能量回收裝置在海水納濾脫鹽系統中的應用分析

劉 輝，王 越*，徐世昌，高建朋，宋代旺

（1.天津大學化工學院化學工程研究所，天津300072；2.天津市膜科學與海水淡化技術重點實驗室，天津300072；3.天津化學化工協同創新中心，天津 300072）

納濾膜是20世紀80年代末發展起來的一種分離膜產品，特殊的孔徑范圍和具有荷電特性的表面特征決定了納濾膜對海水中易結垢的2價離子具有良好的截留率［1-3］。基于此，納濾膜分離技術（NF）既可以作為預處理單元為現有的膜法（如反滲透）或熱法（如多級閃蒸）海水淡化提供低總固溶物含量（TDS）的優質進水，形成更具經濟性的海水淡化集成技術［4-6］；又可以作為海水淡化的主體脫鹽工藝，并以較低的能源消耗生產飲用水［7-8］，因而近年來獲得了日益廣泛研究和市場推廣應用。

中國海洋大學宋金玲等［7］和 Harrison 等［9］對采用兩級納濾替代反滲透海水淡化工藝生產飲用水的可行性進行了試驗驗證，結果表明，二級納濾產水的TDS均降至200～300 mg·L-1，達到飲用水水質標準［10］。美國長灘市［11］采用兩級海水納濾脫鹽工藝，在一級和二級納濾操作壓力分別為3.79 MPa和1.72 MPa條件下，實現系統產水TDS小于500 mg·L-1的淡化目標，且產水能耗較一級反滲透工藝降低了20%～30%。然而已報道的海水納濾脫鹽工程中，絕大多數并未采用能量回收裝置（ERD）等節能措施［12-14］，而是將納濾膜組件產生的富含壓力能并占相當比例的濃水直接排放，造成了較大的能量損失。因此，考慮到海水納濾脫鹽系統在整個運行過程中的能量消耗，若在海水納濾脫鹽系統中耦合能量回收裝置，將納濾膜組件排放的高壓濃水中的壓力能高效率地傳遞給低壓海水，則有望進一步降低納濾脫鹽系統的產水能耗，提升海水納濾脫鹽技術的優勢，而相關耦合工藝的應用狀況及節能分析卻鮮有報道。

為了探究能量回收裝置在海水納濾脫鹽系統中的應用狀況及節能效果，本研究根據實際工程中海水納濾脫鹽系統的節能需求，自主設計了與系統工藝相匹配的能量回收裝置產品，建立了“納濾+能量回收”耦合工藝流程；并在系統進水水質為海水、運行壓力為3.60 MPa的工況下，研究分析了自主能量回收裝置產品與納濾脫鹽系統耦合的運行穩定性，及能量回收裝置的引入對系統本體運行能耗降低的實際貢獻率。

1 NF-ERD耦合工藝流程

圖1為本研究工作采用的海水納濾脫鹽系統與能量回收裝置耦合工藝流程。主要包括海水預處理、納濾膜脫鹽、能量回收系統3部分。

圖1 海水納濾脫鹽系統工藝流程圖Fig.1 The schem atic diagram of seawater nanofiltration desalination system

系統進水為人工配制的標準海水，水質純凈，因此預處理部分僅采用了5μm保安過濾器以保障海水原水的進水水質。經預處理后的海水一部分作為高壓泵的原料給水，另一部分則直接供給能量回收裝置。海水納濾脫鹽部分采用一級兩段工藝方案，即原海水經一段納濾脫鹽后得到的濃水將作為二段納濾的原水進行深度脫鹽，一段和二段的產水匯合后共同作為系統的產品水進入產水箱。一段和二段納濾膜組器則采用3+2膜殼布置方案，每根膜殼內均裝有3支4英寸NF90納濾膜元件。

由二段納濾膜組件排出的高壓濃水全部進入能量回收裝置，經“壓力能-壓力能”傳遞方式將其中的壓力能直接傳遞給等流量的低壓海水，增壓后的海水再經增壓泵（Grundfos，BM3A-6N）提壓至系統運行壓力后與高壓泵（Danfoss，APP2.2）加壓后的海水匯合，共同作為納濾膜組件的進料給水，而完成壓力能交換的泄壓濃水則直接排出裝置。能量回收中增壓泵的作用為對增壓海水進一步加壓，以彌補高壓濃水流經納濾膜組件及進行壓力交換過程中的少量壓頭損失。

本實驗工藝采用PLC控制方案實現系統內給水泵、高壓泵、能量回收裝置和增壓泵等的自動和手動兩種模式的啟停操作控制。系統正常運行時采用自動控制模式，手動控制模式僅在系統調試階段和故障檢修階段使用。此外，為保障海水納濾脫鹽裝置的安全運行，PLC控制系統還設有多項保護措施，包括高壓泵入口處的低壓保護、納濾膜組件的高壓保護及原水箱和產水箱的高低液位保護等。考慮到系統監控和能耗分析需要，實驗裝置中還設置了諸如流量計、壓力表、電導率儀及壓力變送器等儀器儀表。

2 能量回收裝置結構特點與工作原理

本課題組自2000年開始開展海水淡化能量回收裝置的研究和國產化開發工作。依托國家和天津市科技計劃項目支持，全面掌握了能量回收裝置的整機設計、加工制造和運行控制等成套技術，所研制的能量回收裝置產品在工業測試條件下的能量回收效率高達98%，達到國外同類產品先進水平［15-17］。本研究工作中，即采用了自主設計的與海水納濾脫鹽工程實際需要相匹配的能量回收裝置產品（見圖2）。

圖2 能量回收裝置結構示意圖Fig.2 Structure diagram of the ERD

圖2中，能量回收裝置主要由切換器、水壓缸和止回閥組3部分組成。切換器的作用是實現進入和排出裝置的高壓濃水和泄壓濃水間規律性流向切換，是能量回收裝置的核心執行部件。水壓缸是高壓濃水和低壓海水實現壓力能交換的場所，為防止這兩股不同鹽度流體間的混合行為，每個水壓缸內均設置了可自由往復運動的實體隔離活塞。止回閥組主要用來引導低壓海水和增壓海水規律性的輸入和排出裝置，并可根據閥門兩側的壓力差實現自動打開和關閉作業。圖3為能量回收裝置在納濾系統中的現場照片。

圖3 能量回收裝置在納濾系統中的實物圖Fig.3 On-Site photograph of ERD in the nanofiltration system

能量回收裝置的工作過程包括增壓沖程和泄壓沖程兩個環節。當切換器處于前進工作位時（如圖2所示），由納濾膜組件排出的高壓濃水通過切換器高壓濃水進口及流通孔1進入1#水壓缸，推動水壓缸內的活塞向右運動，并對已充滿水壓缸內的低壓海水進行增壓做功，完成壓力能的交換。增壓后的海水即增壓海水由止回閥組排出，此為增壓沖程；與此同時，低壓海水通過止回閥組進入2#水壓缸，推動水壓缸內的活塞向左端運動并將泄壓濃水經切換器出口2排出，此為泄壓沖程。當1#、2#水壓缸各自完成增壓沖程和泄壓沖程后，切換器在液壓缸的驅動下切換至后退工作位，兩支水壓缸內的工作沖程實現交替。能量回收裝置即通過水壓缸內增壓沖程和泄壓沖程周期性循環交替實現對高壓濃水壓力能的連續回收利用。

3 能量回收裝置工程應用分析

3.1 脫鹽系統參數監測與分析

表1為海水納濾脫鹽系統在海水原水溫度為30℃及系統穩定運行工況下監測和記錄的系統運行數據。

由表1可知，系統低壓海水的總進水量為4.20 m3·h-1。經高壓泵加壓的海水壓力為3.60 MPa，此即納濾膜組件的操作壓力。系統總產水為1.80 m3·h-1，因此通過系統總產水與總進水間的比值，計算得到的系統產水收率為42.85%。因此可知，有約57%的系統給水以高壓濃水的形式被能量回收裝置回收利用。

表1 脫鹽系統部分操作參數列表Table 1 Part of operating parameters of desalination system

3.2 脫鹽系統穩定性分析

為了更直觀的評價分析“納濾脫鹽+能量回收裝置”耦合海水淡化系統的運行穩定性，實驗過程中通過管路上安裝的壓力變送器，采集和保存了系統穩定運行時高壓濃水壓力及增壓海水壓力隨時間的變化曲線，如圖4和圖5所示。圖4和圖5中高壓濃水為由二段納濾膜組件排放的濃水，增壓海水為能量回收裝置增壓后的海水。

圖4 高壓濃水壓力變化曲線Fig.4 Pressure variation curve of high-pressure brine

圖5 增壓海水壓力變化曲線Fig.5 Pressure variation curve of pressurized seawater

由圖4和圖5壓力變化曲線可知，一方面，高壓濃水的運行壓力曲線近似為1條直線，說明能量回收裝置能夠較好滿足系統濃水處理負荷要求，無濃水處理不及時引起的憋壓現象發生，且較好的實現了與海水納濾脫鹽系統耦合運行的穩定性。另一方面，由于高壓濃水是驅動增壓海水排出能量回收裝置的唯一動力源，因此增壓海水的運行壓力曲線與高壓海水的曲線總體上保持一致，顯示出較好的同步變化規律，說明能量回收裝置自身的運行穩定性也很好。此外，通過2條壓力曲線對比可以發現，2條壓力曲線之間的差值僅為0.07 MPa，這說明能量回收裝置壓力交換過程及流通阻力較小，較好的保障了裝置的高效率運行。

根據表1所列的系統監控數據和能量回收裝置內流量平衡關系，即高壓濃水的流量等于增壓海水的流量，泄壓濃水的流量等于低壓海水的流量，結合能量回收效率的計算公式（1）［17］，可知本研究工作中采用的能量回收裝置與納濾脫鹽系統耦合運行后的能量回收效率高達96.28%，這充分驗證了所設計的能量回收裝置產品在納濾系統中運行的可行性及高效性。

3.3 能量回收裝置節能效果分析

為了評價和考證能量回收裝置的引入對海水納濾脫鹽系統能耗降低的實際貢獻率，對比分析了耦合能量回收裝置的海水納濾脫鹽系統與無能量回收裝置系統的本體運行能耗（見表2），公式（2）［18］為系統中所采用的泵的功耗計算公式。此外，在計算系統能耗的過程中，僅考慮了系統的本體能耗，即脫鹽和能量回收兩個部分的能量消耗，同時忽略了由于水質不同對高壓泵和增壓泵功耗的影響及能量回收裝置在間歇短暫的水壓驅動切換過程中所消耗的微量高壓濃水。通過分析脫鹽和能量回收兩個部分中高壓泵和增壓泵的電能消耗即可計算得出系統的本體能耗。

在保持與耦合能量回收裝置系統相一致的運行工況下，即兩系統中進入膜組件原水的流量、壓力、水質及溫度一致，對無能量回收裝置系統的本體能耗進行了理論計算。此時，進入膜組件的原水全部由高壓泵供給，根據其流量優選了與此操作工況相匹配的最佳高壓泵型號（Danfoss，PAHT50），并根據此高壓泵在最大效率值下運行時的功耗理論推算系統的本體能耗。

表2 海水納濾脫鹽系統的功耗參數分析Table 2 Technological parameters of nanofiltration desalination system with or without ERD

通過表2所列數據，對比分析兩系統的本體運行能耗可知，能量回收裝置的引入使得海水納濾脫鹽系統的本體能耗降低了2.14 kW，降低的比例為44%，由此可說明能量回收裝置在納濾脫鹽系統中的應用顯著降低了系統的本體能耗，對系統的節能效果明顯。

4 結論

1）建立了能量回收裝置與海水納濾脫鹽系統耦合運行工藝，實現了自主開發的能量回收裝置產品在海水納濾脫鹽系統工程中的推廣應用和穩定運行。

2）能量回收裝置在海水納濾脫鹽系統中獲得了高達96.28%的能量回收效率，對系統本體運行能耗降低的實際貢獻率可達44%，節能效果顯著，具有廣闊的市場推廣前景。

符號說明：

Pbi---高壓濃水壓力，MPa；

Pbo---泄壓濃水壓力，MPa；

Psi---低壓海水壓力，MPa；

Pso---增壓海水壓力，MPa；

Qbi---高壓濃水流量，m3·h-1；

Qbo---泄壓濃水流量，m3·h-1；

Qsi---低壓海水流量，m3·h-1；

Qso---增壓海水流量，m3·h-1；

η---能量回收效率；

η1---泵效率。

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