海水反滲透淡化系統(tǒng)中的能量回收裝置

楊若雪

（湖北省電力勘測設(shè)計(jì)院，湖北 武漢 430040）

1 海水反滲透淡化（SWRO）的成本與能耗

在海水淡化技術(shù)發(fā)展中，降低成本一直是需要考慮的一個(gè)重要因素，在當(dāng)下，海水反滲透淡化（SWRO）是將海水進(jìn)行淡化的最主要的技術(shù)，自從將該技術(shù)投入運(yùn)用以來，就一直在尋找如何將成本進(jìn)行降低的方法。

海水反滲透淡化（SWRO）的成本，主要取決于投資費(fèi)用和能耗兩個(gè)方面。投資費(fèi)用方面，近年來RO膜組件價(jià)格明顯降低，據(jù)報(bào)道，1993到1995年膜降價(jià)20%。然而，僅依靠膜技術(shù)的發(fā)展降低成本還不夠，運(yùn)行成本的組成中能量消耗情況最為嚴(yán)重，所以將能量消耗進(jìn)行降低是當(dāng)前將海水淡化成本進(jìn)行降低的主要手段。

2 兩種主要的能量回收技術(shù)

目前，國際上被實(shí)際應(yīng)用的能量回收裝置主要有兩種技術(shù)：一種是渦輪增壓式（Turbo-Booster），另一種是壓力交換式（Pressure Exchange）。

2.1 渦輪增壓式

渦輪增壓技術(shù)中，高低壓流體需要以葉輪和軸為載體，才能將能量進(jìn)行傳遞，即通過機(jī)械能作為流體能量傳遞過程中的載體能量，其原理是利用高壓濃海水驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，渦輪機(jī)與高壓給水泵電機(jī)同軸連接，將能量輸送至進(jìn)料原海水，能量的轉(zhuǎn)換過程為壓力能先轉(zhuǎn)換為機(jī)械能再轉(zhuǎn)換回壓力能。這種技術(shù)的節(jié)能機(jī)理是根據(jù)在將高壓流體的壓力能進(jìn)行回收過程中，還可以將高壓泵的提升壓力差進(jìn)行減少，從而達(dá)到將系統(tǒng)的能耗進(jìn)行降低的目的。目前投入應(yīng)用的能量轉(zhuǎn)化裝置中采用渦輪增壓技術(shù)的典型有逆轉(zhuǎn)泵型（Francis Pump）、佩爾頓型葉輪型（Pelton Wheel）和水力透平型（Turbo Charger）等。

2.2 壓力交換式

由于渦輪增壓技術(shù)是將壓力能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能再轉(zhuǎn)化回壓力能，裝置回收效率受到能量多次轉(zhuǎn)換的影響，人們開始研制不用將機(jī)械能當(dāng)成能量轉(zhuǎn)換過程中的載體的能量回收裝置。在20世紀(jì)80年代時(shí)，出現(xiàn)了一種新型的壓力交換能量回收技術(shù)，將不需要機(jī)械能轉(zhuǎn)換就能夠?qū)夂Ｋ畨毫δ苤苯觽鬟f到進(jìn)料海水的想法進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。所以，該技術(shù)得到了支持，并且也應(yīng)用在了有關(guān)的工業(yè)領(lǐng)域。該技術(shù)的原理，是通過界面或者是隔離物，直接將高壓濃鹽水的壓力向低壓進(jìn)料海水進(jìn)行傳遞，傳遞過程不需要用到機(jī)械輔助裝置。能量的轉(zhuǎn)換過程是壓力能之間的轉(zhuǎn)換過程，該過程得到最大程度的簡化，使能量回收效率得以提升。這種技術(shù)的節(jié)能機(jī)理，需要的前提就是產(chǎn)量不變，然后在此情況下，將通過高壓泵的流量進(jìn)行降低的方式，將系統(tǒng)的能耗進(jìn)行減少。經(jīng)過多年的研究以及技術(shù)的挖掘，現(xiàn)如今，已經(jīng)存在兩種基本的壓力交換器，并將其投入市場進(jìn)行應(yīng)用：一種是利用閥和活塞實(shí)現(xiàn)能量交換的活塞式壓力交換器，另一種是僅用轉(zhuǎn)子實(shí)現(xiàn)能量交換的轉(zhuǎn)子式壓力交換器。

轉(zhuǎn)子式壓力交換器：轉(zhuǎn)子式壓力交換器中，美國ERI公司的Pressure Exchange-PX轉(zhuǎn)子式壓力交換器主要是由一個(gè)無軸陶瓷轉(zhuǎn)子所著稱，沿轉(zhuǎn)子軸向開有數(shù)個(gè)溝槽(類似于多個(gè)微型液缸)，原理是高壓濃鹽水推動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，使多個(gè)微型溝槽能夠在兩邊靜止的配流盤高壓區(qū)以及低壓區(qū)中相互交替轉(zhuǎn)換從而切入，進(jìn)入到高壓區(qū)的微型液缸中，從而達(dá)到能量回收傳遞的目的，然后向外排液，進(jìn)入低壓區(qū)的微型液缸中，將原海水進(jìn)行補(bǔ)液，利用PX的系統(tǒng)需要與增壓泵相互配合，被加壓后的海水通過增壓泵進(jìn)一步升壓以匹配主海水泵的出口壓力進(jìn)入RO系統(tǒng)。在轉(zhuǎn)子式壓力交換器中，高壓濃鹽水與低壓原海水之間能夠?qū)毫M(jìn)行直接傳遞，水在多個(gè)微型液缸中能夠停留的時(shí)間不是很長，兩種液體通過一段封閉的“液體活塞”將其進(jìn)行分開。

表1 AT-1800與PX-220分別應(yīng)用于海水淡化廠近似產(chǎn)水量下能耗對比

3 兩種能量回收裝置應(yīng)用于海水反滲透系統(tǒng)的整體能耗及成本比較

在能量回收裝置的應(yīng)用上，人們普遍認(rèn)為PX轉(zhuǎn)子式壓力交換能量回收裝置的回收效率最高，應(yīng)用到海水反滲透系統(tǒng)中能最大程度地降低能耗，成本最低。然而回收效率并非一個(gè)準(zhǔn)確反映真實(shí)能耗的指標(biāo)。PX能量回收裝置僅考慮裝置本身的回收效率高于渦輪增壓（Turbo-Booster）能量回收裝置，沒有整體考量額外增設(shè)增壓泵、濃水與進(jìn)水的竄水導(dǎo)致進(jìn)水高壓泵壓力升高，以及反滲透膜運(yùn)行壽命降低等種種問題造成的能耗和成本。這種回收效率的比較對于實(shí)際工程中能量回收裝置的應(yīng)用和選擇沒有太大意義。在實(shí)際工程的應(yīng)用中，選用哪種能量回收裝置可以最大程度地降低整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的能耗和成本才是真正應(yīng)該著眼的關(guān)鍵。我們以每立方米產(chǎn)水需要消耗多少能源，即額定能源消耗度數(shù)（kWh/m3），作為比較不同能量回收裝置能耗的參數(shù)，可以清楚地得出哪種能量回收裝置能耗降低程度大，成本低。

表1比較了PEI公司的AT渦輪增壓能量回收裝置應(yīng)用于位于埃及Sharm El Sheik的海水淡化廠，和ERI公司的PX壓力交換能量回收裝置應(yīng)用于位于阿拉伯聯(lián)合酋長國Ghaliah的海水淡化廠，這兩個(gè)案例在近似產(chǎn)水量下的額定能源消耗度數(shù)。

由表1可知，在近似產(chǎn)水量的條件下，渦輪增壓（Turbo-Booster）能量回收裝置的額定能源消耗度數(shù)要低于PX能量回收裝置。海水反滲透淡化系統(tǒng)中能量回收裝置的選擇，除了主要考慮能耗成本，還需考慮產(chǎn)品的安裝、操作維修、占地空間等方面的成本。表2列出了渦輪增壓（Turbo-Booster）能量回收裝置和PX能量回收裝置在這幾個(gè)方面成本的比較。

表2 Turbo-Booster與PX在安裝、操作維修、占地空間方面對比

由表1、表2我們可以得出，渦輪增壓（Turbo-Booster）能量回收裝置不論在能耗方面還是在安裝、運(yùn)行、占地等方面的成本都低于PX能量回收裝置。這對于實(shí)際海水反滲透淡化工程中能量回收裝置的應(yīng)用選擇具有重要的參考意義。目前業(yè)內(nèi)能量回收廠商發(fā)布的全世界的能量回收裝置使用量和產(chǎn)水量的信息見表3。

表3 目前兩種能量回收裝置在世界范圍內(nèi)應(yīng)用情況

由表3我們可以得出，無論從安裝數(shù)量還是從運(yùn)行產(chǎn)水量來看，渦輪增壓（Turbo-Booster）能量回收裝置都明顯占主導(dǎo)地位。

4 結(jié)語

海水反滲透淡化系統(tǒng)中能量回收裝置的應(yīng)用能夠?qū)⒑Ｋ礉B透淡化的生產(chǎn)成本進(jìn)行大量降低，使反滲透淡化技術(shù)得到升華，使其成為競爭力極強(qiáng)和發(fā)展速度極快的一種海水淡化技術(shù)，前景廣闊。渦輪增壓式能量回收裝置采用機(jī)械能作為壓力傳遞媒介，壓力交換式能量回收裝置利用流體壓力直接交換原理，兩種能量回收裝置都有各自的優(yōu)勢和弊端。通過綜合比較兩種能量回收裝置應(yīng)用于海水反滲透系統(tǒng)的整體能耗及安裝、運(yùn)行等其他方面的成本，我們可以得出結(jié)論，渦輪增壓式能量回收技術(shù)應(yīng)用到海水反滲透系統(tǒng)中能較大程度地降低整體的能耗及成本。從目前兩種能量回收裝置以世界的應(yīng)用角度來看，渦輪增壓式能量回收裝置仍占據(jù)主導(dǎo)地位。