利用可再生能源的反滲透膜法海水淡化方案探討

葉 華，陳斌偉

(華東電力設計院，上海 200063)

目前解決缺水問題的方法除使用各類節水設施外，還有地下取水、建造水庫、遠程調水和海水淡化等方法，前三者弊端日漸明顯，長期使用易造成水資源枯竭、地面下沉、浪費土地、破壞生態等后果，且其成本也在不斷提高。前三種方法均屬于存量調整，在淡水緊缺的背景下，長期潛力有限。與之相反，因海水取之不盡，海水淡化已成為世界公認的最佳供水解決方案。

1 我國水資源現狀

我國是一個水資源嚴重短缺的國家。世界人均水資源占有量約7 500 m3，而我國人均水資源占有量約2 100 m3，為世界平均值的28%。在全國660多個城市中，400多個城市缺水，108個城市嚴重缺水。

我國水資源地區分布不均衡。總體來看，我國西部和北部地區缺水，南部水源相對充足。沿海地區經濟發達，人口稠密，人均水資源量不足500 m3，水資源短缺形勢也很嚴峻，其中東部沿海地區是最缺水的地區之一。這些地區由于長期超量抽采地下水，致使地下水位線大幅下降，形成了資源性缺水，再加上地表水污染等問題又造成了水質性缺水。

2 海水淡化是緩解我國水資源短缺的戰略途徑

為了緩解水資源短缺狀況，我國采取了封山育林、涵養水源、興建水利設施、跨流域調水、改進農業灌溉方式、節約用水、污水循環利用等多種措施，取得了很大的成績。但由于我國經濟快速發展，人口不斷增加，對水的需求越來越大，缺水狀況日趨嚴重。雖然采取了上述措施，但由于沒有從總量上增加水資源，因此還沒有從根本上緩解水資源短缺問題。

與其他途徑相比，以海水淡化方式緩解水資源緊缺現狀具有多方面的獨特優勢。首先，海水淡化可以增加淡水資源總量，從根本上解決淡水資源短缺問題;其次，作為提取淡水的基本原料，海水儲量巨大，取之不盡;第三，海水是一種無國界的資源，不存在資源爭奪問題;第四，海水成本為零，無需支付取水費用;第五，海水淡化技術成熟，生產穩定性強，受制約因素少。

一般情況下，1 L海水中含35 g鹽，要想達到直接飲用和澆灌的目的，必須經過海水淡化系統處理，海水淡化就是將鹽水變成淡水的過程。目前可以規模化淡化海水［1］的方法主要有蒸餾法和膜法［2］(反滲透法)兩種。蒸餾法海水淡化是將海水蒸發，再進行冷凝，使其脫掉鹽分，獲取淡水，該方法主要消耗的是熱能，適用于具有穩定熱源和供水量大的地區。膜法海水淡化主要將海水強制加壓使淡水透過反滲透膜進入膜的另一側，從而濾掉鹽分，獲取淡水，該方法主要消耗電能，適用于電力充足的地區。近年來我國在海水淡化領域取得了長足發展，經過科技攻關，我國先后建成了日產3 000 m3低溫多效蒸餾法海水淡化和日產5 000 m3反滲透海水淡化等具有自主知識產權的示范工程，部分領域已躋身國際先進水平。

3 我國可再生能源發展概況

我國可再生能源資源品種齊全、數量眾多，資源基礎雄厚，經過近年的快速發展，在可再生能源利用方面已取得長足的進步。在缺水的北部地區，風能、太陽能資源豐富，在沿海地區及海島上蘊藏著豐富的風能、太陽能、海洋能等資源，可為膜法海水淡化系統提供充足的綠色電力。

3.1 風能

我國陸地可利用風資源約2.5億kW，海上可利用風資源約7.5億kW，總量居世界第三位。截止2011年底，我國新增風電裝機容量1 763萬kW，累計裝機容量6 236萬kW，居世界第一。在大力發展陸地風電的同時，我國海上風電也有突破性進展。已建成的上海東海大橋海上風電場是全球除歐洲外首個大型海上風電項目，總裝機容量10萬kW。

2011年度，全國各省級電網區域風電利用小時平均為1920 h，風電棄風限電總量超過100億kW·h［3］，風電并網運行和消納問題已經成為制約我國風電持續健康發展的重要因素。

3.2 太陽能

我國幅員廣大，有著十分豐富的太陽能資源。據估算，我國陸地表面每年接受的太陽輻射能約50×1018kJ，全國三分之二地區日照小時數大于2 200 h。2011年全國光伏新增裝機達260萬kW，累計裝機容量達到343萬kW，到“十二五”末期，全國光伏裝機容量計劃達到1 500萬kW。

3.3 海洋能

我國海岸線長達1.8萬km，擁有6 500多個大小島嶼，海域面積470多萬km2，海洋能資源十分豐富。世界上根據實用價值將海洋能發電分作潮汐能、波浪能、潮流能、海流能、溫差能和鹽差能等6種形式，從發展前途看，前3種具有較大潛力。根據資料，我國沿岸的潮汐能資源可開發總裝機容量約2 179萬kW，沿岸及海域波浪能可開發裝機容量約為5.8億kW，潮流能資源可開發總裝機容量約為1 395萬kW［4］。國內外已將海洋能發電技術作為重點研究目標，國外已有兆瓦級潮流能發電機組投入商業運行，國內也有兆瓦級海洋能發電設備投入試驗運行。隨著技術的日益成熟，海洋能不但能為沿海地區提供電力，還能成為海島地區理想的主要電力來源。

4 膜法海水淡化系統的設計優化及調整

我國在可再生能源利用領域發展迅速，發電裝機規模不斷擴大，已居世界領先地位。但風能、太陽能、海洋能都具有不穩定、發電量與用電負荷不匹配及不可預見等缺點，無法像常規能源一樣提供穩定、可控的電力，使其發展受到較大的制約。若將可再生能源與海水淡化系統有機結合，變蓄電為蓄水，不僅能大幅提高可再生能源發電設備的利用小時數，也能解決局部淡水資源緊缺問題，創造綜合利用可再生能源和海水資源的新循環經濟模式。

常規的膜法海水淡化系統以具有穩定電源及系統安全連續運行為基本條件，若電源不穩定，會對按常規設計的系統設備造成極大的損傷，以至無法運行。因此除需要進一步發展技術降低可再生能源的波動外，同時也需要對膜法海水淡化系統進行調整優化，使之適應可再生能源特點，相互取長補短，提高整體使用效率，從而可以在更廣泛的領域得以推廣使用。

4.1 系統功能調整

海水中的含鹽量一般在35 g/L左右，我國膜法海水淡化大多采用兩級反滲透系統，其產水含鹽量可小于3 mg/L，這主要是因為其產水一般是為工廠后續水處理系統供水，對水質要求較高。而對于以可再生能源為電源的膜法海水淡化系統主要是為沿海或海島居民提供日常生產生活用水，水中含鹽量小于500 mg/L就可基本滿足要求［5］。

隨著科技的進步，目前一級海水反滲透淡化系統長期運行脫鹽率大于99%，從而保證產水含鹽量小于350 mg/L，除硼離子含量可能會略高于0.5 mg/L不能達標外［6］，一級海水淡化系統出水基本可作為居民日常生活用水。因此可考慮采用一級海水反滲透淡化系統，并根據海水硼離子含量情況配套采用高脫硼海水反滲透膜、硼選擇性樹脂、吸附劑、兩級反滲透等處理措施［7］，既能保證供水水質，又能降低投資和運行費用，同時也降低單位制水的電耗，更有利于海水淡化系統在不穩定電源情況下的運行。

4.2 系統系列設備出力調整

常規的膜法海水淡化系統是“因需制水”，同時追求規模化效益，會將單系列設備出力盡量做到最大，一般每系列設備出力可達100～400 m3/h，設2～4個系列，這樣既能節省設備投資也能減小占地面積。而對于以可再生能源為電源的膜法海水淡化系統更多的應是考慮“因電制水”，其系統設備出力應根據可再生能源提供的電量來進行優化設計。

可再生能源所提供的電力會隨著風速、光照等外部條件不斷變化，而用電負荷也在不斷波動，特別是在海島或孤網運行的地區，提供給膜法海水淡化系統的電力具有很大波動性和不可預見性。若無其他電源提供電力保障，為了保證膜法海水淡化系統的安全穩定高效運行，其設備設置宜采用大小搭配的原則，即設置2～3系列小出力設備，每系列設備用電負荷宜占總供電量的1/8～1/10，該系列在供電量較低的情況下運行，再設置2～3系列大出力設備，每系列設備用電負荷宜占總供電量的1/3～1/4，該種系列在供電量較高的情況下運行。

根據資料顯示我國沿海地區90 m高度年平均風速約8 m/s左右，目前我國主流2 MW風機在5 m/s風速時，發電功率約為200 kW;8 m/s風速時，發電功率約900 kW;10.5 m/s風速時，發電功率約為2 000 kW。而膜法海水淡化系統每噸水電耗約為4～6 kW·h，若一臺2 MW風機所發電量全部供海水淡化系統使用，綜合考慮風機實際發電量、海水淡化系統設備利用率、設備總投資等因素，宜設置3套出力為40 m3/h的設備，每套負荷約200 kW，再設置2套80 m3/h的設備，每套負荷約400 kW，這樣既能保證在低風速時設備正常運行，也能保證在高風速時不造成棄風，能充分利用風資源。

4.3 增大蓄水能力，變蓄電為蓄水

膜法海水淡化系統中設有超濾產水箱(池)和淡水箱(池)以儲存超濾產水和反滲透產水，主要作為臨時貯存設備以滿足系統用水需求，一般容量為系統1～2 h處理水量。若適當增加水箱(池)容積，滿足存儲一段時間內系統滿負荷運行所生產的淡水量，就能在有富余電量時變蓄電為蓄水，解決可再生能源供電量與用電負荷不匹配的問題。

變蓄電為蓄水具有多方面的獨特優勢。首先，相對于技術復雜、蓄能量小、投資昂貴的蓄電設備，蓄水所需設備僅為水箱或水池，此類設備結構簡單、制作工藝成熟，單體設備容積可達上萬m3，且設備投資較蓄電池要低很多;其次，相對蓄電池不到70% ～80%的轉換效率而言，蓄水就是直接貯存產品，不需要再次轉換，提高了系統效率;第三，蓄電池長時間蓄電會自然放電、發熱，而淡水易于長期貯存，無能源損耗，可降低系統能量損失;第四，蓄電池在生產和使用過程中都會產生污染環境的物質，不利于環保，而用于蓄水的水箱或水池，不會對環境產生影響，具有較高的環保作用。

一個萬人規模的海島或城鎮5 d用水量約10 000 m3，其貯存用水箱或水池造價約為300～350萬元，若此10 000 m3淡水由膜法海水淡化系統制備，則需耗電約5萬kW·h，相當于一臺2 MW風機連續滿負荷運行25 h，若采用蓄電池對此電力進行貯存，則蓄電池設備總投資將超過4 000萬元，可見由蓄電變蓄水有著巨大的發展優勢。

4.4 加熱設備選型調整

提高進水溫度可提高膜的水通量，有效減少膜的數量，最終降低膜法海水淡化系統的運行能耗及投資費用。據統計水溫每提高1℃，反滲透膜的產水量將增加約2.7%，超濾膜的產水量將增加約2.2%，因此常規膜法海水淡化系統均會以循環水排水為水源或設置加熱器，以保證水溫在15～25℃。

對于風能、太陽能、海洋能等可再生能源電站而言，既無循環水排水，也不生產蒸汽，但膜法海水淡化車間多為單層平房結構，可以考慮利用其車間頂部設置太陽能加熱器用于加熱系統進水;同時由于太陽能加熱器使用時間的局限性，也可配置一定量的電加熱器，利用發電高峰時段的富余電力為進水加熱。

4.5 優化運行管理

常規膜法海水淡化系統主要運行模式是以滿足對外供水為主要目的，一般按系列整套投運，主要耗電設備為預處理進水泵、反滲透升壓泵(預處理產水泵)、反滲透高壓泵及淡水泵等，其耗電量之和約占膜法海水淡化系統正常運行總耗電量的80%～90%。表1為目前已投運幾個膜法海水淡化項目主要用電設備產水電耗統計表，由統計數據可知，在膜法海水淡化系統的主要耗電設備中海水反滲透裝置(含反滲透升壓泵和反滲透高壓泵)所占用電比重最大，約80% ～90%，而預處理裝置及對外供水設備所占用電比重較小，共約10% ～20%。

表1 膜法海水淡化系統主要用電設備產水電耗Tab.1 Statistics of Energy Consumption with Main Electrical Equipment of Seawater Desalination Schemes through RO Process

對于以可再生能源為電源的膜法海水淡化系統，除了在系統設置、設備選型上進行優化調整，使之適應電源的不穩定性外，如何優化系統運行管理，充分利用電力資源，也顯得尤為重要。針對膜法海水淡化系統中反滲透裝置用電比重大，而預處理裝置用電比重小的特點，應改變常規的按系列整套投運的運行模式，而是根據供電量分模塊投運所能運行的設備。如在較低供電量時，可只投運預處理裝置，將預處理產水儲存在水箱中;當供電量增大至可滿足一套反滲透裝置運行需要時，可停運預處理裝置啟動反滲透裝置;當供電量繼續增大至能滿足一整套膜法裝置運行時，則再次運行預處理裝置，保證整套系統連續穩定運行;當供電量持續減少時，則應按相反順序停運設備。同時應增加電量監控設備及軟件，在用電設備投運前需對系統整體用電量及供電量進行比對，確保系統的安全運行。

通過調整優化運行模式，可在低供電量時啟動低耗電設備運行，并使海水淡化系統適應可再生能源供電量不穩定的特點，充分利用可再生能源所供電力，可極大提高能源的利用效率。

5 結束語

我國可再生能源資源豐富，發電裝機規模不斷擴大，但其發電量不穩定、發電量與用電負荷不匹配等問題也日漸顯現。若將可再生能源與海水淡化系統有機結合，對成熟的膜法海水淡化系統進行適當的優化調整，使之適應可再生能源的電量波動，相互取長補短，變蓄電為蓄水，不僅能大幅提高可再生能源發電設備的利用小時數，提高能源利用效率，還能解決我國局部淡水資源緊缺問題。

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