反渗透海水淡化工程能量回收设计比选

肖亚苏，李敏涛，冯 涛，王可宁，冀青杰

(1.自然资源部 天津海水淡化与综合利用研究所，天津 300192；2.优美科催化剂(天津)有限公司，天津 300280;3.山东核电有限公司，山东海阳 265116)

1 前言

淡水资源日益紧缺，海水淡化的呼声越来越强烈，大型市政用水或工业用水选择采用反渗透海水淡化技术生产的水[1]。能耗在反渗透海水淡化系统的治水成本中占很大的比例(通常约占整个制水成本的40%)[2]。随着反渗透海水淡化技术成为海水淡化领域的主流技术，对反渗透技术的产水能耗、制水成本的控制提出进一步要求。因此有必要对反渗透产水能耗进行分析研究。

高压系统是反渗透淡化工程的主要耗能单元，其电耗约占工程运行费用的35%～40%，是影响造水成本的主要因素。高压系统通过能量回收装置回收浓水压力能量达到节能的目的。目前大型工程应用的能量回收主要有两种形式：一种是高压泵+正位移式功交换式能量回收(PX)+增压泵+膜组；一种是高压泵+水力透平能量回收(Turbo Charge)+膜组[3]。

2 两种形式的能量回收装置

在反渗透海水淡化系统中反渗透膜的操作压力为5.8 MPa～8.0 MPa。从膜排放的浓盐水压力高达5.5 MPa～7.5 MPa，如果按照通常的40%的回收率计算，浓盐水中约有60%的进料压力能量可以回收。能量回收装置包括流体非直接接触式和流体直接接触式，流体非直接接触式能量回收装置最具代表性的是PEI公司的Turbo Charge。流体直接接触式最具代表性的是ERI公司的PX(Pressure Exchange)。

(1)PX能量回收。

PX能量回收装置采用的是直接接触正位移技术，主要部件是一个无轴转子，其沿轴向开有数个孔道，高低压流体在孔道中交换能量，并依靠转子的连续转动实现系统的连续运行。图1为PX能量回收装置工艺流程，节能机理是在产量不变的情况下。减少高压泵流量的方式来降低系统的能耗。能量传递为压力能—压力能，不需要机械辅助装置。

图1 PX形式能量回收Fig.1 Energy recovery in PX form

(2)Turbo Charge能量回收。

Turbo Charge采用的是非直接接触技术。流体的压力能传递机理是压力能—机械能—压力能。其脱离了传统非直接接触能量回收装置要与高压泵或电机轴相联的束缚，使得装置设计紧凑，拆装容易，检修方便，对流体压力、流量的波动适应性好。Turbo Charge能量回收装置工艺流程见图2，能量回收位于高压泵后面，实现管道流体的二次升压，从而使流体压力达到工艺要求，高压泵的压力性能参数的选择得到降低。

文章通过具体的能耗计算，分析大型海水淡化工程中普遍应用的两种形式的能量回收装置的电耗情况。求证采用不同形式能量回收装置时，海水淡化系统吨水电耗随产水规模的变化趋势，为大规模海水淡化工程高压系统提供设计参考。

图2 Turbo Charge形式能量回收Fig.2 Energy recovery in Turbo Charge form

3 分析研究过程

3.1 计算基础

海水淡化系统主要耗能设备是工艺过程泵，单台泵耗电可通过下式计算[4]：

式中：Q——泵流量，m3/h；H——泵扬程，m；η1——泵效率；η2——电机效率。

不同工艺段的工艺泵，其H可以取定值(Turbo形式除外)，泵效率η1和电机效率η2不是定值，而是随流量变化的。

后续计算中，泵效率η1考虑了单级清水离心泵效率—流量、多级清水离心泵效率—流量变化规律；电机效率η2考虑了低压电机功率—效率、高压电机功率—效率变化规律。η1、η2确定后，即能根据公式计算并确定不同工艺泵的耗电P继而得出海水淡化系统总耗电P总。

3.2 清水离心泵效率曲线

根据GB19762-2007《清水离心泵能效限定值及节能评价值》确定清水离心泵效率。

(1)多级清水离心泵。

海水淡化系统高压泵按多级清水离心泵考虑。10 000 m3/d～60 000 m3/d规模海水淡化系统，其多级水泵流量覆盖范围在400 m3/h～6 200 m3/h区间内，但根据GB19762-2007多级清水离心泵效率表流量上限为3 000 m3/h，所以文章仅取400 m3/h～3 000 m3/h有效区间进行测算，见表1。

通过最小二乘法进行拟合计算，得多级清水离心泵流量—效率关系式如下：

η1=f(Q)=2.083 82E-16×Q^5-2.224 53E-12×Q^4+9.380 96E-09×Q^3-1.982 38E-05×Q^2+0.021 906×Q+72.460 6

表1 多级清水离心泵流量—效率计算表Tab.1 Flow efficiency calculation table of multistage clean water centrifugal pump

(2)单级清水离心泵。

除高压泵外，海水淡化系统其余工艺泵按单级清水离心泵考虑。考虑10 000 m3/d～60 000 m3/d规模海水淡化系统，其单级清水离心泵流量覆盖范围在400 m3/h～7 000 m3/h区间内，根据GB19762-2007单级清水离心泵效率表见表2。

表2 单级清水离心泵流量-效率计算表Tab.2 Flow efficiency calculation table of single-stage clean water centrifugal pump

通过拟合计算，得单级清水离心泵流量—效率关系式如下：

η1=f(Q)=-4.144 36E-22×Q^6+1.402 01E-17×Q^5-1.868 65E-13×Q^4+1.250 69E-09×Q^3-4.471 98E-06×Q^2+0.008 727 538×Q+78.287 5444

3.3 电机效率曲线

(1)高压电机功率—效率。

海水淡化系统250 kW以上电机按高压电机配电考虑。考虑10 000 m3/d～60 000 m3/d规模海水淡化系统，其高压电机功率覆盖范围在250 kW～3 150 kW区间，根据GB30254-2013《高压三相笼型异步电动机能效标准表》取其有效区间见表3。

表3 高压电机功率—效率计算表Tab.3 Power efficiency calculation table of high voltage motor

通过拟合计算，得高压电机功率—效率关系式如下：

η2=f(P)=-1.912 66E-20×P^6+2.818 05E-16×P^5-1.655 61E-12×P^4+5.095 96E-09×P^3-9.088E-06×P^2+0.009 655 775×P+91.455 974 31

(2)低压电机功率—效率(见表4)。

海水淡化系统40 kW～250 kW电机按低压电机配电考虑。同样得到低压电机功率—效率曲线关系式如下：

η2=f(P)=2.491 28E-07P^3-1.674 94E-04×P^2+0.038 980 16×P+92.849 27

3.4 Turbo效率曲线

根据Turbocharger Energy Analysis软件，计算得出不同产水规模时，对应低压进水流量、浓水流量、进膜压力、浓水压力及高压泵出口压力，通过计算得到对应效率，见表5。通过最小二乘法，拟合得到Turbo charger能量回收流量—效率曲线。

η=f(Q)=-0.000 001 251 97×Q^2+0.007 518 803×Q+67.157 000 349

式中：η——Turbo效率；Q——为低压进水流量。

表4 低压电机功率—效率计算表Tab.4 Power efficiency calculation table of low voltage motor

表5 Turbo 能量回收流量—效率计算表Tab.5 Turbo energy recovery flow efficiency calculation table

4 吨水耗电计算

将不同产水规模下，采用PX与Turbo能量回收的淡化系统的能耗进行计算，继而得出吨水电耗，二者对比见图3、表6。

图3 PX与Turbo能量回收吨水耗电对比图Fig.3 Comparison diagram of PX and Turbo power consumption per ton of water

表6 PX与Turbo能量回收吨水耗电对比表Tab.6 Comparison of PX and turbo energy recovery power consumption per ton of water

5 结语

配备PX和Turbo两种形式能量回收的海水淡化系统，其吨水电耗均随日产水规模的扩大而减小，但变化趋势逐渐变缓；对于大型反渗透海水淡化工程来说，采用PX形式能量回收或Turbo形式能量回收，其吨水电耗差别不大，但Turbo在操作条件和设计上具有一定优势。

两种工艺各有优势，具体设计选择需要根据实际情况来抉择，如需降低一次投资，可选择Turbo工艺；如需得到更低的能耗和运行成本，可选择PX工艺；另外从占地面积、控制繁琐程度等方面也要综合进行工艺设计和选型。