許福臻，李 鵬

(天津修船技術(shù)研究所，天津 300456)

1 海水淡化設(shè)備設(shè)計(jì)背景

我國(guó)淡水儲(chǔ)存量比較豐富，但分布不均，人均淡水占有量低。同時(shí)淡水量分布為東南沿海居多，到西北內(nèi)陸逐漸減少，80%以上的淡水都分布在長(zhǎng)江和長(zhǎng)江以南的地區(qū)。為解決我國(guó)缺水的問題，我們采取了很多的方法，而海水淡化是最節(jié)能且效率最高的一種方法。

經(jīng)過多年海水淡化設(shè)備的研究，我國(guó)在海水淡化設(shè)備技術(shù)方面取得了重要成果，其海水淡化技術(shù)已經(jīng)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

本文對(duì)海水淡化設(shè)備進(jìn)行進(jìn)一步研究，分析其優(yōu)缺點(diǎn)并進(jìn)行改進(jìn)，使其能夠更好地運(yùn)用在海洋平臺(tái)、船舶及FPSO鉆井船上。

2 海水淡化設(shè)備工藝方法介紹

2.1 蒸餾法

蒸餾法是一種比較原始的處理方法，通過加熱海水，形成水蒸氣，水蒸氣遇冷形成淡水，并收集起來。該方法簡(jiǎn)單，模擬自然原理，應(yīng)用范圍廣，缺點(diǎn)是會(huì)產(chǎn)生大量鍋垢，影響加熱設(shè)備的熱效率。

2.2 冷凍法

冷凍法是將海水降低溫度使之結(jié)冰，在液態(tài)海水變成固態(tài)冰時(shí)無機(jī)鹽從中分離出來。冷凍法不僅要消耗過多的制冷能源，而且得到的淡水不適合飲用，只能用于農(nóng)業(yè)灌溉和工業(yè)用水。

2.3 反滲透法

反滲透法通常又稱超過濾法，是用多層膜組件阻止鹽透過，將淡水和鹽隔離開的方法。此方法通過高壓泵和膜組件實(shí)現(xiàn)功能。其占地面積小，操作簡(jiǎn)便，不需要人員看護(hù)，造價(jià)低廉，是目前公認(rèn)的最為優(yōu)良的海水淡化方法，廣泛運(yùn)用在各個(gè)生產(chǎn)和生活領(lǐng)域中。

3 海水淡化設(shè)備工藝流程優(yōu)化

反滲透法海水淡化設(shè)備適合在海洋平臺(tái)和船舶上運(yùn)用，其成本較低、占地較少、操作簡(jiǎn)單且維修方便。但反滲透法海水淡化的預(yù)處理要求嚴(yán)格，反滲透膜需要定期更換，海水溫度低時(shí)，需加熱處理，溫度高時(shí)，則需要降溫處理，且有二次污染。所以需對(duì)反滲透法海水淡化設(shè)備進(jìn)行工藝優(yōu)化，降低其能耗。

3.1 設(shè)計(jì)指標(biāo)及設(shè)計(jì)工況

1)設(shè)計(jì)指標(biāo)。處理后水質(zhì)必須滿足飲用水標(biāo)準(zhǔn)(GB 5749—2006《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》)。

2)設(shè)計(jì)工況。滿足海洋平臺(tái)或者船舶正常運(yùn)行期間水量要求。

3.2 工藝流程

為使海水反滲透膜組件能更好地工作，加入預(yù)處理及保護(hù)設(shè)備，為使能量可以反復(fù)利用，反滲透膜組件上加裝能量回收裝置。優(yōu)化后新的流程為海水經(jīng)過換熱器，使海水溫度降低，經(jīng)過超濾過濾器過濾出直徑大于0.001μm的顆粒，再經(jīng)過保安過濾器組件，最后通過高壓泵給海水加壓使海水通過反滲透膜過濾組件，獲得產(chǎn)出水。其工藝流程圖如圖1所示。

圖1 海水反滲透工藝流程圖

1)換熱器。由于海水泵抽上來的海水有一定溫度，可能會(huì)損害反滲透膜組件，影響設(shè)備的正常工作，使水質(zhì)無法達(dá)到要求，因此加入換熱器，降低海水溫度，保護(hù)后端設(shè)備。

2)超濾過濾。超濾過濾作用是去除直徑為0.001～0.020 μm的顆粒，減輕后面反滲透膜組件的工作壓力，達(dá)到保護(hù)反滲透膜組件的目的。如果存在直徑大于0.020 μm的顆粒，就應(yīng)在超濾過濾膜組件之前增加粗過濾設(shè)備，以減輕超濾過濾組件的工作壓力。

3)保護(hù)過濾。當(dāng)超濾過濾損壞的時(shí)候，保護(hù)過濾能阻止直徑大于5 μm的顆粒，起到臨時(shí)保護(hù)反滲透膜組件的作用。

4)高壓泵。由于反滲透膜過濾組件濾過的顆粒相當(dāng)小，所以需要通過高壓泵給海水加壓，加壓后的海水透過反滲透膜過濾組件，得到產(chǎn)出水。

5)反滲透膜過濾。反滲透膜過濾精度相當(dāng)高，直徑為0.000 1 μm。它可以把海水中的有害物質(zhì)過濾，使海水達(dá)到飲用水的標(biāo)準(zhǔn)。

此工藝流程中的耗能設(shè)備只有高壓泵，所以降低能耗就要降低高壓泵的能耗。

3.3 關(guān)鍵技術(shù)

能量回收是整個(gè)工藝流程的關(guān)鍵技術(shù)，能量回收裝置是把反滲透系統(tǒng)高壓濃海水的壓力能量回收再利用，從而降低反滲透海水淡化的制水能耗和制水成本。

1)系統(tǒng)組成。能量回收裝置主要由切換器、壓力交換缸和止回閥組3部分組成，切換器是其中唯一的運(yùn)行控制部件，整套裝置通過切換器周期性往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)高壓海水連續(xù)增壓，推動(dòng)低壓原料海水連續(xù)排出淡水和高壓海水的過程。

2)自增壓。流體增壓過程中基本不需消耗額外的電能，主要由膜組件中排放出的高壓濃海水驅(qū)動(dòng)，能量回收裝置與膜分離系統(tǒng)耦合后，可使系統(tǒng)的運(yùn)行能耗降低約50%。

3.4 技術(shù)難點(diǎn)

反滲透法海水淡化工藝流程采用等壓正位移式能量回收裝置實(shí)現(xiàn)設(shè)備排出高壓海水和余壓能量的高效回收利用，故提高其能量回收率和減少其脈動(dòng)水平是該工藝流程的技術(shù)難點(diǎn)。

1)提高等壓正位移式能量回收裝置的能量回收率。利用直接增壓原理，減少中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，保證效率。采用自緊式密封結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)高壓海水與低壓淡水之間的密封，降低泄漏量。

2)減少等壓正位移式能量回收裝置脈動(dòng)水平。通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)2個(gè)缸體內(nèi)增壓過程重疊運(yùn)行，保證高壓流體供給的連續(xù)穩(wěn)定性(高壓脈動(dòng))；切換器具備低壓海水脈動(dòng)平滑功能，排放脈動(dòng)流體(低壓脈動(dòng))。

4 結(jié)束語

在海洋平臺(tái)和船舶中淡水是比較稀缺的物資，通過此文可以看出，海水淡化設(shè)備可以很好地解決淡水缺乏的問題。隨著海水淡化產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，相信海水淡化設(shè)備能夠在海洋平臺(tái)和船舶上得到更好的運(yùn)用，并達(dá)到世界先進(jìn)水平。