（流体机械及工程专业论文）超纯水系统的监控实现与故障诊断.pdf

j 。，0 o_警象鬻1， - i妒* - ad i s s e r t a t i o n u l t r ap u r ew a t e rs y s t e m i cm o n i t o r r e a l i z a t i o na n df a u l td i a g r e a l i z a t i o na nl a u i t l a g n o s l s b yr e n b i n s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o rz h a n g y i c h e n n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j a n u a r y2 0 0 8 l l 卧一 1 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中 取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表 或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 善 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确 _ 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：侄彬 日期：二加孑白互日二。目 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： ，f口rj， 东北大学硕士学位论文摘要 超纯水系统的监控实现与故障诊断 摘要 随着半导体市场的建立和壮大，作为供给半导体生产线不可缺少的超纯水系统成 为保障生产的重中之重。在目前生产超纯水的各种各样的先进的水处理设备中时常会 出现一些不可预知的故障，最早人们采用故障诊断的方法是人工方法，由工程技术人员 或者专家凭经验进行判断，或者是利用专门的仪器进行现场测量得以分析判断，这些方 法在大型复杂系统中是不现实的。因此我们要把控制理论、人工智能以及模式识别等 学科技术容入到故障诊断技术中去使其成为一门相对独立发展的技术，成为实际大规 模复杂系统运行过程中的可靠保障。 本文首先通过对生产现场的工艺原理和流程分析，采用g e 9 0 系列的p l c 对此套 超纯水系统自动化控制进行编制，介绍了系统的硬件组成和各个控制回路的控制要求 以及程序流程图。 针对于在超纯水监控系统实现上采用了组态王6 5 软件设计界面，详述了组态王 设计监控界面的过程，展示了系统详图、报警图、报表图、曲线图等实时监控图面。 作为控制系统，大家熟知的神经网络、模糊数学等这些方法通常需要复杂的计算， 并且只有在信息准确、完整的情况下才能得到满意的结果，而实际上人们得到的信息 往往不准确、不完整，并且通常设备的某一故障可以体现在所有的特征信号之中，而 这些信号之间存在冗余的关系，可能通过某个或少量特征信号就可以完全表征出该故 障。因此一种新的处理模糊和不确定性知识的数学工具粗糙集理论成为越来越多科研 人员的关注。粗糙集理论是一个有效的工具，主要应用于数据挖掘，其它领域如模糊 粗糙集控制、决策分析系统以及医疗诊断、专家系统等方面都有应用，但在故障诊断 技术中的应用还不是很多。因此本文尝试研究粗糙集理论在超纯水系统故障诊断中的 应用，包括建立基本粗糙集模型，以及故障诊断系统的仿真实验。在介绍了粗糙集的 基本概念和理论后，利用收集到的部分数据进行了初步的r s 建模、分明矩阵的约简 和规则库的建立。最后应用了v b 软件作为故障诊断系统开发，作为检验故障诊断系 统生成后可行性的平台。通过得到的实验数据进行仿真实验，做到了在保证分类能力 东北大学硕士学位论文摘要 不变的情况下冗余信息的消除，降低了计算工作量和减少不确定性因素的影响，在仿 真实验结果分析中与实际生产线故障分析相比较，是基本一致的，去除掉了那些冗余 的因素，快速的得到了诊断结果。 关键字：超纯水系统；p l c ；监控系统；组态王；粗糙集；故障诊断 i i i 一 ，i|jliiij 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t u l t r ap u r ew a t e rs y s t e m i cm o n i t o rr e a l i z a t i o n a n df a u l td i a g n o s i s a bs t r a c t a l o n gw i t hf o u n d a t i o na n dg r a n d n e s so fs e m i c o n d u c t o rm a r k e t ，t h ec a p a c i t yo f s u p p l ys e m i c o n d u c t o rp r o d u c tl i n ei n d i s p e n s a b l eu l t r ap u r ew a t e rs y s t e mb e c a m e m o r ea n dm o r ei m p o r t a n to ne n s u r i n gy i e l d i n g a tt h ep r e s e n t ，p r o d u c eu l t r ap u r e w a t e r sa s s o r t e da d v a n c e dw a t e r t r e a t m e n te q u i p m e n t ，s o m e t i m e sa p p e a r a n c es o m e u n p r e d i c t a b l ef a u l t ，a tt h ee a r l i e s tp e o p l ea d o p tf a u l td i a g n o s i sr o u t ei sh a n d 1 a b o r m e t h o d ，b ye n g i n e e ro rs p e c i a l i s tb ye x p e r i e n c ep r o c e e de s t i m a t i o n ，o ru t i l i z es p e c i a l i n s t r u m e n tp r o c e e df i e l ds u r v e ys u c c e e di n a n a l y t i c a lj u d g m e n t ，t h e s ea p p r o a c ha t l a r g ec o m p l e xs y s t e mi su n p r a c t i c a l t h e r e f o r ew ew a n th a n d g r i pd a m ，a r t i f i c i a l i n t e l l i g e n c ea sw e l la sp a t t e r nr e c o g n i t i o nw a i ts u b j e c tt e c h n o l o g yh e l dg r e e tt a k e f a u l t d i a g n o s i st e c h n o l o g yt o b e c o m ea r e l a t i v e l yi n d e p e n d e n c ed e v e l o p m e n t a l t e c h n o l o g y , b e c o m ep r a c t i c ew h o l e s a l ec o m p l e xs y s t e mr u np r o c e d u r e sc r e d i b i l i t y i n d e m n i f i c a t i o n a tt h ef i r s t ，t h et e x ta n a l y s i st h ep r o d u c es p o tc r a f tt h e o r ya n df l o w ，a d o p tg e 9 0 s e r i a lp l ct oa u t o m a t i o nc o n t r o le s t a b l i s h m e n to nu l t r ap u r ew a t e rs y s t e m ，i n t r o d u c e lc l e a r l ys y s t e m i ch a r d w a r ec o m p o s ea n de a c hc o n t r o ll o o p sc o n t r o lr e q u i r ea sw e l la s p r o g r a mf l o wd i a g r a m a i ma tu l t r a p u r ew a t e rm o n i t o r e dc o n t r o ls y s t e mr e a l i z e sa d o p tk i n g v i e w 6 5 s o f t w a r e d e s i g ni n t e r f a c e ，d e t a i lk i n g v i e w 6 5d e s i g nm o n i t o ri n t e r f a c i a lc o u r s e ， r e v e a ls y s t e md e t a i ld r a w i n g ，a l a r mc h a r t ，a c c o u n t i n gc h a r t ，g r a p ha n ds oo n a st oc o n t r o ls y s t e m ，a si sk n o w nt o e v e r y o n en n ，v a g u em a t h e m a t i c sa n ds oo n t h e s ea p p r o a c hu s u a l l yd e m a n dc o m p l i c a t e dc o u n t ，a n d o n l y i nt h ei n f o r m a t i o n e x a c t l ya n dc o m p l e t ec o n t e n to u t c o m ei sf o u n d ，b u ta c t u a l l yp e o p l ef o u n di n f o r m a t i o n j 一：， 东北大学硕士学位论文 s o m e t i m e si n a c c u r a c y ，i m p e r f e c t i o n ，a n du s u a l l ye q u i p m e n to n em a l f u n c t i o nc o u l d i n c a r n a t ea ta l lc h a r a c t e r i s t i cs i g n a l ，b u td u r i n gt h e s es i g n a lp r e s e n c er e d u n d a n t r e l a t i o n ，p o s s i b l et h r o u g h s o m eo ro u n c ec h a r a c t e r i s t i c s i g n a l w i t h c o u l d c o m p l e t e n e s sc h a r a c t e r i z a t i o nt h ef a u l t t h e r e f o r e s o r t so fn e wd i s p o s eb l u ra n d u n c e r t a i n t ym a t h e m a t i c a lt o o lr o u g h n e s st h e o r y b e c o m em o r ea n dm o r er e s e a r c h p e r s o n n e l sa t t e n t i o n r o u g h n e s st h e o r yi s o n ev i r t u a li n s t r u m e n t ，m o s t l ya p p l yt od a t ae x c a v a t e ，o t h e r r e g i o na sb l u rr o u g h n e s sc e n t r a l i z e dc o n t r o ls y s t e m ，d e c i s i o na n a l y s i ss y s t e ma sw e l l a sm e d i c a ld e c i s i o nm a k i n g ，e x p e r ts y s t e ma n ds oo na s p e c th a v ea p p l i c a t i o n ，b u ta t f a u l td i a g n o s i st e c h n o l o g ya p p l i c a t i o nn o tag r e a tm a n y t h e r e f o r et h et e x ta t t e m p tt o r e s e a r c hr o u g h n e s st h e o r ya tu l t r ap u r ew a t e rs y s t e mf a u l td i a g n o s ea p p l i c a t i o n ， i n c l u d i n g f o u n d a t i o nb a s i c r o u g h n e s st h e o r ym o d e l ，a s w e l la sf a u l t d i a g n o s i s s y s t e m i c e m u l a t i o n e x p e r i m e n t a f t e ri n t r o d u c i n gr o u g h n e s st h e o r y s b a s i c c o n c e p t i o n a n d t h e o r y ，u t i l i z ep a r t i a l d a t a p r e c e d e p r e l i m i n a r yr sm o d e l i n g ， s h a r p n e s sm a t r i c e sr e d u c t i o na n dr u l eb a s ef o u n d a t i o n i nc o n c l u s i o na p p l i c a t i o nv b s o f t w a r ea sf a u l td i a g n o s i ss y s t e md e v e l o p m e n t ，a sc h e c k i n gf a u l td i a g n o s t i cs y s t e m ；ij， 东北大学硕士学位论文目录 目录 独创性声明i 摘要i i a b s t r a c t i v 第一章绪论1 1 1 课题的研究背景、目的和意义1 1 2 故障诊断系统的国内外研究状况和发展动态“2 1 3 粗糙集理论在故障诊断技术中的应用3 1 3 1 粗糙集理论的起源3 1 3 2 粗糙集在故障诊断中的应用3 1 4 组态软件在监控系统领域中的发展状况4 1 5 本论文的主要工作一4 第二章超纯水系统工艺流程“5 2 1 超纯水处理工艺5 2 1 1 予处理系统的工艺流程6 2 1 2 反渗透系统工艺一7 2 2 各个工艺设备原理及作用8 2 2 1 多介质过滤器8 2 2 2 活性炭过滤器9 2 2 3 加药装置9 2 2 4 反渗透装置1 0 2 2 5 脱氧膜组“1 1 2 2 6 电除盐装置1 2 2 2 7 去t o c 装置一1 3 2 2 8 抛光混床1 4 2 3 超纯水系统报警设置1 4 2 3 1 予处理流程1 5 v i 东北大学硕士学位论文 目 录 2 3 2 反渗透系统1 5 2 3 3 精除盐系统1 6 2 3 4 超纯水系统1 6 第三章超纯水系统硬件设计及p l c 控制1 7 3 1 控制系统的硬件组成”1 7 3 2 控制要求1 7 3 3 软件设计1 9 3 4 举例说明主要控制回路”2 3 第四章超纯水监控系统的实现3 3 4 1 系统监控原理3 3 4 2 监控系统的意义3 3 4 3 从常规监控到智能监控”3 4 4 4 组态王软件的介绍3 6 4 5 组态王的工作原理3 8 4 6 组态王软件的组成3 9 4 7 组态王建立应用程序的一般步骤4 0 4 8 超纯水系统的组态过程4 1 4 9 总结4 6 第五章粗糙集理论基础4 7 5 1 粗糙集理论的现状4 7 5 2 粗糙集理论的特点及优势所在”4 8 5 3 介绍粗糙集的理论基础4 9 5 3 1 不可分辨关系4 9 5 3 2 粗糙集的下近似、上近似4 9 5 3 3 知识的简化5 0 5 3 3 1 约简与核5 0 5 3 4 决策表5 1 5 3 5 决策表的简化5 1 5 4 粗糙集理论用于故障诊断的意义5 1 5 4 1 传统故障诊断技术5 1 v 1 1 东北大学硕士学位论文 目 录 5 4 2 故障诊断问题存在的特点5 2 第六章粗糙集理论在超纯水系统故障诊断中的应用5 4 6 1 故障样本粗糙集模型的建立5 4 6 2 故障样本原始决策表的获取”5 5 6 3 不确定性知识的粗集推理“5 6 6 4 系统的实现6 2 6 5 结论6 7 第七章结论与展望6 8 7 1 结论”6 8 7 2 展望6 8 参考文献7 0 致谢7 5 ， 东北大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论弟一早三百下匕 1 1 课题的研究背景、目的和意义 我国半导体集成电路产业正在以适应市场需要的方向加速发展。其中作为国内比 较有名的半导体厂商华润上华半导体有限公司在其生产规模上不断的扩大，由最初的 4 英寸生产线扩大到六英寸生产线，其月产能也在逐渐增大。随着电子工业的迅猛发展， 在芯片的生产加工过程中，对于水质的要求也就越来越高。为了保证生产出超大规模的 集成电路，除高纯原材料、高纯气体、高纯化学药品外，超纯水也是其中最关键的因 素之一。 随着超纯水市场的建立和壮大，在目前生产超纯水的各种各样的先进的水处理设 备中时常会出现一些不可预知的故障，最早人们采用故障诊断的方法是人工方法，由工 程技术人员或者专家凭经验进行判断，或者是利用专门的仪器进行现场测量得以分析 判断，这些方法在大型复杂系统中是不现实的。因此我们要把控制理论、人工智能以及 模式识别等学科技术容入到故障诊断技术中去使其成为一门相对独立发展的技术，成 为实际大规模复杂系统运行过程中的可靠保障。 传统的故障诊断是凭个人经验进行判断获取的信息量也有限。但是，随着信息技 术、通讯技术、传感器技术的发展，工程机械自动化水平不断提高，信息的获取方式 在日益灵活方便，获取量日益丰富。因而需要分析的数据量十分巨大。用手工来分析 这些数据得到的故障知识显然不是很现实，因此要提高设备故障诊断的自动化，智能 化程度，就必须进行有效的知识获取。此外，虽然专家系统、人工神经网络、遗传 算法等人工智能方法在国内外的故障诊断中被大量采用，但以上这些诊断方法在检测 信号能正确的通过传输得到而不出现差错的情况下大都可以取得较为满意的结果。但 是，实际情况不是如此，传感器本身的故障或安装误差，信号在传输过程中可能出现 的传输错误甚至丢失等，这些都可能导致故障征兆信息的不准确、不完整，即容错能 力方面有局限性乜1 。本文在根据其他机械设备故障诊断技术的基础上利用粗糙集理论 针对现有的超纯水系统的故障诊断问题进行了初步的研究。 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 故障诊断系统的国内外研究状况和发展动态 现代科技的发展，使得各种机械电子产品、车辆、飞行器以及工业系统变得越来 越精密、复杂和庞大，因此对系统的安全性，可靠性的要求也越来越高。及时地对系 统的故障进行有效的预测、检测、分离和修复具有重要的理论意义和应用价值口1 。故 障诊断与检测技术是对运行中系统的异常状态和偏差进行检测、识别以及预测的各种 ， 技术及方法的总称，它起源于2 0 世纪中叶，是一种涉及到检测技术、信号处理、计 东北大学硕士学位论文第一章绪论 的一个重要分支。从1 9 9 1 年起i f a c 已每三年定期召开故障诊断技术方面的国际专题 学术会议，提出了一些新的理论与方法，如：主元分析、小波分析、神经网络、非线 性理论等，都已经得到了成功的应用。粗糙集理论是一个有效的工具，主要应用于数 据挖掘，其它领域如模糊粗糙集控制、决策分析系统、粗糙神经网以及医疗诊断、专 家系统等方面都有应用，但在故障诊断技术中的应用还不是很多阻1 。本文研究基于粗 糙集理论的系统故障诊断。 1 3 粗糙集理论在故障诊断技术中的应用 1 3 1 粗糙集理论的起源 粗糙集理论( r o u g hs e tt h e o r y ，简称r s 理论) 是一种新的处理模糊和不确定 性知识的数学工具，它是波兰科学家p a w l a k 和来自波兰科学院、华沙大学的一些逻辑 学家，于本世纪7 0 年代提出来的，他们借鉴了逻辑学和哲学中对不精确和模糊的各种 定义，针对知识库，提出了不精确范畴等概念，并在此基础上形成了完整的理论体系 粗糙集理论。其主要思想就是在保持分类能力不变的前提下，通过知识约简，导 出问题的决策或分类规则。从1 9 9 2 年至今，每年都召开以r s 为主题的国际会议，推 动了r s 理论的拓展和应用。目前r s 理论已引起越来越多科研人员的关注n 叫。 近年来，粗糙集理论已经成为人工智能领域一个信的学术热点，并且通过与模糊、 神经网络等其他软科学和软计算方法的结合，表明了基于粗糙集的应用系统的优越性 和巨大的潜力。 1 3 2 粗糙集在故障诊断中的应用 故障诊断问题有如下特点： ( 1 ) 故障诊断过程中，由于故障产生的机理不清楚，故障的表现形式不唯一，有时 是含糊的，在提取故障特征时也时常带有盲目性，从而导致了实际描述的设备状态之 间是不分明的h 1 ，而这种状态正是粗糙集理论研究的对象。 ( 2 ) 在诊断过程中，描述机器状态的特征往往很多，有些特征是相关的，有些是独 立的。独立的特征能提供互补信息，应加以保留；相关特征产生冗余信息，同时会增 加计算工作量，需要加以消除，基于粗糙集的属性约简正好为去除这种冗余性特征提 供了方便。 3 i 。一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 ( 3 ) 故障诊断中需要解决的问题之一是如何在保证机器状态评价一致的情况下选择 最少的特征集，也就是说，如何在保证诊断精度大致不变的情况下减少特征维数，降 低计算工作量和减少不确定性因素的影响。 ( 4 ) 检测项目的制定直接取决于状态特征集。粗糙集理论作为一种新的处理不确定 知识的数学工具，由于它不需要任何先验知识，仅从实际数据中得出系统的内在规律， 因此在复杂系统和非数学模型系统的故障诊断中具有诱人的前景n 6 1 ，成为当前故障诊 断领域的一个研究热点。粗糙集理论是为开发自动诊断规则生成系统而提出的，其主 要思想是在保持分类能力不变的前提下，通过特征属性的约简，导出故障诊断规则。 1 4 组态软件在监控系统领域中的发展状况 组态软件是一些数据采集与过程控制的专用软件，它们是在自动控制系统监控层 的一级的软件平台和开发环境，能以灵活多样的组态方式( 不是编程方式) 提供良好 的用户开发界面和简捷的使用方法，其预置的各种软件模块可以非常容易地实现和完 成监控层的各项功能，并能同时支持各种硬件厂家的计算机和i o 产品，与高可靠的 工业计算机和网络系统结合，可向控制层和管理层提供软、硬件接口，进行系统集成。 目前世界上有不少专业软件公司和硬件厂商都在生产和提供各种软件产品n7 1 。现在， 组态软件已被广泛用于控制对象明确的工厂、纺织、机械等行业。被组态软件的优良 特性所吸引，电力部门也将其引入以电量的监测与控制为主的发电厂和变电站等实时 监控系统。 1 5 本论文的主要工作 针对以上的故障诊断领域的发展趋势及存在的主要问题，本论文主要研究了 超纯水系统的监控系统的实现和基于粗糙集理论的超纯水系统的故障诊断。主要研究 了如何建立r s 模型用于故障诊断，并且进行仿真实验证明系统的可行性，以及组态王 监控软件的应用。 4 东北大学硕士学位论文第二章超纯水系统工艺流程 第二章超纯水系统工艺流程 2 1 超纯水处理工艺 由于中科院北京微电子研究所用于生产单晶硅集成电路的数量和规模逐步增长， 超纯水生产线上要求的纯水流量和质量也随之提高。纯水系统根据功能可分为四个分 系统：预处理系统、反渗透系统、精除盐系统、超纯水系统。其工艺流程如图所示： 图2 1t 艺流程图 f i g 2 1p r o c e s sf l o wd i a g r a m 东北大学硕士学位论文第二章超纯水系统工艺流程 2 1 1 予处理系统的工艺流程 原水- - - a n 杀菌剂装置一原水箱一原水泵一加絮凝剂装置一多介质过滤器一活性炭 过滤器一加还原剂装置 予处理系统正常启动步骤：打开原水箱上的进水阀门，并且启动杀菌剂计量泵，给原 水箱上水，使原水箱水位上升到中液位以上，然后慢慢打开原水泵的出口阀门，使原 水泵的出口压力为o 3 _ _ 0 5 m p a ，使多介质过滤器和活性炭过滤器进口压力为 o 2 - _ 0 5 m p a 。总出水量为7 0 7 6m 3 h ，出水s d i = 4 ：余氯= o 1 p p m 。 其中要求多介质过滤器运行1 6 8 小时进行一次反洗，活性炭过滤器运行2 4 0 小时进行 一次反洗。 图2 2 多介质过滤器界面 f i g 2 2m u l t i m e d i af i l t e ri n t e r f a c e 如图所示，多介质反洗运行过程如下：在正常运行的情况下是进水阀和出水阀打 开，原水泵开两台，当反洗时间到时关闭所有阀门之后打开反洗排水阀和正洗排水阀， 延时2 5 分钟。之后关闭正洗排水阀，打开反洗进水阀和反洗泵，延时1 0 分钟。然后 静置一分钟开始进行正洗，此时阀门的状态是进水阀歼，正洗排水阀开和排气阀开， 其它阀门是关闭状态，同时原水泵启动，延时2 5 分钟。最后切换到正常运转。 6 东北大学硕士学位论文 ： 。鼍， j r i t ；j ， 第二章超纯水系统工艺流程 活性炭过滤器的反洗运行过程和多介质过滤器的反洗运行是一样的。在这里就不 祥述了。 8 ”珏 ” 介绍予处理系统的自动运行条件： 予处理系统的自动启动条件是当原水箱液位达到中液位以上时，并且一级反渗透 水箱在中液位以下。当原水箱的水位在低液位3 分钟时或者一级反渗透水箱液位在高 液位3 分钟时将会自动停止予处理系统，另外当一级反渗透发生故障( 例如：高压泵 进口压力低1 分钟或出口压力高1 分钟或者设备故障) ，当原水泵故障或者多介质过滤 器全停或者活性炭过滤器全停的时候予处理系统也是自动停止运行的。 2 1 2 反渗透系统工艺( r e v e r s eo s m o sis ，r o ) 此系统有两套反渗透设备：一级反渗透和二级反渗透。 主要流程如下： 保安过滤器_ 高压泵- + 一级反渗透- 一级反渗透水箱_ + 二级反渗透供水泵- 二级高压 泵_ + 二级反渗透- + 二级反渗透水箱 在一级反渗透运行过程中必须保证保安过滤器进口压力为o 1 0 4 m p a ，出口压 力为o 0 5 一o 4 m p a ；在低压冲洗5 分钟后启动高压泵同时启动阻垢剂加药泵，关闭浓 水排放阀，使得回收率达到7 5 。一级反渗透运行的工作压力为1 卜1 5 m p a ，产水量 应该达到2 5 - - 3 0m 3 h 。 二级反渗透运行：启动二级反渗透供水泵，慢打开泵的出口阀，使泵的出口压力 为0 2 8 0 4 m p a ，低压冲洗5 分钟后关闭二级反渗透进水气动阀，启动高压泵和碱液 泵。打开二级反渗透进水气动阀，关闭浓水排放气动阀，调节浓水排放阀使得回收率 达到8 5 ，当电导率小于4 9 s c m 时，关闭产水排放气动阀，给二级反渗透上水，二 级反渗透的工作压力为1 1 1 5 m p a ，产水量1 6 2 3m 3 h 。 脱氧膜和e d i 系统运行：启动e d i 供水泵，使泵的出口压力为0 3 - 0 4 m p a ，调节脱氧 膜氮气补给阀，使进水压力0 6m p a ，出水压力为0 2 一o 4m p a ，打开脱氧膜氮气补 给阀，调节氮气进口压力小于0 2m p a ，流量o 3 一o 6m 3 h ，调节e d i 进水阀，产水 流量为1 4 2 3m 3 h 套。启动e d i 浓水循环泵，设定浓水循环量为1 2 4m 3 h ，设 定浓水排放量o 5 一1 5m 3 h ，使回收率为9 0 - - 9 5 。当产水电阻率1 5 mq c m 时，打开产水阀，关闭产水循环阀，给超纯水箱上水。 超纯水系统运行主要流程：超纯水箱- + 超纯水泵- + 可再生混床_ + 板式换热器+ 去 7 娶 t 箩 东北大学硕士学位论文第二章超纯水系统工艺流程 t o c 紫外灯- 抛光混床- - , u f 超虑- + 用户。 超纯水系统运行：打开两个可再生混床的进口阀门，出口阀门，打开去t o c 紫外 灯的进、出口阀门，打开抛光混床的进口阀门，循环阀门。打开超纯水泵的进口阀门， 启动超纯水泵，慢开超纯水泵的出口阀门，使泵出口压力为0 3 - 0 7 m p a ：混床进口压 力为0 3 - 0 6 m p a ，出口压力为0 3 - 0 6 m p a ；抛光混床进口压力为0 3 - 0 6 m p a ，总出水 流量4 3m 3 h 。调节超滤的进水阀门，使流量4 3m 3 h ，进口压力为0 2 - 0 4 m p a ， 出口压力为0 2 - 0 4m p a ；调节浓水阀门，使回收率为9 0 - - 9 5 ；浓水压力为0 2 - 0 4 m p a ，电阻率1 8 mq c m ，合格的纯水送往各使用点。 2 2 各个工艺设备原理及作用 2 2 1 多介质过滤器 图2 3 多介质过滤器 f i g 2 3m u l t i m e d i af i l t e r 工艺原理： 多介质过滤器是利用石英砂滤料去除原水中的悬浮物，属于普通快滤设备。含有 悬浮物颗粒的水与絮凝剂充分混合，使水中形成胶体颗粒的双电层被压缩。当胶体颗 粒流过多介质过滤器的滤料层时，滤料缝隙对悬浮物起筛滤作用使悬浮物易于吸附在 滤料表面。当在滤料表层截留了一定量的污物形成污膜，随时间推移过滤器的前后压 r 东北大学硕士学位论文 女i 3 、o ：蠹 蹲1 、； 第二章超纯水系统工艺流程 差将会很快升高，直至失效。此时需要利用逆向水流反洗滤料，使过滤器内石英砂悬 浮松动，从而使沾附于石英砂表面的截留物剥离并被水流带走，恢复过滤功能。 2 2 2 活性炭过滤器 图2 4 活性炭过滤器 毒 - 辩r f i g 2 4a c t i v a t e dc h a r c o a lf i l t e r 工艺原理： 活性炭过滤器主要是利用粒状活性炭的吸附机理来吸附水中的有机物和余氯，还 可以去除胶体渣，铁化物，悬浮物，降低色度，浊度，保证后系统的正常运行，延长 反渗透膜的使用寿命。活性炭过滤器应保证出水余氯= o 1 p p m ，s d i = 4 。 2 2 3 加药装置 系统加药作用在于降低蚀度的絮凝剂p a c ：防止反渗透膜浓水端结垢的阻垢剂、杀 菌剂和还原剂。提高二级r 0 进水p h 值的n a o h ：提高e d i 浓水电导率的氯化钠。加 药装置由药液计量箱和计量泵组成。计量箱用于溶解和稀释药品：计量泵用于定量向 水中投加药液。计量箱设置低液位开关( 还原剂计量箱、杀菌剂计量箱不设置低液位 开关) ，在药液不多时停相应的计量泵并报警，提醒操作人员及时配制药液。药液配制 需人工进行。药剂的具体投加量根据现场调试的水质结果灵活调整；药剂的稀释倍数 9 东北大学硕士学位论文第二章超纯水系统工艺流程 根据原液浓度和计量箱的容积和计量泵的量程而定。 2 2 4 反渗透装置 图2 5 反渗透装置 f i g 2 5r e v e r s eo s m o s i su n i t 反渗透装置共有二套。每套反渗透装置由5um 保安过滤器( 二级r 0 装置不设置) ， 高压泵，r o 膜组，1 套阻垢剂投加设备一套n a o h 投加系统组成。 阻垢剂投加系统：通过r o 计算可以知道浓水的朗格利亚指数超出了r o 的设计通 则，将会引起浓水侧产生c a 2 + m 9 2 + ，b a 2 + ，s r 2 + 等微溶盐的沉淀。为避免上述情况的产生， 可以采用软化，加酸，加阻垢剂等办法，在本工程中采用添加阻垢剂p t 卜0 1 0 0 的方 法。 p t p - 0 1 0 0 是一种高效阻垢剂分散剂，特别使用于金属氧化物，硅以及致垢盐类 含量高的水质，其阻垢效高且不与残留凝集剂或富铝富铁的硅化合物发生凝集形成不 溶聚合物。它可以在结垢物质很宽的浓度范围内有效地阻止结垢的发生。在不加酸的 条件下拉格朗尔指数最大允许值为2 8 。 ( 1 ) 保安过滤器：5 | i 保安过滤器设置在r o 本体之前，目的是防止水中的大颗粒物 进入反渗透膜，损坏反渗透膜，确保r 0 的正常运行。保安保安过滤器是立式柱状设备， 内装1 5 支( 装置b 有1 9 支) 长4 0 英寸的均孔，p p 喷溶滤芯，过滤精度为5um 。 保安过滤器属于精密过滤器，其工作原理是利用p p 滤芯5um 的孔隙进行机械过滤。 水中残存的微量悬浮颗粒，胶体，微生物等，被截留或吸附在滤芯表面和孔隙中。随 1 0 东北大学硕士学位论文 ，嚣。，。f 一一o 。 一 第二章超纯水系统工艺流程 着制水时间的增长，滤芯因截留的污染，其运行阻力逐渐上升，当运行至进出口水压 差达0 1 m p a 时，应更换滤芯。”保安过滤器的主要优点是效率高，阻力小，便于更换。 ( 2 ) 反渗透膜组的工艺原理是利用半透膜透水不透盐的特性，去除水中的各种盐 份。在r o ( 反渗透) 的原水侧加压，使原水中的一部分纯水沿与膜垂直的方向透过膜， 水中的盐类和胶体物质在膜表面浓缩，剩余部分原水沿与膜平行的方向将浓缩的物质 带走。透过水中仅残余少量盐份，收集利用透过水，即达到了脱盐的目的。半透膜的 水通量越大，回收率越高则其膜表面浓缩的程度越高，由于浓缩作用，膜表面的物质 浓度与主体水流中物质浓度不同，产生浓度极化现象。浓差极化会使膜表面盐的浓度 增大，为提高给水的压力而需要消耗更多的能量。 2 2 5 脱氧膜组 图2 6 脱氧膜组 f i g 2 6l c d l lm e m b r a n eg r o u p 工艺原理： 脱氧膜组是为了除去溶解于产品水中的氧气和二氧化碳，以达到产品水中含氧量 5 0 p p b 。脱氧膜组共有二套。每套是由2 支直径为1 0 寸的压力容器组成。2 支膜 的压力容器串联运行由于脱氧膜组是采用真空及吹扫结合方式除氧，所以配有真空泵。 其原理是基于亨利定律，使无氧的惰性气体n 2 在中空纤维膜内和使在中空纤维膜外 反向流动溶解于水中的氧析出至氮气中去，从而使给水达到水质要求。其中真空泵是 为提高除氧效率的重要设备，本系统所选用的真空泵是西门子公司生产的水环式真空 11 东北大学硕士学位论文第二章超纯水系统工艺流程 泵，其真空度能满足工艺要求的5 0 m m h g 脱氧膜的组成：每套脱氧膜本体是由2 支直径为1 0 的压力容器组成。内部装 有直径为3 0 0 u m ，孔目0 0 3 u m 的聚丙烯中空式纤维脱氧膜。脱氧膜组串联运行。由于 除氧方式采用了氮气吹扫和抽真空相结合的方式，脱氧膜组还配备氮气配管系统和水 环式真空泵。 2 2 6 电除盐装置( e l e c t r o d e i o n i z a t i o n ，e d i ) 子交换技 电渗透脱 ， 化而产生 时效后需 一 换和电渗 特作 工 有 东北大学硕士学位论文第二章超纯水系统工艺流程 2 2 7 去t o c ( t a b l eo fc o n t e n t ) 装置 ，。一 图2 8 t o c 装置 f i g 2 8 t o c ，二 工艺原理： 在紫外线( u v ) 照射下，放射1 8 5 n m 以下的u v 能引发水的光解作用，产生高能量 的游离羟基，这些分子能分解成酸性的弱电离子，这些离子能被抛光混床轻易去除。 1 3 东北大学硕士学位论文第二章超纯水系统工艺流程 2 2 8 抛光混床 图2 9 抛光混床装置 f i g 2 9f i n i s hg o o fb e d 工艺原理： 抛光混床是将阴阳离子交换树脂按一定比例填装交换容器内，均匀混合的离子交 换树脂层中的阳离子交换树脂与阴性离子交换树脂紧密的交错排列。阴阳离子交换树 脂颗粒对类似复床组，从而可视为无数组级复床串联运行的离子交换组合过程，从而 达到了产水水质高的目的和效果。混床内树脂为核级树脂，设备本身不设再生系统， 当出水水质达不到要求指标时即需进行更换。 2 3 超纯水系统报警设置 本系统工程需要做到实时监控，记录实时过程数据采集，实时曲线变化， 参数调节、信号报警以及故障诊断。 本系统采用p l c 自动控制，多介质过滤器，活性炭过滤器，反渗透( r o ) 装置，e d i 装置以及各种工艺泵均由p l c 自动操作，由各个水箱的高低液位或 各工艺设备的出水水质控制个单元设备的启停或切换操作。 1 4 东北大学硕士学位论文第二章超纯水系统工艺流程 2 3 1 予处理系统 予处理部分包括自动运行和停止，手动运行和停止。自动运行条件：当原水箱液 位到中液位以上时，一级反渗透水箱中液位以下时。自动停止条件：当