反渗透海水淡化系统的节能技术

摘   要：能耗是反渗透海水淡化系统设计和运行的重要参数，本文主要从能量回收技术和变频技术两个方面出发，对如何降低能耗进行分析和探讨。

关键词：海水淡化；反渗透；能量回收；变频控制

海水淡化是解决我国沿海城市和岛屿水资源短缺、增加淡水资源总量的一条重要途径。反渗透技术于20世纪50年代因海水淡化而面世，现已成为海水淡化Z经济的方法之一。目前，在国内已建成投产的30余套海水淡化装置中，采用反渗透技术的装置数和产水量均在80%以上。能耗是反渗透海水淡化装置设计和运行的重要参数，在反渗透海水淡化综合制水费用中占有举足轻重的地位，是衡量海水淡化经济性的重要指标。下图为典型反渗透海水淡化系统综合制水成本的分解图。

反渗透海水淡化工程综合制水成本分解图

由图可以看出，在综合制水成本中，电费占44%，投资成本37%，膜更换费5%，劳动力费用4%，维修费7%；消耗品费用3%。电费和投资成本两项就占了综合制水成本的80%以上，因此，要降低制水成本，关键是降低工程投资和能耗。本文从反渗透海水淡化系统中的节能技术出发，介绍了当前国内外反渗透海水淡化系统设计中常用的能量回收设备、变频控制技术等，同时对其节能机理进行了分析和探讨。

早期海水淡化多采用蒸馏法，应用Z广的是多级闪蒸技术，能耗一般在9.0 kWh/m3。因此，大规模的海水淡化厂通常建在能量价格很低的地区，如中东，或有废热可利用的场合。

20世纪70年代反渗透海水淡化技术投入应用，但在80年代初以前建成的多数反渗透海水淡化系统的过程能耗（反渗透部分的能耗）在6.0 kWh/m3以上。究其原因，主要是膜性能低和没有能量回收装置，高压浓水直接排放造成能量的浪费。

1985年，反渗透海水膜厂商开发成功低压、单级脱盐的海水淡化膜元件，与此同时，一些水泵制造商把当时已存在的反转透平（reverse running turbines）和皮尔顿装置（Pelton wheel devices）应用于反渗透海水淡化系统来回收能量，新的膜技术和能量回收装置的应用使反渗透海水淡化的过程能耗降到了4.0 kWh/m3左右。

到1990年，以水力透平式能量回收装置（hydraulic turbo charger）和皮尔顿式能量回收装置（Pelton wheel）为代表的第一代反渗透海水淡化能量回收装置开发成功，投放市场。这类装置采用了高合金、耐磨不锈钢材料（如904L），使可靠性和耐腐蚀性大为提高，降低了设备的维护，透平式能量回收装置一般能回收反渗透海水淡化系统排出的高压浓水中35～76%的能量。

1997年美国能量回收公司（ERI）推出压力交换能量回收装置（Pressure Exchanger）,运用正位移的原理转换能量，使反渗透海水膜单元排出高压浓水的能量回收率高达93～96% 高效率的能量转换率与无需外加电源的设计使反渗透海水淡化系统的过程能耗降低了近60%。

在Z近十多年时间，随着反渗透海水淡化技术和产业的发展，对能量回收技术和装置的研究与开发也引起高度关注和重视，除了对透平式和皮尔顿式能量回收装置的改进和提高外，注意力主要集中在研究与开发新一代正位移式能量回收装置上。可以说，反渗透海水淡化技术的发展和推广应用是建立在能量回收技术发展的基础上。

反渗透海水淡化系统的能量回收装置按照工作原理主要可分为透平式和正位移式两种类型。透平式能量回收装置主要有水力透平式和皮尔顿式（水轮式）二种，通常需要经过“压力能-轴功-压力能”两步转换过程，能量回收效率一般在35～76%之间。正位移式能量回收装置利用反渗透系统排出的高压浓水直接增压进料海水的方式来回收能量，能量回收效率一般都在91～96%之间。自上世纪末正位移式的能量回收装置进入商业化应用以来，使反渗透法海水淡化系统的能耗迅速降低。

目前，国际上已商业化应用的透平式能量回收装置主要包括美国Pump Engineering公司的水力透平（TurboCharger）式和 瑞士Calder公司的皮尔顿（ERT）式二种；正位移式能量回收装置主要包括美国ERI公司的PX型、美国DWEER公司的DWEER型和西班牙Aqualyng公司的能量回收塔三种。

皮尔顿 (Pelton Wheel) 能量回收装置

皮尔顿式能量回收装置流程示意图

采用皮尔顿式能量回收装置的反渗透高压给水系统由电机、高压泵、涡轮和进水喷嘴组成，安装在同一机架上。反渗透膜单元排出的高压浓水由喷嘴喷出推动涡轮运转，涡轮产生旋转机械动能和电机一起来驱动高压泵，把旋转机械动能转换为压力能，对进入反渗透系统的海水实施增压。这样一来，驱动同等规模高压泵电机可以小得多，价格也低了，所需能耗也可大幅度下降。

皮尔顿式能量回收装置在反渗透海水淡化系统中应用已有二十多年的历史，经过不断改进和完善，与高压泵厂商合作开发成功了系列化的反渗透高压给水装置，在中大规模的反渗透海水淡化工程中得到了广泛应用。到目前为止，世界上采用皮尔顿式能量回收技术的反渗透海水淡化装置的合计产水量超过2,000,000m3/d 。

压力交换器(PX型)

压力交换式能量回收装置是在二十世纪90年代后期推出的能量回收技术，它利用正位移的原理，直接将高压浓水的压力能传递给进料海水，其净能量传递效率在95%左右。压力交换式能量回收装置由一圆柱型转子、套筒和封盖等组成，其内部结构如图所示。

压力交换器的内部结构

转子中有多条与旋转轴平行的导管，转子在套筒内旋转，两端是封盖，上有高低压进出口，转子和端盖间有密封体分为低、高压区。转子转动时，导管中先进入进料海水，它的进入使低压浓海水排掉，转过密封区，高压浓水进入导管，使原来进料海水获得高压排出，由于浓水和进料海水在导管中运动之间有一隔层，几乎不混合，每一转仅1%-3%的海水是混合的。在一个典型的使用PX系统的反渗透水处理厂，高压泵提供41％的能源，压力提升泵提供2％，压力交换器提供57％。由于PX压力交换器本身不用外来的能源，所以与没有能量转换回收的系统比较，整套系统将节省近57％的能源。

PX能量回收装置流程

如上所述，目前商业化的能量回收装置主要采用二种不同的原理来回收能量，即透平式原理和正位移式原理。为了对这二种能量回收装置的性能（能量回收效率）进行比较，我们不妨对反渗透海水淡化系统的能量回收效率加以定义，能量回收效率应等于海水经过能量回收系统增加的能量除以高压浓水的能量。

其中，海水经过能量回收系统增加的能量可定义为，海水增加的能量 = 海水流量 ×（海水出口压力 - 海水进口压力）。高压浓水的能量可定义为，浓水的能量 = 浓水流量 ×（浓水进口压力 - 浓水出口压力）。下表是依据上述计算方法得出的当前Z广泛应用的能量回收装置的能量回收效率。

下图是几种常用能量回收装置在不同水回收率情况下海水淡化过程能耗的曲线（只包括反渗透部分能耗）。

海水淡化过程能耗与水回收

目前，没有采用能量回收装置的反渗透海水淡化工程的能耗（包括海水取水、海水预处理处理、海水淡化和产水供水的全部能耗）在8.0度/吨左右。在采用透平式能量回收装置情况下，对高压泵后的海水进行二次增压，可从反渗透膜堆排出的高压浓缩海水中回收约35～75%的能量，使海水淡化工程能耗降到5.5度/吨以下。正位移式能量回收装置可从反渗透膜堆排出的高压浓缩海水中回收约91～96%的能量，使海水淡化工程能耗降到4.0度/吨以下。

海水含盐量和水温是反渗透海水淡化系统运行的重要参数，对产水量影响极大，在不同水温和含盐量的情况下要保持产水量稳定，必须改变系统操作压力。要达到此目标，往往在高压泵和膜堆之间设置压力调节阀来完成，从而损失了大量的能量。如采用变频控制技术来控制高压泵的运行，不仅可以在开机、关机过程通过逐步改变频率来达到高压泵的软操作，以防止由于水锤或由于突然停机卸压所形成的渗透反压而损伤膜元件，而且可根据各季节水温不同、海水含盐量变化，通过改变高压泵电机运转频率来自动调节海水淡化系统的操作压力。采用变频控制技术平均可节省10%的能耗。

水泵设备通常是以流量为控制对象的。传统的流量控制方法是阀门/挡板控制法，即通过关小和开大阀门/挡板的开度来调节流量。阀门控制法的实质是通过改变管网阻力大小来改变流量。因此，这种控制方式当所需流量减少时，压力反而会增加，故轴功率的降低有限，此时，过剩的水泵功率将导致压力增加而白白浪费掉了。

变频调速恒压供水控制装置能够极大地改善给水管网的供水环境，该系统可根据管网瞬间压力变化，自动调节水泵电机的转速，使管网主干出口端保持在恒定的设定压力值，整个供水系统始终保持高效节能和运行在Z佳状态。

异步电动机采用变频器调速的原理是：通过整流桥将工频交流电压变为直流电压，再由逆变桥变换为频率可调的交流，作为交流异步电动机的驱动电源，使电动机获得无级调速所需的电压、电流和频率。

水泵运行工作点位置与水泵负载有关，在水泵负载经常变化的情况下，水泵不能总处在高效区域里工作。为使水泵适应外界负载变化的要求。我们可采用变速调节，即在管网特性曲线基本不变时，采用改变水泵转速来改变泵的Q—H特性曲线。从而改变它的工作点，达到即改变流量又能保证水泵恒定和输入功率减少的目的。

特征曲线

根据水泵的相似定律，变速前后流量、扬程、功率与转速之间关系为：

式中P1、H1、Q1为转速n1时的功率、扬程、流量；P2、H2、Q2为转速n2时的功率、扬程、流量。由此可见，当水泵在变负荷工作情况下，采用变频器调节水泵电机转速时，轴功率随转速比的三次方关系进行变化，节电效果明显。

使用阀门控制流量和变频器控制流量时功率变化的比较

可以十分直观看到从启动到运行到Z大功率的整个过程，使用变频器明显的节电效果。

以嵊泗海水淡化1000T/H项目为例：主要耗电设备中采用变频控制的为：增压泵22KW，高压泵110KW,送水泵37KW。按一年360天，每天运行24小时，水泵功率因数k =0.9计算。（P0：Z大功率，PV：阀门控制时的功率，PI：变频器控制时的功率）。对于高压泵来说，平均运行在44Hz左右。PV = ((50+50x (44/50))/100 x P0= 0.94 P0 [kW]。          PI = (44/50)3x P0= 0.681 P0 [kW]。          P0 = 110 KW /k= 110/ 0.9 = 122.22 [kW]   。每年节电 =( PV   - PI) x 360 x 24 =273499.03[kWh]。   对于供水泵来说，在保证管网3.5Kg压力的条件下，每天有10小时运行在Z大功率，其他运行在35Hz左右。同理：PV = ((50+50x (35/50))/100 x P0= 0.85 P0 [kW]。     PI = (35/50)3x P0= 0.343 P0 [kW]。     P0 = 37 KW /k= 37/ 0.9 = 41.11 [kW]。每年节电 =( PV   - PI) x 360 x （24－10）= 105047.5[kWh]。   同理可以计算增压泵变频供水也有可观的节能效果。

海水含盐量和水温是反渗透海水淡化系统运行的重要参数，对产水量影响极大，在不同水温和含盐量的情况下要保持产水量稳定，必须改变系统操作压力。要达到此目标，往往在高压泵和膜堆之间设置压力调节阀来完成，从而损失了大量的能量。如采用变频控制技术来控制高压泵的运行，不仅可以在开机、关机过程通过逐步改变频率来达到高压泵的软操作，以防止由于水锤或由于突然停机卸压所形成的渗透反压而损伤膜元件，而且可根据各季节水温不同、海水含盐量变化，通过改变高压泵电机运转频率来自动调节海水淡化系统的操作压力。采用变频控制技术平均可节省10%的能耗。

综上所述，使用能量回收技术和变频技术的反渗透海水淡化系统虽然提高了投资成本，但是大大降低了海水淡化系统的能耗，基本上可以在1-2年收回成本。目前，采用透平式能量回收装置的反渗透海水淡化系统可降低35～45%的过程能耗，采用正位移式能量回收装置的反渗透海水淡化系统可降低50～60%的过程能耗，而采用变频技术控制反渗透海水淡化高压泵运行也可降低近10%的系统能耗。所以，采用节能技术是反渗透海水淡化工程设计中的重要环节，对降低能耗，降低制水成本和提高反渗透海水淡化技术的竞争力意义重大。

当然，反渗透海水淡化系统不是一个完全独立的系统，更加完善的前处理，为其提供更佳的进水，也会降低系统的能耗，延长系统的寿命。反渗透核心产品和相关设备的性能正在不断的改善，作为反渗透系统的核心－－反渗透膜元件，也是重要的方面，不断推出的高性能膜元件（大通量、低操作压力），以及更加合理的系统设计，也将使反渗透系统在海水淡化工程上更具竞争力。随着市场竞争的加剧和模块制造水平的提高，自动控制器件性能提高都将对反渗透海水淡化工程质量的提高和成本减少做出贡献。

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