風(fēng)電反滲透海水淡化耦合系統(tǒng)中高壓泵的選擇分析

黃晶晶，姚興華

(1. 中國電力工程顧問集團公司，北京 100120；

2. 西南電力設(shè)計院，四川 成都 610021)

風(fēng)電反滲透海水淡化耦合系統(tǒng)中高壓泵的選擇分析

黃晶晶1，姚興華2

(1. 中國電力工程顧問集團公司，北京 100120；

2. 西南電力設(shè)計院，四川 成都 610021)

高壓泵是反滲透海水淡化系統(tǒng)中的主要耗能設(shè)備。根據(jù)風(fēng)電海水淡化耦合系統(tǒng)的供電特點，分析了高壓離心泵和柱塞泵在變功率運行條件下流量和揚程的變化特點，解析了高壓泵并聯(lián)運行的功率、流量分配，認(rèn)為小規(guī)模風(fēng)電反滲透海水淡化耦合系統(tǒng)的高壓泵選柱塞泵更為合適。

風(fēng)電；海水淡化；反滲透；高壓泵；離心泵；柱塞泵。

1 概述

風(fēng)電反滲透海水淡化耦合系統(tǒng)中最關(guān)鍵的問題是解決風(fēng)力發(fā)電功率與海水淡化工藝所需功率的匹配問題。在反滲透海水淡化技術(shù)應(yīng)用中，高壓泵是一個關(guān)鍵的耗能設(shè)備。反滲透制取純水所需壓力由高壓泵提供，一般在5.0MPa～6.0MPa。海水反滲透系統(tǒng)中必須控制高壓泵的出口壓力，在維持設(shè)計產(chǎn)水量同時不超過膜元件最高允許進水壓力。不同廠家的海水淡化膜元件的最高允許進水壓力參數(shù)不同，設(shè)計時可具體參考膜元件廠家參數(shù)。

在反滲透膜選定的情況下，反滲透海水淡化系統(tǒng)的能耗主要取決于高壓泵，增壓泵和能量回收裝置的耗能。反滲透海水淡化系統(tǒng)中，電費占制水成本的1/2～2/3，設(shè)備投資占制水成本的1/4左右。高壓泵是膜法海水淡化系統(tǒng)中的主要耗能設(shè)備，其電耗約占系統(tǒng)運行費用的35%，是影響產(chǎn)品水成本的主要因素之一。因此，結(jié)合反滲透海水淡化工程，針對工程中所用的高壓泵的選型分析，選擇合適的泵型，對于降低系統(tǒng)的運行費用有非常重要的意義。

2 耦合系統(tǒng)的輸出電源特點

由于各地區(qū)風(fēng)速的隨機波動性，使得風(fēng)力發(fā)電功率隨風(fēng)速具有較大的波動。西班牙加納利島上離網(wǎng)型風(fēng)機發(fā)電特性相關(guān)研究表明，當(dāng)風(fēng)速達到啟動風(fēng)速3m/s后，風(fēng)速保持在3m/s～8m/s范圍內(nèi)，在風(fēng)機啟動28min后，風(fēng)機通過其內(nèi)置飛輪可使發(fā)電功率達到且穩(wěn)定在50±1Hz。啟動后，風(fēng)速波動會導(dǎo)致風(fēng)機輸出功率大幅度波動，3min內(nèi)風(fēng)機輸出功率從>80kW降至6kW，變化幅度大見圖1。顯然，風(fēng)機直接輸出功率無法滿足反滲透海水淡化中高壓泵運行所需功率的要求。

若采用蓄電池穩(wěn)定風(fēng)機輸出功率，則可能的電功率輸出曲線見圖2，圖中最大輸出功率Pmax和最小輸出功率Pmin由風(fēng)機輸出功率和蓄電池容量決定。假設(shè)高壓泵耗能為海水淡化總耗能的1/3，則反滲透系統(tǒng)高壓泵可以利用的最大電功率為1/3Pmax，最小電功率為1/3Pmin。

圖1 啟動后風(fēng)機轉(zhuǎn)子速度與輸出功率波動情況

圖2 結(jié)合儲能系統(tǒng)穩(wěn)定后的風(fēng)電輸出功率示意圖

3 高壓泵類型與特點

現(xiàn)有的用于反滲透海水淡化系統(tǒng)中的高壓泵主要有離心泵、旋渦泵和容積式往復(fù)泵，其中容積式往復(fù)泵主要指柱塞泵(下文均用柱塞泵代替往復(fù)泵)。三種高壓泵的特性比較如表1所示，與柱塞泵和離心泵相比，旋渦泵的效率較低。旋渦泵采用旁路調(diào)節(jié)流量，使得在風(fēng)電—海水淡化耦合系統(tǒng)中反滲透工藝管路需增加旁路設(shè)計。

表1 高壓泵的特性

葉片式泵和容積式泵的運行曲線如圖3所示。葉片式泵的壓力有極值，零流量時最大，壓力隨著流量的增大而降低；柱塞泵在轉(zhuǎn)速固定時，流量不變，壓力隨著外界管路阻力的增大而增大，此時阻力無限的話，壓力無窮大，可以破壞整個系統(tǒng)。值得注意的是，旋渦泵在低流量時功耗反而大；因此當(dāng)系統(tǒng)降功率運行時，系統(tǒng)中的流量增加而揚程急劇降低。

圖3 各類高壓泵的性能曲線形狀

在實際運行過程中，當(dāng)系統(tǒng)運行一段時間后，反滲透膜容易堵塞，若使用葉片式泵，相當(dāng)于出口管路阻力加大關(guān)小，流量變小，壓力升高，但存在最大值；若使用柱塞泵，反滲透膜堵塞后，流量不變化，壓力卻直線上升，破壞反滲透膜和其它管路。

4 高壓泵變功率運行特點

理論上，高壓泵調(diào)速只改變水泵的特性，并不改變管路特性。因此，可以通過調(diào)節(jié)高壓泵轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)高壓泵的變功率運行。主要探討高壓泵功率從1/3Pmax降至1/3Pmin過程中，不同類型高壓泵的理論流量與理論揚程變化，以期為風(fēng)電—海水淡化耦合系統(tǒng)中反滲透高壓泵的選型提供依據(jù)。

4.1 離心泵

4.1.1 單一離心泵

當(dāng)變頻離心泵泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)在一定范圍內(nèi)，水泵特性遵守相似原理按比例變化。一般情況下，離心泵轉(zhuǎn)速可調(diào)節(jié)范圍由泵廠家給出。在可調(diào)范圍內(nèi)，根據(jù)離心泵的比例定律可獲得離心泵軸功率變化所帶來的流量變化和揚程變化，見圖4。由圖4可發(fā)現(xiàn)，離心泵功率變化帶來的揚程變化大于流量變化。根據(jù)反滲透膜最小滲透壓和最小流量要求，即可反推計算最小的高壓泵所需最小功率。此最小功率須小于耦合系統(tǒng)的分配至高壓泵的輸出功率。

圖4 軸功率變化所帶來的流量變化和揚程變化

4.1.2 1用1備泵組

在常規(guī)的水處理系統(tǒng)中，1用1備泵組常為1臺變頻泵和1臺工頻泵，工頻泵在變頻泵故障時工頻切入，實現(xiàn)主泵故障或檢修時的正常運行。然而，在風(fēng)電—海水淡化耦合系統(tǒng)中，考慮到經(jīng)濟適用性，可取消備用泵，直接將備用泵作為正常運行泵運行管理；同時考慮到輸出功率的波動分布特點，可用變頻泵替換工頻泵。因此，常規(guī)的1用1備泵組即為2臺離心泵并聯(lián)運行。

一般情況下，離心泵并聯(lián)運行時組合泵具有相同揚程，由單獨泵組Ⅰ(Ⅱ)在相同揚程下的特性曲線，得到泵組Ⅰ與泵組Ⅱ的聯(lián)合特性曲線Ⅰ+Ⅱ，泵組Ⅰ或泵組Ⅱ獨立供水時，工況點為a點，而其合成工況點按并聯(lián)流量疊加應(yīng)為b點，則b點流量為兩倍a點工況下流量(圖5)。但實際上，由于系統(tǒng)阻力的影響，當(dāng)離心泵并聯(lián)運行時，其實際流量小于兩倍a點工況下流量。

圖5 離心泵并聯(lián)運行的特性曲線

當(dāng)1臺變頻泵和1臺工頻泵并聯(lián)工作時，變頻泵和工頻泵的額定功率均為1/6Pmax，則全部高壓泵組運行功率范圍為(1/3Pmax，1/6Pmax～Px)(Px<1/6Pmax)。假設(shè)單臺泵的最大流量為Q，首先判定工頻泵正常工作時流量Q是否滿足反滲透膜的最小流量要求，此時可同時運行變頻泵和工頻泵或單獨運行工頻泵。當(dāng)Q大于反滲透膜最小流量而電功率低于1/6Pmax時，單獨運行變頻泵，根據(jù)比例定律，當(dāng)供水量降至kQ時，揚程降為k2H(H為最大揚程)，軸功率降為k3P(P為額定軸功率)，此時需要判定下降的流量kQ和揚程k2H是否滿足反滲透膜最小滲透壓和最小流量要求。根據(jù)最小流量和最小滲透壓要求，從而反推獲得理論最小軸功率Px。

當(dāng)2臺變頻泵并聯(lián)工作時，變頻泵的額定功率為1/6Pmax，則全部高壓泵組運行功率范圍為1/3Pmax～Px(Px<1/6Pmax)。由于2臺泵同步變頻，因此2臺變頻泵并聯(lián)工作規(guī)律與單臺變頻泵工作規(guī)律類似。在某一揚程要求下，2臺變頻泵的工作流量可降至單臺變頻泵工作流量的一半，此時，泵所需功率為單臺泵最小功率的一半。

當(dāng)反滲透膜工作要求揚程為泵工作的限制因素時，設(shè)定泵(泵組)工作的最小揚程為k2H，計算泵(泵組)理論流量與理論軸功率變化范圍，結(jié)果見表2。當(dāng)反滲透膜工作要求流量為泵工作的限制因素時，2臺變頻泵設(shè)置如同單一變頻泵。

表2 泵(泵組)流量、揚程與功率可變范圍(最小工作揚程為k2H)

4.2 柱塞泵

柱塞泵流量與管理特性無關(guān)，只取決于柱塞泵轉(zhuǎn)速，所需流量可通過改變轉(zhuǎn)速到對應(yīng)值而得到，其計算公式見式(1)。降低柱塞泵轉(zhuǎn)速即可降低柱塞泵流量，從而降低柱塞泵所需的電功率。由于柱塞泵提供的壓力只決定于管路特性與泵本身無關(guān)，因此柱塞泵運行時的壓力需考慮連接的反滲透膜運行情況?？筛鶕?jù)系統(tǒng)流量與柱塞泵額定流量選擇合適的柱塞泵或柱塞泵并聯(lián)泵組。

與離心泵調(diào)速類似，柱塞泵的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)也具有局限性，調(diào)速范圍由廠家給出。一般認(rèn)為柱塞泵的調(diào)速范圍較離心泵大。

5 不同制水規(guī)模下高壓泵的選擇

風(fēng)電—海水淡化系統(tǒng)中，反滲透高壓泵的選擇除了要考慮泵本身運行特性外，還應(yīng)考慮制水規(guī)模對高壓泵效率和投資成本的影響。相比于離心泵，柱塞泵在不同處理流量下泵效率較為穩(wěn)定，一般在90%左右。離心泵效率與其單泵處理流量相關(guān)，當(dāng)單泵處理流量較小時，離心泵效率較低。不同規(guī)模海水淡化工程單泵處理流量的離心泵和柱塞泵效率見表3。在低流量下，離心泵效率過低，如日產(chǎn)量500噸時，離心泵效率低至50%；在大流量下，柱塞泵制造難度大，成本高。

反滲透海水淡化用高壓泵的廠商和泵參數(shù)見表4，柱塞泵的額定流量較小(<300m3/h)，適用于中小規(guī)模的海水淡化工程，而離心泵的額定流量較大，適用于大規(guī)模的海水淡化工程。由于柱塞泵結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大，當(dāng)流量大于180 m3/h時，柱塞泵的經(jīng)濟性差而抵消其效率高的優(yōu)點。

表3 柱塞泵和多級離心泵的效率指標(biāo)

表4 國外廠商和高壓泵參數(shù)

在常規(guī)的反滲透海水淡化系統(tǒng)中，由于供電穩(wěn)定，不同類型高壓泵的選擇均以泵最佳運行效率為基礎(chǔ)，因此產(chǎn)水穩(wěn)定，每噸淡水生產(chǎn)的高壓泵運行成本主要包括高壓泵、高壓泵維護費用和運行所需電費。一般情況下，當(dāng)處理流量為110m3/h時，雖然柱塞泵的投資費用和維護費用高于離心泵，但柱塞泵運行所需電費遠低于離心泵，因此柱塞泵的總操作費用低于離心泵?？梢酝茢?，當(dāng)高壓泵進水流量低于110m3/h時，離心泵的運行效率更低，從而導(dǎo)致其運行所需電費更高，因此在常規(guī)的反滲透海水淡化系統(tǒng)中，柱塞泵的總操作費用更低。

然而，在風(fēng)電—海水淡化耦合系統(tǒng)中，由于系統(tǒng)供電量波動較大，離心泵與柱塞泵在不穩(wěn)定供電條件下運行特性不同，從而可能導(dǎo)致在同一個風(fēng)電—海水淡化耦合系統(tǒng)中離心泵與柱塞泵所產(chǎn)淡水量和淡水品質(zhì)不同。根據(jù)上文變運行工況條件下離心泵運行特性分析，可以發(fā)現(xiàn)離心泵降功率運行時，同時降低處理流量和揚程，而揚程降低的直接反映是反滲透進水壓力降低，從而導(dǎo)致反滲透脫鹽率下降、產(chǎn)水水質(zhì)變差。降功率運行的柱塞泵僅減少處理流量，可保證反滲透進水壓力，對反滲透脫鹽率影響較小。當(dāng)反滲透膜工作要求揚程為泵工作的限制因素時，可以認(rèn)為柱塞泵的反滲透系統(tǒng)所產(chǎn)水量大于離心泵的反滲透系統(tǒng)。因此，相比離心泵，每噸淡水生產(chǎn)的柱塞泵成本和柱塞泵維護費用會有所減少。

此外，離心泵和柱塞泵的功率需求變化對風(fēng)電—海水淡化耦合系統(tǒng)中蓄電池容量及其成本的影響也需考慮。在小規(guī)模的風(fēng)電—海水淡化耦合系統(tǒng)中，反滲透高壓泵選用柱塞泵更為合適。

6 結(jié)論

高壓泵是反滲透海水淡化系統(tǒng)中的主要耗能設(shè)備。在風(fēng)電—海水淡化耦合系統(tǒng)中，高壓離心泵和柱塞泵的選擇需要同時考慮變功率運行條件下流量和揚程是否滿足反滲透膜正常運行的要求。對離心泵并聯(lián)設(shè)計時，需要考慮變功率運行下并聯(lián)管路特性變化情況。對于小規(guī)模的風(fēng)電—海水淡化耦合系統(tǒng)(處理水量不大于100m3/h)，反滲透高壓泵選用柱塞泵更為合適。

[1]Carta J.A., Gonzalez J., Subiela V., Operational analysis of an innovative wind powered reverse osmosis system installed in the Canary Islands. Solar Energy, 2003.

[2]全國化工設(shè)備設(shè)計技術(shù)中心站機泵技術(shù)委員會．工業(yè)泵選用手冊(第二版)[K]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010．

[3]葉曉琰，許國樂，胡敬寧．反滲透海水淡化高壓泵的優(yōu)化選擇[J]．水處理技術(shù)，2008，34(9).

Selection of High Pressure Pumps in Wind-powered Reverse Osmosis Seawater Desalination Systems

HUANG Jing-jing1, YAO Xing-hua2
(1. China Power Engineering Consulting Group Corporation, Beijing 100120, China;
2. Southwestern Electric Power Design Institute, Chengdu 610021, China)

High pressure pump consumes most of energy in the membrane desalination system. According to the characteristics of power supply of wind energy, the shift of flux and head of high pressure centrifugal pump and plunger pump was analyzed under variable power operation. Also, the distribution of flux and power of multipledhigh pressure pumps were calculated. Combined with the operating cost of centrifugal pump and plunger pump, the plunger pump is fitter to membrane desalination in wind powered seawater desalination system in small scale.

wind powere; seawater desalination; reverse osmosis; high pressure pump; centrifugal pump; plunger pump.

P747

A

1671-9913(2014)03-0068-05

10.13500/j.cnki.11-4908/tk.2014.03.014

2013-11-20

黃晶晶(1985- )，女，浙江慈溪人，博士，工程師，主要從事非常規(guī)水資源再生處理與利用。