CN113993820A - 反渗透装置和用于控制反渗透装置的方法 - Google Patents

反渗透装置和用于控制反渗透装置的方法 Download PDF

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Abstract

一种水净化装置(1)包括反渗透RO设备(26)。RO设备(26)包括RO膜(26a)和进给泵(23)。装置(1)还包括：再循环机构(33)，被配置成将部分废水再循环到给水；温度传感器设备，被配置成测量指示所述RO膜(26a)的温度的温度；及流速传感器设备，被配置成测量指示渗透水的渗透流速的流速。装置(1)还包括控制部件(50)，被配置为控制再循环以实现预定回收率。控制部件(50)还被配置为：基于所测得的指示RO膜(26a)的温度的温度和期望的渗透电导率控制进给泵(23)的速率，以使渗透流速等于节能渗透流速或在节能渗透流速的预定裕量内，该节能渗透流速基于RO膜温度、渗透流速和渗透电导率之间的预定关系确定。本公开还涉及对应的方法。

Description

反渗透装置和用于控制反渗透装置的方法
技术领域
本公开涉及水净化领域，尤其涉及通过反渗透进行水净化。详细地，本公开涉及一种水净化装置和一种用于控制水净化装置的方法。
背景技术
反渗透(RO)是一种水净化技术，并在从海水淡化厂到医疗设备的各种应用中使用。
在使用RO的系统中，给水通常由泵加压并强制通过RO膜以克服渗透压。RO膜是一种半透膜，其可让水通过膜，从而产生经净化的产物流。产物水例如被医疗设备用作在线制备的透析溶液中的成分。
在医疗应用中，净化水的质量持续满足特定要求非常重要。确定净化水质量的常用方法是测量采出水的电导率。电导率是水通过电流的能力的量度。这种能力与水中离子的浓度直接相关。这些导电离子来自溶解的盐和无机物质，如碱、氯化物、硫化物和碳酸盐化合物。离子数越多，电导率越高。因此，电导率测量结果用作水质的量度。
随着老化和大量使用，膜会因结垢和积垢而堵塞，并因膜氧化而劣化。还已知的是膜的渗透性随水温而变化。例如，文献WO20172170081A1公开了水温与膜的渗透性之间存在联系。无论未净化的水的温度或膜的状态如何，都控制渗透水的量以始终保持渗透水的流速恒定。然而，随着温度升高，膜的渗透性增大，从而允许更多的杂质通过膜。因此，控制净化过程以获得稳定的输出从而获得稳定的渗透电导率是一个挑战。
发明内容
本公开的目的是缓解现有技术的至少一些缺点。另一个目的是无论水温如何，从RO设备提供一致质量的渗透水。另一个目的是从RO设备有效地提供一致质量的渗透水。
通过根据独立权利要求的方法和装置以及根据从属权利要求的实施例至少部分地实现这些目的和其他目的。
根据第一方面，本公开涉及一种用于控制水净化装置的方法。该水净化装置包括反渗透RO设备和进给泵，该RO设备包括RO膜，该进给泵接收进水并将给水传送到RO设备的入口，由此RO设备产生渗透水和废水。该方法包括：通过再循环机构将部分废水再循环到给水以实现渗透流速与进给流速的预定回收率；估计或测量指示RO膜温度的温度；以及估计或测量指示渗透水的渗透流速的流速。该方法还包括：基于所估计的或测得的指示RO膜温度的温度和期望的渗透电导率控制进给泵的速率，以使渗透流速等于节能渗透流速或在节能渗透流速的预定裕量内，该节能渗透流速是基于RO膜温度、渗透流速和渗透电导率之间的预定关系确定的。
无论水温如何，该方法都能提供一致的产物水质量。该方法可以使能耗下降，因为进给泵使用的功率与膜的温度相适应，不会以高于所需的功率进行驱动。该方法将装置维持在工作点，在该工作点处它产生具有期望的电导率(即，预定电导率或目标电导率)的产物水。因此，该方法控制水净化装置以有效的方式产生水。
在一些实施例中，节能渗透流速等于实现期望的渗透电导率所需的最小渗透流速。于是，控制进给泵的速率包括：控制进给泵的速率以实现节能渗透流速，该节能渗透流速是实现期望的渗透电导率所需的最小渗透流速。因此，该方法将装置维持在工作点，在该工作点处它产生具有期望的电导率的渗透水，同时将能耗降至最低。
在一些实施例中，控制进给泵的速率包括：在RO膜的温度升高时控制进给泵的速率以增大渗透水的流速；以及在RO膜的温度降低时控制进给泵的速率以降低渗透水的流速。因此，无论温度如何，都可以保持渗透水的质量。
在一些实施例中，该方法包括：将部分废水传送到排水管。废水中含有已被膜截留的杂质，并且一些废水可被传送到排水管，以降低循环水中杂质的浓度，从而也减少了结垢。在一些实施例中，该方法包括：测量渗透水的电导率，并控制排放阀以将部分废水传送到排水管，从而使渗透水的电导率等于期望的渗透电导率或在期望的渗透电导率的预定裕量内。通过降低杂质的浓度并因此降低循环水的电导率，该方法支持装置使用较少的功率保持在期望的工作点。如果进给泵使用较少的功率，则它通常也会产生较少的热量，这些热量可能加热水和RO膜表面。随着热量增加碳酸钙沉淀并在RO膜表面形成水垢，需要保持RO膜温度较低，以减少结垢。
在一些实施例中，该方法包括：测量再循环点下游的渗透流速，并控制渗透水从再循环点到进给泵上游点处的进水的再循环，以在再循环点下游获得预定的渗透流速。因此，可以实现预定的渗透流速以满足消费者的需要，并且有时可以重新使用过量的采出渗透水。因此，可以增大渗透流速，以获得更高的渗透压力，从而获得更低的渗透电导率。
在一些实施例中，该方法包括：测量给水的电导率。于是，控制进给泵速率包括：还基于测得的给水的电导率控制进给泵速率，以使渗透流速等于节能渗透流速或在节能渗透流速的预定裕量内，其中，该节能渗透流速是基于RO膜温度、渗透流速、渗透电导率和给水电导率之间的预定关系确定的。因此，该控制可以适应流入进给泵的流入水的变化的电导率。
在一些实施例中，控制进给泵包括：通过反馈控制器控制进给泵，其中，反馈控制器的输入是渗透流速，控制变量是进给泵速率。因此，实现自调节控制。
在一些实施例中，控制排放阀包括：使用反馈控制器，其中，反馈控制器的输入是渗透水的电导率，控制变量是排放阀的开度。因此，实现自调节控制。
在一些实施例中，再循环包括：将回收率计算为
Figure BDA0003420296750000031
因此，可以连续或持续地确定回收率，连续或持续地控制回收率。
根据第二方面，本公开涉及一种水净化装置。该水净化装置包括反渗透RO设备和进给泵，该RO设备包括RO膜，该进给泵被配置成接收进水并将给水传送到RO设备的入口，由此，该RO设备被配置成产生渗透水和废水。该装置还包括：再循环机构，被配置成将部分废水再循环到给水；温度传感器设备，被配置成测量指示RO膜的温度的温度；以及流速传感器设备，被配置成测量指示渗透水的渗透流速的流速。该装置还包括控制部件，被配置为通过再循环机构控制部分废水的再循环，以实现渗透流速与进给流速的预定回收率。该控制部件还被配置为基于指示RO膜的温度的测得的温度和期望的渗透电导率来控制进给泵的速率，以使渗透流速等于节能渗透流速，或在节能渗透流速的预定裕量内，该节能渗透流速是基于RO膜温度、渗透流速和渗透电导率之间的预定关系确定的。
无论水温如何，该装置都能提供一致的产物水质量。该装置可以使能耗下降，因为进给泵使用的功率与膜的温度相适应，不会以高于所需的功率进行驱动。该装置保持在工作点，在该工作点处它产生具有期望的电导率的产物水。
根据一些实施例，该装置包括：渗透再循环管线，被布置在渗透水管线中的再循环点与进水管线之间；控制设备，被配置成控制渗透再循环管线中的再循环渗透水的流速；以及第二流速传感器设备，被配置成测量再循环点下游的渗透流速。控制部件被配置为通过控制设备控制渗透再循环管线中的渗透水的再循环，以在再循环点下游获得预定的渗透流速。因此，可以实现预定的渗透流速以满足消费者的需要，并且有时可以重新使用过量的采出渗透水。
根据一些实施例，再循环机构是再循环泵。因此，可以以简单的方式在膜上保持期望的(即，预定的)净驱动压力NDP，并且与仅具有进给泵相比可以降低能耗。
根据第三方面，本公开涉及一种计算机程序，其包括使根据第一方面的装置执行根据第二方面的方法的步骤的指令。
根据第四方面，本公开涉及一种其上存储有第三方面的计算机程序的计算机可读介质。
附图说明
图1示出了根据一些实施例的概念性水净化系统。
图2示出了根据第一实施例的水净化装置。
图3示出了根据第二实施例的水净化装置。
图4示出了根据第二方面的用于控制水净化装置的方法的流程图。
图5示出了作为温度、进给电导率和渗透流的函数的示例性的三维曲线图，其示出了在何处能够产生大约30μS/cm的渗透电导率。
具体实施方式
下面将描述水净化装置和用于控制该装置的方法。水净化装置依赖于反渗透RO，并且本公开的目的是控制该装置使得该装置始终如一地产生具有期望的预定质量的渗透水。
RO膜的渗透性随着给水温度的变化(这也会改变膜的温度)而变化。热水的粘度比冷水低，扩散率也比冷水高。膜的孔在较高的温度下扩大，导致从进给侧到产物侧更大的流量通过膜。因此，较高的温度导致膜上更大的渗透流以及通过膜的增大透盐率(saltpassage)。如果透水率和透盐率两者受温度的影响相同，则废液率不会随温度变化而改变。然而，高温使盐比水更容易穿过膜，导致含有成比例地更大量的溶解盐的更大的水流。为了提高脱盐率(salt rejection rate)，需要更多的渗透水穿过膜来稀释盐，这可以通过以下方式来实现：增大进给侧压力，从而引起更大的流量。
基于这些见解，发明人已经意识到渗透电导率作为RO膜温度、进给电导率和渗透流速的函数而变化。净驱动压力(从膜的进给侧到渗透侧的压差减去渗透压)对渗透流速有直接影响。因此，净驱动压力与渗透流速成比例。净驱动压力与进给泵的每分钟转数(RPM)成比例，因此，可以通过进给泵直接控制渗透流速。因此，对于每个膜温度和进给电导率，可以确定进给泵速率，其可选地在消耗最少量的能量的情况下实现期望的渗透电导率。
以上理解为有效控制水净化装置提供了基础。下面将描述概念性水净化系统和水净化装置的一些实施例。
图1概念性地示出了根据示例实施例的水净化系统的多个模块。多个模块包括第一模块10、第二模块20和第三模块60。第一模块10包括预净化步骤，在该步骤中，对来自例如水龙头的水进行预处理。例如，第一模块10包括一个或多个碳床，其用于去除氯。第一模块10产生经净化的进水，该进水被传送到第二模块20。第二模块20使用反渗透来净化水。使用进给泵对进入的经净化的进水加压，并将其推动通过RO膜以产生渗透水。渗透水被传送到第三模块60，在第三模块60处，使用去离子器(例如，使用电去离子(EDI)、电容去离子(CDI)、反向电渗析(EDR)或离子交换树脂床)进一步处理渗透水。来自去离子器的净化水称为产物水。产物水被传送到消费者点以供另一个应用收集或使用。
图2示出了根据本公开第一实施例的水净化装置1。水净化装置1(以下称为“装置1”)可以包括图1中所示的水净化系统的模块20。或者，装置1直接从水龙头接收水。在一些实施例中，装置1还包括模块10和/或模块60。
装置1包括RO设备26和进给泵23，该RO设备26包括RO膜26a。装置1在入口管线40的一个端部处的连接点20a处接收经预处理的进水或直接从源接收进水。入口管线40的另一端部连接到进给泵23的入口。在进给泵23与RO设备26之间布置进给管线41，进给管线41的一个端部连接到进给泵23的出口，而另一端部连接到RO设备26的入口。进给泵23被配置成经由进水管线40从连接点20a接收进水，并经由进给管线41将给水泵送到RO设备26的入口。进给泵23例如是磁驱动旋转叶片泵。RO设备26被配置成从接收到的加压给水产生渗透水和废水。渗透管线42连接在RO设备26与连接点20b之间。渗透管线42的一个端部连接到RO设备26的渗透出口，而另一端部限定连接点20b。渗透水通过渗透管线42到达连接点20b。废液管线43将RO设备26与再循环管线44和废物管线45连接。废液管线43的一个端部连接到RO设备26的废液出口，而另一端部连接到再循环管线44和废物管线45。再循环管线44连接在废液管线43与进给管线41之间。因此，再循环管线44的一个端部连接到废液管线43，而另一端部连接到进给管线41。废物管线45连接在废液管线43与连接到排水管46的出口之间。因此，废物管线45的一个端部连接到废液管线43，而另一个端部连接到出口。出口可以反过来利用软管或类似物连接到排水管46。
再循环机构33被配置成将部分废水再循环到给水。再循环机构33布置到再循环管线44。再循环机构33例如是再循环泵。在一个实施例中，再循环泵是磁驱动旋转叶片泵。通过(除了进给泵之外)具有再循环泵，可以独立地控制跨膜26a两侧的净驱动压力NDP和废液流速。进给泵23维持膜26a上的压力，再循环泵33在再循环管线44中产生必要的流速以维持回收率。因此，不需要如在先前系统中那样控制进给泵23以维持回收率，相反，可以将进给泵23控制到已知的产生特定渗透流速的特定RPM。于是，温度升高时膜26a上可预见的压降将减小。减小的压降使得膜26a被更均匀地加压，从而在膜上产生更均匀的渗透通量。这可以防止膜26a的不均匀结垢。而且，当使用这种双泵系统时，与仅具有进给泵23(无再循环泵)相比，可以降低运行泵所需的能量。这是因为在再循环泵控制再循环流速时，进给泵23更容易实现高净驱动压力。此外，通过使用两台泵而不是一台泵，噪音水平降低，就像只使用一台泵一样，一台泵需要以更高的RPM驱动，因此会产生更多的噪音。
可替代地，再循环机构33是控制阀，例如，流量控制阀或压力控制阀。流量控制阀例如是限流阀(例如，限流器)，其仅允许预定的流速通过。压力控制阀将水的输入压力降低到其输出处期望的预定压力。然后，进给泵用于产生进给流速，并与控制阀一起在膜26a上产生压力。
在单泵系统中(具有进给泵但没有再循环泵)，进给泵23产生流速和压力两者，因此这些参数彼此耦合，无法独立改变。净驱动压力由膜26a和控制阀中的阻力产生。因此，进给泵23必须输送大量的水以建立推动水通过膜26a所需的压力。通过用再循环泵代替控制阀，进给泵23可以在没有高水流的情况下对再循环管线44加压。因此，进给泵23可以以低得多的rpm运行。再循环泵产生再循环流速但不必产生任何压力，因为再循环管线44由进给泵23加压。
排放阀32被配置成将部分废水传送到排水管46。排放阀32被布置到废物管线45。在一些实施例中，排放阀32是手动可配置的。在一些实施例中，排放阀32是电动阀，因此，它可以被自动控制和配置。
装置1包括多个传感器设备，这些传感器设备例如用于监测装置1的功能。这里的装置1包括电导池28，其被配置成测量渗透水的电导率C3。电导池28被布置到渗透管线42。电导率测量结果通常应该基于温度进行校准，并且在一些实施例中，装置1包括渗透温度传感器设备，其被配置成测量渗透水的温度T3。温度传感器设备29被布置到渗透管线42。在一些实施例中，温度传感器设备29被配置成测量接近RO设备26的渗透出口(例如，在RO设备26的渗透出口附近)的渗透水的温度。在一些实施例中，装置1包括第一流速传感器设备27，其被配置成测量渗透管线42中渗透水的流速。因此，装置1包括第一流速传感器设备27，其被配置成测量指示渗透水的渗透流速的流速。
在一些实施例中，装置1包括：入口电导池21，其被配置成测量入口管线40中进水的电导率C1。可选地，装置1包括：入口温度传感器设备22，其被配置成测量入口管线中进水的温度T1。在一些实施例中，装置1包括：进给电导池24，其被配置成测量进给管线41中给水的电导率C2。可选地，装置1包括：进给温度传感器设备25，其被配置成测量进给管线41中给水的温度T2。在一些实施例中，装置1包括：废液电导池30，其被配置成测量废液管线30中废水的电导率C4。可选地，装置1包括：废液温度传感器设备31，其被配置成测量废液管线43中废水的温度T4。装置1还包括被配置成测量指示RO膜26a的温度的温度的温度传感器设备。该温度传感器设备可以是本文所述的任何温度传感器设备，例如入口温度传感器设备21、进给温度传感器设备25、废液温度传感器设备31或本文所述的任何其他温度传感器设备。
装置1还包括控制部件50。控制部件50通常包括控制电路，例如，处理器和存储器。处理器包括例如一个或多个中央处理单元(CPU)。存储器包括例如一个或多个存储器单元。在一些实施例中，存储器存储计算机程序，该计算机程序包括使装置1执行用于控制水净化装置1的方法的指令。因此，计算机程序存储在计算机可读介质上。计算机可读介质也可以存储在外部存储器上，例如闪存、基于云的存储器或另一台计算机上的存储器。控制部件50还包括通信接口，其可以是有线的或无线的，以便能够与装置1的组件(例如，传感器设备、泵、再循环机构、阀、用户界面等)进行通信。诸如传感器设备等组件应理解为包括被配置为感测或测量期望的特性的传感器。
控制部件50例如被配置为从描述的组件(例如，电导池、温度传感器设备、流速传感器设备、泵、再循环机构、阀等)接收信息，例如，测得的传感器设备值或数据。控制部件50还被配置为向描述的组件(例如，进给泵、再循环机构、废物阀等)发送控制信号或控制数据。
图3示出了根据第二实施例的水净化装置。除了参考图2中的水净化装置已经描述的组件之外，图3中的水净化装置1还包括渗透再循环管线47，其布置在渗透水管线42中的再循环点48与进水管线40之间。因此，渗透再循环管线47连接渗透水管线42和进水管线40。再循环点48位于第一流速传感器设备27的下游，并且位于第二流速传感器设备35和渗透压力传感器设备36的上游。渗透再循环管线47连接到位于进给泵23上游和入口电导池21及入口温度传感器设备22(如果存在的话)下游的进水管线40。控制设备34被配置成控制渗透再循环管线47中的再循环渗透水的流速。在一些实施例中，控制设备34是阀，例如电动阀。第二流速传感器设备35被配置成测量再循环点48下游的渗透流速。在一些实施例中，装置1包括渗透压力传感器设备36，其被配置成测量再循环点48下游的渗透管线42中的压力。
除了先前所描述的之外，装置1的第二实施例中的控制部件50还被配置为从附加组件(例如，电导池、温度传感器设备、流速传感器设备、压力传感器设备、阀等)接收测得的传感器设备值。控制部件50还被配置为将控制信号或控制数据发送到另外描述的组件，例如渗透再循环阀34等。
下面将描述用于控制水净化装置(例如，根据关于图2或图3描述的任一实施例的水净化装置1)的方法。该方法的目的是控制水净化装置以有效的方式产生水。该方法通常作为计算机程序加载到装置1的控制部件的存储器中，并且该计算机程序在由装置1的控制部件的处理器执行时，使装置1执行计算机程序的指令。在一些实施例中，该方法能够控制RO膜26a上的净驱动压力(NDP，从膜的进给侧到渗透侧的压差减去渗透压)和流速以最大化膜26a的性能，同时最小化废水和能耗。
在该方法开始之前，装置1在点20a处连接到水源。水源是例如水龙头或预处理模块10(图1)。在开始水净化之前，可以测试水以确保其电导率不超过装置被设计用于处理的上限电导率阈值。打开水，从而水在点20a处流入入口管线40。进给泵23朝向RO设备26泵送水，在RO设备26处，给水被分成渗透水和废水。该方法包括：通过再循环机构33将部分废水再循环S1到给水。执行再循环以连续实现渗透流速与进给流速的预定回收率。回收率被确定为多少给水变成渗透水，因此，多少给水渗透过RO膜26a进入渗透流中。RO膜26a的最大回收率通常是由RO设备的制造商设置的设计参数。如果回收超过其设计值，则废水将变得盐饱和，膜表面将开始形成水垢。为了避免这种情况，回收例如由制造商设置为最大回收，例如，在15-25％之间，等于0.15-0.25的最大回收率。如已知的，回收是由回收率乘以100％计算得出的。通常连续监测和控制回收率。预定回收率例如被设置为最大回收。或者，允许预定回收率在区间内变化，其中最大回收率限定该区间的上限。膜26a的回收率Y可以计算为
Figure BDA0003420296750000101
其中，Qp是渗透流速，Qf是进给流速。在一些实施例中，再循环S1包括：测量渗透水的渗透流速Qp。例如利用第一流速传感器设备27测量渗透流速。再循环S1还可包括：提供给水的进给流速Qf的估计结果。进给流速Qf可以根据Qf＝Qp+Qdrain估计，其中，Qdrain是通向排水管的废水(也称为排放水)的流速。如本领域技术人员所知道的，Qdrain可以根据排放阀打开的时间量和/或程度来估计。于是，再循环S1包括：计算回收率Y为
Figure BDA0003420296750000102
并且控制再循环以获得预定回收率。例如，再循环S1包括：使用反馈控制器，其中，计算出的回收率与期望的(例如，最大的)回收率之间的误差被最小化。进给流速是再循环管线44的连接点下游的进给管线41中的给水的速率。已经发现来自相应的泵的流速可以根据同一泵的流速估计，因此，流速与泵的速率(例如，RPM)成比例，因为泵排量是已知的。因此，来自泵的流速可以根据来自泵的流速与同一泵的RPM之间的映射来确定。因此，来自进给泵23的流速可以根据进给泵23的速率来估计。再循环流速可以根据再循环机构33(例如，再循环泵)的速率来估计。进给流速并且因此进入RO设备的流速可以根据估计的再循环流速和来自进给泵的估计的流速的总和估计。或者，利用进给流速传感器设备(未示出)测量进给流速，该流速传感器设备被配置成测量再循环管线44的连接点下游的进给流速。
进水的温度在一年中可能有所不同。例如，在夏季，进水的温度可能升高，而在冬季，进水的温度可能降低。进水的温度影响膜26a的温度。膜26a的温度也可能受到装置1的环境的温度的影响。随着空气温度变化，整个装置1的温度可能发生变化。这也可能影响膜26a的温度。如上所述，膜的性能随温度变化。因此，当控制装置1时应考虑膜26a的温度。因此，该方法还包括：估计或测量S2指示RO膜26a温度的温度，由此RO膜26a的温度。该估计或监测可包括监测S2指示RO膜26a温度的温度。进水、给水、废水和渗透水中的任一个、组合或几个的平均值的温度可以是膜26a的温度的估计结果。或者，可以使用膜对任何提到的温度或多个提到的温度的温度依赖性的模型。在另一个替代方案中，温度传感器设备(未示出)被配置成直接测量膜26a的温度或RO设备26中的水的温度。
膜孔径将随着温度升高而增大，导致渗透流增大，并且膜26a上的压力减小。随着孔径增大，更多的污染物也可以通过膜26a。于是，膜26a的脱盐率降低。脱盐率被确定为
Figure BDA0003420296750000111
其中，Cp是渗透电导率，Cf是进给电导率(由此，在再循环管线44的再循环点下游的进给管线41中的给水的电导率)。为了获得脱盐率百分比，乘以100即可。通过测试已经得出结论，通过增大进给侧压力(由此，再循环管线44中的压力)，脱盐率增大。这是因为更多的渗透水穿过膜，对盐进行稀释。随着更多的渗透水穿过膜26a，渗透流速增大。测试表明，给水电导率的增大也降低系统的性能，但不如温度升高影响那么大，并且在较高温度下，高电导率的负面影响更为突出。与较低温度相比，在高温下，增大的进给侧压力对脱盐率有更大的积极影响。由于测试表明升高的温度降低净驱动压力(NDP)，而减小的进给压力降低脱盐率，因此可以得出结论，对进给侧压力或渗透流速使用固定的设定点值是行不通的。相反，可以确定给定温度的设定点，并且可以将进给侧压力或渗透流速用作设定点。通过使用渗透流速而不是进给侧压力作为工作点，可以在进行控制的同时补偿诸如膜污染、结垢和膜中的个体差异等因素。因此，选择渗透流速作为进给泵控制的设定点。
假设进水的电导率相当恒定，可以为膜的每一个温度确定节能渗透流速。确定节能渗透流速，从而实现期望的渗透电导率。该方法还包括：估计或测量S3指示渗透水的渗透流速Qp的流速。渗透流速反映直接在RO设备26下游的渗透水的流速。该估计或测量S3可包括：监测S3渗透流速Qp。在以下将描述的一些实施例中，该方法还包括：测量S4给水的电导率。该方法还包括：基于指示RO膜温度的估计的或测得的温度和期望的渗透电导率，控制S5进给泵23的速率，以使渗透流速等于节能渗透流速或在节能渗透流速的预定裕量内，该节能渗透流速是基于RO膜温度、渗透流速和渗透电导率之间的预定关系确定的。因此，然后估计的或测得的渗透流速与预定的节能渗透流速进行比较，并且如果它们不相等或在预定裕量内，则改变进给泵的速率。在一些实施例中，控制S5包括：通过反馈控制器控制进给泵23，其中，反馈控制器的输入是估计的渗透流速，控制变量是进给泵速率。反馈控制器例如是P控制器、PI控制器或PID控制器，其中，P代表比例，I代表积分，D代表微分。控制器实现为控制回路算法。通常，调节进给泵速率以最小化估计的渗透流速与期望的预定的节能渗透流速之间的误差。
例如使用用以测量渗透流速的第一流速传感器设备27(图2和图3)测量渗透流速。可替代地，通过测量进给流速和废液流速并从进给流速中减去废液流速来估计渗透液流速。
在一些实施例中，RO膜温度、渗透流速和渗透电导率之间的预定关系包括在预定方案或表格中，在该预定方案或表格中，膜温度、渗透流速和渗透电导率配对或相关。因此，该方案或表格给出了渗透流速应具有的值，以在特定温度给出特定的渗透电导率。因此，通过将估计的膜温度与表中针对特定的期望渗透电导率的膜温度值相匹配，可以针对该特定的期望渗透电导率，为每个估计的膜温度确定节能渗透流速。于是，针对该特定的期望渗透电导率匹配膜温度值将给出节能渗透流速。
在一些实施例中，节能渗透流速等于实现期望的渗透电导率所需的最小渗透流速。于是，控制S5进给泵23的速率包括：控制进给泵23的速率以实现作为实现期望的渗透电导率所需的最小渗透流速的节能渗透流速。进给泵23的RPM越高，消耗的能量就越多。换句话说，对于每个膜温度，RO设备26都有最佳工作点，在该最佳工作点处，在进给泵23消耗的能量尽可能少的情况下，RO设备26产生具有期望的电导率的渗透水。进给泵23的消耗功率(因此以瓦特为单位进行测量)与渗透流速相关。因此，针对每个膜温度的最佳工作点被确定为产生期望的渗透电导率的最低渗透流速。这些结果可以转化为确定在不同温度下渗透流速应该是多少的函数。
图5示出了示例性三维曲线图，其示出了平面P，在该平面P中可以产生期望的渗透电导率，其为膜温度tm(℃)、进给电导率C2(μS/cm)和渗透流速Qp(ml/min)的函数。该曲线图的数据是通过使用再循环泵作为再循环机构的实验获得的。这里期望的渗透电导率约为30μS/cm，但也可以是其他期望的设定点。曲线图中的点k表示对于不同的膜温度、进给电导率和渗透流速，可以实现近似期望的渗透电导率的点。这些点用作二阶插值的基础以获得平面P，并且已经通过实验方式获得。因此，对于某个RO膜，平面P是对在给定的膜温度和进给电导率下产生期望的渗透质量(这里为30μS/cm的渗透电导率)所需的渗透流速的估计结果。在一些实施例中，前述计划或表格包括平面P的离散点。可替代地，平面P可以表示为函数f(tm,C1)＝Qp。能耗和节水以某种方式耦合在一起，使得不可能同时将两者最小化。例如，增大的进给压力导致膜26a更高的脱盐率，因此可以再循环更多的水而不是通过排放阀46被废弃。这意味着节水将花费更多的能量。另一方面，如果要最小化能耗，脱盐率就会降低，那么必须废弃更多的水。因此，提高水利用率将增大能耗，反之亦然。然而，通过选择上述平面上的曲线，可以找到一种算法，该算法最小化能耗而不会浪费比实现期望的渗透电导率所需的更多的水。因此，可以选择由函数f(tm)＝Qp表示的曲线，如图中的阴影线所示。该函数允许装置使用具有高电导率的入口流体工作，当温度降低时，装置通过减少渗透流来节能。在一些实施例中，该曲线表示RO膜温度、渗透流速和渗透电导率之间的预定关系。该曲线可以由离散点表示，并且在一些实施例中，离散点被包括在作为膜温度、渗透流速和渗透电导率的预定的方案或表格中。因此，该方案或表格给出了渗透流速应具有的值，以在特定温度给出特定的渗透电导率。通过将估计的温度与方案或表格中的膜温度值或范围相匹配，在某个期望的渗透电导率，可以获得与其相关的、用以获得该期望的渗透电导率所需的渗透流速。然后可以控制进给泵以实现所需的渗透流速，例如，通过测量实际的渗透流速并将其与所需的渗透流速进行比较。如果实际的渗透流速与所需的渗透流速不相等(可选地在预定裕量内，例如，期望的渗透电导率的±5％内，或在期望的渗透电导率的区间内，例如，期望的渗透电导率的±5％内)，则改变进给泵速率，直到它们相等为止(可选地，直到进给泵速率在预定裕量或区间内)。
从图5中的图表可知，当装置1在40℃下运行时，产生30μS/cm的渗透电导率的最大允许电导率被限制为1292μS/cm。在一个示例实施例中，选择允许装置1在40℃下的最大允许电导率下运转的函数，但是当膜温度降低时，装置1将通过减少渗透流来节能。例如，如果膜温度为40℃，则该函数将节能渗透流速设置为1440ml/min。如果温度降低到30℃，则该函数将节能渗透流速设置为767ml/min，从而节能。如果温度进一步降低到20℃，则算法将节能渗透流速设置为506ml/min。在一个示例实施例中，函数则为：Qp＝2.2254·t2-85.209·t+1320.6，其中，t是膜温度。实验期间使用的泵(进给泵和再循环泵)是来自福力德(Fluid-o-Tech)的磁力驱动旋转叶片泵TSSS401。这些泵的最大静压为20巴(bar)，速度限制为1725rpm，标称流速为400l/h。排放阀是比例阀，更具体地说是电动角座控制阀。该阀具有集成定位器并控制通过阀的流量。RO膜是来自陶氏反渗透膜的可热消毒RO膜元件，更详细地说是聚酰胺薄膜复合型膜，产品规格为HSRO-4118，零件号为164869。然而，实验中使用的这些设备可以与类似的设备互换。
通常，当RO膜的温度升高时，进给泵23的速率应增大以提高渗透流，从而稀释渗透水，使得渗透电导率不会因在RO膜变热时而穿过RO膜的离子等的量的增加而受到损害。因此，在一些实施例中，控制S5进给泵23的速率包括：控制进给泵23的速率以在RO膜26a的温度升高时增大渗透水的流速。当RO膜的温度降低时，进给泵23的速率应减小以降低渗透流，从而不会比获得预定的渗透电导率所需的更难操作进给泵23，因为在RO膜变冷时较少量的离子穿过RO膜。因此，在一些实施例中，控制S5进给泵23的速率包括：控制进给泵23的速率以在RO膜26a的温度降低时减小渗透水的流速。RO膜26a的温度的升高或降低通常通过将RO膜26a的当前估计的或测得的温度与RO膜26a的先前估计的或测得的温度进行比较来确定。如果存在差异，则存在RO膜26a的温度的升高或降低，相应地控制进给泵23的速率。
通向排水管
被RO膜截留的盐等被浓缩在废水中。在一些实施例中，该方法包括：将部分废水传送到排水管46，以去除一些浓缩的颗粒。如前所述，剩余的废水被再循环到给水。因此，给水的浓度并且因此其电导率可以保持为低于预定阈值，并且可选地相当恒定。
如前所述，期望将装置保持在被认为对RO膜最佳的工作点。例如，该工作点是在假定某个恒定的进给电导率的情况下设置的。由于再循环水积累了从RO膜中排出的盐等，从而也增大了给水中盐的量，给水电导率也将增大。于是，可能无法将RO膜保持在选定的工作点，从而渗透电导率会增大。然而，通过将一些废水传送到排水管而不再循环，再循环水的浓度将降低。随之，给水电导率降低，并且装置1可以保持在其工作点。因此，在一些实施例中，该方法包括：测量S6渗透水的电导率。因此，可以评估渗透电导率。例如，电导池28用于测量渗透电导率。该方法还包括：控制S7排放阀32以将部分废水传送到排水管46，以使渗透水的电导率等于期望的电导率或在期望的电导率的预定裕量内。例如，该方法包括：控制排放阀32打开以将废水传送到排水管，使得渗透电导率变为期望的渗透电导率。渗透电导率例如用渗透电导池28测量。在一些实施例中，控制排放阀32包括：使用反馈控制器，其中，反馈控制器的输入是渗透水的电导率，控制变量是排放阀32的开度，例如排放阀的打开程度。排放阀32通常具有两个状态，完全打开或完全关闭。在一些实施例中，排放阀32可配置为多个打开状态，在这些状态下，体积流率逐渐增大到完全打开，在完全打开时，允许最大体积流率。反馈控制器例如是P控制器、PI控制器或PID控制器。控制器实现为控制回路算法。通常，调节排放阀32的开度以最小化渗透水的电导率与期望的渗透电导率之间的误差。可替代地，排放阀32设置为以预定的恒定间隔打开，该间隔已被确定为与装置匹配，从而实现期望的渗透电导率。
净驱动压力取决于再循环管线44中的进给压力、渗透侧压力以及由膜26a两侧的不同盐浓度引起的渗透压。为了节能，在再循环管线44中具有低渗透侧压力和低电导率是有利的。为了节约水，控制排放阀32在再循环管线44中积累高电导率的水，这增大了NDP。然而，这个缺点是必需保持高水利用，NDP的轻微下降对于提高水利用而言是值得的。可以通过增大再循环泵速度来提高进给侧压力，但这需要更多能量。在不降低水利用率或增大能耗的情况下提高装置1的NDP的一种方式是降低渗透侧压力。这可以通过选择具有低压降的渗透侧(RO单元下游)的组件并通过使用短的渗透管线42来实现。
在控制装置期间，渗透流速会发生变化，从而产生的渗透量会发生变化。在某些情况下，期望产生具有特定流速的渗透水。为此，一些渗透水被再循环到进给泵23上游的点。因此，过量的渗透水可以被重新使用，而不是例如被传送到排水管。为此目的，可使用渗透再循环管线47，如图3中的第二实施例所示。为了控制渗透流速，测量或估计渗透流速。因此，在一些实施例中，该方法包括：测量S8在再循环点48下游的渗透流速。例如在渗透流体管线42中测量渗透流速。该方法还包括：控制S9渗透水从再循环点48再循环至进给泵23上游的点处的进水，以在再循环点48下游获得预定的渗透流速。例如利用渗透再循环阀34(图3)进行控制。在一些实施例中，后处理模块60(图1)在装置1之后，并且后处理模块60产生产物水。该方法于是可以包括：测量产物水的流速，并控制渗透水的再循环以在后处理模块60下游获得预定的产物流速。通过再循环过量产生的渗透水，进水将变得更纯净，因为它是用经净化的渗透水稀释的。因此，进给泵可以使用更少的能量，因为它不必推动如此多的水通过膜来将水净化到期望的电导率。替代地或组合地，排放阀32可被配置(控制或设置)为将较少量的废水传送到排水管。于是，更多的废水将再循环到进给管线41，从而节约了水。
进水的电导率在一年中可能有所不同。变化的进水电导率通常导致变化的给水电导率。通过具有也取决于给水电导率的预定关系，可以获得针对不同的给水电导率或不同的进水电导率的最佳工作点。通过对再循环水电导率进行建模，进水电导率可用于通过使用该模型来确定进水电导率。因此，在一些实施例中，该方法包括：测量S4给水的电导率。于是，进给泵速率的控制S5包括：还基于给水的测得的电导率，控制S5进给泵速率，以使渗透流速等于节能渗透流速或在节能渗透流速的预定裕量内，该节能渗透流速是基于RO膜温度、渗透流速、渗透电导率和给水电导率之间的预定关系确定的。例如，如果返回到图5的图表，可以选择曲线函数f(tm,C1)＝Qp，其中，C1被选择为匹配进给电导率和/或入口电导率。入口电导率可以利用入口电导池21测量。例如，选择曲线，其中，C1等于进给电导率或入口电导率。在一些实施例中，以特定间隔(例如，每个月)测量进给电导率或入口电导率，并以相同的时间间隔相应地更新最佳工作点。在其他实施例中，在装置1运行时，进给电导率或入口电导率被连续或持续地测量，并且最佳工作点以相同的间隔(即，连续或持续地)更新。
本公开还涉及如前所述的控制部件50。控制部件50被配置为通过再循环机构33控制部分废水的再循环，以实现渗透流速与进给流速的预定回收率。控制部件50还被配置为基于指示RO膜26a的温度的测得的温度和期望的渗透电导率来控制进给泵23的速率，以使渗透流速等于节能渗透流速或在节能渗透流速的预定裕量内，该节能渗透流速是基于RO膜温度、渗透流速和渗透电导率之间的预定关系确定的。
在一些实施例中，节能渗透流速等于实现期望的渗透电导率所需的最小渗透流速。在这种情况下，控制部件50被配置为控制进给泵23的速率以实现作为用于实现期望的渗透电导率所需的最小渗透流速的节能渗透流速。
在一些实施例中，控制部件50被配置为控制进给泵23以在RO膜26a的温度升高时增大渗透水的流速，并且在RO膜26a的温度降低时减小渗透水的流速。
在一些实施例中，控制部件50被配置为控制排放阀32以将部分废水传送到排水管46，从而使渗透水的电导率等于期望的渗透电导率或在期望的渗透电导率的预定裕量内。
在一些实施例中，控制部件50被配置为使用反馈控制器来控制排放阀32，其中，反馈控制器的输入是渗透水的测得的电导率，控制变量是排放阀32的开度。
在装置1的第二实施例中，如图3所示，装置1还包括渗透再循环管线47，其布置在渗透水管线42中的再循环点48与进水管线40之间。装置1还包括：控制设备34，其被配置成控制渗透再循环管线中的再循环渗透水的流速；以及第二流速传感器设备35，其被配置成测量再循环点48下游的渗透流速。在该实施例中，控制部件50是被配置为通过控制设备34控制渗透再循环管线47中的渗透水的再循环，以在再循环点48下游获得预定的渗透流速。
在一些实施例中，控制部件50被配置为还基于给水的测得的电导率来控制进给泵23的速率，以使渗透流速等于节能渗透流速或在节能渗透流速的预定裕量内，该节能渗透流速是基于RO膜温度、渗透流速、渗透电导率和给水电导率之间的预定关系确定的。
在一些实施例中，控制部件50被配置为通过反馈控制器控制进给泵12，其中，反馈控制器的输入是渗透流速，控制变量是进给泵速率。
在一些实施例中，控制部件50被配置为提供给水的进给流速Qf的估计结果，并且计算回收率为
Figure BDA0003420296750000181
渗透水的渗透流速Qp例如从第一流速传感器设备27获得。
尽管已经结合当前被认为是最实用和优选的实施例描述了本发明，但是应当理解，本发明不限于公开的实施例，相反，本发明旨在覆盖包括在所附权利要求书的范围内的各种修改和等同布置。

Claims (21)

1.一种用于控制水净化装置(1)的方法，所述水净化装置(1)包括：
反渗透RO设备(26)，包括RO膜(26a)；以及
进给泵(23)，接收进水并将给水传送到所述RO设备(26)的入口，由此所述RO设备(26)产生渗透水和废水；其中，所述方法包括：
通过再循环机构(33)将部分废水再循环(S1)到所述给水以实现渗透流速与进给流速的预定回收率；
估计或测量(S2)指示RO膜(26a)温度的温度；
估计或测量(S3)指示所述渗透水的渗透流速Qp的流速；
基于所估计的或测得的指示RO膜温度的温度和期望的渗透电导率控制(S5)所述进给泵(23)的速率，以使所述渗透流速等于节能渗透流速或在所述节能渗透流速的预定裕量内，所述节能渗透流速是基于RO膜温度、渗透流速和渗透电导率之间的预定关系确定的。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述节能渗透流速等于实现所述期望的渗透电导率所需的最小渗透流速。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，控制(S5)所述进给泵(23)的速率包括：
在所述RO膜(26a)的温度升高时，控制所述进给泵(23)的速率以增大渗透水的流速；以及
在所述RO膜(26a)的温度降低时，控制所述进给泵(23)的速率以降低渗透水的流速。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述方法包括：
测量(S6)渗透水的电导率；
控制(S7)排放阀(32)以将部分废水传送到排水管(46)，从而使渗透水的电导率等于所述期望的渗透电导率或在所述期望的渗透电导率的预定裕量内。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，控制(S7)所述排放阀(32)包括：使用反馈控制器，其中，所述反馈控制器的输入是渗透水的电导率，控制变量是所述排放阀(32)的开度。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，包括：
测量(S8)再循环点(48)下游的渗透流速；
控制(S9)渗透水从所述再循环点(48)到所述进给泵(23)上游点处的进水的再循环，以在所述再循环点(48)下游获得预定的渗透流速。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，包括：
测量(S4)给水的电导率；
其中，控制(S5)进给泵速率包括：
还基于测得的给水的电导率控制进给泵速率，以使所述渗透流速等于所述节能渗透流速或在所述节能渗透流速的预定裕量内，其中，所述节能渗透流速是基于RO膜温度、渗透流速、渗透电导率和给水电导率之间的预定关系确定的。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，控制(S5)所述进给泵(23)包括：通过反馈控制器控制所述进给泵(23)，其中，所述反馈控制器的输入是渗透流速，控制变量是进给泵速率。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述再循环(S1)包括：
提供所述给水的进给流速Qf的估计结果；以及
将回收率计算为
Figure FDA0003420296740000021
10.一种水净化装置(1)，包括：
反渗透RO设备(26)，包括RO膜(26a)；以及
进给泵(23)，被配置成接收进水并将给水传送到所述RO设备(26)的入口，由此所述RO设备(26)被配置成产生渗透水和废水；
再循环机构(33)，被配置成将部分废水再循环到所述给水；
温度传感器设备，被配置成测量指示所述RO膜(26a)的温度的温度；
第一流速传感器设备(27)，被配置成测量指示所述渗透水的渗透流速的流速；
控制部件(50)，被配置为：
通过所述再循环机构(33)控制部分废水的再循环，以实现渗透流速与进给流速的预定回收率；
基于所测得的指示所述RO膜(26a)的温度的温度和期望的渗透电导率来控制所述进给泵(23)的速率，以使所述渗透流速等于节能渗透流速，或在所述节能渗透流速的预定裕量内，所述节能渗透流速是基于RO膜温度、渗透流速和渗透电导率之间的预定关系确定的。
11.根据权利要求10所述的装置(1)，其中，所述节能渗透流速等于实现所述期望的渗透电导率所需的最小渗透流速。
12.根据权利要求10或11所述的装置(1)，其中，所述控制部件(50)被配置为控制所述进给泵(23)以：
在所述RO膜(26a)的温度升高时，增大渗透水的流速；以及
在所述RO膜(26a)的温度降低时，降低渗透水的流速。
13.根据权利要求10至12中任一项所述的装置(1)，包括：电导池(28)，被配置成测量渗透水的电导率；以及排放阀(32)，被配置成将部分废水传送到排水管(46)；其中，所述控制部件(50)被配置为：
控制所述排放阀(32)以将部分废水传送到所述排水管(46)，从而使渗透水的电导率等于所述期望的渗透电导率或在所述期望的渗透电导率的预定裕量内。
14.根据权利要求13所述的装置(1)，其中所述控制部件(50)被配置为：使用反馈控制器来控制所述排放阀(32)，其中，所述反馈控制器的输入是所测得的渗透水的电导率，控制变量是所述排放阀(32)的开度。
15.根据权利要求10至14中任一项所述的装置(1)，还包括：
渗透再循环管线(47)，被布置在渗透水管线(42)中的再循环点(48)与进水管线(40)之间；
控制设备(34)，被配置成控制渗透再循环管线中的再循环渗透水的流速；
第二流速传感器设备(35)，被配置成测量所述再循环点下游(48)的渗透流速；其中，所述控制部件(50)被配置为：
通过所述控制设备(34)控制所述渗透再循环管线(47)中的渗透水的再循环，以在所述再循环点(48)下游获得预定的渗透流速。
16.根据权利要求10至15中任一项所述的装置(1)，包括：
给水电导池(24)，被配置成测量所述给水的电导率；并且其中，所述控制部件(50)被配置为：还基于所测得的给水的电导率控制所述进给泵(23)的速率，以使所述渗透流速等于所述节能渗透流速或在所述节能渗透流速的预定裕量内，其中，所述节能渗透流速是基于RO膜温度、渗透流速、渗透电导率和给水电导率之间的预定关系确定的。
17.根据权利要求10至16中任一项所述的装置(1)，其中，所述控制部件被配置为通过反馈控制器控制所述进给泵(12)，其中，所述反馈控制器的输入是渗透流速，控制变量是进给泵速率。
18.根据权利要求10至17中任一项所述的装置(1)，其中，所述再循环机构(33)是再循环泵。
19.根据权利要求10至18中任一项所述的装置(1)，其中，所述控制部件(50)被配置为提供所述给水的进给流速Qf的估计结果，以及将回收率计算为
Figure FDA0003420296740000041
20.一种计算机程序，包括使根据权利要求10至19中任一项所述的装置(1)执行根据权利要求1至9中任一项所述的方法的步骤的指令。
21.一种计算机可读介质，其上存储有根据权利要求20所述的计算机程序。
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