电去离子控制系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本公开大体上涉及通过电去离子(EDI)来对水进行净化，且更具体来说，涉及在一范围内且以水质目标输送水的改进的EDI方法和系统。
【背景技术】
[0002]在1980年代后期首次引入EDI系统之后，EDI快速商业化，这首先是为了在工业过程中产生高纯度水，接着是为了在工业过程(例如，尿素脱盐)中对非离子流进行去离子化，且最近是为了在实验室系统中产生高纯度水。在广泛范围的应用中迅速采用EDI工艺的原因在于，EDI是移除离子污染物以产生高纯度水的最节省成本的水净化工艺之一。
[0003]虽然不同EDI系统在I到18ΜΩ cm的水质(WQ)范围上操作，但个别EDI系统不提供可选择的范围或目标水质，也不能够在EDI模块的使用寿命期间维持恒定WQ。相比之下，单级反渗透(RO)水净化系统无法可靠地产生具有高于1ΜΩ.cm的WQ的水，且WQ时常低于 0.1M Ω.cm。
[0004]用于在实验室中产生高纯度水的EDI系统应该简单且便宜，同时在受终端用户最小干预或不受终端用户干预的情况下输送高纯度水。此外，这些系统大多数使用自来水作为其供水，而自来水取决于设施的位置和该年的季节而具有广泛浓度范围的各种污染物。所有这些因素导致极大范围的离子污染物存在于水净化系统中，这些离子污染物的形式有溶解盐与弱离子化物质(诸如CO2、二氧化硅和硼)两者。因此，在实验室中将EDI工艺用于水净化系统是EDI技术的最严格的应用之一，这是因为虽然面临这些挑战，但水净化系统应作为简单的实验室用具而发挥性能。
[0005]第5，762，774号美国专利公开了基于法拉第定律来使用适当的DC电流源(可变电流电力供应器)和电流比，且基于EDI模块的离子负载而计算施加到EDI模块以实现“预先指定的等级的去离子化”的电流。所公开的电流比是最小电流或法拉第电流的I到50倍。该文献未指定水质的范围，并且没有记载如何解决延长的空闲时间之后的启动时段。类似地，第6，365，023号美国专利公开了以足够高以确保施加到模块的电流适应实验室系统中所遭遇的大的动态范围的离子负载的电流比来使用恒定电流电力供应器。所要求保护的比是法拉第电流的I到15倍。
[0006]第6，391，178号美国专利和第6，726，822号美国专利公开了将DC电力间歇性地施加到EDI模块以获得指定水质范围中的WQ。该文献公开了使用恒定电流电力供应器或恒定电压电力供应器，以通过调整电力供应器开启和关断的时间量来以一水质范围输送水。所描述的优选比例区控制方案将不会如预期般起作用，这是因为取决于电力供应器相对于维持指定水质范围内的WQ所需的电流输送多少电流，该方案将分别下冲或过冲该范围的下限和上限。因此，所公开的控制方案将导致高于或低于指定水质范围的WQ的恒定循环。此外，因为需要供应足够高的电流以适应最高的可能离子负载，所以对于大多数设施来说，在电力供应器开启时的循环的部分期间，施加远高于必要电流的电流，这会增加在EDI模块内缩放的趋势。此外，该文献也未公开用于实现恒定WQ的方法，并且没有记载关于如何解决延长的空闲时间之后的启动时段。
[0007]第6，607，668号美国专利公开利用RO预处理的基于EDI的水净化系统，该基于EDI的水净化系统还包括控制系统，该控制系统监视WQ且“计算EDI模块所需要的电压和电流且自动地调整每一个以实现最佳的出水水质”。不清楚调整“每一个”的含义，这是因为无法独立地调整电压和电流。该文献未描述控制系统计算所需要的电压和电流的方法，且也未设置水质的范围，而且没有记载关于如何解决延长的空闲时间之后的启动时段。
[0008]第4，954，926号日本专利公开了再使用冷凝水来对燃料电池中的重整器进行馈给的燃料电池系统，对冷凝水进行去离子化的EDI模块和驱动EDI模块的可变电压电源。在该文献中所公开的一个实施例中，监视去离子水的导电率且改变电源的电压以获得高于预定义的阈值的去离子水导电率。另一实施例涉及使用电流计来测量EDI模块的电流，且调整电源的电压以获得高于预先定义的阈值的电流。优选实施例使用由燃料电池自身供应的两个电压电平(12V和24V)而作为可变电压电源，从而避免需要独立电力供应器。关于设置水质的目标和/或范围或关于如何解决延长的空闲时间之后的启动时段，未有提示。
[0009]在工业过程中控制EDI模块的常规做法是以恒定电压驱动EDI模块。这些系统基于每一设施中所存在的供水而定制设计，从而实现专门的预处理并根据离子负载来修整EDI模块的大小和构造。此外，这些系统需要专业维护，从而确保EDI模块的供水是恒定的。最终，在这些设施中，可对EDI模块进行清洁以移除粘合到EDI模块的污染物，这些污染物会降低EDI模块的效力。通过这些措施，EDI模块的电阻抗保持大致上恒定，从而使恒定电压电源能够将足以有效地迀移到离子负载的大致上恒定的电流输送到EDI模块。
[0010]相比于EDI模块的阻抗保持大致上恒定的工业应用，在实验室应用中，阻抗可在每一设施中不同，且出于已经叙述的所有原因而逐渐增加:自来水在不同设施中不同；单个标准系统设计需要在所有设施中可靠地执行；模块未被清洁来移除“积垢”。以恒定电压驱动的模块最终将以高电流驱动，这是因为模块具有低阻抗。随着模块老化，其阻抗可增加，而出现成比例的电流下降，从而在一些应用中导致不足的电流，且还导致低水质。因此，基于EDI的实验室系统的目前技术水平是以恒定电流电源驱动EDI模块。这些系统初始时输送极高WQ，通常超过17ΜΩ -cm，但随着模块老化，WQ逐渐下降，最终达到对于终端用户来说不可接受的极低值，此时，需要替换模块。此外，因为这些系统是以相同恒定电流驱动，所以对于大多数设施来说，模块是以远高于必要电流的电流(可能10倍于必要电流)驱动，从而导致增加的缩放的趋势和伴随着的模块寿命的缩短。
[0011]用于EDI模块的控制的这些常规方法都不能够在窄水质范围内输送高纯度水。这些常规方法大多数需要先验知识或对EDI模块的离子负载的一些测量，且这些常规方法将过量电流输送到EDI模块，从而增加缩放的风险且增加电力消耗。此外，这些方法都不解决实验室水系统特有的挑战:具有改变的离子负载，且特征在于间隙性操作；需要日复一日产生目标水质的系统，并且在延长的空闲时间之后迅速恢复水质。除了不能够在用户指定的水质范围内且以用户指定的目标输送净化水外，EDI的实践中所遇到的两个常见问题是导致低WQ的不足的离子移除以及在未被注意时可快速导致EDI模块的过早故障的缩放。这两个因素可导致低输出水质。
【发明内容】
[0012]本文中所公开的构造实质上克服现有技术的缺点。电力供应器控制器和可控制电力供应器确定输送基线电流且获得目标水质(也称为水质目标)所需的电力。本文中所公开的水净化系统寻求控制耦合到EDI模块的电力供应器，以在水质的指定范围内产生净化水，且调整基线电流而以指定的目标水质产生净化水，且连续地调整基线电流以反映净化因素的改变。
[0013]本文中所公开的实施例在延长EDI模块的使用寿命的同时在用户指定的水质范围(也称为水质的范围)内且以该范围内的用户指定的目标水质输送净化水。本发明部分取决于以下发现:对于良好设计和构造的EDI模块来说，某电流对于以目标水质产生水来说是必要的。该电流取决于EDI模块的固有能力和对EDI模块进行馈给的水的离子含量与流率的乘积(下文中称为EDI模块的离子负载)，其中，离子负载越高，相应地，所需要的电流越高。由EDI模块输送目标水质所需要的电流被称为基线电流，该基线电流的控制将在下文更详细地进行描述。
[0014]本文中所公开的实施例提供一种操作EDI模块以产生净化水的方法，包含:接收净化水的水质值的范围和该范围内的目标；从水质传感器接收净化水的水质(WQ)的值；将电力施加到EDI模块以使WQ处于接收到的范围内；以及连续地调整电力以维持WQ接近水质范围内的接收到的目标。这样的技术提供在供水条件变化、净化步骤的执行变化、RO和EDI模块老化的情况下且在供水中存在不确定的物质和浓度的污染物的情况下在水质的窄范围内可靠地产生高纯度水的EDI工艺。
[0015]其它实施例包含用于以下操作的技术:预定基于净化水的WQ和所接收的目标水质而将电力的改变施加到EDI模块的传递函数且使用所预定的传递函数而在闭环操作中操作EDI模块；在操作EDI模块的同时调整传递函数；探测EDI模块以根据施加到EDI模块的电力的探测改变而确定所测量的WQ的改变；以及使用至少一个净化因素来计算传递函数。一些技术使用传递函数，该传递函数为比例积分导数(PID)函数；其它技术可使用导函数。这样的技术针对EDI模块的性能的下降而自动地调整，使得较快速地达到净化水的目标水质且较准确地维持净化水的目标水质。这样的技术还提供稳健的基于EDI的净化工艺(即，容忍不同设施中所遇到的操作条件的极端以及因季节交替所致的极端的净化工艺)。
[0016]有若干方式施加电力以使WQ处于水质的所接收的范围内。一种技术包含将预定最大初始电力和预定最小初始电力中的一个施加到EDI模块直到WQ处于所接收的范围内为止。另一技术包含:确定供水的离子负载；针对EDI模块而预定电力要求与供水的离子负载之间的关系；以及根据供水离子负载与EDI模块的电力要求而将电力施加到EDI模块以供应电流。一种确定供水离子负载的方法包含:向EDI模块提供大致上已知的过量能力；施加最小电力；测量WQ的改变的时间间隔；以及根据时间间隔、EDI模块的大致上已知的过量能力和所施加的电力而确定供水离子负载。
[0017]执行软重新启动的技术包含:保存包含基线电流的系统状态；以及初始时使用基线电流来重新启动EDI模块。该步骤可介于本发明的任何步骤之间，这意味着该步骤处于初始启动时或作为任何主要步骤之间的重新启动。这样的技术提供在空闲时间段之后迅速恢复WQ的基于EDI的水净化工艺。
[0018]连续地调整电力以维持WQ接近所接收的水质目标的技术包含:预定基于WQ与所接收的目标水质之间的差异而将电力的改变施加到EDI模块的传递函数；以及使用所预定的传递函数而在闭环操作