智慧海水淡化厂建设指南研究

智慧海水淡化厂建设指南研究

杨兴涛,李珂,王钧,梁俊哲

青岛百发海水淡化有限公司 山东青岛 266043

摘要：由于反渗透海水淡化厂泵组效率低、膜组件运维难度大，难以对生产运营进行精细化管理，进而导致吨水成本较高等问题。

借助物联网、云计算、大数据、移动互联网等信息技术手段，接入底层的水质、水量等生产数据，以及运营、业务流程数据，打通各个部门的数据融合，建立建设信息化运营指南，是保证反渗透海水淡化体系经济运行的研究发展方向之一。

通过现场调研分析反渗透海水淡化厂的功能结构和实际需求，将信息化运营指南主要分为电耗管理系统、AI膜组分析系统、巡检管理和设备管理系统等方面，可以实现电耗的分析，膜运行状态监管等，从而保证运行系统的高效。

关键词： 水资源；海水淡化；智慧水厂；节能降耗

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我国人均水资源占有量只有 2300m3，仅为世界平均水平的 1/4，是世界上人均水资源最短缺的国家之一。然而我国用水量巨大，近些年来国内年用水量稳定在6000亿m3，约占世界年取用量的13%，并且我国水资源分布存在时空分布不均和时程变化的特点，西部地区和北方沿海地区是我国主要缺水地区。在我国的水资源利用中，生活用水约占 12.1%，工业用水约占 22.8%，农业用水约占 63.4%，环境生态补水约占 1.7%，每年因缺水造成的经济损失达数千亿元，淡水资源短缺是我国乃至全人类面临的严峻问题。海水淡化是减缓和解决淡水资源匮乏问题的一种有效途径，几十年来海水淡化技术蓬勃发展，其中反渗透海水淡化技术由于其技术成熟、稳定可靠、产水能耗低等优势，在海水淡化工程中得到了广泛的应用，目前采用反渗透海水淡化技术的产水量已占全球海水淡化总产水量的 65 %以上。

我国经过多年的探索与发展后已掌握了中小规模反渗透海水淡化工程的核心技术并在全国多个地区建立了日产千吨级反渗透海水淡化示范工程。但是随着淡水需求量日益增加反渗透海水淡化装备的规模急需扩大,对单机组制水容量也提出了更高的要求,目前单机日产淡水量已经突破万吨。2009年7月，国家科技支撑计划“日产万吨级膜法海水淡化国产化关键技术开发与示范”项目正式通过国家科技部立项并已在浙江省舟山市六横岛投建。“日产万吨级膜法海水淡化”采用多机组联合制水。这种超大规模反渗透法海水淡化相对于千吨级的示范工程不仅成本投入更大、操作更加复杂、其设备维护费用也呈直线上升。对于如此大规模、多机组联合运行、多产水输出要求的混合作业的海水淡化工程而言，结合信息化手段的建设运营指南，利用大数据、数据建模等手段，在一定程度上能实现整个系统高效、可靠、经济的运行，也符合我国“节能降耗”的发展主体。

在智慧水务技术已经成熟且市场化情况下，海水淡化智慧化建设相对滞后且相关标准文件严重缺失，建设智慧海水淡化厂是海水淡化行业转型与产业进步的必由之路，在国内外环境管理政策及海水淡化智能化推进工作背景下，正是制定相应标准的成熟时机。

1.建设内容及运行分析

1.1 AI膜分析系统

AI膜组分析系统是一个针对海淡厂区的超滤膜/反渗透膜车间提供在线监控、智能分析系统，本系统主要通过物联网、大数据、神经网络算法等技术，可实现膜组件性能的实时监控，动态掌握膜性能状态，并进行智能分析展示。

1.2数字孪生系统

基于图纸数据进行海淡厂区设备和车间构筑物的三维模型搭建，精准还原实际厂区周边环境、地形地貌。对接底层自控系统，整合静态数据、动态数据和生产管理数据，以三维虚拟模型为基本呈现形式现实厂区的数字化镜像。通过三维仿真模拟，将厂区过去、现在的状态进行直观的呈现，提供厂区漫游与信息展示、工艺实时数据展示、设备状态展示、视频信息展示四个功能。通过数字孪生系统可实现海淡厂对外宣展、科普教育的有力载体，建立起数据驱动的智慧化生产模式。

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1 厂区漫游与信息展示界面示例图

1.3生产运营管理系统

针对海水淡化厂产水的工艺流程，通过对数据采集、存储、分析，实现对海水淡化厂工艺运行和设备运行数据的监控，实现实时数据的展示、设备状态的监视、实时超限预警的可视化管理，界面清晰明了，数据指标实时更新展示，设备状态一目了然。同时还可以查看单个工艺段的具体工艺流程以及指标设备的具体情况。方便管理者把握生产现场运行动态，进行工艺分析，根据分析结果进行管理策略的调整。支持工艺监控视频点位自由配置，可根据用户需求自行布局工艺设备及参数指标位置。

1.4厂区电耗管理系统

电耗的计量、监测与管理，是实现节能减排的基础。经调研，青岛百发海水淡化厂每立方米供水耗电量约3.95kwh，这较设计标准能耗4.09千瓦时/立方米有所降低，也在全国领先水平。根据本厂日报、月报吨送水电耗统计，看出本厂月吨送水电耗有一定波动幅度，如2021年1月-2021年8月吨送水电耗在3.68千瓦时/立方米-4.68千瓦时/立方米。考虑到本厂一期泵已安装智能电表，二期将对泵及主要设备安装智能电表，从精细管理、智能运行的角度出发，设置电耗管理模块，提供满足大规模、可靠性、实时性的智能电表监控服务，实时反应分区电耗即时情况、电表状态、电耗异常等情况，实现用电大户水泵电量异常统一监管的功能。

同时，基于分区电量监控管理，以单元电耗评价指标，建立本厂全流程电耗情况分析，辅助运营人员了解各个环节的电耗情况；通过构建节能综合评价模型，筛选出本厂能耗影响因子（设备），为挖掘本厂节能潜力提供数据依据。

1.6 智慧巡检管理系统

此系统主要针对厂区日常的巡检工作设计，从巡检任务事先制定到紧急情况派单管理以及巡检工单状态统计及内容查看，做到每次巡检记录在案，电子留痕，方便日后工作过程中查找以往的巡检记录，将生产运维管理人员从繁杂的巡检工作计划与实施监督中解放，整体提高巡检工作的效率与质量。

2.标准体系的构建

2.1系统总体架构

图2 运行管理系统总体架构

2.2系统总体架构

（1）根据系统构建目标，选择适宜的架构模块及其功能模块。

（2）架构模块一般包括感知交互层、网络传输层、数据存储层、支撑资源层、应用使能层、展示交互层、安全保障、运维管理与标准规范。

（3）各架构模块的功能模块。

2.3集成运行

（1）系统集成包括在数据层实现数据集成、在应用层和网络层实现应用集成、在交互层实现界面集成。

（2）系统运行应统一技术标准、开发与测试环境、数据库设计规范及接口规范等，做好权限控制与管理。

3．效益分析

截止目前，项目在节水、节能、节材、节约人力、提高效率方面表现如下：

3.1节材分析

设备维护通过设备性能评估及预警系统，减少设备维修次数，预估可为公司节省设备维修费用的5%-10%。膜组件清洗维护通过AI膜组分析系统的建成使用，预估可为公司节省膜组件维修费用、药剂投加费用5%-10%，以及高质量产水可为公司带来5%-10%的营收。

3.2节能分析

电耗分析系统分析研究制水厂主要生产用电和辅助用电以及损耗，达到高效低耗的运行管理，预计可为厂区每年节省电费成本占总运营成本的5%。

3.3节约人力及提升效率分析

通过生产工艺线上实时监控，打破了中控室在时间和地域上的限制，可优化中控室监管人员1-2名，预计每年可节省人力资源成本5%；通过系统中生产报表、经营计划的自动生成，提高了运营效能和工作效率，可优化运营人员1-2名，预计每年可节省人力资源成本5%。

通过数字孪生系统及三维虚拟演练培训系统，可高效的完成员工生产侧及安全侧的培训，预计每年减少厂区在实际生活中培训方面投入的物资、人力、时间成本约5%。

人员定位系统保障百发海淡厂生产安全、运营安全及厂内员工和访客的安全，可减少安全事故资金占总运营资金的5%-10%。

海淡专家决策系统可降低对高技术人才的招聘成本及专家的招待成本，改投入占总运营资金的5%-10%。

4.结论

反渗透法海水淡化工程的建设运营是一个理论性与实践性都很强的课题，其中膜组运营管理和泵组管理运营是其中的关键，本项目通过大数据分析、神经网络模型、层次分析矩阵、能够及时向运营人员推荐经济高效的运营指导，并结合设备管理、巡检管理、供水户管理、APP系统、电子看板系统等实现厂区全面整体的管理，提高厂区运营效率。同时本项目具有良好的扩展性，可以避免系统重复建设的问题，同时通过信息的共享提高资源利用效率，实现集约化管理和运维，节约管理成本。

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