膜法海水淡化低壓提升泵的設(shè)計(jì)應(yīng)用探討

侯 芳，周小琴，王建華

（華電水務(wù)工程有限公司，北京100048）

隨著全球變暖與荒漠化、環(huán)境污染及人口的增加，淡水資源短缺已成為全球性問題。海水淡化技術(shù)開辟了新的淡水水源，可增加淡水總供應(yīng)量，成為各國解決“水危機(jī)”的重要途徑〔1〕。 2017 年，全球已有160多個(gè)國家和地區(qū)利用海水淡化技術(shù)，已建成和在建的海水淡化工廠接近2萬個(gè)，合計(jì)淡化產(chǎn)能約10 432 萬 t/d，2018 年可達(dá) 12 300 萬 t/d〔2〕。目前海水淡化的主流技術(shù)為膜法和熱法兩類，其中膜法海水淡化占比約65%，且呈逐年上升趨勢(shì)〔3〕。

膜法海水淡化技術(shù)的核心設(shè)備為海水反滲透膜組、高壓泵、能量回收裝置。其中能量回收裝置是將海水反滲透膜組高壓濃水的壓力回收至進(jìn)水端，通過降低高壓泵進(jìn)水流量而降低高壓泵的能耗，進(jìn)而降低整個(gè)海水淡化系統(tǒng)的運(yùn)行能耗和造水成本。能量回收裝置主要分為水力渦輪式和壓力交換式兩大類，其中壓力交換式因回收效率高而廣泛使用。ERI公司生產(chǎn)的PX系列能量回收裝置是壓力交換式能量回收裝置的代表，其回收效率最高可達(dá)98%〔4〕，具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、占地小等優(yōu)點(diǎn)，目前占膜法海水淡化能量回收裝置約 90%的市場(chǎng)〔5〕。

鑒于PX能量回收裝置市場(chǎng)份額相當(dāng)大，投資成本高，且對(duì)膜法海水淡化的設(shè)計(jì)及運(yùn)行要求較高，筆者重點(diǎn)探討了采用PX能量回收裝置的海水淡化系統(tǒng)中，低壓提升泵的應(yīng)用及設(shè)計(jì)。

1 膜法海水淡化典型工藝

膜法海水淡化系統(tǒng)的典型流程如圖1所示。

圖1 膜法海水淡化系統(tǒng)典型工藝

原海水由取水泵輸送至預(yù)處理系統(tǒng)，去除懸浮固體、膠體、藻類、微生物、油脂等，以滿足海水反滲透裝置的進(jìn)水要求，根據(jù)進(jìn)水水質(zhì)可選用絮凝反應(yīng)沉淀池、氣浮、過濾、超濾等裝置進(jìn)行相應(yīng)處理。預(yù)處理合格的產(chǎn)水儲(chǔ)存至預(yù)處理產(chǎn)水池（清水池），然后由低壓提升泵輸送至保安過濾器，經(jīng)高壓泵加壓后進(jìn)入海水反滲透膜組進(jìn)行脫鹽，生產(chǎn)淡水。

圖2為采用PX能量回收裝置的海水反滲透單元流程。

圖2 海水反滲透單元流程

經(jīng)過預(yù)處理的海水通過低壓提升泵輸送至保安過濾器，然后分成兩部分（A和B），低壓海水A經(jīng)高壓泵加壓為高壓海水C，低壓海水B通過PX能量回收裝置接受反滲透膜組高壓濃鹽水G傳遞來的壓力，然后通過循環(huán)泵進(jìn)一步增壓后與高壓海水C混合為高壓海水E，進(jìn)入反滲透膜組。

PX能量回收裝置的設(shè)計(jì)要點(diǎn)是流量和壓力控制。由于PX裝置沒有外部的直接控制，其核心部件轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速與水流量成比例，運(yùn)行過程中如果PX能量回收裝置超流量，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速過快會(huì)導(dǎo)致破碎。如圖2所示，PX能量回收裝置可視為采用兩條平行管道，一條用于通過高壓水流，另一條用于通過低壓水流。高壓水流循環(huán)通路為反滲透膜組→PX能量回收裝置→循環(huán)泵→返回反滲透膜組（E→G→D→E），其流量由配備變頻器的循環(huán)泵進(jìn)行控制；低壓水流由海水供水泵處流經(jīng)PX能量回收裝置，至PX裝置出口（B→H），此低壓水流由低壓提升泵和位于PX能量回收裝置濃鹽水排放口（H）的1個(gè)控制閥控制〔4〕。高壓水流和低壓水流相互獨(dú)立，因此高低壓側(cè)均須設(shè)置流量變送器進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制。

2 膜法海水淡化低壓提升泵的設(shè)計(jì)應(yīng)用

膜法海水淡化系統(tǒng)一般多列（≥2列）設(shè)置，高壓泵、能量回收裝置、循環(huán)泵和反滲透膜組通常為單元制一對(duì)一設(shè)置，低壓提升泵與反滲透系統(tǒng)可單元制連接，也可母管制連接。低壓提升泵的作用是為原海水提供一定壓力以克服保安過濾器及管路損失，輸送原海水進(jìn)入高壓泵和能量回收裝置進(jìn)水端。為保證設(shè)備安全，高壓泵進(jìn)水端壓力不低于0.1 MPa，能量回收裝置低壓進(jìn)水端的壓力不低于0.19 MPa〔5〕，同時(shí)為防止氣蝕，能量回收裝置低壓排水端的背壓不能低于 0.06 MPa，一般為 0.1 MPa〔5〕。

由于PX能量回收裝置的流量?jī)H占原海水流量的 1-R（R 為反滲透的回收率，一般為 40%～50%）〔6〕，在海水反滲透啟停及運(yùn)行過程中，PX能量回收裝置的低壓側(cè)容易超流，為確保PX能量回收裝置的運(yùn)行安全，低壓提升泵的設(shè)計(jì)和運(yùn)行尤為重要。

2.1 低壓提升泵單元制設(shè)計(jì)

每列海水淡化系統(tǒng)采用單獨(dú)的低壓提升泵，典型流程如圖3所示。

圖3 單元制低壓提升泵流程

在海水反滲透啟動(dòng)過程中，首先啟動(dòng)低壓提升泵進(jìn)行海水反滲透單元的沖洗排氣，然后啟動(dòng)循環(huán)泵，此時(shí)PX能量回收裝置開始啟動(dòng)旋轉(zhuǎn)。此階段的水流幾乎全部通過PX能量回收裝置低壓側(cè)，此時(shí)低壓提升泵流量不可超過能量回收裝置的最大流量，直到啟動(dòng)高壓泵時(shí)才可緩慢增加低壓提升泵的流量，直至反滲透系統(tǒng)產(chǎn)水量達(dá)到要求。海水反滲透單元的停運(yùn)過程與啟動(dòng)過程相反，先停運(yùn)高壓泵，然后停運(yùn)循環(huán)泵和低壓提升泵，為保證能量回收裝置不過流，在高壓泵降頻過程中低壓端給水流量也應(yīng)相應(yīng)降低，高壓泵完全停運(yùn)時(shí)，低壓提升泵的流量不可超過能量回收裝置的最大流量。

為滿足上述能量回收裝置的運(yùn)行要求，一般通過以下方式進(jìn)行自動(dòng)控制：

（1）低壓提升泵變頻，其頻率與能量回收裝置低壓側(cè)流量連鎖控制，保證低壓側(cè)流量穩(wěn)定；該頻率也可與低壓側(cè)進(jìn)水壓力連鎖控制運(yùn)行，其他條件不變時(shí)，進(jìn)水壓力穩(wěn)定，進(jìn)水流量就穩(wěn)定。有工程經(jīng)驗(yàn)表明，由于壓力變送器比流量變送器更敏感，低壓提升泵與進(jìn)水端壓力變送器連鎖調(diào)節(jié)，系統(tǒng)的運(yùn)行控制更平穩(wěn)。

（2）低壓提升泵工頻設(shè)置，能量回收裝置低壓側(cè)出口設(shè)置自動(dòng)調(diào)節(jié)閥，其與能量回收裝置低壓側(cè)流量進(jìn)行連鎖運(yùn)行，控制低壓側(cè)流量。

單元制低壓提升泵的海水反滲透系統(tǒng)操作較簡(jiǎn)單靈活，每列反滲透的啟動(dòng)、運(yùn)行和停止對(duì)其他列反滲透沒有影響，但低壓提升泵不可互相備用或需增加復(fù)雜的連通管路和閥門實(shí)現(xiàn)備用，連續(xù)運(yùn)行保障率較低。

2.2 低壓提升泵母管制設(shè)計(jì)

低壓提升泵采用母管制有2種方案，一是低壓提升泵母管，保安過濾器單元制，流程如圖4所示；二是低壓提升泵與保安過濾器均為母管制，流程如圖5所示。

圖4 母管制低壓提升泵流程方案一

圖5 母管制低壓提升泵流程方案二

2種方案各有優(yōu)缺點(diǎn)：方案一的低壓沖洗水可接至保安過濾器進(jìn)口，進(jìn)一步保證沖洗水質(zhì)，缺點(diǎn)是每列保安過濾器運(yùn)行壓差不同，導(dǎo)致海水反滲透系統(tǒng)配水不均勻，PX低壓側(cè)壓力流量不穩(wěn)定；方案二保安過濾器出口母管設(shè)置可使每列PX低壓側(cè)進(jìn)水壓力相同并穩(wěn)定，同時(shí)保安過濾器可備用，但低壓淡水沖洗需放在保安過濾器之后并應(yīng)設(shè)置自動(dòng)隔離閥，在其中一列低壓沖洗時(shí)不影響其他列的運(yùn)行。

一般低壓提升泵設(shè)置臺(tái)數(shù)與反滲透系統(tǒng)列數(shù)相同，由于母管制連接，低壓提升泵可互相備用，提高運(yùn)行可靠率。缺點(diǎn)是在運(yùn)行過程中可能會(huì)引起其他列反滲透的不穩(wěn)定。當(dāng)其他列海水反滲透單元運(yùn)行時(shí)，啟動(dòng)其中一列海水反滲透，低壓側(cè)母管流量增加，可能會(huì)導(dǎo)致在運(yùn)行列的PX能量回收裝置低壓側(cè)超流量。當(dāng)停運(yùn)或其中一列高壓泵故障時(shí)，在運(yùn)行列的PX能量回收裝置低壓側(cè)也極可能超流量。為控制能量回收裝置低壓側(cè)流量，有2種解決方案：（1）能量回收裝置低壓進(jìn)水側(cè)設(shè)置穩(wěn)壓閥（調(diào)節(jié)閥），保證能量回收裝置低壓側(cè)進(jìn)水壓力（流量）穩(wěn)定，特別適合方案一。（2）能量回收裝置低壓出水側(cè)設(shè)置自動(dòng)調(diào)節(jié)閥，與低壓側(cè)流量變送器自動(dòng)控制連鎖，確保能量回收裝置低壓側(cè)進(jìn)水流量穩(wěn)定不超流。

上述2個(gè)解決方案均建議低壓提升泵設(shè)置變頻裝置，使反滲透單元運(yùn)行調(diào)節(jié)更靈活，同時(shí)調(diào)節(jié)閥應(yīng)選擇調(diào)節(jié)性能較好的閥體和閥門口徑，加強(qiáng)調(diào)節(jié)功能，保證流量壓力穩(wěn)定。

2.3 無低壓提升泵的設(shè)計(jì)

當(dāng)海水淡化預(yù)處理的末端產(chǎn)水母管可允許0.3～0.4 MPa（工程經(jīng)驗(yàn)）的背壓提供海水反滲透低壓側(cè)進(jìn)水需求時(shí)，可不再設(shè)置預(yù)處理產(chǎn)水箱和低壓提升泵，如末端采用壓力式細(xì)砂過濾器，此時(shí)細(xì)砂過濾器的合格產(chǎn)水匯集至母管后可直接進(jìn)入海水反滲透系統(tǒng)的高壓泵和能量回收裝置，具體流程如圖6所示。其中PX能量回收裝置處的流程與圖4、圖5母管制低壓提升泵流程一樣，只是取消低壓提升泵，直接為進(jìn)水母管。

圖6 無低壓提升泵流程

與常規(guī)設(shè)置相比，該設(shè)計(jì)具有明顯優(yōu)勢(shì)：

（1）節(jié)省投資。省卻了預(yù)處理產(chǎn)水箱和低壓提升泵，直接節(jié)省設(shè)備投資，占地和土建投資。

（2）節(jié)約能耗。取消產(chǎn)水箱，只需根據(jù)海水反滲透進(jìn)水側(cè)的壓力要求，提升細(xì)砂過濾器給水泵的壓力，直接將細(xì)砂過濾器產(chǎn)水輸送至海水反滲透系統(tǒng)。由于不進(jìn)常壓產(chǎn)水箱，細(xì)砂過濾器產(chǎn)水壓力無損耗，同時(shí)也取消了海水反滲透低壓提升泵，從而減少相應(yīng)能耗。

（3）杜絕水質(zhì)二次污染。產(chǎn)水每經(jīng)過中間過渡水箱，就增加一次二次污染的風(fēng)險(xiǎn)，特別是海水中的微生物藻類繁殖較快，如果前處理或維護(hù)不當(dāng)，經(jīng)常導(dǎo)致預(yù)處理產(chǎn)水箱滋生藻類，增加后續(xù)反滲透系統(tǒng)的運(yùn)行負(fù)擔(dān)。直接取消產(chǎn)水箱，杜絕了水箱可能造成的二次污染。

盡管不設(shè)低壓提升泵技術(shù)可行且優(yōu)勢(shì)明顯，但對(duì)運(yùn)行操作要求較高。筆者考察了沿海某電站的海水淡化項(xiàng)目，其按上述方式設(shè)計(jì)，同時(shí)在能量回收裝置進(jìn)口處設(shè)置1個(gè)穩(wěn)壓閥。此閥門的主要功能是閥前進(jìn)水壓力波動(dòng)頻繁時(shí)，保證出口壓力穩(wěn)定，從而進(jìn)一步保證PX能量回收裝置進(jìn)水流量壓力穩(wěn)定。盡管如此，項(xiàng)目在初始調(diào)試運(yùn)行過程中也出現(xiàn)一些問題：

（1）反滲透系統(tǒng)頻繁跳停。開始運(yùn)行后，正常情況下當(dāng)僅1列反滲透運(yùn)行時(shí)，啟動(dòng)或停止反滲透均正常，但1列運(yùn)行同時(shí)啟動(dòng)另一列反滲透系統(tǒng)時(shí)，會(huì)直接導(dǎo)致運(yùn)行中的反滲透高壓泵進(jìn)水壓力過低，從而使反滲透系統(tǒng)跳停；或2列反滲透運(yùn)行，停運(yùn)其中1列反滲透，也會(huì)導(dǎo)致運(yùn)行中的另一套反滲透系統(tǒng)跳停。此外，在1臺(tái)細(xì)砂過濾器反洗過程中，由于正洗排水量過大拉低出水母管壓力，也會(huì)使反滲透運(yùn)行跳停。

（2）能量回收裝置低壓管開裂。能量回收裝置的低壓管路為UPVC材質(zhì)，在運(yùn)行過程中出現(xiàn)了UPVC管開裂現(xiàn)象。

經(jīng)過深入探究，認(rèn)為出現(xiàn)上述問題的原因在于系統(tǒng)海水反滲透進(jìn)水沒有及時(shí)調(diào)節(jié)低壓提升泵。常規(guī)系統(tǒng)中，設(shè)置的低壓提升泵可直接供給海水反滲透系統(tǒng)低壓側(cè)運(yùn)行壓力，而此系統(tǒng)細(xì)砂過濾器的產(chǎn)水母管即為反滲透的低壓給水裝置，細(xì)砂過濾器給水泵距離反滲透裝置過遠(yuǎn)，無法及時(shí)調(diào)節(jié)進(jìn)水母管中的壓力，因此母管的壓力波動(dòng)直接導(dǎo)致反滲透高壓泵進(jìn)出口壓力波動(dòng)較大，引起反滲透系統(tǒng)頻繁跳停。

為解決此問題，從兩方面進(jìn)行了整改：一是從源頭上降低進(jìn)水母管的壓力波動(dòng)，如減小細(xì)砂過濾器正洗排放閥的開度，降低細(xì)砂過濾器正洗流量對(duì)產(chǎn)水母管壓力的影響；第二，啟停其中1套反滲透系統(tǒng)過程中，先行調(diào)節(jié)細(xì)砂過濾器給水泵的出口壓力，提前升高或降低產(chǎn)水母管的壓力，從而抵消啟停反滲透裝置對(duì)進(jìn)水母管的壓力影響。

除此之外，細(xì)砂過濾器給水泵至反滲透裝置中間沒有常壓過渡水箱，整個(gè)管路系統(tǒng)排氣裝置較少，因此在運(yùn)行過程中逐漸累積的氣體造成設(shè)備振動(dòng)過大，且憋壓嚴(yán)重，導(dǎo)致低壓UPVC管開裂。在后續(xù)改造過程中通過在管路增加相應(yīng)的排氣裝置，解決了UPVC低壓管開裂問題。

3 結(jié)論及建議

綜上，針對(duì)膜法海水淡化系統(tǒng)，當(dāng)采用PX能量回收裝置時(shí)，低壓提升泵可按如下條件進(jìn)行選用：

（1）海水反滲透低壓提升泵的母管制設(shè)計(jì)或單元制設(shè)計(jì)在技術(shù)上均可行，但各有利弊且配套設(shè)備不盡相同，需根據(jù)具體項(xiàng)目的客觀條件進(jìn)行相應(yīng)選擇。

（2）海水反滲透前端預(yù)處理可提供相應(yīng)的壓力時(shí)，可省卻低壓提升泵和過渡水箱，節(jié)能減耗，具有一定推廣意義，但需要在運(yùn)行控制方面做好處理措施。