CN111268844A - 基于微电网供电的盐碱水淡化循环系统及用途 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于微电网供电的盐碱水淡化循环系统。包括取水子系统、过滤子系统、热蒸发子系统、晒盐系统、微电网系统、过程控制系统,利用太阳光热将盐碱地的咸水中盐分和蒸腾凝结水有效分离、实现水资源转化和盐分转移并加以综合利用。其中,取水子系统主要从田边水池取水;过滤子系统通过纳滤膜系统和反渗透膜系统,进行盐、水初步分离;热蒸发子系统通过太阳能加热浓缩后的浓盐碱水;晒盐系统将加热后的浓盐水通过晾晒析出晶体盐;微电网系统负责通过光伏发电,给整套系统提供电力能源供应。本发明可以作为缓解水资源短缺和改善盐碱地的重要途径之一,对提高干旱地区人们生活品质、改善沙漠干旱区域生态环境具有重要意义。

Description

基于微电网供电的盐碱水淡化循环系统及用途
技术领域
本发明涉及微电网工程应用及生态盐碱水淡化领域,特别是涉及一种基于微电网供电的盐碱水淡化循环系统。
背景技术
干旱地区淡水资源紧缺现象已成为许多国家面临的严峻问题,甚至可能引发战争。我国西部及北部的部分地区其每年降水极为有限,气候极干旱,区域年降雨量有的甚至不足100mm,水资源短缺、土壤盐碱化和土地沙漠化是威胁当地居民生存的三大突出问题。目前,我国农业用水部门已经开始转向考虑对沙漠化地区的盐碱水的循环利用以缓解干旱压力和日益加剧的供水矛盾,但因对盐碱水缺乏有效的处理技术,对盐碱水资源灌溉利用的利弊得失认识不足,致使灌区排出的盐碱水再灌溉后造成土壤更严重的二次污染,对作物产量和品质影响极大。干旱地区农田排出的大量未经处理的盐碱水不仅浪费了有限的水资源,而且给农业生产与环境带来威胁。灌区排碱沟排水进入河流,还导致河水体矿化度不断升高,引起流域范围的进一步生态环境问题。考虑到干旱地区日照却相对充足,利用太阳光热使盐与水分离是解决上述问题的有效手段。利用太阳光热将盐碱水中盐分和蒸腾凝结水有效分离、实现水资源转化和盐分转移并加以综合利用,作为缓解水资源短缺和有效改善盐碱地的重要途径之一,不仅是水利和农业科学面临的重大研究课题,而且对提高当地人们生活品质、改善流域生态环境具有重要的战略意义。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足,提供一种基于微电网供电的盐碱水淡化循环系统,以缓解干旱压力和日益加剧的供水矛盾,解决干旱及土地盐碱化地区淡水资源不足的问题。本发明所采用的技术方案如下:
基于微电网供电的盐碱水淡化循环系统,其特征在于,所述系统包括:取水子系统、过滤子系统、热蒸发子系统、晒盐系统、微电网系统、过程控制系统;取水子系统的设置过滤子系统的进水箱,过滤子系统通过管路和所述进水箱相连;过滤子系统的淡水出水口与淡水箱相连,过滤子系统的浓水出口和浓盐水箱相连,浓盐水箱通过管路和热蒸发子系统相连,通过太阳能加热浓缩后的浓盐碱水;晒盐系统将加热后的浓盐水通过晾晒析出晶体盐;微电网系统负责通过光伏发电,给整套盐碱水淡化循环系统提供电力能源供应。取水子系统包括:取水泵;沙滤罐;进水箱。其主要作用是通过取水泵从野外取水存入沙滤罐,对水质中的沙石泥草等大块杂质进行初步沉淀,并将沙滤后的盐碱水存入进水箱进入纳滤子系统。
取水子系统包括取水泵、沙滤罐、进水箱;取水泵、沙滤罐、所述进水箱通过管路依次连接。
过滤子系统包括纳滤膜系统、浓水箱、反渗透膜系统;纳滤膜系统的设置目的是初步分离氯离子、水分子和其他二价及高价离子;含二价及高价离子的盐碱水进入浓水箱进而排出;含氯离子的浓盐水反渗透系统进一步分离;本单元系统为高压浓缩系统,回收90%的淡液,使得进入后续热蒸发子系统的水量减少,以减少热蒸发需要的热量;
纳滤膜系统的进口通过管路和取水子系统的进水箱相连,纳滤膜系统的淡盐水出口和反渗透膜系统相连,纳滤膜系统的浓水出口和浓水箱相连;
反渗透膜系统的淡水出口与淡水箱相连,浓盐水出口和浓盐水箱相连。
热蒸发子系统包括:冷凝器;光伏加热系统;蒸发器;冷盐碱水经蒸发器产生的蒸汽在冷凝器中加热后进入光伏加热系统,被基础加热后的盐碱水再进入光伏加热系统加热,提高了加热效率,且产生的蒸汽冷凝水可以作为蒸馏水使用,而蒸汽的来源为对盐碱水蒸发获得;其中的结构包括:
冷凝器的盐碱水入口通过管道和过滤子系统的浓水箱相连,冷凝器的盐碱水出口和光伏加热系统,冷凝器设置加热介质进口和冷凝水出口,加热介质进口和蒸发器的蒸汽出口通过管道相连;
光伏加热系统的加热后的盐碱水出口和蒸发器的进口连接;
蒸发器的盐碱水出口和光伏加热系统的进口之间还连接管道,蒸发后的盐碱水温度下降且未达到晒盐浓度,则利用循环泵抽入光伏加热系统继续加热循环。
所述蒸发器采用闪蒸器,并可进一步设置电加热装置,电加热装置与微电网系统连接,能够由微电网系统供电发热,对蒸发器中的盐碱水加热蒸发。当天气较热,光伏发电量较大,微电网系统发电量大于用电量时,多余的电能则用于发热,加快蒸发器蒸发。
蒸发器设置真空泵,使得整个热蒸发子系统能够都处于真空,被浓缩达标的盐碱水被引导至收集罐。
微电网子系统包括:光伏发电系统;支撑结构;汇流系统;逆变系统;储能电池系统。该系统以“发电—充电”一体化设计,将太阳能板发出的电能用于该盐碱水淡化系统的生产用电(主要供给系统中仪器仪表用电、控制系统用电、电机用电、抽水泵用电、过滤子系统用电、蒸发器中加热管用电);同时将多余的电能储存在储能系统中,一方面在太阳光照不足时补充该系统的用电;另一方面为该系统电力子系统提供稳定的电源供应,以维持整个系统供电负荷的平衡和稳定性。全套系统由通讯及控制系统统一管理调度各子系统用电,保持全系统稳定运行。
过程控制系统(通讯及控制系统)包括:PLC、数据通讯系统(MODBUSRTU)、人机界面单元(HMI)、机柜、不间断电源(UPS)。通讯及控制系统以PLC为核心,通过DI,DO,AI,AO对设备状态进行监视和控制,同时与光伏储能控制单元(mPPT),逆变器(INV)以及配电系统EPM表通过MODBUSRTU进行通讯。有3种类型的人机界面(HMI),包括:现地工作站、触摸屏以及通过4G网关VPN进行远程监控的系统。
本发明的基于微电网供电的盐碱水淡化循环系统能够用于改善沙漠干旱区域生态环境,并取得显著效果,它以该地区的盐碱水为对象将其处理为向该区域提供的灌溉用淡水、蒸馏水,以及回收钠离子使其能够被利用,并且利用沙漠干旱区域充沛的太阳能为盐碱水淡化循环系统供电。
本发明的特点主要体现在以下几个方面:
(1)该系统可充分利用干旱地区当地资源和气候特点,即盐碱水、充足光照热等资源、特点,因地制宜开展盐、水分离,与传统的海水淡化技术相比,该系统用电量较少,对于外部能源的依赖度较低,可大大节约电力资源的消耗;
(2)该系统考虑当地地理分布限制及太阳能资源丰富的特点,采用微电网供电技术,全部能源采用光伏绿色能源,实现电力自给;
(3)该系统采用纯物理分离技术,不添加额外的分离药剂及化学品,避免了对当地土壤及河流的二次污染,具有极高的环保推广价值;
(4)与传统的海水淡化系统相比,该系统成本较低,设备价格不高,具有更高的可推广性;
(5)与传统的海水淡化系统相比,该系统除了可降低盐碱水的盐度外,还可通过过滤子系统的纳滤膜回收钠离子、硫酸根例子(硫元素)等,这些元素都是重要的化学化工原料,一方面这些原料可降低系统运行成本,另一方面,这些原料对于生产、生活都具有重要的价值;此外,该系统产生的淡水资源中有部分水资源纯度较高(比如热蒸发子系统的冷凝水),可直接饮用甚至作为蒸馏水使用,产品附加值较高,经济价值更优。
附图说明
图1为基于微电网供电的盐碱水淡化循环系统示意图;
图2为取水子系统和过滤子系统部分的详细示意图;
图3为蒸发子系统流程图;
图4为微电网子系统示意图;
图5为过程控制系统(通讯及控制系统)架构图;
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。此外,下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明涉及基于微电网供电的盐碱水淡化循环系统。该系统包括:取水子系统、过滤子系统、热蒸发子系统、晒盐系统、微电网系统、过程控制系统等部分组成,利用太阳光热将咸水中盐分和蒸腾凝结水有效分离、实现水资源转化和盐分转移并加以综合利用。其中,取水子系统主要从田边水池取水,并对水质中的沙石泥草等大块杂质进行初步沉淀;过滤子系统通过纳滤膜系统和反渗透膜系统,进行盐、水初步分离;热蒸发子系统,通过太阳能加热浓缩后的浓盐碱水;晒盐系统将加热后的浓盐水通过晾晒析出晶体盐;微电网系统负责通过光伏发电,给整套系统提供电力能源供应;过程控制系统以PLC为基础,对整体系统进行过程控制。作为缓解水资源短缺和有效改善盐碱地的重要途径之一,该发明不仅解决了水利和农业科学面临的重大研究课题,而且对提高干旱地区人们生活品质、改善沙漠干旱区域生态环境具有重要的战略意义。为说明本发明效果,下面对本发明方法进行详细说明:
本系统包括:1)取水子系统;2)过滤子系统;3)热蒸发子系统;4)晒盐系统;5)微电网系统;6)过程控制系统;
一、取水子系统包括:取水泵、沙滤罐、进水箱,取水泵、沙滤罐、进水箱通过管路依次连接。其主要作用是通过取水泵从野外取水存入沙滤罐,对水质中的沙石泥草等大块杂质进行初步沉淀,并将沙滤后的盐碱水存入进水箱进入纳滤子系统。
二、过滤子系统包括:纳滤膜系统、浓水箱、反渗透膜系统,纳滤膜系统的进口通过管路和取水子系统的进水箱相连,纳滤膜系统的淡盐水出口和反渗透膜系统相连,纳滤膜系统的浓水出口和浓水箱相连。
纳滤膜系统:本单元系统的设置目的是初步分离氯离子、水分子和其他二价及高价离子;含二价及高价离子的盐碱水进入浓水箱进而排出;含氯离子的淡盐水由反渗透系统进一步分离;
反渗透膜系统:本单元系统为高压浓缩系统,回收90%的淡液,使得进入后续热蒸发子系统的水量减少,以减少热蒸发需要的热量。其中,反渗透膜系统的淡水出口与淡水箱相连,浓盐水出口和浓盐水箱相连。淡水箱中的水最终送至淡水池,可供灌溉用。
三、热蒸发子系统包括:冷凝器(热交换器)、光伏加热系统(太阳能加热板)、蒸发器;其中,反渗透膜系统的浓盐水箱通过管道和冷凝器(热交换器)的下部入口相连。热蒸发子系统还配置相关的仪表及管道系统。
冷凝器(热交换器):冷盐碱水从入口进入冷凝器,从出口流出冷凝器,冷盐碱水作为持续的冷源,用于将热蒸汽冷却成淡水;热蒸汽从蒸汽进口进入,作为持续的热源,用于将冷盐碱水预热;最后淡水从下出口收集取走。冷盐碱水经过装置内部的管束(细管),管束分为上下两个部分,下部管束水流流向从右往左,上部管束水流流向从左往右。下部水流往上部走。热蒸汽经过装置的外管,热蒸汽进入后充满整个装置的内部空间,与管束接触发生热交换。
光伏加热系统(太阳能加热板)由多根水平并行排列的真空晒管串联而成,真空晒管原理与太阳能热水管原理相似。晒热装置分为上下两层,上层管置于下层管间的间隙,从而最大地利用空间,使更多的真空玻璃管能够受到太阳光照射。冷凝器(热交换器)的盐碱水出口和光伏加热系统(太阳能加热板)的进水口(位于下端)相连,预热后的咸水进入晒管持续加热,光伏加热系统(太阳能加热板)的出水口(位于上端)与闪蒸罐(蒸发器)的进口相连,达到沸腾温度时排入闪蒸罐(蒸发器)里进行气液分离,因此需要根据温度和流量进行控制。其中,闪蒸罐(蒸发器)还可通过循环管路与光伏加热系统(太阳能加热板)的进水口(位于下端)相连,蒸发后的咸水温度下降且未达到晒盐浓度,则利用循环泵抽入晒管继续加热循环。
蒸发器:达到热度要求的高温咸水进入蒸发器,蒸发器经过真空处理,使气液分离速度更快,产生的高温蒸汽迅速抽出。而未达到浓度要求的盐水将被抽出进入到晒管继续加热,需要根据情况进行控制。一旦达到晒盐浓度,蒸发器内咸水立即全部导出。蒸发器中有真空泵,安装在蒸发器的正上方,抽出的水蒸气也可冷凝为蒸馏水进行利用;同时,通过抽蒸汽过程,使得整个热蒸发子系统都处于真空。蒸汽冷凝后的淡水从收集罐的上部进入,当罐体收集满淡水之后,排出封装运走。蒸发器下部装有加热管,与微电网系统中光伏发电系统相连,当天气较热,光伏发电量较大,微电网系统发电量大于用电量时,多余的电能则用于发热,加快蒸发器蒸发。
四、微电网子系统包括:光伏发电系统;支撑结构;汇流系统;逆变系统;储能电池系统。其中,支持结构主要支持光伏板发电板和作为电池支架使用;光伏发电板连接汇流系统;汇流系统连接逆变系统;逆变系统连接储能电池系统和电网母线,并根据控制系统的指令,控制电流进入母线或被电池系统存储;该系统以“发电—充电”一体化设计,将太阳能板发出的电能用于该盐碱水淡化系统的生产用电(主要供给系统中仪器仪表用电、控制系统用电、电机用电、抽水泵用电、过滤子系统用电、蒸发器中加热管用电);同时将多余的电能储存在储能系统中,一方面在太阳光照不足时补充该系统的用电;另一方面为该系统电力子系统提供稳定的电源供应,以维持整个系统供电负荷的平衡和稳定性。全套系统由通讯及控制系统统一管理调度各子系统用电,保持全系统稳定运行。
五、过程控制系统(通讯及控制系统)包括:PLC、数据通讯系统(MODBUSRTU)、人机界面单元(HMI)、机柜、不间断电源(UPS)。通讯及控制系统以PLC为核心,通过DI,DO,AI,AO对设备状态进行监视和控制,同时与光伏储能控制单元(mPPT),逆变器(INV)以及配电系统EPM表通过MODBUSRTU进行通讯。此外,控制系统还连接取水子系统、过滤子系统、热蒸发子系统、晒盐等系统中的各种传感器以及仪表、电动阀门、泵机等设备通过有线网络相连,以实现对整个上述系统运行数据的获取以及实时控制的实现。有3种类型的人机界面(HMI),包括:现地工作站、触摸屏以及通过4G网关VPN进行远程监控的系统。
本领域的技术人员容易理解,以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于微电网供电的盐碱水淡化循环系统,其特征在于,所述系统包括:取水子系统、过滤子系统、热蒸发子系统、晒盐系统、微电网系统、过程控制系统;取水子系统的设置过滤子系统的进水箱,过滤子系统通过管路和所述进水箱相连;过滤子系统的淡水出水口与淡水箱相连,过滤子系统的浓水出口和浓盐水箱相连,浓盐水箱通过管路和热蒸发子系统相连,通过太阳能加热浓缩后的浓盐碱水;晒盐系统将加热后的浓盐水通过晾晒析出晶体盐;微电网系统负责通过光伏发电,给整套盐碱水淡化循环系统提供电力能源供应。
2.如权利要求1所述的盐碱水淡化循环系统,其特征在于,取水子系统包括取水泵、沙滤罐、进水箱;取水泵、沙滤罐、所述进水箱通过管路依次连接。
3.如权利要求1所述的系统,其特征在于,过滤子系统包括纳滤膜系统、浓水箱、反渗透膜系统;
纳滤膜系统的进口通过管路和取水子系统的进水箱相连,纳滤膜系统的淡盐水出口和反渗透膜系统相连,纳滤膜系统的浓水出口和浓水箱相连;
反渗透膜系统的淡水出口与淡水箱相连,浓盐水出口和浓盐水箱相连。
4.如权利要求1所述的盐碱水淡化循环系统,其特征在于,热蒸发子系统包括:冷凝器;光伏加热系统;蒸发器;
冷凝器的盐碱水入口通过管道和过滤子系统的浓水箱相连,冷凝器的盐碱水出口和光伏加热系统,冷凝器设置加热介质进口和冷凝水出口,加热介质进口和蒸发器的蒸汽出口通过管道相连;
光伏加热系统的加热后的盐碱水出口和蒸发器的进口连接;
蒸发器的盐碱水出口和光伏加热系统的进口之间还连接管道,蒸发后的盐碱水温度下降且未达到晒盐浓度,则利用循环泵抽入光伏加热系统继续加热循环。
5.如权利要求4所述的盐碱水淡化循环系统,其特征在于,所述蒸发器中设置电加热装置,电加热装置与微电网系统连接,能够由微电网系统供电发热,对蒸发器中的盐碱水加热蒸发。
6.如权利要求1所述的盐碱水淡化循环系统,其特征在于,微电网系统包括:光伏发电系统、支撑结构、汇流系统、逆变系统、储能电池系统。
7.如权利要求1所述的盐碱水淡化循环系统,其特征在于,过程控制系统包括:数据通讯系统、人机界面单元、机柜、不间断电源。
8.如权利要求4所述的系统,其特征在于,蒸发器设置真空泵,使得整个热蒸发子系统能够都处于真空,被浓缩达标的盐碱水被引导至收集罐。
9.如权利要求6所述的系统,其特征在于,过程控制系统以PLC为核心并包括数据通讯系统及人机界面(HMI),通过DI,DO,AI,AO对设备状态进行监视和控制,同时与光伏储能控制单元(mPPT),逆变器(INV)以及配电系统EPM表通过MODBUSRTU进行通讯;有3种类型的人机界面(HMI),包括:现地工作站、触摸屏以及通过4G网关VPN进行远程监控的系统。
10.权利要求1-9所述的基于微电网供电的盐碱水淡化循环系统用于改善沙漠干旱区域生态环境,其特征在于以该地区的盐碱水为对象将其处理为向该区域提供的灌溉用淡水、蒸馏水,以及回收钠离子,并且利用沙漠干旱区域的太阳能为盐碱水淡化循环系统供电。
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