陶 安，許 鋼，賈獻(xiàn)林

(中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

當(dāng)前能源發(fā)展正處于深刻變革和重大調(diào)整的關(guān)鍵時(shí)期，面對(duì)全球氣候和環(huán)境挑戰(zhàn)，為滿足不斷增長(zhǎng)的能源需求，大力發(fā)展可再生能源已成為能源發(fā)展的必然趨勢(shì)。海上風(fēng)力發(fā)電是一個(gè)新興產(chǎn)業(yè)，具有風(fēng)能資源豐富、不占用土地、不影響人類日常生活和離電力負(fù)荷中心更近等諸多優(yōu)勢(shì)。隨著海上風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的離岸距離越來(lái)越遠(yuǎn)，為節(jié)約用海和降低損耗，海上升壓站已成為海上風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的基本元素。海上升壓站作為海上風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的重要組成部分，是整個(gè)風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的升壓、配電和控制中心。海上升壓站不僅需要滿足風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)變電功能的需求，還需要滿足日常運(yùn)維的需求[1]。海上升壓站電氣設(shè)備集中、離岸遠(yuǎn)、環(huán)境條件嚴(yán)酷、無(wú)人值守，必須設(shè)置可靠的消防措施[2]，其日常運(yùn)維的重要內(nèi)容包括消防系統(tǒng)補(bǔ)水和生活系統(tǒng)補(bǔ)水。目前國(guó)內(nèi)外已建的海上升壓站消防系統(tǒng)和生活系統(tǒng)補(bǔ)水均采用的是船運(yùn)的方式，即當(dāng)消防水箱和生活水箱的水消耗到一定程度時(shí)，由船舶從陸地運(yùn)輸水源供應(yīng)至海上升壓站。這種方式往往運(yùn)輸成本大、補(bǔ)水周期長(zhǎng)、效率低下，而且當(dāng)遇到不利海況條件時(shí)，船舶無(wú)法進(jìn)行補(bǔ)水作業(yè)，對(duì)海上升壓站的安全運(yùn)行造成了威脅。

就地抽取海水轉(zhuǎn)化成淡水作為補(bǔ)給水源是解決上述問(wèn)題的一種有效途徑。由于海水淡化是高耗能產(chǎn)業(yè)，若采用常規(guī)能源發(fā)電，那么在獲得淡水的同時(shí)也造成了環(huán)境污染。海上風(fēng)電作為電能供給側(cè)，可為電網(wǎng)提供源源不斷的電能。若將海上風(fēng)電與海水淡化技術(shù)相結(jié)合，不僅可以解決淡水的獲取問(wèn)題，還可以緩解可再生能源項(xiàng)目的電力消納問(wèn)題。風(fēng)能海水淡化技術(shù)可分為直接風(fēng)能海水淡化和間接風(fēng)能海水淡化。直接風(fēng)能海水淡化就是直接將風(fēng)力的機(jī)械能用于海水淡化，也就是將風(fēng)力渦輪的旋轉(zhuǎn)能直接驅(qū)動(dòng)海水淡化系統(tǒng)。間接風(fēng)能海水淡化就是利用風(fēng)能發(fā)電產(chǎn)生的電能來(lái)驅(qū)動(dòng)海水淡化系統(tǒng)[3]。本文研究的是間接風(fēng)能海水淡化技術(shù)。

國(guó)內(nèi)外對(duì)于風(fēng)電與海水淡化融合技術(shù)均有一定研究。蘇榮等[4]對(duì)珠海桂山海上風(fēng)電場(chǎng)110 kV島上升壓站進(jìn)行了海水淡化技術(shù)比選和設(shè)備防腐處理技術(shù)的研究。李利平[5]對(duì)當(dāng)前開(kāi)展風(fēng)電海水淡化聯(lián)合系統(tǒng)建設(shè)所涉及的關(guān)鍵技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了初步分析，指出海水淡化系統(tǒng)具備作為可調(diào)負(fù)荷的技術(shù)條件。周百?gòu)?qiáng)[6]以江蘇南通通州灣200 t/d風(fēng)力海水淡化項(xiàng)目為背景，對(duì)風(fēng)力直接利用的海水淡化系統(tǒng)進(jìn)行分析與研究。施建中[7]提出了一種基于非并網(wǎng)風(fēng)電原理，利用風(fēng)、光、潮汐等綠色能源對(duì)海水淡化系統(tǒng)供電的系統(tǒng)，該系統(tǒng)提高了能源的利用效率，實(shí)現(xiàn)二氧化碳的零排放，具有很好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。國(guó)外利用風(fēng)能進(jìn)行海水淡化的國(guó)家主要有西班牙、希臘、墨西哥、挪威、澳大利亞、荷蘭等。本世紀(jì)初在歐盟資助下西班牙的科技人員在加那利群島開(kāi)展了各種海水淡化技術(shù)方案的聯(lián)合技術(shù)研究與示范，澳大利亞、挪威等國(guó)也開(kāi)展了小型示范工程[5]。

上述研究和探索或是針對(duì)海水淡化技術(shù)本身的提升，或是針對(duì)陸上升壓站水源問(wèn)題，并未針對(duì)目前日趨增長(zhǎng)的海上升壓站日常運(yùn)維補(bǔ)水需求。本文以沿海某海上風(fēng)電場(chǎng)220 kV海上升壓站為依托，通過(guò)海水淡化技術(shù)比選、設(shè)備選型及技術(shù)要求和設(shè)施布置等方面開(kāi)展分析研究，以期為海上升壓站日常運(yùn)維補(bǔ)水需求提供新的技術(shù)指導(dǎo)，為海上風(fēng)電與海水淡化兩個(gè)產(chǎn)業(yè)之間的融合提供新思路。

1 反滲透法

海水淡化是指從海水中獲取淡水的技術(shù)和過(guò)程，通過(guò)脫除海水中的大部分鹽類，使處理后的海水達(dá)到生活和生產(chǎn)用水標(biāo)準(zhǔn)的水處理技術(shù)。海水淡化技術(shù)的研究始于上世紀(jì)50年代中期，到現(xiàn)在已發(fā)展成為一種可靠的工業(yè)技術(shù)。按所使用的能源分類，海水淡化方法主要有常規(guī)的熱能、電能、太陽(yáng)能和核能。按分離過(guò)程分類，海水淡化方法主要有蒸餾法、膜法、結(jié)晶法、溶劑萃取法和離子交換法等。但目前只有蒸餾和反滲透法等方法實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，其中多級(jí)閃蒸(蒸餾法)和反滲透(膜法)的應(yīng)用最廣[8]。

多級(jí)閃蒸法和反滲透法的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較見(jiàn)表1。

表1 多級(jí)閃蒸法和反滲透法的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較 元/m3

由表1可知，反滲透法具有投資少、能耗低、出水穩(wěn)定性好和可常溫操作等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于海水淡化以及純水和超純水的制備，因此，本文結(jié)合海上升壓站功能布置和用水需求，采用反滲透法為海上升壓站的海水淡化技術(shù)。

2 主要設(shè)備選型及技術(shù)要求

2.1 主要設(shè)備選型

本文選用的設(shè)備主要包括海水蓄水池、提升泵、預(yù)處理系統(tǒng)、成套反滲透裝置、清水箱、加藥消毒系統(tǒng)等，見(jiàn)表2。

表2 主要設(shè)備選型

預(yù)處理系統(tǒng)包括供水泵、多介質(zhì)過(guò)濾器、精密過(guò)濾器、保安過(guò)濾器，主要處理原水中所含的大顆粒雜質(zhì)、余氯及細(xì)小微粒，保證反滲透系統(tǒng)的進(jìn)水水質(zhì)。

成套反滲透裝置包括高壓泵、RO反滲透膜組件、調(diào)壓閥、清洗箱，主要將預(yù)處理處理過(guò)的原水進(jìn)一步處理成淡水。

2.2 主要設(shè)備技術(shù)要求

1)二級(jí)反滲透海水淡化裝置直接制取含鹽量≤20 ppm的淡水，產(chǎn)水量：10 m3/d，總功率約10 kW。

2)pH調(diào)節(jié)裝置添加堿性物質(zhì)，使產(chǎn)淡水的PH值能達(dá)到7～8.5(經(jīng)反滲透海水淡化裝置處理后的淡水，一般淡水的pH值在6.5以下，呈弱酸性，對(duì)管路等腐蝕性較大，也容易變質(zhì)變味)。

3)對(duì)制取的淡水需進(jìn)行軟化處理。

4)海水泵、過(guò)濾器、防海洋生物裝置、管道及閥門等一切與海水直接接觸的材質(zhì)均應(yīng)采用高防腐蝕的材料，滿足海水重腐蝕的要求。

5)防海洋生物裝置產(chǎn)生的殺生藥劑為環(huán)境友好型制劑。

6)海水中含有大量鹽類和多種元素，其中許多元素是人體所需要的。但海水中各種物質(zhì)濃度太高，回用需要經(jīng)處理達(dá)標(biāo)后使用，出水經(jīng)深度處理后需滿足現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》GB5749-2006的規(guī)定。

3 海水淡化設(shè)施布置

本文中我國(guó)沿海某海上風(fēng)電場(chǎng)共安裝60臺(tái)5.0 MW的風(fēng)電機(jī)組，其總裝機(jī)容量約300 MW，風(fēng)電場(chǎng)配套建設(shè)一座220 kV海上升壓站和一座220 kV陸上開(kāi)關(guān)站。海上升壓站位置離岸直線距離約60 km，水深約13 m。若按照目前國(guó)內(nèi)一般交通艇8節(jié)左右的航速，從岸邊到海上升壓站需要約4 h?？紤]到漲落潮時(shí)間和路徑上可能的淺灘，實(shí)際單程的通達(dá)時(shí)間約5 h。

本文海上升壓站上部組塊采用整體式布置，共分四層甲板。一層甲板平臺(tái)平面尺寸30 m×26 m，布置水泵房及水箱間、樓梯間、避難室及相應(yīng)的救生設(shè)備等設(shè)備，同時(shí)一層也作為電纜層，層高6.5 m。二層甲板平臺(tái)平面尺寸42 m×35 m，布置主變、GIS和高抗，主變室、高抗室和GIS室房間上空，主變和高抗散熱裝置與本體分分開(kāi)布置，散熱器布置在兩側(cè)平臺(tái)上；主變室南側(cè)布置開(kāi)關(guān)柜室、低壓配電及應(yīng)急配電室；主變室北側(cè)布置GIS室、蓄電池室、高抗室和吊裝平臺(tái)，二層層高5.0 m。三層甲板平臺(tái)平面尺寸42 m×35 m，中間為主變室上空區(qū)域，主變室北側(cè)為GIS室和高抗室上區(qū)域；主變室南側(cè)布置柴油機(jī)房、通信繼保室、備品備件庫(kù)和暖通機(jī)房等，層高5 m。頂層甲板平臺(tái)平面尺寸35 m×30 m，布置樓梯間和激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)、避雷針、通訊天線、設(shè)備檢修孔等電氣設(shè)備。

考慮220 kV海上升壓站內(nèi)的消防系統(tǒng)補(bǔ)水和生活系統(tǒng)補(bǔ)水采用海水淡化制水。經(jīng)估算，最高日總用水量按照10 m3/d計(jì)，取水量按1 m3/h考慮。

隨著海上風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)向大容量發(fā)展的趨勢(shì)，海上升壓站重量也越來(lái)越大。海上升壓站的重量不僅直接影響結(jié)構(gòu)制作費(fèi)用，還通過(guò)吊裝船機(jī)間接影響施工費(fèi)用。在海上升壓站重量影響的諸多因素中，平面布置方案是最為重要的因素，海上升壓站重量和鋼結(jié)構(gòu)用量主要取決于其平面布置尺寸?？紤]盡量減少對(duì)平面布置尺寸的影響同時(shí)充分利用已有的設(shè)施，本項(xiàng)目在海上升壓站一層設(shè)置海水淡化室和次氯酸鈉室，使海水淡化設(shè)施的增加對(duì)海上升壓站整體平面尺寸沒(méi)有影響。通過(guò)集約化設(shè)計(jì)，整套海水淡化設(shè)施總占地面積約80 m2，詳見(jiàn)圖1。

圖1 海上升壓站一層甲板海水淡化設(shè)施布置圖

海水淡化室內(nèi)設(shè)置固定式海水提升泵從海里抽水，由于海水中泥沙、藻類及浮游微生物眾多，為了防止海水泵入口以及海水管路系統(tǒng)堵塞，取水口需有防堵塞措施，將大部分的海洋生物或大顆粒雜質(zhì)進(jìn)行初步過(guò)濾。同時(shí)，通過(guò)次氯酸鈉室引接管線至海水泵取水口，對(duì)取水口附近海水進(jìn)行殺生、滅藻處理。此外，在海水泵的出口管路上設(shè)有過(guò)濾器，過(guò)濾精度需滿足后續(xù)換熱器正常工作的要求。通過(guò)海水過(guò)濾器后補(bǔ)充至海上升壓站平臺(tái)海水箱儲(chǔ)存，海水箱通過(guò)設(shè)置液位控制裝置，自動(dòng)控制海水提升泵的啟停，這樣就可以使水箱內(nèi)的水始終保持充滿的狀態(tài)而不需要人工補(bǔ)給。海水箱內(nèi)的水經(jīng)過(guò)海水淡化設(shè)備處理達(dá)標(biāo)后就可接至消防系統(tǒng)用水箱和生活系統(tǒng)用水箱。在此過(guò)程中，海水淡化設(shè)施可充分利用風(fēng)電場(chǎng)所發(fā)的電能，無(wú)需消耗常規(guī)能源，既避免環(huán)境污染，也能緩解海上風(fēng)電場(chǎng)的電力消納問(wèn)題。

4 結(jié) 語(yǔ)

以沿海某海上風(fēng)電場(chǎng)220 kV海上升壓站為依托，通過(guò)對(duì)海水淡化技術(shù)進(jìn)行比選，得出反滲透法是適用于海上升壓站與海水淡化融合的方式；根據(jù)規(guī)范對(duì)海水淡化主要設(shè)備進(jìn)行了選型，并作了相應(yīng)的技術(shù)要求；結(jié)合設(shè)備功能和整體布置需求，提出了適用于海上升壓站的海水淡化設(shè)施集約型布置方案。

本文對(duì)海上升壓站與海水淡化技術(shù)進(jìn)行融合研究，為海上升壓站日常運(yùn)維補(bǔ)水需求提供新的技術(shù)指導(dǎo)。兩個(gè)產(chǎn)業(yè)之間的融合思路，為海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的肌體注入新血液，也為深入推進(jìn)我國(guó)新能源海水淡化業(yè)發(fā)展提供有力支撐。