可变负荷和可变回收率运行的小型苦咸水淡化装置的研发

冯宾春，张子皿

（中国水利水电科学研究院北京中水科水电科技开发有限公司，北京 100038）

可变负荷和可变回收率运行的小型苦咸水淡化装置的研发

冯宾春，张子皿

（中国水利水电科学研究院北京中水科水电科技开发有限公司，北京 100038）

为解决边远地区生活饮水安全问题，本文介绍了一种可变负荷和可变回收率运行的小型苦咸水淡化装置。该装置新增了变频器、电动阀和浓水回流管路，其中变频器和电动阀用于装置产水负荷的动态调节以增强对新能源发电输出功率波动的适应性，浓水回流管路可灵活设置装置的综合回收率，提高了对不同地区苦咸水的硬度和含盐量的适应能力。同时本装置还配有超滤、加药装置和UV杀菌器等较为完善的预处理设备，能适应不同的苦咸水进水水质（硬度、浊度和细菌污染等）。

可变负荷；可变回收率；苦咸水淡化；PID控制

1 研究背景

我国是淡水资源严重匮乏国家之一，仅西北地区就有2 000多万农牧民饱受苦咸水和高氟水的危害。同时，我国缺少安全水资源的苦咸水地区，通常经济欠发达，电力等基础设施薄弱，但风能、太阳能等新能源资源的丰富，可为苦咸水淡化提供必要的能源保障，其中新能源离网发电进行苦咸水淡化是解决偏远落后地区居民生活生产用水问题的较好措施。

目前苦咸水淡化技术中，膜分离技术具有广阔的前景［1-3］。同时，国内外新能源海水（苦咸水）淡化研究主要集中在风能、太阳能或风能-太阳能联合海水（苦咸水）淡化方面，并建设了较多的示范工程［4-9］，且以新能源发电后进行海水（苦咸水）淡化最为普遍。研究结果表明［10］，适用于新能源独立供电的海水（苦咸水）淡化技术MVC、RO和ED中，RO在经济和技术上最为可行。另外，现有小型苦咸水淡化装置中，通常未设计综合回收率调节管路，对不同苦咸水水质的适应性较差。

基于以上背景，本文设计了一套可动态变负荷运行和回收率可调的反渗透苦咸水淡化装置，经室内测试和现场运行表明，对新能源独立发电和苦咸水水质具有较好的适应性。

2 装置设计

常规苦咸水淡化设备主要包括预处理模块、脱盐模块、自动清洗模块和控制模块以及相关管路及阀门，其运行对供电的可靠性要求高，在配置有限的储能设备情况下无法适应新能源独立发电输出功率存在的波动性和间歇性，设备启停频繁，产水质量无保障且存在运行维护复杂、设备可靠性差和故障率高等不足。同时，各地苦咸水水质含盐量和成分差异大，通常特定的苦咸水淡化配置难以适应各种苦咸水水质。为此，本文对传统苦咸水淡化装置在工艺结构和控制策略上做了改进设计。

2.1 工艺结构设计图1和图2分别为传统的和改进的小型苦咸水淡化装置工艺图，图3是改进后装置的具体配置图。相对于传统工艺，改进主要集中在预处理、脱盐和回收率调节三个方面。

2.1.1 预处理部分除沿海因海水侵袭形成的苦咸水浊度较大外，一般内地的苦咸水因其成因和分布特点，通常具有低浊度、低有机物、高硬度和细菌含量少等特点，因此其预处理可适当简化。新装置采用超滤+UV杀菌器+软化剂的预处理方案，该装置可适用于包括海水浸入或人为污染以及有地表水介入等在内的各种苦咸水，具有更广的适用范围。

图1 传统小型苦咸水反渗透淡化装置工艺

图2 改进的小型苦咸水反渗透淡化装置工艺

图3 改进装置布置

2.1.2 脱盐部分 传统苦咸水淡化装置为常负荷运行模式，为了实现变负荷运行，新装置在高压泵供电线路上增加了变频器，并在浓水管路上增设电动调节阀。这样就可以通过变频器和电动阀的联动调节实现整个装置变负荷产水运行模式。

2.1.3 回收率调节管路 为了在进水水质允许的条件下尽可能提高系统回收率，以减少浓水排放及其环境影响，提高地下水资源的利用效率，改进后的工艺结构在浓水管路上增设了浓水回流支管，膜组件排出的浓水分别经浓水排放支管和浓水回流支管排向废水池和超滤产水箱，两条支管上均设有调节阀，可调节回流浓水比例，从而调节整个装置的综合回收率。该设计除了可以实现回收率自由调节外，对于特定的进水水质，该布置方案可以使脱盐模块所用的串联膜元件更少，从而上下游水流含盐量和流量差别更小，减轻了浓差极化对膜元件回收率的限制，更能充分利用膜元件的产水能力，同时也有利于提高装置的综合回收率和产水质量。

2.2 控制策略新装置在运行过程中主要有4种工况：开机、运行、停机和化学清洗，均在以变送器、电动（电磁）阀和PLC组成的控制系统的控制下自动进行。

2.2.1 开机过程 启动开启按钮，在PLC的控制下，打开预处理管路上的阀门，启动原水泵，超滤开始产水，同时UV杀菌器和加药装置开始工作。随着超滤产水水箱水位的上升并达到设定水位后，打开反渗透（RO）处理模块进水回路、浓水回路（含浓水回流支管）上的所有阀门，同时关闭产水管路阀门，打开产水流向浓水回路的阀门，通过变频器软启动高压泵，并调节根据监测到的各管路的流量调节相应的电动阀，使得RO回收率和装置综合回收率均满足设定值，同时实时监测产水水质（产水电导率）。当产水水质符合要求后，切换产水管路上的电磁阀，产水流向产水水箱，装置进入正常产水过程。开机过程管路水流如图4所示。

图4 装置开机过程管路水流路径

图5 膜壳内压力PID调节算法

2.2.2 产水过程 正常产水过程中，除产水流向产水水箱外，其他管路水流方向与启动过程一致。如果在此期间接收到装置外发出的产水负荷调节指令，PLC将根据电机的允许工作频率范围向变频器设定幅度的（向上或向下）变频指令，变频采用斜坡方式以减小变动带来的对电机和膜的冲击，同时实时监测浓水管路压力和产水/浓水（含回流和排放支管）流量，采用如图5所示的PID算法实时调节电动阀以实现膜壳内压力平缓变化和膜元件回收率稳定的调节目标。图5中r(t)为膜元件回收率设定值，c(t)为回收率实测值，e(t)为控制误差，u(t)为电动阀调节量。

图6 超滤反冲洗管路水流路径

另外，在正常产水过程中，超滤承受着拦截原水中悬浮颗粒和胶体的作用，容易受到污染，需要定期反冲洗。冲洗过程中首先关停原水泵及相关管路阀门，同时打开反冲洗排放阀，启动反洗泵，对超滤膜进行短时大流量反冲洗，此时装置中管路水流方向如图6所示。冲洗结束后，关停反洗泵，切换相关阀门，启动原水泵，装置进入常规产水模式。在实际设计中，超滤反洗标准采用定时和超滤压差超限两种控制参量。

2.2.3 停机过程 如果装置接收到停机指令，或在装置已运行在设定的最低频率值时接到外界发来的继续下调负荷的指令，装置就进入停机流程。进入停机流程后，首先将电动阀开度调节到最大，对RO膜元件进行低压冲洗，冲洗结束后高压泵停机，同时预处理系统进入上述的超滤反洗流程，反洗结束后，整个装置停机结束。

2.2.4化学清洗在超滤膜或反渗透膜性能明显下降时，就需要对其进行化学清洗。因化学清洗周期较长，一般为数月，同时需要配制清洗药液，所以在设计时本环节采用手动启动模式，一旦点击启动化学清洗按钮，整个清洗过程按设定流程自动进行。在装置中，超滤和RO共用一套清洗泵和清洗水箱，通过相应的阀门切换实现轮流清洗。超滤的清洗流程为：化学冲洗→浸泡→再冲洗→排水→反洗，RO的清洗流程与超滤相比冲洗前后增加了淡水冲洗，且无需反洗，其他流程类似。清洗过程中管路水流路径如图7和图8所示。

3 应用测试

本装置主要配置为：①2支超滤膜（招金膜天UF1IB160，并联布置）；②高压泵（南方泵业CDLF2-15，额定流量1.6 m3/h）；③4支RO膜（海德能CPA 2-4040，串联布置）。装置设计为连续产水模式，设计产水量为15m3/d，膜组件总回收率最高设计为40％。本装置先后进行了室内测试和现场运行测试。

图7 超滤化学清洗管路水流路径

图8 反渗透膜化学清洗管路水流路径

室内测试原水采用自来水加盐配置，测试周期为2 d，测试水温为24.7℃。整个测试期间，原水电导率为2 850～3 750 us/cm，产水电导率低于30 us/cm。测试数据见表1。

表1 室内测试结果

通过测试发现，本装置在接收到回收率和产水负荷调节指令后，当膜元件回收率处于25％～40％之间和高压泵的电机频率在30～50 Hz之间时能稳定可靠快速调整到指定工作状态，但当由于电机在30 Hz以下运行时，会出现因转速过低导致电机散热性能明显下降的现象。另外，室内测试时没有设置装置的综合回收率目标值，结果中的综合回收率仅供参考。在设计的40％膜组件回收率工况下（30～50 Hz），装置24 h产水量为17.78～27.90m3，明显高于设计产水量，但处于膜元件的额定产水量（8.5×4=34m3/d）范围之内。整个装置在最大产水负荷下耗电量39 kW·h/d，相应单位产水能耗为1.40 kW·h/m3。

表2 原水和产水水质指标结果

在室内测试的基础上，本装置在内蒙古达茂旗某地进行了现场运行测试，并进行了水质化验。因现场不具备通讯采集条件，试验数据主要来自在线仪表和触摸屏显示数据。现场测试过程中进行了综合回收率更大范围内的调节测试，最高达70％，其他测试内容与室内测试一致。测试结果显示装置基本性能与室内测试结果基本一致，装置运行稳定，原水和产水水质的主要指标结果如表2所示。从表2可以看出，装置70％综合回收率情况下总体脱盐率为98.95％，经分析计算，此时超滤产水水箱中水的含盐量为原水的2.4倍，RO膜组件的实际脱盐率达99.56％。基于同样换算方法，氟化物的脱除率为97.66％。该装置对盐和氟化物的脱除效果非常理想，产水水质明显优于文献［11］的有关规定。

4 结论

本文针对我国苦咸水分布广、分布地区苦咸水水质差异大、常规能源缺乏、新能源资源丰富等特点，设计了可变产水负荷、综合回收率可调、可适应不同浊度进水水质、自动化程度高的苦咸水淡化装置，并进行了室内测试和现场试运行，测试结果表明：（1）可在30～50 Hz范围内变负荷运行，对应产水量为17.78～27.90m3/d，单位综合产水能耗仅为1.40 kW·h/m3。（2）装置采用PID变负荷调节，性能稳定，调节速度快。（3）装置设计了浓水回流支管，在不改变膜组件回收率的情况下可方便调节装置综合回收率，对不同的苦咸水含盐量适应能力强。（4）采用超滤+加药+UV杀菌的预处理模式，可适应不同地区（内陆和沿海）的苦咸水水质。（5）脱盐率和脱氟率高，产水水质好。

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［11］GB5749-2006，生活饮用水卫生标准［S］.

Design and app lication of a sm all b rack ish w ater desalination p rototype w ith the characteristics of variab le load ratio and regu lab le recovery ratio

FENG Bin-chun，ZHANG Zi-m in
（China Institute ofWater Resourceand Hydropower Research，Beijing 100038，China）

In order to solve the problem of drinking water safety in remote regions，this paper presented a small brackish water desalination prototype with the characteristics of variable water production and recovery ratio which adds frequency converter，electric control valve and a concentrated water circulation pipeline. The frequency converter and the electric control valve can be used to dynam ically regulate water production to enhance the adaptability of the prototype to the power fluctuation of new energy generator，and concentrat⁃ed water circulation pipeline can be arranged to flexibly regulate comprehensive recovery ratio to improve adaptability to brackish water hardness and salinity of different regions.Meanwhile，the device equipped with more perfect pretreatment equipment，such as ultra filtration，dosing device and UV sterilizer，can be app lied to different brackish water quality（brackish water hardness，turbidity and bacteria pollution etc.）.

P747

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2014.04.018

1672-3031（2014）04-0442-05

（责任编辑：王成丽）

2014-09-23

?农业科技成果转化资金项目（2013GB23320628）

冯宾春（1971-），男，四川南部人，高级工程师，主要从事新能源和海水（苦咸水）淡化研究。E-mail：fengbch@iwhr.com

Key wrds：Variable load ratio；regulable recovery ratio；brackish water desalination；PID control