水处理设备
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自动化技术提高饮用水生产能力和质量
    成千上万人的饮用水都来自被污染的水源,而且没有合格的废水处理设备进行处理;这是用水经济所需解决的重要任务。创新性的电子技术则能够在高效的水处理设备驱动中给用户以极大的帮助。除了高效经济的能源利用以外,自动化技术也是提高饮用水生产能力和质量的重要杠杆。

    如今,地球上约有五分之一的人口没有干净水源,因此废水处理设备常常就是他们的水源源头

    地球之所以被称为“蓝色星球”,是因为地球有70%的表面被水覆盖着。尽管如此,地球却存在着严重的水荒问题:地球有97%的水是含有盐分的水,不适合人们直接使用,只有其余3%的水是可以饮用的淡水。而这3%的淡水中又有三分之二是保存在地球的南、北极中,以及地球的永久冰川地带。最终,只有不足1%的水是可以供人类直接饮用的淡水。

    上面叙述使用了百分比来表示相对数据;若用绝对数字表示就是:地球上的水资源总量为13.8亿m3,其中3600万m3是淡水,而可供人类直接使用的淡水仅360万m3。纯数学计算可以得出结论:即使是很少比例的淡水,也足够供地球人使用,而且是按照当今工业发达国家人均用水的6倍标准。但令人遗憾的是:这些淡水资源在地球上的分布很不均匀,世界各地淡水资源受到的污染程度也不完全相同,而且利用淡水所要解决的重点问题在世界各地也各不相同。地球上有五分之一的人无法得到干净的淡水。超过13亿人饮用水的水源是受到污染的水源,24亿人没有可控制的废水处理设施使用。

    据联合国计算,2025年,全球将有三分之二的人生活在缺水或水量不足的环境中。联合国解释:2005~2015年是国际“生命之水”工程的10年。联合国在这10年中的重要目标就是将全球缺少干净饮用水的人数在全球人口不断增长的情况下减少一半。

    若联合国的目标得以实现,则将有180000人每天工作在饮用水处理设备旁,每天有330000人工作在废水净化设备旁。这对用水领域来讲则意味着需要准备好提供充足的水量、保障水质的可靠,以及建立与保持相应的基础设施。

    新方案具有较大的差异性

    联合国的这一目标如果利用不缺水工业国家现行的废水处理技术和消毒技术是无法实现的。不同的可用水资源条件、不同的气候和社会条件,以及不同的基础设施条件等这些前提条件都要与当地实际相适应才行,首先是可持续发展的水资源管理、水资源循环利用技术、消毒与海水淡化方案。其次,无论采用哪种水处理技术,节约能源都有重要意义。由于废水处理设备会需消耗大量能源,通过产生CO2也会带来气候变暖的问题,经济和环保都很重要。德国污水处理设备每年消耗的电力在4400GWh/a左右。

    另外,由于新兴工业国家和发展中国家人口的增长变化迅猛,以及都市化进程加快,用户也在污水处理方面提出了追加投资的要求。到2030年时,世界上将会有60%的人口居住在面积占10%的超级城市里。这就带来了以下的问题:工业国家的废水处理系统能否承担如此繁重的污水处理和供水工作。或者说,分散控制管理,以及半集中控制管理的水处理、废水处理和能源供应是否能够很好地实现有机结合。

    全球范围内,今后几年在可持续发展基础设施的制造和分析方面的投资额将高达2900亿欧元,而通过其他统计渠道得出的结果竟高达4800亿欧元。为解决全球性的水荒问题,水资源管理组织的形式和结构也是不可忽视的。在欧洲,欧盟和GAT正努力推动着关于水处理和循环水供应广泛应用的讨论,虽然其在公众的讨论中受到了重重阻力,毫无争议的是德国用水经济中的企业呈现出集中的趋势。

    电子技术在用水经济可持续发展中的作用往往被人们所低估。用水经济中的自动化技术、驱动技术和能源技术有着很大的节能潜力可以挖掘,因为用水经济中的设备在生产制造之后通常都是终生工作的,一般情况下其使用年限为40年以上。尽管企业对这些设备都进行了生产过程的优化,但在这些设备的使用运行过程中,供水企业一直把供水的稳定性和可靠性作为自身的首要任务。高效的设备驱动技术不仅可以减少水处理企业的设备运行费用,而且也能减少CO2排放。在连续运行的水处理企业中,企业在高效驱动技术方面的投资可以在短时间内进行回收。在企业选择高效节能的驱动技术时应注意:设备在整个使用寿命周期内的总成本费用有着决定性的意义。
    几乎所有第二套水处理设备都是超规格的设备:大多数情况下,在项目刚开始时设备的使用运行条件都还不够完备,因此首先应该确定一个动力较大的驱动系统,以保障设备能够安全可靠的运行起来;其次是按照一定的工作位置使用运行,其与最佳的工作位置有着明显差距。另一方面,优化后的流量调节也有着很大的节约潜力:在通常情况下,流程和压缩机是按照机械流量控制方式,利用节流板或旁通阀进行流量控制的。负载的变化需要通过设备特性曲线的移动进行调节,而这种调节对电动机所需功率的改变非常小。用不到的流量则作为一种功率损失白白浪费掉了,这样不仅令设备运行费用高昂,还会产生其他有害副作用,例如不希望的介质发热。

    节能技术得到快速推广

    可变转速的驱动系统具有变频功能,其所改变的不是整套设备的工作特性曲线,而是泵的工作特性曲线。这种方法可实现节约30%~50%的能源。除此之外,变频器调节技术还在改善系统的机械性能方面提供了便利:其能避免电动机在启动时的电流峰值和强烈的扭矩冲击;同样,该技术还能使管道系统免受压力冲击、气蚀或振动的影响,避免了设备受到的后续损害。

    另一个节能的做法是采用欧盟EEF1级或美国EPACT等级的高效节能电动机。EFF1级的高效节能电动机在年工作2000h时可在1年内收回投资。

    若不能对现有设备进行建筑性改造,则只能通过更智能的设备运行来实现节能。此时的最佳方法是利用自动化控制技术利用所需功能,利用SPS可编程序控制器对设备所需的功能进行自动化控制。2030年时,系统将会采用专门的算法语言实现控制过程的数学优化运算,并将这一算法语言集成到流程控制系统之中。计算结果便能方便地作为指令传达到下一级自动化层中,实现完全过程自动化控制。本文介绍的管道网络控制就是实例。

    在系统进行优化同时,用水经济领域中的企业也对企业的生产过程进行了模拟分析。动态模拟技术能够使设备在无需真正启动设备、不损害产品质量的条件下对设备随时间变化而变化的工作情况进行模拟。在大型企业采用了模拟技术作为工程项目进行辅助设计之后,下一步就是生产运行时的在线模拟,对设备的使用运行状况进行支持。在真实的生产设备中实际使用的辅助系统,其核心是与生产工程同时进行的设备状态模拟计算,其能实时再现设备的运行状况,从而为未来的设备工艺过程优化奠定基础。

    除了现今已经熟知的基本模块之外,在所有的流程工作阶段中,功能强大的模块组件皆可供用户选择使用;现在,已经实现的第一步便是在污水净化领域中的应用:将管道网络、污水净化设备和清水输送系统都纳入到一个模块中进行建模,以便对它们的共同作用进行模拟。

    组合模块将不同技术融合

    由于流程自动化的高低程度越来越多地受到供水设备功率性能的影响,因此在模拟软件中我们也可以看到它们的身影。组合式的控制模块,就是将连续的生产流程与阶段式的工作方式进行结合的自动化功能控制模块,其被集成在一个整体系统之中;这使得流程控制技术与自动化技术能够在可视化的设计阶段便能及时再现设备的实际工况,避免了设备性能储备的不足。

    为迎合市场需要,自动化技术也越来越多采用了标准化。过去一直关注所谓的“硬件”统一的标准化问题,而现在的发展趋势则是:未来的系统、应用软件,以及接口的标准化问题。为了避免标准化与专业特殊系统之间的冲突,自动化技术供应商企业提供无偿、适合于所有供水企业所需的自动化模块。将来,以太网通信技术协议能成为大多数设备元器件的标准通信技术协议。基于人们对标准化的理解,用户将构建在垂直及水平方向都畅通无阻的控制平台,对不同生产厂家研发生产的元器件进行配置。

    高性能企业资产管理系统

    为了提高效率、避免故障及设备停车,设备需要流程控制系统提供越来越多的信息。安装在生产设备中的PAM企业资产管理系统,其原先主要是采集现场总线仪器设备在工作状态时数据自动化元器件维护保养所需的数据。当不同流程工艺技术的元器件,例如管道系统、机械设备和仪器等都采用了PAM管理方案,对系统进行了性能分析,并受到积极地影响与作用之后,供水企业的经济性会有很大的提高。

    在今后的一段时间内,PAM企业资产管理软件的市场需求必会大幅增长。到目前为止,未来的供水企业是否需要具有这种功能的系统还是未知数,但企业看准了其系统可按比例缩放制造设备的特殊功能,并已将其投放市场。减少了部分功能的“简编版”软件可作为标准软件用于系统的监控显示,以此避免因维护保养状况报警而引起的故障。

    在过去15~20年中,实验室分析技术不断改进,并以其能轻易清除有害药物成分的效果而著名;例如它能对医药产品、有害及有毒材料中的有害成分进行分析。长期以来,人们对医药产品,以及它们的降解产品与残留物是否会对周围环境、包括人类的安全构成威胁这一话题展开过激烈的讨论。医药产品能够通过种种渠道进入到地下水中:在德国每年要消耗30000t药物,其中人体最多能将95%的药物有效成分不加变化或作为降解物而排出体外。传统的污水净化设备都无法处理医药的有效成分,因此这些药物的有效成分会以较小比例及浓度进入到地下水中。

    当人们真正清除这些残留在水体中的药物有效成分时,则要求有更多医药产品类别的在线检测技术方法。全新检测分析技术更可靠,价格也更合理,因此如今从医药技术的角度来看,清理工作已可以采用著名的生物传感器了。这种生物传感器是一种固定的生物性“检测接受器”(例如抗体、酶及微生物)。该种生物传感器的一个重要作用就是能及时识别混入到饮用水中的有毒有害成分。

    自动化技术的新面孔

    到2030年,供水企业的面貌将会发生根本性变化:自动化技术的重要意义将会在供水企业的生产过程中表现得更加突出。而哪些创新性技术能够在供水企业中得到应用,主要还是取决于政策法规的规定。自动化技术供应商的一个重要任务就是始终关注政策法规的变化,及时调整自动化经营的方向。德国电子电气工业协会和未来学和技术评判研究所也将此视为自己的工作任务之一,并开展了名为“至2020年的自动化的趋势、需求和未来市场”专项研究。2009年他们有望写出第一份调查报告。

2009-11-9
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