基于離網(wǎng)型風(fēng)電的海水淡化系統(tǒng)建模方法

李超

(中國電力工程顧問集團公司，北京市100120)

0 引言

我國水資源時空分布不均，導(dǎo)致多地出現(xiàn)供水緊張的局面，制約了當?shù)亟?jīng)濟社會的發(fā)展，影響了人民的生活質(zhì)量［1-2］。全國海洋經(jīng)濟發(fā)展“十二五”規(guī)劃提出，在滿足相關(guān)指標要求并確保人體健康前提下，將海水淡化項目納入市政飲用水工程試點工作，在有條件的海島以海水淡化水為主要水源，鼓勵沿海城市與企業(yè)以海水淡化水作為生產(chǎn)、生活用水［3］。雖然通過海水淡化解決供水問題已成為業(yè)界共識，但是海水淡化過程需要消耗大量的熱能和電能，若通過燃燒化石能源生產(chǎn)熱能和電能會造成環(huán)境污染。因而，能源成為制約海水淡化技術(shù)快速推廣的一個瓶頸。海水淡化產(chǎn)業(yè)發(fā)展“十二五”規(guī)劃提出應(yīng)加大可再生能源在海水淡化中的利用，改善海水淡化系統(tǒng)的能源供應(yīng)問題，提高資源綜合利用水平，降低海水淡化成本［4］。風(fēng)能取之不盡，用之不竭，是清潔的可再生能源，同時，我國與風(fēng)電相關(guān)的設(shè)備制造、勘探設(shè)計和生產(chǎn)運營均已獲得長足發(fā)展，為風(fēng)能的進一步充分利用創(chuàng)造了條件［5-6］。反滲透海水淡化系統(tǒng)運行維護簡便、規(guī)模靈活，是發(fā)展最為迅速的海水淡化方式［7-10］。風(fēng)能與反滲透海水淡化相結(jié)合，將有效提高可再生能源的利用率，并解決沿海和海島地區(qū)的供水問題。

傳統(tǒng)的反滲透海水淡化系統(tǒng)設(shè)計一般依靠廠家軟件進行計算，輸入量為回收率和產(chǎn)水量，系統(tǒng)運行參數(shù)固定［11-12］。風(fēng)能具有波動性和間歇性，以此為來源的電力供應(yīng)也存在類似特點。基于風(fēng)能的海水淡化系統(tǒng)必須變參數(shù)運行以適應(yīng)電源供應(yīng)的變化，因而，回收率和產(chǎn)水量也在不斷變化。此類海水淡化系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)以與供電量相關(guān)的參數(shù)為輸入來確定產(chǎn)水量、回收率、產(chǎn)水濃度等參數(shù)。鑒于廠家軟件的局限性，本文提出一種基于風(fēng)電的反滲透海水淡化建模計算方法，可根據(jù)能源供給情況進行海水淡化系統(tǒng)性能計算。

1 風(fēng)資源分析

離網(wǎng)型風(fēng)電是指風(fēng)電場和負載均不與電網(wǎng)連接、風(fēng)電不上網(wǎng)、負載只接受風(fēng)電供能的能源利用方式。該方式的優(yōu)勢在于利用風(fēng)電不受電網(wǎng)備用容量的限制，也不會影響電網(wǎng)的穩(wěn)定運行;缺點是電能輸出不穩(wěn)定，對負載的適應(yīng)性要求高［13-16］。以東海大橋的風(fēng)資源情況為例［17］，全年風(fēng)資源分布情況如圖1所示。

若采用1臺3MW風(fēng)力發(fā)電機作為電源，在圖1風(fēng)資源條件下對應(yīng)的輸出功率如表1所示。

從圖1可看出，全年的風(fēng)速變化為5～12m/s。由表1可知，隨著風(fēng)速的變化，風(fēng)機發(fā)電量也隨之不斷波動。因此，設(shè)計基于離網(wǎng)型風(fēng)電的反滲透海水淡化系統(tǒng)，需求出全年海水淡化系統(tǒng)在不同風(fēng)電供給情況下的運行參數(shù)。

圖1 東海大橋全年風(fēng)速分布圖Fig.1 Annual wind speed distribution of Donghai Bridge

表1 風(fēng)機輸出功率Tab.1 Output power of wind generatorMW·h

2 風(fēng)電海水淡化系統(tǒng)建模

廠家軟件根據(jù)產(chǎn)水量、回收率和膜元件性能計算海水淡化系統(tǒng)運行參數(shù)，這些參數(shù)在海水淡化系統(tǒng)運行過程中為固定值。對于風(fēng)電驅(qū)動的海水淡化系統(tǒng)，產(chǎn)水量、回收率和產(chǎn)水濃度等系統(tǒng)運行參數(shù)會隨著風(fēng)電量的多少而變化。風(fēng)電量主要決定了海水淡化系統(tǒng)的給水壓力和給水流量。因而，風(fēng)電海水淡化系統(tǒng)建模應(yīng)根據(jù)給水壓力和給水流量進行計算。

2.1 膜性能參數(shù)計算

對于反滲透海水淡化系統(tǒng)，反滲透膜的性能參數(shù)是建模計算的關(guān)鍵參數(shù)，包括膜面積S、純水透過性常數(shù)A和純鹽透過性常數(shù)B。其中，膜廠家會在膜元件說明中給出S，而A和B一般由膜廠家通過測試得出，只用于廠家軟件，對用戶保密。本文采用公式推導(dǎo)的方法求出A和B，用于建模計算。

以SWC6膜元件為例，相關(guān)參數(shù)分別為串聯(lián)膜支數(shù)7、溫度25℃、產(chǎn)水流量3.8m3/h、回收率38%、膜面積37.16m2。廠家軟件運行結(jié)果如表2所示。

表2 廠家軟件計算結(jié)果Tab.2 Calculation results of manufacturer software

純水透過性常數(shù)A為

式中:Qc為產(chǎn)水流量，m3/h;S為膜面積，m2;Pf為給水壓力，MPa;π為滲透壓，MPa;Pp為產(chǎn)水壓力，MPa。

純鹽透過性常數(shù)B為

式中:St為透鹽量，mg;Cha為高壓側(cè)平均濃度，mg/L;Cp為產(chǎn)水濃度，mg/L。

通過式(1)和(2)可得出每支膜的A和B值，如表3所示。A和B是反滲透膜的固有屬性，為常數(shù)。因此，取表3中 A和 B計算結(jié)果的修正值作為SWC6膜的A、B基準值。

表3 A和B計算結(jié)果Tab.3 Calculation results of A and B

2.2 海水淡化過程建模計算

上述海水淡化系統(tǒng)由7支膜元件串聯(lián)組成，每支膜元件的滲透過程計算類似，因此，本文以第1支和第2支膜的反滲透計算為例進行推導(dǎo)，其他膜元件計算過程以此類推。

基于可再生能源的反滲透海水淡化建模計算，已知參數(shù)為給水流量、給水壓力和給水含鹽量，求解參數(shù)為各支膜元件的產(chǎn)水量和含鹽量。

高壓側(cè)平均壓力為本支膜和下一支膜給水壓力的平均值，即

式中:Pha，1為第 1 支膜高壓側(cè)平均壓力，MPa;Pf，1為第1支膜給水壓力，MPa;Pf，2為第2支膜給水壓力，MPa。

濃水滲透壓為

式中:πb，1為第 1 支膜濃水滲透壓，MPa;Cf，1為第 1 支膜給水濃度，mg/L;T為溫度，K。

濃水濃度為

式中:Cb，1為第 1 支膜濃水濃度，mg/L;Qf，1為第 1 支膜給水流量，m3/h;Cf，1為第1支膜給水濃度，mg/L;Qp，1為第 1 支膜產(chǎn)水流量，m3/h;Cp，1為第 1 支膜產(chǎn)水濃度，mg/L;Qb，1為第 1 支膜濃水流量，m3/h。

濃水流量為給水流量與產(chǎn)水流量之差，即

產(chǎn)水滲透壓為

式中:πp，1為第 1 支膜產(chǎn)水滲透壓，MPa;Ct，1為產(chǎn)水濃度，mg/L。

產(chǎn)水流量為

式中:Qp，1為第 1 支膜產(chǎn)水流量，m/h;Pp，1為產(chǎn)水側(cè)壓力，MPa;πb，1為濃水滲透壓，MPa。

產(chǎn)水離子含鹽量為

式中:Sp，1為第 1 支膜產(chǎn)水離子含鹽量，mg/L;Cha，1為第1支膜高壓側(cè)平均濃度，mg/L。

總產(chǎn)水濃度為

式中 Cpt，1為第1支膜總產(chǎn)水濃度，mg/L。

第2支膜的滲透過程計算與第1支膜類似，不同之處為

式中:Qf，2為第 2 支膜給水流量，m3/h;Qb，2為第 1 支膜濃水水流量，m3/h;Cf，2為第2支膜給水濃度，mg/L;Cpt，2為第 2 支膜總產(chǎn)水濃度，mg/L;Sp，2為第 2 支膜產(chǎn)水離子含鹽量，mg/L;Qpt，2為第2支膜總產(chǎn)水量，m3。

3 算例及結(jié)果

隨著風(fēng)能的波動，海水淡化系統(tǒng)的給水壓力和給水流量均會發(fā)生變化，同時會引起產(chǎn)水流量、產(chǎn)量濃度和脫鹽率等系統(tǒng)參數(shù)的變化。本文采用多種工況條件下系統(tǒng)參數(shù)對比的方式驗證風(fēng)電海水淡化建模計算方法的有效性。

由于廠家軟件無法設(shè)定給水壓力，本文采用定回收率、變產(chǎn)水量的方式實現(xiàn)給水壓力和給水流量的變化。共采用3種工況，即產(chǎn)水量分別為3.40，3.80，4.20m3/h的工況，其中，3.40m3/h為基準工況。廠家軟件與本文建模計算方法運行結(jié)果對比如表4所示。

表4 運行結(jié)果對比表Tab.4 Comparison of computational results

從表4可以看出，當系統(tǒng)產(chǎn)水量為3.80m3/h時，給水流量為10.00m3/h，給水壓力為4.85 MPa，產(chǎn)水量和產(chǎn)水濃度的誤差小于1%，脫鹽率完全吻合。

隨著風(fēng)電供電量減少，產(chǎn)水量下降，給水壓力和給水流量隨之降低，當系統(tǒng)產(chǎn)水量為3.40m3/h時，給水壓力降至4.77 MPa，給水流量降至8.90m3/h，產(chǎn)水量誤差為2.79%，產(chǎn)水濃度誤差為1.88%，脫鹽率誤差為0.02%。

隨著風(fēng)電供電量增加，產(chǎn)水量上升，給水壓力和給水流量隨之增加。當系統(tǒng)產(chǎn)水量為4.20m3/h時，給水壓力升至4.95 MPa，給水流量升至11.10m3/h，產(chǎn)水量誤差2.47%，產(chǎn)水濃度誤差1.95%，脫鹽率誤差0.02%。

綜上，當工況偏離基準工況時，誤差有所增加，但均在3%以下。考慮到廠家軟件只是膜性能的估算，與工程實際運行情況相比也存在誤差，因而，本文建模計算方法可滿足“以電定水”類海水淡化項目的設(shè)計需求。

4 結(jié)論

本文提出了一種通用的風(fēng)電反滲透海水淡化建模方法。該方法根據(jù)系統(tǒng)供電量，以給水流量和給水壓力為輸入設(shè)定參數(shù)，通過膜元件基本性能計算和海水淡化過程計算，可以得出系統(tǒng)供電量變化條件下的參數(shù)變化情況。在不同工況條件下，通過與廠商軟件計算結(jié)果進行對比，本文計算方法的結(jié)果與其最大誤差在3%以內(nèi)。因此，本文方法可為基于離網(wǎng)型風(fēng)電的反滲透海水淡化系統(tǒng)設(shè)計提供參考。

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