DE3490181C2 - - Google Patents
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- B01D61/02—Reverse osmosis; Hyperfiltration ; Nanofiltration
- B01D61/12—Controlling or regulating
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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F2103/00—Nature of the water, waste water, sewage or sludge to be treated
- C02F2103/08—Seawater, e.g. for desalination
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- Y02A20/131—Reverse-osmosis
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Steuern
einer Umkehrosmoseanlage nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung
bezieht sich auch auf eine Vorrichtung zur
Durchführung dieses Verfahrens.
Eine Umkehrosmoseanlage ist mit einer
Umkehrosmosevorrichtung ausgerüstet, und zwar
unter Verwendung von semipermeablen Membranen. Ein unreines
Strömungsmittel, welches durch eine Pumpe
unter Druck gesetzt ist, wird in die Umkehrosmosevorrichtung
eingespeist, die die Speiselösung
in einen relativ reinen Teil der durch die semipermeable
Membran gelaufen ist und im wesentlichen aus dem Lösungsmittel
besteht und einen Teil mit einer höheren Konzentration
des aufgelösten Materials aufteilt.
Die Umkehrosmoseanlage wird typischerweise
in Fabriken zur Entsalzung von Salzwassern, wie beispielsweise
Salzlösung (Sole), Brackwasser und Seewasser eingesetzt.
Um entsalztes Wasser zu erzeugen muß die Speiselösung
unter Druck gesetzt werden, und zwar auf einen Wert, der
den osmotischen Druck übersteigt.
Kürzlich wurde ein System entwickelt zur Entsalzung eines
großen Volumens an Seewasser mit dem Umkehrosmosegerät.
Bei diesem System wird die Speiselösung durch
eine Zentrifugalpumpe, anstelle einer hin- und hergehenden
Pumpe, unter Druck gesetzt, wobei letztere üblicherweise bei
dem auf kleinem Maßstab arbeitenden System verwendet wird.
Diese neue Art einer Umkehrosmoseanlage
hat Probleme bezüglich der Einstellung der Strömung
der Produktlösung (dem entsalzten Wasser dann, wenn die Speiselösung
Seewasser ist und einer konzentrierten Lösung, wenn
die Einspeisung eine Chemikalie enthält).
Eine typische Anordnung des Standes der Technik zur Steuerung
des Flusses der Produktlösung
einer Umkehrosmoseanlage unter Verwendung einer Zentrifugalpumpe
ist in Fig. 1 gezeigt. Die
Umkehrosmoseanlage gemäß der Darstellung dient zur
Entsalzung von Seewasser. Eine Zentrifugalpumpe 1 wird durch
einen Motor 8 angetrieben und setzt das Seewasser unter Druck
und schickt es zu einer Umkehrosmosevorrichtung
4, die aus einer Vielzahl von Umkehrosmosemodulen
besteht. Das aus der semipermeablen Membran jedes Moduls
austretende entsalzte Wasser wird in einem Tank 6 gespeichert.
Die konzentrierte Lösung aus der
Umkehrosmosevorrichtung
wird in eine hydraulische Turbine 7 der Pelton-
Radbauart durch Düse 7′ eingespeist. Die Welle
der Turbine 7 ist direkt mit dem Rotor des Motors 8 gekuppelt
und liefert die Drehenergie zur Pumpe 1 zurück.
Das in Fig. 1 gezeigte Steuersystem weist eine Anzeigevorrichtung
2a auf, die den durch einen Druckfühler 2′ am Einlaß
festgestellten Druck der Umkehrosmosevorrichtung
feststellt. Die Anzeigevorrichtung kann durch eine
Druckanzeigesteuerung ersetzt werden, die einen eingestellten
Druckwert und auch den festgestellten Druck anzeigt.
Ferner ist ein Druckregulierventil 2 in der primären oder
Speiseleitung zwischen der Pumpe 1
und der Umkehrosmosevorrichtung angeordnet.
Die Steueruung erfolgt entweder manuell oder automatisch durch die
Steuerung 2a, um einen Speisedruck sicherzustellen, der gleich dem
eingestellten Wert ist. Das Steuersystem weist
ferner einen Strömungsanzeiger 3a auf, der die Strömung
über einen Strömungssensor an einem Punkt 3′
der Speiseleitung feststellt (diese Anzeigevorrichtung kann
durch eine Strömungsanzeigesteuerung ersetzt werden, welche
den eingestellten Wert der Strömung und auch die festgestellte
Strömung anzeigt). Ferner ist ein Strömungsregulierventil
3 mit einer integralen Düse 7′ vorgesehen, die am Ende
der Sekundärleitung vorgesehen ist und die
entweder manuell oder automatisch gesteuert wird, und zwar
durch die Steuerung 3a, um eine Strömung der konzentrierten
Lösung vorzusehen, die gleich dem eingestellten Wert ist.
Die Leitung, auf der das entsalzte Wasser fließt, ist mit einem
Strömungsmesser 5 ausgestattet, um den Fluß oder die
Strömung des entsalzten Wassers zu messen.
Bei der bekannten Steuerung wird die Umkehrosmoseanlage
in einer solchen Weise betätigt, daß der
Wiedergewinnungsprozentsatz oder das Verhältnis aus der Strömung
des entsalzten Wassers zu der Strömung der Speiselösung
konstant gehalten wird. In einigen Fällen ist es erwünscht,
den Systembetrieb auf eine solche Betriebsart zu schalten,
daß der gewünschte Fluß des entsalzten Wassers erhöht
(oder vermindert) wird, und zwar um eine signifikante Größe
(beispielsweise Zehnerwerte von Prozent). Bei dem bekannten
System sind jedoch komplizierte Ventiloperationen
notwendig, um den neu eingestellten Wert der gewünschten Strömung
an entsalztem Wasser zu erreichen. Zum einen muß jedes
der Ventile 2 und 3 Stück um Stück verschoben werden, um die
hydraulische Interferenz dazwischen zu vermeiden. Zum anderen
ist die Endstufe der Ventileinstellung allein die Verantwortlichkeit
eines erfahrenen Operators, der die Feinabstimmung
vornimmt, und zwar unter Bezugnahme auf die Ablesung am Strömungsmesser
5. Dies liegt zum Teil daran, daß es unmöglich
ist, den Wert des Speisedrucks vorherzusagen, der notwendig
ist, um den gewünschten Fluß an entsalztem Wasser zu erreichen,
obwohl die Strömung der Speiselösung bestimmt werden
kann durch Aufteilung des Flusses an entsalztem Wasser durch
einen festen Wiedergewinnungsprozentsatz. Die erforderliche
Zeit zur Vornahme der vollen Einstellung auf eine neue Betriebsart
liegt in der Größenordnung von Stunden (typischerweise
2 Stunden).
Das in der Speiseleitung angeordnete Druckregulierventil 2
bewirkt einen Druckabfall im Strömungsmittel und dies hat
einen entsprechenden Druckabfall des zur Umkehrosmosevorrichtung
zu liefernden Strömungsmittels zur Folge.
Infolgedessen wird eine Zentrifugalpumpe mit einer relativ
großen Kapazität erforderlich, um diesen Druckabfall
zu kompensieren, der durch das Ventil hervorgerufen wird,
was aber von zwei Nachteilen begleitet ist: ein niedrigerer
Wirkungsgrad bei der Herstellung des entsalzten Wassers und
ein relativ großes Leistungserfordernis.
Ein weiterer Nachteil des bekannten Steuersystems besteht darin,
daß es hohe Kosten besitzt, und zwar infolge der Verwendung
einer relativ großen Anzahl von Komponenten (d. h. zwei Ventilen,
einem Drucksensor, einer Druckanzeigesteuerung, einem
Strömungssensor und einer Strömungsanzeigesteuerung).
Es ist ebenfalls erwünscht, eine automatische Überprüfung der
einzelnen Komponenten der Umkehrosmoseanlage
vorzunehmen, und zwar für eine Verringerung deren Leistungsfähigkeit.
Noch zweckmäßiger ist es, eine solche Abnahme quantitativ
auszuwerten.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung
besteht daher darin, ein Verfahren zum Steuern einer Umkehrosmoseanlage vorzusehen, und
zwar mit relativ niedrigen Kosten,
wobei sich eine effiziente
und automatische Steuerung
gegenüber der Strömung der Produktlösung, die aus der
Umkehrosmoseanlage herauskommt, ergibt. Mit
der Steuerung gemäß der Erfindung sind die zuvor erforderlichen
komplizierten Ventiloperationen nicht notwendig.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Steuervorrichtung
vorgesehen. Vorzugsweise weist diese die folgenden Elemente auf:
1) eine einzige Vorrichtung (Mittel), vorgesehen in der Konzentrationsleitung zum Aufbau des Drucks des Strömungsmittels im System, 2) eine Vorrichtung (Mittel) zum Einstellen des gewünschten Flusses des Produktströmungsmittels (gereinigtes oder konzentriertes Strömungsmittel, abhängig von den Anwendungen, 3) Vorrichtung (Mittel), die ansprechend auf den gewünschten Wert des Produktströmungsmittelflusses, ausgehend von den Einstellmitteln, den zugehörigen Systemdruck bestimmen, und zwar entsprechend den Leitungskennlinien der verwendeten Zentrifugalpumpe in dem System und entsprechend den Leitungskennlinien der Umkehrosmosevorrichtung, die ebenfalls im System sich befindet, und 4) eine Vorrichtung (Mittel) zum Vorsehen eines Steuersignals für die Druckerzeugungsmittel infolge des Drucksignals, welches von den Druckbestimmungsmitteln gesandt wird. Das System ist ferner derart konstruiert, daß die Druckerzeugungsmittel einen Druck erzeugen, der im wesentlichen gleich im bestimmten Systemdruck ist, wodurch ein Fluß des Produktströmungsmittels erreicht wird, der im wesentlichen gleich dem vom System gewünschten Wert ist. Vorzugsweise bestehen die Druckerzeugungsmittel aus einem einzigen steuerbaren Ventil und einer Ventilbetätigungsvorrichtung dafür. In diesem Falle versehen die Drucksteuermittel die Betätigungsvorrichtung mit einem Steuersignal, welches das Ventil mit einem Hub verschiebt, der ausreicht, um den bestimmten Systemdruck einzustellen.
1) eine einzige Vorrichtung (Mittel), vorgesehen in der Konzentrationsleitung zum Aufbau des Drucks des Strömungsmittels im System, 2) eine Vorrichtung (Mittel) zum Einstellen des gewünschten Flusses des Produktströmungsmittels (gereinigtes oder konzentriertes Strömungsmittel, abhängig von den Anwendungen, 3) Vorrichtung (Mittel), die ansprechend auf den gewünschten Wert des Produktströmungsmittelflusses, ausgehend von den Einstellmitteln, den zugehörigen Systemdruck bestimmen, und zwar entsprechend den Leitungskennlinien der verwendeten Zentrifugalpumpe in dem System und entsprechend den Leitungskennlinien der Umkehrosmosevorrichtung, die ebenfalls im System sich befindet, und 4) eine Vorrichtung (Mittel) zum Vorsehen eines Steuersignals für die Druckerzeugungsmittel infolge des Drucksignals, welches von den Druckbestimmungsmitteln gesandt wird. Das System ist ferner derart konstruiert, daß die Druckerzeugungsmittel einen Druck erzeugen, der im wesentlichen gleich im bestimmten Systemdruck ist, wodurch ein Fluß des Produktströmungsmittels erreicht wird, der im wesentlichen gleich dem vom System gewünschten Wert ist. Vorzugsweise bestehen die Druckerzeugungsmittel aus einem einzigen steuerbaren Ventil und einer Ventilbetätigungsvorrichtung dafür. In diesem Falle versehen die Drucksteuermittel die Betätigungsvorrichtung mit einem Steuersignal, welches das Ventil mit einem Hub verschiebt, der ausreicht, um den bestimmten Systemdruck einzustellen.
Gemäß einem weiteren Ziel der Erfindung ist eine Minimierung
des Leistungserfordernisses für die Pumpe vorgesehen, die
notwendig ist, um den gewünschten Fluß des Produktströmungsmittels
zu erreichen.
Um dieses Ziel zu erreichen, weist die Steuervorrichtung gemäß
der Erfindung ferner Optimiermittel auf, welche auf den
gewünschten Wert des Flusses des gereinigten Strömungsmittels
ansprechen, welches von den Einstellmitteln geschickt wird,
um die optimale Drehzahl der Zentrifugalpumpe zu bestimmen,
wobei bei dieser Drehzahl der Maximalfluß des gereinigten
Strömungsmittels, erhalten durch das System, im wesentlichen
gleich dem anfangs eingestellten Wert ist, und wobei ferner
Mittel vorgesehen sind, welche auf die Optimierungsmittel ansprechen
und die Drehzahl der Pumpenantriebsmittel, wie beispielsweise
eines Elektromotors eines Motors einer Gasturbine usw.
derart steuern, daß die Antriebsmittel und auch die Pumpe
sich mit einer optimalen Drehzahl drehen.
Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung
vorzusehen, die in der Lage ist, individuell die Komponenten
der Umkehrosmoseanlage zu
überprüfen, und zwar im Hinblick auf einen Leistungsabfall
für eine spezielle Komponente.
Um dieses Ziel zu erreichen, weist die durch die Erfindung
vorgesehene Vorrichtung folgendes auf:
erste Mittel zur Feststellung eines Zustandspegels des in die Umkehrosmosevorrichtung eingespeisten Strömungsmittels, zweite Mittel zur Feststellung des Zustandspegels des konzentrierten Strömungsmittels, welches von der Umkehrosmosevorrichtung abgegeben wird, Bezugsmittel, die die Normalwerte der Zustandspegel der Einspeise- und konzentrierten Strömungsmittel feststellen, die erhalten werden, wenn das System unter Normalbedingungen arbeitet und Vergleichsmittel, welche ein Signal liefern, welches für einen Abfall der Leistungsfähigkeit einer bestimmten Komponente indikativ ist, und zwar durch Vergleichen der normalen Zustandspegel von den Bezugsmitteln mit den festgestellten Zustandspegeln von den ersten und zweiten Feststell- oder Detektiermitteln.
erste Mittel zur Feststellung eines Zustandspegels des in die Umkehrosmosevorrichtung eingespeisten Strömungsmittels, zweite Mittel zur Feststellung des Zustandspegels des konzentrierten Strömungsmittels, welches von der Umkehrosmosevorrichtung abgegeben wird, Bezugsmittel, die die Normalwerte der Zustandspegel der Einspeise- und konzentrierten Strömungsmittel feststellen, die erhalten werden, wenn das System unter Normalbedingungen arbeitet und Vergleichsmittel, welche ein Signal liefern, welches für einen Abfall der Leistungsfähigkeit einer bestimmten Komponente indikativ ist, und zwar durch Vergleichen der normalen Zustandspegel von den Bezugsmitteln mit den festgestellten Zustandspegeln von den ersten und zweiten Feststell- oder Detektiermitteln.
Diese Vorrichtung informiert den Benutzer automatisch hinsichtlich
der Notwendigkeit einer Inspektion, Reparatur
oder des Ersatzes eines bestimmten schadhaften Bauteils.
Vorzugsweise sind die ersten feststell- oder Detektormittel
ein Druckfühler oder Drucksensor zuum Detektieren des Drucks
des Speiseströmungsmittels, und die zweiten Detektiermittel
sind ein Drucksensor oder Druckfühler zur Detektierung des
Drucks der konzentrierten Lösung. Wenn die detektierten
Drücke des Speiseströmungsmittels P₀′ und d es konzentrierten
Strömungsmittels P₂′ größer sind als ihre entsprechenden Normalwerte
P₀ und P₂, die von den Bezugsmitteln geschickt werden,
so liefern die Komparatormittel ein Ausgangssignal, welches
einen Abfall der Leistungsfähigkeit der umgekehrten osmotischen
Vorrichtung anzeigt. Wenn P₀<P₀′ uund P₂<P₂′ ist,
so erzeugen die Vergleichsmittel ein Signal,
welches das Auftreten eines Strömungsmittelverstopfungszustandes
in der Systemleitung anzeigt. Wenn P₀<P₀′ und P₂<P₂′,
so liefern die Komparatormittel ein Ausgangssignal, welches
einen Abfall der Leistungsfähigkeit der Zentrifugalpumpe anzeigt.
Gemäß einem weiteren Ziel der Erfindung werden Vorrichtungen
vorgesehen zur Überwachung der Leistungsfähigkeit der
Umkehrosmoseanlage.
Um dieses Ziel zu erreichen, sieht die Erfindung drei Vorrichtungen
vor, und zwar eine zur Überwachung der Leistungsfähigkeit
der Zentrifugalpumpe, eine weitere zur Überwachung
der Leistungsfähigkeit der Umkehrosmosevorrichtung
und die dritte zur Überwachung der Leistungsfähigkeit
der Strömungsmittelkanäle oder Leitungen.
Die Vorrichtung zur Überwachung der Leistungsfähigkeit der
Zentrifugalpumpe weist einen ersten Druckfühler (Sensor)
auf zur Detektierung des Drucks der Lösung, die in die
Umkehrosmosevorrichtung eingespeist wird, ferner einen
zweiten Druckfühler (Sensor) zum Detektieren des Drucks
der konzentrierten Lösung, die von der Speiselösung durch
die Umkehrosmosevorrichtung getrennt wurde, Mittel
zur Feststellung der Betriebsposition der Druckvorsehmittel
(beispielsweise eines Ventils), angeordnet in der Konzentrationsleitung,
Mittel, welches auf die Signale von den ersten
und zweiten Drucksensoren anspricht und auch von den Ventilpositioniermitteln
zur Bestimmung des Flusses der Speiselösung,
die von der Zentrifugalpumpe abgegeben wird, und zwar
entsprechend den Leistungseigenschaften der Umkehrosmosevorrichtung
und der Strömungskanäle, und ferner Mittel,
welche infolge der Strömungsbestimmungsmittel einen
Parameter auswerten, der mit dem Ausmaß in Beziehung steht,
durch welches der vorliegende Betriebspunkt der Pumpe von
dem normalen Betriebspunkt abweicht.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weisen diese Parameterauswertmittel
Mittel auf, um das Verhältnis des vorhandenen Wertes
des Pumpenabgabedrucks gegenüber dem Normalwert festzustellen.
Die Vorrichtung zur Überwachung der Leistungsfähigkeit der
Umkehrosmosevorrichtung weist folgendes auf:
einen ersten Drucksensor zum Detektieren des Drucks, der in
die Umkehrosmosevorrichtung eingespeisten Lösung,
einen zweiten Drucksensor zum Detektieren des Drucks der
konzentrierten Lösung, die von der Speiselösung getrennt wurde,
und zwar durch die Umkehrosmose-Steuervorrichtung,
und zwar ferner mit Mitteln zum Modifizieren des Steuersignals
von den Positioniermitteln unter Verwendung des Werts,
der die vorliegende Leistungsfähigkeit einer bestimmten Systemkomponente
auswertet und der von der entsprechenden Überwachungsvorrichtung,
oben gezeigt, geliefert wird.
Wenn eine Änderung der Temperatur der Speiselösung auftritt,
so ändert sich auch die aus der Umkehrosmoseanlage
kommende Produktlösung. Später besteht daher
ein weiteres Ziel der Erfindung darin, eine Steuervorrichtung
vorzusehen, die in der Lage ist, Änderungen hinsichtlich
der Temperatur und der Speiselösung zu kompensieren.
Um dieses Ziel zu erreichen, weist die Steuervorrichtung
gemäß der Erfindung ferner einen Temperatursensor auf, um
die Temperatur der Speiselösung zu detektieren, die in die
umgekehrte osmotische Vorrichtung eingespeist wird und ferner
Mittel zum Eichen der Leistungscharakteristika der
Umkehrosmosevorrichtungen infolge eines Temperatursignals
von dem Temperatursensor.
Im Steuersystem gemäß dem Stand der Technik wird der gewünschte
Fluß von entsalztem Wasser Q₁ erreicht, während der
Wiedergewinnungsprozentsatz Q₁/Q₀ konstant gehalten wird.
Die vorliegende Erfindung verwendet jedoch einen neuen Weg
zur Steuerung, gemäß welchem Variationen im Wiedergewinnungsprozentsatz
in dem Ausmaß zugelassen werden, daß sie den kritischen
Pegel nicht übersteigen, der durch die
Umkehrosmosevorrichtung toleriert wird.
Diese sowie weitere Ziele der Erfindung und durch Merkmale
und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden
Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen.
Fig. 1 zeigt ein schematisches Diagramm der bekannten
Steuerung zur Verwendung bei einer
Umkehrosmoseanlage;
Fig. 2 ist ein Blockdiagramm zur Steuerung
einer Umkehrosmoseanlage
gemäß dem Betriebsprinzip
der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3 zeigt ein Flußdiagramm der Operationen zur
Bestimmung der Ventilöffnung (oder Öffnungsfläche)
aus dem voreingestellten gewünschten
Wert der Strömung des entsalzten Wassers;
Fig. 4 zeigt verschiedene charakteristische Kurven
zur Illustrierung, wie eine optimale Pumpendrehzahl
bestimmt werden kann, um die gewünschte
Strömung des entsalzten Wassers zu
erreichen;
Fig. 5 ist ein Diagramm, welches eine Steuerung zur
Verwendung mit einer Umkehrosmoseanlage
zeigt, welche Mittel aufweist,
um die Pumpe zu steuern, damit diese
mit optimaler Drehzahl gemäß der Erfindung
läuft;
Fig. 6 ist ähnlich Fig. 5 und zeigt eine Steuerung
mit Rückkopplungselementen;
Fig. 7 ist im ganzen gleich der Fig. 2 und zeigt die
Kennlinien für den Fall einer verschlechterten
Umkehrosmosevorrichtung, verglichen
mit der normal arbeitenden Vorrichtung;
Fig. 8 ist ein Blockdiagramm einer Vorrichtung zur
Überwachung der Leistungsfähigkeit der
Umkehrosmosevorrichtung;
Fig. 9 ist im ganzen gleich der Fig. 2 und zeigt die
Kennlinien für den Fall einer Leitungsverstopfung,
verglichen mit dem Fall normaler
Bedingungen;
Fig. 10 ist ein Blockdiagramm einer Vorrichtung zur
Überwachung des Druckverlustes in den Strömungsmittelkanälen;
Fig. 11 ist im allgemeinen die gleiche Darstellung
wie Fig. 2 und zeigt die Kennlinien für den
Fall einer verschlechterten Zentrifugalpumpe,
verglichen mit denjenigen für die normale
Pumpe;
Fig. 12 ist ein Blockdiagramm einer Vorrichtung zur
Überwachung der Leistungsfähigkeit der Pumpe;
Fig. 13 ist ein Blockdiagramm einer Vorrichtung mit
Alarmmitteln zum Vorsehen selektiver und individueller
Überprüfungen von verschlechterter
oder abnormaler Leistungsfähigkeit unterschiedlicher
Komponenten in der
Umkehrosmoseanlage.
Ins einzelne gehende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele.
Die bevorzugten Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung
seien im folgenden in der folgenden Reihenfolge beschrieben:
- I. Steuuerung für die Umkehrosmoseanlage
unter Verwendung eines einzigen Ventils
- (i) Überblick
- (ii) Umkehrosmoseanlage
- (iii) Steuereinheit (Fig. 2)
- (A) Verfahren zur Bestimmung des Pumpenabgabedrucks aus dem gewünschten Pegel der Strömungseinstellung von entsalztem Wasser
- (B) Verfahren zur Bestimmung der Ventilöffnung aus dem Pumpenabgabedruck P₀ und anderen Parametern
- (C) Ausbildung der Steuereinheit 9
- Abwandlungen
- II. Minimierung des Leistungserfordernisss für die Pumpe
unter Verwendung einer optimalen Drehzahl
- (i) Überblick
- (ii) Optimale Drehzahl der Pumpe (Fig. 4)
- (iii) Steuerung bei der optimalen Pumpendrehzahl (Fig. 5 und 6)
- III. Überwachung der Leistungsfähigkeit jeder der Komponenten
der Umkehrosmoseanlage,
Auswertung des Ausmaßes der Verschlechterung
von dessen Leistungfähigkeit und Identifizierung
der Art des speziellen Problems
- (i) Überblick
- (ii) Vorrichtungen zur Bestimmung der
Verschlechterung der Membranleistungsfähigkeit,
Bestimmung der Verschlechterung des Membranleistungsfähigkeitsindex
und Überwachung der Membranleistungsfähigkeit
- (A) Feststellung eines Abfalls bei der Membranleistungsfähigkeit
- (B) Verfahren zur Bestimmung des Membranleistungsfähigkeitsindex K₀′
- (C) Membranleistungsfähigkeitsküberwachung (Fig. 8)
- (iii) Feststellung eines Abfalls bei der Systemleistungsfähigkeit
infolge von Wassersteinsatz im Strömungsmittelkanal
und Vorrichtung zur Überwachung des
Druckverlustes im Kanal
- (A) Feststellung eines Abfalls in der Systemleistungsfähigkeit infolge eines verstopften Kanals
- (B) Verfahren zur Bestimmung des Druckverlustes des Strömungsmittels in einem Kanal
- (C) Vorrichtung zur Verfolgung oder Überwachung des Druckverlustes (Fig. 10)
- (iv) Feststellung eines Abfalls bei der Leistungsfähigkeit
der Pumpe und Vorrichtung zur Bestimmung des Ausmaßes
der Verschlechterung und Überwachung der Pumpenleistungsfähigkeit
- (A) Feststellung eines Abfalls bei der Pumpenleistungsfähigkeit
- (B) Verfahren zur Auswertung des Ausmaßes der Verschlechterung der Pumpenleistungsfähigkeit
- (C) Vorrichtung zur Überwachung der Pumpenleistungsfähigkeit (Fig. 12)
- (v) Modifizierung der Ventilöffnung durch die Überwachungsvorrichtungen
- (vi) Fehlerfeststellvorrichtung für die drei Systemkomponenten (Fig. 13)
Beim erfindungsgemäßen Steuersystem ist nur ein einziges
Betriebsmittel (wie beispielsweise der Ventilbauart) vorgesehen,
und zwar an einem Kanal für konzentriertes Strömungsmittel
an einem Punkt stromabwärts gegenüber einer
Umkehrosmosevorrichtung, um einen Systemdruck vorzusehen.
Das erfindungsgemäße Steuersystem macht Druckeinstellmittel
der Ventilbauart gemäß dem Stand der Technik unnötig,
die angeordnet sind zwischen einer Zentrifugalpumpe
und der Umkehrosmosevorrichtung. In dem erfindungsgemäßen
Steuersystem werden die einzigen Druckvorsehmittel
beliefert mit einem geeigneten Steuersignal, welches
den Druck an der semipermeablen Membran in der
Umkehrosmosevorrichtung einstellt, um die gewünschte Strömung
an Produktlösung oder entsalztem Wasser zu erhalten.
Die Erfinder haben erkannt, daß dann, wenn
die Strömung des entsalzten Wassers auf ein gewünschtes
Niveau eingestellt ist, der Druck an der semipermeablen
Membran, der diese Strömungseinstellung erreicht, bestimmt werden
kann. Dieser Druck kann dadurch vorgesehen werden, daß
man eine entsprechende Betriebseingangsgröße in die einzigen
Druckvorsehmittel oder das Ventil eingibt, die angeordnet
sind auf dem Kanal für das konzentrierte Strömungsmittel,
und zwar an einem Punkt stromabwärts gegenüber der
Umkehrosmosevorrichtung.
Ein Ausführungsbeispiel der Umkehrosmoseanlage,
bei dem die vorliegende Erfindung angewendet
wird, sei im folgenden beschrieben. Die in Fig. 2 gezeigte
Umkehrosmoseanlage dient zum Entsalzen
von Seewasser. Eine Zentrifugalpumpe 1 nimmt vorbehandeltes
Seewasser von einer Ansaugpumpe auf, setzt das Seewasser
unter Druck und schickt das unter Druck gesetzte Seewasser
zu einer Umkehrosmosevorrichtung 4, die
eine Vielzahl von Umkehrosmosemodule oder Einheiten
der semipermeablen Membranbauart aufweist. Die Symbole
P₀, Q₀ und C₀ repräsentieren den Druck bzw. die Strömung
(Fluß) bzw. die Konzentration des abgegebenen Seewassers.
Damit die Umkehrosmosevorrichtung 4 entsalztes Wasser
erzeugt, muß der hydraulische Druck PM der Speiselösung
oder des primären Strömungsmittels an der Grenzschicht
(interface) mit der semipermeablen Membran in jedem Modul
höher sein als der osmotische Druck πM des primären
Strömungsmittels nahe dem Interface. Die Differenz zwischen
PM und πM wird im allgemeinen als der Filtrationsdruck
bezeichnet. Genauer gesagt ist der Filtrationsdruck
auch abhängig von dem hydraulischen Druck und dem osmotischen
Druck des Produktströmungsmittels oder des entsalzten
Wassers, welches aus der Umkehrosmosevorrichtung
4 herauskommt. Der Druck bzw. die Strömung bzw. die Konzentration
des entsalzten Wassers sind in Fig. 2 durch P₁ bzw. Q₁
bzw. C₁ bezeichnet. Das Strömungsmittel mit der hohen Konzentration,
welches aus der Umkehrosmosevorrichtung
kommt, läuft durch eine Konzentrations- oder Sekundärleitung,
um aus dem System abgegeben zu werden. Die Symbole P₂ bzw. Q₂
bzw. C₂, die benachbart zur Sekundärleitung dargestellt sind,
repräsentieren den Druck bzw. die Strömung bzw. die Konzentration
des sekundären Strömungsmittels mit hoher Konzentration.
Gemäß dem erfindungsgemäßen System ist die Sekundärleitung
mit einer einzigen Systemdruckvorsehvorrichtung oder ein
Ventil 3 ausgestattet. Das Ventil 3 weist eine Ventilbetätigungsvorrichtung
3b auf, welche infolge eines Signals arbeitet,
welches von einer Steuereinheit 9 geliefert wird,
die weiter unten beschrieben wird. Die gezeigte Ventilbetätigungsvorrichtung
3b stellt den Ventilhub ein, um die
Öffnung oder die Öffnungsfläche einer Düse 7′ zu definieren.
Das in Fig. 2 gezeigte System weist Energiewiedergewinnungsmittel
auf. Die Düse 7′ liefert einen Wasserstrahl
an eine hydraulische Turbine 7 der Pelton-Radbauart für deren
Drehung. Die Turbine 7 ist mechanisch mit einem Pumpenantriebsmotor
8 gekuppelt und liefert einen Teil der zum Antrieb
der Pumpe 1 notwendigen Energie. Diese Energiewiedergewinnungsmittel
haben allein die Energieeinsparung zum Ziel und sind
somit zur Erreichung des primären Ziels des erfindungsgemäßen
Steuersystems nicht wesentlich. Ein Temperaturfühler 14
ist am primären Strömungsmittelkanal vorgesehen, der die Zentrifugalpumpe
1 mit der Umkehrosmosevorrichtung
4 verbindet. Die Ausgangsgröße des Temperaturfühlers 14 wird
zur Temperatureichung in der im folgenden beschriebenen Steuereinheit
verwendet.
Es wurde bisher allgemein davon ausgegangen, daß das Ventil 3,
welches allein stromabwärts gegenüber der
Umkehrosmosevorrichtung angeordnet ist, nicht in der Lage ist,
den gewünschten Pegel der Strömung Q₁ an entsalztem Wasser
vorzusehen. Dies liegt zum Teil daran, daß die hin- und hergehende
Pumpe durch eine Zentrifugalpumpe kürzlich als Mittel
für die Unterdrucksetzung der Strömungsmittel ersetzt wurde.
Bei der Zentrifugalpumpe ruft eine Änderung der Öffnung des
Ventils 3 eine Änderung sowohl hinsichtlich der Strömung als
auch des Drucks des primären Strömungsmittels (Seewassers)
hervor, welches von der Pumpe abgegeben wird.
Gemäß der Erfindung ist eine ausgewählte Öffnung für das einzige
Ventil in der Lage, den gewünschten Pegel für den Fluß
an Produktlösung oder entsalztem Wasser vorzusehen.
Die erfindungsgemäße Steuereinheit ist mit zwei Fähigkeiten
ausgestattet: Die eine besteht darin, einen Druck zu bestimmen,
um ein gewünschtes vorgewähltes Niveau der Strömung der
Produktlösung und des entsalzten Wassers vorzusehen,
und die andere Fähigkeit besteht darin, eine entsprechende
Betriebsgröße (Hub) für das Ventil derart zu bestimmen
und vorzusehen, daß das Vorsehen dieses Druckes möglich
ist.
Die Strömung Q₁ einer Lösung oder eines Strömungsmittel mit
niedriger Konzentration, welches in einer
Umkehrosmosevorrichtung hergestellt wird, wird durch die folgende
Korrelation gegeben:
Q₁ = AMK ΔP, (1)
dabei ist
AM das effektive Gebiet der semipermeablen Membranen in der Umkehrosmosevorrichtung,
K der Leistungsfähigkeitsindex, bestimmt durch die physikalischen Eigenschaften, Struktur und Temperatur der semipermeablen Membranen,
ΔP der Filtrationsdruck.
AM das effektive Gebiet der semipermeablen Membranen in der Umkehrosmosevorrichtung,
K der Leistungsfähigkeitsindex, bestimmt durch die physikalischen Eigenschaften, Struktur und Temperatur der semipermeablen Membranen,
ΔP der Filtrationsdruck.
Der Filtrationsdruck ist durch die folgende
Beziehung gegeben:
ΔP = (PM - P₁) - (πM - π₁), (2)
dabei ist
PM der an die Oberfläche der Membran in Berührung mit der Speiselösung oder dem primären Strömungsmittel angelegte Durchschnittsdruck,
P₁ der Druck der Produktlösung (entsalztes Wasser) an der sekundären Seite der Membran,
πM der osmotische Druck der Speiselösung nahe der Grenzfläche (interface) zur Membran,
π₁ der osmotische Druck der Produktlösung (entsalztes Wasser) auf der Sekundärseite der Membran.
PM der an die Oberfläche der Membran in Berührung mit der Speiselösung oder dem primären Strömungsmittel angelegte Durchschnittsdruck,
P₁ der Druck der Produktlösung (entsalztes Wasser) an der sekundären Seite der Membran,
πM der osmotische Druck der Speiselösung nahe der Grenzfläche (interface) zur Membran,
π₁ der osmotische Druck der Produktlösung (entsalztes Wasser) auf der Sekundärseite der Membran.
Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung sei im
folgenden das Verfahren zur Bestimmung des Systemdrucks aus
einem voreingestellten Pegel der Strömung des entsalzten Wassers
beschrieben. Das gezeigte Verfahren verwendet einen speziellen
Algorithmus zur konvergierenden Bestimmung des Abgabedrucks
P₀ der Zentrifugalpumpe 1, wobei aber der Fachmann
ohne weiteres erkennt, daß irendein anderer Algorithmus verwendet
werden kann, der dem gewünschten speziellen Bedürfnis
Rechnung trägt, wobei dies aufgrund der in der vorliegenden
Anmeldung gegebenen Information möglich ist.
(1) Einstellen der Strömung des entsalzten
Wassers Q₁ (Routine 101 in Fig. 3).
(2) Der Wert des Abgabedrucks P₀ der Pumpe 1 wird angenommen
oder anfänglich festgelegt (Routine 101 in Fig. 3).
(3) Verwendung der Leistungsfähigkeitskennlinie (Druckabgabe
oder Q-H-Kurve) einer Zentrifugalpumpe zur Bestimmung
von Q₀, die Abgabe von der Pumpe oder die Strömung von Speiselösung,
wobei diese dem Anfangswert des Drucks P₀ entspricht.
Die Pumpenleistungsfähigkeitskurve ist durch das Bezugszeichen
21 in der graphischen Darstellung 11 in Fig. 2 angegeben. Die
horizontalen und vertikalen Achsen der graphischen Darstellung
11 zeigen Strömung bzw. Druck der Speiselösung an.
(4) Gemäß den Kontinuitätsprinzipien ist Q₂ oder die
Strömung des sekundären Strömungsmittels oder der Lösung
mit hoher Konzentration gegeben durch:
Q₂ = Q₀ - Q₁,
wobei Q₁ der anfangs eingestellte Wert der Strömung des entsalzten
Wassers ist, und Q₀ ist der in Stufe (3) bestimmte
Wert.
(5) Die Konzentration CM der Speiselösung nahe der Oberfläche
einer semipermeablen Membran ist durch folgende Annäherung
gegeben:
CM ≈ (C₀ + C₂)/2.
Wenn die Konzentration des entsalzten Wassers C₁ außer Betracht
bleiben kann, so wird folgende Gleichung abgeleitet:
CM = C₀ (1 + Q₀/Q₂)/2.
Daher kann CM aus C₀ bestimmt werden, konstant für die Konzentration
von Seewasser, und Q₀ und Q₂ werden in den Schritten
(3) bzw. (4) berechnet.
Aus obigem ergibt sich eine gute Annäherung für das System
zur Entsalzuung von Seewasser, wenn aber ein genauerer Wert
erwünscht ist, so kann eine bessere Korrelation, die dem Fachmann
bekannt ist, verwendet werden.
(6) Da der osmotische Druck eine Funktion der Konzentration
ist, kann die Konzentration der Speiselösung CM dazu
verwendet werden, um den entsprechenden osmotischen Druck πM
zu bestimmen. Die graphische Darstellung 12 in Fig. 2 veranschaulicht
die Konzentration, abhängig vom osmotischen
Druckprofil durch Kurve 24.
(7) Temperatureichung:
Wenn die Speiselösung einer signifikanten Temperaturänderung ausgesetzt ist, so wird ein Temperaturfühler 14 verwendet, um die Temperatur der durch die Speiseleitung fließenden Lösungg festzustellen. Wenn die detektierte Temperatur T ist, der Wert des Membranleistungsfähigkeitsindex K ist, so kann die Eichung durch folgende Formel erfolgen:
Wenn die Speiselösung einer signifikanten Temperaturänderung ausgesetzt ist, so wird ein Temperaturfühler 14 verwendet, um die Temperatur der durch die Speiseleitung fließenden Lösungg festzustellen. Wenn die detektierte Temperatur T ist, der Wert des Membranleistungsfähigkeitsindex K ist, so kann die Eichung durch folgende Formel erfolgen:
K = K₀ (DW/T),
dabei ist
K₀ eine Konstante, bestimmt durch die physikalischen Eigenschaften und die Struktur der semipermeablen Membran,
DW der Diffusionskoeffizient des Wassers in der Membran,
T die Temperatur der Speiselösung.
K₀ eine Konstante, bestimmt durch die physikalischen Eigenschaften und die Struktur der semipermeablen Membran,
DW der Diffusionskoeffizient des Wassers in der Membran,
T die Temperatur der Speiselösung.
Die grahische Darstellung 13 in Fig. 2, veranschaulicht durch
Kurve 28, das Profil T, abhängig von DW/K.
Bei einem Nichtvorhandensein einer Temperaturänderung der
Speiselösung kann eine Konstante als Membranleistungsfähigkeitsindex
K verwendet werden.
(8) Durch Subtraktion von PL1, dem Druckverlust des
Strömungsmittesl von der Pumpe zu den semipermeablen Membranen
ist der Umkehrosmosevorrichtung 4 von P₀,
der Anfangseinstellung des Pumpenabgabedrucks, erhalten in
Schritt (2), dann PM oder der Druck an der Speiseseite der
Membran bestimmt werden. Der Leitungsdruckverlust PL1 hängt
ab von der Strömung der Speiselösung, wie dies
aus Q₀ bestimmt werden kann (wie dies im Schritt (3) erhalten
wurde), und zwar entweder empirisch oder durch eine geeignete
Korrelation (beispielsweise PL1=a₁Q₀²).
(9) Der Filtrationsdruck ΔP ist gegeben
durch:
ΔP = (PM - P₁) - (πM - π₁).
Beim Normalbetrieb des Systems halten der Druck des entsalzten
Wassers P₁ und sein osmotischer Druck π₁ im wesentlichen
feste Niveaus ein, und sie können somit als zwei Konstanten angesehen
werden. Unter Verwendung dieser Konstanten, wie auch
die Werte πM und PM, bestimmt in den Schritten (6) und (8),
kann der Filtrationsdruck ΔP erhalten werden.
(10) Wie bereits erwähnt, ist die Strömung des entsalzten
Wassers Q1 durch die folgende Gleichung gegeben: Q₁=AMK ΔP.
In dieser Formel ist AM eine bekannte Konstante (die effektive
Fläche der semipermeablen Membran), so daß die Strömung
des entsalzten Wassers unter Verwendung dieser Konstante berechnet
werden kann, und zwar ferner unter Verwendung des in
Schritt (7) bestimmten Membranleistungsfähigkeitsindex K und
des in Schritt (9) bestimmten Filtrationsdrucks ΔP.
Dieser Berechnungsschritt ist in Fig. 3 durch Rouutine 102
gezeigt. Auf den folgenden Seiten ist der berechnete Strömungswert
des entsalzten Wassers durch Q1 CALC repräsentiert.
Die Korrelation zwischen der Strömung des entsalzten Wassers
und dem Filtrationsdruck ΔP ist in der graphischen
Darstellung 15 in Fig. 2 durch eine gerade Linie 25 veranschaulicht.
(11) In diesem Schritt wird Q₁, welches in Schritt (1)
eingestellt wurude, verglichen mit Q1 CALC (Routine 103 in
Fig. 3). Wenn die Differenz zwischen den beiden Werten
größer ist als eine tolerierbare Grenze, so wird der Pumpenabgabedruck
P₀ auf den neuesten Stand gebracht und die Folge
der Schritte (2) bis (10) wiederholt, oder die Q1 CALC-Erhalte-
Routinen 101 und 102 werden vorgesehen, bis die Differenz
zwischen dem anfangs eingestellten Q₁ und dem bestimmten
Q1 CALC kleiner wird als die tolerierbare Grenze.
Anders ausgedrückt wird diese auf den neuesten Stand-bring-
Operation in einer solchen Weise ausgeführt, daß der Wert
Q1 CALC, erhalten durch Berechnung, mit dem auf den neuesten
Stand gebrachten P₀ auf den eingestellten Wert Q₁ hin
konvergiert. Der Fachmann erkennt, daß verschiedene Algorithmen
zur Erreichung dieser Konvergenz eingesetzt werden
können.
Der voreingestellte oder vorgesetzte Wert Q₁ der Strömung des
entsalzten Wassers hat im allgemeinen zwei entsprechende Werte
als P₀ oder den Abgabedruck einer Pumpe. Dies liegt an
der charakteristischen Beziehung der Strömung des entsalzten
Wassers gegenüber dem Pumpenabgabedruck oder dem Druck an
der Umkehrosmosevorrichtung. Die graphische Darstellung
11 in Fig. 2 veranschaulicht mit Kurve 23 den Pumpenabgabedruck,
abhängig von der Strömung des entsalzten Wassers.
Wenn der Pumpenabgabedruck P₀ und somit der Wasserdruck
PM an der Umkehrosmosevorrichtung einen kleinen
Wert hat, der nicht in der Lage ist, den osmotischen Druck
πM der Speiselösung in der Umkehrosmosevorrichtung
(beispielsweise ΔP<0) zu überwinden, so wird kein entsalztes
Wasser erzeugt. Wenn der Abgabedruck der Pumpe ansteigt,
so wird auch der osmotische Druck πM der Speiselösung
an der semipermeablen Membran ansteigen. In der frühen Stufe
ist jedoch die Anstiegsrate des Pumpenabgabedrucks größer als
der Anstieg des osmotischen Drucks πM, und daher setzt der
Filtrationsdruck ΔP seinen Anstieg fort, was einen
proportionalen Anstieg der Strömung des entsalzten Wassers
bedeutet. Wenn die Rate des Anstiegs des Filtrationsdrucks ΔP
Null wird, so wird eine maximale Strömung
an entsalztem Wasser Q1 max erhalten (vgl. Kurve 23 in Fig. 2).
Ein weiterer Anstieg des Pumpenabgabedrucks hat eine Verminderung
des Filtrationsdrucks ΔP zur Folge.
Dies führt zu einer verminderten Strömung des entsalzten Wassers.
Schließlich wird die Strömung des entsalzten Wassers
Null, und zwar bei einem Druck entsprechend einem Punkt auf
der charakteristischen Q-H-Kurve der Pumpe, wo die Strömung
des primären Strömungsmittels Null ist.
Zusammenfassend kann man sagen, daß die charakteristische
Kurve für die Strömung des entsalzten Wassers abhängig vom
Pumpenabgabedruck oder Wasserdruck an einer semipermeablen
Membran in der Umkehrosmosevorrichtung aus zwei
Zonen oder Gebieten besteht: Die eine ist das Gebiet, wo
die Strömung des entsalzten Wassers mit ansteigendem Druck
ansteigt, die andere ist das Gebiet, wo die Strömung des entsalzten
Wassers durch einen weiteren Anstieg des Drucks abnimmt.
Die charakteristische Kurve 23 wird gemäß dem obigen
Verfahren durch Auftragen der Werte des Pumpenabgabedrucks
P₀ erhalten, und zwar entsprechend den verschiedenen Einstellungen
der Strömung des entsalzten Wassers Q₁.
Die Kurve 22 in der grapischen Darstellung 11 (Fig. 2)
veranschaulicht die Beziehung von Q₂, der Strömung des sekundären
Strömungsmittels oder der Lösung hoher Konzentration,
gegenüber dem Pumpenabgabedruck P₀. Diese Kurve kann
man dadurch erhalten, daß man die P₀-Q₁ charakteristische
Kurve 23 von der Q-H charakteristischen Kurve 21 der Pumpe
1 abzieht.
Wie bereits erwähnt, gibt es zwei berechnete Werte des Pumpenabgabedrucks,
die einem speziellen eingestellten Wert der
Strömung des entsalzten Wassers Q₁ genügen. Um nur einen Wert
als eine Abgabedruckeinstellung zu verwenden, werden die
folgenden beiden Erfordernisse für den Systembetrieb als Auswahlkriterien
verwendet. Das erste und hauptsächliche Erfordernis
besteht darin, daß der Wiedergewinnungsprozentsatz oder
das Verhältnis aus Strömung von entsalztem Wasser zu Strömung
von Primärströmungsmittel (Q₁/Q₀) innerhalb eines tolerierbaren
Bereichs liegt, der einen normalen Betrieb der Osmosevorrichtung
garantiert. Das zweite Erfordernis für
die Auswahl besteht darin, daß die Pumpe mit weniger Energie
antreibbar ist.
Auf diese Weise wird nunmehr P₀ bestimmt, d. h. der Druck des primären
Strömungsmittels oder der Abgabedruck der Pumpe 1 der den
gewünschten Pegel der Strömung an entsalztem Wasser Q₁ vorsieht
und die beiden Erfordernisse für den Systembetrieb
befriedigt. Auch die anderen Systemzustandsvariablen
einschließlich der entsprechenden Strömung
des primären Strömungsmittels Q₀ und der des sekundären Strömungsmittels
(konzentrierte Lösung) sind bestimmtt.
(12) Der Druck der konzentrierten Lösung P₂ an der Düse
7′ kann empirisch aus den drei in Schritt (11) bestimmten
Werten bestimmt werden, d. h. dem Abgabedruck P₀ der Pumpe 1,
der Strömung des primären Strömungsmittels Q₀ und der Strömung
der konzentrierten Lösung Q₂. Alternativ kann die folgende
Korrelation zur Berechnung von P₂ verwendet werden:
P₂ = P₀ - PL1 - PL2,
dabei ist
PL1 der Strömungsmitteldruckverlust in der Leitung von Pumpe 1 zur Umkehrosmosevorrichtung 4,
PL2 der Strömungsmitteldruckverlust in der Leitung von der Umkehrosmosevorrichtung zur Düse 7′.
PL1 der Strömungsmitteldruckverlust in der Leitung von Pumpe 1 zur Umkehrosmosevorrichtung 4,
PL2 der Strömungsmitteldruckverlust in der Leitung von der Umkehrosmosevorrichtung zur Düse 7′.
Auf der rechten Seite der Korrelation ist PL1 gegeben durch
a₁Q₀² und PL2 durch a₂Q₂², wobei a₁ und a₂ jeweils eine Ver
lustkonstante sind.
Wenn der Leitungsdruckverlust des Strömungsmittels weniger
wesentlich kleiner ist als der Pumpenabgabedruck und keine
große Fluktuation in der Strömung des primären Strömungsmittels
und der konzentrierten Lösung vorliegt, so kann eine
Konstante für sowohl PL1 wie auch PL2 verwendet werden.
(13) Die Düse 7′ ist eine Vorrichtung zur Umwandlung eines
hydraulischen Drucks in die kinetische Energie eines Wasser
strahls. Die Geschwindigkeit (v) eines Strömungsmittels weg
geschleudert von der Düse 7′ kann durch die folgende Gleichung
unter Verwendung von P₂ oder dem hydraulischen Druck
an dem Düseneinlaß in Schritt (12) bestimmt werden:
dabei ist
α konstant und
g die Erdbeschleunigung.
α konstant und
g die Erdbeschleunigung.
Diese Formel ist durch Kurve 26 in der graphischen Darstellung
16 der Fig. 2 veranschaulicht.
(14) Die Öffnung oder Apertur A ν des Steuerventils 3
kann durch folgende Gleichung berechnet werden, und zwar unter
Verwendung der Strömung der konzentrierten Lösung Q₂, be
stimmt in Schritt (11) und der Geschwindigkeit des Wasser
strahls v, bestimmt in Schritt (13):
Aν = Q₂/ν1.
(15) Die Betriebsgrößen oder der Hub S des Steuerventils
kann aus der Ventilöffnung, abhängig von den Hubcharakteristiken
des Ventils bestimmt werden, und zwar durch Verwendung
von Aν, bestimmt in Schritt (14). Die graphische Darstellung
17 in Fig. 2 zeigt durch Kurve 27 eine typische Ventil
öffnungs/Hubprofilabhängigkeit. Ein den Hub S anzeigendes
Signal wird in die Betätigungsvorrichtung 3b des Steuerventils
3 eingespeist, und zwar durch einen Treiber 18, der
seinerseits das Ventil um Hub S verschiebt oder verstellt, um
eine Aν entsprechende Ventilöffnung vorzusehen. Infolgedessen
entwickelt das Steuerventil 3 mit einer Öffnung Aν einen
Systemdruck und eine Wasserströmung gleich den eingestellten
und in Schritt (11) berechneten Werten, wodurch der gewünschte
Pegel der entsalzten Wasserströmung vorgesehen wird.
Die Steuereinheit 9 kann dadurch realisiert werden, daß man
digitale oder analoge Funktionsgeneratoren kombiniert, die
die charakteristischen in Fig. 2 gezeigten Kurven erzeugen.
In der einfachsten Form kann die Steuereinheit 9 durch einen
einzigen Funktionsgenerator realisiert werden, der in der
Lage ist, eine Ventilbetätigungsgröße oder einen Hub S zu erzeugen,
der dem gewünschten Pegel der entsalzten Wasserströmungsein
stellung Q₁ entspricht. Alternativ kann der Ventilhub S unter
Verwendung der eingestellten Eingangsgröße Q₁ gelesen werden,
um Zugriff zu einer Nachschautabelle der Speicherbauart zu
erhalten. In einer ausgeklügelteren Operationsform kann die
Steuereinheit durch einen Computer realisiert werden, und
zwar einschließlich eines Speichers, der die notwendigen
Systemvariablen speichert, einer Eingangsvorrichtung, typischerweise
entweder der Tastatur oder Schalterbauart, wobei
dadurch die gewünschte Werte, die im System eingestellt werden
sollten, eingegeben werden, und schließlich kann der Computer
noch einen Datenprozessor aufweisen, der die Eingangs
daten verarbeitet, und zwar durch die in den Abschnitten (A)
und (B) beschriebenen Verfahren.
Auf den vorangegangenen Seiten wurde das erfindungsgemäße
Steuersystem unter Bezugnahme auf ein Ausführungsbeispiel
beschrieben, wo das System zur Entsalzung von Seewasser
angewandt wird. Das vorliegende System kann auch zur Steuerung
eines Verfahrens zur Konzentration eines eine Chemikalie
enthaltenden Strömungsmittels durch eine
Umkehrosmosevorrichtung verwendet werden. In diesem Falle ist
die zu steuernde oder kontrollierende Menge nicht die Strömung
des entsalzten Wassers, sondern die Strömung einer konzentrierten
Lösung. Aus dem voreingestellten Wert der Strömung
der konzentrierten Lösung und gemäß dem oben in Abschnitten (A)
beschriebenen Verfahren mit notwendigen Modifikationen, die
dem Fachmann gegeben sind, wird der Abgabedruck einer Zentri
fugalpumpe und andere Systemzustandsvariable, die den vorhandenen
Pegel der Strömung der konzentrierten Lösung erreichen,
bestimmt.
In der Umkehrosmoseanlage gemäß Fig. 2
wird eine hydraulische Turbine der Pelton-Radbauart verwendet,
und zwar angetrieben durch einen Wasserstrahl von einer
Düse, wobei diese Turbine als Energiewiedergewinnungsmittel
verwendet wird. Wenn gewünscht, kann diese Turbine durch eine
umgekehrt laufende Pumpenturbine ersetzt sein. Wenn das
System von einer so kleinen Größe ist, daß die Energiewieder
gewinnung keine substantielle Kosteneinsparung bringt, so
kann die Turbine insgesamt weggelassen werden und es wird
ein Steuerventil 3 verwendet, um einfach die konzentrierte
Lösung aus dem System abzugeben.
Das System der Fig. 2 hängt von einer Steuerung mit offener
Schleife ab. Wenn notwendig, können Mittel zur Detektierung
bestimmter Systemzustandsvariabler (beispielsweise Druck oder
Strömung) zugegeben werden, und zwar aus Gründen der Bestätigung
oder Rückkopplung. Ein Beispiel solcher Mittel ist
ein Fühler zur Detektierung des Abgabedrucks der Zentrifugal
pumpe. Die Ausgangsgröße dieses Fühlers wird mit einem berechneten
Wert des Pumpenabgabedrucks verglichen, wobei dieser
Wert in der Steuereinheit 9 erhalten wurde, um den ein
gestellten Wert des Pumpenabgabedrucks erneut zu berechnen
oder zu korrigieren, um so die Ventilöffnung zu korrigieren,
damit der tatsächlich dadurch entwickelte Pumpenabgabedruck
gleich dem korrigierten Wert ist.
Das in Abschnitt I beschriebene Steuersystem setzt voraus,
daß die Zentrifugalpumpe 1 mit einer vorbestimmten Drehzahl,
beispielsweise der Nenndrehzahl pro Minute, läuft. Die Q-H-
Leistungsfähigkeit der Pumpe hängt von ihrer Drehzahl ab.
Daher verändert sich auch die Strömung Q₁ der Produktlösung
gegenüber dem Pumpenabgabedruck P₀ mit der Pumpen
drehzahl. Die zum Antrieb der Pumpe erforderliche Leistung
hängt von sowohl der Pumpendrehzahl als auch von deren Abgabe
ab. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Drehzahl
der Pumpe mit einem Optimalpegel bestimmt werden, der das
Leistungserfordernis minimiert, um so den gewünschten Pegel
der Strömung der Produktlösung, beispielsweise des
entsalzten Wassers, vorzusehen.
Wie sich aus der Beschreibung des Abschnitts I ergibt, kann
dann, wenn die Pumpe mit einer bestimmten Drehzahl läuft,
eine maximale Strömung oder ein maximaler Fluß des entsalzten
Wassers oder Q1 max bei einem bestimmten Pumpenabgabedruck
P₀₁ vorgesehen werden (vgl. die Pumpenleistungsfähigkeits
kurve 21 und die P₀-Q₁ charakteristische Kurve 23 in Fig. 2).
Der Wert von Q1 max steigt mit höherer Pumpendrehzahl an.
Für einen gegebenen Wert Q₀ nimmt das Leistungserfordernis
für die Pumpe zur Lieferung des Strömungsmittels mit niedrigerer
Pumpendrehzahl ab. Gemäß der Erkenntnis der Erfinder
kann eine optimale Pumpendrehzahl an einem Punkt auf
der P₀-Q₁-Kennlinie (charakteristische Kurve) mit einer maximalen
Strömung der Produktlösung (beispielsweise
entsalzten Wassers) Q1 max gefunden werden, der gleich dem
gewünschten Wert Q₁ ist. Das Leistungserfordernis für die
Pumpe kann minimiert werden durch deren Laufen bei dieser
optimalen Drehzahl.
Das Verfahren zum Auffinden einer optimalen Drehzahl für
die Zentrifugalpumpe 1 wird unter Bezugnahme auf Fig. 4 beschrieben.
In der graphischen Darstellung (A) der Fig. 4
zeigt die Kurve 21 die Q-H-Leistungsfähigkeitscharakteristiken
(Abgabedruck P₀, abhängig von der Strömung der Speise
lösung Q₀) der Pumpe bei der Nenndrehzahl NR. Die
Kurve 23 zeigt die Charakteristiken des Abgabedrucks P₀,
abhängig von der Strömung des entsalzten Strömungsmittels
Q₁ bei der gleichen Drehzahl NR. Die Kurve 21-1 zeigt die
Q-H-Leistungsfähigkeitscharakteristiken der Pumpe bei 0,9 NR,
wohingegen die Kurve 23-1 die P₀-Q₁-Charakteristiken entsprechend
dieser Kurve zeigt. In ähnlicher Weise zeigen die
Kurven 21-2 bzw. 23-2 die Q-H-Leistungsfähigkeitscharakteristika
der Pumpe und die P₀-Q₁-Charakteristika. Eine gestrichelte
Linie 29 zeigt das Pumpendrehzahl/Q1 max-P₀-Profil, das
erhalten wird durch Auftragen der Werte der maximalen Strömung
(Q1 max) auf den P₀/Q₁ charakteristischen Kurven für
verschiedene Pumpendrehzahlen, nämlich die Werte der maximalen
Strömung des entsalzten Wassers, die bei den verschiedenen
Pumpendrehzahlen erhalten werden können. Die Kurve 31
zeigt die Abgabekennlinie oder Charakteristik eines Druck
regulierventils 2 (vgl. Fig. 1), vorgesehen in der Speiseleitung
des konventionellen Systems und diese Kennlinien
oder Charakteristika geben den Druck, abhängig von der Strömung
des primären Strömungsmittels, bei der Pumpennenndrehzahl
NR an. Wie in dieser Beschreibung später ausgeführt werden
wird, repräsentiert eine gestrichelte Linie 32 die optimalen
Pumpenbetriebscharakteristika, die erhalten werden durch
Aufzeichnen der Pumpenbetriebs- oder Operationspunkte, die
in der Lage sind, eine maximale Strömung des entsalzten Wassers
bei verschiedenen Pumpendrehzahlen vorzusehen.
Die Kurve 33 in der graphischen Darstellung (B) der Fig. 4
entspricht der charakteristischen Kurve 23 in der graphischen
Darstellung (A) und zeigt das Profil der Pumpendrehzahl,
abhängig von der Maximalströmung (Q1 max). Die Kurven
34, 34-1 und 34-2 in der graphischen Darstellung (C) in Fig. 4
zeigen die Beziehungen der Abgabe (Q₀) von der Pumpe 1 und
das Leistungserfordernis (HJP) für die entsprechenden Pumpen
drehzahlen von NR, 0,9 NR und 0,8 NR.
In der graphischen Darstellung (A) befindet sich der Punkt
(d) auf der P₀-Q₁-Kennlinienkurve 23-1 für eine Pumpendreh
zahl von 0,9 NR und zeigt die maximale Strömung des entsalzten
Wassers Q₁′max an, die erhalten wird durch die
Umkehrosmoseanlage bei 0,9 NR, und ferner wird
auch angezeigt der Pumpenabgabedruck oder der Druck am Einlaß
der Umkehrosmosevorrichtung P0a, der sich
dann entwickelt, wenn Q₁′max erhalten wird. In diesem Fall
arbeitet die Pumpe am Punkt (a) auf der Pumpenleistungsfähigkeits
kennlinienkurve 21-1 für die gleiche Pumpendrehzahl
(0,9 NR). Dieser Punkt (a) zeigt, daß das primäre Strömungs
mittel mit einer Rate oder Geschwindigkeit von Q0a fließt.
Das entsprechende Leistungserfordernis ist Ha, wie dies
durch den Punkt (a) auf der Kurve 34-1 angegeben ist. Wenn,
wie man aufgrund der folgenden Beschreibung erkennt, die
maximale Strömung Q₁′max, die bei einer Pumpendrehzahl von
0,9 NR erhalten wird, gleich dem gewünschten Pegel der entsalzten
Strömung Q₁ ist, so ist 0,9 NR die optimale Pumpen
drehzahl, bei der das Leistungserfordernis der Pumpe minimiert
ist.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel hat die P₀-Q₁-Kennlinien
kurve 23 für eine Pumpendrehzahl von NR zwei
Punkte (e) und (f), bei denen die Strömung des entsazten Wassers
gleich der maximalen Strömung Q₁′max für eine Drehzahl
von 0,5 NR ist. Der Punkt (e) zeigt, daß der Pumpenabgabedruck
oder der Druck am Einlaß der Umkehrosmosevorrichtung
einen Wert P0d besitzt, der größer ist als der Wert P0a
am Punkt (d). Ein Pumpenbetriebspunkt entsprechend dem Punkt
(e) ist der Punkt (g) auf der Kurve 21, und dieser letztgenannte
Punkt zeigt, daß die Strömung der Speiselösung
Q0b ist.
Der Wiedergewinnungsprozentsatz oder das Verhältnis der
Strömung der Produktlösung (beispielsweise entsalzten
Wassers) zur Strömung der Speiselösung muß innerhalb
eines Bereichs liegen, der den normalen Betrieb der
Umkehrosmosevorrichtung sicherstellt. Für das
Entsalzungssystem von Seewasser liegt der kritische Wiederge
winnungsprozentsatz, der durch das System toleriert wird, im
allgemeinen Bereich zwischen 20 und 40%. Wenn das System so
betrieben würde, daß die Speiselösung mit einer Strömungs
rate von Q0b (gezeigt durch Punkt (g)) betrieben wird
und um entsalztes Wasser mit einer Strömungsgeschwindigkeit
von Q₁ (angedeutet durch Punkt (e)) vorzusehen, so würde der
Wiedergewinnungsprozentsatz (Q₁/Q0b) seinen kritischen Wert
übersteigen. Die Betriebspunkte (e) und (g) sind daher von
den Systemerfordernissen der vorliegenden Erfindung ausge
schlossen.
Der dem Punkt (f) entsprechende Pumpenbetriebspunkt ist
der Punkt (c) auf Kurve 21 und dieser Punkt zeigt an, daß
die Strömung der Speiselösung Q0c ist. Das Leistungs
erfordernis zum Vorsehen dieses Strömungspegels oder
Niveaus ist Hc, was durch Punkt (b) auf der Leistungser
forderniskurve 34 für eine Pumpendrehzahl von NR angegeben
ist.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel befindet sich der Punkt
(a) auf der Kurve 21-1 auch auf der Kurve 31, die die Aus
gangscharakteristika des Druckregulierventils für eine Pum
pendrehzahl von NR anzeigt. In diesem Fall ist der Druck am
Einlaß der Umkehrosmosevorrichtung P0a und die
Strömung des Strömungsmittels, die in die
Umkehrosmosevorrichtung eingespeist wird, ist Q0a. Die Strömung
des erzeugten entsalzten Wassers ist gleich dem Wert, angegeben
durch Punkte (d) auf der Kurve 23-1 (P₀-Q₁ charakteristische
Kurve für die Drehzahl von 0,9 NR), der dem Pumpen
betriebspunkt (a) entspricht. Dies ist so bei den beiden
Fällen, daß in die Umkehrosmosevorrichtung eingespeiste
Strömungsmittel gleichen Druck und Strömung
besitzen. Der Pumpenbetriebspunkt, der dem Punkt (a) assoziiert
mit dem Druckregulierventeil entspricht, wird am Punkt (b)
gefunden. Man kann daher sehen, daß das Druckregulierventil
einen Druckabfall gleich der Differenz zwischen P0d,
angegeben durch Punkt (b) und P0a, angegeben durch Punkt (a)
bewirkt hat. Das Leistungserfordernis entsprechend dem Pumpen
betriebspunkt (b) in der graphischen Darstellung (A) hat
einen Wert Hb, angegeben durch Punkt (b) auf der Leistungs
anforderungskurve 34 in der graphischen Darstellung (C).
Der Wert Hb zeigt die Leistung an, die erforderlich ist, um
eine Strömung von entsalztem Wasser Q₁ vorzusehen, und zwar
von dem mit einer Pumpendrehzahl von NR betriebenen System,
unter Verwendung des zweiten Druckregulierventils, positioniert
an der Speiseleitung. Der Wert Ha, der kleiner ist
als der Wert Hb und der durch Punkt (a) auf Kurve 34-1 an
gegeben ist, bezieht sich auf die Leistung, die erforderlich
ist, um die gleiche Strömung des entsalzten Wassers
vorzusehen, wenn das System bei einer Pumpendrehzahl von
0,9 NR betrieben wird und ohne Verwendung des zweiten Druck
regulierventils.
Wie sich aus der weiteren Beschreibung ergibt, kann zur Mi
nimierung der Leistung, die erforderlich ist, um den gewünschten
Pegel der Strömung der Produktlösung oder des
entsalzten Wassers vorzusehen, das System mit einer optimalen
Pumpendrehzahl betrieben werden, wobei der Punkt der maximalen
Strömung des entsalzten Wassers auf der entsprechenden
P₀-Q₁-Kennlinienkurve gleich dem gewünschten Strömungs
pegel ist. Die Pumpe läuft bei einem bestimmten Betriebspunkt
auf der Q-H-Leistungsfähigkeitskurve, assoziiert mit
diesem Punkt des maximalen Flusses des entsalzten Wassers,
und ihr Abgabedruck wird durch das einzige Ventil reguliert,
welches stromabwärts gegenüber der Umkehrosmosevorrichtung
positioniert ist.
Ein Beispiel des Verfahrens zur Bestimmung der optimalen Pum
pendrehzahl sei im folgenden beschrieben.
(1) Bereiten von Daten hinsichtlich der maximalen Strömung
des entsalzten Wassers, abhängig vom Pumpenabgabedruck
für verschiedene Pumpendrehzahlen, wie dies durch Kurve 29
in Fig. 4 dargestellt ist.
(2) Stelle die Strömung des entsalzten Wassers auf einen
gewünschten Pegel oder ein gewünschtes Niveau ein.
(3) Abtasten der Daten, hergestellt im Schritt (1) und
Vergleich der Maximalströmung des entsalzten Wassers für jede
der überprüften Pumpendrehzahlen mit dem gewünschten Pegel
der Strömung des entsalzten Wassers.
(4) Auswahl einer Maximalströmung des entsalzten Wassers,
die am dichtesten zum gewünschten Pegel oder Niveau
liegt. Die optimale Pumpendrehzahl ist der Wert, der dieser
ausgewählten Maximalströmung des entsalzten Wassers entspricht.
Der Pumpenabgabedruck wird gleichzeitig bestimmt.
Das oben angegebene Verfahren geht davon aus, daß der Wieder
gewinnungsprozentsatz innerhalb des tolerierbaren Bereichs
gehalten wird, wenn das System bei irgendeinem maximalen
Strömungspunkt betrieben wird, und zwar auf dem P₀-Q₁-Cha
rakteristika (beispielsweise Punkt (d) auf Kurve 23-1 in
Fig. 4. Wenn diese Erfordernis durch die verwendete
Umkehrosmosevorrichtung nicht erfüllt wird, so müssen
notwendige Modifikationen an den in Schritt (1) erhaltenen
Daten vorgenommen werden, so daß der Wiedergewinnungsprozent
satz der modifizierten Daten innerhalb tolerierbarer Grenzen
liegt. Insbesondere wird die Strömung des entsalzten Wassers
für den maximalen Wiedergewinnungsprozentsatz toleriert durch
die spezielle Umkehrosmosevorrichtung als die maximale
Strömung des entsalzten Wassers ausgewählt.
Mittel zur Bestimmung der optimalen Drehzahl können durch
einen digitalen oder analogen Funktionsgenerator realisiert
werden, der infolge eines Eingangssignals, welches den gewünschten
Pegel der Strömung des entsalzten Wassers anzeigt,
ein Signal erzeugt, welches für die optimale Pumpendrehzahl
indikativ ist. Sobald die optimale Pumpendrehzahl und der
Pumpenabgabedruck entsprechend dem gewünschten voreingestellten
Pegel der Strömung des entsalzten Wassers bestimmt sind,
wird die Öffnung des Ventils, die notwendig ist, um den so
bestimmten Pumpenabgabedruck vorzusehen, automatisch durch
das oben in Abschnitt I, (iii) (B) bestimmt.
Fig. 5 ist ein Blockdiagramm der Steuereinheit für die
Umkehrosmoseanlage, das gemäß dem erfindungs
gemäßen Prinzip, welches unter Bezugnahme auf Fig. 4 beschrieben
wurde, beschrieben wird. Mit 35 ist eine Eingabevorrichtung
typischerweise der Tastaturbauart bezeichnet, welche eine
Einstellung des gewünschten Pegels für die Strömung des entsalzten Wassers
Q₁ vorsieht. Eine Vorrichtung 36 ist ein Funktionsgenerator,
der ein Signal erzeugt, welches die optimale Pumpendrehzahl
N anzeigt, und zwar infolge des Signals, das von der
Eingabevorrichtung 35 eingegeben wird und welches den gewünschten
Pegel der Strömung des entsalzten Wassers Q₁ angibt. Infolge
dieses Befehls steuert die Motordrehzahlsteuerung 38,
gekuppelt mit dem Funktionsgenerator, einen Zentrifugalpumpen
antriebsmotor 8 derart, daß die Pumpe sich mit optimaler Drehzahl
dreht. Mit 37 ist ein Funktionsgenerator bezeichnet, der infolge
des Signals, welches von der Eingangsvorrichtung 35
eingegeben wurde und welches den gewünschten Strömungspegel
Q₁ anzeigt, den Wert des Hubs erzeugt, der eine Funktion ist
von Q₁ und durch den das Ventil 3 stromabwärts gegenüber der
Umkehrosmosevorrichtung verstellt werden muß.
Der Funktionsgenerator 37 liefert einen Befehl über einen
Treiber 18 an eine Betätigungsvorrichtung 3b des Ventils 3,
positioniert in der Sekundärleitung und bewirkt, daß das Ventil
um den Hub, angegeben durch den Befehl, verstellt wird.
Infolgedessen erzeugt das System entsalztes Wasser mit der
gewünschten Strömungsrate Q₁, während die Pumpe mit der optimalen
Drehzahl läuft, und der Strömungsmitteldruck wird durch
das Ventil 3 vorgesehen. Ein Strömungsmesser 5 ist nicht wesentlich
für die vorliegende Erfindung, kann aber verwendet
werden, um die tatsächliche Strömung des entsalzten Wassers
aus Gründen der Bestätigung zu messen.
Fig. 6 zeigt eine Abwandlung der Vorrichtung gemäß Fig. 5.
Diese Abwandlung ist in erster Linie gekennzeichnet durch
einen Druckfühler 2b, der auf der Versorgungs- oder Primär
leitung angeordnet ist, um den Druck des durch diese Leitung
fließenden Strömungsmittels festzustellen. Dieser Fühler
oder Sensor 2b erzeugt ein Signal, welches den tatsächlichen
Abgabedruck der Pumpe P₀ (REAL) angibt, der zum optimalen
Pumpendrehzahlgenerator 36 rückgekoppelt wird. Der Generator
36 kann Mittel aufweisen, um den tatsächlichen Abgabedruck
(festgestellt durch Sensor 2b) mit dem berechneten Druck, ge
speichert im Generator 36, zu vergleichen. Infolge des Ergebnisses
dieses Vergleichs werden Druckwiederberechnungsmittel
(nicht gezeigt) im Generator 36 den berechneten Druck modifizieren
oder auf den neuesten Stand bringen, so daß der
wiederberechnete Wert mit dem tatsächlichen Druck übereinstimmt.
In gleicher Weise ist die Konzentrations- oder Sekundärleitung
mit einem Druckfühler oder Sensor 19 ausgestattet, um den
Druck des durch diese Leitung fließenden Strömungsmittels fest
zustellen. Dieser Sensor 19 speist zum Hubgenerator 37 ein
Signal zurück, welches den tatsächlichen Druck des konzentrierten
Strömungsmittels P₂ (REAL) anzeigt. Der Hubgenerator
37 führt eine Wiederberechnung (Rekalkulation) des Drucks
aus, so daß der wiederberechnete Druck mit dem tatsächlichen
Druck übereinstimmt.
Das Steuersystem der Fig. 6 hat den Vorteil, daß es präzisere
Systemzustandsvariablen vorsieht. Jeder der als Rückkopplungs
elemente verwendeten Drucksensoren kann durch einen Strömungs
messer ersetzt werden. Die Verwendung eines Strömungsmessers
ist jedoch nicht kosteneffektiv, da dies relativ teuer ist.
Es kann auch ein einziges Rückkopplungselement anstelle einer
Vielzahl von Elementen verwendet werden. Beispielsweise können
die primären und sekundären Strömungsmitteldruckfühler
2b und 19 weggelassen werden.
Ähnliche konventionelle Antriebsmittel für die Zentrifugal
pumpe, wie beispielsweise ein Motor, eine Gasturbine usw.
können für den Motor 8 eingesetzt werden.
Die Beschreibung in den Abschnitten I und II nimmt an, daß
das System unter normalen Bedingungen arbeitet und liefert
konstante Leistungscharakteristika. Dies rechtfertigt die
Verwendung einer vorbestimmten Konstante wie den Membranlei
stungsfähigkeitsindex Ko, und ein vorbestimmtes Muster für
die Q-H-Kennlinienkurve der Zentrifugalpumpe. Beim tatsächlichen
Betrieb des Systems verschlechtert sich jedoch die
Leistungsfähigkeit aus dem einen oder anderen Grunde. Erfindungs
gemäß sind Vorrichtungen vorgesehen, die die Leistungs
fähigkeit der entsprechenden Komponenten des Systems über
wachen und das Ausmaß der Leistungsfähigkeitsverschlechterung
bestimmen.
Die Erfinder gehen davon aus, daß die Gesamtleistungsfähigkeit
der Umkehrosmoseanlage bestimmt
wird durch die Leistungsfähigkeit von drei Hauptkomponenten,
d. h. der Zentrifugalpumpe, den Membranen in der Umkehrosmose
vorrichtung und den Strömungsmittelkanälen, wobei die
Verschlechterung der zuletzt erwähnten Komponente, ausgedrückt
als Druckverlust, ausgewertet wird. Gemäß den Fest
stellungen der Erfinder können die Verschlechterungen dieser
drei Komponenten gesondert identifiziert werden, und zwar
durch Vergleich einer Kombination oder eines Musters von
Zustandsniveaus (Druck und/oder Strömung) des primären und
sekundären Strömungsmittels, welches durch die Speise- oder
Prämärleitung und die Sekundär- oder Konzentrationsleitung
in der Umkehrosmoseanlage läuft, und
zwar mit einer Kombination oder einem Muster der Zustands
niveaus des Strömungsmittels bei normalen oder idealen Be
triebsbedingungen. Die Ergebnisse dieser Vergleiche sind
in der folgenden Entscheidungstabelle I zusammengefaßt.
Das im folgenden zu erläuternde Ausführungsbeispiel verwendet
folgendes: Mittel zur Detektierung des Drucks eines durch die
Versorgungsleitung fließenden Strömungsmittels,
und Mittel zum Detektieren des Drucks eines durch die
Konzentrationsleitung fließenden Strömungsmittels. Jeder
der detektierten Werte des Drucks wird mit dem für normale Be
triebsbedingungen berechneten Wert verglichen. Die Ergebnisse
des Vergleichs identifizieren, welche Systemkomponenten eine
Verschlechterung hinsichtlich Leistungsfähigkeit erfahren
hat. Ebenfalls offenbart sind Vorrichtungen zur Auswertung des
Ausmaßes, durch welche die Leistungsfähigkeit der entsprechenden
Komponenten des Systems sich verschlechtert hat (beispielsweise
die Q-H-Leistungsfähigkeitskurve der Zentrifugalpumpe,
der Membranleistungsfähigkeitsindex, der Strömungsmitteldruck
verlustindex).
Speziell liefert die Leistungsfähigkeitsüberwachungs- oder
Auswertungsvorrichtung gemäß der Erfindung die letzte Information
hinsichtlich der Leistungsfähigkeit der entsprechenden
Komponenten des Steuersystems. Durch Verwendung dieser
Information ist das Steuersystem gemäß den Fig. 2, 5 und 6
in der Lage, eine Strömungssteuerung mit hoher Genauigkeit
aufrechtzuerhalten.
Wenn die Leistungsfähigkeit einer bestimmten Komponente stark
verschlechtert ist und deren Betrieb als abnormal erkannt
wird, so wird das gesamte System vorzugsweise zum Zwecke
der Inspektion der Reparatur und/oder des Ersatzes der
schadhaften Komponente abgeschaltet. In dem im folgenden
zu erläuternden Ausführungsbeispiel wird dieses Ziel dadurch
erreicht, daß man Mittel verwendet, welche einen sichtbaren
und/oder hörbaren Alarm ergeben, und zwar infolge eines Signals,
welches die Abnormität einer bestimmten Komponente
anzeigt.
Fig. 7 ist im ganzen ähnlich Fig. 2 und zeigt eine Steuereinheit
9 mit der gleichen Fähigkeit wie die Steuereinheit
gemäß Fig. 2. Mit dem Bezugszeichen 2 ist ein Druckfühler bezeichnet,
der an der Versorgungs- oder Primärleitung vorgesehen
ist, um den Druck des Primärströmungsmittels festzustellen.
Mit 6 ist ein Druckfühler bezeichnet, der auf der
Sekundär- oder Konzentrationsleitung angeordnet ist, um den
Druck des konzentrierten Strömungsmittels festzustellen.
Die Detektionssignale von diesen Fühlern
werden in verschiedene Leistungsfähigkeitsmonitoren (Über
wachungsvorrichtungen) (Fig. 8, 10 und 12) eingespeist und
auch in Problemartidentifizier- und Alarmvorrichtungen
(Fig. 13), wobei sämtliche dieser Vorrichtungen in der Steuer
einheit 9 (was aber in Fig. 7 nicht gezeigt ist) incorpo
riert sein können. Jede der graphischen Darstellungen in Fig. 7
zeigt die Charakteristika einer verschlechterten Membran in
der Umkehrosmosevorrichtung, verglichen mit den
Kennlinien der Normalmembran.
Zum besseren Verständnis der Erfindung sei für die folgende
Beschreibung angenommen, daß die Öffnung Av des Ventils 3
bei Normalbedingungen die gleiche ist wie der Wert unter
solchen Bedingungen, wo die Gesamtleistungsfähigkeit des
Systems sich geändert hat infolge beispielsweise einer ver
schlechterten Membranleistungsfähigkeit. In gleicher Weise
sollen zwei Systemzustandspegel (beispielsweise P₂ und P₂′)
bei der gleichen Strömungsmitteltemperatur verglichen werden,
und zwar unter Verwendung der notwendigen Temperatur
kompensation (Temperatureichung für Strömungsmittel mit unter
schiedlichen Temperaturen).
(1) Wie im Abschnitt I festgestellt, ist Q₁ oder die
Strömung des entsalzten Wassers, erzeugt aus der
Umkehrosmosevorrichtung gegeben durch:
Q₁ = AMKΔP.
Der Faktor K ist ein Leistungsfähigkeitsindex, der durch die
Form, die Eigenschaften und die Temperatur der semipermeablen
Membran bestimmt ist. Dieser Index repräsentiert die Größe
oder Menge des entsalzten Wassers, erzeugt pro Einheitsfläche
der Membran (AM=1) und Einheits-Filtrationsdruck (ΔP=1).
Der Leistungsfähigkeitsindex K ist wie folgt gegeben:
K = Ko(Dw/T).
Der Ausdruck Dw/T auf der rechten Seite dieser Gleichung ist
eine temperaturabhängige Größe, die mit der Temperatur ansteigt,
wie dies durch die graphische Darstellung 13 in
Fig. 2 angedeutet ist. Der Ausdruck Ko ist der Leistungsfähig
keitsindex, der nicht von der Temperatur abhängt und dieser
Index fällt ab, wenn die Leistungsfähigkeit der Membran sich
verschlechtert hat.
In der graphischen Darstellung 15 gemäß Fig. 7 zeigt eine
ausgezogene Linie 25 die Kennlinie des
osmotischen Drucks, abhängig von der Strömung des entsalzten
Wassers für die normale semipermeable Membran. Für eine gegebene
Temperatur - wenn die Leistungsfähigkeit der Membran
sich verschlechtert und die Herstellung des entsalzten Wassers
darauffolgend sich vermindert - verändern sich die Kennlinien
der Membran zu den durch die gestrichelte Linie
angedeuteten Kennlinien. Wenn die Leistungsfähigkeit der
Membran sich verschlechtert, so verringert sich die Strömung
des entsalzten Wassers, wohingegen die Strömung an konzentrierter
Lösung ansteigt. In Fig. 7 repräsentiert Q₁ die Strömung
des entsalzten Wassers unter Normalbedingungen, Q₁′ die
Strömung bei verschlechterter Membranleistungsfähigkeit, wohingegen
Q₂ die Strömung der konzentrierten Lösung bei Normal
bedingungen bezeichnet und Q₂′ die Strömung bei verschlechterter
Leistungsfähigkeit. Daher können die folgenden Beziehungen
abgeleitet werden:
Q₁<Q₁′ und Q₂<Q₂′.
Wenn diese Beziehungen erfüllt sind, so kann man davon ausgehen,
daß sich die Leistungsfähigkeit einer Membran in der
Umkehrosmosevorrichtung verschlechtert hat.
(2) In der Diskussion dieses Abschnitt (ii) wird angenommen,
daß die Öffnung Av des Ventils 3 konstant ist. Wenn
daher die Strömung der konzentrierten Lösung ansteigt, so
werden die Geschwindigkeit des Wasserstrahls, der aus der
Düse 7′ austritt, und der Druck der konzentrierten Lösung
erhöht, und zwar von v auf v′, bzw. von P₀ auf P₂′, wie dies in der
graphischen Darstellung 16 gezeigt ist. Daher gilt
P₂<P₂′ und v<v′.
(3) Der Druckverlust des Strömungsmittels in der Leitung
(PL = PL1+PL2) fluktuiert weniger als das Ausmaß, durch
welches der Druck der konzentrierten Lösung erhöht wird und
daher wird der Abgabedruck der Pumpe oder der Druck der Lösung
in der Primärleitung ebenfalls erhöht. Mathematisch ausgedrückt
bedeutet das:
P₀′<P₀,
wobei
P₀ der Abgabedruck der Pumpe mit normaler Membran ist und
P₀′ ist der Wert einer verschlechterten Membran.
P₀ der Abgabedruck der Pumpe mit normaler Membran ist und
P₀′ ist der Wert einer verschlechterten Membran.
(4) Zusammengefaßt gilt für die Druckbeziehungen gemäß
(2) und (3) folgendes:
P₀<P₀′ und P₂<P₂′.
Die Probleme oder Identifiziervorrichtung gemäß der Erfindung
wird im folgenden unter Bezugnahme auf Fig. 13 beschrieben
und identifiziert bestimmte Fehler als einen Abfall der
Leistungsfähigkeit der semipermeablen Membran, wenn die Vor
richtung die oben erwähnte Beziehung feststellt.
(1) Die Geschwindigkeit V′ eines Wasserstrahls, austretend
aus der Düse 7′, mit der verschlechterten Membran wird
durch Lösung der Beziehung: V′ = unter Verwendung von
P₂′ gelöst, welches der hydraulische Druck in der sekundären
Leitung ist und zwar detektiert durch Druckdetektor 6.
(2) Die Strömung des konzentrierten Strömungsmittels Q₂′
mit der verschlechterten Membran wird durch Lösen von Q₂′ =
AvV′ bestimmt, unter Verwendung der Ventilöffnung Av und der
Geschwindigkeit V′, bestimmt in Schritt (1).
(3) Die Pumpenabgabe oder die Strömung des Strömungsmittels
in der Primärleitung Q₀′ wird bestimmt aus der Leistungs
fähigkeitscharakteristik der Pumpe (vgl. in Fig. 7 die Kurve
21), unter Verwendung des detektierten Pumpenabgabedrucks P₀′.
(4) Die Strömung des entsalzten Wassers Q₁′ wird durch
Lösen von Q₁′ = Q₀′-Q₂′ bestimmt, und zwar unter Verwendung
von Q₀′ und Q₂′, bestimmt in den Schritten (2) und (3).
(5) Der Druckverlust in der Primärleitung PL1′ wird entweder
empirisch bestimmt oder aber durch Lösen von PL1′ =
a₁ (Q₀′)², unter Verwendung von Q₀′, bestimmt in Schritt (3).
In der Berechnungsformel ist a₁ der Druckverlustkoeffizient
für die Primärleitung. Wenn gewünscht, kann eine Konstante
für PL1′ verwendet werden, da der in der Primärleitung auf
tretende Druckverlust typischerweise ungefähr 1/50 des Abgabe
drucks der Pumpe beträgt.
(6) Der an die Oberfläche der semipermeablen Membran in
der Umkehrosmosevorrichtung angelegte Druck PM′
wird bestimmt durch Lösen von PM′ = P₀′-PL1′ unter Verwendung
von PL1′, bestimmt in Schritt (5) und dem Pumpen
abgabedruck P₀′, detektiert durch Drucksensor 2.
(7) Die Konzentration der sekundären Lösung C₂′ wird bestimmt
durch Lösen von C₂′ = C₀·Q₀′/Q₂′, unter Verwendung
von Q₂′ und Q₀′, bestimmt in den Schritten (2) und (3).
(8) Die durchschnittliche Konzentration C′M der Speise
lösung in Kontakt mit der Oberfläche einer semipermeablen
Membran in der Umkehrosmosevorrichtung wird bestimmt
durch Lösen der Annäherung: CM′ = (C₀ = C₂′)/2, unter Ver
wendung der Konstante für die Konzentration von Seewasser C₀
und der Konzentration der sekundären Lösung C₂′, bestimmt in
Schritt (7). Eine bessere Annäherung kann verwendet werden,
wenn ein genauerer Wert für CM′ erwünscht ist.
(9) Der osmotische Druck ΠM′ wird bestimmt aus CM′, bestimmt
in Schritt (8), unter Verwendung der Kennlinienkonzentration
(CM), abhängig vom osmotischen Druck ΠM (Kurve
24 in Fig. 7).
(10) Der Filtrationsdruck ΔP′ wird bestimmt
durch Lösen von ΔP′ = (PM′-P₁) - (ΠM′-Π₁), unter Verwendung
von P₁ als der Konstanten für den Druck des entsalzten
Wassers, Π₁ der Konstanten für den osmotischen Druck
des entsalzten Wassers, ΠM′ bestimmt in Schritt (9) und PM′
bestimmt in Schritt (6).
(11) Der temperaturabhängige Membranleistungsfähigkeitsindex
K′ wird bestimmt durch Lösen von K′ = Q₁′/AMΔP′, unter
Verwendung von Q₁, bestimmt in Schritt (4), AM der Konstante
für die Membranfläche und ΔP′ bestimmt in Schritt (10).
(12) Das Ausmaß der Verschlechterung der Leistungsfähigkeit
der Membran in der Umkehrosmosevorrichtung
wird bestimmt durch Berechnung des Verhältnisses von K′,
des Leistungsfähigkeitsindex der verschlechterten Membran
zu K, dem Leistungsfähigkeitsindex der normalen Membran bei
der gleichen Temperatur. Alternativ kann K₀′ oder der Membran
leistungsfähigkeitsindex, der nicht von der Temperatur abhängt,
bestimmt werden durch Lösen von K₀′ = K/(Dw/T), wobei
(Dw/T) ein berechneter Wert ist, der auf der durch den
Temperaturdetektor 3 detektierten Temperatur T erhalten wird.
In diesem letztgenannten Fall kann das Ausmaß, in dem die
Leistungsfähigkeit der Membran sich verschlechtert hat, bestimmt
werden durch Berechnung von K₀′/K₀ unter Verwendung
des Leistungsfähigkeitsindex der normalen Membran K₀.
Fig. 8 ist ein Blockdiagramm der Überwachungs
vorrichtung gemäß der Erfindung, die die Leistungsfähigkeit
der Membran durch das unter (B) beschriebene Verfahren
überwacht. Der Druck P₀′ des Strömungsmittels in der Speiseleitung
zu einer semipermeablen Membran in der
Umkehrosmosevorrichtung wird durch Detektor 2 detektiert, der
die detektierte Information in einen Druck/Strömungsumwandler
11a schickt. Der Umwander 11a wandelt den Pumpenabgabedruck
oder den Druck der Speiselösung P₀′ in die entsprechende
Strömung der Speiselösung Q₀′ entsprechend
der Q-H-Kennlinie der Pumpe um (angedeutet durch Kurve 21 in
Fig. 7). Der Druckdetektor 2 schickt auch das Signal P₀′ an
einen Membranzwischenschichtdruckrechner 29 in
der Überwachungseinrichtung. Der Rechner 29
erzeugt infolge sowohl des Signals P₀′ als auch des Speise
strömungsmittelflußsignals Q₀′ vom Druck/Strömungsumwandler
11a ein Membrangrenz- oder Zwischenschichtdrucksignal PM′
gemäß der Korrelation PM′ = P₀′-PL1′ = P₀′-a₁(Q₀′)².
Ein zweiter Druckdetektor 6 detektiert den Druck des Strö
mungsmittels in der Konzentrationsleitung von der
Umkehrosmosevorrichtung und schickt das detektierte Signal
an einen Konzentrationsströmungsrechner 6b in der Überwachungs
vorrichtung. Unter Verwendung von P′₂ und dem vorhandenen Wert
der Ventilöffnung Av, geliefert von der Steuereinheit der Bauart
gemäß Fig. 2, erzeugt der Rechner 6b ein Signal Q₂′ ent
sprechend der Korrelation Q₂′ = . Ein für das ent
salzte Wasser vorgesehener Strömungsrechner 30 bestimmt infolge
von Signal Q₀′ aus 11a und Signal Q₂′ von 6b, die Strömung
des entsalzten Wassers Q₁′, entsprechend der Korrelation
Q₁′ = Q₀′-Q₂′. Ein Membrangrenz- oder Zwischenschichtkon
zentrationsrechner 6c erzeugt infolge des Signals Q₀′ vom
Umwandler 11a und Signal Q₂′ vom Rechner 6b eine Membrangrenz
schichtkonzentration CM′ entsprechend der Korrelation
CM′ = C₀· (1+Q₀′/Q₂′)/². Ein Konzentrations/osmotischen
Druck-Umwandler 12a wandelt entsprechend der Konzentrations/
osmotischen Druck-Kennlinien (vgl. Kurve 24 in Fig. 7) das
Membrangrenzschichtkonzentrationssignaal CM′ in das entsprechend
osmotische Drucksignal ΠM′ um. Ein Membranleistungs
fähigkeitsabfallrechner 31 bestimmt in Abhängigkeit von dem
Membrangrenzschichtdrucksignal PM′, dem entsalzten Wasser
strömungssignal Q₁′ und dem osmotischen Drucksignal ΠM′
von entsprechenden Mitteln 29, 30 und 12a einen Membran
leistungsfähigkeitsindex K′ entsprechend den Korrelationen
ΔP′ = (PM′-P₁) - (ΠM′-Π₁) und K′ = Q′₁/AM·ΔP′. Der
Rechner 31 bestimmt ferner infolge eines Temperatursignals
T aus einem Temperatursignal 14 (Fig. 9) einen temperatur
unabhängigen Membranleistungsfähigkeitsindex K₀′ entsprechend
der Korrelation K₀′ = K′/(Dw/T). Wenn gewünscht kann
der Rechner 31 derart konstruiert sein, daß er auch auf den
Bezugsmembranleistungsfähigkeitsindex K₀ anspricht, und zwar
mit dem Normalwert und gespeichert in der Steuereinheit und
K₀′/K₀ berechnet oder das Verhältnis des vorhandenen Lei
stungsfähigkeitsindex zum normalen Leistungsfähigkeitsindex.
Dieses Verhältnis repräsentiert das Ausmaß, mit dem die
Leistungsfähigkeit der Membran sich verschlechtert hat. Der
Rechner 31 schickt das Signal K₀′ und/oder K₀′/K₀ an eine
Anzeigevorrichtung 32, die dann den vorhandenen Wert des
Membranleistungsfähigkeitsindex und/oder das Ausmaß anzeigt,
um welches die Leistungsfähigkeit der Membran abgefallen ist.
Ein Speicher 33 kann mit dem Membranleistungsfähigkeitsindex
K₀ und/oder dem Leistungsfähigkeitsabfall K₀′/K₀ vom Rechner
31 periodisch geladen werden, und zwar durch eine Zeit
steuervorrichtung 34 gewählten Zeitintervallen. Eine Historie-
Anzeigevorrichtung 35 zeigt die Historie der Membranleistungs
fähigkeit an, und zwar auf der Basis der aus dem Speicher 33
ausgelesenen Daten.
Fig. 9 ist im wesentlichen gleich Fig. 2 und veranschaulicht
verschiedene Fluktuationen in den Systemzustandsniveaus, die
dann auftreten, wenn der Systemströmungsmittelkanal durch
Wassersteinabscheidungen verstopft ist, die durch Komponenten
des Strömungsmittels gebildet werden.
Insbesondere die Innendurchlässe der Umkehrosmosemodule
werden am leichtesten verstopft. Der verstopfte Kanal
erhöht den Druckabfall oder Verlust des Strömungsmittels und
dies verschlechtert schlußendlich die Leistungsfähigkeit des
gesamten Systems.
Wenn ein Teil des Systemkanals verstopft ist, so wird der
Abgabedruck der Pumpe erhöht und die Abgabe von der Pumpe
wird vermindert (vgl. die graphische Darstellung 11 in Fig. 9).
Wenn der Pumpenabgabedruck und die Pumpenabgabe unter Normal
bedingungen ausgedrückt werden durch P₀ und Q₀, wohingegen
die entsprechenden Werte im Falle der Leitungsverstopfung
ausgedrückt werden durch P₀′ und Q₀′, so gelten die folgenden
Beziehungen: P₀<P₀′und Q₀<Q₀′.
Wenn die Abgabe von der Pumpe abnimmt, so steigt die Membran
grenzschichtkonzentration CM auf einen Wert C′M an. Wenn die
Membrangrenzschichtkonzentration erhöht wird, so wird der osmotische
Druck der Speiselösung in Kontakt mit der
semipermeablen Membran auf einem Wert π′M erhöht. Dies er
kennt man aus der Kennkurvenlinie 24 in Fig. 9. Die entsprechende
Änderung des Filtrationsdrucks ΔP ist
sehr klein, da der Anstieg des Pumpenabgabedrucks (oder der
Druck der Speiselösung) durch den Anstieg des osmotischen
Drucks der Speiselösung in Kontakt mit
der Membran ausgelöscht wird. Daher ist die Strömungsänderung
des entsalzten Wassers ebenfalls sehr klein. Wenn Q₁
bzw. Q₁′ für die Strömung des entsalzten Wassers unter Normal
bedingungen bzw. die Strömung des entsalzten Wassers im
Falle der Kanalverstopfung angenommen werden, so ist Q₁ im
wesentlichen gleich Q₁′. Dies bewirkt eine Verminderung des
Flusses des sekundären Strömungsmittels oder der konzentrierten
Lösung, wie dies durch die Ungleichung Q₂<Q₂′ repräsentiert
ist (wobei Q₂ die Strömung der konzentrierten Lösung
unter Normalbedingungen ist, während Q₂′ die Strömung dieser
Lösung im Falle der Kanalverstopfung ist). Da in diesem Abschnitt
hinsichtlich der Ventilöffnung Av angenommen ist, daß
sie die gleiche bleibt unabhängig von der Systemleistungsfähigkeit,
bewirkt die Verkleinerung der Strömung der konzentrierten
Lösung eine Verringerung des Drucks derselben. Dies
wird durch P₂<P₂′ ausgedrückt (wobei P₂ der Druck der konzentrierten
Lösung unter Normalbedingungen und P₂′ der entsprechende
Wert im Falle von Kanalverstopfung ist). Auch wird
die Geschwindigkeit des Wasserstrahls, der aus der Düse austritt,
von V auf V′ verringert.
Aus der vorhergehenden Beschreibung ergibt sich, daß eine
Verstopfung festgestellt werden kann, und zwar durch Feststellung,
ob einer der folgenden beiden Sätze von Beziehungen
erfüllt ist:
P₀<P₀′und P₂<P₂′ oder Q₀<Q₀′ und Q₂<Q₂′.
(1) Die Verwendung der Ausgangsgröße P₂′ vom Detektor 6
zur Bestimmung der Geschwindigkeit des Wasserstrahls aus
der Düse V′ durch das Verfahren, welches in (A) beschrieben
wurde.
(2) Bestimmung der Strömung der konzentrierten Lösung
Q₂′ aus dem vorliegenden Wert der Ventilöffnung Av durch
das Verfahren beschrieben in (a).
(3) Verwendung des Pumpenabgabedrucks P₀′ vom Detektor 2
zur Bestimmung der Pumpenabgabe (oder der Strömung der Speiselösung)
Q₀′ gemäß den Q-H-Kennlinien der Pumpe.
(4) Bestimmung der Strömung des entsalzten Wassers Q₁′
auf Q₂′ und Q₀′.
(5) Bestimmung des Filtrationsdrucks ΔP′
durch Lösen von ΔP′=Q₁′/AM · K.
(6) Bestimmung der Membrangrenzschichtkonzentration C′M
durch Lösen von C′M=C₀ · (1+Q₀′/Q₂′)/2.
(7) Verwendung von C′M zur Bestimmung des osmotischen
Drucks π′M der Speiselösung in Kontakt mit der semi
permeablen Membran.
(8) Ableitung des Membrangrenzschichtdrucks P′M durch
Lösen von PM′=ΔP′+(π′M-π₁)+P₁.
(9) Verwendung von P₀′ und P′M zur Bestimmung des Druckverlustes
des Strömungsmittels in der Versorgungsleitung
P′L1.
(10) Verwendung von P₂′ und P′M zur Bestimmung des Druckverlustes
PL2′ in der sekundären oder Konzentrationsleitung.
(11) Bestimmung der primären und sekundären Druckver
lustkoeffizienten a₁′ und a₂′ durch Lösen von a₁′=PL1/
(Q₀′)² bzw. a₂′=PL2/(Q₂′)².
Fig. 10 ist ein Blockdiagramm der Vorrichtung gemäß der Erfindung
zur Auswertung des Ausmaßes der Kanalverstopfung
durch Überwachung des Druckverlustes im Kanal.
Ein Speisedruckdetektor 2 schickt ein Signal P₀′ an einen
Druck/Strömungswandler 11a im Überwacher. Der Umwandler
oder Konverter 11a bestimmt die Speiseströmung Q₀′ gemäß
den Q-H-Kennlinien der Pumpe. Ein Konzentrationsdruckdetektor
6 schickt ein Signal P₂′ an einen Konzentrationsströmungsrechner
(Kalkulator) 6b, der die Konzentrationsströmung Q₂′ in
der in (B) beschriebenen Weise ableitet. Infolge des Speise
strömungssignals Q₀′ von Konverter 11a und des Konzentrat
strömungssignals Q₂′ vom Rechner 6b bestimmt ein Recher 30
die Strömung des entsalzten Wassers Q₁′ gemäß der Korrelation
Q₁′=Q₀′-Q₂′. Infolge des Speiseströmungssignals Q₀′
vom Konverter 11a und des Konzentrationsströmungssignals Q₂′ vom
Konverter 6b bestimmt ein Rechner 6c die Durchschnittskonzen
tration C′M der Speiselösung an der Grenzschicht
mit der semipermeablen Membran entsprechend der Korrelation
C′M=C₀ · (1+Q₀′/Q₂′)/2. Infolge des Membrangrenzschicht
konzentrationssignals C′M vom Rechner 6c bestimmt ein Konverter
12a den entsprechenden durchschnittlichen osmotischen
Druck π′M der Speiselösung in Kontakt mit der semipermeablen
Membran entsprechend den Konzentrations/osmotischen Druck
kennlinien. Infolge des Speisedrucks P₀′ vom Detektor 2, des
Konzentratdrucks P₂′ vom Detektor 6, der Speiseströmung Q₀′
vom Konverter 11a, der entsalzten Strömung Q₁′ vom Rechner 30,
der Konzentratströmung Q₂′ vom Konverter 6b und dem durch
schnittlichen osmotischen Druck π′M vom Konverter 12a berechnet
ein Rechner 37 die Parameter, die mit dem Druckverlust im
Kanal zusammenhängen. Als erstes bestimmt der Rechner 37 den
Filtrationsdruck ΔP′ gemäß der Korrelation ΔP′=
Q₁′/AM · K, wobei TM die Konstante für die Fläche der semiper
meablen Membran ist, K ist der Membranleistungsfähigkeitsindex,
geeicht unter Verwendung der Strömungsmitteltemperatur
T, eingespeist vom Temperaturdetektor 14 in Fig. 9, und Q₁′
ist das Strömungssignal des entsalzten Wassers, ausgeschickt
vom Rechner 30. Unter Verwendung des abgeleiteten
Filtrationsdrucks ΔP′, des osmotischen Drucks π′M aus dem
Konverter 12a, der Konstante für den osmotischen Druck des
entsalzten Wassers π₁ und der Konstante für den Druck des ent
054salzten Wassers P₁ bestimmt der Rechner 37 auch den Druck der
Speiselösung in der semipermeablen Membran P′M entsprechend
der Korrelation P′M=Δ′+(πM-π₁)+P₁. Unter Verwendung
des so bestimmten Drucks P′M, des Signals P₀′ vom Detektor
2 und des Signals Q₀′ vom Konverter 11a bestimmt der
Korrelator 37 den Koeffizienten a₁′ für den Druckverlust des
Strömungsmittels in der Speiseleitung, die sich zu den Membranen
in entsprechenden RO (umgekehrte Osmose) Modulen er
sreckt, und zwar entsprechend der Korrelation a₁′=(P₀′-
P′M)/(Q₀′)². Der Koeffizient a₁′ kann als ein Maß für die
Verstopfung der Speiseleitung verwendet werden. In gleicher
Weise verwendet der Rechner 37 den Druck P′M, das Signal P₂′
vom Detektor 6 und Signal Q₂′ vom Rechner 6b, um den Koeffizienten
a₂′ zu berechnen, und zwar für den Druckverlust des
Strömungsmittels in der Sekundärleitung
entsprechend der Korrelation a₂′=(P′M-P₂′)/(Q₂′)².
Der Koeffizient a₂′ kann als ein Maß für die Verstopfung der
Sekundärleitung verwendet werden.
Die Koeffizienten a₁′ und a₂′ können als eine Endausgangsgröße
vom Rechner 37 verwendet werden. Gleichzeitig oder alternativ
kann der Rechner 37 die Summe dieser zwei Koeffizienten
(a′=a₁′+a₂′) als seine Ausgangsgröße erzeugen. Die
Ausgangsgröße des Rechners 37 wird in einen Druckverlustanzeiger
38 eingespeist, der dann den vorhandenen Wert des
Koeffizienten für den Druckverlust des Strömungsmittels anzeigt.
Die Ausgangsgröße des Rechners 37 kann auch als eine
Eingangsgröße verwendet werden, die in einen Speicher 39 ein
gegeben wird, und zwar periodisch an durch eine Zeitsteuerung
41 ausgewählten Intervallen. Die aus dem Speicher 39 ausgelesenen
Daten werden einem Vergangenheitsanzeiger 42 zuge
schickt, der dann die Vergangenheit des Druckverlustes anzeigt,
die in dem Systemkanal aufgetreten ist.
Fig. 11 stimmt allgemein mit Fig. 2 überein und jede der
in der Steuereinheit 9 gezeigten graphischen Darstellungen
veranschaulicht die Kennlinien für den Fall der Verschlechterung
der Pumpenleistungsfähigkeit, verglichen mit der
Leistungsfähigkeit der normalen Pumpe.
Wenn die Leistungsfähigkeit der Zentrifugalpumpe 1 sich ver
schlechtert hat, so verschiebt sich die ausgezogene Linie 21,
die die normale Q-H-Kennlinie angibt, zur gestrichelten Linie
21 hin, wie es in Fig. 11 gezeigt ist. Wenn P₀ bzw. Q₀ den normalen
Druck in der Primärleitung (normaler Pumpenabgabedruck)
bzw. die Normalströmung des Strömungsmittels in der Primärleitung
(normale Pumpenabgabe) für die Strömungsmitteltempera
tur P und die Düsenöffnung AV angeben, so nehmen diese
Systemzustandspegel längs der Systembetriebskennlinienkurve
43 ab (für eine Strömungsmitteltemperatur T und Düsenöffnung
Av) wenn die Leistungsfähigkeit der Pumpe sich ver
schlechtert hat. Anders ausgedrückt gilt folgendes:
P₀<P₀′ und Q₀<Q₀′,
wobei P₀′ und Q₀′ der Abgabedruck der Pumpe und seine Abgabe
für den Fall sind, wo die Pumpenleistungsfähigkeit
sich verschlechtert hat. Wenn diese Beziehungen vorhanden
sind, wird die Strömung des entsalzten Wassers verringert
(vgl. die gestrichelte Kurve 23). Daher ist Q₁<Q₁′ (wobei
Q₁ die Strömung des entsalzten Wassers bei normalen Pumpen
bedingungen ist, und Q₁′ ist der Wert für den Fall der Ver
schlechterung der Pumpenleistungsfähigkeit). In ähnlicher Weise
wird die Strömung der konzentrierten Lösung vermindert,
wenn Q₂<Q₂′ (wobei Q₂ die Strömung der konzentrierten Lösung
bei normalen Pumpenbedingungen ist, und Q₂′ ist der Wert für
den Fall der Pumpenverschlechterung). Da angenommen wird,
daß die Ventilöffnung die gleiche bleibt, unabhängig von der
Systemleistungsfähigkeit, bewirkt die Abnahme der Strömung
der konzentrierten Lösung eine Abnahme der Geschwindigkeit
des durch die Düse laufenden Strömungsmittels (vgl. die
graphische Darstellung 17 in Fig. 11), wie dies durch die Be
ziehung V<V′ angedeutet ist (wobei V die Geschwindigkeit
des durch die Düse laufenden Strömungsmittels bei normalen
Pumpenbedingungen ist, wohingegen V′ der Wert für den Fall
der Pumpenverschlecherung ist).
Die Abnahme der Geschwindigkeit des durch die Düse laufenden
Strömungsmittels wird durch eine Abnahme des Drucks des
Strömungsmittels in der Sekundärleitung hervorgerufen, wenn
P₂<P₂′ (wobei P₂ der Druck des Strömungsmittels in der Se
kundärleitung bei normalen Pumpenbedingungen ist, und P₂′
ist der Wert für den Fall der Pumpenverschlechterung).
Wie man ohne weiteres erkennt, gilt dann, wenn die Leistungs
fähigkeit der Pumpe sich verschlechtert hat, der eine Satz
der folgenden beiden Beziehungssätze: P₀<P₀′ und P₂<P₂′
oder Q₀<Q₀′ und Q₂<Q₂′. Der zweite Beziehungssatz für
den Strömungsmittelfluß ist der gleiche wie derjenige, der
vorhanden ist, wenn ein Teil der Systemkanäle verstopft ist.
Der erste Satz von Beziehungen für den Strömungsmitteldruck
ist einzigartig hinsichtlich der Bestimmungen der Pumpen
leistungsfähigkeit. Es ist daher bei Verwendung dieses ersten
Satzes von Beziehungen möglich zu prüfen, ob bestimmte auf
tretende Probleme auf eine Verschlechterung der Pumpenlei
stungsfähigkeit zurückzuführen sind.
Das Ausmaß, um welches die Leistungsfähigkeit der Zentrifugal
pumpe sich verschlechtert hat, kann durch verschiedene
Verfahren ausgewertet werden. Bei einem Verfahren wird die
relative Größe der Verschlechterung der Pumpenabgabe (Q₀′/Q₀)
als ein Maß für die Verschlechterung der Pumpenleistungs
fähigkeit verwendet. Der Wert Q₀′/Q₀ kann durch das folgende
Verfahren bestimmt werden.
(1) Bestimmung der Geschwindigkeit des Strömungsmittels
an der Düse V′ aus dem detektierten Druck der konzentrierten
Lösung P₂′.
(2) Bestimmung der Strömung der konzentrierten Lösung
Q₂′ aus dem vorliegenden Wert der Düsenöffnung Av und des
Wertes V′, bestimmt in Schritt (1).
(3) Abschätzen oder Initialisieren von Q₀′ für den vorhandenen
Wert der Pumpenabgabe im Falle der Pumpenver
schlechterung.
(4) Verwendung des detektierten Pumpenabgabedrucks P₀′,
des Initial- oder Anfangswertes Q₀′, eingestellt in Schritt
(3) und des Koeffizienten a₁ für den Druckverlust in der Speise
leitung, um so den Membrangrenzschichtdruck P′M zu bestimmen,
und zwar durch Lösen der folgenden Gleichung:
P′M=P₀′-P′L1=P₀′-a₁(Q₀′)².
(5) Verwende C₀ oder die Konstante für die Konzentration
der Speiselösung, Q₀′ gemäß Feststellung in Schritt (3) und
Q₂′ gemäß Bestimmung in Schritt (2), um so die Membrangrenz
schichtkonzentration C′M zu bestimmen, und zwar durch das
Verfahren beschrieben in (ii) (B).
(6) Bestimmung des entsprechenden osmotischen Drucks π′M
aus der Membrangrenzschichtkonzentration C′M bestimmt in
Schritt (5).
(7) Verwendung von P′M und π′M, die jeweils in den Schritten
(4) bzw. (6) bestimmt wurden, um so den Filtrationsdruck ΔP′
durch das in (ii) (B) beschriebene Verfahren
zu bestimmen.
(8) Verwendung des Membranleistungsfähigkeitsindex K,
geeicht durch die detektierte Temperatur T, des
Filtrationsdrucks ΔP′, bestimmt in Schritt (7) und Q₂′′, bestimmt
in Schritt (2) zur Lösung der folgenden Gleichung:
AMK ΔP′+Q₂′=Q₁′+Q₂=Q₀′calc, wobei Q₀′calc′ der berechnete
(kalkulierte) Wert der Pumpenabgabe ist.
(9) Auf den neuesten Stand bringen des Wertes von Q₀′
und Wiederholung der Folge von Schritten (3) bis (8) bis
der berechnete Wert der Pumpenabgabe Q₀′calc gleich dem
anfangs eingestellten Wert Q₀′ ist. Der schließlich erhaltene
Wert von Q₀′calc (endgültig) sollte den vorliegenden
Wert der Pumpenabgabe repräsentieren.
(10) Berechnung des Verhältnisses des vorhandenen Werts
der Pumpenabgabe Q₀′calc (endgültig) zu Q₀′, welches die Abgabe
der Pumpe unter normalen Pumpenbedingungen repräsentiert
für die gleiche Düsenöffnung und den Strömungsmittel
fluß.
Fig. 12 ist ein Blockdiagramm der Vorrichtung gemäß der Er
findung, die den Abfall der Pumpenleistungsfähigkeit (angegeben
durch Q₀′/Q₀) bestimmt, und zwar durch das oben unter
(B) veranschaulichte Verfahren.
Wie in Fig. 12 gezeigt, beliefert ein erster Druck Detektor
2, angeordnet an der Speiseleitung, einen Membrangrenz
flächendruckrechner 44 im Monitor oder Überwacher mit einem
Signal, welches den Druck der Speiselösung P₀′ angibt. Unter
Verwendung der a₁ oder den Koeffizienten für den Druckverlust
in der Speiseleitung repräsentierenden Konstanten, eines
Signals, welches Q₀′ angibt, wobei es sich um einen geschätzten
Wert der Strömung der Speiselösung handelt, die von einem
Speiseströmungsschätzer 46 geliefert wird, und eines Signals,
welches für P₀′ indikativ ist, wobei es sich hier um den
Speisedruck handelt, der vom Detektor 2 geliefert wird, leitet
der Rechner P′M oder den Durchschnittsdruck der Speiselösung
in der semipermeablen Membran ab, und zwar entsprechend
der Korrelation P′M=P₀′-a₁(Q₀′)².
Wie in Fig. 12 gezeigt ist, ist ein zweiter Druckdetektor 6
auf der Sekundärleitung vorgesehen und liefert an einen
Konzentrationsströmungsrechner 6b im Überwacher ein Signal,
welches den Druck der konzentrierten Lösung P₂′ anzeigt.
Unter Verwendung dieses Drucksignals P₂′ und eines den vor
handenen Wert der Ventilöffnung Av anzeigenden Signals, das
von einem Düsenöffnungsrechner in der (nicht gezeigten)
Steuereinheit geliefert wird, bestimmt der Rechner 6b Q₂′
oder die Strömung der konzentrierten Lösung gemäß der Korrelation
Q₂′=AvV′=Avα. Unter Verwendung des berechneten
Wertes Q₂′ der Strömung der konzentrierten Lösung, die
vom Rechner 6b geliefert wird und dem geschätzten Wert Q₀′
der Strömung der Speiselösung, ausgesandt von einer Schätz
vorrichtung 46, bestimmt ein Membrangrenzflächendruckrechner
6c den Membrangrenzflächendruck C′M gemäß der Korrelation
C′M=C₀(1+Q₀′/Q₂′)/2. Ein für C′M repräsentatives Signal
wird an den Konzentrations/osmotischen Druck-Umwandler
(Konverter) 12a geschickt, der dann die Konzentration C′M
in den entsprechenden osmotischen Druck π′M umwandelt. Ein
entsalzter Wasserströmungsrechner 45 berechnet infolge des
Membrangrenzflächendrucksignals P′M vom Rechner 44, des
Signals π′M vom Umwandler 12a, wobei dieses Signal die durch
schnittliche Konzentration der Speiselösung in Kontakt mit
der semipermeablen Membran angibt, und des Signals T vom Temperatur
detektor des Strömungsmittels anzeigt,
die Strömung des entsalzten Wassers Q₁′ entsprechend der
Korrelation
Q₁′=AMKΔP=AMK₀(Dw/T) (P′M-π′M-P₁+π₁),
dabei sind
K₀, P₁ und π₁ Konstante. Ein Speiseströmungskomparator 48
erhält einen berechneten Wert Q₀′calc der Strömung der Speiselösung
durch Addition des berechneten Wertes Q₂′ der Strömung
der konzentrierten Lösung, geliefert vom Rechner 6b und
vom Rechner 45. Der Komparator 48 vergleicht Q₀′calc mit dem
geschätzten Wert Q₀′, der Speiseströmung, geliefert von Schätz
vorrichtung 46. Wenn der Wert der Differenz ΔQ₀, erhalten aus
der Subtraktion von Q₀′calc von Q₀′ größer ist als ein vor
bestimmter positiver Wert β, so liefert der Komparator 48
ein Befehlssignal an die Vorrichtung 47 zum auf den neuesten Stand bringen,
die sodann ein Inkrementsignal in die Schätzvor
richtung 46 einaddiert. Infolge dieses Inkrementsignals liefert
die Schätzvorrichtung 46 einen weiteren geschätzten
Wert der Strömung des entsalzten Wassers, der größer ist als
der zuvor geschätzte Wert. Wenn Q₀′ kleiner ist als Q₀′calc
und wenn der absolute Wert der Differenz ΔQ₀ größer ist als
der vorbestimmte Wert, so liefert der Komparator 48 ein Ver
gleichssignal an die Vorrichtung 47 zum auf den neuesten Stand bringen,
die sodann ein Dekrementsignal in die Schätzvorrichtung 46
einaddiert. Infolge dieses Dekrementsignals liefert die Schätz
vorrichtung einen weiteren geschätzten Wert der Strömung des
entsalzten Wassers, der kleiner ist als der zuerst geschätzte
Wert. Der Monitor (Überwacher) verwendet einen dieser neu
geschätzten Werte zur Duchführung der notwendigen Rekalkulation
oder Wiederberechnung.
Wenn die Differenz ΔQ₀ zwischen Q₀′ und Q₀′calc kleiner ist
als der vorbestimmte Wert β (was die Richtigkeit des ge
schätzten Wertes Q₀′ angibt), so benutzt der Komparator 48
Q₀ oder die normale Strömung der Speiselösung unter normalen
Pumpbedingungen (für die Temperatur und Ventilöffnung,
die die gleichen sind wie die entsprechenden vorhandenen Werte),
um das Verhältnis des entdültigen geschätzten Wertes
Q₀′ (was den derzeitigen Wert der Speiseströmung angibt)
zur normalen Speiseströmung Q₀ zu berechnen. Das Ver
hältnis γ=Q₀′/Q₀ wird an eine Anzeigevorrichtung 49 gesandt,
die sodann den vorhandenen Pegel des Ausmaßes angibt, um den
die Strömung der Speiselösung vermindert wurde. Dieses Ausmaß
kann als ein Maß für die prozentuale Verschlechterung der
Pumpenleistungsfähigkeit verwendet werden.
Das Ausgangssignal Q₀′/Q₀ vom Komparator 48 kann in einen
Speicher 50 periodisch mit durch eine Zeitsteuervorrichtung
51 bestimmten Intervallen eingegeben werden. Durch Lesen der
gespeicherten Daten aus dem Speicher kann eine Historien-
oder Vorgeschichtsanzeigevorrichtung 52 die Geschichte der
Fluktuation der Strömung der Speiselösung angeben, eine
Fluktuation, wie sie während der Verschlechterung der Pumpen
leistungsfähigkeit aufgetreten ist.
Vorzugsweise können die von der Steuereinheit an die Ventil
betätigungsvorrichtung gelieferten Steuersignale entsprechend
Variationen in der Systemleistungsfähigkeit modifiziert werden.
Die entsprechenden Monitoren, gezeigt in (ii) (C), (iii) (C)
und (iv) (C) können zur Erreichung dieses Zwecks ver
wendet werden. Insbesondere kann durch Kombination mit der
Steuereinheit, die zuvor in Verbindung mit Fig. 2 und 4 be
schrieben wurde, jeder dieser Monitoren als ein Mittel ver
wendet werden, um das an die Ventilbetätigungsvorrichtung
angelegte Steuersignal zu modifizieren. Beispielsweise kann
das auf den neuesten Stand bringen des Membranleistungsfähig
keitsindex dadurch erreicht werden, daß man die Steuereinheit
mit dem vorhandenen Wert des Membranleistungsfähigkeitsindex
K₀ liefert, der durch den Membranleistungsfähigkeitsmonitor
ausgewertet wurde. Unter Verwendung des auf den neuesten
Stand gebrachten Index (der die derzeitige Leistungsfähigkeit
der Umkehrosmosevorrichtung anzeigt), kann die
Steuereinheit das Hubsignal modifizieren, das an die Ventil
betätigungsvorrichtung angelegt wird. In gleicher Weise kann
die Steuereinheit mit den Stromwerten der Kanaldruckverlust
koeffizienten a₁ und a₂ (gemäß der Auswertung durch den
Kanalverstopfungsmonitor) beliefert werden, und zwar anstelle
von Konstanten, die zuvor verwendet wurden als Messungen für
die vorausgegangene Leistungsfähigkeit der Kanäle. Bei Ver
wendung der neuen Daten des Kanaldruckverlustes kann die
Steuereinheit eine weitere Berechnung ausführen, um das an
die Ventilbetätigungsvorrichtung angelegte Hubsignal zu modifi
zieren. Auch kann der durch den Pumpenleistungsfähigkeitsmonitor
erhaltene ausgewertete Wert durch die Steuereinheit
verwendet werden, die dann das Hubsignal modifiziert, welches
an die Ventilbetätigungsvorrichtung angelegt wird.
Im zuletzt erwähnten Fall wäre es zweckmäßig, die laufende
Q-H-Charakteristik der Pumpe auf der Basis von mehreren Betriebs
punkten (für sowohl Pumpenangabedruck wie auch Pumpen
abgabe) abzuschätzen, Pumpen, die durch den Pumpenleistungs
fähigkeitsmonitor detektiert wurden. Ein typisches Verfahren
für diese Abschätzung ist die Interplation zwischen den
detektierten Pumpenbetriebspunkten.
Die Ausgangsgröße der entsprechenden Monitoren ermöglicht
es dem Operator festzustellen, ob die drei Hauptkomponenten
des Systems (semipermeable Membran, Strömungskanäle und
Zentrifugalpumpe) Inspektion, Reparatur oder Ersatz benötigen.
Fig. 13 ist ein Blockdiagramm einer Problemdetektiervorrichtung,
die einen sichtbaren und/oder hörbaren Alarm liefert,
um einen abnormalen Abfall der Leistungsfähigkeit einer der
drei Hauptkomponenten der Umkehrsomoseanlage
anzuzeigen. Das Detektierprinzip für die Abnormalität
der entsprechenden Komponenten wurde bereits oben beschrieben,
und zwar unter den Punkten (ii) (A), (iii) (A) und
(iv) (A).
Beim unten gezeigten Ausführungsbeispiel bestehen die Detektier
mittel aus einem Drucksensor oder Fühler 2 zum Detektieren
des Drucks der Speiselösung P₀′ und eines Druckfühlers 6
zum Detektieren des Drucks der konzentrierten Lösung P₂′.
Wiederum unter Bezugnahme auf die Entscheidungstabelle I können
die folgenden Beziehungen verwendet werden, um zu identi
fizieren, welche der drei Komponenten sich verschlechtert
haben. Wenn P₀<P₀′ und P₂<P₂′, so hat sich die Leistungsfähigkeit
der Umkehrosmosevorrichtung verschlechtert.
Wenn P₀<P₀′ und P₂<P₂′, so ist mindestens ein Teil
der Strömungskanäle verstopft. Wenn P₀<P₀′ und P₂<P₂′, so
hat sich die Leistungsfähigkeit der Pumpe verschlechtert.
Bei diesen Beziehungen werden normale Werte P₀ und P₂ mit
den entsprechenden detektierten Werten P₀′ und P₂′ verglichen
und sie zeigen die normalen Drücke der Speiselösung und der
konzentrierten Lösung an, und zwar für den Fall, wo die System
parameter (beispielsweise Strömungsmitteltemperatur T und
Ventilöffnung Av), und zwar nicht die, die sich auf die zu
überprüfende Komponente beziehen, die gleichen sind. Die Werte
P₀ und P₂ werden entweder in dem Steuersystem gespeichert
oder sie werden aus zugehörigen Parametern berechnet.
Ein Drucksensor (vgl. Fig. 13) liefert an einen Komparator
53 ein Signal, welches den vorhandenen Wert P₀′ des Drucks
der Speiselösung angibt. Ein Drucksensor 6 beliefert einen
zweiten Komparator 55 mit einem Signal, welches den derzeitigen
Wert P₂′ des Drucks der konzentrierten Lösung angibt.
Eine Eingabevorrichtung 56 (die von der Tastaturbauart sein
kann oder die gleiche sein kann wie die Eingabevorrichtung
35 gemäß Fig. 5) liefert an einen normalen Druckrechner 54
ein Signal, welches den vorhandenen Wert Q₁ der gewünschten
Strömung des entsalzten Wassers angibt. Unter Verwendung des
vorhandenen Wertes der Ventilöffnung Av, des vorhandenen Werts
der Temperatur T der Speiselösung, detektiert durch den Tem
peratursensor 14 (vgl. Fig. 2 und 14) und des voreingestellten
Werts Q₁ der Strömung des entsalzten Wassers berechnet der
Rechner 54 den normalen Wert P₀ des Drucks der Speiselösung
und den normalen Wert P₂ des Drucks der konzentrierten Lösung,
der geliefert würde, wenn der normale Betrieb des Systems
mit den Werten Av, T und Q₁ durchgeführt würde. Der
Rechner 54 kann durch einen Teil der Steuereinheit gemäß
Fig. 2 realisiert werden. Wie bereits erwähnt, leitet die
Steuereinheit der Fig. 2 aus dem vorhandenen Wert der Strömung
des entsalzten Wassers Q₁ und der detektierten Temperatur
T, P₀ (den Normaldruck der Speiselösung) und P₂ (den
Normaldruck der konzentrierten Lösung) als Zwischenausgangs
größe ab, welche der Operation zur Bestimmung der endgültigen
Ausgangsgröße vorausgeht oder der Ventilöffnung Av für
die Ventilbetätigungsvorrichtung. Die Bestimmung von P₀ und
P₂ setzt natürlich den normalen Betrieb des gesamten Systems
voraus.
Alternativ können verschiedene Werte von P₀ und P₂, die einem
Satz von verschiedenen Niveaus der Temperatur und der Strömung
des entsalzten Wassers entsprechen, in einem Speicher
vorgespeichert werden. In diesem Falle können die normalen
Werte P₀ und P₂ aus dem Speicher ausgelesen werden, und zwar
durch Zugriff mit einem Adressensignal, welches den vorhandenen
detektierten Wert der Temperatur T und die derzeitige
Einstellung der Strömung des entsalzten Wassers Q1 angeben.
Die für die Normalwerte P₀ und P₂ repräsentativen Signale
werden respektive in einen Speisedruckkomparator 53 und einen
Konzentrationsdruckkomparator 55 eingegeben. Der Komparator
53 vergleicht P₀ mit P₀′, was den vorhandenen Wert des Speisedrucks
angibt, der vom Detektor 2 ausgesandt wurde. Wenn P₀
in einem Ausmaß größer ist als P₀′, welches einen tolerierbaren
Bereich l₀ (d. h. P₀P₀′+l₀) übersteigt, so liefert
der Komparator 53 eine Eingangsgröße eines UND-Gatters 57
(zur Überprüfung des Abfalls der Pumpenleistungsfähigkeit)
mit einem Signal (logische "1") über eine Leitung 53a. Wenn
andererseits der vorhandene Wert P₀′ größer ist als der
Normalwert P₀, und zwar in einem Ausmaß, welches den tolerierbaren
Bereich l₀ (d. h. P₀+l₀P₀′) übersteigt, so liefert
der Komparator 53 eine Eingangsgröße eines UND-Gatters
58 (zur Überprüfung der Leitungsverstopfung) und eine Ein
gangsgröße eines UND-Gatters 59 (zur Überprüfung des Abfalls
der Membranleistungsfähigkeit) mit einem Signal über
eine Leitung 53B. In gleicher Weise vergleicht der zweite
Komparator 55 P₂ mit P₂′, was den vorhandenen Wert des Kon
zentrationsdrucks angibt, der vom Detektor 6 ausgeschickt
wurde. Wenn P₂ (Normalwert) größer ist als P₂′ in einem Ausmaß,
welches einen tolerierbaren Bereich l₂ (d. h. P₂P₂′+l₂)
übersteigt, so speist der Komparator ein Signal in die zweiten
Eingänge der UND-Gatter 57 und 58 über Leitung 55A ein.
Wenn P₂′ in einem Ausmaß größer ist als P₂, welches den tolerierbaren
Bereich l₂ (d. h. P₂+l₂P₂′) übersteigt, so
speist der Komparator 55 ein Signal in den anderen Eingang des
UND-Gatters 59 über eine Leitung 55B ein.
Die Werte von l₀ und l₂ zeigen die Breiten der toten Zonen
der entsprechenden Komparatoren 53 und 55 an. Diese Komparatoren
können durch Operationsverstärker realisiert werden,
die Hysteresekennlinien besitzen mit toten Zonen und Breiten
von l₀ und l₂. Die Größe l₀ und l₂ zeigt auch die Ernsthaftigkeit
irgendeines Problems an, welches bei einer be
stimmten Komponente im System auftritt. Jeder der Komparatoren
53 und 55 kann aus zwei oder mehreren Komparatoreinheiten
mit unterschiedlichen Bereichen toter Zonen aufgebaut
sein. Bei Verwendung dieser Konfiguration können Probleme
unterschiedlicher Ernsthaftigkeit, die in der gleichen Komponente
auftreten, voneinander unterschieden werden.
Aus Gründen der Einfachheit verwendet die folgende Beschreibung
den Ausdruck "ein detektierter Druck ist größer (kleiner)
als der Normalwert", äquivalent zu der Aussage "ein detektierter
Druck ist größer (kleiner) als der Normalwert in einem
Ausmaß, welches die Breite der toten Zone eines Komparators
übersteigt."
Wenn der detektierte Wert P₀′ des Drucks der Speiselösung
kleiner ist als der Normalwert P₀ und wenn der detektierte
Wert P2′ des Drucks der konzentrierten Lösung kleiner ist
als der Normalwert (P₀<P₀′ und P₂<P₂′), wird das UND-Gatter
57 in die Lage versetzt, ein Signal an einen Alarm 61 zu
liefern, der dann einen hörbaren und/oder sichtbaren Alarm
erzeugt, der einen Abfall der Leistungsfähigkeit der Pumpe
anzeigt.
Wenn P₀′ größer ist als P₀ und wenn P₂′ kleiner ist als P₂
(P₀<P₀′ und P₂<P₂′), wird das UND-Gatter 58 in die Lage
versetzt, ein Signal an einen Alarm 62 zu liefern, der dann
einen hörbaren und/oder sichtbaren Alarm liefert, der die
Verstopfung einer Leitung oder eines Kanals anzeigt.
Wenn P₀′ und P₂′ größer sind als P₀ bzw. P₂ (bzw. P₀<P₀′
bzw. P₂<P₂′), so wird das UND-Gatter 59 in die Lage versetzt,
ein Signal an einen Alarm 63 zu liefern, der dann
einen hörbaren und/oder sichtbaren Alarm erzeugt, der seinerseits
anzeigt, daß ein verschlechterter oder abnormaler
Betrieb bestimmter Umkehrosmosemodule auftritt.
Aus der vorstehenden Beschreibung ergibt sich, daß die Problem
feststellvorrichtung der Fig. 13 den Benutzer oder Operator
in die Lage versetzt, darüber Bescheid zu wissen, welche
der drei Hauptkomponenten der Unkehrosmoseanlage
einen Leistungsfähigkeitsabfall erlitten
hat. Wenn gewünscht können zwei oder mehrere Komparatoren
mit unterschiedlichen Breiten der toten Zone dazu verwendet
werden, um Probleme in jeder Komponente zu detektieren. Dadurch,
daß man dies tut, ist der Benutzer in die Lage ver
setzt zu wissen, ob eine bestimmte Komponente (die
Osmosevorrichtung, die Pumpe oder Strömungsmittelkanäle) der
Inspektion, Reparatur oder des Ersatzes bedürfen, und es
wird auch darüber Mitteilung gemacht, wann diese Aufgabe
ausgeführt werden muß.
Im Ausführungsbeispiel der Fig. 13 werden der Speisedruck
sensor 2 und der Konzentratdrucksensor 6 als Detektormittel
verwendet. Wenn gewünscht können Strömungsmesser auf der
Speiseleitung und/oder Konzentrationsleitung angeordnet sein,
und zwar zusammen mit diesen Drucksensoren oder als eine
Alternative dazu (vgl. die Entscheidungstabelle I).
Claims (10)
1. Verfahren zum Steuern einer Umkehrosmoseanlage, die eine
Zentrifugalpumpe als Druckerhöhungspumpe für die Speiselösung
aufweist, wobei die gewünschte Produktströmungsrate (Produkt ist
Konzentrat oder Permeat) ausschließlich durch eine Drosselung
des Permeatablaufs eingestellt wird, dadurch gekennzeichnet, daß
über ein Rechnersystem in Abhängigkeit von den Leistungsfähig
keitskennlinien der Zentrifugalpumpe und der Umkehrosmosevor
richtung der zur vorgewählten Produktströmungsrate zugehörige
Systemdruck ermittelt und durch Verstellen der Drossel in der
Konzentratleitung konstant gehalten wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man
als Speiselösung Salzwasser einsetzt und das entsalzte Wasser
(Permeat) als Produkt gewinnt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die
aktuelle Temperatur der Speiselösung erfaßt und daraus der Membran
leistungsfähigkeitsindex K nach der Formel
K=K₀ (Dw/T)berechnet wird, wobei
K₀ eine konstante, bestimmt durch die physikalischen Eigenschaften und die Struktur der semipermeablen Membran,
DW der Diffusionskoeffizient des Wassers in der Membran und
T die Temperatur der Speiselösung ist.
K₀ eine konstante, bestimmt durch die physikalischen Eigenschaften und die Struktur der semipermeablen Membran,
DW der Diffusionskoeffizient des Wassers in der Membran und
T die Temperatur der Speiselösung ist.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet,
daß ausgehend von der gewünschten Strömungsrate des entsalzten
Wassers, die Drehzahl der Zentrifugalpumpe berechnet wird, welche
die Pumpenleistung minimiert, und die Antriebseinheit der
Pumpe derart gesteuert wird, daß die Pumpe mit der berechneten
optimalen Drehzahl läuft.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
daß sowohl der aktuelle Pumpenabgabedruck (P₀) als
auch der aktuelle Konzentratdruck (P₂) kontinuierlich über
Druckfühler erfaßt werden, daraus der aktuelle Druckverlust der
Osmosevorrichtung berechnet und mit Normwerten verglichen wird
und aus den Abweichungen der erforderliche Systemdruck neu bestimmt
und eingestellt wird, um die gewünschte Strömungsrate
aufrechterhalten.
6. Steuervorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem
der Ansprüche 3 bis 5, gekennzeichnet durch Anzeigemittel für
den Membranleistungsfähigkeitsindex.
7. Steuervorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch
einen Speicher zum periodischen Speichern des berechneten Membran
leistungsfähigkeitsindex und Anzeigemittel zum Anzeigen der
gespeicherten Werte.
8. Steuervorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, gekennzeichnet
durch Anzeigemittel für Normzustand und Betriebszustand von Pumpen
abgabedruck (P₀, P₀′) und Pumpenleistung (Q₀, Q₀′).
9. Steuervorrichtung nach Anspruch 8 mit Einrichtungen zum Speichern
und Anzeigen der gespeicherten Werte von P₀, P₀′, Q₀, Q₀′.
10. Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, gekennzeichnet
durch Alarmeinrichtungen, welche bei einem vorbestimmten
Leistungsabfall von Kennwerten ansprechen.
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