反滲透海水淡化工程能量回收設(shè)計(jì)比選

肖亞蘇，李敏濤，馮 濤，王可寧，冀青杰

(1.自然資源部 天津海水淡化與綜合利用研究所，天津 300192；2.優(yōu)美科催化劑(天津)有限公司，天津 300280;3.山東核電有限公司，山東海陽(yáng) 265116)

1 前言

淡水資源日益緊缺，海水淡化的呼聲越來(lái)越強(qiáng)烈，大型市政用水或工業(yè)用水選擇采用反滲透海水淡化技術(shù)生產(chǎn)的水[1]。能耗在反滲透海水淡化系統(tǒng)的治水成本中占很大的比例(通常約占整個(gè)制水成本的40%)[2]。隨著反滲透海水淡化技術(shù)成為海水淡化領(lǐng)域的主流技術(shù)，對(duì)反滲透技術(shù)的產(chǎn)水能耗、制水成本的控制提出進(jìn)一步要求。因此有必要對(duì)反滲透產(chǎn)水能耗進(jìn)行分析研究。

高壓系統(tǒng)是反滲透淡化工程的主要耗能單元，其電耗約占工程運(yùn)行費(fèi)用的35%～40%，是影響造水成本的主要因素。高壓系統(tǒng)通過(guò)能量回收裝置回收濃水壓力能量達(dá)到節(jié)能的目的。目前大型工程應(yīng)用的能量回收主要有兩種形式：一種是高壓泵+正位移式功交換式能量回收(PX)+增壓泵+膜組；一種是高壓泵+水力透平能量回收(Turbo Charge)+膜組[3]。

2 兩種形式的能量回收裝置

在反滲透海水淡化系統(tǒng)中反滲透膜的操作壓力為5.8 MPa～8.0 MPa。從膜排放的濃鹽水壓力高達(dá)5.5 MPa～7.5 MPa，如果按照通常的40%的回收率計(jì)算，濃鹽水中約有60%的進(jìn)料壓力能量可以回收。能量回收裝置包括流體非直接接觸式和流體直接接觸式，流體非直接接觸式能量回收裝置最具代表性的是PEI公司的Turbo Charge。流體直接接觸式最具代表性的是ERI公司的PX(Pressure Exchange)。

(1)PX能量回收。

PX能量回收裝置采用的是直接接觸正位移技術(shù)，主要部件是一個(gè)無(wú)軸轉(zhuǎn)子，其沿軸向開(kāi)有數(shù)個(gè)孔道，高低壓流體在孔道中交換能量，并依靠轉(zhuǎn)子的連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的連續(xù)運(yùn)行。圖1為PX能量回收裝置工藝流程，節(jié)能機(jī)理是在產(chǎn)量不變的情況下。減少高壓泵流量的方式來(lái)降低系統(tǒng)的能耗。能量傳遞為壓力能—壓力能，不需要機(jī)械輔助裝置。

圖1 PX形式能量回收Fig.1 Energy recovery in PX form

(2)Turbo Charge能量回收。

Turbo Charge采用的是非直接接觸技術(shù)。流體的壓力能傳遞機(jī)理是壓力能—機(jī)械能—壓力能。其脫離了傳統(tǒng)非直接接觸能量回收裝置要與高壓泵或電機(jī)軸相聯(lián)的束縛，使得裝置設(shè)計(jì)緊湊，拆裝容易，檢修方便，對(duì)流體壓力、流量的波動(dòng)適應(yīng)性好。Turbo Charge能量回收裝置工藝流程見(jiàn)圖2，能量回收位于高壓泵后面，實(shí)現(xiàn)管道流體的二次升壓，從而使流體壓力達(dá)到工藝要求，高壓泵的壓力性能參數(shù)的選擇得到降低。

文章通過(guò)具體的能耗計(jì)算，分析大型海水淡化工程中普遍應(yīng)用的兩種形式的能量回收裝置的電耗情況。求證采用不同形式能量回收裝置時(shí)，海水淡化系統(tǒng)噸水電耗隨產(chǎn)水規(guī)模的變化趨勢(shì)，為大規(guī)模海水淡化工程高壓系統(tǒng)提供設(shè)計(jì)參考。

圖2 Turbo Charge形式能量回收Fig.2 Energy recovery in Turbo Charge form

3 分析研究過(guò)程

3.1 計(jì)算基礎(chǔ)

海水淡化系統(tǒng)主要耗能設(shè)備是工藝過(guò)程泵，單臺(tái)泵耗電可通過(guò)下式計(jì)算[4]：

式中：Q——泵流量，m3/h；H——泵揚(yáng)程，m；η1——泵效率；η2——電機(jī)效率。

不同工藝段的工藝泵，其H可以取定值(Turbo形式除外)，泵效率η1和電機(jī)效率η2不是定值，而是隨流量變化的。

后續(xù)計(jì)算中，泵效率η1考慮了單級(jí)清水離心泵效率—流量、多級(jí)清水離心泵效率—流量變化規(guī)律；電機(jī)效率η2考慮了低壓電機(jī)功率—效率、高壓電機(jī)功率—效率變化規(guī)律。η1、η2確定后，即能根據(jù)公式計(jì)算并確定不同工藝泵的耗電P繼而得出海水淡化系統(tǒng)總耗電P總。

3.2 清水離心泵效率曲線

根據(jù)GB19762-2007《清水離心泵能效限定值及節(jié)能評(píng)價(jià)值》確定清水離心泵效率。

(1)多級(jí)清水離心泵。

海水淡化系統(tǒng)高壓泵按多級(jí)清水離心泵考慮。10 000 m3/d～60 000 m3/d規(guī)模海水淡化系統(tǒng)，其多級(jí)水泵流量覆蓋范圍在400 m3/h～6 200 m3/h區(qū)間內(nèi)，但根據(jù)GB19762-2007多級(jí)清水離心泵效率表流量上限為3 000 m3/h，所以文章僅取400 m3/h～3 000 m3/h有效區(qū)間進(jìn)行測(cè)算，見(jiàn)表1。

通過(guò)最小二乘法進(jìn)行擬合計(jì)算，得多級(jí)清水離心泵流量—效率關(guān)系式如下：

η1=f(Q)=2.083 82E-16×Q^5-2.224 53E-12×Q^4+9.380 96E-09×Q^3-1.982 38E-05×Q^2+0.021 906×Q+72.460 6

表1 多級(jí)清水離心泵流量—效率計(jì)算表Tab.1 Flow efficiency calculation table of multistage clean water centrifugal pump

(2)單級(jí)清水離心泵。

除高壓泵外，海水淡化系統(tǒng)其余工藝泵按單級(jí)清水離心泵考慮?？紤]10 000 m3/d～60 000 m3/d規(guī)模海水淡化系統(tǒng)，其單級(jí)清水離心泵流量覆蓋范圍在400 m3/h～7 000 m3/h區(qū)間內(nèi)，根據(jù)GB19762-2007單級(jí)清水離心泵效率表見(jiàn)表2。

表2 單級(jí)清水離心泵流量-效率計(jì)算表Tab.2 Flow efficiency calculation table of single-stage clean water centrifugal pump

通過(guò)擬合計(jì)算，得單級(jí)清水離心泵流量—效率關(guān)系式如下：

η1=f(Q)=-4.144 36E-22×Q^6+1.402 01E-17×Q^5-1.868 65E-13×Q^4+1.250 69E-09×Q^3-4.471 98E-06×Q^2+0.008 727 538×Q+78.287 5444

3.3 電機(jī)效率曲線

(1)高壓電機(jī)功率—效率。

海水淡化系統(tǒng)250 kW以上電機(jī)按高壓電機(jī)配電考慮。考慮10 000 m3/d～60 000 m3/d規(guī)模海水淡化系統(tǒng)，其高壓電機(jī)功率覆蓋范圍在250 kW～3 150 kW區(qū)間，根據(jù)GB30254-2013《高壓三相籠型異步電動(dòng)機(jī)能效標(biāo)準(zhǔn)表》取其有效區(qū)間見(jiàn)表3。

表3 高壓電機(jī)功率—效率計(jì)算表Tab.3 Power efficiency calculation table of high voltage motor

通過(guò)擬合計(jì)算，得高壓電機(jī)功率—效率關(guān)系式如下：

η2=f(P)=-1.912 66E-20×P^6+2.818 05E-16×P^5-1.655 61E-12×P^4+5.095 96E-09×P^3-9.088E-06×P^2+0.009 655 775×P+91.455 974 31

(2)低壓電機(jī)功率—效率(見(jiàn)表4)。

海水淡化系統(tǒng)40 kW～250 kW電機(jī)按低壓電機(jī)配電考慮。同樣得到低壓電機(jī)功率—效率曲線關(guān)系式如下：

η2=f(P)=2.491 28E-07P^3-1.674 94E-04×P^2+0.038 980 16×P+92.849 27

3.4 Turbo效率曲線

根據(jù)Turbocharger Energy Analysis軟件，計(jì)算得出不同產(chǎn)水規(guī)模時(shí)，對(duì)應(yīng)低壓進(jìn)水流量、濃水流量、進(jìn)膜壓力、濃水壓力及高壓泵出口壓力，通過(guò)計(jì)算得到對(duì)應(yīng)效率，見(jiàn)表5。通過(guò)最小二乘法，擬合得到Turbo charger能量回收流量—效率曲線。

η=f(Q)=-0.000 001 251 97×Q^2+0.007 518 803×Q+67.157 000 349

式中：η——Turbo效率；Q——為低壓進(jìn)水流量。

表4 低壓電機(jī)功率—效率計(jì)算表Tab.4 Power efficiency calculation table of low voltage motor

表5 Turbo 能量回收流量—效率計(jì)算表Tab.5 Turbo energy recovery flow efficiency calculation table

4 噸水耗電計(jì)算

將不同產(chǎn)水規(guī)模下，采用PX與Turbo能量回收的淡化系統(tǒng)的能耗進(jìn)行計(jì)算，繼而得出噸水電耗，二者對(duì)比見(jiàn)圖3、表6。

圖3 PX與Turbo能量回收噸水耗電對(duì)比圖Fig.3 Comparison diagram of PX and Turbo power consumption per ton of water

表6 PX與Turbo能量回收噸水耗電對(duì)比表Tab.6 Comparison of PX and turbo energy recovery power consumption per ton of water

5 結(jié)語(yǔ)

配備PX和Turbo兩種形式能量回收的海水淡化系統(tǒng)，其噸水電耗均隨日產(chǎn)水規(guī)模的擴(kuò)大而減小，但變化趨勢(shì)逐漸變緩；對(duì)于大型反滲透海水淡化工程來(lái)說(shuō)，采用PX形式能量回收或Turbo形式能量回收，其噸水電耗差別不大，但Turbo在操作條件和設(shè)計(jì)上具有一定優(yōu)勢(shì)。

兩種工藝各有優(yōu)勢(shì)，具體設(shè)計(jì)選擇需要根據(jù)實(shí)際情況來(lái)抉擇，如需降低一次投資，可選擇Turbo工藝；如需得到更低的能耗和運(yùn)行成本，可選擇PX工藝；另外從占地面積、控制繁瑣程度等方面也要綜合進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)和選型。