海水淡化多工況綜合評(píng)價(jià)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

肖亞蘇，王曉玲，俞永江，苗 超，馮 濤

(自然資源部 天津海水淡化與綜合利用研究所，天津 300192)

1 前言

我國是水資源貧國，被聯(lián)合國列為13個(gè)嚴(yán)重缺水的國家之一，缺水形勢迫切要求發(fā)展海水淡化產(chǎn)業(yè)[1-2]。在大力推進(jìn)海水淡化規(guī)?；瘧?yīng)用過程中，海水淡化裝置的綜合性能包括運(yùn)行工況、制水成本、智能運(yùn)維等問題引起關(guān)注并成為當(dāng)前海水淡化技術(shù)的研究重點(diǎn)[3-4]。

為了深入研究不同工藝參數(shù)下海水淡化裝置的綜合性能，考察最佳運(yùn)行工況，文章設(shè)計(jì)開發(fā)了海水淡化多工況綜合評(píng)價(jià)系統(tǒng)，對(duì)海水淡化多種工況進(jìn)行仿真分析研究。系統(tǒng)通過定制的信號(hào)輸入控制臺(tái)模擬海水淡化裝置多種運(yùn)行工況，結(jié)合綜合管理平臺(tái)開發(fā)的三維模型及功能模塊，可對(duì)多種運(yùn)行工況進(jìn)行對(duì)比分析，為改進(jìn)工藝設(shè)計(jì)、優(yōu)化運(yùn)行策略、降低造水成本提供重要依據(jù)。

2 開發(fā)設(shè)計(jì)原則

(1)先進(jìn)性。應(yīng)當(dāng)采用當(dāng)今主流技術(shù)，既要考慮應(yīng)用平臺(tái)和工具的先進(jìn)，更要考慮系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和應(yīng)用設(shè)計(jì)的先進(jìn)性，以主流技術(shù)和設(shè)備建設(shè)海水淡化多工況綜合評(píng)價(jià)系統(tǒng)，借鑒國內(nèi)外成熟的數(shù)據(jù)信息處理系統(tǒng)架構(gòu)，保證系統(tǒng)的先進(jìn)性和安全性。

(2)規(guī)范性。采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，嚴(yán)格遵循國際標(biāo)準(zhǔn)、國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范，確保開放性和兼容性，確保系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備之間通訊的透明性和互聯(lián)互通能力，充分考慮軟硬件升級(jí)及后期擴(kuò)展等需求。

(3)易管理性、易維護(hù)性。采用全中文、圖形化軟件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的管理和維護(hù)，所有軟件界面友好、操作簡單，具有處理速度快、容錯(cuò)能力強(qiáng)、備份及數(shù)據(jù)恢復(fù)快等優(yōu)點(diǎn)[5-6]。

3 系統(tǒng)架構(gòu)

海水淡化多工況綜合評(píng)價(jià)系統(tǒng)包括兩部分，分別是信號(hào)輸入控制臺(tái)和綜合管理平臺(tái)。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。支持多工況模擬仿真和相關(guān)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析；支持實(shí)際海水淡化系統(tǒng)的運(yùn)行監(jiān)控和數(shù)據(jù)分析，可對(duì)模擬數(shù)據(jù)和實(shí)際過程數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合比較分析；支持工況回放、設(shè)備管理及三維展示等功能。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)Fig.1 System architecture

3.1 信號(hào)輸入控制臺(tái)

多工況信號(hào)輸入控制臺(tái)開發(fā)設(shè)計(jì)了多個(gè)RS232及RS485串口，可接收實(shí)際海水淡化工程運(yùn)行數(shù)據(jù)，亦可模擬海水淡化裝置不同運(yùn)行工況的過程參數(shù)，具備工況管理、參數(shù)設(shè)置、信號(hào)模擬、信號(hào)接入、數(shù)據(jù)通信和協(xié)議轉(zhuǎn)換等功能，并與綜合管理平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

信號(hào)輸入控制臺(tái)具體功能如下：

(1)工況管理?？尚陆ā⑿薷?、刪除、查看、啟用和停止不同工況。并提供預(yù)定義工況選擇功能，方便快速設(shè)置和調(diào)整參數(shù)。

(2)參數(shù)設(shè)置。通過面板中的按鈕、滑塊和輸入框等調(diào)整海水淡化裝置各種運(yùn)行工況下的工藝過程參數(shù)。

(3)信號(hào)模擬。根據(jù)淡化裝置的不同運(yùn)行工況輸入對(duì)應(yīng)工藝過程參數(shù)，產(chǎn)生模擬信號(hào)。

(4)數(shù)據(jù)通信。與服務(wù)器或外部模擬信號(hào)輸入設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

(5)協(xié)議轉(zhuǎn)換。將外部輸入的不同協(xié)議信號(hào)(如Modbus或OPC)轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的信號(hào)，與服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

3.2 綜合管理平臺(tái)

綜合管理平臺(tái)支持多工況模擬仿真和相關(guān)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析；支持實(shí)際的低溫多效海水淡化工程的運(yùn)行監(jiān)控和數(shù)據(jù)分析。即對(duì)模擬數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)均可進(jìn)行綜合比較分析。支持工況回放、資產(chǎn)管理、報(bào)警管理、三維展示及系統(tǒng)管理等功能。

4 綜合管理平臺(tái)主要功能模塊

綜合管理平臺(tái)采用Mono Develop、C#6.0、Visual Studio 2010、Unity 3.5.0和3DMax 2010軟件開發(fā)。包括系統(tǒng)總覽、運(yùn)行監(jiān)測、工況仿真、數(shù)據(jù)分析和設(shè)備構(gòu)造等功能模塊。

4.1 系統(tǒng)總覽

此模塊是海水淡化裝置總體運(yùn)行情況、工況模擬情況和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析的總覽界面。包括設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)統(tǒng)計(jì)面板、多工況數(shù)據(jù)對(duì)比分析面板、模擬及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)展示面板，通過折線圖或柱狀圖形式展示運(yùn)行溫度、壓力變化對(duì)系統(tǒng)性能的影響。

4.2 運(yùn)行監(jiān)測

運(yùn)行監(jiān)測功能模塊可實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)際海水淡化裝置的實(shí)時(shí)監(jiān)測，并能結(jié)合三維設(shè)備模型，直觀顯示測點(diǎn)位置及過程值。設(shè)備樹導(dǎo)航可以搜索設(shè)備并雙擊定位到模型；三維模型及數(shù)據(jù)展示區(qū)可多維度、全方位展示實(shí)際工程運(yùn)行狀況；設(shè)備屬性區(qū)可以查看設(shè)備的基本屬性和擴(kuò)展屬性。如圖2所示。

圖2 運(yùn)行監(jiān)測Fig.2 Operation monitoring

4.3 工況仿真(圖3)

圖3 工況仿真Fig.3 Operating condition simulation

工況仿真具備工況仿真管理、模擬工況啟用、歷史數(shù)據(jù)查看等功能。同樣的設(shè)備導(dǎo)航可以進(jìn)行關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行搜索，通過輸入設(shè)備名稱來快速選擇設(shè)備樹中的設(shè)備，從而查看設(shè)備運(yùn)行狀況；三維模型顯示區(qū)展示當(dāng)前控制臺(tái)正在啟用工況的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)；控制面板顯示設(shè)備的基本屬性和擴(kuò)展屬性。

4.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析模塊主要是對(duì)海水淡化裝置各類監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比和相關(guān)性統(tǒng)計(jì)分析。通過數(shù)據(jù)分析模塊，可分析不同工況下，原料蒸汽品質(zhì)(含溫度、壓力、流量)、操作壓力、進(jìn)水水質(zhì)等工藝參數(shù)的變化，對(duì)海水淡化裝置的性能，如產(chǎn)水量、噸水耗電和運(yùn)行成本等指標(biāo)的影響規(guī)律，從而找尋最佳工況參數(shù)，使海水淡化系統(tǒng)處于最優(yōu)工作狀態(tài)。數(shù)據(jù)分析界面如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)分析Fig.4 Data analysis

4.5 設(shè)備構(gòu)造

設(shè)備構(gòu)造功能模塊可直觀展示蒸發(fā)器、冷凝器及閃蒸罐的詳細(xì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，同時(shí)可靈活對(duì)設(shè)備進(jìn)行拆解和組裝，深入了解工藝原理及結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)方法。

5 結(jié)語

文章系統(tǒng)介紹了海水淡化多工況綜合評(píng)價(jià)系統(tǒng)構(gòu)建開發(fā)及主要功能模塊，系統(tǒng)具備運(yùn)行監(jiān)測、工況仿真、數(shù)據(jù)分析和設(shè)備構(gòu)造等功能，可為優(yōu)化海水淡化工藝設(shè)計(jì)、選擇較優(yōu)運(yùn)行工況和降低運(yùn)維成本等方面提供數(shù)據(jù)支持?；诖搜芯可暾?qǐng)了相關(guān)的軟件著作權(quán)一項(xiàng)。