李建同，李亞楠

（青島雙瑞海洋環(huán)境工程股份有限公司，山東 青島 266101）

隨著中國經濟的高速發(fā)展，工業(yè)用水和生活用水的需求日益增加，國內淡水資源短缺的問題日益嚴重，刺激了海水淡化行業(yè)的快速發(fā)展，近幾年國內沿海及海島地區(qū)陸續(xù)建設了大量的海水淡化工程[1]。本文以江蘇某地1.5×104t/d 海水淡化工程為例，針對各個工藝系統(tǒng)不同水質要求，主要從防腐材質等方面分析儀表配置，進而選取能夠保障海水淡化工程穩(wěn)定運行且充分反映系統(tǒng)狀態(tài)的儀表，以減少工程的維護和檢修工作，提高系統(tǒng)運行效率。

1 工藝流程介紹

上述工程主要分為3 大部分：預處理系統(tǒng)、海淡系統(tǒng)和除鹽水系統(tǒng)。其主要工藝流程如圖1 所示。預處理系統(tǒng)是將海水經過管道混合器加藥混合后，送至混凝沉淀池，再經混凝和沉淀工序去除水中大部分雜質，沉淀池上層清水溢流至V 型濾池（均質石英砂濾料）過濾后進入清水池，用超濾給水泵送至海水淡化系統(tǒng)。

圖1 海水淡化系統(tǒng)主要工藝流程Fig.1 Main process flow of seawater desalination system

據各用戶用水水質要求及進水水質情況，海水淡化系統(tǒng)中的海淡部分主要通過膜法來處理，主要設備包括自清洗過濾器、超濾裝置、一級反滲透裝置、二級反滲透裝置和相關水箱等，其中一級反滲透裝置配套能量回收裝置，可以增加能源利用率，大大降低系統(tǒng)能耗。

海水淡化系統(tǒng)產水仍然含有少量的離子，為了將其含量降低至用戶要求的標準，設置除鹽水系統(tǒng)。除鹽水系統(tǒng)包括陽離子交換器、陰離子交換器、混合離子交換器等主要設備及其再生等輔助系統(tǒng)，離子交換器填充離子交換樹脂對流體中的離子進行交換、脫除。

2 水質及材質選擇

本項目的特點是前后系統(tǒng)水質變化較大，前端膜法海淡各流程含鹽量變化如圖2 所示。可以看出，原海水TDS和氯離子含量高，腐蝕性強，經過層層處理，后端除鹽水水質接近純水[2]。因為水質變化大，在儀表選型時需要特別注意接液材質的要求。一些項目忽略了接液材質的防腐性能，選材不合格，在運行了半年或者一年之后，現場大量儀表出現腐蝕的情況，造成儀表損壞，導致項目無法正常運行。

圖2 膜法海淡各流程含鹽量變化Fig.2 Changes in salt content in different processes of membrane seawater dilution

為了準確選擇接液材質，圖3 以氯離子的含量為標準列舉了部分膜法海水淡化中常見高性能鋼，用于確定在不同氯離子含量下的鋼材。另外，海水淡化項目還需特別注意環(huán)境腐蝕，但海邊的鹽霧腐蝕環(huán)境往往是容易被忽略的一點[3]。在ISO 12944 標準中，大氣環(huán)境根據腐蝕程度被分為6 類，從低到高，在海淡系統(tǒng)中室內設備最低外表面要求達到C4 標準，一般建議是C5 標準，室外必須達到C5標準。環(huán)境腐蝕對設備的選型要求主要體現為設備或儀表的外表面漆膜厚度或鹽霧腐蝕試驗。具體的腐蝕類別分類如圖4 所示。

圖3 膜法海水淡化中常見高性能鋼Fig.3 Common high-performance steel in membrane seawater desalination

圖4 腐蝕類別分類Fig.4 Classification of corrosion categories

3 儀表選型

海水淡化系統(tǒng)常用的儀表根據其用途可以分為壓力儀表、溫度儀表、物位儀表、流量儀表和水質分析儀表。

3.1 壓力類儀表

海水淡化系統(tǒng)中常用壓力類儀表主要有就地壓力表、壓力變送器、差壓變送器、壓力開關和靜壓液位計等。海水淡化項目的介質溫度多為常溫，溫度對該壓力儀表選型影響較小，影響壓力類儀表選型的主要參數有：量程、精度、防護等級、工藝接口、電氣接口、電源、材質、輸出信號等，其中量程需根據每個壓力測點工作壓力來選取。下面針對各種壓力類儀表具體分析。

就地壓力表是使用較多的壓力類儀表，測量壓力宜在壓力表滿量程的1/3 ～2/3 處；防護等級一般要求IP65 以上；關于接液材質，一級反滲透裝置的產水前工序中的介質主要是海水，需要選擇哈C 合金及以上金屬材質，或者采用防腐內襯材質，內襯要求襯膠或襯四氟；一級反滲透產水至二級反滲透產水之前的水質為苦咸水，TDS 和氯離子含量已經大大降低，二級反滲透產水至混床產水的水質為除鹽水，不銹鋼316 均能耐以上兩種水質的腐蝕，接液材質可選不銹鋼316 或316L。就地壓力表其他參數：精度常見要求有1 級、1.5 級、1.6 級等；工藝接口可以是各種規(guī)格的螺紋接口，也可以做法蘭接口。壓力表的表盤有φ60、φ100 和φ150 等常用規(guī)格，壓力表內部可填充硅油或甘油以降低振動。

壓力變送器、差壓變送器的其他參數：精度常見要求±0.075%；一般常見工藝接口為1/2〞NPT（壓力變送器）和1/4〞NPT（差壓變送器），其他規(guī)格接口可通過轉換接頭轉換，接頭材質與壓力表要求一致；電氣接口一般為M20×1.5 螺紋和1/2〞NPT、G1/2 等比較常見；電源一般不單獨供電，采用兩線制接法，信號線帶24VDC 電源，輸出4 mADC ～20 mADC。現在為了調試方便，一般廠家會標配HART 協(xié)議。

壓力開關一般設置在高壓泵進出口，高壓泵是保障海水淡化系統(tǒng)平穩(wěn)運行的重要設備，所以在其進口設置低壓開關，入口進水壓力低于設定值后報警并聯鎖停高壓泵，以防止高壓泵空轉損壞泵體，泵出口設置高壓開關，壓力高于設定壓力后報警并聯鎖停高壓泵，以防止壓力過高損壞反滲透膜；壓力開關其他參數：精度一般要求1.0%，工藝接口與壓力變送器和差壓變送器類似，常見為1/2〞NPT和1/4〞NPT，其他規(guī)格接口可通過轉換接頭轉換；電氣接口一般也為M20×1.5 螺紋和1/2〞NPT、G1/2 等；不需要供電，輸出為干接點信號；壓力開關在選型時需要注意壓力可調范圍和設定壓力兩個參數，壓力可調范圍要涵蓋工藝系統(tǒng)所需設置調節(jié)的范圍，但一般不需要滿量程可調。如二級反滲透高壓泵揚程在1.0 MPa ～1.6MPa 范圍內，膜的耐受壓力不得大于1.4MPa，那么壓力開關的壓力可調范圍可設置為1.0MPa ～1.5MPa，設定壓力要小于1.4MPa，且是唯一值，在儀表出廠前需設定好。

靜壓液位計的原理是通過測量測點的壓力，根據液體的密度和測量的壓力值轉換成液位值，可以采用纜式液位計將探頭投入到液體里，也可以采用法蘭式的壓力變送器測量，如采用纜式液位計需注意測量液體對探頭的腐蝕性。

3.2 溫度類儀表

海水淡化中常用溫度類儀表主要有就地溫度計和遠傳溫度計。

就地溫度計采用抽芯式萬向型雙金屬溫度計，溫度測量范圍與就地壓力表類似，測量溫度在表的滿量程的1/3 ～2/3 處最佳，精度要求A 級，防護等級不低于IP 65，工藝接口可選擇焊接式底座，也可選擇法蘭接口。一般海水淡化項目特別是海水介質的管道會選擇玻璃鋼材質或內襯材質，不適合焊接，盡量留取法蘭接口，現場安裝也方便。該處法蘭需注意壓力等級的要求，應按照實際工作壓力進行選取。套管材質的選取與壓力類儀表相似，海水介質選哈C 合金，苦咸水和除鹽水介質選不銹鋼316 或不銹鋼316L；套管外徑有φ12、φ16、φ18 等多種選擇；表盤有φ60、φ100、φ150 等常用規(guī)格。另外，還需注意插入長度的要求，一般海淡系統(tǒng)如果安裝在管道上，管道的外徑不大于500 mm 時，插入深度宜為管道外徑的1/2；外徑大于500 mm 時，插入深度宜為300 mm。

遠傳溫度計一般選用PT100 作為測量元件，精度、防護等級和工藝接口、套管材質及外徑、插入長度均與就地溫度計一致；電氣接口常用M 20×1.5 螺紋和1/2〞NPT、G 1/2 等；輸出信號常用三線制或四線制PT100、4mA～20mA變送器等形式。

3.3 物位類儀表

海水淡化中常用物位類儀表有超聲波液位計、雷達物位計、磁翻板液位計、液位開關、污泥界面儀等。

超聲波液位計和雷達物位計因其與所測液體不直接接觸，且具有安裝方便，測量精度高等優(yōu)點，應用于各種場合。超聲波液位計和雷達物位計都是通過利用測量聲波或雷達波從發(fā)射至接收的時間間隔，結合補償后的聲波聲速得到聲波傳輸的距離。雷達物位計的穿透性更強，廣泛應用于含有粉塵等惡劣環(huán)境的場合，超聲波液位計更多地應用于相對較好的環(huán)境。連接方式可選擇螺紋連接和法蘭連接，在敞口的池子上也可采用關卡固定在支架上。安裝時需要注意發(fā)射角的要求，避免聲波打到側壁上影響測量。一般非大量程的儀表采用兩線制方式，外殼材質普遍采用各種工程塑料以滿足現場各種防腐要求，常規(guī)可選用一體式，如有特殊要求，也可選用分體式。將變送器安裝在方便觀察的地方，有利于現場運行人員的巡檢與抄表。

磁翻板液位計一般用于加藥計量箱或儲罐上水箱上，為了就地觀看方便一般也會設置，但如果水箱高度比較高時，需適當考慮分節(jié)設置。磁翻板液位計根據浮力原理和磁性耦合作用研制而成，具有全過程測量無盲區(qū)，顯示清晰，測量范圍大等優(yōu)點，但其精度較差，一般為10mm。常規(guī)安裝方式有側裝式和頂裝式兩種，頂裝式一般用于底下水池等處；工藝連接接口一般為法蘭口，根據磁翻板液位計的尺寸不同，可預留DN25 或DN50（大量程時考慮采用較大法蘭尺寸連接）等法蘭，通過一次閥固定在設備上；腔體和浮子材質一般要根據測量介質的腐蝕性選擇，對于具有腐蝕性的藥劑，可選擇PP 或UPVC 等非金屬的材質，也可選擇金屬內襯耐腐蝕塑料的方式；磁翻板液位計既可以選擇僅就地顯示，也可以通過增加干簧管和變送器遠傳輸出液位信號。

液位開關一般用于需特殊聯鎖的位置。液位開關市面上有多種形式，可選擇簡單的浮球式控制地坑泵的啟停，也可選擇超聲波式液位開關進行報警，價格跨度較大，現場需根據不同的工況及工程成本選擇合適的產品。

污泥界面儀廣泛應用于污泥濃縮池等脫水系統(tǒng)，是脫水機運行的一個重要參考值。污泥界面儀是專門用于測量模糊界面的高頻超聲波液位計，可分辨出具有清晰界面泥水分界點，一般用于污泥濃縮池、斜板澄清池等場合，控制設備的排泥及脫水機的運行。但由于設備運行時不容易產生明顯的泥水分界面，該儀表大部分情況僅供運行人員參考，不作為程控的聯鎖條件。

3.4 流量儀表

海水淡化中常用流量儀表有電磁流量計、孔板流量計、超聲波流量計、渦街流量計、浮子流量計等，每種流量計都有自己的局限性，適用于不同的場合。

電磁流量計是應用電磁感應原理，根據導電流體通過外加磁場時感生的電動勢來測量導電流體流量的一種儀器[4]。電磁流量計的精度一般不大于±0.5%；防護等級從IP 65 ～IP 68 不等；可220 VAC 供電，也可24VDC 供電，電氣接口常用M 20×1.5 螺紋和1/2〞NPT、G1/2 等；瞬時流量可通過4 mA ～20 mA 模擬量輸出，累計流量可通過通訊的方式輸出。為滿足各種環(huán)境要求，采用鋁制或不銹鋼表頭；電磁流量計的內襯材質需根據介質的腐蝕強度、蘊含雜質等的情況，從防腐和耐磨的角度選取，常規(guī)有丁腈橡膠、PTFE、聚全氟乙丙烯、聚氨酯橡膠、聚氟合乙烯、陶瓷材質等。電磁流量計的另一重要參數是電極材質，常規(guī)有316L、哈C 合金、鈦合金、鉭、鉑等。在海水淡化中，常用316L 和哈C 合金電極；電磁流量計又分為一體式和分體式兩種，分體式更便于運行檢修，但在電磁干擾較強的環(huán)境中容易受到干擾。電磁流量計有局限性，當液體的電導率小于20μS/cm 時，電磁流量計無法準確測量。為保險起見，一般二級反滲透產水之后的流程均不采用電磁流量計。

孔板流量計工作原理是當液體充滿管道并通過節(jié)流裝置的時候，會在節(jié)流件附近產生局部的收縮，增加流速，從而在上游與下游分別產生不同的壓力，形成靜壓差。根據流動連續(xù)性原理以及伯努利方程，孔板流量計就能夠計算出差壓與流量的關系，從而得出流量的數值?？装辶髁坑嬍怯晒?jié)流裝置和差壓變送器共同組成的，差壓變送器的量程需根據孔板計算書確定。節(jié)流裝置根據每家的結構不同、取樣方式不同，常分為環(huán)室取壓、角接單獨鉆孔取壓、法蘭取壓、徑距取壓和其他方式取壓，需要考慮現場安裝是否需要焊接、孔板尺寸長度、前后直管段安裝要求等，綜合考慮采取哪種孔板?？装辶髁坑嬓枰映鰜?，就要求測量介質不能有顆粒狀雜質，一般應用于通過膜工藝處理后的工況，再加上海水腐蝕性較強，需考慮采用哈C 合金以上的材質，造價成本高，所以在海水介質中一般不采用孔板流量計。

超聲波流量計可采用外夾式，不接觸介質，可用于腐蝕性較強的介質，但其測量原理是通過聲波在不同介質中傳輸速度不同進行測量的，要求管道材質必須是單一材質，對于有內襯的管道，不適合用超聲波液位計進行測量。

渦街流量計一般用于氣體或除鹽水的測量；浮子流量計一般用于就地顯示流量，由于精度較差，通常情況下不參與控制聯鎖。

3.5 水質分析儀表

海水淡化系統(tǒng)常用水質分析儀表有pH、電導率、濁度、ORP、余氯、硅表、鈉表、酸堿濃度計和SDI 儀等。該類儀表準確反映了海水淡化設備的處理效果，對海水淡化系統(tǒng)的運行起到了至關重要的作用。大部分工況下，該類儀表選用流通式方式進行測量，個別情況如溢流出水的敞口池子、氨溶液箱等需考慮沉入式安裝[5]。

對于水質分析儀表，每個廠家的產品均分為幾個系列，如純水系列、污水系列等，工況確定后，產品系列就確定了，基本不存在定制的情況，所以需要在選型的時候提供測點的介質、工藝段等信息。分析儀表的量程是選型的另一關鍵參數，比如電導率不同的量程對應不同常數的電極，需要準確提供需要測量的量程點。

4 結語

隨著海水淡化技術的應用與發(fā)展，越來越多的儀表被應用于海水淡化項目，各種復雜的工況也隨之出現。這就要求設計人員需要更深入地去了解儀表參數與選型[6]，當然僅了解儀表本身的參數是不能完全滿足測量需求的，還需要根據實際情況考慮儀表的安裝要求，通過更合理測量位置的設置，保證儀表測量的準確性和穩(wěn)定性。