船舶反滲透海水淡化工藝研究

紀運廣，劉 璐，劉永強，薛樹旗，楊守志

(1. 河北科技大學 機械工程學院，河北 石家莊 050000；2. 石家莊海闊捷能科技有限公司，河北 石家莊 050000)

0 引 言

船舶在遠航任務中，人員、設備都需要消耗大量淡水，在船舶中加裝海水淡化裝置是解決船用淡水這一問題有效途徑。海水淡化的主流技術主要有多效蒸發（MED）、多級閃蒸（MSF）和反滲透（SWRO）[1]3種。據統計，全世界淡化市場(含苦咸水淡化)中，反滲透法占88%[2]。就我國而言，相對于一次性投入較高且能源消耗較大的MED、MSF淡化方法，SWRO海水淡化具有更高的經濟效益。船用小型系統一般不配備能量回收裝置，造水能耗普遍過高。

1 傳統船用反滲透海水淡化系統工藝流程

海水由供水泵抽水進入預處理系統，去除掉地表海水中存在的雜質，確保反滲透海水淡化系統能長期穩定地運行，經預處理后的海水水質應達到反滲透膜元件的進水水質要求[3]。過濾后的低壓海水進入高壓泵加壓進入反滲透膜組件。高壓海水在反滲透膜的處理下，一部分原水透過膜形成淡水，而膜的另一側的高壓濃水通過泄壓閥排放（見圖1）。

圖 1 傳統船用反滲透海水淡化工藝Fig. 1 Traditional reverse osmosis seawater desalination process

2 傳統船用反滲透海水淡化系統的缺陷

2.1 功耗過高

按照通常40%的水回收率計算，傳統工藝中濃海水中約有60%的進料壓力能量，具有巨大的回收價值和意義[4]。由于船舶空間有限，船用反滲透海水淡化系統多為小型系統，傳統小型系統無能量回收裝置[5]。反滲透高壓泵驅動電機配置功率大，能耗普遍高，增加船舶的電力負荷。

2.2 噪聲過大

國內外中小型船用反滲透裝置的高壓泵，基本屬于柱塞泵或隔膜泵，自身存在噪聲大問題。再加上艦船上空間狹小，噪聲經過反射與疊加，嚴重影響操作人員的工作狀態和身心健康。

3 帶能量回收裝置的反滲透海水淡化工藝

目前海水淡化系統中的能量回收裝置可分為水力透平式和功交換式2種。水力透平式效率較低，特別是低流量時效率更低，故不適合用于小型的船用海水淡化設備中。功交換式能量回收裝置分為活塞閥控壓力交換器和轉子式壓力交換器2種[6]。

在功交換式能量回收的海水淡化工藝中：膜組件的進水一部分由高壓泵提供，流量等于膜組件的產水量，一部分由能量回收裝置提供，流量約等于高壓濃海水流量。高壓泵在經過膜組件時有一定的壓降（0.05～0.2 MPa），因此，從能量回收裝置流出的海水壓力達不到膜組件的進水壓力要求，故需要增加增壓泵，使得經能量回收裝置加壓的原海水達到膜要求壓力。其工藝流程如圖2所示。

圖 2 帶能量回收裝置的海水淡化工藝Fig. 2 Seawater desalination process with energy recovery device

4 傳統船舶反滲透海水淡化能量回收裝置的弊端

系統組成包括各種過濾器、供水泵、高壓泵、增壓泵以及閥門以及各種儀表，整體占用空間較大?？刂葡到y復雜、自動化程度低、可操作性差；現有的高壓泵、增壓泵和能量回收裝置噪聲大。所以此種工藝控制模式反滲透海水淡化系統適用于中型和大型陸用反滲透海水淡化廠使用，對于船舶用反滲透海水淡化裝置并不適用。

5 新型船用海水淡化系統工藝方法研究

該系統的工藝過程為海水經供水泵供壓流經濾網、100 μm濾芯、10 μm濾芯去除海水中的懸浮物和固體顆粒。過濾后的原水由中壓供水泵加壓進入三合一循環泵，該裝置采用2個帶活塞的反向液壓缸，共享一根通過中心的單桿?；钊寗又刂崎y，使液壓缸在驅動和加壓之間相互轉化。裝置在功交換式能量回收原理的基礎上，采用濃水循環增壓的方式設計，將膜排放的高壓濃水壓力直接傳遞給原水，使原水壓力提升至反滲透所需的工作壓力。原水透膜脫鹽形成淡水，而膜的另一側的高壓濃水進入能量回收裝置繼續對原水加壓。其工藝流程如圖3所示。

圖 3 新型船用海水淡化工藝流程Fig. 3 New seawater desalination process with energy recovery device

6 三合一循環泵的工作原理

三合一循環泵是系統的核心部分，主要由液壓缸、活塞、兩位四通換向閥、單向閥以及先導閥構成。2個活塞共用1根單桿將2個液壓缸分為4個腔室。兩側的2個腔室（1#、4#腔）為原水腔，中間的2個腔室（2#、3#腔）為高壓濃水腔。

如圖4所示，當高壓濃海水從反滲透膜組件中排出時由兩位四通換向閥進入左側液壓缸一個的高壓濃水腔，高壓濃水具有較高的壓力，一般為5.5～6.5 MPa，可推動活塞對相鄰的原水腔里的低壓原水加壓，進行能量交換，增壓后的高壓原水由單向閥流出進入膜組件完成反滲透過程。此時左側液壓缸完成的是能量交換對原水增壓的過程。而同時右側液壓缸進行的是原水進腔、濃水排放的過程，由中壓供料泵加壓使原水經單向閥進入右側液壓缸的原水腔（4#腔），由于此時高壓原水的壓力大于中壓原水，單向閥2和3處于反向截止狀態，故中壓原水只能進入左側的原水腔中，推動活塞向左運動將右側濃水腔（3#腔）中的濃水泄壓由濃水排放口排放出去，左右2個液壓缸的動作同時進行，左側高壓原水和右側的中壓原水分別同時進入相應的腔體共同推動活塞組件向左運動，共同把能量傳遞給原水，并且將低壓的濃水排放。

當活塞運動到最左側時，如圖5所示，觸碰先導閥閥針，先導閥被活塞推動到左側進行換向，此時一小部分的原水隨著先導閥的換向被引入到兩位四通換向閥的另一側的空腔里，推動閥芯進行換向，換向閥換向后，高壓濃水被引入右側的液壓缸的濃水腔，單向閥1和4反向截止，中壓原水經單向閥3進入左側的原水腔中，與高壓濃水一起推動活塞組件向右運動，將能量傳遞給右側的原水，并且將低壓濃水進行排放。通過活塞碰撞先導閥針對先導閥進行換向，引導原水推動換向閥閥芯進行換向，高壓濃水和中壓原水可持續將能量傳遞給原料海水。

圖 4 三合一循環泵工作原理（1）Fig. 4 Three-in-one circulating pump work principle (1)

圖 5 三合一循環泵工作原理（2）Fig. 5 Three-in-one circulating pump work principle (2)

7 壓力及流量的確定

在理想壓力條件下，濃水排放口的壓力忽略不計，則裝置滿足：

圖 6 裝置壓力分布情況Fig. 6 Pressure distribution in the cylinder

裝置流量滿足：

便可以能滿足反滲透膜的工作流量，不需要另外添加高壓泵補充流量。

圖 7 裝置流量分布情況Fig. 7 Flowrate distribution in the cylinder

綜上所述，整個工藝系統中三合一循環泵不僅能回收高壓濃水中的能量，而且起到增壓和補充流量的作用，是集高壓泵、增壓泵和能量回收功能于一體的設備，減小了整個工藝流程的復雜程度。

8 中壓供料泵的選擇

中壓供料泵的選擇也是一個關鍵性問題。首先效率是決定性因素，偶爾海水中會伴有泥沙，所以泵的兼容性和耐受性也很重要。柱塞泵在壓力較低的情況下其效率會低很多，而離心泵在所有壓力和流量范圍內其效率都小于40%。綜合效率、兼容性、耐受性和控制回收率等多方面因素最終選擇單螺桿泵作為中壓供料泵。它可以在流量較小時依然達到較高的效率，它相對于其他泵具有下列諸多優點：1）能輸送高固體含量的介質；2）流量均勻壓力穩定，低轉速時更為明顯；3）流量與泵的轉速成正比，因而具有良好的變量調節性；4）體積小，重量輕，噪聲低，結構簡單，維修方便。

9 性能實驗

設計研發1臺1 m3/h三合一循環泵樣機（見圖8），搭建實驗平臺測試其壓力、流量等參數，計算其能量回收效率和噸產水能耗。實驗平臺主要由中壓供料泵、多介質過濾器、三合一循環泵、反滲透膜和儲水箱等海水淡化工藝必須設備組成。在三合一循環泵的進出口配有壓力表和流量計。實驗系統如圖9所示。

實驗介質采用32 000 ppm模擬鹽水，整個實驗過程維持溫度在25℃±5℃。反滲透膜的回收率為10%。唯一的耗電設備中壓供料泵采用變頻器控制。調節中壓供料泵的頻率改變進口壓力，記錄三合一循環泵各進出口壓力流量變化，計算其能量回收效率。數據如表1所示。

圖 8 1 m3/h三合一循環泵樣機Fig. 8 Prototype of 1 m3/h circulating pump

圖 9 實驗系統圖Fig. 9 Experimental system diagram

表 1 實驗數據記錄Tab. 1 Experimental data record

表1中，F為中壓供料泵的頻率，Hz；為高壓原海水壓力，MPa；為原海水壓力，MPa；為高壓濃海水壓力，MPa；為高壓原海水流量，m3/h；為原海水流量，m3/h；qc為高壓濃海水流量，m3/h；E為三合一循環泵的能量回收效率，%。

中壓供料泵需要提供的壓力范圍大概為0.7～1.0 MPa，噸水能耗可實現3.2 kWh，三合一循環泵的能量回收效率可達到90%以上。

10 新型船用反滲透海水淡化工藝與傳統船用海水淡化工藝比較

10.1 功耗低

整個海水淡化工藝系統中加裝了能量回收裝置，工藝中原水增壓主要靠高壓濃水的能量傳遞以及一小部分的中壓原水能量傳遞，可有效回收利用反滲透膜中的高壓濃水的能量，相對于傳統海水淡化工藝僅依靠高壓泵對原水進行加壓使其滿足反滲透的工作壓力，新型工藝大大降低了設備運行的功耗。

10.2 操作簡單

新型海水淡化工藝反滲透過程中僅需要一個中壓供料泵便可以維持整個系統的運行，可實現一鍵啟停，采變壓力-恒產水率新型工藝控制模式，回收率相對固定，不需要調整濃水的排放壓力；控制簡捷，海水鹽度、溫度變化以及膜結垢時，反滲透壓力可自動適應調整。系統組成簡單，安全可靠，易于控制，更適用于船舶上使用。

10.3 噪聲低

從各種液壓泵的供液原理可知，在液壓泵吸液和壓液循環中，會產生周期性的壓力和流量變化而形成流量和壓力脈動，這種壓力和流量脈動將引起液壓系統及設備產生振動發出噪聲。反滲透海水淡化工程中高壓泵主要是往復式柱塞泵和多級離心泵，經過大量實踐證明，柱塞泵和離心泵的壓力脈動較大，所產生的噪聲也較高。而本文中所設計的容積式能量回收裝置的流量和壓力脈動頻率（工作頻率）為：

式中：q為高壓濃海水的流量；V為壓力交換缸的容積，；n為壓力交換缸的數量。

其流量和壓力脈動頻率相對于一般的往復式柱塞泵和多級離心泵較低，所以系統及設備產生的振動較小。本文介紹的新型反滲透海水淡化工藝中僅需1臺中壓供料泵，且選配的是單螺桿泵，螺桿泵是無需配流器流量脈動率幾乎為0的容積泵,可謂是本質安靜型低噪聲液壓泵。所以新型反滲透海水淡化工藝中的三合一循環泵和中壓供料泵的總噪聲比傳統工藝（高壓泵、增壓泵和能量回收裝置組合）的噪聲要低得多。

10.4 設備占地面積小

新型反滲透海水淡化工藝其本身設備數量相對傳統工藝設備數量較少，占地面積較小。三合一循環泵是本工藝中最為復雜的設備，考慮到體積和復雜程度問題，故將其進行集成化設計。將換向閥、先導閥和單向閥集成到液壓閥塊中，對液壓閥塊的流道和閥芯進行優化設計。實現了平穩的切換，并有效降低了換向時的壓力波動。這樣保證了裝置的體積得到大幅縮減，整個工藝設備的占地面積進一步縮小。

11 應用前景

本文提出的變壓力-恒產水率新型工藝解決了遠洋船舶淡水補給難題，提高了船舶遠洋續航能力；減小了船用動力配裝功率，節約了能源消耗和造船成本；簡化了海水淡化裝置泵機及其控制系統配置，提高了可靠性和易操作性。此技術可推廣應用于民用遠洋運輸船舶、海上作業平臺、海上執法救援船舶和遠洋作業漁船等，具有廣泛的應用價值。

12 結 語

新工藝采用一種變壓力-恒產水率新型工藝控制模式，該工藝控制模式與目前常規反滲透海水淡化流程恒壓力-變產水率工藝控制模式相比較，系統組成簡單，安全可靠，易于控制。在新型反滲透海水淡化工藝中采用集高壓泵、增壓泵和能量回收裝置為一體的三合一循環泵，充分利用反滲透膜排出的高壓濃海水的余壓能量，高效率地把高壓進料海水壓入反滲透膜組件，且三合一循環泵還具有體積小、噪聲低等突出優點，可滿足船舶海水淡化設備小型化、節能化的要求。

[1]劉茹. 海水淡化技術的發展[J]. 內江科技, 2007, 10: 121.

[2]盧彥越. 反滲透海水淡化系統優化設計的研究[D]. 青島: 中國海洋大學, 2004.

[3]施博. 渤海海水反滲透淡化預處理研究[D]. 天津: 天津工業大學, 2007.

[4]張建中, 杜鵬飛, 張希建, 等. 反滲透海水淡化能量回收裝置的研制[J]. 水處理技術, 2010, 6: 42–46.

[5]梁承紅, 邢紅宏, 李蔭, 等. 反滲透海水淡化技術在艦船上的應用[J]. 化學工程與裝備, 2011, 10: 180–182.

[6]潘獻輝, 王生輝, 楊守志, 等. 反滲透海水淡化能量回收技術的發展及應用[J]. 中國給水排水, 2010, 16: 16–19.