曹妃甸海水淡化反渗透高压泵控制系统应用和研究

李永杰

(唐山曹妃甸北控海水淡化有限公司,河北曹妃甸 063200)

曹妃甸海水淡化反渗透高压泵控制系统应用和研究

李永杰

(唐山曹妃甸北控海水淡化有限公司,河北曹妃甸 063200)

国际脱盐协会(InternationalDesalinationAsso2 ciation,IDA)的最新统计资料表明,到2002年初,全世界脱盐装置淡水总产量已达3240万t/d,而且还将以10%～30%的年增长速度攀升,海水淡化技术在解决世界范围淡水短缺问题上发挥着越来越重的作用。反渗透海水淡化作为一项新型技术,正在得到越来越多的应用。本文结合曹妃甸5万吨/日海水淡化工程,通过介绍海水淡化系统的原理,研究了高压泵变频控制在反渗透系统中的应用。对反渗透海水淡化系统具有一定的指导意义。

反渗透 海水淡化 高压泵 控制系统

目前，反渗透海水淡化在大规模淡化海水项目中越来越多的被应用。反渗透(RO)法是采用高压泵将海水打入到反渗透膜组中，如果对海水侧施加一大于海水渗透压的外压，那么海水中的纯水通过反渗透膜流向淡水侧，从而实现海水的淡化。随着反渗透海水淡化技术的发展，工程造价和运行成本将会继续降低，它将成为海水淡化技术发展的重点。

1 工艺流程简介

目前曹妃甸5万吨/日海水淡化项目(共有5套系统，单套系统产能1万吨/日)采用的是双膜法海水淡化技术，即超滤膜(UF)+反渗透膜(RO)海水淡化技术，它采用的水处理技术是膜分离法。其工艺流程是：超滤膜组的产品水通过管道连接至高压泵进入反渗透膜组，由反渗透膜组产出淡化水。

根据RO膜本身的特性，需有一定的推动力去克服渗透压等阻力，才能保证达到设计的产水量。RO高压泵即是为RO本体装置提供足够的进水压力，保证RO膜的正常运行。

由于水温对RO装置的产水量影响较大，即水温每变化1℃，在进水压力不变的情况下，其产水量大致增减2.7%。如果进水水温降低，在系统其它条件不变的情况下，将导致产水量的下降。为了保证在低温情况下RO出水不变，高压泵采用变频调速可以提高进水压力，以保证RO系统足够的推动力，从而保证系统的产水能力。因此，RO系统需配置一台变频调速的高压泵。

2 反渗透高压泵变频控制工作原理

整个反渗透海水淡化控制系统设计采用国际先进的PLC程序控制，由主控室操作站的可编程控制器(PLC)组成一个分散采样控制和集中控制操作的系统。变频器接收PLC的指令信号，对水泵电机进行速度控制，实现泵的变流量控制。即系统通过改变变频器的输出频率来控制高压泵电机的转速从而实现反渗透(RO)装置产水流量的恒定。

图1 电机温度数据采集处理程序

高压泵进口安装低压压力继电器，压力低时发出报警信号，高压泵停止运行。高压泵出口安装高压压力继电器，压力高时发出报警信号，高压泵停止运行。

3 反渗透高压泵变频控制系统硬件设计

反渗透水处理变频控制系统的变频器选用DANFOSS FC202系列变频器，供电电压AC690V， PLC系统采用AB PLC的冗余热备控制系统，PLC控制器采用1756-L62的CPU， PLC主站和现场的远程站的PLC通讯采用Control Net通讯，主站的DeviceNet的通讯模块采用1756-CNBR/E；远程站的通讯模块采用1794-ACNR15/ C，I/O模块采用：1794-IB32，32 路 DI 模块(DC24V)；1794-OB32，32路DO模块(DC24V)；1794-IE8/B，8路AI模块；1794-OE4/B，4路AO模块。

上位机软件FactoryTalk View与AB PLC通讯为以太网通讯，PLC主站选用通讯卡 1756-ENBT/A。PLC和变频器之间的通讯采用Device Net通讯方式，PLC主站采用1756-DNB模块与变频器上(变频器采用DANFOSS FC202P1M2P7变频器)的DeviceNet卡进行数据交换，变频器接收PLC输出的设定频率，对高压泵电动机进行调速，从而实现对反渗透系统的压力和产水流量的调节。现场的电磁流量计采集的流量数值和现场的压力变送器采集的管路压力数值分别通过PLC模拟量输入模块传输至PLC系统中，经过PLC系统内部运算后上传至FactoryTalk View上位软件的HMI中进行显示和记录。PLC系统根据现场综合反馈的信息，接收子系统模块控制指令，对电磁阀、指示灯等外设器件进行操控，实现系统协调控制功能。

4 反渗透高压泵变频控制系统的软件设计

图2 变频调速控制程序

该系统软件使用 AB 公司的 RSLogix5000软件。系统程序的设计采用模块化结构，主要包括：逻辑控制程序、模拟量数据采集处理程序、变频调速控制程序部分。

4.1 逻辑控制程序的实现

逻辑控制程序主要是RO高压泵的启动、停止和各种连锁保护的控制。如高压泵进水压力、高压泵出水压力、高压泵电机温度、相应RO装置阀门的开启状态、急停等均作为RO高压泵的启动条件。

4.2 模拟量数据采集处理程序的实现

模拟量信号处理主要是高压泵电机温度、高压泵出口压力等的数据处理及报警的处理。

高压泵的电机选用的是ABB电动机，电机内部绕组和轴承上均安装有测温元件，测温元件通过现场安装的温度变送器传输至PLC系统中。如图1所示，温度数据的转换通过SCP功能块来实现，当检测的电机温度大于130℃，且时间超过3S时，发出电机高温报警信息。

高压泵出口压力的控制程序与温度的控制程序处理是相似的，压力数据的转换通过SCP功能块来实现，当检测到高压泵出口压力大于69bar，且时间超过3S时，发出高压泵出口压力高报警信息。

4.3 高压泵变频调速控制程序

高压泵的变频调速主要分为RO正常运行调速和RO停机冲洗调速两部分。变频调速程序控制如图2所示。

RO正常运行调速是指RO运行时对高压泵频率控制。当高压泵启动条件满足的情况下，系统发出启动高压泵的指令时，高压泵首先以20HZ运行240S的时间，然后高压泵转速提升至工艺设定的频率(例如48HZ)运行。

RO停机冲洗调速是在RO系统停机后对RO膜进行冲洗时，对高压泵频率的控制。RO冲洗指令发出后，高压泵首先以35HZ运行60S，然后高压泵的转速降低为20HZ运行，运行180S后发出高压泵停机指令。

为了保证停机时高压泵的出水流量缓慢降为零，电机降速的时间不应小于180S。

5 海水淡化系统的前景

海水淡化RO高压泵变频系统的优势是，变频启动大大降低启动电流和冲击转矩，变频器自身具有过流、过压、欠压等保护，保障了设备和人员操作的安全性。该装置还可以自动适应不同工况，采用闭环自动控制方法和水处理流量调节 PID 算法，这种控制通过调整频率来改变泵的转速，既满足了设计使用的需要，又可以使泵处于最佳的运行状态，保证了运行的可靠性和稳定性。

曹妃甸海水淡化项目是我国自行设计，并由国内企业总承包建设的第一个大型海水淡化项目，它的竣工投产标志着我国海水淡化产业发展进入了一个新的阶段。为支持海水淡化产业发展，国家发改委于2011年7月将该项目列为“国家发展改革委海水淡化产业发展重点示范项目”。曹妃甸海水淡化项目的开发模式具有良好的示范作用，其投产运行将大大推动我国海水淡化产业的发展进程。

[1]许世范.《现代控制理论基础》[M].中国矿业大学出版社,1990.

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