反渗透海水淡化的能量回收装置

摘要:反渗透海水淡化在能耗方面占有很大的优势，能量回收是降低海水淡化成本的重要措施。本文简要介绍了目前几种常用的能量回收方式，对其进行比较，并说明采用能量回收的重要性。

关键词：反渗透海水淡化能量回收

中图分类号： P747 文献标识码： A 文章编号：

1概述

当今社会，能源需求和环境压力的急剧上升决定了发展核电等清洁能源成为必然选择。按照既定规划，“十二五”期间，我国将迎来新一轮核电站建设高峰期。日本福岛核事故后，我国暂停审批核电项目，但我国能源消耗的增长较快，发展非化石能源是大势所趋，随着核电技术水平的不断提高以及核安全保证能力的提升，以及适宜大规模建设发电等特点，核电依然是清洁能源的重要选择。我国大部分核电站建在沿海，沿海地区可利用的淡水资源非常紧张，海水淡化技术的采用在很大程度上缓解了淡水需求。

在海水淡化技术的应用过程中，降低能耗、节省能源、减少制水成本的处理方式是最为人们所关注的。反渗透海水淡化（SWRO）具有设备投资省、能耗低、建设期短、占地面积少、对设备材质要求低等特点。其在能耗方面占有很大的优势，无能量回收装置的反渗透海水淡化的能量消耗约为8~10 kW・h/ m3，采用能量回收装置能耗可降到3~4.5kW・h/ m3。

图1-1为反渗透海水淡化的操作成本分项，图1-2为电力消耗成本分项。

由此可见，能耗在运行成本中占有很重要的份额，大约占制水总成本的30%左右。

2能量回收方式

由于海水的含盐量高，渗透压大，反渗透淡化海水需要提供较高的工作压力（约5.8~8.0MPa）。如标准海水的含盐量约为35000mg/L，反渗透装置的给水压力约需要6.0 MPa。反渗透淡化海水时，一级反渗透装置水的回收率一般为35~55%，即高压浓盐水的排放量可占进水流量的45~65%，这部分浓盐水排出反渗透装置时尚有约5.6~5.8 MPa的压力。如果直接排放，一方面比较浪费，另一方面也较危险。在浓盐水的排放管线上安装能量回收装置，把占55%左右的高压浓水的能量加以回收，大大降低了能源的浪费，同时降压后的浓盐水排放更安全。

能量回收装置有不同的应用方式：

回收的能量可直接用于提高海水给水的压力；

可用于提高第二段给水的升压，以提高或均衡第二段膜组件的产水量；

制备含盐量更低的淡水，用于第二级反渗透的给水升压。

不同的能量回收装置回收效率不同，回收效率低的约为35%~70%，回收效率高的可达90%~95%。

纵观海水淡化能量回收装置技术的发展，由最初的反转透平（reverse running turbines）和皮尔顿装置（Pelton wheel devices），到20世纪80年代末期的水力透平式能量回收装置（hydraulic turbo charger），1997年美国能量回收公司（ERI）推出采用正位移原理转换能量的压力交换式能量回收装置（Pressure Exchanger）。能量回收装置主要采用透平式原理和正位移原理来回收能量。

2.1 能量回收的原理

能量回收装置按照工作原理主要可分为透平式和正位移式两种类型。透平式能量回收装置主要有水力透平式，通常需要经过“压能-机械能-压能”两步转换过程，能量回收效率一般在50~70%之间。正位移式能量回收装置利用反渗透系统排出的高压浓水直接增压进料海水的方式来回收能量，能量回收效率一般都在92~95%之间。

目前，国际常用的透平式能量回收装置主要代表为美国Pump Engineering（PEI）公司和Fluid Equipment Development Company（FEDCO）的水力透平（TurboCharger）；正位移式能量回收装置主要代表为美国ERI公司的PX。

2.1. 1 水力透平式能量回收装置

水力（涡轮）透平式能量回收装置采用离心式原理，由安装叶轮的水泵侧和安装透平转子的透平侧组成，叶轮和透平转子间通过一根中心轴相连接。反渗透装置排出的高压浓水直接冲击涡轮驱动透平转子把压力能转换为机械能（轴功），通过中心轴把机械能传递水泵侧的叶轮，叶轮再把机械能转换为压力能，对进入反渗透系统的海水实施增压。因此，水力透平式能量回收装置完全由浓水提供能量，不需要外加电能。

水力透平式出现最早，技术成熟，流程简易，组装方便，产品已形成系列化，但由于其在能量回收过程中存在2次能量转换，在转化过程中存在能量损失，所以能量回收效率较低。其能量回收效率曲线和离心水泵的效率曲线相似，随着进水流量的增加而提高，因此，适宜在大容量海水淡化系统中应用。

1999年4月我国大连长海县建成的1000 m3/d SWRO系统采用了具有水力透平结构的能量回收装置，可回收RO浓水能量的32%。2005年大唐王滩发电厂的10000 m3/d SWRO系统采用了PEI公司的HTC，能量回收装置效率为70% 。

2.1.2 压力交换式能量回收装置

压力交换式能量回收装置采用正位移原理，低压海水从一端进入PX设备，来自反渗透膜的高压浓盐水从另一端进入PX设备。压力能量在设备内进行交换后，低压海水转变成高压海水流出，而高压浓盐水转变成低压浓盐水流出。这种能量转换效率非常高可达95%以上，比涡轮机的转换效率高1/3。经PX加压后的高压海水使进入反渗透装置的海水得到分流，通过高压泵的海水流量大幅度降低，从而降低了对高压水泵的能耗要求，因此安装此装置后可使海水淡化的运行费用大为降低。由于PX的使用，反渗透装置的比能耗最低可以小于2.0 kW・h/ m3。

福建宁德核电厂的10872 m3/d SWRO系统和辽宁红沿河核电厂的15000 m3/d SWRO中均采用了美国ERI公司的PX压力交换式能量回收装置，可回收浓水中近95%的能量，系统能耗低于2.5 kW・h/ m3。

2.2 能量回收装置的比较

上述两种能量回收装置的技术经济比较见表2-1：

3能量回收应用

以某核电厂海水淡化工程为例，假设需设置n套海水膜反渗透装置，每套装置的产水量按150m3/h，反渗透回收率为45%，则能量回收装置分别按PX和Turbo两种方式设计的反渗透海水淡化系统水量平衡图如下：

上述两套系统的计算数据如下：

PX的回收效率为96.7%，Turbo的回收效率为68.4%左右。

系统配置：

采用PX能量回收装置的系统，需要配置二台泵，一台高压泵，一台增压泵；

采用Turbo能量回收装置的系统，需要配置一台高压泵。

3.3水泵参数：PX：高压泵流量152m3/h，扬程710m，

增压泵流量181m3/h，扬程30m；

Turbo：高压泵流量333m3/h，扬程450m。

单吨水的电耗：

经计算，PX系统的单吨水的电耗是2.666 kWhr/m3，Turbo系统的单吨水的电耗是3.367 kWhr/m3。

PX系统会比Turbo系统在单吨水的能耗少0.701kWhr/m3。

初期投资：

PX系统投资较高，Turbo系统投资较低。本项目Turbo系统比PX系统在投资成本上预计节约人民币2925000元（含高压泵及电机、变频器、能量回收装置、增压泵和辅助系统）。

运行成本

PX系统的运行成本会很低，根据本项目的电费0.49元/度电，由于PX系统运行成本的低廉，在1年多的时间内就能收回这部分的初期投资成本。长期运行可以节约大量的运行费用。初步估算，20年以后PX系统能为该核电厂节约人民币64519790元。

3.7国内业绩：PX系统在国内使用40余家，市场占有率为90%以上，包括辽宁红沿河核电厂、福建宁德核电厂、天津大港海水淡化厂等；Turbo系统用户较少，有大唐王滩电厂、平海电厂。

综合考虑海水淡化能量回收装置在我国海水淡化工程的应用，同时吸取各方面的经验，某核电厂海水淡化拟采用PX压力交换式能量回收装置。

4结论

随着反渗透海水淡化技术的发展，对能量回收技术和装置的研究与开发也引起高度关注和重视。透平式能量回收装置在设计、维护、运行等各方面都比正位移式能量回收装置简单，不需要增压泵和自动阀门，但其能量回收效率较低。PX压力交换式能量回收装置需要控制系统，运行较复杂，但能耗低，投资回报率高。对于不同的海水淡化工程，我们要根据项目本身的特点合理选择合适的能量回收装置。对于透平式能量回收装置适合于大的系统设计采用，回收效率明显、经济效益良好、淡化成本显著降低。对于PX压力交换式能量回收装置大、小系统都适用，但大的系统需并联的PX较多，接口较多，占地较大。小系统在短期内就可收回投资成本，从节能的角度出发，采用PX压力交换式能量回收装置更好。

目前国内反渗透海水淡化采用的能量回收装置主要为美国的TurboCharger和PX，国内在能量回收的技术有待进一步开发和研究，研究和开发新型的能量回收技术，对反渗透海水淡化技术的发展和推广具有重要的意义。

参考文献

王世昌主编. 海水淡化工程. 北京：化学工业出版社，2003. 2

潘献辉，王生辉等. 反渗透海水淡化能量回收技术的发展及应用. 中国给水排水，2010.8