反滲透海水淡化系統(tǒng)的改良與國產(chǎn)化研究應(yīng)用

（中海石油（中國）有限公司湛江分公司，廣東 湛江 524057）

反滲透膜系統(tǒng)從無到有已高速發(fā)展了60多年，海水淡化領(lǐng)域?qū)Υ诵枨笤絹碓酱?，同時(shí)也對(duì)反滲透膜系統(tǒng)提出了越來越高的要求。由于歷史原因，我國膜技術(shù)的起步較晚，與發(fā)達(dá)國家存在一定的技術(shù)差距。因此，對(duì)反滲透膜技術(shù)的改良及國外成熟技術(shù)的國產(chǎn)化，就尤為重要。

1 反滲透造淡系統(tǒng)介紹

1.1 反滲透造淡系統(tǒng)工作原理

反滲透技術(shù)又稱逆滲透技術(shù)，是一種以壓力差為推動(dòng)力，從溶液中分離出溶劑的膜分離技術(shù)。對(duì)膜一側(cè)的料液施加壓力，當(dāng)壓力超過它的滲透壓時(shí)，溶劑會(huì)逆著自然滲透的方向作反向滲透，從而在膜的低壓側(cè)得到透過的溶劑，即滲透液，高壓側(cè)得到濃縮的溶液，即濃縮液。若用反滲透處理海水，在膜的低壓側(cè)得到淡水，在高壓側(cè)得到濃水，見圖1。

圖1

1.2 反滲透造淡系統(tǒng)工藝流程

造淡系統(tǒng)共分四步，進(jìn)行不同分工的過濾，最后進(jìn)入礦化罐得到直飲純水。系統(tǒng)運(yùn)行原理如下：

第一步：原水（海水）經(jīng)減壓閥調(diào)整壓力后，由增壓泵提高到系統(tǒng)運(yùn)行所需的壓力，調(diào)壓后的原水首先進(jìn)入活性炭過濾器，進(jìn)行第一步過濾。此步主要過濾原水中可能存在的較大顆粒物質(zhì)，如泥沙，有機(jī)物等。

第二步：經(jīng)過活性炭過濾后的海水，進(jìn)入袋式過濾器。經(jīng)過袋式過濾器過濾的海水，會(huì)流入一級(jí)過濾器（即纏繞式過濾器），在這個(gè)過濾器中，海水中大于1μ的雜質(zhì)均被攔截。通過的海水進(jìn)入（即折疊式過濾器）。二級(jí)過濾器會(huì)攔截海水中大于0.5μ的雜質(zhì)。

第三步：經(jīng)過兩次過濾的海水，由高壓泵再次增壓，進(jìn)入反滲透膜裝置。在對(duì)反滲透裝置進(jìn)行加壓的情況下，可以使其中海水中的水分子部分透過半透膜，形成淡水。剩下的海水濃度增高，形成濃水。

第四步：淡水通過淡水管道進(jìn)入礦化罐處理。經(jīng)過礦化罐礦化的淡水，通過在線儀表的連續(xù)檢測，在確保水質(zhì)的情況下，源源不斷地流向用水終端，最終形成的成品淡水，其清潔度，符合飲用水國家標(biāo)準(zhǔn)，還具有多種對(duì)人體有益的礦物質(zhì)。

反滲透系統(tǒng)工藝流程圖見圖2。

圖2 反滲透系統(tǒng)工藝流程圖

2 成熟技術(shù)國產(chǎn)化研究與實(shí)踐

2.1 多級(jí)過濾技術(shù)國產(chǎn)化

目前的國產(chǎn)反滲透海水淡化系統(tǒng)，均在反滲透膜罐前采用二級(jí)過濾模式，即活性炭過濾加精密過濾，或袋式過濾加精密過濾，為反滲透膜提供相對(duì)潔凈的工作環(huán)境。經(jīng)實(shí)際運(yùn)行發(fā)現(xiàn)這種過濾模式存在嚴(yán)重問題。

從表面上看，這種過濾模式，工藝簡單，過程短，效果也不錯(cuò)。但在相同工況下，傳統(tǒng)的二級(jí)過濾，使得每一級(jí)過濾裝置的負(fù)擔(dān)更重。這種重負(fù)會(huì)產(chǎn)生三種不良效果。

(1)總納污量低。導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)須頻繁更換濾芯，維護(hù)費(fèi)用增高。同時(shí)導(dǎo)致系統(tǒng)整體運(yùn)行時(shí)間減少，連續(xù)運(yùn)行能力低。

(2)過濾效果變差。在濾芯中迅速積累的雜質(zhì)會(huì)導(dǎo)致濾芯局部納污達(dá)到飽和，濾芯的壓差增大，進(jìn)而導(dǎo)致顆粒物的穿透動(dòng)能增大，造成過濾效果變差。

(3)系統(tǒng)安全性低。傳統(tǒng)二級(jí)過濾容錯(cuò)率低，一旦某一級(jí)過濾過程出現(xiàn)問題，另一級(jí)將無法承受過濾所有雜質(zhì)的重?fù)?dān)，發(fā)生迅速堵塞或達(dá)到納污量上限。嚴(yán)重時(shí)，透過濾器的雜質(zhì)會(huì)破壞反滲透膜，甚至導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)崩潰。

為解決這些問題，技術(shù)人員研究了美國過濾技術(shù)，美國過濾技術(shù)將系統(tǒng)改為多級(jí)過濾，即原水按順序送入活性炭過濾器、袋式過濾器、一級(jí)過濾器（纏繞式過濾器）、二級(jí)過濾器（折疊式過濾器）進(jìn)行多級(jí)過濾，方可通入反滲透膜裝置（見圖2）。這樣的多級(jí)過濾模式克服了傳統(tǒng)二級(jí)過濾模式的許多弊端。

(1)增加了系統(tǒng)的納污量，從而大大減少了更換濾芯的頻率，減少了備品備件的數(shù)量，提高了設(shè)備連續(xù)運(yùn)行的時(shí)間。

(2)過濾效果提高。多級(jí)過濾對(duì)于每一級(jí)的過濾器所進(jìn)行過濾內(nèi)容分工明確，使每一級(jí)過濾器的負(fù)荷均勻，使得原水得到傳統(tǒng)二級(jí)過濾不可比擬的過濾效果，以保證反滲透膜的優(yōu)良運(yùn)行環(huán)境。

(3)系統(tǒng)安全性提高。多級(jí)過濾系統(tǒng)極少出現(xiàn)某一過濾器承受過多過濾壓力的情況。即使某一過濾器出現(xiàn)故障，其余過濾器依然分擔(dān)了過濾任務(wù)，使整體系統(tǒng)可以正常運(yùn)行。同時(shí)，故障部位也會(huì)由壓力差值等形式清晰地表現(xiàn)出來，從而得到及時(shí)的檢修。

綜上所述，多級(jí)過濾系統(tǒng)的優(yōu)良表現(xiàn)決定了它將是反滲透造淡機(jī)系統(tǒng)的主流過濾模式。

2.2 軟管減壓技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)閥門減壓方式

傳統(tǒng)反滲透系統(tǒng)在膜裝置的濃水出水口設(shè)置一個(gè)減壓閥，以調(diào)節(jié)反滲透膜的原水側(cè)的高壓。在系統(tǒng)正常工作時(shí)，閥門開度需固定，以保證反滲透膜原水側(cè)的壓力的恒定。在實(shí)際工況下，海上工作環(huán)境惡劣，海風(fēng)海霧以及海水都會(huì)對(duì)閥產(chǎn)生腐蝕，不但可能緩慢改變閥門開度，使壓力失準(zhǔn)，更有可能使閥門銹蝕，造成閥門卡死，失去調(diào)節(jié)壓力的效果。

改用調(diào)節(jié)耐腐蝕的高壓軟管的長度進(jìn)行壓力調(diào)節(jié)，可以減少一個(gè)閥門，降低開支，同時(shí)省去人工調(diào)節(jié)閥門的步驟，永久固定濃水出水口的壓力值，減少產(chǎn)生錯(cuò)誤動(dòng)作的可能，提高了系統(tǒng)安全性。

2.3 活性炭過濾器反沖洗流程的改良

以往國內(nèi)對(duì)活性炭過濾器的反洗，一般采用一個(gè)固定泵進(jìn)行加壓，用原水對(duì)活性炭過濾器進(jìn)行反洗作業(yè)。這樣的流程需要有一個(gè)獨(dú)立的反洗泵對(duì)活性炭過濾器進(jìn)行反洗，隨之帶來的問題是，必須考慮此泵的運(yùn)行與維護(hù)情況，必然占用整體系統(tǒng)的部分運(yùn)行功耗。如果此泵發(fā)生故障，將造成無法反洗，同樣會(huì)使整個(gè)過濾程序無法正常運(yùn)行。用原水反洗活性炭過濾器的另一個(gè)問題是；反洗時(shí)，原水中的雜質(zhì)，可能停留在活性炭過濾器中，導(dǎo)致反洗效果不佳。

研究人員在對(duì)比國外反滲透技術(shù)時(shí)，對(duì)國內(nèi)傳統(tǒng)反洗技術(shù)進(jìn)行了改良，即：用反滲透產(chǎn)出的濃水用于反洗作業(yè)。這樣的改動(dòng)具有三個(gè)明顯的優(yōu)勢：

(1)減少了一個(gè)反洗泵，使系統(tǒng)能耗顯著減少，提高了系統(tǒng)的可靠性性。

(2)被用來反洗的濃水，是經(jīng)過多級(jí)過濾的潔凈的水。在反洗過程中，不必?fù)?dān)心任何原水可能帶來的雜質(zhì)二次污染活性炭過濾器。

(3)利用反滲透濃水端的壓力，為反洗活性炭過濾器驅(qū)動(dòng)力，對(duì)能量進(jìn)行了回收利用，進(jìn)一步降低了系統(tǒng)的能耗。

3 自主技術(shù)對(duì)反滲透系統(tǒng)的改良

3.1 降低系統(tǒng)運(yùn)行能耗

通過實(shí)際觀測與實(shí)驗(yàn)，研究人員對(duì)降低系統(tǒng)能耗進(jìn)行了改良。占反滲透造淡機(jī)系統(tǒng)能耗比重最大的，是反滲透膜裝置入口的高壓泵。對(duì)高壓泵的改型，可以對(duì)節(jié)約能耗起到最直接的效果。改型后的泵與某平臺(tái)同類型原用泵相比，耗能大大降低，有關(guān)數(shù)據(jù)見表1。

表1 泵改型前后對(duì)比

對(duì)比表1可知，高壓泵改型后，在保證流量與揚(yáng)程的情況下，能耗大大降低，僅為原來的1/3。泵的體積更小，噪聲低，溫升低，維護(hù)周期長，更符合平臺(tái)使用要求，安全系數(shù)得到提高。經(jīng)初步計(jì)算，每臺(tái)泵按全年工作350天，每年可節(jié)約218400 kW/h電力，按每千瓦電0.8元計(jì)，每年可節(jié)約人民幣17.47萬元。

3.2 改善系統(tǒng)入口原水壓力波動(dòng)

平臺(tái)反滲透造淡系統(tǒng)所用的海水，一般都來源于平臺(tái)海水泵，而海水泵不僅對(duì)反滲透造淡機(jī)系統(tǒng)提供海水。當(dāng)多個(gè)系統(tǒng)用海水高峰或低谷時(shí)，反滲透造淡機(jī)系統(tǒng)入口海水壓力會(huì)發(fā)生波動(dòng)。這種波動(dòng)，會(huì)造成膜工作環(huán)境的頻繁變化，可能導(dǎo)致過濾裝置和反滲透膜的物理性形變與損壞，致使系統(tǒng)工作失衡?？紤]到這一問題，在系統(tǒng)原水入口處增設(shè)一個(gè)控壓閥?？貕洪y對(duì)入口水壓進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)節(jié)。原水流經(jīng)控壓閥后，都維持在一個(gè)恒定的壓力不再變化，以保證膜工作環(huán)境穩(wěn)定，延長膜的使用壽命，最終產(chǎn)出的淡水質(zhì)量更為穩(wěn)定。

4 反滲透造淡機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用

反滲透造淡機(jī)系統(tǒng)在中海油西部海域曾經(jīng)有過應(yīng)用。自2007年開始，中海油西部某氣田選用進(jìn)口的反滲透造淡機(jī)系統(tǒng)，但投用不久就出現(xiàn)高壓泵損壞無法繼續(xù)運(yùn)行等故障，乃至使用一段時(shí)間后因設(shè)備運(yùn)行和維護(hù)成本太高而停用。

2012年8月，中海油西部某油田群平臺(tái)采用國產(chǎn)的反滲透造淡機(jī)系統(tǒng)并投入使用，至今已連續(xù)運(yùn)行一年，系統(tǒng)的產(chǎn)水品質(zhì)和產(chǎn)量正常，運(yùn)行狀況安全可靠。該系統(tǒng)日造淡水量20 m3，所造淡水完全滿足公用站系統(tǒng)、洗澡、洗衣和應(yīng)急情況的人員生活飲用等要求，大大減少了船舶往來運(yùn)輸?shù)某杀?，?jié)約了可觀的生產(chǎn)運(yùn)營費(fèi)用。相對(duì)于進(jìn)口設(shè)備，國產(chǎn)反滲透造淡機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行更加平穩(wěn)，運(yùn)行維護(hù)成本更低，而且國產(chǎn)反滲透造淡機(jī)系統(tǒng)采購價(jià)格和交貨周期都遠(yuǎn)優(yōu)于進(jìn)口反滲透造淡機(jī)系統(tǒng)。

綜上所述，國產(chǎn)反滲透造淡機(jī)系統(tǒng)完全可以滿足遠(yuǎn)離陸地的海上平臺(tái)的使用要求，其綜合性能更優(yōu)，適合在海上采油、采氣、鉆井、勘探作業(yè)平臺(tái)中推廣應(yīng)用。

5 結(jié)論

經(jīng)對(duì)國外反滲透系統(tǒng)的研究，通過將海水造淡機(jī)裝置設(shè)計(jì)為多級(jí)過濾、改減壓閥限壓為高壓軟管固定壓力、使用濃水反洗活性炭過濾器等多種措施，大大提升了反滲透系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性，人工操作更為便捷，系統(tǒng)能量得以回收再利用。通過對(duì)反滲透系統(tǒng)的不斷研究與探索，研究人員用自主技術(shù)進(jìn)行了反滲透系統(tǒng)的改良，對(duì)高壓泵進(jìn)行了改型，克服了系統(tǒng)入水的壓力波動(dòng)，有效地降低了系統(tǒng)的運(yùn)行成本，節(jié)約了電力消耗，改善了膜的工作環(huán)境。反滲透造淡機(jī)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)制造完善中，擁有了更強(qiáng)的運(yùn)行效率，也擁有了更強(qiáng)的競爭力。

鑒于國產(chǎn)造淡機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性及可觀的經(jīng)濟(jì)效益，隨后在建的新項(xiàng)目中也采用了國產(chǎn)反滲透造淡機(jī)系統(tǒng)。展望未來，此項(xiàng)技術(shù)必將在海上平臺(tái)建設(shè)中得到廣泛推廣。

[1]劉茉娥. 膜分離技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2000.

[2]東麗集團(tuán)膜產(chǎn)品事業(yè)部. 東麗膜產(chǎn)品技術(shù)手冊[M]. 2010版.

[3]王越，王世昌，徐世昌等.反滲透海水淡化系統(tǒng)能量回收裝置研究[A].第一屆全國化學(xué)工程與生物化工年會(huì)論文摘要集（下）[C].2004.