海水淡化處理方法及發電綜合系統的製作方法
2023-05-22 12:24:51 1
專利名稱：海水淡化處理方法及發電綜合系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及海水淡化處理技術，特別涉及在海水淡化處理過程中，利用海水勢能進行發電的綜合海水淡化處理方法。本發明還涉及上述海水淡化發電過程中的自動化控制系統。
在世界水資源日益缺乏的今天，淡水資源顯得更為珍貴，然而隨著淡水資源的日漸減少，人們已把水資源的利用方向逐步轉向海洋。海洋面積佔地球表面積的71％，水資源相當豐富，但在海水中，鹽份等物質含量較高，一般不能直接被我們的生產、生活所利用。所以，為解決淡水資源缺乏而利用海水，必須首先解決海水中所含各種鹽份等物質的處理問題，這一過程就是海水淡化的過程海水淡化過程就是對海水進行處理，除去海水中的各種鹽份的過程。海水是天然水體的主要組成部分，是一種中等濃度的電解質水溶液，海水的化學組分通常用氯度和鹽度表示。氯度定義為在每1000g海水中若將溴和碘以氯代替時所含氯、溴、碘的總克數，以C1‰表示。鹽度的定義是每1000g海水中將所有碳酸鹽轉變成氧化物後所含固體物質的總克數，以S‰表示。兩者之間關係是S‰＝1.80655C1‰。所以海水淡化處理過程就是根據上述離子的含量關係，除去上述離子的過程。
在一些缺少淡水的國家，海水淡化在許多年以前就已開始了，現有的海水淡化處理有膜處理技術和海水蒸餾處理技術，膜處理技術一般是經過對海水進行添加混凝劑進行混凝、對不溶性固型物進行過濾等預處理過程後，進行超濾和反滲透，進而產生淡水的。在這一過程中，由於海水淡化處理設施安裝在海平面以上，所以要時刻進行海水的提升過程；在處理過程中，因為反滲透需要較大的壓力，需要有一增壓的過程；其它的處理過程中也都需要較大的能量，因此海水淡化處理是一能耗較高的產業。如何提高處理能效，降低能源消耗，始終是海水淡化處理過程中的一個難題。
如果能有效利用海水提升過程中和在後處理中的逐漸下降過程而產生的勢能差進行發電，再利用發電所產生的電能應用於海水處理過程的消耗，將可以大大降低海水淡化的能源消耗，實現能源自給的目的。
本發明的目的就是提供一種海水淡化處理方法，該方法可以實現在海水處理過程中發電，並將產生的電能再利用於海水淡化處理的過程。
本發明還提供一種利用上述海水淡化處理方法發電、並對整個過程施行實時監控、自動控制的海水淡化處理髮電綜合系統。
本發明的海水處理方法包括海水預處理、膜處理和後處理過程，其特徵在於在海水預處理過程中對海水進行電加熱，以降低海水粘度，增加海水透過反滲透膜的透過速度，降低海水中固體顆粒(膠體)的含量，控制淤塞指數(SDI)保護膜面；在海水進水口安裝高壓水泵抬高水勢，使用低水頭防碳酸鹽橫軸軸流式水輪機，帶動發電機組進行發電，並採用自動感應增速，保持電能穩定輸出，以保證海水淡化過程的能量供給；在海水淡化處理過程中，運用計算機網絡控制系統對海水淡化、發電全過程進行監控，加強海水淡化發電運轉狀態的自動控制、自動監測海水淡化過程、自動測定淡化水質，保障海水淡化處理過程的準確、安全。
其中，上述海水的預處理過程是對海水進行物理的、化學的處理的過程，包括PH值調整、溫度調整、除去懸浮固體和膠體、控制可溶性矽酸鹽、防止結垢、防止鐵錳沉澱、殺菌處理、除去溶解性有機物、增加水壓；上述處理過程分別利用預處理的工作單元設備混凝池、沉澱池、澄清池、高壓泵、管道混合器、砂濾器、精密過濾器、活性炭過濾器中進行；膜分離過程包括超濾膜分離和反滲透膜分離，通過由膜、支撐物和容器組成的膜分離單元進行。
本發明還提供一種應用於上述海水淡化方法的發電綜合系統，該系統包括海水處理子系統、水質檢測子系統、發電子系統、給排水子系統和安全管理子系統五個子系統；分別執行海水處理功能、處理過程中水質檢測功能、發電功能、供水排水功能和系統安全運行控制功能；其中，各個子系統均包括功能設備、傳感器、數據採集器、執行機構和子系統計算機系統；各個子系統計算機通過與系統主控計算機以聯網的方式進行通信，實現自動控制。
上述的綜合系統的海水處理子系統還包括海水預處理模塊、膜處理模塊、和後處理模塊；其中海水預處理模塊又包括混凝池、沉澱池、澄清池、高壓泵、管道混合器、砂濾器、精密過濾器、活性炭過濾器等處理裝置和傳感器、數據採集器、執行機構等自動控制裝置；膜處理模塊包括超濾膜分離器、反滲透膜分離器和傳感器、數據採集器、執行機構；後處理模塊包括後處理裝置和傳感器、數據採集器、執行機構；上述各功能模塊通過海水處理子系統計算機控制系統實現海水淡化處理自動控制。
上述的發電子系統包括發電模塊和電力輸送模塊，其中發電模塊包括水輪機、發電機組、傳感器、數據採集器、執行機構；電力輸送模塊包括電力輸送裝置、電力配給裝置、傳感器、數據採集器、執行機構；上述裝置通過發電子系統計算機控制系統進行自動控制。
上述檢測子系統包括位於各處理裝置的檢測儀、傳感器、數據採集器、傳送裝置、執行機構，上述裝置通過檢測子系統計算機控制系統分別用於各處理裝置的水質檢測、水質控制和水質調整。
上述給排水子系統包括海水提升泵、中間加壓泵和排水機構，分別用於提升海水至一定高度、在處理過程中增加海水的壓力和淡水輸出、濃水輸送等功能，各裝置通過設備傳感器、數據採集器、執行機構，通過給排水子系統計算機控制系統實現自動啟動、關閉的功能。
系統安全管理系統包括各處理裝置運行傳感器、發電裝置運行傳感器、檢測裝置運行傳感器和給排水系統運行傳感器、數據採集器、執行機構，通過子系統計算機監視系統運行狀況，實時作出處理。
本發明採用階梯式膜組件串聯而成，反滲透膜是由若干個膜組件串聯連接而成。反滲透膜的透水量如下表。
本發明採用反滲透膜組透水量
串聯回收率的計算方法qv.p＝yqv.f＋(1－y)yqv.f＋……(1－y)i－1yqv.f＋……(1－y)n－2yqv.f＋(1－y)n－1yqv.f＝[1－(1－y)n]qv.f透水量qy.ph＝(1－y)i－1yqv.f本發明綜合系統的主控計算機和各系統子計算機在控制過程採用計算機網絡控制系統軟體UNIX系統、INFORMIX資料庫管理系統、POWERBUILDER前端開發工具設計。在軟體設計時需要輸入進水溫度、PH值、各種離子濃度、濁度、SDI值、Fe、H2S等數據，然後根據這些數據自動進行水質計算，計算出陰離子和陽離子的總濃度、含鹽量、滲透壓、離子強度、結垢物質飽和指數和電導率。
反滲透工藝計算和控制中輸入設計流量系統所需段數、膜元件、壓力容器排列等。輸入泵和電機效率、脫鹽率、運行壓力、溫度變化數據，以方便設計出水水質和主要運行參數。
本發明採用結合發電的海水淡化處理方法，有效利用在海水淡化處理過程中的海水勢能進行發電，所產生的電力再應用於海水淡化處理設備所需，減少了處理過程中的電能消耗，降低了海水淡化處理成本。本發明還採用了利用計算機系統控制整個海水淡化處理和發電過程，實現自動控制，自動生產，減少了運行費用，提高了運行效率。
下面結合附圖對本發明進行詳細說明
圖1是本發明海水淡化處理方法工藝流程圖；圖2是本發明海水淡化處理方法海水預處理工藝流程圖；圖3是本發明海水淡化處理方法膜處理工藝流程圖；圖4是本發明海水淡化處理髮電綜合系統系統結構圖；圖5是本發明海水淡化處理髮電綜合系統的海水處理子系統功能模塊圖；圖6是本發明海水淡化處理髮電綜合系統發電子系統功能模塊圖；圖7是本發明海水淡化處理髮電綜合系統檢測子系統功能模塊圖8是本發明海水淡化處理髮電綜合系統給排水子系統功能模塊圖如圖1所示，本發明海水淡化處理方法包括海水預處理過程、發電過程和膜處理過程。
如圖2所示，海水預處理過程是對海水進行初步處理，以滿足後續海水處理和發電的需要。在這一過程中對海水加熱、澄清、混合、沉澱、溶解等過程，預處理過程包括PH值調整、溫度調整、除去懸浮固體和膠體、控制可溶性矽酸鹽、防止結垢、防止鐵錳沉澱、殺菌處理、除去溶解性有機物、增加水壓，上述的過程分別是在混凝池、沉澱池、澄清池、高壓泵、管道混合器、砂濾器、精密過濾器、活性炭過濾器等裝置中添加混凝劑、殺菌劑、助凝劑、防垢劑和酸等進行的，預處理的水質應達到以下指標SDI＜5；濁度1.3NTU；游離氯＜0.99mg/L(ppm)；水溫≤40℃；壓力≤4.50Mpa；PH值2—12；具體要求是海水初進管道時懸浮物(SS)應小於50mg/L(ppm)；在進入管道混合器前設置澄清池；在管道混合器加入阻垢劑、混凝劑；管道混合器後加入Na2SO3(除去溶解氧)以阻止鐵錳氧化保持溶解狀態；配置加溫電熱器，提高水溫(5—20℃)，以降低海水的粘度。
發電如圖1所示，由於海水已被提升到一定的高度，具有一定的勢能，在海水進入下一步的處理過程中，利用海水的勢能推動低水頭防碳酸鹽防腐水輪機轉動，將水的勢能轉化為機械能，水輪機帶動發電機組轉動，再將機械能轉化為電能，完成發電過程；該水輪機採用低水頭橫軸軸流式水輪機，水頭可在2米～8米之間，發電能力在5000KW/H～20000KW/H。
膜處理如圖3所示，經過預處理的海水，降低水勢發電後，經過一增壓泵，以增加海水的壓力適合膜處理。海水在膜處理裝置內進一步除去海水中的鹽離子，降低海水的鹽份，降低氯度和鹽度。
根據上述方法，在各個處理過程中，採用計算機自動控制系統，實現全自動化生產。
如圖4所示，是本發明海水淡化處理髮電綜合系統系統結構圖。該海水淡化處理髮電綜合系統包括海水處理子系統、水質檢測子系統、發電子系統、給排水子系統和安全管理子系統五個子系統；分別執行海水處理功能、處理過程中水質檢測功能、發電功能、供水排水功能和系統安全運行控制功能。各個子系統均包括功能設備、傳感器、數據採集器、執行機構和子系統計算機系統；各個子系統計算機通過與系統主控計算機以聯網的方式進行通信，實現自動控制。
如圖5所示，海水處理子系統還包括海水預處理模塊、膜處理模塊、和後處理模塊；其中海水預處理模塊又包括混凝池、沉澱池、澄清池、高壓泵、管道混合器、砂濾器、精密過濾器、活性炭過濾器等處理裝置和傳感器、數據採集器、執行機構等自動控制裝置；膜處理模塊包括超濾膜分離器、反滲透膜分離器和傳感器、數據採集器、執行機構；後處理模塊包括後處理裝置和傳感器、數據採集器、執行機構；上述各功能模塊通過海水處理子系統計算機控制系統實現海水淡化處理自動控制。
如圖6所示，發電子系統包括發電模塊和電力輸送模塊，其中發電模塊包括水輪機、發電機組、傳感器、數據採集器、執行機構；電力輸送模塊包括電力輸送裝置、電力配給裝置、傳感器、數據採集器、執行機構；上述裝置通過發電子系統計算機控制系統進行自動控制。
如圖7所示，給排水子系統包括海水提升泵、中間加壓泵和排水機構，分別用於提升海水至一定高度、在處理過程中增加海水的壓力和淡水輸出、濃水輸送等功能，各裝置通過設備傳感器、數據採集器、執行機構，通過給排水子系統計算機控制系統實現自動啟動、關閉的功能。
如圖8所示，檢測子系統包括位於各處理裝置的檢測儀、傳感器、數據採集器、傳送裝置、執行機構，上述裝置通過檢測子系統計算機控制系統分別用於各處理裝置的水質檢測、水質控制和水質調整。
系統安全管理系統包括各處理裝置運行傳感器、發電裝置運行傳感器、檢測裝置運行傳感器和給排水系統運行傳感器、數據採集器、執行機構，通過子系統計算機監視系統運行狀況，實時作出處理。
本發明的海水淡化處理髮電綜合系統是這樣一來運行的，海水提升泵將海水提高到一定的高度後，在設置的沉澱池內進行沉澱澄清。在這一過程中，通過海水監測儀器測定海水中的懸浮物濃度、鹽離子濃度、PH值等理化指標，將測定數據傳送到監測子系統計算機。子系統計算機根據測定數據進行計算，計算出混凝劑、助凝劑、酸度調節劑等的用量，然後將此信息傳送給水質調節執行機構，使該執行機構動作，加入適量的上述調節劑，對進入的海水進行物理、化學處理。處理水質符合要求後，也是通過上述的檢測機構將檢測信息傳給子系統計算機，子系統計算機對水質確認後，向系統主控計算機和給、排水子系統發送信息，給排水子系統根據檢測子系統的信息，控制給排水執行機構打開閥門或水泵向下一級輸送海水。同時由系統主控計算機將此信息進一步發送給其它子系統，使各系統協調工作。預處理的海水經在排水子系統的控制下，從一定高度下降，海水進入軸流水輪機，推動水輪機轉動，將水的勢能動轉化為水輪機轉動的機械能，水輪機帶動發電機組轉動而將機械能轉化為電能。在這一過程中，採用自動增速控制機構，將水的勢能均勻轉化，將機械能均勻轉化，保持轉速穩定，實現較穩定的電力輸出功能。發電機組所產生的電力，根據其它子系統的需要，由其它子系統向系統主控計算機傳送提供電力需求信息，系統主控計算機根據這些信息進行電力配送運算，並將配送指令傳送給發電子系統計算機，發電子系統計算機控制執行機構分別為其它子系統提供電力配送。發電後的海水進入下一步處理階段，海水處理子系統根據發電子系統的信息，啟動膜處理裝置，檢測子系統根據膜處理裝置進水口的水質和水量，通過計算，獲得膜處理的段數，將此信息傳遞給海水處理子系統，海水處理子系統根據檢測子系統傳遞的信息，控制執行機構打開相應的處理膜組件，進入膜處理過程。膜處理過程完成後，水仍具有一定的勢能，為進一步利用，可以再設一級發電機組進行發電。膜處理後的水經檢測子系統的檢測，進入後處理過程，在後處理過程完成後，處理子系統根據檢測子系統的信息，輸送出合格的淡水。在系統運行過程中，系統安全管理子系統通過各個設備運行傳感器，將設備運行狀態的數據傳送給子系統計算機，子系統計算機根據各設備的運行狀況將運行信息傳送給系統主控計算機，通過系統主控計算機將運行信息傳送給其它各個子系統，各個子系統根據運行信息調整子系統的運行狀態；在系統的某一部分出現運行問題時，安全管理子系統根據預先設置好的程序，作出應急處理，並指令相應的子系統執行，及時將此信息傳到系統主控計算機，系統主控計算機根據情況確定某一部分或某一子系統停止運行，避免設備的損壞和空運轉。
本發明的海水淡化處理髮電計算機控制系統主要具有以下功能海水進水質自動測定功能、水流量自動控制功能、淡化水質自動測定功能、發電機運轉狀態自動控制功能、電加溫(度)自動調節功能、水輪機自動控制功能、水勢(壓)自動感應增速功能、濃水排放測定功能、設備清洗自動控制功能、膜分離(裝置)狀態顯示功能、輸配電自動調節功能、各子系統運行狀態顯示功能、各子系統異常告警功能、各已知異常處理控制功能、網絡系統的安全檢查控制功能、數據採集存儲功能、提供與其它系統信息接口。海水淡化處理髮電計算機控制系統採用光纖數據高速公路，使用環行拓展結構，環形光纖數據高速公路具有抗電磁幹擾、抗射頻幹擾、抗一切電子信號幹擾、抗雷電，耐酸、耐腐蝕、耐潮解和無接地迴路等優點，能夠滿足系統的分布式實時控制要求。
本發明的海水淡化處理方法及發電綜合系統的主要特徵是在海水淡化過程中增加了海水加熱過程，利用海水勢能發電回供海水淡化處理，並採用計算機系統自動控制。因此，凡利用本發明方法和構思的方法和系統均屬於本發明的保護範圍。
權利要求
1．一種海水淡化處理方法，包括海水預處理、海水膜處理和後處理，其特徵在於在海水預處理過程中對海水進行電加熱；在上述的各段處理過程中，利用產生的海水勢能差推動發電機進行發電；利用計算機系統對整個海水淡化處理過程和發電過程進行自動控制。
2．根據權利要求1所述的海水淡化處理方法，其特徵在於預處理過程還包括PH值調整、溫度調整、除去懸浮固體和膠體、控制可溶性矽酸鹽、防止結垢、防止鐵錳沉澱、殺菌處理、除去溶解性有機物、增加水壓。
3．根據權利要求1所述的海水淡化處理方法，其特徵在於這些海水的預處理過程是分別在混凝池、沉澱池、澄清池、高壓泵、管道混合器、砂濾器、精密過濾器、活性炭過濾器中完成的。
4．根據權利要求1所述的海水淡化處理方法，其特徵在於該膜處理採用反滲透膜階梯式組件串聯而成。
5．根據權利要求1所述的海水淡化處理髮電綜合系統，其特徵在於包括海水處理子系統、水質檢測子系統、發電子系統、給排水子系統和安全管理子系統五個子系統；分別執行海水處理功能、處理過程中水質檢測功能、發電功能、供水排水功能和系統安全運行控制功能；其中，各個子系統均包括處理裝置、傳感器、數據採集器、執行機構和子系統計算機系統；各個子系統計算機通過與系統主控計算機聯網的方式進行通信，實現自動控制。
6．根據權利要求5所述的海水淡化處理髮電綜合系統，其特徵在於海水處理子系統還包括海水預處理模塊、膜處理模塊、和後處理模塊；其中海水預處理模塊又包括混凝池、沉澱池、澄清池、高壓泵、管道混合器、砂濾器、精密過濾器、活性炭過濾器等處理裝置和傳感器、數據採集器、執行機構等自動控制裝置；膜處理模塊包括超濾膜分離器、反滲透膜分離器和傳感器、數據採集器、執行機構；後處理模塊包括後處理裝置和傳感器、數據採集器、執行機構；上述各功能模塊通過海水處理子系統計算機系統實現海水淡化處理自動控制。
7.根據權利要求5所述的海水淡化處理髮電綜合系統，其特徵在於發電子系統包括發電模塊和電力輸送模塊，其中發電模塊包括水輪機、發電機組、傳感器、數據採集器、執行機構；電力輸送模塊包括電力輸送裝置、電力配給裝置、傳感器、數據採集器、執行機構；上述裝置通過發電子系統計算機系統進行自動控制。
8.根據權利要求5所述的海水淡化處理髮電綜合系統，其特徵在於檢測子系統包括位於各處理裝置的檢測儀、傳感器、數據採集器、傳送裝置、執行機構，上述裝置通過檢測子系統計算機系統分別用於各處理裝置的水質檢測、水質控制和水質調整。
9.根據權利要求5所述的海水淡化處理髮電綜合系統，其特徵在於給排水子系統包括海水提升泵、中間加壓泵和排水機構，分別用於提升海水至一定高度、在處理過程中增加海水的壓力和淡水輸出、濃水輸送等功能，各裝置通過設備傳感器、數據採集器、執行機構，通過給排水子系統計算機系統實現自動啟動、關閉的功能。
10.根據權利要求5所述的海水淡化處理髮電綜合系統，其特徵在於系統安全管理系統包括各處理裝置運行傳感器、發電裝置運行傳感器、檢測裝置運行傳感器和給排水系統運行傳感器、數據採集器、執行機構，通過子系統計算機監視系統運行狀況，實時作出處理。
全文摘要
本發明是一種海水淡化處理方法及發電綜合系統,利用海水淡化處理過程中產生的海水勢能推動水輪機運轉,進而帶動發電機發電,所產生的電力用於海水淡化處理所需;適當加熱海水,降低海水粘度,增加海水透過反滲透膜的速度,提高了海水淡化處理效率,降低海水淡化處理成本。
文檔編號F03B13/00GK1327955SQ0112942
公開日2001年12月26日 申請日期2001年6月18日 優先權日2001年6月18日
發明者吳桐 申請人:吳桐