中水反滲透自動化監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

中水反滲透自動化監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

0反滲透水處理系統(tǒng)在電廠中的應(yīng)用為了加強(qiáng)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，國家和政府有關(guān)部門高度重視污水處理廠廢水排放的示范和改造，加快污水收集和城市水回收利用。同時(shí)，采取了多項(xiàng)政策，鼓勵大型國有企業(yè)和家庭用自來水代替自來水，以提高環(huán)境效率。中水回用系統(tǒng)產(chǎn)水作為電廠水源，穩(wěn)定供給是實(shí)現(xiàn)電廠正常生產(chǎn)的必要前提。，為保障中水回用系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，設(shè)計(jì)開發(fā)了一套運(yùn)行穩(wěn)定可靠、操作簡潔方便的自動監(jiān)控系統(tǒng)，在保障產(chǎn)水穩(wěn)定的前提下，可實(shí)現(xiàn)無人或少人值守，提高工廠自動化水平。反滲透作為主流水處理技術(shù)之一，具有技術(shù)成熟、能耗較低、組合靈活等多種優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于電力、化工等行業(yè)中。該文以內(nèi)蒙古杭錦后旗某電廠50t/h中水反滲透項(xiàng)目為例，對其一體化集控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)進(jìn)行詳細(xì)介紹。1反滲透系統(tǒng)設(shè)計(jì)中水反滲透系統(tǒng)主體采用“多介質(zhì)+一級二段反滲透”的工藝流程，系統(tǒng)包括預(yù)處理單元、反滲透單元和產(chǎn)水輸送單元及清洗加藥單元，反滲透產(chǎn)水主要用于為電廠循環(huán)冷卻水進(jìn)行補(bǔ)水。中水反滲透工藝流程如圖1所示。預(yù)處理單元：污水處理廠中水經(jīng)管網(wǎng)輸送至電廠，投加非氧化殺菌劑后進(jìn)入多介質(zhì)過濾器進(jìn)行初步過濾，用于去除原水中的大顆粒懸浮物，經(jīng)多介質(zhì)過濾器過濾后的產(chǎn)品水進(jìn)入中間水箱。反滲透單元：中間水泵將多介質(zhì)過濾器產(chǎn)水提升至保安過濾器進(jìn)行二次過濾后，再經(jīng)高壓泵加壓進(jìn)入一段反滲透膜組，一段反滲透濃水作為二段進(jìn)水；一、二段產(chǎn)水經(jīng)產(chǎn)品水輸送泵提升共同進(jìn)入循環(huán)冷卻補(bǔ)水蓄水池，二段濃水分為兩路，一路直接排放，另一路回流至保安過濾器后，與原多介質(zhì)產(chǎn)水混合再次進(jìn)行反滲透處理，從而提高系統(tǒng)回收率。輔助單元：由清洗和加藥兩部分組成。清洗系統(tǒng)針對膜結(jié)構(gòu)的成分又分為酸洗和堿洗，使用周期一般為一季度至半年一次，相對獨(dú)立。加藥系統(tǒng)又包括殺生劑、阻垢劑、還原劑和堿劑等。2系統(tǒng)控制過程的研究2.1多介質(zhì)過濾器控制步序由于反滲透膜對于進(jìn)水水質(zhì)要求較為嚴(yán)苛，污水廠中水難以達(dá)到其要求，故而系統(tǒng)預(yù)處理單元設(shè)置多介質(zhì)過濾器和保安過濾器雙重措施確保預(yù)處理產(chǎn)水水質(zhì)達(dá)標(biāo)。運(yùn)行期間，在中水供水量不變的情況下，多介質(zhì)過濾器和保安過濾器的操作壓差會隨時(shí)間不斷變大，中水經(jīng)過預(yù)處理系統(tǒng)的滲透速率也會不斷下降，從而導(dǎo)致預(yù)處理產(chǎn)水量不斷衰減。因此需要根據(jù)采集的壓差值（≥0.15MPa）對保安過濾器進(jìn)行定時(shí)更換；并根據(jù)預(yù)處理PLC采集運(yùn)算的累計(jì)運(yùn)行時(shí)間和壓差來實(shí)現(xiàn)對多介質(zhì)過濾器的運(yùn)行、正洗、反洗、氣洗等工作狀態(tài)的自動化切換。多介質(zhì)過濾器的控制步序：1）排氣打開多介質(zhì)過濾器進(jìn)水閥、排氣閥，直至排氣閥出水后，關(guān)閉排氣閥，完成排氣；2）正洗保持進(jìn)水閥打開狀態(tài)、打開下排閥，運(yùn)行60s后，關(guān)閉下排閥完成正洗；3）產(chǎn)水保持進(jìn)水閥打開狀態(tài)、打開產(chǎn)水閥，累計(jì)運(yùn)行48h或壓差≥0.08MPa后停止正常產(chǎn)水，準(zhǔn)備進(jìn)行沖洗；4）氣洗關(guān)閉進(jìn)水閥和產(chǎn)水閥，打開進(jìn)氣閥、上排閥和排氣閥，進(jìn)行60s氣洗后停止；5）反洗關(guān)閉進(jìn)氣閥和排氣閥，打開反洗閥，啟動反洗泵，運(yùn)行15min后，停止反洗泵，關(guān)閉反洗閥、上排閥，重復(fù)第1步操作步驟。上述各步驟對應(yīng)的閥門開關(guān)狀態(tài)如表1所示，其中“√”為閥門開狀態(tài)，“×”為閥門關(guān)狀態(tài)，多介質(zhì)過濾器閥門對應(yīng)的P&ID流程如圖2所示。此外，系統(tǒng)還可根據(jù)運(yùn)行過程實(shí)際需求，在上位機(jī)監(jiān)控界面對系統(tǒng)各步驟的運(yùn)行時(shí)間參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。2.2中水處理工藝技術(shù)及在線儀表反滲透單元為整個(gè)中水處理系統(tǒng)的主機(jī)單元，是整個(gè)中水處理系統(tǒng)最為關(guān)鍵和核心的部分，其工藝流程、設(shè)備分布及在線儀表如圖3所示。主機(jī)控制過程包括自動啟動、自動停機(jī)和設(shè)備急停。1啟動中間提升泵，關(guān)閉無合格水閥中間水箱水位達(dá)到中液位時(shí)，系統(tǒng)具備啟動條件，啟動步序如下：(1)打開不合格水閥和濃排閥，啟動中間提升泵，低壓狀態(tài)下沖洗2min;(2)關(guān)閉濃排閥，啟動高壓泵，高壓泵為VFD變頻控制，啟動方式為斜坡啟動；(3)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后，當(dāng)產(chǎn)水電導(dǎo)小于電導(dǎo)設(shè)置高值后（初始值200μs/cm），系統(tǒng)自動打開合格水閥，關(guān)閉不合格水閥。至此，系統(tǒng)完成全自動啟動全部步驟。2高壓泵停機(jī)及頻率降低系統(tǒng)自動停機(jī)或中間水箱液位達(dá)到低值時(shí)候，系統(tǒng)首先停止高壓泵，高壓泵停機(jī)采用斜坡方式，頻率逐步降至預(yù)設(shè)置25Hz后再完全停止；中間提升泵延遲1min后自動停止，待提升泵、高壓泵完全停止后，關(guān)閉合格水閥，系統(tǒng)完成自動停機(jī)。3水壓力值設(shè)定系統(tǒng)在全自動運(yùn)行的情況下，WinCC上位監(jiān)控界面實(shí)時(shí)采集高壓泵進(jìn)出口壓力數(shù)值。當(dāng)高壓泵進(jìn)水壓力值小于壓力開關(guān)預(yù)設(shè)值時(shí)（初始值0.15MPa）時(shí)或膜組進(jìn)水壓力高于設(shè)置值時(shí)（初始值1.6MPa），系統(tǒng)自動停機(jī)并出現(xiàn)設(shè)備復(fù)位鍵。為避免高壓泵急停形成的水錘效應(yīng)給反滲透膜組和管路帶來的沖擊力過大，系統(tǒng)同樣設(shè)置高壓泵為階梯式停機(jī)，即在低速運(yùn)行一定時(shí)間后再完全停機(jī)。2.3反滲透化學(xué)清洗系統(tǒng)加藥單元運(yùn)行是否正常直接關(guān)系到產(chǎn)品水水質(zhì)及反滲透膜組使用壽命，加藥單元具體包括：非氧化殺生劑、阻垢劑、還原劑和堿劑。系統(tǒng)自動運(yùn)行后，加藥單元隨著自動投加非氧化殺生劑、阻垢劑和還原劑。堿劑的投機(jī)取決于中水系統(tǒng)產(chǎn)水的pH值，當(dāng)產(chǎn)水pH值小于預(yù)設(shè)值（初始值6.5）時(shí)，堿劑加藥泵開始投入運(yùn)行，反正則停止運(yùn)行。反滲透化學(xué)清洗周期一般為每季度或兩季度清洗一次，當(dāng)WinCC上位采集到的數(shù)據(jù)表明跨膜壓差上升明顯或低于設(shè)計(jì)產(chǎn)水量10%以上時(shí)，則需要根據(jù)具體結(jié)垢成分來制定酸洗或堿洗方案。由于清洗系統(tǒng)使用率較低，系統(tǒng)未設(shè)計(jì)全自動清洗程序。系統(tǒng)停機(jī)清洗時(shí)，上位監(jiān)控機(jī)將“自動”切換至“手動”，再在上位機(jī)依次打開清洗泵和對應(yīng)閥門進(jìn)行清洗工作。3基于信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開發(fā)3.1點(diǎn)開關(guān)量輸出d中水回用系統(tǒng)控制規(guī)模屬中小型，監(jiān)控點(diǎn)數(shù)77點(diǎn)，其中22點(diǎn)模擬量輸入（AI),1點(diǎn)模擬量輸出（AO),41點(diǎn)開關(guān)量輸入（DI),13點(diǎn)開關(guān)量輸出（DO）。綜合考慮經(jīng)濟(jì)性、適用性、可靠性及可擴(kuò)展性，系統(tǒng)采用了西門子S7-200Smart型號產(chǎn)品，該系列產(chǎn)品適用于中小型系統(tǒng)，具有較強(qiáng)的擴(kuò)容性，此外還集成了獨(dú)立的以太網(wǎng)口，組態(tài)通信更加方便靈活，具體模塊配置如表2所示。3.2反滲透控制模塊控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)采用與西門子S7-200Smart配套的STEP7-MicroWinSMART編程語言進(jìn)行開發(fā)。采用模塊化的設(shè)計(jì)思路，其程序具有較強(qiáng)的可讀性和擴(kuò)容性。具體包括：系統(tǒng)初始化模塊、模擬量轉(zhuǎn)化模塊、預(yù)處理模塊、反滲透模塊、清洗及加藥系統(tǒng)模塊等，其中反滲透模塊是整個(gè)程序設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，其邏輯框圖如圖4所示。反滲透控制模塊實(shí)現(xiàn)的主要連鎖保護(hù)有：(1)中間水箱設(shè)置低液位保護(hù)和中液位啟動，當(dāng)液位≤500mm，系統(tǒng)停機(jī)并報(bào)警，當(dāng)液位恢復(fù)至1300mm以上后，系統(tǒng)恢復(fù)運(yùn)行；(2)高壓泵進(jìn)出口分別設(shè)置高低壓保護(hù)，當(dāng)供水壓力≤0.15MPa或高壓泵出口壓力≥1.6MPa時(shí)，系統(tǒng)停機(jī)并報(bào)警；(3)產(chǎn)水電導(dǎo)≤200μS/cm時(shí)，合格閥打開，不合格閥關(guān)閉；產(chǎn)水電導(dǎo)≥200μS/cm時(shí)，合格閥打開，不合格閥關(guān)閉；(4)反滲透進(jìn)水ORP≥300mV時(shí)，系統(tǒng)啟動還原劑加藥泵；(5)反滲透產(chǎn)水pH≤6.5時(shí)，系統(tǒng)自動啟動堿劑加藥泵。3.3上位監(jiān)控單元整套上位監(jiān)控界面采用標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的設(shè)計(jì)方法，采用WinCCExplorer的編程開發(fā)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)對預(yù)處理、反滲透、輔助等單元關(guān)鍵參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和有效管理，確保中水反滲透裝置長期穩(wěn)定運(yùn)行。上位監(jiān)控單元除實(shí)時(shí)監(jiān)測海水淡化工藝流程及參數(shù)、還具備一鍵啟停，歷史參數(shù)查詢、關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置、Horn聲控報(bào)警等功能，在確保設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行的同時(shí)，也大大降低了操作人員的工作強(qiáng)度，提高了系統(tǒng)的自動化水平。此外，為了直觀深入地了解和統(tǒng)計(jì)中水反滲透裝置連續(xù)運(yùn)行情況，系統(tǒng)還利用VC編程腳本實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)自動存儲功能，將上位機(jī)采集的各項(xiàng)運(yùn)行數(shù)據(jù)自動導(dǎo)入Excel數(shù)據(jù)表，用于數(shù)據(jù)的存儲和管理，上位監(jiān)控界面如圖5所示。4裝置運(yùn)行效果基于PLC和WinCC的集控系統(tǒng)在內(nèi)蒙巴彥淖爾某電廠50t/h中水反滲透處理系統(tǒng)中成功應(yīng)用。實(shí)際裝置如圖6所示。系統(tǒng)已連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行2個(gè)月，累計(jì)產(chǎn)水量5萬噸。運(yùn)行結(jié)果表明：系統(tǒng)自動化程度高，運(yùn)行穩(wěn)定安全，實(shí)現(xiàn)各單元高效匹配和協(xié)同運(yùn)行，系統(tǒng)脫鹽率及回收率等各項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)要求，出水