電去離子控制系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開大體上涉及通過電去離子(EDI)來對(duì)水進(jìn)行凈化，且更具體來說，涉及在一范圍內(nèi)且以水質(zhì)目標(biāo)輸送水的改進(jìn)的EDI方法和系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]在1980年代后期首次引入EDI系統(tǒng)之后，EDI快速商業(yè)化，這首先是為了在工業(yè)過程中產(chǎn)生高純度水，接著是為了在工業(yè)過程(例如，尿素脫鹽)中對(duì)非離子流進(jìn)行去離子化，且最近是為了在實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)中產(chǎn)生高純度水。在廣泛范圍的應(yīng)用中迅速采用EDI工藝的原因在于，EDI是移除離子污染物以產(chǎn)生高純度水的最節(jié)省成本的水凈化工藝之一。
[0003]雖然不同EDI系統(tǒng)在I到18ΜΩ cm的水質(zhì)(WQ)范圍上操作，但個(gè)別EDI系統(tǒng)不提供可選擇的范圍或目標(biāo)水質(zhì)，也不能夠在EDI模塊的使用壽命期間維持恒定WQ。相比之下，單級(jí)反滲透(RO)水凈化系統(tǒng)無法可靠地產(chǎn)生具有高于1ΜΩ.cm的WQ的水，且WQ時(shí)常低于 0.1M Ω.cm。
[0004]用于在實(shí)驗(yàn)室中產(chǎn)生高純度水的EDI系統(tǒng)應(yīng)該簡單且便宜，同時(shí)在受終端用戶最小干預(yù)或不受終端用戶干預(yù)的情況下輸送高純度水。此外，這些系統(tǒng)大多數(shù)使用自來水作為其供水，而自來水取決于設(shè)施的位置和該年的季節(jié)而具有廣泛濃度范圍的各種污染物。所有這些因素導(dǎo)致極大范圍的離子污染物存在于水凈化系統(tǒng)中，這些離子污染物的形式有溶解鹽與弱離子化物質(zhì)(諸如CO2、二氧化硅和硼)兩者。因此，在實(shí)驗(yàn)室中將EDI工藝用于水凈化系統(tǒng)是EDI技術(shù)的最嚴(yán)格的應(yīng)用之一，這是因?yàn)殡m然面臨這些挑戰(zhàn)，但水凈化系統(tǒng)應(yīng)作為簡單的實(shí)驗(yàn)室用具而發(fā)揮性能。
[0005]第5，762，774號(hào)美國專利公開了基于法拉第定律來使用適當(dāng)?shù)腄C電流源(可變電流電力供應(yīng)器)和電流比，且基于EDI模塊的離子負(fù)載而計(jì)算施加到EDI模塊以實(shí)現(xiàn)“預(yù)先指定的等級(jí)的去離子化”的電流。所公開的電流比是最小電流或法拉第電流的I到50倍。該文獻(xiàn)未指定水質(zhì)的范圍，并且沒有記載如何解決延長的空閑時(shí)間之后的啟動(dòng)時(shí)段。類似地，第6，365，023號(hào)美國專利公開了以足夠高以確保施加到模塊的電流適應(yīng)實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)中所遭遇的大的動(dòng)態(tài)范圍的離子負(fù)載的電流比來使用恒定電流電力供應(yīng)器。所要求保護(hù)的比是法拉第電流的I到15倍。
[0006]第6，391，178號(hào)美國專利和第6，726，822號(hào)美國專利公開了將DC電力間歇性地施加到EDI模塊以獲得指定水質(zhì)范圍中的WQ。該文獻(xiàn)公開了使用恒定電流電力供應(yīng)器或恒定電壓電力供應(yīng)器，以通過調(diào)整電力供應(yīng)器開啟和關(guān)斷的時(shí)間量來以一水質(zhì)范圍輸送水。所描述的優(yōu)選比例區(qū)控制方案將不會(huì)如預(yù)期般起作用，這是因?yàn)槿Q于電力供應(yīng)器相對(duì)于維持指定水質(zhì)范圍內(nèi)的WQ所需的電流輸送多少電流，該方案將分別下沖或過沖該范圍的下限和上限。因此，所公開的控制方案將導(dǎo)致高于或低于指定水質(zhì)范圍的WQ的恒定循環(huán)。此外，因?yàn)樾枰?yīng)足夠高的電流以適應(yīng)最高的可能離子負(fù)載，所以對(duì)于大多數(shù)設(shè)施來說，在電力供應(yīng)器開啟時(shí)的循環(huán)的部分期間，施加遠(yuǎn)高于必要電流的電流，這會(huì)增加在EDI模塊內(nèi)縮放的趨勢(shì)。此外，該文獻(xiàn)也未公開用于實(shí)現(xiàn)恒定WQ的方法，并且沒有記載關(guān)于如何解決延長的空閑時(shí)間之后的啟動(dòng)時(shí)段。
[0007]第6，607，668號(hào)美國專利公開利用RO預(yù)處理的基于EDI的水凈化系統(tǒng)，該基于EDI的水凈化系統(tǒng)還包括控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)監(jiān)視WQ且“計(jì)算EDI模塊所需要的電壓和電流且自動(dòng)地調(diào)整每一個(gè)以實(shí)現(xiàn)最佳的出水水質(zhì)”。不清楚調(diào)整“每一個(gè)”的含義，這是因?yàn)闊o法獨(dú)立地調(diào)整電壓和電流。該文獻(xiàn)未描述控制系統(tǒng)計(jì)算所需要的電壓和電流的方法，且也未設(shè)置水質(zhì)的范圍，而且沒有記載關(guān)于如何解決延長的空閑時(shí)間之后的啟動(dòng)時(shí)段。
[0008]第4，954，926號(hào)日本專利公開了再使用冷凝水來對(duì)燃料電池中的重整器進(jìn)行饋給的燃料電池系統(tǒng)，對(duì)冷凝水進(jìn)行去離子化的EDI模塊和驅(qū)動(dòng)EDI模塊的可變電壓電源。在該文獻(xiàn)中所公開的一個(gè)實(shí)施例中，監(jiān)視去離子水的導(dǎo)電率且改變電源的電壓以獲得高于預(yù)定義的閾值的去離子水導(dǎo)電率。另一實(shí)施例涉及使用電流計(jì)來測量EDI模塊的電流，且調(diào)整電源的電壓以獲得高于預(yù)先定義的閾值的電流。優(yōu)選實(shí)施例使用由燃料電池自身供應(yīng)的兩個(gè)電壓電平(12V和24V)而作為可變電壓電源，從而避免需要獨(dú)立電力供應(yīng)器。關(guān)于設(shè)置水質(zhì)的目標(biāo)和/或范圍或關(guān)于如何解決延長的空閑時(shí)間之后的啟動(dòng)時(shí)段，未有提示。
[0009]在工業(yè)過程中控制EDI模塊的常規(guī)做法是以恒定電壓驅(qū)動(dòng)EDI模塊。這些系統(tǒng)基于每一設(shè)施中所存在的供水而定制設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)專門的預(yù)處理并根據(jù)離子負(fù)載來修整EDI模塊的大小和構(gòu)造。此外，這些系統(tǒng)需要專業(yè)維護(hù)，從而確保EDI模塊的供水是恒定的。最終，在這些設(shè)施中，可對(duì)EDI模塊進(jìn)行清潔以移除粘合到EDI模塊的污染物，這些污染物會(huì)降低EDI模塊的效力。通過這些措施，EDI模塊的電阻抗保持大致上恒定，從而使恒定電壓電源能夠?qū)⒆阋杂行У剞|移到離子負(fù)載的大致上恒定的電流輸送到EDI模塊。
[0010]相比于EDI模塊的阻抗保持大致上恒定的工業(yè)應(yīng)用，在實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用中，阻抗可在每一設(shè)施中不同，且出于已經(jīng)敘述的所有原因而逐漸增加:自來水在不同設(shè)施中不同；單個(gè)標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要在所有設(shè)施中可靠地執(zhí)行；模塊未被清潔來移除“積垢”。以恒定電壓驅(qū)動(dòng)的模塊最終將以高電流驅(qū)動(dòng)，這是因?yàn)槟K具有低阻抗。隨著模塊老化，其阻抗可增加，而出現(xiàn)成比例的電流下降，從而在一些應(yīng)用中導(dǎo)致不足的電流，且還導(dǎo)致低水質(zhì)。因此，基于EDI的實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)的目前技術(shù)水平是以恒定電流電源驅(qū)動(dòng)EDI模塊。這些系統(tǒng)初始時(shí)輸送極高WQ，通常超過17ΜΩ -cm，但隨著模塊老化，WQ逐漸下降，最終達(dá)到對(duì)于終端用戶來說不可接受的極低值，此時(shí)，需要替換模塊。此外，因?yàn)檫@些系統(tǒng)是以相同恒定電流驅(qū)動(dòng)，所以對(duì)于大多數(shù)設(shè)施來說，模塊是以遠(yuǎn)高于必要電流的電流(可能10倍于必要電流)驅(qū)動(dòng)，從而導(dǎo)致增加的縮放的趨勢(shì)和伴隨著的模塊壽命的縮短。
[0011]用于EDI模塊的控制的這些常規(guī)方法都不能夠在窄水質(zhì)范圍內(nèi)輸送高純度水。這些常規(guī)方法大多數(shù)需要先驗(yàn)知識(shí)或?qū)DI模塊的離子負(fù)載的一些測量，且這些常規(guī)方法將過量電流輸送到EDI模塊，從而增加縮放的風(fēng)險(xiǎn)且增加電力消耗。此外，這些方法都不解決實(shí)驗(yàn)室水系統(tǒng)特有的挑戰(zhàn):具有改變的離子負(fù)載，且特征在于間隙性操作；需要日復(fù)一日產(chǎn)生目標(biāo)水質(zhì)的系統(tǒng)，并且在延長的空閑時(shí)間之后迅速恢復(fù)水質(zhì)。除了不能夠在用戶指定的水質(zhì)范圍內(nèi)且以用戶指定的目標(biāo)輸送凈化水外，EDI的實(shí)踐中所遇到的兩個(gè)常見問題是導(dǎo)致低WQ的不足的離子移除以及在未被注意時(shí)可快速導(dǎo)致EDI模塊的過早故障的縮放。這兩個(gè)因素可導(dǎo)致低輸出水質(zhì)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]本文中所公開的構(gòu)造實(shí)質(zhì)上克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)。電力供應(yīng)器控制器和可控制電力供應(yīng)器確定輸送基線電流且獲得目標(biāo)水質(zhì)(也稱為水質(zhì)目標(biāo))所需的電力。本文中所公開的水凈化系統(tǒng)尋求控制耦合到EDI模塊的電力供應(yīng)器，以在水質(zhì)的指定范圍內(nèi)產(chǎn)生凈化水，且調(diào)整基線電流而以指定的目標(biāo)水質(zhì)產(chǎn)生凈化水，且連續(xù)地調(diào)整基線電流以反映凈化因素的改變。
[0013]本文中所公開的實(shí)施例在延長EDI模塊的使用壽命的同時(shí)在用戶指定的水質(zhì)范圍(也稱為水質(zhì)的范圍)內(nèi)且以該范圍內(nèi)的用戶指定的目標(biāo)水質(zhì)輸送凈化水。本發(fā)明部分取決于以下發(fā)現(xiàn):對(duì)于良好設(shè)計(jì)和構(gòu)造的EDI模塊來說，某電流對(duì)于以目標(biāo)水質(zhì)產(chǎn)生水來說是必要的。該電流取決于EDI模塊的固有能力和對(duì)EDI模塊進(jìn)行饋給的水的離子含量與流率的乘積(下文中稱為EDI模塊的離子負(fù)載)，其中，離子負(fù)載越高，相應(yīng)地，所需要的電流越高。由EDI模塊輸送目標(biāo)水質(zhì)所需要的電流被稱為基線電流，該基線電流的控制將在下文更詳細(xì)地進(jìn)行描述。
[0014]本文中所公開的實(shí)施例提供一種操作EDI模塊以產(chǎn)生凈化水的方法，包含:接收凈化水的水質(zhì)值的范圍和該范圍內(nèi)的目標(biāo)；從水質(zhì)傳感器接收凈化水的水質(zhì)(WQ)的值；將電力施加到EDI模塊以使WQ處于接收到的范圍內(nèi)；以及連續(xù)地調(diào)整電力以維持WQ接近水質(zhì)范圍內(nèi)的接收到的目標(biāo)。這樣的技術(shù)提供在供水條件變化、凈化步驟的執(zhí)行變化、RO和EDI模塊老化的情況下且在供水中存在不確定的物質(zhì)和濃度的污染物的情況下在水質(zhì)的窄范圍內(nèi)可靠地產(chǎn)生高純度水的EDI工藝。
[0015]其它實(shí)施例包含用于以下操作的技術(shù):預(yù)定基于凈化水的WQ和所接收的目標(biāo)水質(zhì)而將電力的改變施加到EDI模塊的傳遞函數(shù)且使用所預(yù)定的傳遞函數(shù)而在閉環(huán)操作中操作EDI模塊；在操作EDI模塊的同時(shí)調(diào)整傳遞函數(shù)；探測EDI模塊以根據(jù)施加到EDI模塊的電力的探測改變而確定所測量的WQ的改變；以及使用至少一個(gè)凈化因素來計(jì)算傳遞函數(shù)。一些技術(shù)使用傳遞函數(shù)，該傳遞函數(shù)為比例積分導(dǎo)數(shù)(PID)函數(shù)；其它技術(shù)可使用導(dǎo)函數(shù)。這樣的技術(shù)針對(duì)EDI模塊的性能的下降而自動(dòng)地調(diào)整，使得較快速地達(dá)到凈化水的目標(biāo)水質(zhì)且較準(zhǔn)確地維持凈化水的目標(biāo)水質(zhì)。這樣的技術(shù)還提供穩(wěn)健的基于EDI的凈化工藝(即，容忍不同設(shè)施中所遇到的操作條件的極端以及因季節(jié)交替所致的極端的凈化工藝)。
[0016]有若干方式施加電力以使WQ處于水質(zhì)的所接收的范圍內(nèi)。一種技術(shù)包含將預(yù)定最大初始電力和預(yù)定最小初始電力中的一個(gè)施加到EDI模塊直到WQ處于所接收的范圍內(nèi)為止。另一技術(shù)包含:確定供水的離子負(fù)載；針對(duì)EDI模塊而預(yù)定電力要求與供水的離子負(fù)載之間的關(guān)系；以及根據(jù)供水離子負(fù)載與EDI模塊的電力要求而將電力施加到EDI模塊以供應(yīng)電流。一種確定供水離子負(fù)載的方法包含:向EDI模塊提供大致上已知的過量能力；施加最小電力；測量WQ的改變的時(shí)間間隔；以及根據(jù)時(shí)間間隔、EDI模塊的大致上已知的過量能力和所施加的電力而確定供水離子負(fù)載。
[0017]執(zhí)行軟重新啟動(dòng)的技術(shù)包含:保存包含基線電流的系統(tǒng)狀態(tài)；以及初始時(shí)使用基線電流來重新啟動(dòng)EDI模塊。該步驟可介于本發(fā)明的任何步驟之間，這意味著該步驟處于初始啟動(dòng)時(shí)或作為任何主要步驟之間的重新啟動(dòng)。這樣的技術(shù)提供在空閑時(shí)間段之后迅速恢復(fù)WQ的基于EDI的水凈化工藝。
[0018]連續(xù)地調(diào)整電力以維持WQ接近所接收的水質(zhì)目標(biāo)的技術(shù)包含:預(yù)定基于WQ與所接收的目標(biāo)水質(zhì)之間的差異而將電力的改變施加到EDI模塊的傳遞函數(shù)；以及使用所預(yù)定的傳遞函數(shù)而在閉環(huán)操作