海洋工作平臺海水淡化裝置系統(tǒng)設(shè)計(jì)及技術(shù)研究

張榮山，張 千，畢傳健，魏樹輝，張旭峰

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七一一研究所，上海 200090)

0 引 言

隨著世界經(jīng)濟(jì)和工業(yè)的迅猛發(fā)展，有限的陸地資源已日漸枯竭，新的能源開發(fā)和利用逐步轉(zhuǎn)向海洋，海洋工作平臺作為海洋油氣資源勘測和開發(fā)利用的基礎(chǔ)設(shè)施之一，在近年來得到大力的發(fā)展[1]。目前海洋工作平臺已由近海發(fā)展到遠(yuǎn)海，補(bǔ)給物資運(yùn)輸成本越來越高，而且在極端惡劣的海洋天氣情況下，短期內(nèi)補(bǔ)給船或直升機(jī)可能無法到達(dá)平臺。淡水是平臺人員日常生活甚至影響生存的必備物料，這就要求平臺必須具備利用海水就地生產(chǎn)淡水的能力。

海水淡化是指將海水里面的溶解性礦物質(zhì)鹽分、有機(jī)物、細(xì)菌和病毒以及固體分離出來從而獲得淡水的過程。從能量轉(zhuǎn)換角度來講，海水淡化是將其他能源（如熱能、機(jī)械能、電能等）轉(zhuǎn)化為鹽水分離能的過程。水質(zhì)通常用TDS（總?cè)芙夤腆w）來衡量，用于表征水中鹽分和礦物質(zhì)含量，其單位為mg/L（即每升水中鹽分或礦物質(zhì)的毫克量）。根據(jù)GB5749-2006生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)對TDS的指標(biāo)要求，一般將TDS≤1 000 mg/L 的水定義為淡水。

經(jīng)過多年的發(fā)展，全球海水淡化技術(shù)超過20余種，包括反滲透法、低溫多效蒸餾、多級閃蒸、電滲析法、壓汽蒸餾、露點(diǎn)蒸發(fā)法等[2]。在完整的海水淡化處理工藝中，需聯(lián)合微濾、超濾、納濾等多項(xiàng)預(yù)處理和后處理工藝。海水淡化全球主流技術(shù)主要分為熱法和膜法兩大類：熱法是20世紀(jì)30年代開始的，以多級閃蒸和低溫多效蒸餾法為主；膜法是20世紀(jì)50年代開始的，以反滲透為主[3]。

1 海洋工作平臺海水淡化系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1.1 海水淡化方法選取

目前主流的海水淡化方法均已非常成熟，采用何種方式主要取決于外界條件，如有廢熱可用則可以考慮采用多級閃蒸和低溫多效蒸餾法。

在海洋工作平臺上廢熱供應(yīng)相對不穩(wěn)定，而且淡水需求量相對較低，反滲透法幾乎不受外界因素影響，設(shè)備投資低，操作使用簡單，因此采用反滲透法作為海洋工作平臺的淡水供應(yīng)方案。

反滲透是滲透的一種反向遷移運(yùn)動(dòng)，是一種在外界壓力驅(qū)動(dòng)下，借助于半透膜的選擇截留作用將溶液中的溶質(zhì)與溶劑分開的分離方法，它已廣泛應(yīng)用于各種液體的提純與濃縮，其中最普遍的應(yīng)用實(shí)例便是在水處理工藝中獲得高質(zhì)量的淡水[4]。典型的海水反滲透處理工藝流程見圖1。

海水反滲透（SWRO）系統(tǒng)所需的能量決定于進(jìn)水的含鹽量、系統(tǒng)的濃縮倍率、進(jìn)水溫度及產(chǎn)品水的水質(zhì)，其能耗一般為8～10 kW·h/m3，若有能量回收裝置，則所需能耗為 3～4.5 kW·h/m3[5]。

海水反滲透設(shè)備除膜組件、高壓泵及能量回收裝置需要進(jìn)口外，其他設(shè)備和器件均可以在國內(nèi)加工制造，設(shè)備投資以及制水成本相對較低[6]。

1.2 設(shè)計(jì)原則和目標(biāo)

本文以深海鉆井船為應(yīng)用對象，以滿足國標(biāo)《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB5749-2006）為主要設(shè)計(jì)依據(jù)，采用仿真技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)開展能量回收技術(shù)研究，設(shè)計(jì) 1臺產(chǎn)量為 75 t/d、能耗低于 4 kW·h/m3的反滲透海水淡化裝置。

1.3 工藝流程

1.4 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

根據(jù)總體系統(tǒng)設(shè)計(jì)，整個(gè)海水淡化裝置分為進(jìn)水預(yù)處理系統(tǒng)、加壓和能量回收系統(tǒng)、反滲透膜組和產(chǎn)水系統(tǒng)、沖洗和清洗系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)等5個(gè)部分。

1.4.1 進(jìn)水預(yù)處理系統(tǒng)

為確保產(chǎn)水的品質(zhì)并提高反滲透膜組正常的使用壽命，需要對海水進(jìn)行過濾處理，根據(jù)海洋平臺的水質(zhì)，一般采用多介質(zhì)過濾器和保安精濾器，主要作用是：

1）除去懸浮固體，降低濁度；

2）去除各種有機(jī)物；

3）確保反滲透膜和高壓泵的安全使用需求。

1.4.2 加壓和能量回收系統(tǒng)

加壓和能量回收系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，其中加壓設(shè)備選用柱塞式高壓泵，將經(jīng)過輸送泵后的低壓海水根據(jù)產(chǎn)量需求加壓至5～6 MPa，以滿足反滲透膜組的工作需求。

常規(guī)反滲透海水淡化裝置有大約70%的能耗直接通過高壓濃海水排放，為實(shí)現(xiàn)低能耗必須采用能量回收裝置，其原理是利用高壓濃海水和低壓進(jìn)水之間的能量轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)對低壓進(jìn)水的加壓，使原本直接排放的濃海水能量得以回收和有效利用。

1.4.3 膜組和產(chǎn)水系統(tǒng)

反滲透膜組和產(chǎn)水系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)包含以下內(nèi)容：

1）反滲透膜的選型和級聯(lián)

根據(jù)海水的水質(zhì)合理選擇反滲透膜，同時(shí)根據(jù)系統(tǒng)回收率和裝置的外形尺寸要求優(yōu)化配置膜組的數(shù)量和排列方式。

2）反滲透膜組的緊湊型設(shè)計(jì)

由于平臺空間的限制，對整個(gè)反滲透海水淡化裝置的尺寸和重量提出了更高的要求，為此需對膜組的連接方式和空間布置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3）多路閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和切換控制

在裝置的設(shè)計(jì)中，為實(shí)現(xiàn)設(shè)備功能的高度集成化和智能化，因此在裝置內(nèi)部需要配置數(shù)量和種類繁多的連接管路和閥件，為此專門進(jìn)行了四路閥和五路閥的設(shè)計(jì)，同時(shí)也方便實(shí)現(xiàn)造水、清洗、沖洗等功能的自動(dòng)化功能和一鍵操作。

4）沖洗和清洗系統(tǒng)

為提高裝置的可靠性，在運(yùn)行一段時(shí)間后，大量的雜質(zhì)聚集在多介質(zhì)濾器內(nèi)，造成壓差增大，因此需要定期對裝置的濾器進(jìn)行自動(dòng)正反沖洗，將殘留在濾器和管路中的雜質(zhì)排出系統(tǒng)。同時(shí)膜組在長期運(yùn)行時(shí)其表面會發(fā)生污染和結(jié)垢等現(xiàn)象，造成產(chǎn)量下降和電導(dǎo)率升高，此時(shí)需要通過化學(xué)藥劑對膜組進(jìn)行循環(huán)清洗，從而除去無機(jī)物、有機(jī)物以及細(xì)菌微生物等。

5）電氣控制系統(tǒng)

整個(gè)裝置的運(yùn)行和操作需采用全自動(dòng)化操作，主要操作過程如開機(jī)、停機(jī)、清洗、沖洗、加藥等均可實(shí)現(xiàn)一鍵操作或自動(dòng)操作，大大地降低操作人員的勞動(dòng)輕度和技術(shù)熟練程度。此外，控制系統(tǒng)能夠提供完善的安全保護(hù)功能，系統(tǒng)的壓力、溫度、流量、產(chǎn)水水質(zhì)等均可測試并實(shí)現(xiàn)超限報(bào)警停機(jī)。

2 海洋工作平臺海水淡化系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)

海水淡化技術(shù)的應(yīng)用過程中，降低其能耗一直是人們最關(guān)注的。無能量回收裝置的反滲透海水淡化的能量消耗約為8～10 kW·h/m3，采用能量回收裝置能耗可降到3～4.5 kW·h/m3。因此，為降低海水淡化成本，能量回收裝置勢在必行。

2.1 能量回收裝置工作原理

壓力能回收裝置按工作原理可分為離心式和正位移式。離心式利用高壓濃鹽水推動(dòng)水力透平轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)泵旋轉(zhuǎn)對進(jìn)料海水加壓，實(shí)現(xiàn)“壓力能—機(jī)械能—壓力能”的轉(zhuǎn)換；正位移式利用液體不可壓縮性，直接實(shí)現(xiàn)高壓濃鹽水和低壓進(jìn)料海水之間“壓力能—壓力能”的能量傳遞，中間無能量轉(zhuǎn)換損失[7]。而正位移式能量回收裝置又分為轉(zhuǎn)子式壓力能量回收裝置和活塞式閥控壓力能量回收裝置，本設(shè)計(jì)采用的為后者。

活塞式閥控壓力能量回收裝置主要由3部分組成：止回閥組（原海水端）、水壓缸及流體切換器（高壓鹽水端）。止回閥組控制低壓原海水的進(jìn)入以及加壓海水的排出。水壓缸作為1個(gè)壓力交換腔，高壓鹽水將壓力傳遞給預(yù)先充滿腔室的低壓原海水（加壓過程）。同時(shí)，在另1個(gè)水壓缸中，在原海水的推動(dòng)下泄壓鹽水通過流體切換器泄壓孔道排出。流體切換器是能量回收裝置的核心部分，它控制著高壓鹽水的進(jìn)入以及泄壓鹽水的排放。水壓缸中放置活塞，目的是防止海水和鹽水的混合，從而將加壓鹽水鹽度增加控制在一定水平內(nèi)。每支水壓缸兩端均設(shè)置磁感應(yīng)開關(guān)來探測活塞位置，當(dāng)2個(gè)活塞都被相應(yīng)的磁感應(yīng)開關(guān)檢測到時(shí)，切換器自動(dòng)轉(zhuǎn)換工作位，使得能量回收裝置加壓與泄壓過程交替連續(xù)進(jìn)行[8]。

2.2 能量回收裝置設(shè)計(jì)方案

本次設(shè)計(jì)的能量回收裝置，基于國內(nèi)液壓系統(tǒng)工業(yè)成熟的增壓泵技術(shù)，采用特殊設(shè)計(jì)的增壓式液壓驅(qū)動(dòng)往復(fù)式活塞泵作為能量回收裝置，以高壓廢海水作為動(dòng)力源，驅(qū)動(dòng)活塞往復(fù)泵對原海水進(jìn)行加壓，直接達(dá)到海水淡化反滲透膜入口需要的壓力，節(jié)約海水高壓泵的動(dòng)力，回收利用廢海水中的能量。

如圖3所示，輸送泵將海水吸入，泵送到高壓泵和增壓式液壓往復(fù)泵的入口；高壓泵將海水加壓達(dá)到反滲透膜的海水淡化的入口壓力要求，供給海水淡化膜，產(chǎn)生淡水，并同時(shí)產(chǎn)生60%～70%的高壓濃海水。液壓往復(fù)泵無需電機(jī)驅(qū)動(dòng)，直接利用反滲透膜出口的高壓濃海水驅(qū)動(dòng)輸送泵送來的低壓淡海水，產(chǎn)生符合反滲透膜入口壓力要求的高壓淡海水，與高壓泵

泵出的高壓淡海水合流，進(jìn)入反滲透膜，產(chǎn)生淡水，同時(shí)排出完成能量轉(zhuǎn)換的廢棄的濃海水。

較目前廣泛使用的能量回收裝置相比較，存在以下優(yōu)點(diǎn)：

1）設(shè)備簡化。由于采用了增壓式液壓驅(qū)動(dòng)往復(fù)式活塞泵（增壓比定制），淡海水出口壓力直接可達(dá)到反滲透膜的入口壓力要求，不需要使用增壓泵以及驅(qū)動(dòng)電機(jī)，也不需要在系統(tǒng)中設(shè)置濃海水出口背壓閥。

2） 濃海水不會進(jìn)入淡海水中。由于活塞泵的液壓驅(qū)動(dòng)端和工作泵送端是隔離的，之間設(shè)有密封件，所以濃海水和淡海水不會混流，反滲透膜入口處海水相對原裝置含鹽量低，節(jié)約了海水高壓泵的驅(qū)動(dòng)力。

3）能量回收徹底，利用率高。液壓往復(fù)泵的液壓驅(qū)動(dòng)力，取決于驅(qū)動(dòng)端入口和出口之間的壓力差，所以濃海水出口處不僅不需要設(shè)置背壓閥，而且出口處最好直接排空，壓力趨近于0，理論上可以達(dá)到100%的能量回收（當(dāng)然要扣除少量機(jī)械、摩擦損失，這在原系統(tǒng)中也存在相應(yīng)損失）。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

對本設(shè)計(jì)制造的海洋工作平臺海水淡化裝置進(jìn)行了產(chǎn)水性能試驗(yàn)。用人工配制鹽水代替海水，主要研究在進(jìn)水流量恒定（137 L/min）的條件下，海水溫度及膜組工作壓力對裝置穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)性能的影響。與此同時(shí)，在相同海水溫度、相同膜組工作壓力下，通過有無能量回收裝置的前后能耗對比評估能量回收裝置性能。

在穩(wěn)態(tài)產(chǎn)水試驗(yàn)階段，試驗(yàn)時(shí)長為4 h。

3.1 產(chǎn)水性能試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1.1 海水溫度對產(chǎn)水量的影響

在相同的膜組工作壓力下，海水溫度越高淡水產(chǎn)量越大，海水溫度每降低1 ℃，淡水產(chǎn)量降低約3%[9]。淡水額定產(chǎn)量是指海水含鹽量為36 000 mg/L、海水溫度為25 ℃時(shí)的產(chǎn)量。在不同的季節(jié)或海域，海水溫度變化較大，淡水產(chǎn)量可能大于或小于額定產(chǎn)量完全正常。本套裝置淡水產(chǎn)量隨海水溫度變化的關(guān)系如圖4所示。隨著海水溫度的上升，淡水產(chǎn)量不斷提高，在25 ℃時(shí)的淡水產(chǎn)量為76.1 t/d，達(dá)到了產(chǎn)水量要求。

3.1.2 膜組工作壓力對產(chǎn)水量的影響

反滲透利用壓差為動(dòng)力，淡水產(chǎn)量隨反滲透膜組工作壓力的增加而增高。本套設(shè)備淡水產(chǎn)量與膜組工作壓力變化的關(guān)系如圖5所示。膜組工作壓力一般≤6.5 MPa，在試驗(yàn)測試范圍內(nèi)，當(dāng)工作壓力為5.1 MPa時(shí)，淡水產(chǎn)量為68.5 t/d，；當(dāng)工作壓力為6.0 MPa時(shí)，淡水產(chǎn)量為 78.4 t/d。

3.2 產(chǎn)水能耗試驗(yàn)結(jié)果與分析

傳統(tǒng)海水淡化是高能耗產(chǎn)業(yè)，每淡化1萬噸海水需耗電4.66千瓦·時(shí)，折合標(biāo)煤18.8 t，排放大量二氧化碳。為節(jié)約海水淡化成本，本套設(shè)備增加了能量回收裝置，并通過對比評估其性能，結(jié)果如圖6所示。采用特殊設(shè)計(jì)的增壓式液壓驅(qū)動(dòng)往復(fù)式活塞泵作為能量回收裝置，大大降低了產(chǎn)水能耗，每生產(chǎn)1 t淡水節(jié)能約54.4%。在海水溫度為25 ℃，產(chǎn)水能耗為3.95 kW·h/m3，達(dá)到了能量回收裝置的性能要求。

4 結(jié) 語

對本文設(shè)計(jì)的帶有能量回收系統(tǒng)的船用海水淡化裝置進(jìn)行了產(chǎn)水性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：利用高壓廢海水作為動(dòng)力源，驅(qū)動(dòng)活塞往復(fù)泵對原海水進(jìn)行加壓，可大大降低海水淡化裝置能耗。在正常工作范圍內(nèi)，能耗節(jié)約達(dá)50%以上，產(chǎn)水能耗為4 kW·h/m3左右。同時(shí)，該套裝置的電控系統(tǒng)充分發(fā)揮出淡水水質(zhì)保護(hù)、淡水產(chǎn)量自動(dòng)調(diào)節(jié)等作用，保證了產(chǎn)出淡水的水質(zhì)和水量達(dá)標(biāo)。

本文提出的反滲透海水淡化裝置具有能耗低、結(jié)構(gòu)緊湊、自動(dòng)化程度高的特點(diǎn)，適用于深海鉆井船等空間有限、資源有限的場所，可為海上工作人員提供足量的淡水，保證海上生產(chǎn)及生活用水。本海水淡化裝置的研制將打破國外技術(shù)壟斷，接近或已達(dá)到國際先進(jìn)水平。