反滲透系統(tǒng)的運(yùn)行調(diào)節(jié)及其能耗分析

趙 沖，員 建，苑宏英，茅建勇，靖大為

（1.天津城建大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，天津300384；2.新界泵業(yè)集團(tuán)股份有限公司，浙江臺(tái)州317500）

由于反滲透系統(tǒng)以壓力為驅(qū)動(dòng)力，其能耗成本在全部運(yùn)行成本中占據(jù)了相當(dāng)大的部分。例如，1 臺(tái)8-10 型立式多級(jí)離心泵，在8 m3/h、0.958 MPa工況下工作時(shí)，輸出功率為2.13 kW，電機(jī)與水泵的效率為51.16%，即電機(jī)與水泵自身能耗就達(dá)2.03 kW。不僅該部分能耗不可避免，而且在機(jī)泵的流量壓強(qiáng)特性基礎(chǔ)上，調(diào)節(jié)反滲透系統(tǒng)運(yùn)行工作點(diǎn)時(shí)，仍需要額外的能量消耗。筆者旨在回流調(diào)節(jié)、截流調(diào)節(jié)與變頻調(diào)速3種系統(tǒng)運(yùn)行工作點(diǎn)調(diào)節(jié)方式中，論證最為節(jié)能的調(diào)節(jié)方式，以求最大程度降低系統(tǒng)的運(yùn)行能耗。

1 系統(tǒng)的運(yùn)行調(diào)節(jié)方式

反滲透系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的重要特點(diǎn)之一就是根據(jù)設(shè)計(jì)要求保持其恒定收率與恒定流量〔1〕。無(wú)論是系統(tǒng)初始運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)，還是給水溫度、給水鹽量及污染程度發(fā)生變化時(shí)的狀態(tài)，為保證恒定的系統(tǒng)收率與產(chǎn)水流量，均需要對(duì)機(jī)泵或閥門(mén)的輸出流量與輸出壓強(qiáng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，使之與系統(tǒng)所需的給水流量與給水壓強(qiáng)相一致。對(duì)于圖1 所示的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)而言，為保證機(jī)泵閥門(mén)合成的工作點(diǎn)與膜系統(tǒng)所需的工作點(diǎn)一致，一般具有回流閥開(kāi)度、截流閥開(kāi)度與機(jī)泵變頻調(diào)速3 種調(diào)節(jié)方式。

圖1 反滲透膜系統(tǒng)的運(yùn)行調(diào)節(jié)方式

筆者擬以變頻調(diào)速器、交流異步機(jī)、多級(jí)離心泵及反滲透系統(tǒng)的運(yùn)行特性為基礎(chǔ)，在滿足系統(tǒng)所需的系統(tǒng)收率及產(chǎn)水流量條件下，分別討論上述3 種調(diào)節(jié)方式的能耗水平。

2 機(jī)泵的運(yùn)行特性曲線

異步電機(jī)與離心水泵聯(lián)軸構(gòu)成的系統(tǒng)給水機(jī)泵，在不同負(fù)荷條件下具有不同的轉(zhuǎn)速、流量、壓強(qiáng)與效率。圖2、圖3 分別示出8-10 型機(jī)泵的流量轉(zhuǎn)速特性、流量效率特性與流量壓強(qiáng)特性。

圖2 機(jī)泵的流量特性曲線

圖3 機(jī)泵的流量效率特性、壓強(qiáng)特性與工作點(diǎn)

由圖2 所示8-10 型機(jī)泵的流量轉(zhuǎn)速特性與流量壓強(qiáng)特性可知，隨著機(jī)泵流量的逐漸增大，機(jī)泵的轉(zhuǎn)速將在近3 000 r/min 的同步轉(zhuǎn)速基礎(chǔ)上逐漸降低，水泵的輸出壓強(qiáng)也隨之快速下降。加之圖3 所示8-10 型機(jī)泵的流量效率曲線，可知8-10 型機(jī)泵在50 Hz 電源頻率之下的流量轉(zhuǎn)速特性n（Q）、流量效率特性η（Q）與流量壓強(qiáng)特性P（Q）三條曲線對(duì)映的三個(gè)函數(shù)關(guān)系分別為：

為便于量化分析，設(shè)特定反滲透系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)為：給水鹽量1 000 mg/L，給水溫度25 ℃，產(chǎn)水流量6.0 m3/h，系統(tǒng)收率75%，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)4-2/6，元件類(lèi)型ESPA1-4040，運(yùn)行年份0 a。在此系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)條件下，特定系統(tǒng)的給水壓強(qiáng)為646 kPa 且給水流量為6.0/0.75=8.0 m3/h，該工作點(diǎn)在圖2 與圖3 中均予以標(biāo)出。

8-10 型機(jī)泵為10 級(jí)葉輪，額定流量8 m3/h，在50 Hz 電源頻率條件下，機(jī)泵始終運(yùn)行于圖2、圖3所示流量轉(zhuǎn)速、流量效率與流量壓強(qiáng)3 條特性曲線之上的某個(gè)工作點(diǎn)。

3 回流閥系統(tǒng)調(diào)節(jié)方式

采用回流閥進(jìn)行水泵運(yùn)行調(diào)節(jié)的特點(diǎn)是：機(jī)泵輸出壓強(qiáng)與膜系統(tǒng)給水壓強(qiáng)的646 kPa 相一致，并用回流閥開(kāi)度調(diào)節(jié)回流量，以使機(jī)泵閥門(mén)組合的輸出流量與膜系統(tǒng)給水流量的8.0 m3/h 相一致。

根據(jù)圖3 所示機(jī)泵的流量壓強(qiáng)特性曲線及式（3）所示函數(shù)關(guān)系，機(jī)泵的輸出壓強(qiáng)為646 kPa 時(shí)的輸出流量為12.86 m3/h。為使機(jī)泵與系統(tǒng)的流量壓強(qiáng)平衡，則需使回流閥形成特定開(kāi)度，產(chǎn)生12.86－8.0＝4.86 m3/h 的回流量。

屆時(shí)，機(jī)泵的輸出功率為12.86×646/3 600=2.31 kW，且根據(jù)圖3 及式（1）所示流量轉(zhuǎn)速特性，機(jī)泵的轉(zhuǎn)數(shù)降至2 928 r/min。根據(jù)圖3 所示機(jī)泵效率曲線及式（2）所示函數(shù)關(guān)系，機(jī)泵輸出流量為12.86 m3/h 時(shí)的機(jī)泵效率為47.7%， 機(jī)泵的輸入功率為2.31/0.477=4.84 kW，機(jī)泵功耗為4.84－2.31=2.53 kW?；亓鏖y的回流量4.86 m3/h 與兩側(cè)壓差646 kPa 將產(chǎn)生4.86×646/3 600=0.872 kW 的功率損耗；膜系統(tǒng)消耗功率8.0×646/3 600=1.44 kW；整個(gè)系統(tǒng)的效率僅為1.44/4.84＝29.75%?；亓鏖y調(diào)節(jié)模式的相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 高溫條件下3 種調(diào)節(jié)模式的功耗與效率比較

4 截流閥系統(tǒng)調(diào)節(jié)方式

采用截流閥進(jìn)行水泵運(yùn)行調(diào)節(jié)的特點(diǎn)是：機(jī)泵輸出流量與膜系統(tǒng)給水流量8.0 m3/h 相一致，并用截流閥開(kāi)度調(diào)節(jié)輸出壓強(qiáng)，以使機(jī)泵閥門(mén)組合的輸出壓強(qiáng)與膜系統(tǒng)給水壓強(qiáng)的646 kPa 相一致。

根據(jù)圖3 所示機(jī)泵的流量壓強(qiáng)特性曲線及式（3）所示函數(shù)關(guān)系，機(jī)泵輸出流量為8.0 m3/h 時(shí)的輸出壓強(qiáng)為958 kPa。為使機(jī)泵與系統(tǒng)的流量壓強(qiáng)平衡，則需使截流閥形成特定開(kāi)度，產(chǎn)生958－646＝312 kPa的壓強(qiáng)差。

屆時(shí)，機(jī)泵的輸出功率為8.0×958/3 600=2.13 kW，且根據(jù)圖3 及式（1）所示流量轉(zhuǎn)速特性，機(jī)泵的轉(zhuǎn)速降至2 939 r/min。根據(jù)圖3 所示機(jī)泵效率曲線及式（2）所示函數(shù)關(guān)系，機(jī)泵輸出流量為8.0 m3/h 時(shí)的機(jī)泵效率為51.16%，機(jī)泵的輸入功率為2.13/0.5116=4.16 kW，機(jī)泵功耗為4.16－2.13=2.03 kW。截流閥的過(guò)流量8.0 m3/h 與兩側(cè)壓差958－646=312 kPa 將產(chǎn)生8.0×312/3 600=0.693 kW 的功率損耗；膜系統(tǒng)消耗功率8.0×646/3 600=1.44 kW；整個(gè)系統(tǒng)的效率僅為1.44/4.16＝34.62%?；亓鏖y調(diào)節(jié)模式的相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1 中截流模式數(shù)據(jù)。

如表1 數(shù)據(jù)所示，特定反滲透系統(tǒng)條件下，截流模式的系統(tǒng)效率高于回流模式。所以出現(xiàn)該現(xiàn)象是由于，圖3 所示機(jī)泵的流量壓強(qiáng)曲線斜率ΔP/ΔQ 總是小于-1 MPa·h/m3，故截流閥門(mén)功耗（閥流閥流量與截流閥壓差的乘積）總是小于回流閥門(mén)功耗（回流閥流量與回流閥壓差的乘積），即圖3 所示機(jī)泵的流量壓強(qiáng)特性曲線中，膜系統(tǒng)工作點(diǎn)至截流閥模式機(jī)泵工作點(diǎn)的“距離”，總是較膜系統(tǒng)工作點(diǎn)至回流閥模式機(jī)泵工作點(diǎn)的“距離”更近。

推而廣之則可以得出結(jié)論：如果用閥門(mén)調(diào)節(jié)機(jī)泵的輸出流量壓強(qiáng)工作點(diǎn)，則截流調(diào)節(jié)模式的能量損耗總低于回流調(diào)節(jié)模式。

5 變頻調(diào)速的調(diào)節(jié)方式

如前所述，圖3 所示為50 Hz 電源頻率之下，8-10 型電機(jī)與水泵合成的流量效率特性曲線。當(dāng)采用變頻器對(duì)電機(jī)的電源頻率向下調(diào)節(jié)時(shí)（電機(jī)調(diào)頻一般均為基頻向下調(diào)節(jié)〔2〕），不僅機(jī)泵的流量壓強(qiáng)特性發(fā)生變化，電機(jī)與水泵甚至變頻器的效率也均會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)變化。

（1）電源頻率與變頻器效率。根據(jù)電力電子學(xué)理論〔3〕，變頻器的功率損耗主要是不變的晶閘管兩端壓降與可變的晶閘管通過(guò)電流的乘積。電源頻率降低時(shí)，隨著電機(jī)輸出及輸入功率的下降，可控硅通過(guò)電流隨之下降。故電源頻率向下調(diào)節(jié)時(shí)，變頻器的效率基本恒定，且一般高于98%。

（2）電源頻率與電動(dòng)機(jī)效率。多級(jí)離心泵所用異步電動(dòng)機(jī)的損耗主要包括銅損、鐵損、摩擦及風(fēng)阻損耗。當(dāng)機(jī)泵轉(zhuǎn)速降低時(shí)，機(jī)泵輸出功率隨之降低，電機(jī)的銅損隨定子與轉(zhuǎn)子電流的下降而降低。多級(jí)離心泵所用異步電動(dòng)機(jī)的損耗主要包括銅損、鐵損、摩擦及風(fēng)阻損耗。隨著機(jī)泵轉(zhuǎn)速的降低，機(jī)泵輸出功率隨之降低，電機(jī)的電流即銅損自然降低。磁滯損耗Ph與渦流損耗Pw可用式（4）、式（5）表征〔4〕。

式中：f——工作頻率，Hz；

Bm——磁滯回線上磁感應(yīng)強(qiáng)度的最大值，Gs；

τ——約1.6 的施泰因梅茨系數(shù)；

σh——材料相關(guān)常數(shù)；

V——鐵芯體積，m3；

d——硅鋼片厚度，m；

ρ——電阻率，Ω·cm；

k——相關(guān)常數(shù)。

根據(jù)式（3）與式（4）可知，電源頻率f 向下進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)，電機(jī)的磁滯損耗與渦流損耗均會(huì)相應(yīng)降低。而且，電機(jī)的軸承摩擦損耗與風(fēng)葉風(fēng)阻損耗也將隨電機(jī)轉(zhuǎn)速的下降而降低?？傊?，隨著電源頻率f 的基頻向下調(diào)節(jié)，異步電動(dòng)機(jī)的效率不斷提高，且一般高于90%。

（3）變頻調(diào)速與離心泵效率。如將50 Hz 電源頻率的水泵轉(zhuǎn)速稱(chēng)為標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速，且將對(duì)應(yīng)膜系統(tǒng)工作點(diǎn)的調(diào)速后水泵轉(zhuǎn)速稱(chēng)為特定轉(zhuǎn)速n*，則根據(jù)離心泵的比例律特性〔5〕，離心泵的標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速n*與特定轉(zhuǎn)速n 的比值與變頻前后的流量比值與壓強(qiáng)比值具有式（6）、式（7）所示關(guān)系：

式中：Q*、Q——分別為標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速n*與特定轉(zhuǎn)速n 條件下水泵的流量，m3/h；

P*、P——分別為標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速n*與特定轉(zhuǎn)速n 條件下水泵的壓強(qiáng)，MPa。

將式（6）與式（7）合成，并消去轉(zhuǎn)速n*與n，則有P*/P=（Q*/Q）2，P*/Q*2=P/Q2=k的關(guān)系，由此可得所謂“相似工況拋物線”，見(jiàn)式（8）。

將膜系統(tǒng)工作點(diǎn)（Q*=8.0 m3/h 與P*=646 kPa）帶入式（8），可得k=646/8.02=10.1。

則過(guò)膜系統(tǒng)工作點(diǎn)的“相似工況拋物線”為：

變頻調(diào)速機(jī)泵的運(yùn)行工作點(diǎn)見(jiàn)圖4。

圖4 變頻調(diào)速機(jī)泵的運(yùn)行工作點(diǎn)

在圖4 中，式（9）表征的“相似工況拋物線”，與標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速n*對(duì)應(yīng)的流量壓強(qiáng)特性曲線相交于A*點(diǎn)，與特定轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的流量壓強(qiáng)特性曲線相交于A 點(diǎn)。

聯(lián)立式（3）與式（9）則有：

10.1 ·Q*2=1 030-1.089 5·Q*+0.609 8·Q*2-0.225 8·Q*3（10）

求解式（10）可得標(biāo)準(zhǔn)流量：Q*=9.37 m3/h。

將標(biāo)準(zhǔn)流量Q*的數(shù)值代入式（1）可得水泵的標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速：n*=2 976.8-6.466 3×9.37+0.210 3×9.372=2 934.7 r/min。

將標(biāo)準(zhǔn)流量Q*的數(shù)值代入式（2）可得水泵的標(biāo)準(zhǔn)效率：η*=16.635+5.978 5×9.37-0.093 4×9.372-0.014 3×9.373=0.526 9。

再將Q*、Q 及n*代入式（6），則可得出特定轉(zhuǎn)速：n=n*·Q/Q*=2 934.7×8.0/9.37=2 504.7 r/min。

根據(jù)離心泵調(diào)速運(yùn)行相關(guān)理論〔5〕，水泵轉(zhuǎn)速?gòu)膎*變至n 時(shí)，水泵效率將從η*變至η：

求解式（11）可知，水泵的特定轉(zhuǎn)速n=2 504.7 r/min 時(shí)，水泵的特定效率η=0.513 0。

（4）變頻調(diào)速相關(guān)效果分析。表1 中調(diào)速模式數(shù)據(jù)給出的僅是調(diào)速模式時(shí)離心泵的相關(guān)數(shù)據(jù)。但因電機(jī)效率一般高于95%且變頻器效率一般高于98%，兩者效率均遠(yuǎn)高于離心泵效率，且基頻向下調(diào)速時(shí)的電機(jī)效率還將進(jìn)一步提高，故表1 中調(diào)速模式數(shù)據(jù)基本可以代表變頻器、電動(dòng)機(jī)與離心泵的總體功耗與效率。

表1 所示3 種調(diào)節(jié)模式中，調(diào)速模式的能耗遠(yuǎn)低于回流與截流兩種模式的原因在于，調(diào)速模式的機(jī)泵輸出功率等于膜系統(tǒng)的輸入功率。其他兩模式中，機(jī)泵的輸出功率大于膜系統(tǒng)的輸入功率，該功率差值消耗在了回流閥或截流閥之上。

此外，通過(guò)變頻器調(diào)節(jié)機(jī)泵轉(zhuǎn)速，不僅調(diào)節(jié)便利，還可以運(yùn)用通信手段實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程或無(wú)線遙控。變頻調(diào)速模式的缺點(diǎn)是增加了變頻器的設(shè)備成本，需要運(yùn)行一定時(shí)間后方可因降低系統(tǒng)能耗成本而得以抵消該設(shè)備成本。

6 變工況時(shí)的能耗比較

反滲透系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程中，產(chǎn)水量與回收率應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)要求始終保持恒定，而當(dāng)給水鹽量、給水溫度及污染程度等系統(tǒng)運(yùn)行工況發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)的工作壓強(qiáng)也將隨之波動(dòng)。系統(tǒng)工作壓強(qiáng)即機(jī)泵輸出壓強(qiáng)的變化，在機(jī)泵的流量壓強(qiáng)特性曲線圖中，僅表現(xiàn)為系統(tǒng)工作點(diǎn)位置的上下移動(dòng)。

計(jì)算表明，特定系統(tǒng)的給水溫度從25 ℃降至10 ℃時(shí)給水壓強(qiáng)的上升數(shù)值，相當(dāng)于給水鹽質(zhì)量濃度從1 000 mg/L 增加至2 100 mg/L，或系統(tǒng)運(yùn)行年份從0 a 增加至6.5 a。因此，這里僅以給水溫度降至10 ℃為代表進(jìn)行運(yùn)行工況變化的相關(guān)分析，屆時(shí)的工作壓強(qiáng)升至859 kPa，其他參數(shù)示于表2。

表2 低溫條件下3 種調(diào)節(jié)模式的功耗與效率比較

從表2 與表1 中的數(shù)據(jù)比較可以得出兩個(gè)結(jié)論：一是系統(tǒng)工作壓強(qiáng)較高時(shí)，膜堆功耗有所提高，但調(diào)速模式的系統(tǒng)功耗仍然低于回流及截流模式；二是因低頻機(jī)泵的輸出功率降低，而高低頻機(jī)泵的效率很接近，即低頻機(jī)泵的輸入功率隨之降低，故系統(tǒng)工作點(diǎn)距離機(jī)泵的流量壓強(qiáng)特性曲線的距離越遠(yuǎn)，調(diào)速模式的優(yōu)勢(shì)越為突出。

7 結(jié)論

反滲透系統(tǒng)中機(jī)泵工作點(diǎn)的調(diào)節(jié)具有回流、截流與調(diào)速3 種方式；在無(wú)變頻器的兩調(diào)節(jié)方式中，截流方式的系統(tǒng)能耗低于回流方式；當(dāng)采用變頻調(diào)速調(diào)節(jié)方式時(shí)，系統(tǒng)的能耗均低于回流與截流方式；因溫度等因素使工作壓強(qiáng)升高時(shí)，變頻調(diào)速調(diào)節(jié)方式仍保持優(yōu)勢(shì)；系統(tǒng)工作點(diǎn)越接近機(jī)泵的流量壓強(qiáng)特性曲線，變頻模式優(yōu)勢(shì)越大。