可變負(fù)荷和可變回收率運行的小型苦咸水淡化裝置的研發(fā)

馮賓春，張子皿

（中國水利水電科學(xué)研究院北京中水科水電科技開發(fā)有限公司，北京 100038）

可變負(fù)荷和可變回收率運行的小型苦咸水淡化裝置的研發(fā)

馮賓春，張子皿

（中國水利水電科學(xué)研究院北京中水科水電科技開發(fā)有限公司，北京 100038）

為解決邊遠(yuǎn)地區(qū)生活飲水安全問題，本文介紹了一種可變負(fù)荷和可變回收率運行的小型苦咸水淡化裝置。該裝置新增了變頻器、電動閥和濃水回流管路，其中變頻器和電動閥用于裝置產(chǎn)水負(fù)荷的動態(tài)調(diào)節(jié)以增強對新能源發(fā)電輸出功率波動的適應(yīng)性，濃水回流管路可靈活設(shè)置裝置的綜合回收率，提高了對不同地區(qū)苦咸水的硬度和含鹽量的適應(yīng)能力。同時本裝置還配有超濾、加藥裝置和UV殺菌器等較為完善的預(yù)處理設(shè)備，能適應(yīng)不同的苦咸水進(jìn)水水質(zhì)（硬度、濁度和細(xì)菌污染等）。

可變負(fù)荷；可變回收率；苦咸水淡化；PID控制

1 研究背景

我國是淡水資源嚴(yán)重匱乏國家之一，僅西北地區(qū)就有2 000多萬農(nóng)牧民飽受苦咸水和高氟水的危害。同時，我國缺少安全水資源的苦咸水地區(qū)，通常經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)，電力等基礎(chǔ)設(shè)施薄弱，但風(fēng)能、太陽能等新能源資源的豐富，可為苦咸水淡化提供必要的能源保障，其中新能源離網(wǎng)發(fā)電進(jìn)行苦咸水淡化是解決偏遠(yuǎn)落后地區(qū)居民生活生產(chǎn)用水問題的較好措施。

目前苦咸水淡化技術(shù)中，膜分離技術(shù)具有廣闊的前景［1-3］。同時，國內(nèi)外新能源海水（苦咸水）淡化研究主要集中在風(fēng)能、太陽能或風(fēng)能-太陽能聯(lián)合海水（苦咸水）淡化方面，并建設(shè)了較多的示范工程［4-9］，且以新能源發(fā)電后進(jìn)行海水（苦咸水）淡化最為普遍。研究結(jié)果表明［10］，適用于新能源獨立供電的海水（苦咸水）淡化技術(shù)MVC、RO和ED中，RO在經(jīng)濟(jì)和技術(shù)上最為可行。另外，現(xiàn)有小型苦咸水淡化裝置中，通常未設(shè)計綜合回收率調(diào)節(jié)管路，對不同苦咸水水質(zhì)的適應(yīng)性較差。

基于以上背景，本文設(shè)計了一套可動態(tài)變負(fù)荷運行和回收率可調(diào)的反滲透苦咸水淡化裝置，經(jīng)室內(nèi)測試和現(xiàn)場運行表明，對新能源獨立發(fā)電和苦咸水水質(zhì)具有較好的適應(yīng)性。

2 裝置設(shè)計

常規(guī)苦咸水淡化設(shè)備主要包括預(yù)處理模塊、脫鹽模塊、自動清洗模塊和控制模塊以及相關(guān)管路及閥門，其運行對供電的可靠性要求高，在配置有限的儲能設(shè)備情況下無法適應(yīng)新能源獨立發(fā)電輸出功率存在的波動性和間歇性，設(shè)備啟停頻繁，產(chǎn)水質(zhì)量無保障且存在運行維護(hù)復(fù)雜、設(shè)備可靠性差和故障率高等不足。同時，各地苦咸水水質(zhì)含鹽量和成分差異大，通常特定的苦咸水淡化配置難以適應(yīng)各種苦咸水水質(zhì)。為此，本文對傳統(tǒng)苦咸水淡化裝置在工藝結(jié)構(gòu)和控制策略上做了改進(jìn)設(shè)計。

2.1 工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計圖1和圖2分別為傳統(tǒng)的和改進(jìn)的小型苦咸水淡化裝置工藝圖，圖3是改進(jìn)后裝置的具體配置圖。相對于傳統(tǒng)工藝，改進(jìn)主要集中在預(yù)處理、脫鹽和回收率調(diào)節(jié)三個方面。

2.1.1 預(yù)處理部分除沿海因海水侵襲形成的苦咸水濁度較大外，一般內(nèi)地的苦咸水因其成因和分布特點，通常具有低濁度、低有機物、高硬度和細(xì)菌含量少等特點，因此其預(yù)處理可適當(dāng)簡化。新裝置采用超濾+UV殺菌器+軟化劑的預(yù)處理方案，該裝置可適用于包括海水浸入或人為污染以及有地表水介入等在內(nèi)的各種苦咸水，具有更廣的適用范圍。

圖1 傳統(tǒng)小型苦咸水反滲透淡化裝置工藝

圖2 改進(jìn)的小型苦咸水反滲透淡化裝置工藝

圖3 改進(jìn)裝置布置

2.1.2 脫鹽部分 傳統(tǒng)苦咸水淡化裝置為常負(fù)荷運行模式，為了實現(xiàn)變負(fù)荷運行，新裝置在高壓泵供電線路上增加了變頻器，并在濃水管路上增設(shè)電動調(diào)節(jié)閥。這樣就可以通過變頻器和電動閥的聯(lián)動調(diào)節(jié)實現(xiàn)整個裝置變負(fù)荷產(chǎn)水運行模式。

2.1.3 回收率調(diào)節(jié)管路 為了在進(jìn)水水質(zhì)允許的條件下盡可能提高系統(tǒng)回收率，以減少濃水排放及其環(huán)境影響，提高地下水資源的利用效率，改進(jìn)后的工藝結(jié)構(gòu)在濃水管路上增設(shè)了濃水回流支管，膜組件排出的濃水分別經(jīng)濃水排放支管和濃水回流支管排向廢水池和超濾產(chǎn)水箱，兩條支管上均設(shè)有調(diào)節(jié)閥，可調(diào)節(jié)回流濃水比例，從而調(diào)節(jié)整個裝置的綜合回收率。該設(shè)計除了可以實現(xiàn)回收率自由調(diào)節(jié)外，對于特定的進(jìn)水水質(zhì)，該布置方案可以使脫鹽模塊所用的串聯(lián)膜元件更少，從而上下游水流含鹽量和流量差別更小，減輕了濃差極化對膜元件回收率的限制，更能充分利用膜元件的產(chǎn)水能力，同時也有利于提高裝置的綜合回收率和產(chǎn)水質(zhì)量。

2.2 控制策略新裝置在運行過程中主要有4種工況：開機、運行、停機和化學(xué)清洗，均在以變送器、電動（電磁）閥和PLC組成的控制系統(tǒng)的控制下自動進(jìn)行。

2.2.1 開機過程 啟動開啟按鈕，在PLC的控制下，打開預(yù)處理管路上的閥門，啟動原水泵，超濾開始產(chǎn)水，同時UV殺菌器和加藥裝置開始工作。隨著超濾產(chǎn)水水箱水位的上升并達(dá)到設(shè)定水位后，打開反滲透（RO）處理模塊進(jìn)水回路、濃水回路（含濃水回流支管）上的所有閥門，同時關(guān)閉產(chǎn)水管路閥門，打開產(chǎn)水流向濃水回路的閥門，通過變頻器軟啟動高壓泵，并調(diào)節(jié)根據(jù)監(jiān)測到的各管路的流量調(diào)節(jié)相應(yīng)的電動閥，使得RO回收率和裝置綜合回收率均滿足設(shè)定值，同時實時監(jiān)測產(chǎn)水水質(zhì)（產(chǎn)水電導(dǎo)率）。當(dāng)產(chǎn)水水質(zhì)符合要求后，切換產(chǎn)水管路上的電磁閥，產(chǎn)水流向產(chǎn)水水箱，裝置進(jìn)入正常產(chǎn)水過程。開機過程管路水流如圖4所示。

圖4 裝置開機過程管路水流路徑

圖5 膜殼內(nèi)壓力PID調(diào)節(jié)算法

2.2.2 產(chǎn)水過程 正常產(chǎn)水過程中，除產(chǎn)水流向產(chǎn)水水箱外，其他管路水流方向與啟動過程一致。如果在此期間接收到裝置外發(fā)出的產(chǎn)水負(fù)荷調(diào)節(jié)指令，PLC將根據(jù)電機的允許工作頻率范圍向變頻器設(shè)定幅度的（向上或向下）變頻指令，變頻采用斜坡方式以減小變動帶來的對電機和膜的沖擊，同時實時監(jiān)測濃水管路壓力和產(chǎn)水/濃水（含回流和排放支管）流量，采用如圖5所示的PID算法實時調(diào)節(jié)電動閥以實現(xiàn)膜殼內(nèi)壓力平緩變化和膜元件回收率穩(wěn)定的調(diào)節(jié)目標(biāo)。圖5中r(t)為膜元件回收率設(shè)定值，c(t)為回收率實測值，e(t)為控制誤差，u(t)為電動閥調(diào)節(jié)量。

圖6 超濾反沖洗管路水流路徑

另外，在正常產(chǎn)水過程中，超濾承受著攔截原水中懸浮顆粒和膠體的作用，容易受到污染，需要定期反沖洗。沖洗過程中首先關(guān)停原水泵及相關(guān)管路閥門，同時打開反沖洗排放閥，啟動反洗泵，對超濾膜進(jìn)行短時大流量反沖洗，此時裝置中管路水流方向如圖6所示。沖洗結(jié)束后，關(guān)停反洗泵，切換相關(guān)閥門，啟動原水泵，裝置進(jìn)入常規(guī)產(chǎn)水模式。在實際設(shè)計中，超濾反洗標(biāo)準(zhǔn)采用定時和超濾壓差超限兩種控制參量。

2.2.3 停機過程 如果裝置接收到停機指令，或在裝置已運行在設(shè)定的最低頻率值時接到外界發(fā)來的繼續(xù)下調(diào)負(fù)荷的指令，裝置就進(jìn)入停機流程。進(jìn)入停機流程后，首先將電動閥開度調(diào)節(jié)到最大，對RO膜元件進(jìn)行低壓沖洗，沖洗結(jié)束后高壓泵停機，同時預(yù)處理系統(tǒng)進(jìn)入上述的超濾反洗流程，反洗結(jié)束后，整個裝置停機結(jié)束。

2.2.4化學(xué)清洗在超濾膜或反滲透膜性能明顯下降時，就需要對其進(jìn)行化學(xué)清洗。因化學(xué)清洗周期較長，一般為數(shù)月，同時需要配制清洗藥液，所以在設(shè)計時本環(huán)節(jié)采用手動啟動模式，一旦點擊啟動化學(xué)清洗按鈕，整個清洗過程按設(shè)定流程自動進(jìn)行。在裝置中，超濾和RO共用一套清洗泵和清洗水箱，通過相應(yīng)的閥門切換實現(xiàn)輪流清洗。超濾的清洗流程為：化學(xué)沖洗→浸泡→再沖洗→排水→反洗，RO的清洗流程與超濾相比沖洗前后增加了淡水沖洗，且無需反洗，其他流程類似。清洗過程中管路水流路徑如圖7和圖8所示。

3 應(yīng)用測試

本裝置主要配置為：①2支超濾膜（招金膜天UF1IB160，并聯(lián)布置）；②高壓泵（南方泵業(yè)CDLF2-15，額定流量1.6 m3/h）；③4支RO膜（海德能CPA 2-4040，串聯(lián)布置）。裝置設(shè)計為連續(xù)產(chǎn)水模式，設(shè)計產(chǎn)水量為15m3/d，膜組件總回收率最高設(shè)計為40％。本裝置先后進(jìn)行了室內(nèi)測試和現(xiàn)場運行測試。

圖7 超濾化學(xué)清洗管路水流路徑

圖8 反滲透膜化學(xué)清洗管路水流路徑

室內(nèi)測試原水采用自來水加鹽配置，測試周期為2 d，測試水溫為24.7℃。整個測試期間，原水電導(dǎo)率為2 850～3 750 us/cm，產(chǎn)水電導(dǎo)率低于30 us/cm。測試數(shù)據(jù)見表1。

表1 室內(nèi)測試結(jié)果

通過測試發(fā)現(xiàn)，本裝置在接收到回收率和產(chǎn)水負(fù)荷調(diào)節(jié)指令后，當(dāng)膜元件回收率處于25％～40％之間和高壓泵的電機頻率在30～50 Hz之間時能穩(wěn)定可靠快速調(diào)整到指定工作狀態(tài)，但當(dāng)由于電機在30 Hz以下運行時，會出現(xiàn)因轉(zhuǎn)速過低導(dǎo)致電機散熱性能明顯下降的現(xiàn)象。另外，室內(nèi)測試時沒有設(shè)置裝置的綜合回收率目標(biāo)值，結(jié)果中的綜合回收率僅供參考。在設(shè)計的40％膜組件回收率工況下（30～50 Hz），裝置24 h產(chǎn)水量為17.78～27.90m3，明顯高于設(shè)計產(chǎn)水量，但處于膜元件的額定產(chǎn)水量（8.5×4=34m3/d）范圍之內(nèi)。整個裝置在最大產(chǎn)水負(fù)荷下耗電量39 kW·h/d，相應(yīng)單位產(chǎn)水能耗為1.40 kW·h/m3。

表2 原水和產(chǎn)水水質(zhì)指標(biāo)結(jié)果

在室內(nèi)測試的基礎(chǔ)上，本裝置在內(nèi)蒙古達(dá)茂旗某地進(jìn)行了現(xiàn)場運行測試，并進(jìn)行了水質(zhì)化驗。因現(xiàn)場不具備通訊采集條件，試驗數(shù)據(jù)主要來自在線儀表和觸摸屏顯示數(shù)據(jù)?，F(xiàn)場測試過程中進(jìn)行了綜合回收率更大范圍內(nèi)的調(diào)節(jié)測試，最高達(dá)70％，其他測試內(nèi)容與室內(nèi)測試一致。測試結(jié)果顯示裝置基本性能與室內(nèi)測試結(jié)果基本一致，裝置運行穩(wěn)定，原水和產(chǎn)水水質(zhì)的主要指標(biāo)結(jié)果如表2所示。從表2可以看出，裝置70％綜合回收率情況下總體脫鹽率為98.95％，經(jīng)分析計算，此時超濾產(chǎn)水水箱中水的含鹽量為原水的2.4倍，RO膜組件的實際脫鹽率達(dá)99.56％?；谕瑯訐Q算方法，氟化物的脫除率為97.66％。該裝置對鹽和氟化物的脫除效果非常理想，產(chǎn)水水質(zhì)明顯優(yōu)于文獻(xiàn)［11］的有關(guān)規(guī)定。

4 結(jié)論

本文針對我國苦咸水分布廣、分布地區(qū)苦咸水水質(zhì)差異大、常規(guī)能源缺乏、新能源資源豐富等特點，設(shè)計了可變產(chǎn)水負(fù)荷、綜合回收率可調(diào)、可適應(yīng)不同濁度進(jìn)水水質(zhì)、自動化程度高的苦咸水淡化裝置，并進(jìn)行了室內(nèi)測試和現(xiàn)場試運行，測試結(jié)果表明：（1）可在30～50 Hz范圍內(nèi)變負(fù)荷運行，對應(yīng)產(chǎn)水量為17.78～27.90m3/d，單位綜合產(chǎn)水能耗僅為1.40 kW·h/m3。（2）裝置采用PID變負(fù)荷調(diào)節(jié)，性能穩(wěn)定，調(diào)節(jié)速度快。（3）裝置設(shè)計了濃水回流支管，在不改變膜組件回收率的情況下可方便調(diào)節(jié)裝置綜合回收率，對不同的苦咸水含鹽量適應(yīng)能力強。（4）采用超濾+加藥+UV殺菌的預(yù)處理模式，可適應(yīng)不同地區(qū)（內(nèi)陸和沿海）的苦咸水水質(zhì)。（5）脫鹽率和脫氟率高，產(chǎn)水水質(zhì)好。

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Design and app lication of a sm all b rack ish w ater desalination p rototype w ith the characteristics of variab le load ratio and regu lab le recovery ratio

FENG Bin-chun，ZHANG Zi-m in
（China Institute ofWater Resourceand Hydropower Research，Beijing 100038，China）

In order to solve the problem of drinking water safety in remote regions，this paper presented a small brackish water desalination prototype with the characteristics of variable water production and recovery ratio which adds frequency converter，electric control valve and a concentrated water circulation pipeline. The frequency converter and the electric control valve can be used to dynam ically regulate water production to enhance the adaptability of the prototype to the power fluctuation of new energy generator，and concentrat?ed water circulation pipeline can be arranged to flexibly regulate comprehensive recovery ratio to improve adaptability to brackish water hardness and salinity of different regions.Meanwhile，the device equipped with more perfect pretreatment equipment，such as ultra filtration，dosing device and UV sterilizer，can be app lied to different brackish water quality（brackish water hardness，turbidity and bacteria pollution etc.）.

P747

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2014.04.018

1672-3031（2014）04-0442-05

（責(zé)任編輯：王成麗）

2014-09-23

?農(nóng)業(yè)科技成果轉(zhuǎn)化資金項目（2013GB23320628）

馮賓春（1971-），男，四川南部人，高級工程師，主要從事新能源和海水（苦咸水）淡化研究。E-mail：fengbch@iwhr.com

Key wrds：Variable load ratio；regulable recovery ratio；brackish water desalination；PID control