反渗透海水淡化系统故障分析

姜周曙， 翁翔彬， 王 剑， 雷淳正

(杭州电子科技大学自动化学院，浙江杭州310018)

淡水短缺已成为阻碍社会经济发展的重要瓶颈，海水淡化技术是解决淡水资源短缺的主要途径之一。经过50多年的发展，从20世纪90年代开始，以能耗低、建造周期短、设备安装简便等诸多优点集一身的反渗透海水淡化技术被公认为是21世纪海水淡化的主导技术［1］，目前在国内外已得到广泛应用。

随着反渗透技术的大力发展，全球各地的反渗透海水淡化工程的规模也越来越大，日产几十万吨级的海水淡化工厂不断出现。以色列阿什凯隆的哈代拉海水淡化厂日产淡水33万t，为现在世界上运营中最大反渗透海水淡化厂。在我国，浙江舟山六横岛日产10万t的海水淡化工程即将竣工;河北曹妃甸阿科凌海水淡化项目完成一期日产5万t的工程，全部工程预期日产淡水100万t，如若建成将成为世界上最大的反渗透工程。针对如此大规模复杂的海水淡化工程，对其进行故障分析是保证系统正常运行的一个重要前提。文中将从反渗透海水淡化工程的工艺流程入手，以“脱盐率与产水量上升”故障为例，建立故障树并进行定性定量分析，找出该故障的成因和防止其发生的方法。

1 大型反渗透海水淡化工程工艺流程分析

根据相关资料统计，海水淡化工程出现80%的故障都源于对海水原水的预处理不当，因此研究海水淡化工艺流程尤其是预处理阶段的步骤极其重要。给水预处理对反渗透安全运行至关重要。膜材料具有一定的化学稳定性，余氯、pH值、细菌、温度、某些化学物质等对稳定性有很大影响，反渗透系统对给水水质要求较高，通常要求SDI＜3.0(5.0)。因此反渗透系统之前通常配有较为完善的预处理系统，预处理的作用是为了降低污染指数，使系统经过更长时间运行后再进行清洗;减少硬度和有机物的沉淀，确保膜免受机械和化学损伤，以使膜有良好的性能和足够长的使用寿命。下面以浙江舟山六横岛日产10万t反渗透海水淡化工程为例，介绍流程工艺以及预处理环节。

典型的大规模反渗透海水淡化工程包括取水、预处理、反渗透、后处理和供水等处理单元。设在海边的深水泵将海水原水送入预处理单元。海水的一级预处理单元通过加入FeCl3、骨胶并使用隔板絮凝等处理环节，有效去除海水中的悬浮物、有机物、无机胶体等杂质，在二级预处理单元中海水依次通过多介质机械过滤器和保安过滤器以保证出水水质达到反渗透水质要求，两级预处理后的海水经高压泵和能量回收装置提升到反渗透所需压力后，送入反渗透单元进行淡化，淡化后的产品水经过后处理调质后，供水厂调度。反渗透后的高压浓海水经能量回收后，变为低压浓海水，经合理处置后排放。整个工程工艺流程如图1所示。

图1 反渗透海水淡化系统工艺流程Fig.1 Reverse osmosis desalination process

2 反渗透海水淡化故障树

故障树分析(Fault Tree Analysis，FTA)是一种将系统故障形成的原因由总体至部分按树枝状逐级细化的分析方法，因而是对复杂动态系统的设计、工厂试验或现场发现失效形式进行可靠性分析的工具，其目的是判明故障，确定故障的原因、影响和发生概率［2］。

FTA最早由美国贝尔实验室的沃森和莫恩斯提出，其后波音公司哈斯尔等人将其运用到了宇航领域，使飞机的设计有了重要的改进。而后美国原子能委员会利用FTA分析了核电站可能发生的各种事故的概率，并由此得出核能是非常安全的能源结论。随着FTA方法的逐渐完整和日益广泛的应用，已被公认为是可靠性、安全性分析的一种快速高效的方法［3］。

2.1 建立故障树

故障树模型是描述诊断对象结构、功能和关系的一种定性因果模型［4］。以出现的故障为出发点，逐级找出导致发生故障的原因，并用相应的符号将故障现象和各级故障原因连接起来，形成一个因果关系图。故障树建造的完善程度将直接影响专家系统的诊断推理效率及正确性［5］。建树过程是一种反复的过程，要在广泛吸取系统设计、使用过程的知识经验并深入分析系统的实际情况的基础上不断修改完善。故障树建造过程的实质就是寻找出所研究的系统故障和导致系统故障的诸多因素之间的逻辑关系，并把这种关系用故障树的图形符号表示出来［6］，故障树中常用事件与逻辑门如表1所示。

脱盐率和产水量是反渗透海水淡化工程中两个重要的指标，淡化水合格与否完全取决于这两个指标是否达标。因此，一旦脱盐率和产水量有异常变化，就要对整个系统进行排查，确定故障位置，采取相应的纠正措施［7-8］。文中选取“脱盐率下降且产水量上升”为顶事件的例子，自上而下绘制导致该故障发生的故障树并对其进行分析(见图2)。

表1 故障树事件符号与逻辑门符号释义Tab.1 Explanation of logic and event signs

图2 “脱盐率下降且产水量上升”故障树Fig.2 Fault tree of desalting rate reduce and water production rise

2.2 故障树定性分析

为了找出导致顶事件发生的所有可能的故障模式，对故障树进行定性分析［9］。一般的定性分析方法有求解故障树的最小割集、最小径集以及结构重要度。

2.2.1 最小割集 在故障树中，几个底事件的集合同时发生时引起顶事件的发生，这个集合便称为割集。而在这个割集中若任意去掉其中任意一个底事件，就不再是割集，即不能再引起顶事件的发生，则这个割集被称之为最小割集(Minimal Cut Sets，MCS)。对于故障树来说，它的全部最小割集的完整集合代表了顶事件发生的所有可能性。

2.2.2 最小径集 在故障树中，几个事件的集合同时不发生时不会引起顶事件的发生，这个集合便称为径集。而在这个径集中若任意去掉其中任意一个底事件，就不再是径集，即要引起顶事件的发生，则这个径集被称之为最小径集(Minimal Path Sets，MPS)。对于故障树来说，它的全部最小径集的完整集合代表了避免顶事件发生的各种安全模式。

2.2.3 结构重要度 在故障树中，每个底事件对故障顶事件有不同的影响，各底事件相对应的重要程度也有大小之分。因此，重要度分析就是一种研究底事件对故障顶事件的影响程度，并确定其重要性的分析方法［9］，有助于有效地改进系统的可靠度。结构重要度是在不考虑各底事件的发生概率，或者说假设在各底事件的发生概率都是一样的情

2.3 故障树定量分析

故障树定量分析方法［10］前提要求出各底事件发生的概率，从而利用最小割集与最小径集来计算顶事件发生的概率。

1)利用最小割集计算顶事件发生概率:况下，从故障树的逻辑关系对各底事件对故障顶事件的影响程度进行分析。这是一种定性的重要度分析［7］。

求解底事件的结构重要系数是求解结构重要度的一种重要的方法。当某个底事件的状态从正常状态0变为故障状态1，而其他底事件的状态保持不变时，则顶事件也从正常状态0变为故障状态1时如公式1，2所示:

其中，φ(0i，x)和φ(1i，x)分别代表底事件Xi的0状态与1状态下顶事件的状态。2个公式表示这个底事件的状态变化对顶事件的发生发挥了作用。在有m个底事件的故障树中，两种状态的互不相容的组合数共有2m个。当把第Xi个底事件作为变化对象时，其余(m－1)个底事件状态所对应保持不变的对照组共有2m－1个组合。在这2m－1个对照组中有多少对照组使顶事件的状态发生变化的比值就是该事件Xi的结构重要系数，用公式3表示:

2)利用最小径集计算顶事件发生概率:

式(5)中，r，s分别表示最小径集的序数;Xi∈kr∪ks表示第i个底事件Xi或属于第r个最小径集，或属于第s个最小径集。1≤r＜s≤k表示r，s的取值范围。

在实际情况中，要合理运用以上两个计算顶事件发生概率的公式，若故障树最小割集较少，则用公式(4)来计算，若最小径集较少，则用公式(5)来计算。以上公式均是考虑底事件相互独立。若底事件相关联，则必须考虑相容事件和相斥事件的概率计算问题。另在故障树分析中，有些很复杂很庞大的故障树要精确求出顶事件的发生概率非常困难，这需要采用简单、准确、快速的近似算法来替代最小割集最小径集法，一般有求近似区间法，首项近似法以及独立近似法等，在这里不做展开。

2.4 “脱盐率下降且产水量上升”故障分析与维护

通过上述故障树分析方法，对图2故障树的逻辑关系进行分析计算，“脱盐率下降且产水量上升”故障T存在19个最小割集:K1={X2}，K2={X3}，X19}，K19={X1，X20}。19 个最小割集表示了造成系统“脱盐率下降且产水量上升”的19种故障模式。同时存在2 个最小径集个最小径集表示了2 种保证系统正常运行的安全模式。并得出底事件的结构重要度顺序为

将如图2所示的故障树的底事件，按结构重要度排列之后不难发现，诱发薄膜氧化所引发的故障底事件对顶事件“脱盐率下降且产水量上升”故障的影响最大。在实际反渗透海水淡化系统运行中最需要防范以及注意这些故障的发生。

底事件的结构重要度为防止故障的发生提供了参考。实际上，要对诱发“脱盐率下降且产水量上升”故障的其他故障进行分析，相关故障若无法恢复，就会带来严重的经济损失，诸如此类也应给予高度重视。

将“脱盐率下降且产水量上升”故障对系统的影响严重程度分为3级。其中，系统组件不可恢复性损害故障为严重型，用“★★★”表示;系统中部分组件造成不可恢复性损害的故障为中度型，用“★★”表示;只需加以清洗、消毒等方式便能消去的故障为轻微型，用“★”表示;若不及时处理将会对系统中部分组件造成不可恢复性损害的故障用“★★☆”表示［11］。“脱盐率下降且产水量上升”故障分析如表2所示。

表2 “脱盐率下降且产水量上升”故障分析Tab.2 Fault analysis of decreases of desalination rate and water output

从表2的故障危害程度可以看到虽然引起“‘O’形圈泄漏”、“中心管损坏”、“中心叠片破裂”等这些中间故障事件的故障的底事件结构重要度不高，但所造成的危害却是非常严重、不易恢复的。所以实际的维护故障预防不但要考虑FTA的底事件的结构重要度，还要根据故障可能会造成生产和经济上的损失而引起相关重视。

3 结语

通过对反渗透海水淡化工程工艺流程的研究，绘制了以“脱盐率下降且产水量上升”故障为顶事件的故障树，并分别提出了对故障树进行定性定量分析的方法。在对绘制的故障树进行分析后，求出最小割集、最小径集和结构重要度。将引起该故障的各种故障模式一一列出，并发现了最重要的事件为引起薄膜氧化的故障(X1，X2，X3)。

通过对故障的深入研究对引发“脱盐率下降且产水量上升”故障的故障中间事件提出了相关的处理方法;并发现“膜组件机械损坏”(C2)等故障对反渗透海水淡化系统影响较大，且因此在海水淡化生产时应对上述故障加以密切关注，并给予定期的检查与维护，保证反渗透海水淡化系统正常运行。故障树分析法为及时检查、排除故障并采取有效措施预防故障的发生提供了全面而可靠的信息，为反渗透海水淡化故障诊断专家系统的开发奠定了基础。

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