反滲透裝置性能分析與研究

王宣德

（神華國華壽光發(fā)電有限責(zé)任公司， 山東 壽光 262714）

引言

預(yù)處理系統(tǒng)，包括沉淀澄清處理系統(tǒng)、超濾系統(tǒng)、一級反滲透、二級反滲透系統(tǒng)。

1、2號機(jī)組工程設(shè)計3套一級反滲透裝置，每套出力為232 m3/h。按一級一段配置，反滲透膜采用8"低能耗海水膜，設(shè)計膜通量13.72 L/m2·h，每套裝置配65個壓力容器，每個壓力容器7支膜，每套裝置共455支膜。本裝置按15℃設(shè)計，進(jìn)水SDI≤3，設(shè)計進(jìn)水壓力約為6.2 MPa，產(chǎn)水背壓按0.2 MPa設(shè)計。其中1、3號一級反滲透膜的品牌為美國海德能（HYDRANAUTICS），2號一級反滲透膜的品牌為美國陶氏（DOW）。一級反滲透膜的使用壽命保證期為3年，系統(tǒng)出水質(zhì)量（三年內(nèi)）為：電導(dǎo)率≤500 μS/cm、ρ（TDS）≤350 mg/L）、ρ（Cl-）≤180 mg/L、ρ（B3+）≤0.9 mg/L、回收率≥42%、反滲透脫鹽率≥99.4%。一級反滲透裝置出水用于全廠雜用水和供二級反滲透用水。

1 反滲透系統(tǒng)存在問題

海淡一級反滲透系統(tǒng)于2014年4月調(diào)試產(chǎn)水后投運(yùn)運(yùn)行，截至目前運(yùn)行4年多時間，已超過使用壽命3年的保證期，現(xiàn)在3套一級反滲透出水導(dǎo)電率最大值為750～1 200 μS/cm、ρ（Cl-）為250～260 mg/L，出水質(zhì)量已超出設(shè)計值。出水水質(zhì)超出設(shè)計要求可能造成用戶系統(tǒng)設(shè)備的腐蝕，影響使用壽命。由于海淡系統(tǒng)是公司的主要水源，如果一級反滲透出水繼續(xù)惡化最后造成系統(tǒng)癱瘓，機(jī)組將面臨降負(fù)荷甚至停機(jī)的風(fēng)險。

而反滲透膜的更換（即報廢，以下統(tǒng)一稱更換）數(shù)量巨大、價格較高，如果反滲透膜在能繼續(xù)使用的情況下提前更換，將降低反滲透膜的使用率，造成一定的經(jīng)濟(jì)損失[1]。

所以需評估海淡一級反滲透裝置性能情況，為系統(tǒng)設(shè)備的維護(hù)檢修或反滲透膜的更換提供依據(jù)。

2 設(shè)備維護(hù)情況分析

預(yù)處理系統(tǒng)投產(chǎn)至今已運(yùn)行4年多時間，現(xiàn)從日常檢查維護(hù)、化學(xué)清洗維護(hù)和設(shè)備缺陷處理分析等設(shè)備維護(hù)方面進(jìn)行分析。

2.1 日常性定期檢查維護(hù)

一級反滲透裝置的主要定期維護(hù)工作是檢查反滲透裝置內(nèi)部膜元件狀況，每套反滲透裝置每3個月將進(jìn)行一次膜原件檢查。檢查其是否存在微生物生長、膜結(jié)垢嚴(yán)重等問題，同時檢查內(nèi)部密封圈、膜接頭是否存在損壞情況。通過近4年來檢查情況看，3套一級反滲透裝置情況正常，膜本體基本無微生物生長，膜裝置有少量結(jié)垢情況，屬正?，F(xiàn)象。膜定期維護(hù)未發(fā)現(xiàn)因微生物污染及結(jié)垢等導(dǎo)致的膜性能明顯下降及損壞現(xiàn)象。

2.2 定期化學(xué)清洗維護(hù)工作

預(yù)處理系統(tǒng)的定期化學(xué)清洗維護(hù)工作委托有資質(zhì)單位和經(jīng)驗的單位負(fù)責(zé)，從每月的清洗維護(hù)評價報告和實際運(yùn)行參數(shù)可以看出清洗的效果良好，清洗后反滲透膜出水水質(zhì)有明顯改善，產(chǎn)水量有不同程度增加，跨膜壓差下降至正常范圍內(nèi)，反滲透膜的性能得到較大程度恢復(fù)。

2.3 設(shè)備缺陷檢修工作

從3套一級反滲透裝置運(yùn)行情況來看，1、3號一級反滲透裝置實際運(yùn)行情況較2號一級反滲透裝置穩(wěn)定。3套一級反滲透裝置進(jìn)行了如下較大檢修處理工作。

2.3.1 哈弗接頭密封圈及哈弗接頭更換

3套一級反滲透裝置在投產(chǎn)初期，由于哈弗接頭內(nèi)部密封圈質(zhì)量較差，出現(xiàn)過較多哈弗接頭密封圈漏水情況，經(jīng)過溝通協(xié)調(diào)，全部更換較好質(zhì)量的唯特利品牌哈弗接頭密封圈，對3套一級反滲透哈弗接頭密封圈進(jìn)行整體更換，于2015年10月全部更換完成。

另外，由于原供哈弗接頭本體為普通材質(zhì)，在使用時間超過3年后，受海水及潮濕環(huán)境腐蝕，銹蝕較嚴(yán)重，也出現(xiàn)漏水，對設(shè)備底座及鋼架產(chǎn)生腐蝕。由于裝置運(yùn)行時承受超過5 MPa的壓力，為保證現(xiàn)場人員及設(shè)備安全，設(shè)備部于2017年初對所有反滲透裝置銹蝕的哈弗接頭進(jìn)行整體更換，將其更換成耐海水腐蝕的雙相不銹鋼材質(zhì)的哈弗接頭，更換后未出現(xiàn)過因哈弗接頭損壞導(dǎo)致的漏水缺陷，人員及設(shè)備安全得到有力保障。

2.3.2 2015年2號一級反滲透2支膜元件支架損壞

2015年1月22日下午15時左右，預(yù)處理一級反滲透裝置產(chǎn)水電導(dǎo)率異常升高，達(dá)到7 410 μS/cm（設(shè)計產(chǎn)水電導(dǎo)率≤500 μS/cm）。經(jīng)過取樣檢測每支壓力容器產(chǎn)水電導(dǎo)率，除第11支壓力容器無水樣無法檢測外，其他壓力容器產(chǎn)水電導(dǎo)率均在正常范圍。根據(jù)現(xiàn)場情況及運(yùn)行參數(shù)，分析判斷第11支膜裝置損壞需近一步檢查。1月23日辦理工作票拆開2號一級反滲透第11支壓力容器后檢查發(fā)現(xiàn)進(jìn)水端第一支膜元件出現(xiàn)“凹陷”形式的破裂。

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)備及運(yùn)行參數(shù)等具體分析，膜元件損壞的主要原因如下：

1）系統(tǒng)在短時間內(nèi)壓力及流量等參數(shù)還未穩(wěn)定情況下升壓速率偏大，系統(tǒng)流量、壓力等在短時間的升高可能使膜兩端產(chǎn)生較高的壓差，此壓差產(chǎn)生軸向推力的作用，導(dǎo)致膜裝置端頭被壓碎，膜裝置損壞。

2）抽查了其他兩套壓力容器的膜元件，未發(fā)現(xiàn)此種膜損壞現(xiàn)象，因此排除膜裝置大面積損壞情況。因此，分析此兩支損壞的反滲透膜存在本身的質(zhì)量問題。

從故障情況分析，造成膜端頭支架破裂的情況是由于以上兩種原因綜合造成的。針對此次膜損壞情況，經(jīng)與廠家技術(shù)人員溝通交流，系統(tǒng)啟動時通過自動控制一級反滲透高壓泵電機(jī)頻率，同時設(shè)定升壓速率不能大于0.1 MPa/s的方式預(yù)防上述故障發(fā)生。此后，一級反滲透裝置未出現(xiàn)膜支架及膜袋破裂損壞情況。

2.3.3 一級反滲透裝置膜元件膜袋破裂

3套一級反滲透裝置運(yùn)行至今，膜裝置膜袋破裂情況共發(fā)生4次，其中海德能品牌膜袋破裂1次，陶氏品牌膜袋破裂3次。

反滲透膜袋破裂的主要原因為部分膜裝置玻璃鋼外殼支撐部位存在制造缺陷或質(zhì)量問題，膜長時間在高壓情況下運(yùn)行，膜玻璃鋼外殼脆弱部分破裂。玻璃鋼外殼為內(nèi)部膜袋起保護(hù)作用，當(dāng)玻璃鋼外殼破裂后，膜袋破裂損壞，膜裝置損壞失效，導(dǎo)致產(chǎn)水電導(dǎo)急劇增大。

2.3.4 膜元件脫鹽率大幅下降失效

一級反滲透裝置產(chǎn)水端濃海水鹽份濃度很高，膜原件運(yùn)行環(huán)境惡劣，會出現(xiàn)部分膜元件脫鹽率嚴(yán)重下降損壞的情況，通過對3套一級反滲透裝置產(chǎn)水電導(dǎo)率測試及探針試驗結(jié)果判斷，目前因反滲透膜脫鹽率下降無法繼續(xù)使用而更換的膜裝置共6支，其中海德能品牌2支，陶氏品牌4支。主要失效原因為膜元件在高濃度海水惡劣環(huán)境中，膜內(nèi)部過濾層受污染失效，無法繼續(xù)起過濾脫鹽作用，不能繼續(xù)使用。

以上問題目前的主要解決方法是更換損壞的連接適配器，同時加強(qiáng)啟動期間的自動排氣，同時適當(dāng)控制升壓速率。采取措施后膜端蓋連接適配器斷裂現(xiàn)象有減緩趨勢。

3 運(yùn)行數(shù)據(jù)分析

反滲透系統(tǒng)的產(chǎn)水電導(dǎo)率、余氯是出水質(zhì)量的重要指標(biāo)，也是反映裝置是否正常運(yùn)行和判斷其性能的重要依據(jù)[2]。另外系統(tǒng)的脫鹽率也是分析裝置性能的重要指標(biāo)。所以日常運(yùn)行中認(rèn)真進(jìn)行了抄表分析記錄并定期進(jìn)行手工分析，相關(guān)日常運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析如下頁表1所示。

通過一級反滲透產(chǎn)水電導(dǎo)率、余氯的表格數(shù)據(jù)可以看出：3套反滲透裝置的產(chǎn)水電導(dǎo)率和余氯隨著運(yùn)行時間逐漸升高，至2017年第3季度電導(dǎo)率略超過設(shè)計值、余氯接近設(shè)計值；至2018年第2季度開始電導(dǎo)率和余氯均超出設(shè)計值且上升趨勢加劇。

說明：脫鹽率根據(jù)近似估算公式得出，公式為：系統(tǒng)脫鹽率=（進(jìn)水電導(dǎo)率-產(chǎn)水電導(dǎo)率）÷進(jìn)水電導(dǎo)率×100%，近似估算公式得到的脫鹽率比實際脫鹽率略低。進(jìn)水電導(dǎo)率取自SIS系統(tǒng)一級反滲透提升泵出口母管電導(dǎo)率儀算數(shù)平均值，產(chǎn)水電導(dǎo)率取自化驗班定期工作手工分析算數(shù)平均值，2018年第3季度數(shù)據(jù)截止至7月15日。

如下頁表2所示，可以看出：3套反滲透裝置的脫鹽率隨著運(yùn)行時間逐漸下降，2018年第1季度開始，下降趨勢加劇，目前1、2、3號反滲透的脫鹽率最低為98.14%、97.47%、98.03%，3套裝置均已低于質(zhì)保期的脫鹽率99.4%，且下降趨勢加劇。

表1 預(yù)處理定期工作手工分析歷時數(shù)據(jù)匯總示意表

表2 預(yù)處理一級反滲透裝置脫鹽率匯總示意表 %

如下頁表3所示，可以看出，三套反滲透裝置隨著使用時間的增加，產(chǎn)水量沒有明顯變化，但電導(dǎo)率有明顯的上升趨勢，脫鹽率有明顯的下降趨勢，其中以2號一級反滲透裝置表現(xiàn)最為明顯。

4 探針試驗分析

2018年7月中旬分別對3套一級反滲透裝置進(jìn)行了探針試驗，探針試驗分別對每套反滲透的65個壓力容器的1 365支膜元件進(jìn)行探針取水樣測量電導(dǎo)率。通過探針試驗排查了膜進(jìn)出水端及膜間連接件損壞或密封圈老化影響產(chǎn)水電導(dǎo)偏高因素。從探針試驗數(shù)據(jù)可以看出，1、3號一級反滲透每支膜的電導(dǎo)率大部分在300～600μS/cm之間，少數(shù)在600μS/cm以上，但2號一級反滲透每支膜的電導(dǎo)大部分在600μS/cm以上。本次探針試驗時同時對壓力容器進(jìn)行了電導(dǎo)率監(jiān)測，1、3號一級反滲透每個壓力容器電導(dǎo)率基本在500～700μS/cm之間，但2號一級反滲透每個壓力容器電導(dǎo)率基本在800～1 200μS/cm之間。

表3 一級反滲透產(chǎn)水情況對比示意表

通過探針試驗數(shù)據(jù)可以得出：2號一級反滲透產(chǎn)水電導(dǎo)率明顯比其他兩套裝置高，說明其性能相對較差。

5 海淡反滲透膜性能評估及更換的調(diào)研情況

為了科學(xué)評估海淡反滲透膜的性能，分別向西安熱工院、電科院及反滲透膜廠家電話調(diào)研海淡反滲透膜性能評估的標(biāo)準(zhǔn)或依據(jù)?；貜?fù)海淡反滲透膜的性能評估現(xiàn)在無相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或依據(jù)，一般與原設(shè)計的產(chǎn)水水質(zhì)、脫鹽率等性能指標(biāo)進(jìn)行對比。

為了借鑒其他電廠反滲透膜性能評估及更換工作情況，分別向華能玉環(huán)電廠和河源電廠進(jìn)行了電話調(diào)研。玉環(huán)電廠為國內(nèi)第一個大型的膜法預(yù)處理工程，2006年3月調(diào)試完畢投入運(yùn)行，投產(chǎn)至今經(jīng)歷了反滲透膜的更換工作。玉華電廠海淡反滲透膜更換前，未委托第三方進(jìn)行相關(guān)性能評估指導(dǎo)更換工作，而是通過公司內(nèi)部進(jìn)行探針試驗，對運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行分析評估，內(nèi)部也未制定相關(guān)判斷依據(jù)，只是通過經(jīng)驗摸索確定更換。河源電廠淡水水源為地下水，經(jīng)過絮凝、沉淀、過濾等一系列預(yù)處理后進(jìn)行鍋爐補(bǔ)給水系統(tǒng)，鍋爐補(bǔ)給水處理系統(tǒng)采用全膜法處理工藝，于2008年10月投入運(yùn)行。河源電廠反滲透膜為淡水膜，投產(chǎn)至今經(jīng)歷了反滲透膜的更換工作。

6 結(jié)語

1）反滲透裝置的日常維護(hù)和運(yùn)行操作正常，主要影響產(chǎn)水水質(zhì)的缺陷是反滲透進(jìn)水端膜端蓋連接適配器斷裂和膜連接密封圈老化泄漏。已從日常維護(hù)檢查和運(yùn)行操作方面制定相關(guān)預(yù)防措施。

2）反滲透裝置的產(chǎn)水電導(dǎo)率和余氯隨著運(yùn)行時間逐漸升高，至2018年第2季度開始電導(dǎo)率和余氯均超出設(shè)計值且上升趨勢加劇。另外產(chǎn)水電導(dǎo)率和余氯隨季節(jié)變化，第2季度呈上升趨勢，到第3季度達(dá)到高峰值，隨后呈下降趨勢，說明反滲透的性能受水溫度變化影響較大。

3）反滲透裝置的脫鹽率隨著運(yùn)行時間逐漸下降，2018年第1季度開始，下降趨勢加劇，目前1、2、3號反滲透的脫鹽率最低為98.14%、97.47%、98.03%，3套裝置均已低于質(zhì)保期的脫鹽率99.4%，且下降趨勢加劇。另外系統(tǒng)脫鹽率隨季節(jié)變化，第2季度呈上升趨勢，到第3季度達(dá)到高峰值，隨后呈下降趨勢，說明反滲透的性能受海水溫度變化影響較大。

4）通過設(shè)備維護(hù)和運(yùn)行參數(shù)分析比較可以得出：2號一級反滲透裝置比其他兩套裝置的性能相對較差。

5）通過對反滲透裝置的探針試驗等方法，排查了系統(tǒng)設(shè)備缺陷問題，說明裝置出水水質(zhì)超出設(shè)計值主要原因是運(yùn)行時間超出使用壽命保證期后性能逐漸衰減。

6）目前沒有反滲透膜更換（即報廢）相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或依據(jù)，所以無法按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行性能評估，一般與原設(shè)計的產(chǎn)水水質(zhì)、脫鹽率等性能指標(biāo)進(jìn)行對比。

7）反滲透裝置的產(chǎn)水質(zhì)量已超標(biāo)，但目前屬于第3季度末，海水溫度較高，對裝置的性能影響較大，隨后即將轉(zhuǎn)入第4季度，性能可以得到一定的恢復(fù)，故暫時可以保持繼續(xù)使用，不需要緊急更換反滲透膜。但由于其性能進(jìn)入衰減加速階段，需開展計劃更換一級反滲透膜的工作。