兩類能量回收裝置的海水淡化工程應用對比

汪程鵬，李東洋，王生輝，劉思晗，宋代旺

(自然資源部天津海水淡化與綜合利用研究所，天津 300192)

海島作為海洋經濟的重要載體，在資源開發、旅游開發、生態保護、國防建設等方面具有重要的戰略意義，但海島通常遠離大陸，水資源稀缺，調蓄水十分困難[1]。海水淡化作為非常規水資源的增量技術，能夠解決沿海地區及海島用水短缺的問題[2]。推進海島海水淡化工程建設，是保障我國離岸海島軍民用水安全的重要措施。能量回收技術能夠回收反滲透(RO)膜海水淡化排出的濃鹽水余壓，降低系統運行能耗，是海水淡化產業的關鍵技術之一[3-4]。

針對西沙某島日產1 000 m3海水淡化工程的一級RO系統，對兩組膜組分別采用了轉子式壓力交換和透平式兩種能量回收技術和裝置對RO系統進行節能設計，本文介紹了兩類能量回收裝置的工藝設計、產品選型、運行工況對比分析，可為海島海水淡化工程設計與建設提供參考。

1 能量回收裝置概況

RO海水淡化運行過程中需消耗大量能耗以提升海水進膜壓力，RO膜排出的濃鹽水余壓高達5.5～6.5 MPa，通過能量回收技術將這部分余壓進行回收再利用，可有效降低40%～50%的海水淡化能耗[2,4]。能量回收裝置能夠大幅降低海水淡化的運行成本，是海水淡化產業鏈中的關鍵環節和核心裝備。轉子式壓力交換能量回收裝置和透平式能量回收裝置是目前海水淡化應用較多的兩類產品(圖1)，轉子式壓力交換能量回收裝置以美國PX產品為代表，屬于自驅動能量回收裝置，主要由無軸陶瓷轉子、配流盤等組成，圓周分布的縱向溝槽(類似于微型液缸)貫穿于轉子，高壓濃鹽水推動陶瓷轉子旋轉，使多個縱向溝槽分別在兩側靜止的配流盤高壓區和低壓區交替轉換切入，實現高壓濃鹽水與低壓原海水的能量傳遞[4]。透平式能量回收裝置采用透平和泵連軸的結構設計，通過透平將膜組件排放的高壓濃鹽水壓力能轉換為機械能，驅動泵轉動對原海水增壓，達到節能降耗的目的。

圖1 兩類能量回收裝置內部結構對比

2 工藝設計

2.1 工程概況

西沙某島是珊瑚島礁類型，島上水資源缺乏，常年依賴雨水收集和船運補給。為解決用水短缺問題，采用1 000 t/d[(2×500)t/d運行+500 t/d備用]雙膜法處理工藝。通過預處理、超濾、兩級RO、后處理等一系列工藝[5-6]，其工藝流程如圖2所示。原海水首先經潛水泵進入斜管沉淀池進行混凝沉淀，然后經過自清洗過濾器、超濾裝置的過濾后進入帶有能量回收裝置的一級RO系統脫鹽；一級RO產水部分進入二級RO系統進行進一步脫鹽；二級RO產水與部分一級RO產水混合、調質、殺菌，最終由供水泵送至供水管網，產水可達到《生活飲用水衛生標準》(GB/T 5749—2006)。

圖2 海島海水淡化工程工藝流程

海水淡化技術指標如下：超濾系統出水水質SDI≤3，渾濁度≤0.1 NTU，TSS≤1 mg/L；超濾系統平均水回收率≥90%；一級RO系統脫鹽率≥99.2%；二級RO系統脫鹽率≥99%；一級RO系統水回收率≥40%；二級RO系統水回收率≥90%；混合產水TDS≤100 mg/L。

2.2 一級RO系統設計

2.2.1 工藝流程

一級RO系統主要設計參數包括：進水流量為55 m3/h，淡水回收率為41%，產水流量為26.4 m3/h，濃水流量為32.4 m3/h，進膜壓力為4.9 MPa，濃水壓力為4.8 MPa，高壓泵揚程為310 m。

(1)轉子式壓力交換能量回收

采用轉子式壓力交換能量回收裝置的一級RO系統動力中心工藝流程如圖3(a)所示。海水經保安過濾器后分為兩股，一股進入高壓泵加壓，一股進入PX能量回收裝置-循環增壓泵加壓，加壓后的兩股混合后進入膜組脫鹽，產出的淡水進入一級RO產水池，高壓濃水進入PX能量回收裝置對原海水進行加壓，從而實現能量的回收利用。

(2)透平式能量回收

采用透平式能量回收裝置的一級RO系統動力中心工藝流程如圖3(b)所示。海水經高壓泵加壓后進入能量回收泵側進一步加壓，加壓后的海水進入RO膜組脫鹽，產出的淡水進入一級RO產水池，濃水進入能量回收透平側，通過“壓力能-機械能-壓力能”的轉化途徑對進入泵側原海水進行加壓，從而實現能量的回收利用。

圖3 一級RO系統工藝流程

2.2.2 設備選型

(1)轉子式功交換能量回收

高壓泵、PX能量回收裝置、循環增壓泵的參數配置如表1～表3所示。高壓泵采用九柱塞高壓泵，能量回收裝置采用PX-180S產品，循環增壓泵形式采用多級離心泵，PX-180S過流件材質采用陶瓷和超級雙相鋼2507。循環增壓泵要求額定流量為33.75 m3/h，額定揚程為35 m。

表1 高壓泵主要參數配置

表2 PX能量回收裝置主要參數配置

表3 循環增壓泵主要參數配置

(2)透平式能量回收

高壓泵及透平式能量回收裝置設備選型如表4和表5所示。高壓泵采用多級離心泵形式，高壓泵及能量回收裝置的主體均采用雙相鋼2205，軸承材質PEEK，整裝機封John Crane-API682 USA。

表4 高壓泵主要參數配置

表5 透平式能量回收主要參數配置

3 運行及評價

一級RO海水淡化系統現場如圖4所示，系統運行120 d，兩種類型能量回收裝置的運行數據隨機各選取5組，分別如表6和表7所示。依據《海水淡化裝置能量消耗測試方法》(HY/T 245—2018)進行產水能耗的測試，兩類的能量回收裝置的一級RO脫鹽率都不小于99.2%，采用PX能量回收裝置的一級RO回收率為40%，噸水能耗為3.04 kW·h，采用透平式能量回收裝置的一級RO回收率為40.5%，噸水能耗為3.34 kW·h。兩者的能耗差異是由于工作原理不同造成的，通常PX能量回收裝置采用直接壓力交換方式，效率高達97%，透平式能量回收裝置采用“壓力能-機械能-壓力能”的轉換方式，效率為60%～80%。

圖4 一級RO系統現場

表6 采用PX能量回收裝置的系統數據

表7 采用透平式能量回收裝置的系統數據

(1)設備及閥控元件

PX能量回收裝置工藝采用高壓泵+循環增壓泵+PX能量回收裝置“分布式”設計方案，透平式能量回收裝置工藝采用高壓泵+透平式能量回收裝置“集成式”設計方案，電機、泵、能量回收裝置一體化形式如圖5所示。電機、高壓泵和透平式能量回收裝置共用底座并附有配套地腳螺栓固定，結構較緊湊，穩定性更強。另外，高壓閥、低壓閥、壓力表、流量計等閥控元件數量減少，操作更為簡便。

圖5 能量回收裝置一體化設計

(2)管路數量

配置PX能量回收裝置的系統方案管路數量較多，配置透平式能量回收裝置的系統方案管路連接數量較少，如圖4所示，兩者的高壓管路分別為6根和4根，低壓管路分別為3根和1根，管路連接簡化。管件數量減少有助于降低泄漏危險系數，系統運行更安全穩定。

(3)噪聲振動

采用希瑪噪聲測試儀AS-804B和希瑪測振儀AS-68A進行現場噪聲和振動檢測，不開機環境噪聲為40～50 dB，配置PX能量回收裝置的噪音為94～99 dB，振動為2.0～4.0 mm/s，聲音尖銳。配置透平式能量回收裝置的膜組，噪音為80～88 dB，振動為0.7～1.5 mm/s，聲音低沉。此外，發現采用透平式能量回收裝置的系統管路水流及水沖擊噪聲較大，分貝數能達到100 dB。噪聲差異原因是九柱塞高壓泵和陶瓷轉子式PX能量回收裝置的結構形式，兩者都存在部件的摩擦，噪聲大，而多級離心式高壓泵和透平葉輪形式的能量回收裝置，過流部件無直接接觸，噪聲小。透平式能量回收裝置技術指標基本符合《海水淡化反滲透膜裝置測試評價方法》(GB/T 32359—2015)和《反滲透能量回收裝置通用技術規范》(GB/T 30299—2013)等標準規定。

4 結論

(1)PX能量回收裝置和透平式能量回收裝置在RO海水淡化的成功實施，基于PX能量回收裝置和透平式能量回收裝置的工作原理不同，兩者均有效地降低了海水淡化的運行能耗和運營成本，前者能量轉換效率高，噸水能耗為3.04 kW·h，后者能量轉換效率低于前者，噸水能耗為3.34 kW·h。

(2)采用PX能量回收裝置的RO系統噪聲振動稍大，噪音為94～99 dB，振動為2.0～4.0 mm/s，結構布局分散；采用透平式能量回收裝置的噪聲振動低于前者，噪音為80～88 dB，振動為0.7～1.5 mm/s，設備、管路、閥控元件等數量減少，結構布局緊湊，設備操作簡便。

(3)PX和透平式兩類能量回收裝置及技術的海水淡化工藝設計及工程應用，為海水淡化工程應用及運營提供了一定的借鑒指導作用。