低温多效蒸馏海水淡化控制系统的设计与实现

冯 涛，李 楠，王可宁，邵天宝，邢玉雷

(自然资源部 天津海水淡化与综合利用研究所，天津 300192)

目前，我国淡水资源短缺问题日益严重，极大地制约了经济和环境等方面的发展。作为一种可以有效获取淡水的方式，海水淡化技术已经十分成熟。

低温多效蒸馏海水淡化技术(LT-MED)作为海水淡化几大主流技术之一，自20世纪80年代广泛投入使用以来发展十分迅速。相比较于其他工艺如反渗透(RO)、多级闪蒸(MSF)而言，其有着适应能力强、效率高、产水水质好等特点。此外，借助电厂提供的蒸汽从而实现电水联产，已成为当今国内外大型海水淡化工程建设的主要模式之一。

系统依据“实验功能完备、运行稳定可靠、拆装移动灵活”的设计原则，完成了12 t/d测试实验平台的设计和开发。文章则主要通过分析低温多效实验装置的工艺特点，设计并开发了一套控制操作可靠的电控系统，在降低实验人员操作量的同时也提高了设备的自动化控制水平。

1 低温多效海水淡化工艺介绍

测试平台采用MED低温多效蒸馏技术，设计效数为“2效蒸发器+1冷凝器”，设计产水量为12 t/d，产水TDS≤5 mg/L。

主体装置装机总功率为15.9 kW，造水比为1.5～2.0可调。平台所需的蒸汽由电加热锅炉提供，蒸汽供汽参数：流量0.33 t/h，温度70 ℃，压力0.031 2 MPa。工艺流程简图见图1。

图1 LT-MED海水淡化工艺流程简图Fig.1 Flow diagram of LT-MED seawater desalination process

整套系统主要由两效水平管降膜蒸发器和一效冷凝器串联而成，采用方形结构设计。1效蒸发器、2效蒸发器与冷凝器顺序相连，“一”字形排布，操作观测方便，安装运输简单。整个系统进行针对性的防腐耐蚀处理，可有效满足沿海腐蚀工作环境的使用要求。

此外，多效蒸馏海水淡化性能测试平台具有完备的实验测试功能，可模拟大型热法多效蒸馏海水淡化性能测试平台运行工况和操作条件，测试和验证蒸发温度、传热温差、喷淋布液等操作条件对产水性能的影响，分析检验多效蒸馏海水淡化性能测试平台的汽液分离效果、阻垢效果、耐腐蚀性能、运行稳定性等技术性能。

2 硬件设计

2.1 控制系统

低温多效蒸馏海水淡化工程具有多参量(液位、温度、流量等)，多任务，多设备(水泵、阀门、变频器等)以及随机性、时变性和耦合性等特点。控制信号以开关量居多，逻辑运算回路较少。控制过程以顺序逻辑控制为主，单回路负反馈闭环调节为辅。

控制系统的设计以海水淡化工艺特点和应用要求为主要依据，本着从满足生产的实际需要出发，在设计中遵循了以下3方面原则：

(1)可靠性。

PLC系统的稳定性是实现整套状态稳定可靠运行的前提和保障。因此，在设计过程中，CPU及扩展模块供电单元采用主/从双电源供电方式，当主电源线路出现故障后，系统将立即切换至备用电源工作，其中切换响应时间≤80 ms。

(2)扩展性。

控制系统设计过程中，在系统实际需求基础之上，预留15%的I/O数字量和模拟量点位，同时预留了开放性通讯接口，保证系统后续的升级，提高了系统的可扩展性。表1是项目设计过程中的I/O点位清单。

表1 I/O点位统计Tab.1 Statistics of I/O point

(3)通用性。

系统在设计过程中，选型西门子Smart200 SR20系列产品作为控制系统的中央处理器，数量2，其中主、从站点个1个，主站与子站之间通过CPU控制器的以太网口及并行式交换机进行交互式通讯，保证了整个控制系统的结构具有较好的标准性、开放性与互连性，同时也提高了系统的可兼容性。图2为整套实验装置控制系统的拓扑图。

2.2 仪表系统

根据2效低温多效蒸馏海水淡化实验平台的流程图将整个工艺划分为海水进料系统、浓盐水系统、产品水系统、抽真空系统、蒸汽系统和蒸发系统等6个子系统。各子系统主要监测和控制的工艺参数包括温度、流量、压力、液位以及电导等5大类。

在仪表选型和安装的过程中，主要遵循以下几方面原则：(1)温度仪表。温度测量仪表的选型从包括测温范围、准确度要求等方面综合考虑。根据现场或远传显示要求的不同，本设计分别选用双金属温度计和三线制Pt100装配式热电阻。(2)压力仪表。正常工况下，MED装置处于负压工况，因此选型时特别注意压力仪表的耐压等级和量程范围。选择压力表时，要求压力表最大工作压力不超过仪表满量程的2/3～3/4，最小工作压力不小于满量程的1/3。(3)流量仪表。MED装置流量测量介质包括蒸汽、蒸汽空气混合体、海水、淡水等。其中，海水和浓海水管道由于介质电导率较高，设计选用电磁流量计。根据MED工艺，产水管路电导较低(TDS≤5 mg/L)，普通电磁流量计无法满足测量需求，故而选择涡轮流量计进线测量。而蒸汽管路则由于蒸汽温度和压力的不确定性，通常选用带蒸汽密度补偿的涡街流量计进行测量。表2是低温多效蒸馏海水淡化实验装置的仪表选型清单。

表2 2效MED海水淡化装置仪表测点分布Tab.2 Distribution of instrument measuring points of 2-effect MED seawater desalination unit

续表2 (Continue)

3 控制系统开发

3.1 功能概述

控制系统采用PLC+上位机的控制结构，具有实时数据采集、过程逻辑运算、顺序控制、故障报警和在线诊断等功能，并可对数据进行记录、统计、归档和打印处理。工艺系统内的操作和监视功能均可在上位机监控画面中完成。在充分满足工艺控制要求的前提下，兼顾系统的稳定性、可靠性、可操作性和扩展性。

3.2 控制回路设计

控制系统程序在设计过程中除了常规的数据采集、水泵阀门的连锁控制保护外，还通过模拟量和顺序控制系统实现了整个实验装置的非线性单变量闭环PID控制。根据实际装置的工艺控制需求，共设计7个PID控制回路如表3。此外，以下PID控制回路均采用积分比例控制。

表3 PID控制回路设置Tab.3 PID control loop

3.3 PLC程序设计

控制系统程序采用西门子STEP 7-Micro/WIN SMART编程软件进行开发。程序开发过程中，针对工艺流程以水箱为界限进行划分的特点，程序设计同样采用模块化的编程方法，将控制系统按照气浮、砂滤、超滤、反渗透、辅助等模块进行划分，这种编程方式的优点在于，一方面可以提高程序的可读性，便于后期改造；另一面可以提高程序的可移植性，降低后续设计类似项目的工作量。模块具体划分包括：程序初始化模块、气浮模块、砂滤模块、超滤模块、反渗透模块、反渗透清洗及加药模块、反渗透高压复位模块、4 mA～20 mA模拟量转换模块。

3.4 系统编程与组态

控制系统采用“PLC+WINCC”的控制方式，上位监控终端分别设工程师及操作员站各1个，选用联想系列产品。PLC程序开发采用西门子Smart200自带编程软件STEP 7 MicroWIN SMART V2.2进行开发，而上位机则采用SIMAITC WinCC7.5最新版本进行设计开发。

(1)系统编程。

由于低温多效海水淡化生产过程控制要求的复杂程度不同，将程序按结构形式分为基本程序和模块化程序。

基本程序既可以作为独立程序控制简单的生产工艺过程，也可以作为组合模块结构中的单元程序。模块化程序将总的控制目标程序划分成多个具有明确子任务的程序模块，分别编写和调试，最后组合成一个完成总任务的完整程序。其中具体包括，4 mA～20 mA模拟量量程转换模块，系统累计运行时间模块等。

(2)系统组态。

按照工艺流程图设计监控画面，设有足够的画面数量保证满足整个系统的运行和控制的需要，同时各个画面均能方便切换。画面具有动态和静态两种形式，设备颜色随参数或设备状态变化而变化。

监控系统包括系统登录、流程监控、参数设置、历史数据及报警记录查询等4个子监控界面。

4 应用情况

基于PLC和WinCC的控制系统在2效低温多效海水淡化实验装置中应用效果良好。整套系统伴随实验装置已运行数月。运行结果表明：系统运行稳定可靠且自动化程度高，控制连锁完整可靠，系统操作简单便捷，可达少人甚至无人值守的要求。

系统各项主要运行参数均达到工艺设计指标，其中：产水TDS≤5 mg/L，装置整体造水比实现了1.5～2可调。

5 结语

文章针对低温多效海水淡化工艺设计开发了一套控制系统，系统的开发实现了该设备的连续稳定运行。一方面提高了海水淡化控制系统自动化程度，另一方面为日后在大型低温多效海水淡化控制系统的设计和开发提供了有益借鉴。