汪程鵬，李東洋，王生輝，劉思晗，宋代旺

(自然資源部天津海水淡化與綜合利用研究所，天津 300192)

海島作為海洋經(jīng)濟(jì)的重要載體，在資源開發(fā)、旅游開發(fā)、生態(tài)保護(hù)、國(guó)防建設(shè)等方面具有重要的戰(zhàn)略意義，但海島通常遠(yuǎn)離大陸，水資源稀缺，調(diào)蓄水十分困難[1]。海水淡化作為非常規(guī)水資源的增量技術(shù)，能夠解決沿海地區(qū)及海島用水短缺的問題[2]。推進(jìn)海島海水淡化工程建設(shè)，是保障我國(guó)離岸海島軍民用水安全的重要措施。能量回收技術(shù)能夠回收反滲透(RO)膜海水淡化排出的濃鹽水余壓，降低系統(tǒng)運(yùn)行能耗，是海水淡化產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)之一[3-4]。

針對(duì)西沙某島日產(chǎn)1 000 m3海水淡化工程的一級(jí)RO系統(tǒng)，對(duì)兩組膜組分別采用了轉(zhuǎn)子式壓力交換和透平式兩種能量回收技術(shù)和裝置對(duì)RO系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)，本文介紹了兩類能量回收裝置的工藝設(shè)計(jì)、產(chǎn)品選型、運(yùn)行工況對(duì)比分析，可為海島海水淡化工程設(shè)計(jì)與建設(shè)提供參考。

1 能量回收裝置概況

RO海水淡化運(yùn)行過程中需消耗大量能耗以提升海水進(jìn)膜壓力，RO膜排出的濃鹽水余壓高達(dá)5.5～6.5 MPa，通過能量回收技術(shù)將這部分余壓進(jìn)行回收再利用，可有效降低40%～50%的海水淡化能耗[2,4]。能量回收裝置能夠大幅降低海水淡化的運(yùn)行成本，是海水淡化產(chǎn)業(yè)鏈中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)和核心裝備。轉(zhuǎn)子式壓力交換能量回收裝置和透平式能量回收裝置是目前海水淡化應(yīng)用較多的兩類產(chǎn)品(圖1)，轉(zhuǎn)子式壓力交換能量回收裝置以美國(guó)PX產(chǎn)品為代表，屬于自驅(qū)動(dòng)能量回收裝置，主要由無軸陶瓷轉(zhuǎn)子、配流盤等組成，圓周分布的縱向溝槽(類似于微型液缸)貫穿于轉(zhuǎn)子，高壓濃鹽水推動(dòng)陶瓷轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，使多個(gè)縱向溝槽分別在兩側(cè)靜止的配流盤高壓區(qū)和低壓區(qū)交替轉(zhuǎn)換切入，實(shí)現(xiàn)高壓濃鹽水與低壓原海水的能量傳遞[4]。透平式能量回收裝置采用透平和泵連軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過透平將膜組件排放的高壓濃鹽水壓力能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)泵轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)原海水增壓，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

圖1 兩類能量回收裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)比

2 工藝設(shè)計(jì)

2.1 工程概況

西沙某島是珊瑚島礁類型，島上水資源缺乏，常年依賴雨水收集和船運(yùn)補(bǔ)給。為解決用水短缺問題，采用1 000 t/d[(2×500)t/d運(yùn)行+500 t/d備用]雙膜法處理工藝。通過預(yù)處理、超濾、兩級(jí)RO、后處理等一系列工藝[5-6]，其工藝流程如圖2所示。原海水首先經(jīng)潛水泵進(jìn)入斜管沉淀池進(jìn)行混凝沉淀，然后經(jīng)過自清洗過濾器、超濾裝置的過濾后進(jìn)入帶有能量回收裝置的一級(jí)RO系統(tǒng)脫鹽；一級(jí)RO產(chǎn)水部分進(jìn)入二級(jí)RO系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步脫鹽；二級(jí)RO產(chǎn)水與部分一級(jí)RO產(chǎn)水混合、調(diào)質(zhì)、殺菌，最終由供水泵送至供水管網(wǎng)，產(chǎn)水可達(dá)到《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 5749—2006)。

圖2 海島海水淡化工程工藝流程

海水淡化技術(shù)指標(biāo)如下：超濾系統(tǒng)出水水質(zhì)SDI≤3，渾濁度≤0.1 NTU，TSS≤1 mg/L；超濾系統(tǒng)平均水回收率≥90%；一級(jí)RO系統(tǒng)脫鹽率≥99.2%；二級(jí)RO系統(tǒng)脫鹽率≥99%；一級(jí)RO系統(tǒng)水回收率≥40%；二級(jí)RO系統(tǒng)水回收率≥90%；混合產(chǎn)水TDS≤100 mg/L。

2.2 一級(jí)RO系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.2.1 工藝流程

一級(jí)RO系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)參數(shù)包括：進(jìn)水流量為55 m3/h，淡水回收率為41%，產(chǎn)水流量為26.4 m3/h，濃水流量為32.4 m3/h，進(jìn)膜壓力為4.9 MPa，濃水壓力為4.8 MPa，高壓泵揚(yáng)程為310 m。

(1)轉(zhuǎn)子式壓力交換能量回收

采用轉(zhuǎn)子式壓力交換能量回收裝置的一級(jí)RO系統(tǒng)動(dòng)力中心工藝流程如圖3(a)所示。海水經(jīng)保安過濾器后分為兩股，一股進(jìn)入高壓泵加壓，一股進(jìn)入PX能量回收裝置-循環(huán)增壓泵加壓，加壓后的兩股混合后進(jìn)入膜組脫鹽，產(chǎn)出的淡水進(jìn)入一級(jí)RO產(chǎn)水池，高壓濃水進(jìn)入PX能量回收裝置對(duì)原海水進(jìn)行加壓，從而實(shí)現(xiàn)能量的回收利用。

(2)透平式能量回收

采用透平式能量回收裝置的一級(jí)RO系統(tǒng)動(dòng)力中心工藝流程如圖3(b)所示。海水經(jīng)高壓泵加壓后進(jìn)入能量回收泵側(cè)進(jìn)一步加壓，加壓后的海水進(jìn)入RO膜組脫鹽，產(chǎn)出的淡水進(jìn)入一級(jí)RO產(chǎn)水池，濃水進(jìn)入能量回收透平側(cè)，通過“壓力能-機(jī)械能-壓力能”的轉(zhuǎn)化途徑對(duì)進(jìn)入泵側(cè)原海水進(jìn)行加壓，從而實(shí)現(xiàn)能量的回收利用。

圖3 一級(jí)RO系統(tǒng)工藝流程

2.2.2 設(shè)備選型

(1)轉(zhuǎn)子式功交換能量回收

高壓泵、PX能量回收裝置、循環(huán)增壓泵的參數(shù)配置如表1～表3所示。高壓泵采用九柱塞高壓泵，能量回收裝置采用PX-180S產(chǎn)品，循環(huán)增壓泵形式采用多級(jí)離心泵，PX-180S過流件材質(zhì)采用陶瓷和超級(jí)雙相鋼2507。循環(huán)增壓泵要求額定流量為33.75 m3/h，額定揚(yáng)程為35 m。

表1 高壓泵主要參數(shù)配置

表2 PX能量回收裝置主要參數(shù)配置

表3 循環(huán)增壓泵主要參數(shù)配置

(2)透平式能量回收

高壓泵及透平式能量回收裝置設(shè)備選型如表4和表5所示。高壓泵采用多級(jí)離心泵形式，高壓泵及能量回收裝置的主體均采用雙相鋼2205，軸承材質(zhì)PEEK，整裝機(jī)封John Crane-API682 USA。

表4 高壓泵主要參數(shù)配置

表5 透平式能量回收主要參數(shù)配置

3 運(yùn)行及評(píng)價(jià)

一級(jí)RO海水淡化系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)如圖4所示，系統(tǒng)運(yùn)行120 d，兩種類型能量回收裝置的運(yùn)行數(shù)據(jù)隨機(jī)各選取5組，分別如表6和表7所示。依據(jù)《海水淡化裝置能量消耗測(cè)試方法》(HY/T 245—2018)進(jìn)行產(chǎn)水能耗的測(cè)試，兩類的能量回收裝置的一級(jí)RO脫鹽率都不小于99.2%，采用PX能量回收裝置的一級(jí)RO回收率為40%，噸水能耗為3.04 kW·h，采用透平式能量回收裝置的一級(jí)RO回收率為40.5%，噸水能耗為3.34 kW·h。兩者的能耗差異是由于工作原理不同造成的，通常PX能量回收裝置采用直接壓力交換方式，效率高達(dá)97%，透平式能量回收裝置采用“壓力能-機(jī)械能-壓力能”的轉(zhuǎn)換方式，效率為60%～80%。

圖4 一級(jí)RO系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)

表6 采用PX能量回收裝置的系統(tǒng)數(shù)據(jù)

表7 采用透平式能量回收裝置的系統(tǒng)數(shù)據(jù)

(1)設(shè)備及閥控元件

PX能量回收裝置工藝采用高壓泵+循環(huán)增壓泵+PX能量回收裝置“分布式”設(shè)計(jì)方案，透平式能量回收裝置工藝采用高壓泵+透平式能量回收裝置“集成式”設(shè)計(jì)方案，電機(jī)、泵、能量回收裝置一體化形式如圖5所示。電機(jī)、高壓泵和透平式能量回收裝置共用底座并附有配套地腳螺栓固定，結(jié)構(gòu)較緊湊，穩(wěn)定性更強(qiáng)。另外，高壓閥、低壓閥、壓力表、流量計(jì)等閥控元件數(shù)量減少，操作更為簡(jiǎn)便。

圖5 能量回收裝置一體化設(shè)計(jì)

(2)管路數(shù)量

配置PX能量回收裝置的系統(tǒng)方案管路數(shù)量較多，配置透平式能量回收裝置的系統(tǒng)方案管路連接數(shù)量較少，如圖4所示，兩者的高壓管路分別為6根和4根，低壓管路分別為3根和1根，管路連接簡(jiǎn)化。管件數(shù)量減少有助于降低泄漏危險(xiǎn)系數(shù)，系統(tǒng)運(yùn)行更安全穩(wěn)定。

(3)噪聲振動(dòng)

采用?，斣肼暅y(cè)試儀AS-804B和希瑪測(cè)振儀AS-68A進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)噪聲和振動(dòng)檢測(cè)，不開機(jī)環(huán)境噪聲為40～50 dB，配置PX能量回收裝置的噪音為94～99 dB，振動(dòng)為2.0～4.0 mm/s，聲音尖銳。配置透平式能量回收裝置的膜組，噪音為80～88 dB，振動(dòng)為0.7～1.5 mm/s，聲音低沉。此外，發(fā)現(xiàn)采用透平式能量回收裝置的系統(tǒng)管路水流及水沖擊噪聲較大，分貝數(shù)能達(dá)到100 dB。噪聲差異原因是九柱塞高壓泵和陶瓷轉(zhuǎn)子式PX能量回收裝置的結(jié)構(gòu)形式，兩者都存在部件的摩擦，噪聲大，而多級(jí)離心式高壓泵和透平葉輪形式的能量回收裝置，過流部件無直接接觸，噪聲小。透平式能量回收裝置技術(shù)指標(biāo)基本符合《海水淡化反滲透膜裝置測(cè)試評(píng)價(jià)方法》(GB/T 32359—2015)和《反滲透能量回收裝置通用技術(shù)規(guī)范》(GB/T 30299—2013)等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

4 結(jié)論

(1)PX能量回收裝置和透平式能量回收裝置在RO海水淡化的成功實(shí)施，基于PX能量回收裝置和透平式能量回收裝置的工作原理不同，兩者均有效地降低了海水淡化的運(yùn)行能耗和運(yùn)營(yíng)成本，前者能量轉(zhuǎn)換效率高，噸水能耗為3.04 kW·h，后者能量轉(zhuǎn)換效率低于前者，噸水能耗為3.34 kW·h。

(2)采用PX能量回收裝置的RO系統(tǒng)噪聲振動(dòng)稍大，噪音為94～99 dB，振動(dòng)為2.0～4.0 mm/s，結(jié)構(gòu)布局分散；采用透平式能量回收裝置的噪聲振動(dòng)低于前者，噪音為80～88 dB，振動(dòng)為0.7～1.5 mm/s，設(shè)備、管路、閥控元件等數(shù)量減少，結(jié)構(gòu)布局緊湊，設(shè)備操作簡(jiǎn)便。

(3)PX和透平式兩類能量回收裝置及技術(shù)的海水淡化工藝設(shè)計(jì)及工程應(yīng)用，為海水淡化工程應(yīng)用及運(yùn)營(yíng)提供了一定的借鑒指導(dǎo)作用。