来越多的设计者选择以该技术替代人工进行设备控制，使设备最终产水水质最优同时保持持续稳定。

二、自动化理论在海水淡化系统的应用

在海水淡化设备中引入自动化技术，根本目的在于建立闭环系统对设备整体进行逻辑控制，以实现取代人力的最终目的。

目前海水淡化设备基本都进行了不同程度的自动化操作，以逻辑控制全面或部分地替代人力，节约了人工成本，保证产水水质;同时设备配有自动停机和报警的功能，对运行过程中的随机问题做出及时反应，降低了使用风险和维护成本;另外自动控制系统可实时监控设备运行，为数据的采集和后续的设备改良提供理论支持。

设备运行时，相关数据通过传感器反馈至控制系统，通过显示屏显示，控制系统依据设定的理论值对运行状态实时分析。控制系统控制着整个海水淡化设备，一旦设备出现温度过热、流量过大、压力多大、缺水等问题，可通过控制系统对设备其他运行部件进行调节，以保证设备运行的稳定;同时通过控制系统也可以起到保护设备的作用，当反馈数据超出控制系统的控制范围，设备将立刻停机、报警及提示问题所在，避免设备损坏。

三、海水淡化自动控制系统原理及说明

（一）海水淡化设备组成

一台海水淡化设备的常规配置由取水系统、预处理系统、反渗透系统、后处理系统、高压系统、控制系统、反馈系统以及设备外壳组成。

（二）海水淡化设备工作原理

取水系统用于提取海水，并向预处理系统供水;海水中的泥沙、浮游物及胶体等经预处理系统过滤后由高压系统进行加压（经过预处理的海水浊度应≤1.0NTU）;反渗透系统用于海水脱盐;后处理系统用于根据产出的淡水水质做针对性处理。

（三）自动控制系统

在海水淡化设备配置自动控制系统为了实现节省人工及保证产水水质的目的。目前不同海水淡化设备制造商依据图1所示的基本流程增加反馈单元形成闭环控制，不同制造商的海水淡化设备的控制系统也不尽相同。本文选择的日产3吨海水淡化设备为一级闭环控制系统。

控制系统作为整台设备的“大脑”控制着设备内各子系统，采用PLC逻辑控制;辅以电导率、压力、流量等传感器组成的反馈系统，实时监控设备各数据并反馈给控制系统。控制系统以PLC内的设计程序为理论参考，对反馈数据进行逻辑识别，形成输出命令控制设备各元件运行，保证产水水质;同时在PLC程序内设计工作极限值，当反馈数据超出极限值设备停机并报警，对设备进行保护。

（四）日产3吨海水淡化设备控制原理

常规情况，设备进水口前应设一储水容器，用于保持原水水质稳定及沉淀原水内泥沙及不可溶物等。由于设备对进入反渗透膜的海水浊度要求很严格（≤1.0NTU），需要通过预处理系统调整海水浊度，利用浊度仪进行检测并呈现于控制系统的显示屏，通过检测值可判断预处理工艺是否合理。

高压系统的作用是对海水加压，使其满足脱盐条件。由于不同地域海水含盐量不同，要想获得同等水质淡水，不同含盐量海水需在不同工作压力下方可实现。设备内部的压力探头用于监测反渗透系统工作压力，并将压力值反馈至控制系统。通过控制系统内编写的逻辑程序对压力值进行分析，输出控制指令控制高压泵或压力调节阀工作。为了保证海水淡化膜的使用寿命，其工作压力不可超过8MPa;以实验室标准液为准（含盐量3.2%），通常以（5-5.5）MPa工作压力下脱盐效果最优。本设备可提供两种调压方式：a、变频调节：通过调节高压泵电机转速上高或降低输出压力;b电动调节阀调节：通过调节阀门孔径调节工作压力。如果通过调节高压泵电机转速或电动调节阀孔径也无法将工作压力控制在海水淡化膜极限工作压力范围内，控制系统将立刻断电停机保证设备安全，同时报警并提示故障原因。另外如果设备工作环境不固定，加入电导率及PH传感器反馈环节并与控制系统联用可使产水效果更优，也可以决定后处理工艺的设计和选择。

后处理系统配有TDS或者PH传感器，通常以检测产水中的电导率（以TDS探头数据表示）和PH值作为评价水质的依据，检测数据反馈至控制系统并呈现于显示屏作为后处理工艺的设计依据。由于海水淡化膜对于病毒及硼的脱除效果不明显，所以后处理工艺必不可少。

四、结束语

自动化技术与海水淡化技术都在以惊人的速度发展，未来二者会以更多的相结合，进而创造出更多样化的海水淡化设备。