海水反滲透淡化系統中的能量回收裝置

楊若雪

（湖北省電力勘測設計院，湖北 武漢 430040）

1 海水反滲透淡化（SWRO）的成本與能耗

在海水淡化技術發展中，降低成本一直是需要考慮的一個重要因素，在當下，海水反滲透淡化（SWRO）是將海水進行淡化的最主要的技術，自從將該技術投入運用以來，就一直在尋找如何將成本進行降低的方法。

海水反滲透淡化（SWRO）的成本，主要取決于投資費用和能耗兩個方面。投資費用方面，近年來RO膜組件價格明顯降低，據報道，1993到1995年膜降價20%。然而，僅依靠膜技術的發展降低成本還不夠，運行成本的組成中能量消耗情況最為嚴重，所以將能量消耗進行降低是當前將海水淡化成本進行降低的主要手段。

2 兩種主要的能量回收技術

目前，國際上被實際應用的能量回收裝置主要有兩種技術：一種是渦輪增壓式（Turbo-Booster），另一種是壓力交換式（Pressure Exchange）。

2.1 渦輪增壓式

渦輪增壓技術中，高低壓流體需要以葉輪和軸為載體，才能將能量進行傳遞，即通過機械能作為流體能量傳遞過程中的載體能量，其原理是利用高壓濃海水驅動渦輪機轉動，渦輪機與高壓給水泵電機同軸連接，將能量輸送至進料原海水，能量的轉換過程為壓力能先轉換為機械能再轉換回壓力能。這種技術的節能機理是根據在將高壓流體的壓力能進行回收過程中，還可以將高壓泵的提升壓力差進行減少，從而達到將系統的能耗進行降低的目的。目前投入應用的能量轉化裝置中采用渦輪增壓技術的典型有逆轉泵型（Francis Pump）、佩爾頓型葉輪型（Pelton Wheel）和水力透平型（Turbo Charger）等。

2.2 壓力交換式

由于渦輪增壓技術是將壓力能轉化為機械能再轉化回壓力能，裝置回收效率受到能量多次轉換的影響，人們開始研制不用將機械能當成能量轉換過程中的載體的能量回收裝置。在20世紀80年代時，出現了一種新型的壓力交換能量回收技術，將不需要機械能轉換就能夠將濃海水壓力能直接傳遞到進料海水的想法進行實現。所以，該技術得到了支持，并且也應用在了有關的工業領域。該技術的原理，是通過界面或者是隔離物，直接將高壓濃鹽水的壓力向低壓進料海水進行傳遞，傳遞過程不需要用到機械輔助裝置。能量的轉換過程是壓力能之間的轉換過程，該過程得到最大程度的簡化，使能量回收效率得以提升。這種技術的節能機理，需要的前提就是產量不變，然后在此情況下，將通過高壓泵的流量進行降低的方式，將系統的能耗進行減少。經過多年的研究以及技術的挖掘，現如今，已經存在兩種基本的壓力交換器，并將其投入市場進行應用：一種是利用閥和活塞實現能量交換的活塞式壓力交換器，另一種是僅用轉子實現能量交換的轉子式壓力交換器。

轉子式壓力交換器：轉子式壓力交換器中，美國ERI公司的Pressure Exchange-PX轉子式壓力交換器主要是由一個無軸陶瓷轉子所著稱，沿轉子軸向開有數個溝槽(類似于多個微型液缸)，原理是高壓濃鹽水推動轉子旋轉，使多個微型溝槽能夠在兩邊靜止的配流盤高壓區以及低壓區中相互交替轉換從而切入，進入到高壓區的微型液缸中，從而達到能量回收傳遞的目的，然后向外排液，進入低壓區的微型液缸中，將原海水進行補液，利用PX的系統需要與增壓泵相互配合，被加壓后的海水通過增壓泵進一步升壓以匹配主海水泵的出口壓力進入RO系統。在轉子式壓力交換器中，高壓濃鹽水與低壓原海水之間能夠將壓力進行直接傳遞，水在多個微型液缸中能夠停留的時間不是很長，兩種液體通過一段封閉的“液體活塞”將其進行分開。

表1 AT-1800與PX-220分別應用于海水淡化廠近似產水量下能耗對比

3 兩種能量回收裝置應用于海水反滲透系統的整體能耗及成本比較

在能量回收裝置的應用上，人們普遍認為PX轉子式壓力交換能量回收裝置的回收效率最高，應用到海水反滲透系統中能最大程度地降低能耗，成本最低。然而回收效率并非一個準確反映真實能耗的指標。PX能量回收裝置僅考慮裝置本身的回收效率高于渦輪增壓（Turbo-Booster）能量回收裝置，沒有整體考量額外增設增壓泵、濃水與進水的竄水導致進水高壓泵壓力升高，以及反滲透膜運行壽命降低等種種問題造成的能耗和成本。這種回收效率的比較對于實際工程中能量回收裝置的應用和選擇沒有太大意義。在實際工程的應用中，選用哪種能量回收裝置可以最大程度地降低整個系統運行的能耗和成本才是真正應該著眼的關鍵。我們以每立方米產水需要消耗多少能源，即額定能源消耗度數（kWh/m3），作為比較不同能量回收裝置能耗的參數，可以清楚地得出哪種能量回收裝置能耗降低程度大，成本低。

表1比較了PEI公司的AT渦輪增壓能量回收裝置應用于位于埃及Sharm El Sheik的海水淡化廠，和ERI公司的PX壓力交換能量回收裝置應用于位于阿拉伯聯合酋長國Ghaliah的海水淡化廠，這兩個案例在近似產水量下的額定能源消耗度數。

由表1可知，在近似產水量的條件下，渦輪增壓（Turbo-Booster）能量回收裝置的額定能源消耗度數要低于PX能量回收裝置。海水反滲透淡化系統中能量回收裝置的選擇，除了主要考慮能耗成本，還需考慮產品的安裝、操作維修、占地空間等方面的成本。表2列出了渦輪增壓（Turbo-Booster）能量回收裝置和PX能量回收裝置在這幾個方面成本的比較。

表2 Turbo-Booster與PX在安裝、操作維修、占地空間方面對比

由表1、表2我們可以得出，渦輪增壓（Turbo-Booster）能量回收裝置不論在能耗方面還是在安裝、運行、占地等方面的成本都低于PX能量回收裝置。這對于實際海水反滲透淡化工程中能量回收裝置的應用選擇具有重要的參考意義。目前業內能量回收廠商發布的全世界的能量回收裝置使用量和產水量的信息見表3。

表3 目前兩種能量回收裝置在世界范圍內應用情況

由表3我們可以得出，無論從安裝數量還是從運行產水量來看，渦輪增壓（Turbo-Booster）能量回收裝置都明顯占主導地位。

4 結語

海水反滲透淡化系統中能量回收裝置的應用能夠將海水反滲透淡化的生產成本進行大量降低，使反滲透淡化技術得到升華，使其成為競爭力極強和發展速度極快的一種海水淡化技術，前景廣闊。渦輪增壓式能量回收裝置采用機械能作為壓力傳遞媒介，壓力交換式能量回收裝置利用流體壓力直接交換原理，兩種能量回收裝置都有各自的優勢和弊端。通過綜合比較兩種能量回收裝置應用于海水反滲透系統的整體能耗及安裝、運行等其他方面的成本，我們可以得出結論，渦輪增壓式能量回收技術應用到海水反滲透系統中能較大程度地降低整體的能耗及成本。從目前兩種能量回收裝置以世界的應用角度來看，渦輪增壓式能量回收裝置仍占據主導地位。