反滲透海水淡化設備選型淺析

何寶鋒，張占杰，歐宇鈞，伍立

（中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司深圳分公司，廣東 深圳 518067）

海水淡化過程是將含鹽海水分成含有低濃度溶解鹽的淡水流和高濃度溶解鹽的濃水流，即將海水里面的鹽分離、細菌、有機物以及大型固體等物質(zhì)分離出來的過程。反滲透海水淡化方法是利用高壓迫使溶液經(jīng)過半透膜，溶質(zhì)被半透膜截留在一側(cè)，而溶劑被允許通過。高壓泵作為反滲透海水淡化設備中的核心部件，其運行可靠性、維護便利性與經(jīng)濟性至關重要。本文主要從不同類型高壓泵特點、工作效率、制造難度、維修難度、維護便利性、經(jīng)濟性等多方面分析對比，選擇適合海洋平臺反滲透海水淡化系統(tǒng)的高壓泵。

1 反滲透海水淡化技術(shù)

反滲透海水淡化技術(shù)特點是操作簡單、便于控制、能耗低投資小，技術(shù)相對成熟，經(jīng)過海水淡化過程脫鹽后的產(chǎn)品水完全達到世界衛(wèi)生組織（WHO）的飲用水標準。

1.1 反滲透基本原理

根據(jù)不同的鹽水分離原理將海水淡化技術(shù)分為化學方法和物理方法，其中反滲透法屬于物理方法。利用反滲透法進行海水淡化除鹽的原理，是通過施加高于海水滲透壓的壓力將水分子與鹽離子分開，從而產(chǎn)生淡水，這樣海水就被反滲透膜分成兩部分，淡水和濃水。溶液的滲透壓根據(jù)Vant Hoff 方程進行計算

式中，π為溶液的滲透壓，kPa；T為熱力學溫度，K；ic為溶質(zhì)中離子i的濃度，mol/L；R為氣體常數(shù)，8.314。

由公式（1）可知，在熱力學理論下，溶液的滲透壓與溶液的溫度成正比，與溶液中各個鹽離子的濃度之和成反比，與半透膜本身無關，只受高壓泵和電機的限制。

如圖1 所示，將一個系統(tǒng)視為由半透膜隔開的兩個隔室組成，其中包括兩種不同濃度的溶液，圖1(a)～(b)表示滲透的過程。

圖1

1.2 反滲透系統(tǒng)組成

反滲透造水機海水淡化設備主要有海水預處理系統(tǒng)、反滲透系統(tǒng)及水質(zhì)調(diào)節(jié)系統(tǒng)組成。

海水預處理系統(tǒng)設置目的在于改善供水條件，使之達到反滲透系統(tǒng)的進水要求，主要包括：入口增壓泵/調(diào)壓閥、多媒介罐、袋式過濾器及筒式過濾器；反滲透系統(tǒng)主要用于去除海水中絕大部分可溶性鹽分、膠體、有機物及微生物，成為中間水，主要包括高壓泵和反滲透膜。水質(zhì)調(diào)節(jié)系統(tǒng)包括藥劑罐、計量注入泵和PH 調(diào)節(jié)器，通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)，達到水質(zhì)標準，輸出滿足要求的可用淡水。其工作流程如圖2 所示。

圖2

2 反滲透海水淡化系統(tǒng)設置

2.1 技術(shù)要求

不同規(guī)模的海水淡化工程，對于高壓泵的壓力等性能的要求也不同，泵的流量由系統(tǒng)日處理水量和余量決定，揚程根據(jù)膜的型號、通量、運行情況、海水水質(zhì)水溫等情況而變換，通常反滲透海水淡化系統(tǒng)工程所使用的泵操作壓力在5.0 ～7.2MPa，具體技術(shù)要求如表1所示。

表1 高壓泵技術(shù)參數(shù)

2.2 設施布置

海洋油氣生產(chǎn)平臺相對而言面積有限，所需各種設備設置合理優(yōu)化布置。反滲透海水淡化系統(tǒng)設計為一級一段式，預處理模塊、反滲透模塊及后處理模塊分別進行集成設計，通過連接附件集成到組合架上，便于操作，節(jié)約空間。

3 反滲透海水淡化設備選型

海上油氣田設施反滲透海水淡化設備中配備的高壓泵主要有兩大類型，分別為高速離心泵和柱塞泵，其中柱塞泵又分為臥式三缸柱塞泵和軸向柱塞泵（斜盤泵）。選擇不同泵的類型，對于系統(tǒng)運行效率、成本等有著重要的意義。

3.1 高壓泵特點

反滲透海水淡化系統(tǒng)中，每噸淡化水費用中，一般電能的消耗占總費用的一半以上，投資成本占到1/4，而高壓泵又是系統(tǒng)中的主要耗能元件，約占總費用的1/3，所以反滲透海水淡化系統(tǒng)所使用的高壓泵必須具備高效節(jié)能等特點，給水壓力大小一般與進料海水的水質(zhì)、溫度、膜組件型號等多種因素有關，給水量的大小與目標產(chǎn)水量有關。

不同類型的高壓泵的使用范圍及設備成本如表2所示。

表2 不同類型高壓泵特點

3.2 高壓泵特性分析

（1）高速離心泵。高速離心泵的特點是結(jié)構(gòu)緊湊，便于安裝，運行過程中吸液和排液管線中流量與壓力相對穩(wěn)定，振動小。高速離心泵幾種類型流量與效率對比如表3 所示。

表3 多級離心泵性能對比

（2）臥式柱塞泵。臥式柱塞泵的特點是主要零部件均承受壓力，充分利用了材料強度性能，可確保較長時間連續(xù)穩(wěn)定運行，容積率在95%左右，總效率在90%左右，對水溫水質(zhì)的要求不高。

（3）軸向柱塞泵（斜盤泵）。由于該類型泵與電機直接相連，極大地減小了泵的整體尺寸和重量；斜盤泵的所有運動件均可通過輸送介質(zhì)實現(xiàn)自潤滑和免維護，節(jié)省了人工成本和材料費用，并且由于無須加入潤滑油，不存在泄漏的風險。特性對比如表4 所示。

表4 不同類型高壓泵特性對比

表5 高壓泵效率指標

3.3 高壓泵選型

高壓泵單位產(chǎn)水能耗

式中，W 為單位產(chǎn)水能耗，kW·h/m3；P 為泵壓差，MPa；η為效率，%。

由式（2）可知，泵單位產(chǎn)水能耗取決于高壓泵效

式中，N 為軸功率，kW；ρ為密度， kg/m3，（標準海水密度按照1.03計算）；g為重力加速度，m/s2，一般取9.8；Q為泵的流量，m3/h；H 為泵的揚程，m；η為額定工作點下的效率。

根據(jù)公式（3）可以計算得到高壓泵的軸功率，為電機的選配提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

綜合考慮耗能量和經(jīng)濟成本，以達到最大效益、最小支出目的是高壓泵選型的關鍵。以工程單機日產(chǎn)2500t 的高壓泵能耗和成本為指標，對比分析高速離心泵和軸向柱塞泵相關參數(shù)，具體如表6 所示。

表6 2500t 高壓泵相關參數(shù)

表6 可以看出，從耗能及經(jīng)濟成本角度來看，相比于高速離心泵，軸向柱塞泵為最優(yōu)選擇。

4 結(jié)語

反滲透海水淡化技術(shù)是一個效率高、消耗低、便于大規(guī)模使用的技術(shù)，選擇高效的高壓泵將一定程度降低反滲透海水淡化系統(tǒng)的耗能成本。本文針對海洋采油平臺的特點，從高壓泵特點、性能特性、經(jīng)濟性等方面綜合分析，軸向柱塞泵相比其他兩種形式的泵具有一定的優(yōu)勢，但該類型的泵目前在反滲透行業(yè)應用時間較短，待時間驗證其可靠性后具有較大的推廣意義。