反渗透海水淡化系统高压泵的应用

摘要：目前，反渗透海水淡化技术因低投资费、低能耗、低产水价而占市场份额较大。高压泵提供了在膜法海水淡化中克服渗透压的能量，是系统的心脏。高压泵主要分为离心泵和柱塞泵。一般情况下，多级离心泵主要适用于大中型海水淡化装置，柱塞泵主要适用于中小型海水淡化装置，需根据水量、水泵压力范围、水泵性能曲线等基础资料，选择合适的水泵形式。国内已建工程的海水淡化高压泵，主要采用国外进口。2010年，我国自主研发的大流量海水淡化高压泵已通过验收，并在六横海水淡化厂试验运行良好。国产海水淡化高压泵能大大节省工程成本，预期将会在未来的海水淡化工程中广泛应用。

主题词：海水淡化；反渗透；高压泵；国产

Abstract: Reverse osmosis technology for the seawater desalination occupies a large market as the good features like low-cost, low energy consumption and high water productivity. High-pressure pump (centrifugal pump and piston pump) plays a key role of the whole system as it provides the energy to overcome the osmotic pressure. Normally, centrifugal multi stage pumps are utilized for the medium and large-sized treatment facilities, and piston pumps are usually used for the small and medium-sized ones. The selection of different pumps should depend on the given features by the pump manufactures, like water requirements, range of pump pressure and performance curves. Currently, most pumps utilized for the seawater desalination are imported. In 2010, China’s homegrown high-flow seawater desalination pumps has been utilized in Liu Heng plant. With the utilization of homegrown pumps, the costs for the system will be reduced dramatically, and expected to be used wildly in the future.

Key words: seawater desalination; reverse osmosis; high pressure pumps; homegrown

中图分类号：P747 文献标识码：A 文章编号：

1.前言

海水淡化，又称“海水脱盐”，是通过物理、化学或物理化学方法从海水中获取淡水的技术和过程。目前实际应用的海水淡化技术方法主要分为蒸馏法和膜法两大类，其中蒸馏法又称热法。膜法主要包括：反渗透法(SWRO)、电渗析法(ED)。

随着反渗透海水淡化的技术进步，近年大型海水淡化厂的国际招标中，SWRO以低投资费、低能耗、低产水价而占上风。

下图为国内已建海水淡化厂的装置按照不同工艺的份额图：

图2国内各种淡化方法装置数

反渗透法海水淡化技术(SWRO)就是利用半透膜的透水特性，对海水加压，使水分子克服阻力而透过半透膜，从而达到淡水从海水中分离出来的目的。下图为典型反渗透海水淡化工艺流程。

图3典型反渗透海水淡化工艺流程图

2.高压泵选型及需注意的问题

高压泵提供了在膜法海水淡化中克服渗透压的能量，是系统的心脏。反渗透海水淡化系统中，每吨淡化水费用中，投资成本占25%左右，电费成本占52%以上，两项合计占造水费用的77%以上。而电费成本中，又以高压泵的能耗为主，因此，高压泵的能耗是影响产品水成本的主要因素，根据不同的淡化规模选择高效率、合适的高压泵是目前反渗透海水淡化产业急需要解决的问题。

2.1 标准海水的渗透压

经过目前对海洋的研究发现，虽然不同的位置海水的含盐量有所差异，但是海水成分的构成基本相同。以目前的分析技术，海水中能够测定的元素有80多种。含量超过1mg/kg的元素就有12种，分别为Cl、Na、Mg、S、Ca、K、Br、C、Si、B、Sr、F。加上H、O，占海水全部元素99.9％。共组成11种主要的离子成分，并且各种离子成分浓度间比值近似恒定，为了进一步方便研究，提出了标准海水的概念，标准海水的构成如下表。

表1标准海水(S=35)的成分(g/kg)

对于标准海水，海水渗透压的估算经验公式如下：

Π＝1.18×(T+273)×∑Mi（psi）

Mi：离子的摩尔浓度；T：给水温度

Π＝(0.714~0.9)×10-5×C（MPa）简化

C：海水的TDS（mg/l）

经过计算，25℃下，35％的标准海水，渗透压约25.9bar，这个概念是描述标准海水中淡水能够通过反渗透膜的理论压力。基于膜法海水淡化不同的回收率下，海水被同时浓缩，渗透压持续升高，因此实际应用的膜法海水淡化的工作压力一般在40-60bar左右。

2.2依据官方设计软件选择合适压力范围的水泵

确定高压泵是一个系统的过程，影响高压泵参数的因素特别多。这些因素有一些是经验值、规定值，和反渗透膜的参数关系较大。因此几个海水淡化反渗透膜的供应商都提供了相应的官方设计软件。对于一个具体的项目，软件的计算结果给出高压泵的工作压力。

经调研，现在的中国大陆的项目设计中，普遍存在设计资料不足的情况，从而影响了高压泵的设置、选型，以至于影响了系统运行的经济型，提升了吨水成本。因此积累足够多的基础数据是必须的。

以下为一使用某膜公司的设计软件对具体案例的计算数据（水温均设为25℃）：

运行三年后预测数据：

从中可以明确的看出每根压力容器中7只膜的工作情况，包括需要的进水压力、流量及浓水渗透压压力。可见在3年中所需进水压力增加了4.3bar（水温相同情况下）。

同时由于温度会影响原水的黏度等指标，也会直接影响系统要求的压力。对于以上项目，同等条件下，水温12℃比25℃所需要的进水压力高约4.4bar。

因此，进一步考虑水温的不同对所需的进水压力的影响，在12－25℃范围中，近三年压力差峰值近9bar。对于一台工作压力在50bar左右的水泵来说，扬程变化近20%。这对需要水泵高效率、低能耗的海水淡化工程来说，设计时应充分考虑。

2.3常见高压泵的形式及适用范围

通常用于膜法海水淡化系统的高压泵主要有两类：动力式泵中的多级离心泵和容积式泵中的柱塞泵。一般情况下，多级离心泵主要适用于大中型海水淡化装置，柱塞泵主要适用于中小型海水淡化装置。大中小型海水淡化的产能分界是没有具体数据的，这是由于柱塞泵的高效率及某些柱塞泵并联运行带来投资趋向的变化，特别是BOO或BOT项目，全寿命周期运行能耗是第一位的。

常用的多级离心泵从结构形式分有水平中开式和多级串联式。

水平中开式高压泵 多级串联式高压泵

图4常用的多级离心泵

水平中开式的结构特点是：上下两个泵壳体对接，进出口管、部分蜗壳及流道铸造在下部泵壳体上；叶轮热装轴上，对称布置，最大程度减少了轴向推力，止推轴承承受的轴向推力较小，振动较低；检修维护比较方便，维修时不需拆卸泵的管线，可直接取下泵上壳。

多级串联泵结构特点是：每一级由一个位于扩散器壳体内的叶轮组成，扩散器用螺拴和连杆连在一起，所有各级以串联方式由固定杆固定在一起；叶轮按一个方向组装，用键固定在泵轴上，类似于串糖葫芦；在最佳效率点有较高的效率，但偏离时效率较低，振动增加；拆装难度较大。

两者相比在结构上应是水平中开式占较大的优势，但是因为水平中开式设备价格昂贵，所以两者都有广泛的应用。

柱塞泵属于容积泵的一种，在需要高扬程的、小流量的场合有广泛的应用。如清洗行业、石油行业等，下图是常见的两种柱塞泵的形式。

图5常用的两种柱塞泵

多级离心泵和柱塞泵相比，由于工作原理的不同，在实际应用中，也有较大的区别，下表为离心泵和柱塞泵简单对比。

表2离心泵和柱塞泵的对比

2.4选择高压泵需要注意的问题

正确选择高压泵是系统安全、经济运行的关键。对于一座膜法海水淡化系统的高压泵，无论是柱塞泵还是离心泵，首先要确定的是过流部分的材质，也就是解决水泵在海水中的腐蚀问题。目前可选的材料较多，基于经济型考虑，一般选用2507（UNS：S32750）双相不锈钢，主要额定化学成分如下表。

表3双相不锈钢额定化学成分

可以看出，2507中加入了N以确保双相（奥氏体－铁素体）的形成，推荐使用2507的主要原因是避免应力下的氯离子腐蚀。

由于大型的海水淡化装置只能采用多级离心泵。对于多级离心泵，一般要着重考虑以下问题：选择效率高的水泵，因为效率高低直接影响系统的经济性；水泵高效率覆盖的范围来说，选择范围广的，因为SWRO的通量会衰减，水泵的工作点会漂移；选择扬程变化时流量变化较小的，因为影响SWRO渗透压的因素较多，水泵要在不同的工作点工作，但是SWRO产能及回收率变化不大；检修维护容易的。下图为一水泵常见的性能描述曲线：

图6水泵常见的性能描述曲线

基本上涵盖了扬程、流量、效率、轴功率及气蚀余量等水泵的全部参数，从上图可以看出水泵工作点的选择及其对工作点漂移的容忍度，在工程设计时性能曲线应作为重要的参考依据。

3.高压泵在六横海水淡化工程的应用

六横岛位于长江口南端，舟山群岛南部海域，隶属舟山市普陀区。六横岛区域由六横岛、佛渡岛、悬山岛、砚瓦岛等105个岛屿组成，其中六横岛是六横镇镇政府所在地。全岛陆地面积121km2，常住人口愈10万人，为舟山群岛中的第三大岛。六横岛10万吨级海水淡化工程为浙江省重点工程项目，为国家“十一五”科技支撑计划“日产10万吨级反渗透膜法海水淡化国产化关键技术开发与示范项目”平台工程。项目位于舟山市普陀区六横镇台门大葛藤山脚下。

在2010年初，海水淡化厂第一期（产水规模2万m3/d）工程已建成，二期日产3万吨，三期日产3万吨，四期日产2万吨，全部建成后将成为全国最大的海水淡化工程项目。目前，一期工程运行良好，并正在进行二期工程的土建施工。

高压泵为反渗透海水淡化膜组提供足够进水压力，同时结合能量回收为反渗透膜组提供正常运行所需的压力和流量。

由于水温对反渗透膜通量的影响较大，为了节约能源，降低运行成本，高压泵可采用液体力耦合或变频方式调节负荷控制。在比较了液体力耦合或变频控制两种调速方案后，采用变频控制方案来调速。反渗透高压泵、管道及附件的材料均考虑耐腐蚀。密封方式考虑耐腐蚀机械密封。反渗透高压泵进口、出口设压力开关，进口压力低时报警及停泵，出口压力高时报警及停泵。本工程高压泵采用德国KSB多级离心泵（2205SS双相不锈钢材质）。单泵流量达1万吨/日，扬程600m，电机功率1040kW，采用690kV电压。

4.国内海水淡化高压泵产业的发展形势

尽管国内的往复式柱塞泵和多级高压离心泵制造技术已经比较成熟，并被成功地用于油田注水、高压锅炉给水等用途，但这些产品长期以来无法直接应用于反渗透海水淡化工程，主要制约的原因是效率、可靠性、耐海水腐蚀性等无法满足SWRO系统的需要。

目前高压离心泵国内生产厂家较少，而能应用于SWRO系统的就更少。所以我国目前已建成的反渗透海水淡化装置采用的高速高压泵均为进口产品。不过，近年来，国内已经有企业开始研究和开发适用于SWRO系统的高速高压泵产品。

2008年，浙江大学和浙江科尔泵业股份有限公司的科研人员共同启动了“大流量海水淡化高压泵研发与应用示范”的研究，该项目被列为浙江省科技计划重大项目。在2010年12月，由浙江大学化工机械研究所承担，浙江科尔泵业股份有限公司合作，历时两年完成的该项目通过验收，这也标志着国内自主研发并投入生产的第一台海水淡化泵正式通过验收，其最大日处理能力已达到5000吨。

据了解，该项目采用水轴承与滚动轴承的组合结构设计来代替传统多级泵双滚动轴承的结构，还针对双相不锈钢材料开发了新的海水淡化泵工艺和技术，使高压泵从材料到技术全面实现了国产化。

项目研发的大流量海水淡化高压泵以节段式多级离心泵结构为基础，在国内率先提出以首级叶轮前密封环兼做滑动轴承的创新支撑结构，并优化了过流部件，单机满足5000t／d反渗透法海水淡化要求，效率高达80％以上，明显高于国内外同类产品；建立了海水淡化高压泵湿转子动特性分析与优化方法，以及湿转子试验验证平台；研究并掌握了双相不锈钢过流部件的制造工艺。该海水淡化泵是国内自主研发并最早用于反渗透海水淡化工程的高压离心泵，目前已申请发明专利5项，发表科研论文6篇。国内研制的样机在六横海水淡化厂连续平稳运行了9个月，运行良好。

海水淡化高压泵的“国产化”大大降低了材料成本和经营成本，使得生产的高压泵从原先的进口约300万人民币一台，降到了不到100万人民币一台，大大降低了工程的成本。

随着国内海水淡化高压泵技术的发展，国内将有更多的生产厂家投入海水淡化高压泵的研发和生产，今后，国内生产的高压泵将会广泛的应用于海水淡化工程。

5.结语

目前，反渗透海水淡化技术因低投资费、低能耗、低产水价而占市场份额较大。高压泵提供了在膜法海水淡化中克服渗透压的能量，是系统的心脏。高压泵主要分为离心泵和柱塞泵。一般情况下，多级离心泵主要适用于大中型海水淡化装置，柱塞泵主要适用于中小型海水淡化装置，需根据水量、水泵压力范围、水泵性能曲线等基础资料，选择合适的水泵形式。

国内已建工程的海水淡化高压泵，主要采用国外进口。2010年，我国自主研发的大流量海水淡化高压泵已通过验收，并在六横海水淡化厂试验运行良好。国产海水淡化高压泵能大大节省工程成本，预期将会在未来的海水淡化工程中广泛应用。

参考文献：

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【2】 张希建. 反渗透海水淡化技术 [ ]. 杭州：中国海水淡化与水再利用学会，2011.

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【4】 赵才甫. 膜法海水淡化系统中的高压泵应用分析 [J]. 水泵技术， 2010.(1):44-47.

【5】 胡敬宁，肖霞平，周生贵，等. 万吨级反渗透海水淡化高压泵的优化设计 [J]. 排灌机械. 2009，（1）：25-29.