基于效能的反滲透造水機優化改造

趙天翔 左紅穩 劉昕

摘 要：隨著出航時間的不斷增加，造水系統的低位作用大大增加，某船反滲透造水機全船提供約80%的造水量，其運行穩定性直接導致用水需求的有效供給。該文立足某船反滲透造水機存在的問題，分析了某船反滲透造水機系統故障率高、效率低的特點，以效能為優化目標，對現行高壓泵進行了分析研究，提出了高壓泵換型、加裝能量回收裝置的綜合優化方案，最后進行了可行性分析，為某船反滲透造水機優化改造提供了理論支撐。

關鍵詞：反滲透 高壓泵 能量回收 優化

中圖分類號：TE95 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）01（c）-0038-03

某船海水淡化的方案主要有蒸餾法和反滲透法兩種，其中反滲透法為全船提供約80%的造水量，因此反滲透造水機是該船的重要的造水設備。自某船服役以來，兩臺反滲透造水機出現故障50多次，僅2015年下半年兩臺反滲透造水機出現高壓泵軸承損壞、反滲透膜內漏等14次故障，給船員生活用水保障帶來了極大的困難。

該文緊扣新技術，主要研究了如何在現有條件下對兩臺反滲透造水機進行優化改造，旨在進一步提高系統可靠性、降低設備故障率、提高系統運行效能、降低系統單位產水能耗，最大限度的保障船員長時間執行海上測控任務的用水需求，并將優化改造的可行性、經濟性進行了論證，為反滲透造水機優化改造提供了理論依據。

1 反滲透造水機工作原理

反滲透造水機包括兩個部分。一是預處理部分，由低壓泵、多介質過濾器、粗濾器、微濾器等組成，把反滲透膜的污染、結垢、損傷降到最低，從而使反滲透部分的產水量、脫鹽率、回收率、運行成本達到最優。二是反滲透部分，由高壓泵、緩沖器、反滲透膜、反滲透膜容器、清洗系統等組成。

2 反滲透造水機存在問題

現存反滲透造水機主要存在以下問題。

（1）系統故障率高。反滲透系統現有高壓泵為三柱塞往復高壓泵，利用三柱塞往復運動產生高壓，在運行的過程中主要產生下問題：軸承易損壞；對潤滑油要求較高；水壓脈沖大對膜產生沖擊；機體振動大使機組聯接件極易損壞。

（2）系統效率低。反滲透海水淡化時，回收率為30%，高壓濃水占系統流量的65%～70%，壓力>5.5 MPa。高壓濃水直接排入大海造成能量的大量流失。

3 優化方案設計論證

優化方案主要依據提高系統可靠性及系統效率的原則進行。

3.1 高壓泵選型論證

分析系統故障原因可知，高壓泵往復運動產生了很大的機體振動和壓力脈沖，并且高壓泵本身極易損壞、維護保養復雜，是反滲透系統故障率低的主要原因，因此考慮將高壓泵換型。我們查閱相關資料，發現Danfoss APP系列高壓泵能夠滿足改造需求。Danfoss APP系列高壓泵是斜盤式軸向柱塞泵，采用自潤滑系統，設計輕巧緊湊，具有以下特點。

（1）壓力脈沖小，可以有效減少對反滲透膜的沖擊。

不同類型高壓泵特性比較如表1所示。

（2）安裝位置靈活，無需皮帶傳動和齒輪箱。

DANFOSS高壓泵采用彈性聯軸節與電機泵軸直接連接，減少了傳動皮帶、齒輪箱等中間環節，提高了效率的同時安裝位置也更加靈活。

（3）采用自潤滑設計，無需潤滑油。

DANFOSS高壓泵使用流經液體即經過過濾的海水對自身進行潤滑，無需潤滑油。自身集成沖洗閥，在泵停用時可使海水從入口流經沖洗閥從而完成對泵的反沖洗。

（4）體積小、低振動、低噪音、重量輕。

由于設計緊湊，與傳統高壓泵相比，DANFOSS高壓泵體積較小，安裝不需改變原有結構。

從2010年138天維修記錄來看，高壓泵的高頻振動和壓力脈沖是造成故障的主要原因，選用新型小脈動高壓泵成為提高可靠性的重要保證，借鑒遠三反滲透造水機改造方案，高壓泵換型同樣選擇DANFOSS高壓泵，換型后反滲透造水機的故障率得到有效降低，設備可靠性顯著提高。

3.2 采用能量回收裝置選型論證

為了降低能耗，減少海水淡化的操作費用，通常在濃鹽水的排放管路上安裝能量回收裝置。目前能量回收裝置從工作原理上主要分為離心式和正位移式兩種，前者常與壓力，與無能量回收器的系統相比，對高壓泵出口壓力要求降低，系統的能耗更低；后者常與高壓泵并聯使用，利用鹽水余壓能直接增壓部分進料海水，降低了通過高壓泵增壓的進料海水的流量，提高了系統的經濟性。

目前國內的反滲透海水淡化廠所采用的能量回收裝置大部分都為美國PEI公司的水力透平（HTC）和美國ERI公司的PX兩種形式，二者在反滲透系統中的典型應用工藝如圖1和2所示。正位移式余壓能量回收器，由于其高達90%的能量回收效率，近年來得到了快速的發展，參考國際成熟的案例，我們在反滲透系統優化改造中選用了美國ERI公司的PX系列能量回收裝置。

該類裝置采用一個無軸陶瓷轉子，轉子上有12個軸向通道，轉子是唯一的活動部件，轉子由堅硬的陶瓷材料做成。套筒間分成高壓區和低壓區兩個部分，陶瓷轉子在套筒間自由旋轉從而通道也隨之旋轉，在任一瞬間，一部分通道與高壓鹽水相通，另一部分通道與泄壓鹽水相通，套筒中有密封區域隔離高壓區和低壓區。當通道位于高壓區時，高壓鹽水進入通道，將能量直接傳遞給進料海水，增壓后的海水從另一端排出。隨著轉子的旋轉，當通道位于低壓區時，低壓海水進入通道，將泄壓鹽水從另一端排空。此操作過程中，在高壓區內進入通道的鹽水在低壓區內被完全排放，在低壓區內進入通道的海水在高壓區內也被完全增壓。由于采用多通道設計，可以保證同時有多個通道進行增壓及泄壓操作，鹽水和海水進料及排出流動平穩性好。

正位移式能量回收裝置與高壓泵并聯使用，通過減少由高壓泵增壓的海水流量來降低總能耗。進料海水經過預處理后分為兩路，一路由高壓泵直接增壓到進膜壓力，流量約等于反滲透系統中產品水的流量。另一路不需經過高壓泵，能量由高壓濃鹽水的余壓提供，流量約為反滲透系統中濃鹽水的流量。與透平式能量回收裝置相比，高壓泵所需要的流量配置要求大大降低，可有效減小高壓泵的規格，其購買成本和運行電耗也相應降低。由于濃鹽水在經過膜組件后存在一定壓力降（0.5～2.0 bar），在能量回收裝置及管路中也有一定壓力損失（0.2～1.0 bar），濃鹽水能量以較高效率傳遞給進料海水后，海水實際壓力仍低于進膜要求壓力。因此需要在能量回收裝置后安裝增壓泵或壓力提升泵，將海水進一步增壓到系統操作壓力后與經過高壓泵增壓的海水混合，一同進入膜組件。

某船能量回收裝置的應用立足于現有管路和設備，不需要做電路上的變更，具體更改如圖3、4。

4 結語

該文分析了某船反滲透系統故障率高、效率低的特點，并以效能為優化目標，提出了高壓泵換型、加裝能量回收裝置的綜合優化方案， 最后進行了可行性分析，為測量船反滲透造水機優化改造提供了理論支撐。下一步將進行效能優化的定量分析，進一步精確回收率、單位產水能耗、綜合運行成本的分析。

參考文獻

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