自增压高压泵小型淡化机工艺与控制系统设计

陈 芃,王金燕,刘筱昱

（国家海洋局天津海水淡化与综合利用研究所，天津,300192）

自增压高压泵小型淡化机工艺与控制系统设计

陈 芃,王金燕,刘筱昱

（国家海洋局天津海水淡化与综合利用研究所，天津,300192）

自增压高压泵小型淡化机具有能量回收效率高、全自动操作、便于安装、集成化程度高等优点。本文详细介绍了装置的工艺流程和控制系统的设计，其中控制系统硬件部分由集成触摸屏与PLC电控箱组成，软件部分包括人机界面组态软件和PLC编程软件。控制系统可调节关键点位的压力、流量等参数，使整个工艺过程按逻辑顺序进行，并实现装置的自动启停、连锁保护、故障报警及数据记录管理等功能。

控制系统；小型淡化机；自增压高压泵

0 引言

近年来，海水淡化作为解决水资源短缺的一个重要途径越来越受到关注。小型海水淡化装置体积小、重量轻、总体投资少、可移动性强、即买即用，出水水质可达到《国家生活饮用水卫生标准（GB5749-2006）》，非常适合作为淡水供给的补充来源。对地下水为苦咸水的广大农村、海岛及海防哨所等存在分散式缺水问题的地区而言，小型淡化装置可充分满足间歇式用水且用水量较小的要求，市场前景广阔。

目前限制小型海水淡化装置发展的主要问题是能耗较高。一般来说，中大型的反渗透海水淡化装置吨水能耗可降到3.8～4.5kWh，而小型装置的吨水能耗却高达9～12kWh，主要原因是没有合适的能量回收设备与之相匹配。因此，研制具有能量回收功能的小型淡化机显得尤为重要。在前期工作中，本课题组已经研发了一种集高压泵、增压泵、能量回收功能于一身的自增压高压泵，并以其为核心开发了一台自增压高压泵小型淡化机。本文详细介绍了自增压高压泵小型淡化机的工作原理，并对装置集成控制系统进行设计，以实现整体工艺监控和整机协调控制。

1 自增压高压泵小型淡化机工作原理

自增压高压泵小型淡化机采用模块化设计，具有能量回收效率高、连续运行安静、便于安装、不需要油润滑等优点。装置的关键部件为自增压高压泵，它本身无需电源，仅依靠活塞的往复运动，就可以循环增压至设计压力。

装置的具体工艺流程为：原水由原水泵取出，经过5μm滤芯，去除原海水中的悬浮物和细小颗粒等杂质。经过滤芯后的海水通过提升泵加压后进入自增压高压泵的一个液缸，这部分海水与反渗透膜组产生的带压浓盐水共同推动活塞给另一个液缸的海水加压，使海水达到透过反渗透膜的压力并产生淡水，当活塞到达缸体一端时，这个过程由换向触发装置切换，活塞向反方向移动，实现循环增压，当循环增压至设定压力时，达到压力平衡，不再增压。自增压高压泵出水经过反渗透膜处理后即可得到产品淡水。

2 装置集成控制方案设计

装置控制系统的作用在于对整个装置自动工作过程进行控制和协调，使复杂工艺过程按逻辑顺序进行。集成控制方案的功能主要体现在对必要的压力、液位、流量、时间和速度的调节及控制，对各种连锁保护，自动计量、工作周期的实现，以及装置的自动启停、故障报警及数据记录管理等方面。

2.1 硬件设计

自增压高压泵小型淡化机电气控制系统的硬件部分由1块集成触摸屏+PLC电控箱组成。其中PLC控制柜选用西门子公司S7-200系列，PLC为CPU222，变频器选用丹佛斯FC360系列，人机界面选用威纶通MT6107iE系列。

2.2 软件设计

自增压高压泵小型淡化机电气控制系统的软件部分包括人机界面组态软件和PLC编程软件，其中人机界面组态软件采用Easybuild Pro、PLC编程软件采用Step7-microWIN4.0，可为操作人员提供良好的人机交互界面，方便实验数据存储和处理

2.3 功能设计

（1）控制模式

装置的控制系统设置手动和自动两种操作模式。其中，手动模式是指操作员在人机界面人为确定各个设备的启停；自动模式是指系统根据实际情况自动控制生产过程的各个环节，可实现无人值守的运行方式。一般情况下，手动模式仅用于装置调试，正常运行的时候则推荐采用自动操作模式。

（2）取水控制

取水系统的自动启停主要由原水箱液位高低决定。当原水箱液位低于中液位时，取水系统运行，当原水箱液位低于低液位时，小型淡化机进入急停状态。操作人员也可在任意时间内根据系统需要进行手动开机。

（3）反渗透控制

反渗透系统的提升泵进水口设置低压（0.1MPa）开关保护，反渗透膜元件进水口设置高压（5.5MPa）开关保护。当提升泵给水不足以致所给压力小于预设值时，低压开关将关闭提升以防止空转。当反渗透膜前进水压力高于预设值时，高压开关发出报警信号，并自动停止小型淡化机以防止超高压运转。

（4）反渗透启动和停止保护

启动提升泵时压力会突然增加，为防止由此产生的高压冲击对自增压高压泵造成的损害，选用变频器作为提升泵的启动装置以逐渐增加其压力和流量。

3 装置集成控制系统编程与组态

3.1 编程

自增压高压泵小型淡化机的程序按照模块化设计理念，即首先用主程序、子程序、子过程等框架把软件的主要结构和流程描述出来，并定义和调试好各个框架之间的输入、输出链接关系。

（1）标准化程序模块开发

程序模块主要包括主程序、初始化程序块、模拟量程序块各程序块之间相互独立。模块化分层调用结构图如图1所示。

（2）智能化功能模块设计

根据自增压高压泵小型淡化机的工艺计算和过程调节要求，通过比较系统行为（输出）与期望行为之间的偏差，并消除偏差以获得预期系统性能的评价方法，建立典型智能调节回路恒压负反馈PID控制器。包括提升泵恒压闭环控制回路，主要用于实现系统自动运行过程中的顺序逻辑控制、回路调节控制等功能。变频器控制框图和逻辑调节回路框图分别如图2、图3所示。

图1 模块化分层调用结构

图2 变频器控制框图

3.2 组态

自增压高压泵小型淡化机的人机界面（HMI）可显示工艺流程及测量参数，控制方式、顺序运行状况、控制对象状态，也能显示成组参数。当参数越限报警、控制对象故障或状态变化时，以不同颜色进行显示。按照工艺流程图设计人机界面画面，至少包括：系统首页、流程监控、数据记录等3个画面。

为验证自增压高压泵小型淡化机的集成控制系统是否完整，在实验室中开展装置性能测试。以人工配制的海水作为原水，通过反渗透膜产生的淡水与自增压高压泵排出的低压浓盐水混合后返回原水箱，保证实验连续进行。实验结果表明样机各项性能满足设计需求，在装置运行过程中关键点位的高、低压原水与浓水的流量、压力及电导等参数均可自动精确显示。装置的集成控制系统可按照工艺需求，完成整体工艺监控和整机的协调控制。

4 结论

自增压高压泵小型淡化机采用模块化设计，关键部件为自增压高压泵，本身无需电源，仅依靠活塞的往复运动，就可以循环增压至反渗透膜组所需压力，保证装置的连续稳定运行。通过工艺与电气控制的准确设计，可对装置的各个关键点位进行精确的监测与控制。

自增压高压泵小型淡化机提升泵进水口设置低压开关保护，反渗透膜元件进水口设置高压开关保护。同时配备变频器作为提升泵启动装置，以避免提升泵产生的压力冲击对自增压高压泵造成影响。装置集成控制系统的硬件部分由集成触摸屏和PLC电控箱组成，软件部分则包括人机界面组态软件和PLC编程软件，在装置正常工作状态下使用自动模式操作。该系统充分保证了装置自动工作过程的控制和协调，可实现装置的自动启停、连锁保护、故障报警及数据记录管理等功能。

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Design of technical processand control system for small seawaterdesalination device with self-boosting high pressure pump

Chen Peng,WangJinyan,Liu Xiaoyu
（The Institute of Seawater Desalination and Multipurpose Utilization,SOA(Tianjin)）

Small seawater desalination device with self-boosting high pressure pump has many advantages including high recovery efficiency,easy installationand high integrated degree.Design oftechnical process and control system are introduced in detail in this paper.Function of the control system composed of integrated touch screen,PLC and man-machine interface configuration softwareincludes automatic start and stop, chain protection,fault alarm,data record management and so on.

Control system;Small seawater desalination device;Self-boosting high pressure pump

图3 逻辑调节回路框图

基金支持：天津市科技支撑计划“自增压高压泵小型淡化机研发”（项目编号12ZCZDSF02400）