（环境工程专业论文）电厂给水处理的模拟实验研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 本论文致力于电厂给水水处理系统的模拟实验研究，并确定其主要控制参数、 结构参数和影响参数，建立了澄清池、纤维过滤器、超滤系统、保安过滤器和反渗 透处理系统的仿真数学模型，设计并开发了电厂给水水处理系统的模拟实验仿真软 件。分别进行了泥渣浓度、搅拌速度、过滤速度、操作压力和温度这五个因素的变 化对其处理系统水质及水量影响的仿真实验，仿真结果符合现场实验要求，可以实 现电厂给水水处理系统的基本控制功能，并且能动态模拟和显示参数，可以针对电厂 用水的不同水质和处理要求，优化水处理技术工艺。本课题开发的模拟实验仿真软 件，既可以用于教学和培训，又可以用于科研，还可以由留有的接口进一步开发成 产品应用于实际。 关键词：电厂给水、数学模型、模拟仿真 华北l 【! i 力人学顾i ：学位论文 a b s t r a c t t h ep a p c rh 如姗c r sa tt h es m d yo ns i m u l a t i o ne x p e r i m c n to fw a t e r 协：a 仃n e n ti i l p o w e rp l a n t a t 也eb 嬲eo fc o n f i i m 证gt l l ep a r a m e t e r so nc o n 仃o l ，s 觚l c t l l r ea 1 1 de f i e c t ，t 1 1 e m a m e m 撕c a l lm o d e l sf o rs i m u l a t i o ni n c l u d i n gc l 撕f i c r s ，f a b r i cj e i l t e r s ，u l 仃a 五l 缸a t i o n ， s e c 嘣t yf i l t e r s 锄dr e v e r s eo s m o s i s 骶a ：b n e n ts y s t e ma r ee s t a b l i s h e d b a s e do nt h i sm 张 l es i n m l a t i o ns o 小v a r eo fw a t e r 仃e a 乜n e n ts y s t e mo fp o w e rp l a l l ti s d e s i 印e d f i v e s 洫u l a t i o ne x p e r i m e 鹏a r ec a n i e do u t t l l e c h a n g e s o ff a c t o r s i n c l u d i n gs l u d g e c o n c e n 臼a t i o n ，s t i r r i n gs p e e d ，f i l t r a t i o nr a t e ，o p e r a t i n gp r e s s u r ea n dt e m p e r a h l r ei nt h e s i m u l a t i o ne x p e r i m e n t sa f r e c tt 1 1 eq u a l i t ya n dy i e l do fw a t e rt r e a t m e n ts y s t e mo f p o w e r p l a n t t h es i r i m l a t i o nr e s u l t sm e e tr e ( 皿r e r n e n t so f 丘e l de x p e r i m e n t s t h es o f t w a r ec a n n o to m yr c a l i z em eb a s i cc o n t r o l 允n c t i o no ft 1 1 ew a t e rt r e a 缸n e i l ts y s t 锄i np o w e rp l a n t ， b u ta l s od y n 锄i c a l l ys i m u l a t ea i l dd i s p l a ym ep a r 锄酏e r s a c c o r d i n gt ot 1 1 ed 调 柏l t q ua _ l i 够o fw a t e ra n dt r e a 恤e n tr e q u i r e m e n t si np o w e rp l a n t ，戗1 es o 脚a r ec a i l0 p t i l n i z e w a t i e r 仃e 她e n tt e c h i q v e s t h es i i i m l a t i o ns o 脚a r cc a i lb eu s e df o r t e a c h 洒ga n d 仃a i m n g ，b u ta l s ob e u s e df o rr e s e 部c h i ta l s oc a i lb ed e v e l o p e dt o 印p l yt op r a c t i c ef b d m t h ei n t e r f a c e1 e r 1 ( e y w o r d s ：p o w e rp l a i l tw a t e rs u p p l y ，m a 也e m a t i c a lm o d e l ，s i m u l a t i o n 华北电力：大学硕士学位论文 1 1 研究背景及其意义 第l 章绪论 水是人类赖以生存和社会发展的宝贵自然资源，没有水，就没有生命，也就没 有我们生活的世界。它是人类社会可持续发展的限制因素，在自然界中以不同的形 态存在并循环不息，其水质也受多种因素的影响而变化。我国水资源十分缺乏，且 分布不均，北方地区尤为匮乏。因此，我国未来水资源形式是非常严峻的。据统计， 2 0 1 0 年全国总供水能力为( 6 2 6 5 ) 1 0 1 1 m 3 ，总需求水量7 3 1 0 m 3 ，供需缺口 近1 1 0 l l i n 3 。供水的严重不足必将影响正常的生产生活，影响经济的发展【l 】。 为了缓解水资源短缺和经济增长的矛盾，中水作为宝贵的水资源进入研究者的 视野。中水主要是指城市污水或生活污水经处理后达到城镇污水处理厂污染物排 放标准规定的水质标准后，可在一定范围内重复使用的非饮用水，其水质介于自 来水与排污水之间。中水是水量稳定、供给可靠的一种潜在水资源，它的再生利用 是开源节流、减轻水体污染、改善生态环境、解决城市水资源短缺的有效途径。中 水回用不但可以相应降低对水环境的污染负荷，同时实现了污水的资源化。把中水 用作电厂循环冷却水和锅炉补给水的水源，不仅可以扩大中水回用规模，而且也可 以为电厂冷却水提供一个水质稳定、水量充足的水源，一举两得【2 圳。 由于我国水资源严重短缺，中水回用在我国将有着巨大的发展潜力，一方面， 有许多的城市严重缺水，另一方面，这些城市大量的废水却白自流失，既污染了环 境，又浪费了水资源。城市污水数量巨大，就近可得，易于收集，作为城市的“第 二水源”要比远距离引水经济得多，不但节约了成本，而且还保护了环境。 近2 0 余年来，我国火电装机容量有了高速发展，2 0 0 2 年已有装机容量3 6 亿 k w ，预计到2 0 2 0 年，中国发电装机容量应该到9 1 0 亿k w ，年均增长率5 3 5 9 。 随着火电装机容量迅速地增长，其对水资源消耗需求必将迅速增长。尤其在我国缺 水的北方地区，水资源严重不足，使火电厂的建设规划和运行受到限制，因此节约 用水已成为当务之急。由于过量开采、不断污染使得水资源水质不断恶化，给电厂 循环水处理带来了许多难题。由于水体严重污染，个别电厂已出现所采用的地表水 水质劣于一般二级城市污水处理厂出水水质的状况p j 。 火电厂是用水大户，其中主要是机组循环冷却水系统用水，水在电厂中担负着 传递能量的重要作用，也担负着冷却介质的作用。水质的好坏是影响电厂设备安全、 华北电力大学i i | ； - j ：学位论文 经济运行的重要因素之一。未经过净化处理的水不允许进入水、汽循环系统的，为 了保证热力系统中有良好的水质必须对进水进行严格地处理。由于中水的硬度、碱 度、有机物等含量较高，进入循环水系统后，随着水中的杂质的浓缩，致使循环水 系统发生结垢、腐蚀和生物污垢等突出的问题。生活污水经常规处理后还不能满足 火电厂循环冷却水的水质要求，但由于现代水处理技术的发展，各种深度处理技术 可以将污水进一步净化，使其所含污染物质浓度大为降低，通过借鉴国外的发展经 验，结合我国的实际情况及目前的污水处理技术，城市中水以及厂区废水回用于火 电厂循环冷却水和锅炉补充水是可行的。 中水回用在国外已实施很久，1 9 7 9 年美国已有中水利用工程5 3 6 项，年利用水 量9 3 7 亿立方米，其中6 2 用于农灌，3 1 5 用于工业，5 用于地下回注，1 5 用于娱乐、渔业等。随着中水回用技术的提高，回用的范围逐渐扩大，并使用到电 厂。如美国加州的伯班利电厂和格兰得尔电厂，亚利桑那州的派拉窝得核电站均采 用了深度处理后的城市中水作为循环水补充水源【6 ，7 】。 日本早在1 9 6 2 年就开始回用中水，9 0 年代初丑本在全国范围内进行了废水再 生的工艺设计，在1 9 9 1 年“造水计划”中开发了很多污水深度处理的新工艺，在新型 脱氮、脱磷技术、膜分离技术、膜反应器等方面取得进展。再生回用的途径有十几 种，主要是农业灌溉、工业和生活回用及市政杂用、地下水回灌、补充地表水等。 国外中水回用历史很长，规模也很大，收到了可观的经济效益和社会效益。一些发 达国家逐步制定和完善了相应的法规和政策，促使中水得到合理的利用【8 搠。 我国的中水利用起步较晚，但由于近几年城市严重缺水，已引起各级政府对解 决水资源短缺问题的高度重视，并加紧了中水利用课题的研究和实施。在电力工程 项目中已有成功利用中水的实例，如华能北京热电厂、邯郸热电厂、衡水电厂均采 用了将二级处理后的城市污水经石灰深度处理后作为电厂冷却水的补充水，并具有 了初步的运行经验，山西侯马电厂三期扩建工程已完成城市污水经二级处理及石灰 深度处理后，回供电厂作为循环水补充水使用，大同第二发电厂二期2 6 0 0 m w 空 冷机组工程全面采用城市二级污水经超滤及反渗透膜处理后作为生产水和锅炉补 给水。内蒙古金桥热电厂2 3 0 0 m w 供热机组工程全面采用城市二级污水经生物加 强超滤及弱酸处理后作为循环冷却水补水，该项目目前已经做过中试、系统招标， 正在实施阶段。 由于污水深度处理回用的目的不同，污水深度处理的工艺也不同。水处理按机 理可以分为物理法、化学法、物理化学法和生物化学法等。城市污水常用的处理单 元技术有：好氧生物处理、厌氧生物处理、化学氧化、混凝沉淀、化学除磷等，对 回用水质要求更高的有超滤、微滤、纳滤、反渗透、离子交换、电渗析等【l o 】。污 水再生利用技术通常需要多种工艺的合理组合，对污水进行深度处理，单一的某种 2 华北电力：大学硕士学位论文 水处理工艺很难达到回用水水质要求。有研究表明，为使城市中水回用于电厂循环 冷却水和锅炉补给水，根据中水水质特点和电厂用水水水质要求，解决好以下几方 面的问题是关键：进一步去除残余的悬浮物及胶体；进一步去除二级生化处理后残 留的溶解性有机物；去除无机盐类及微生物难以降解的有机物l l 。 随着水处理新技术的发展，处理方式趋向生化、物化和膜法的统一联合应用， 如采用悬浮生物载体或接触氧化以及膜法、吸附、交换等深度处理技术的综合处理， 可以达到较高的处理效果【1 2 】。确定中水回用处理流程是整个中水系统的中心环节， 需要根据污水水质、回用水质、国内水处理技术、处理设备的发展状况、经济技术 条件、现场条件、对环境产生的影响及管理水平等因素综合考虑确定。其中，主要 是污水水质状况和中水水质的标准要求，中水水质又因其使用的范围和用途不同而 异，需要采取不同的处理方法来满足不同的水质要求。 由于水在火电厂发电的水汽循环系统中所起的作用不同，对水质的要求有很大 的差别，对水质要求最严格的是锅炉补充水，如今火电厂向着大容量、高参数发展， 对锅炉用水的水质要求也越来越高，锅炉用水中杂质含量要求至9 1 0 级。锅炉给水 水质要求是十分严格的，因此采用城市中水和厂区废水作为锅炉补充水的水源，除 了常规的混凝、沉淀、过滤等水处理方法外，还需反渗透、离子交换、电渗析等纯 水制备技术，而这些技术对水质的要求也很严格，这对给水处理技术工艺提出了更 高的要求【1 3 15 1 。 国家发改委对火电厂新建、改建和扩建项目都鼓励采用城市二级污水深度处理 后作为电厂循环冷却水等电厂用水，禁止开采地下水，逐渐减少地表水的开采。正 是在这种背景下，利用城市中水和厂区排放废水，采用石灰混凝澄清过滤工艺技术 进行深度处理，处理后的城市中水和厂区废水回用于电厂循环冷却水和锅炉补充 水，不仅缓解了城市、工业用水紧张形势，也起到了示范作用。 长期以来，由于发电厂用水紧张和污水回用技术的发展，特别是北方电厂水处 理系统均采用中水或循环水排放水回用工艺，其水处理方式仍然是混合、絮凝、沉 淀、过滤和除盐几个阶段，宏观上尚无重大突破，然而在微观上，净化工艺确不断 地改进，对水处理的认识也不断地更新。理论的继续深化，特别是膜处理技术的飞 速发展，有力促进了水处理工艺水平的提高。随着污染程度的日益加剧和污染源的 逐渐增多，污染物品种的多样化，为水处理带来新的课题。现在更加注意原水的预 处理工作和在传统工艺后面的深度处理，这是当前发展最快的方面，也是我国我们 目前急需使用的处理技术。 水处理工艺系统的选择，是指对于特定的水源，在最低的造价下，选择可满足 所需水质的处理工艺。其工艺流程的选择应考虑水源的特点、产品出水的要求、工 艺设备的可靠性、适应水质改变和设备故障的能力、处理设备的备用情况、环保要 华北电力人学硕j ：学位论文 求、一次性投资、运行费用【1 5 。18 1 。目前针对电厂用水给水水质情况，一般根据实验 和经验选择技术和工艺，工作量较大，难以保证所选工艺的技术经济的可靠性，因 此需要进行给水处理实验模拟仿真技术的研究。本课题研究开发的实验模拟仿真软 件，可针对电厂用水的不同水质和处理要求，提出优化的处理技术工艺。 1 2 仿真技术简介 1 2 1 仿真的基本概念 1 9 6 1 年，摩根札特首次对“仿真 进行了技术性定义，即“仿真意指在实际系 统尚不存在的情况下对于系统或活动本质的实现”。奥伦于1 9 8 4 年在给出了“仿 真”的基本框架“建模一实验一分析”的基础上，提出了“仿真是一种基于模型的活 动的定义，被认为是现代仿真技术的一个重要概念。实际上，随着科学技术的进 步，特别是信息技术的迅速发展，“仿真 的技术含义不断地得以发展和完善，无 论哪种定义，仿真基于模型的活动这一基本观点是相同的【1 9 】。 因此，仿真定义为：在相似理论、控制理论、信息处理技术和计算机技术基础 上，以计算机和其他专用物理效应设备为工具，利用模型对真实或假设的系统进行 试验，并借助于专家经验知识、统计数据和信息资料对试验结果进行分析研究的活 动。当仿真的活动以计算机为主要工具和运行环境时，仿真称为计算机仿真。根据 仿真系统的结构和实现手段不同，仿真可分为以下几类，即物理仿真、半实物仿真、 数学仿真。 ( 1 ) 物理仿真。按照真实系统的物理性质构造系统的物理模型，并在物理模型 上进行试验的过程称为物理仿真。 ( 2 ) 半实物仿真。半实物仿真又称物理数学仿真，这种仿真方法是将数学模型 与物理模型甚至实物联合起来进行试验。 ( 3 ) 数学仿真。对实际系统进行抽象，并将其特性用数学关系加以描述而得到 系统的数学模型，对数学模型进行试验的过程称为数学仿真。计算机技术的发展为 数学仿真创造了环境，使得数学仿真变得方便、灵活、经、济【1 9 】。 1 2 2 计算机仿真的步骤 计算机仿真的一般步骤围绕仿真的三项基本活动展开，主要是系统建模、仿真 建模和仿真实验，它的具体步骤如下【2 0 】： ( 1 ) 系统建模。仿真是基于模型的活动，所以首先要针对实际系统建立模型。 通常，根据系统试验知识、仿真目的和试验资料来确定系统数学模型的框架、结构 和参数。 4 华北t 乜力：大学硕士学位论文 ( 2 ) 仿真建模。根据数学模型的形式、计算机的类型以及仿真目的将数学模型 转化成仿真模型，建立仿真试验框架。 ( 3 ) 程序设计。将仿真模型用计算机程序来描述，程序中包括了模拟仿真试验 的要求，如运行参数、控制参数和输出要求等。 ( 4 ) 试验。根据仿真目的，在计算机上对模型进行试验。 ( 5 ) 结果分析。根据试验要求，对结果进行分析、整理和文档记录。 1 3 主要研究内容 本课题以电厂给水处理系统为研究对象，调研、探讨电厂给水处理工艺、方法、 运行状况以及各类因素对去除率的影响，并建立电厂给水处理系统仿真数学模型， 通过模拟仿真实验、调试取得正确的仿真结果。具体包括以下几点： 1 建立仿真数学模型 依据仿真对象进行总体简化和设计，确定电厂给水处理系统的主要影响参数和 控制参数，建立数学模型如下： ( 1 ) 机械搅拌澄清池水处理模型 包括n a o h 、p f s 、p a m 、石灰石浆液以及澄清池出口硫酸的加药模型。 ( 2 ) 纤维过滤器水处理模型 以p c f 孔隙调节型纤维过滤器( 简称p c f 过滤器) 为模拟仿真对象，仿真数 学模型包括进水流量模型、去除效率模型和反洗强度模型。 ( 3 ) 超滤水处理模型 包括渗透流量模型、截留率模型。 ( 4 ) 保安过滤器水处理模型 包括保安过滤器进水前的杀菌剂、还原剂以及阻垢剂的加药模型。 ( 5 ) 反渗透水处理模型 包括反渗透的除盐率模型。 2 开发电厂给水处理模拟实验软件 针对电厂用水的不同水质，开发电厂给水处理的模拟实验软件，软件的界面包 括五个电厂给水处理的主要流程，针对不同水质工况下出水水质的动态显示界面 等。软件还包含后台运行的数据库，作为所有数据的储存容器。软件留有接口，可 与现场监测仪器连接，进行实时监控查询功能；可以动态模拟电厂给水水处理系统 起停、运行、控制、参数显示等内容，达到界面友好，方便使用，能用于科学研究， 能进行仿真运行培训的目的。 本课题设计的软件以v i s u a lb a u s i c6 o 为程序设计工具，开发的最终模拟仿真软 件尽量做到功能完善，以可安装的应用软件形式出现，可以完全脱离程序语言的开 华北电力人学硕二l 学位论文 发环境，在微软操作系统下独立运行。 3 进行模拟仿真实验 用计算机作仿真模拟实验研究，必须验证所有工作的正确性。仿真实验正是鉴 于这一目的而进行的，它是仿真研究过程中重要的一部分。本论文共做了五个仿真 实验，具体包括：泥渣浓度对澄清池出水浊度的影响、搅拌速度对澄清池出水浊度 的影响、过滤速度对纤维过滤器出水浊度的影响、操作压力对超滤装置产水量的影 响、温度对反渗透系统产水量的影响。 由于条件所限，本课题建立的仿真模型和设计开发的模拟仿真软件仍需进一步 完善。但是，所设计研发的模拟仿真软件对于电厂给水水处理系统的运行和研究工 作均具有重要意义。 6 华北电力火学硕：l 学位论文 第2 章电厂给水水处理系统概述 根据目前电厂给水的水质状况，本课题应用先进的计算机仿真技术，以目 前电厂广泛采用的给水处理的技术和工艺为研究对象，结合邯郸某电厂的给水 处理工艺，电厂原水以污水处理厂的中水作为循环水补给水和锅炉补给水的水 源，以厂区循环水排水和生活污水的混合水作为备用水源，建立电厂给水水处 理系统的工艺流程，具体工艺流程如下： 原水呻生水池- 机械搅拌澄清池清水池纤维过滤器 + 超滤设备超滤水箱+ 保安过滤器反渗透装置 电厂给水水处理系统工艺图 2 1 澄清池 澄清池是利用原先在池中积聚的絮凝体( 泥渣) 与原水中刚失去稳定性的 微观颗粒相互接触、吸附，以达到与清水较快分离的净水构筑物。由于它是将 药剂与水的混合、沉淀反应和沉淀物的沉降分离三个步骤在一个构筑物内完成 的，因此具有占地面积少、设备小、沉淀效率高等优点。 2 1 1 澄清池水处理系统概述 本课题设计的澄清池的仿真类型为机械搅拌澄清池，机械搅拌澄清池是一 种泥渣循环型澄清池，池体主要有第一反应室、第二反应室和分离室三部分组 成，并设置有相应的进出水系统、排泥系统、搅拌机系统，另外还有加药管、 透气管和取样管等，它的特点是利用机械搅拌的提升作用来完成泥渣回流和接 触絮凝作用1 2 1 1 。 本课题澄清池仿真的部分为一台机械搅拌澄清池，设计出力4 3 0 t 1 1 ，内部配 套设置搅拌机、刮泥机各一套，池内加装斜管。城市中水和厂区废水汇集为一 根母管后首先进入生水池，经生水泵升压后进入机械搅拌澄清池，澄清池出水 进入清水池。系统设一台清水池，容积为4 0 0 m 3 ，钢筋混凝土结构。澄清池采 用自动排泥控制方式。为了去除水中的悬浮颗粒、胶体状态的杂质和活性微生 物、细菌、病毒，在第一反应室入水口处加入混凝剂( p f s ) 和助凝剂( p a m ) ， 在第一反应室上面加入石灰石浆液，加药量由进水流量变频控制。 由于污水处理厂的出水水质波动是污水厂普遍存在的问题，采用石灰处理 7 华北l u 力人学硕j ：学位论文 由于设计了具有较大容积的澄清池，经历较长停留时间，反应产物具有很大的 表面积，吸附能力强，使溶解的、非溶解的有机颗粒得到分离，从而对不稳定 的中水水质起到缓冲调节作用，同时还可以有效地去除中水和厂区废水中的碳 酸盐硬度，起到软化水质的作用【2 2 1 。 2 2 纤维过滤器 2 2 1 纤维过滤器概述 以纤维作为过滤介质的过滤设备称为纤维过滤器，是2 0 世纪8 0 年代开发 出来的一种新型过滤设备，它的材料主要有聚酯纤维、丙纶纤维、玻璃纤维、 尼龙纤维和碳纤维等。纤维过滤器的工作特点是：纤维在外力作用下被压密后 实现过滤，而在外力消失呈自然疏散状态后完成反洗。 本课题设计的纤维过滤器的仿真对象为p c f 纤维过滤器，它的材料是聚丙 烯，采用一种新型柔软纤维丝作为滤元，其滤料孔隙可达几微米，具有比表面 积大，过滤阻力小的优点。它可以有效地去除水中的悬浮物，并对水中的有机 物、胶体等有明显的去除作用。 2 2 2p c f 过滤器的工作原理 p c f 孔隙调节型纤维过滤器( 简称p c f 过滤器) ，采用一种新型柔软纤维 丝作为滤元，其滤料孔隙可达几微米，具有比表面积大，过滤阻力小的优点， 解决了粒状滤料的过滤精度受滤料粒径限制等问题。微小的滤料直径，极大地 增加了滤料的比表面积和表面自由能，增加了水中杂质颗粒与滤料的接触机会 及滤料的吸附能力，从而提高了过滤效率和截污容量。 设备在运行时，水从上至下通过滤层。此时纤维被压缩后，滤层沿水流动 方向的密度逐渐加大，相应滤层孔隙直径和孔隙率逐渐减小，实现了深层过滤。 当滤层被污染需清洗再生时，清洗水和空气从下至上通过滤层。这时，纤维滤 层向上运动，使纤维滤层展开并处于放松状态，即可方便地进行清洗。 p c f 纤维过滤器作为超滤的前处理，可降低产水的浊度和有机化合物含量。 改善了膜阻塞和膜污染的问题，延长了膜的使用寿命，用膜进行后续处理则可 进一步去除浊度和各类有机物，保证出水水质。p c f 纤维过滤器作为前处理减 轻了超滤运行负荷，给水浊度降低，超滤运行时间增长。对于同一给水浊度的原 水，采用纤维过滤后，因水质成份比例不同，其超滤运行时间比直接超滤运行时 间增长了l 3 h 【2 3 1 。 本课题模拟设计3 台p c f 过滤器，出力为3 1 5 0 t l l ，与3 套超滤设备串联， 其出水直接进超滤系统。根据运行时间和运行压差控制过滤器的反洗；反洗采 华北电力大学硕士学位论文 用水反洗结合空气擦洗。3 套p c f 过滤器设2 台过滤器反洗水泵，1 用1 备； 设2 台罗茨风机，1 用1 备。 2 3 超滤系统 2 3 1 超滤系统概述 超滤简称u f ，在一定的外界压力作用下，当待分离溶液以一定的流速沿着 超滤膜一侧表面流动时，溶解性物质和比超滤膜孔径小的物质将透过膜微孔至 膜的另一侧，成为产品水，而溶液中的高分子物质、胶体微粒、热原质及细菌、 微生物等不能透过膜的物质被慢慢浓缩于膜表面和排放液中，通过浓水、反洗 等过程被排出，从而实现分离、净化的目的。 u f 同r 0 、n f 、m f 一样，均属于压力驱动型膜分离技术。其工作静压差 一般为o 1 m p a o 5 m p a ，被分离组分的直径大约为0 0 1 p m 0 1 l m ，所用的膜常 为非对称膜，膜孑l 径为o 0 0 1 l m o 1 “m ，膜表面有效截留层厚度较小 ( o 1 肛m 1 0 p m ) ，工作压力一般为0 2 m p p 0 4 m p a ，膜的透过速率为 o 5 m d 5 i d 【2 4 2 6 1 。 根据水中微粒杂质在膜孔中的截留位置，可将超滤的截留机理看作是机械 筛分、物理化学吸附和微粒杂质之间相互拥挤、架桥三种作用的综合结果，由 于超滤膜的孔径很小，截留机理是以机械筛分作用为主。 2 3 2 超滤系统的水质控制标准 本课题仿真的超滤膜组件结构为中空纤维超滤膜，膜材料为亲水性聚砜， 超滤系统的运行方式为内压式错流过滤，设计出力3 1 2 5 m 3 h ，该超滤系统根据 运行时间和运行压差控制超滤的反洗，反洗采用次氯酸钠加强反洗。3 套超滤 装置设2 台超滤反洗水泵，l 套次氯酸钠加强反洗加药装置，设1 套超滤化学 清洗装置，该超滤装置的进水和出水控制标准见表2 1 。 2 4 保安过滤器 2 4 1 微滤 微滤又称微孔过滤、精密过滤，记做m f ，是以多孔材料作为过滤介质的一 种过滤过程，推动压力一般为0 0 5 0 3 m p a ，主要截留尺寸是超过o 1 “m 的物 质，如沙砾、淤泥、黏土等微粒，以及甲第虫、隐孢子虫、藻类和一些细菌等。 在反渗透进水的预处理设计中，常用孔径5 p m 微滤器( 俗称5 p 过滤器) ，作为 预处理系统中的最后一道处理工序，对反渗透装置起安全保障作用，故又称保 安过滤器。 华北i 乜力入学硕士学位论文 表2 1 超滤系统水质控制标准 2 4 2 保安过滤器系统概述 本课题模拟仿真的保安过滤器设计在超滤水箱之后，为达到反渗透的进水 水质，需加入杀菌剂、阻垢剂和还原剂，保安过滤器的滤元采用5 岬过滤精度 的滤芯，材料为聚丙烯酰胺，设计三台保安过滤器，每台有5 4 个滤芯，设计出 力1 2 5 m 3 l l ，工作压力设置在o 6 m p a 以下。 2 5 反渗透系统 2 5 1 反渗透系统概述 反渗透简称r o ，当水与溶液以渗透膜相隔，水则向溶液渗透，两相之间有 渗透压，若在溶液相上加压大子渗透压，则溶液相中的水就会向水相反向渗透 过去，从而取得除盐水，即原水在足够的压力下，通过渗透膜而变成纯净的水， 没有通过膜的原水、悬浮物随着含盐量的逐渐增大而排放，这就被称为反渗透。 由于反渗透膜的产水率是有限的，所以在设计设各时为了提高出力，必须使设 备内有很大的反渗透面积。为达到此目的，有多种设计方式，主要有平板式、 圆管式、螺旋卷式和中空纤维式，但常用于水处理的主要是螺旋卷式和中空纤 维式【2 7 1 。 本课题仿真的反渗透系统设计出力3 7 5 t ， l ，膜材质选用美国生产的聚酰胺 复合膜，膜组件结构形式采用螺旋卷式，工作压力为1 3 一1 7 m p a ，回收率控制在 7 5 以上，反渗透系统的脱盐率控制在9 7 以上。 2 5 2 反渗透系统的水质控制标准 为保证反渗透膜以及后续水处理设备的长期稳定安全运行，规定了使用膜 元件时所限制的条件，包括温度、进水p h 值范围，进水s d i 、进水余氯等，本 课题仿真的反渗透系统的水质控制标准见下表： 1 0 q 刍北i u 力人学硕：l ：学位论文 第3 章仿真模型的建立 3 1 建模的概念与方法 3 1 1 建模的概念 模型就是对实际系统的一种抽象的、本质的描述。首先，模型必须是现实 系统的一种抽象，它是在一定假设条件下对系统的简化。其次，模型中必须包 含系统中的主要因素，模型不可能与实际系统完全对应，而只应包含那些决定 系统本质属性的重要因素。第三，为了进行定量分析，模型中必须反映出各主 要因素之间的逻辑关系和数学关系，使模型对系统具有代表性【2 8 1 。 正确建立的模型，能更深刻、更集中地反映实体的主要特征和变化规律， 从而达到对实体的抽象，系统仿真中所用的模型可分为实体模型和数学模型【2 9 1 ， 本课题的仿真建模为数学模型。 3 1 2 建模的一般方法 构造数学模型必须要对现实问题进行仔细地探求，经简化、抽象后，再建 立初步数学模型，建立数学模型的一般步骤应该是 3 0 】： ( 1 ) 问题分析 了解实际问题的背景，明确建模的目的与要求，搜集一些相关信息，分析 问题的相关因素，提出建立模型的初步方案。 ( 2 ) 模型假设 根据实际问题的特征和建模的目的，对问题进行必要的、合理的简化，并 用精确的语言作出假设。 ( 3 ) 建立模型 根据假设，分析问题的因果关系，揭示问题的内在规律，运用数学工具， 建立各变量之间的关系式或数学结构。 ( 4 ) 模型求解与分析 华北电力大学硕士学位论文 根据问题的性质分析变量之间的依赖关系或稳定形态，对已建立的数学模 型，进行数学上的求解。 ( 5 ) 模型检验 用实际现象或有关数据等检验模型的合理性和实用性。 ( 6 ) 模型的应用 用得到的数学模型去解决实际问题。 3 2 澄清池 3 2 1 混凝剂和助凝剂的加药模型 本课题澄清池仿真的部分针对的是澄清池所加药剂的模型，所添加的混凝 剂为聚合硫酸铁( p f s ) ，分子表达式为 f e 2 ( 0 h ) n ( s 0 4 ) 3 一2 】m ，它的碱化度 为9 1 4 ，相对密度大于1 4 5 ，它的加药模型如下： p f s 加药模型 = q 2 0 ( 1 0 0 0 1 0 ) ( 3 1 ) _ p f s 加药量( l h ) ； q 澄清池进水流量( m 3 h ) ( 取3 6 0 3 8 0 ) ； 2 0 p f s 的加药量( m g l ) ； 1 0 重容百分比浓度； 澄清池所加的助凝剂为聚丙烯酰胺( p a m ) ，它是一种非离子型絮凝剂，p a m 的加药方式为间断加药，在澄清池初投运时加药4 6 h ，加药量为5 m l ，模 型为： p a m 加药模型( 助凝剂) 巾 q 朋j 】l ，2 而瓦瓦 ( 3 2 ) 。删m p a m 的加药量，m ： q 珈清池进水流量，m 3 1 1 ； x p a m 的加药浓度，5 m l ； 2 配置p a m 溶液的重容百分比浓度； 华北电力大学颐：l 二学位论文 3 2 2 石灰石浆液的加药模型 在澄清池处理系统中，石灰处理起到的作用，主要是消除水中钙、镁的碳 酸氢盐，所以处理后水中硬度和碱度都有所降低。在电厂中采用石灰处理的目 的，主要是降低水中的碱度，即减少碳酸氢盐的含量；至于硬度虽然也可以降 低，但还不能满足锅炉用水的要求，需进行一步处理。通常澄清池处理系统中 石灰的加入是以消石灰( c a ( o h ) 2 ) 的形式加入，以下是它的加药模型。 石灰石浆液加药模型 甲一q ( c 口( 鹏q ) 2 + 2 匆( 们d 3 ) + d _ + 口) 5 6 1 2 1 石灰石浆液一1 眨面石_ 委西石一( 3 3 1 名灰石浆液石灰石浆液的添加量，l a ； q 疆清池进水流量，( m ) ； c 口( 月( 弘) 2 、j 留( 日c b ) 吝些化合物在澄清池进水中的浓度，( m g l ) ； 巩混凝剂对石灰的消耗量，( m g 几) ； 口过剩石灰量，一般取0 2 加4 ，( m g 几) ； 1 2 剂量条件； 3 5 一重容百分比浓度； 3 2 3 碱液的加药模型 n a o h 加药模型 气鲫2q 朋g 4 0 2 o ( 1 0 0 0 4 0 ) ( 3 4 ) 鲫刈a o h 加药量( 讹) ； 职澄清池进水碱度( m 0 1 m 3 ) ； q 澄清池进水流量( m 3 1 1 ) ； 4 0 一1 m o l n a o h 的质量( g ) ； 2 旺剂量条件； 4 0 一重容百分比浓度； 1 4 华北电力大学硕士学位论文 3 2 4 硫酸的加药模型 经石灰处理后的水是很不安定的，因为石灰软化的水中碳酸钙处于过饱和状 态，为防止碳酸钙在澄清器出水管道结垢以及滤池的滤料结块，应在澄清池出水中 加酸，中和水中的碱度，以降低p h 。 硫酸加药模型 乃：鼢。q 一y ( 1 0 0 0 9 8 ) ( 3 5 ) 乃：鼢硫酸的加药量，m ； x 硫酸的加药浓度，2 0 m l ； q 澄清池出水流量，m 3 1 1 ； 9 8 一重容百分比浓度； 3 3 纤维过滤器 3 3 1 纤维过滤器数学模型 3 3 1 1 纤维过滤器的进水流量模型 单台过滤器进水流量模型 q = ( 拿) 2 一1 。r 咒d q 单台机械过滤器进水流量( m 3 1 1 ) ； d p c f 过滤器的直径( m ) ； 滤层高度( m ) ： 尺蒯随机函数； 3 3 1 2 纤维过滤器的去除效率模型 去除效率模型1 8 】 刁= 1 一e 一五上 三水流经的滤层厚度； 五过滤系数( 模型假定其为常数) ； ( 3 - 6 ) ( 3 - 7 ) 华北电力大学硕二e 学位论文 3 3 1 3 纤维过滤器的反洗强度模型 反洗强度指单位时间过滤截面积上的反冲洗水量； 反洗强度模型【3 l l g = 1 0 帆， g 反洗强度( l ( m 2 s ) ) ； 后富裕系数，一般取k = 1 1 一1 3 ； “脚厂冲洗流速，c 州s ； 3 4 超滤系统 3 4 1 超滤数学模型 3 4 1 1 超滤的渗透流量模型 超滤的渗透流量模型【3 2 3 4 】 “= 篑“ g 一超滤装置的渗透流量，m 3 1 1 ； 彳超滤的膜表面积，m 2 ； 该超滤装置的膜通量，m 3 所2 s ： 尸膜两侧的压差( 即推动力) ，这里取o 1 m p a ； u 绝对粘滞系数； 疋超滤膜的自身阻力； 3 4 1 2 超滤的截留率模型 超滤的截留率r 墨= 警划( 2 卅2 兄：生 d p ( 3 - 8 ) ( 3 9 ) ( 3 - 1 0 ) ( 3 - 1 1 ) g 一缩液中i 物质的浓度； 透过液中i 物质的浓度； 盔杂质i 物质的直径； d p 膜孔的直径； 3 5 保安过滤器 3 5 1 杀菌剂的加药模型 杀菌剂采用5 的工业n a o c l 进行杀菌，加药点设在保安过滤器入口处。 n a o c l 加药模型 d c = q x ( 1 0 0 0 5 ) 鲫_ n a o c l 的加药量，l h ： q 超滤的出水流量，m 3 h ： x - n a o c l 的加药浓度，2 m g 几： 5 n a o c l 溶液的重容百分比浓度； 3 5 2 还原剂的加药模型 为防止反渗透进水余氯超标，在保安过滤器进水口加入还原剂， 还原剂为n a 2 s 0 3 溶液，加药点设在杀菌剂之后。 n a 2 s 0 3 加药模型： ：路= q x ( 1 0 0 0 7 呦 ：妈2 玛的加药量，m ； q 超滤的出水流量，m 3 1 1 ； 1 7 ( 3 - 1 2 ) 本课题选用的 ( 3 1 3 ) 华北l 匕力人学硕上学位论文 x 肋2 观的加药浓度，3 m 舡； 7 口：鹏溶液的重容百分比浓度： 3 5 3 阻垢剂的加药模型 在保安过滤器的进水管道内，要加入阻垢剂，以防止对反渗透装置的正常运行 产生影响，仿真对象采用的阻垢剂为p n i 一一0 1 0 0 。设计加药浓度为2 4 m 班，按照 设备厂家要求，稀药液的配制浓度为2 ，加药浓度按2 m g l 控制。 阻垢剂p t p 加药模型 甲q x l 册2 碱 ( 3 1 4 ) 阻垢剂的加药量，l m ； q 超滤的出水流量，m 3 1 1 ； x 阻垢剂的加药浓度，2 m l ； 2 一阻垢剂溶液的重容百分比浓度； 3 6 反渗透系统 3 6 1 反渗透数学模型 3 6 1 1 反渗透系统的制水量模型 反渗透系统的制水量模型【2 7 】 j t = j n t m 以越行f h 后膜的制水量，m 3 ； 厶一的初始制水量( 1 h 的数值) ，这里取1 0 0 m 3 ； f 运行时间，h ： m 衰减系数 ( 3 一1 5 ) 3 6 1 2 反渗透系统的除盐率模型 除盐率模型 r r r ：二已c 1 0 0 乙f 尺反渗透装置的除盐率； c ，反渗透进水含盐量，这里用进水电导率表示； q 反渗透出水含盐量，这里用出水电导率表示； c 修正系数； 1 9 ( 3 - 1 6 ) 华北l 也力人学颂j ：学位论文 第4 章仿真软件的开发 软件是计算机的主要组成部分，它需要在系统硬件的支持下运行。而且，软件 又是仿真系统的灵魂，是整个系统中最重要的部分，每一项系统操作都要在软件的 指挥协调下运行，两者直接相互联系，相互制约。所以，仿真软件应可靠准确、实 时性强，同时需要具有一定的针对性、灵活性和通用性。 4 1 软件的开发环境 本课题设计的电厂给水处理的模拟实验仿真软件以s u a lb 商c 6 0 为开发工 具，最终的软件可做成安装的软件包，完全脱离的程序开发环境，安装于用户 计算机的微软操作系统下独立运行。 s 雌lb a s i c ( 简称v b ) 是美国微软公司推出的w i n d o w s 环境下的软件开发工具， 它采用了面向对象的编程技术，巧妙地把开发w 伽d o w s 环境下的应用程序的复杂性 “封装 起来，可以既快捷又简单地开发应用软件，并使用事件驱动的编程思想， 从而提高了编写应用程序时的灵活性和方便性【3 5 】。 s u a lb a s i c 是一种面向对象的可视化的程序设计语言，既适合于应用软件的开 发，也可用于开发系统软件，其具体特点如下【3 6 】： 1 面向对象的可视化程序设计 v b 提供了的大量的可视化设计工具，在程序的界面设计中，用户只需根据设 计要求，借助这些工具在屏幕上安放相应的控件对象，并设置这些对象的属性即可。 2 事件驱动的编程机制 是通过事件驱动来执行程序的，用户不必考虑程序执行的过程顺序，只要 设计出当某一事件发生时要执行的代码即可，这样就大大提高了编程效率。 3 结构化程序设计语言 v b 是由子程序、函数实现结构化的程序设计的，采用顺序结构、分支结构、 循环结构的语句来表达程序流程。 4 开发的数据库功能 v b 系统具有很强的数据库管理功能，利用数据控件和数据库管理窗口，可以 直接建立或处理m i c r o s 0 ra c c e s s 格式的数据库，同时提供开放式数据库连接 ( o p e nd a t a b a s ec o l l i l e c t i v i t y ，即o d b c ) 功能，可通过直接访问或建立连接的方 2 0 华北电力大学硕士学位论文 式使用，并操作后台大型网络数据库，如s q ls e r v e r ，o r a c l e 等。 5 多媒体功能 v b 采用对象的链接与嵌入( o b j e c ：tl i n k i n ga i l de r n b e d d e d ，即o l e ) 技术，将 每个应用程序都看做是一个对象，将不同的对象链接起来，再嵌入到某个应用程序 当中，从而可以得到具有声音、影像、图像、动画、文字等各种信息集合式的文件： 此外借助媒体控制接口m c i ( m e d i ac d n 仃o li n t e r f a c e ) ，通过调用w i n d o w s 的a p i 函数，可以实现强大的多媒体功能。 6 网络支持功能 提供了大量的a c t i v e x 控件，其中包括许多创建超客户端h l t e r t 应用的构造 模块，能够提供s m t p 和p o p 邮件服务、f t p 、n e w s g r o u p 和w 曲等功能。 7 调用其他语言程序 是一种高级程序设计语言，它可以通过动态链接数据库( d y n 锄i cl i n l ( i n g l i b r a 巧，即d l l ) 技术将c c + + 或汇编语言编写的程序加入到应用程序中，可 以像调用内部函数一样调用其他语言编写的函数。 8 完善的联机帮助 在安装v b 时，最好同时安装m s i ) n 帮助系统，该系统提供了强大的帮助功能， 用户在程序设计工程中可随时获得详细的帮助。 4 2 软件的设计思想和设计步骤 4 2 1 软件的设计思想 本软件的设计思想主要基于以下几方面考虑的陟3 8 】： ( 1 ) 本课题设计的软件应该体现电厂给水水处理系统自动控制的“集中监测为 主、分散控制为辅的思想和层次性的体系结构； ( 2 ) 本课题设计的软件应具有良好的界面交互性，监控操作应具有一定的直观 性和简捷性。 ( 3 ) 本课题设计的软件应具有优良的适应性和强大的扩充性，以适应不同水质、 水量的需要，便于以后的进一步开发。 华北ib 力大学硕士学位论文 4 2 1 2 软件的设计步骤 躺、7 十龉、 软件的设计步骤总的来说分为设计、开发和运行调试三个阶段，每个阶段又分 为若干个子阶段。 设计阶段包括问题定义和可行性研究两个子阶段。主要是设定软件系统的目 标，确定研制要求，提出可行性报告。 开发阶段是软件制作过程中最为重