基于效能的反滲透造水機(jī)優(yōu)化改造

趙天翔 左紅穩(wěn) 劉昕

摘 要：隨著出航時(shí)間的不斷增加，造水系統(tǒng)的低位作用大大增加，某船反滲透造水機(jī)全船提供約80%的造水量，其運(yùn)行穩(wěn)定性直接導(dǎo)致用水需求的有效供給。該文立足某船反滲透造水機(jī)存在的問(wèn)題，分析了某船反滲透造水機(jī)系統(tǒng)故障率高、效率低的特點(diǎn)，以效能為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)現(xiàn)行高壓泵進(jìn)行了分析研究，提出了高壓泵換型、加裝能量回收裝置的綜合優(yōu)化方案，最后進(jìn)行了可行性分析，為某船反滲透造水機(jī)優(yōu)化改造提供了理論支撐。

關(guān)鍵詞：反滲透 高壓泵 能量回收 優(yōu)化

中圖分類(lèi)號(hào)：TE95 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2016）01（c）-0038-03

某船海水淡化的方案主要有蒸餾法和反滲透法兩種，其中反滲透法為全船提供約80%的造水量，因此反滲透造水機(jī)是該船的重要的造水設(shè)備。自某船服役以來(lái)，兩臺(tái)反滲透造水機(jī)出現(xiàn)故障50多次，僅2015年下半年兩臺(tái)反滲透造水機(jī)出現(xiàn)高壓泵軸承損壞、反滲透膜內(nèi)漏等14次故障，給船員生活用水保障帶來(lái)了極大的困難。

該文緊扣新技術(shù)，主要研究了如何在現(xiàn)有條件下對(duì)兩臺(tái)反滲透造水機(jī)進(jìn)行優(yōu)化改造，旨在進(jìn)一步提高系統(tǒng)可靠性、降低設(shè)備故障率、提高系統(tǒng)運(yùn)行效能、降低系統(tǒng)單位產(chǎn)水能耗，最大限度的保障船員長(zhǎng)時(shí)間執(zhí)行海上測(cè)控任務(wù)的用水需求，并將優(yōu)化改造的可行性、經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了論證，為反滲透造水機(jī)優(yōu)化改造提供了理論依據(jù)。

1 反滲透造水機(jī)工作原理

反滲透造水機(jī)包括兩個(gè)部分。一是預(yù)處理部分，由低壓泵、多介質(zhì)過(guò)濾器、粗濾器、微濾器等組成，把反滲透膜的污染、結(jié)垢、損傷降到最低，從而使反滲透部分的產(chǎn)水量、脫鹽率、回收率、運(yùn)行成本達(dá)到最優(yōu)。二是反滲透部分，由高壓泵、緩沖器、反滲透膜、反滲透膜容器、清洗系統(tǒng)等組成。

2 反滲透造水機(jī)存在問(wèn)題

現(xiàn)存反滲透造水機(jī)主要存在以下問(wèn)題。

（1）系統(tǒng)故障率高。反滲透系統(tǒng)現(xiàn)有高壓泵為三柱塞往復(fù)高壓泵，利用三柱塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生高壓，在運(yùn)行的過(guò)程中主要產(chǎn)生下問(wèn)題：軸承易損壞；對(duì)潤(rùn)滑油要求較高；水壓脈沖大對(duì)膜產(chǎn)生沖擊；機(jī)體振動(dòng)大使機(jī)組聯(lián)接件極易損壞。

（2）系統(tǒng)效率低。反滲透海水淡化時(shí)，回收率為30%，高壓濃水占系統(tǒng)流量的65%～70%，壓力>5.5 MPa。高壓濃水直接排入大海造成能量的大量流失。

3 優(yōu)化方案設(shè)計(jì)論證

優(yōu)化方案主要依據(jù)提高系統(tǒng)可靠性及系統(tǒng)效率的原則進(jìn)行。

3.1 高壓泵選型論證

分析系統(tǒng)故障原因可知，高壓泵往復(fù)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生了很大的機(jī)體振動(dòng)和壓力脈沖，并且高壓泵本身極易損壞、維護(hù)保養(yǎng)復(fù)雜，是反滲透系統(tǒng)故障率低的主要原因，因此考慮將高壓泵換型。我們查閱相關(guān)資料，發(fā)現(xiàn)Danfoss APP系列高壓泵能夠滿足改造需求。Danfoss APP系列高壓泵是斜盤(pán)式軸向柱塞泵，采用自潤(rùn)滑系統(tǒng)，設(shè)計(jì)輕巧緊湊，具有以下特點(diǎn)。

（1）壓力脈沖小，可以有效減少對(duì)反滲透膜的沖擊。

不同類(lèi)型高壓泵特性比較如表1所示。

（2）安裝位置靈活，無(wú)需皮帶傳動(dòng)和齒輪箱。

DANFOSS高壓泵采用彈性聯(lián)軸節(jié)與電機(jī)泵軸直接連接，減少了傳動(dòng)皮帶、齒輪箱等中間環(huán)節(jié)，提高了效率的同時(shí)安裝位置也更加靈活。

（3）采用自潤(rùn)滑設(shè)計(jì)，無(wú)需潤(rùn)滑油。

DANFOSS高壓泵使用流經(jīng)液體即經(jīng)過(guò)過(guò)濾的海水對(duì)自身進(jìn)行潤(rùn)滑，無(wú)需潤(rùn)滑油。自身集成沖洗閥，在泵停用時(shí)可使海水從入口流經(jīng)沖洗閥從而完成對(duì)泵的反沖洗。

（4）體積小、低振動(dòng)、低噪音、重量輕。

由于設(shè)計(jì)緊湊，與傳統(tǒng)高壓泵相比，DANFOSS高壓泵體積較小，安裝不需改變?cè)薪Y(jié)構(gòu)。

從2010年138天維修記錄來(lái)看，高壓泵的高頻振動(dòng)和壓力脈沖是造成故障的主要原因，選用新型小脈動(dòng)高壓泵成為提高可靠性的重要保證，借鑒遠(yuǎn)三反滲透造水機(jī)改造方案，高壓泵換型同樣選擇DANFOSS高壓泵，換型后反滲透造水機(jī)的故障率得到有效降低，設(shè)備可靠性顯著提高。

3.2 采用能量回收裝置選型論證

為了降低能耗，減少海水淡化的操作費(fèi)用，通常在濃鹽水的排放管路上安裝能量回收裝置。目前能量回收裝置從工作原理上主要分為離心式和正位移式兩種，前者常與壓力，與無(wú)能量回收器的系統(tǒng)相比，對(duì)高壓泵出口壓力要求降低，系統(tǒng)的能耗更低；后者常與高壓泵并聯(lián)使用，利用鹽水余壓能直接增壓部分進(jìn)料海水，降低了通過(guò)高壓泵增壓的進(jìn)料海水的流量，提高了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。

目前國(guó)內(nèi)的反滲透海水淡化廠所采用的能量回收裝置大部分都為美國(guó)PEI公司的水力透平（HTC）和美國(guó)ERI公司的PX兩種形式，二者在反滲透系統(tǒng)中的典型應(yīng)用工藝如圖1和2所示。正位移式余壓能量回收器，由于其高達(dá)90%的能量回收效率，近年來(lái)得到了快速的發(fā)展，參考國(guó)際成熟的案例，我們?cè)诜礉B透系統(tǒng)優(yōu)化改造中選用了美國(guó)ERI公司的PX系列能量回收裝置。

該類(lèi)裝置采用一個(gè)無(wú)軸陶瓷轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子上有12個(gè)軸向通道，轉(zhuǎn)子是唯一的活動(dòng)部件，轉(zhuǎn)子由堅(jiān)硬的陶瓷材料做成。套筒間分成高壓區(qū)和低壓區(qū)兩個(gè)部分，陶瓷轉(zhuǎn)子在套筒間自由旋轉(zhuǎn)從而通道也隨之旋轉(zhuǎn)，在任一瞬間，一部分通道與高壓鹽水相通，另一部分通道與泄壓鹽水相通，套筒中有密封區(qū)域隔離高壓區(qū)和低壓區(qū)。當(dāng)通道位于高壓區(qū)時(shí)，高壓鹽水進(jìn)入通道，將能量直接傳遞給進(jìn)料海水，增壓后的海水從另一端排出。隨著轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)，當(dāng)通道位于低壓區(qū)時(shí)，低壓海水進(jìn)入通道，將泄壓鹽水從另一端排空。此操作過(guò)程中，在高壓區(qū)內(nèi)進(jìn)入通道的鹽水在低壓區(qū)內(nèi)被完全排放，在低壓區(qū)內(nèi)進(jìn)入通道的海水在高壓區(qū)內(nèi)也被完全增壓。由于采用多通道設(shè)計(jì)，可以保證同時(shí)有多個(gè)通道進(jìn)行增壓及泄壓操作，鹽水和海水進(jìn)料及排出流動(dòng)平穩(wěn)性好。

正位移式能量回收裝置與高壓泵并聯(lián)使用，通過(guò)減少由高壓泵增壓的海水流量來(lái)降低總能耗。進(jìn)料海水經(jīng)過(guò)預(yù)處理后分為兩路，一路由高壓泵直接增壓到進(jìn)膜壓力，流量約等于反滲透系統(tǒng)中產(chǎn)品水的流量。另一路不需經(jīng)過(guò)高壓泵，能量由高壓濃鹽水的余壓提供，流量約為反滲透系統(tǒng)中濃鹽水的流量。與透平式能量回收裝置相比，高壓泵所需要的流量配置要求大大降低，可有效減小高壓泵的規(guī)格，其購(gòu)買(mǎi)成本和運(yùn)行電耗也相應(yīng)降低。由于濃鹽水在經(jīng)過(guò)膜組件后存在一定壓力降（0.5～2.0 bar），在能量回收裝置及管路中也有一定壓力損失（0.2～1.0 bar），濃鹽水能量以較高效率傳遞給進(jìn)料海水后，海水實(shí)際壓力仍低于進(jìn)膜要求壓力。因此需要在能量回收裝置后安裝增壓泵或壓力提升泵，將海水進(jìn)一步增壓到系統(tǒng)操作壓力后與經(jīng)過(guò)高壓泵增壓的海水混合，一同進(jìn)入膜組件。

某船能量回收裝置的應(yīng)用立足于現(xiàn)有管路和設(shè)備，不需要做電路上的變更，具體更改如圖3、4。

4 結(jié)語(yǔ)

該文分析了某船反滲透系統(tǒng)故障率高、效率低的特點(diǎn)，并以效能為優(yōu)化目標(biāo)，提出了高壓泵換型、加裝能量回收裝置的綜合優(yōu)化方案， 最后進(jìn)行了可行性分析，為測(cè)量船反滲透造水機(jī)優(yōu)化改造提供了理論支撐。下一步將進(jìn)行效能優(yōu)化的定量分析，進(jìn)一步精確回收率、單位產(chǎn)水能耗、綜合運(yùn)行成本的分析。

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