宁德核电站海水淡化处理技术研究

宣仲元沈学奇

（1．西门子（中国）有限公司，上海 200082；2．浙江欧美环境工程有限公司，浙江 湖州 313000）

宁德核电站海水淡化处理技术研究

宣仲元1沈学奇2

（1．西门子（中国）有限公司，上海 200082；2．浙江欧美环境工程有限公司，浙江 湖州 313000）

本文以该海水淡化工程为案例，介绍了我公司膜法海水淡化工艺中的多级系统，如海水取水系统、预处理系统、予脱盐系统（SWRO）、二级除盐系统（RO2nd）等，并对宁德核电工程的制水成本经济进行了分析。

海水淡化；膜法工艺；设备选型；核电站； 反渗透

1 膜法海水淡化

福建宁德核电项目是我国国家核电中长期发展规划颁布后，采用CPR1000技术方案开工的第一个百万千瓦级核电项目， 规划总装机6台100万千瓦级压水堆核电机组。经过数轮研究论证，中广核宁德核电站采用了陶氏化学高科技反渗透膜海水淡化技术。其中混凝澄清处理部分是我公司一项非常成熟的先进工艺，在海水项目及其它水质中有着较多的成功经验；SW30HR LE-400i型号膜元件是海水淡化系统的安全制水成本最低的关键，采用独特的iLEC 端面自锁连接专利技术，具有最高的产水率和脱盐率，不仅能减少系统的运行成本，而且还能减少产水“O”形密封圈的泄漏，避免水质下降。在海水淡化中大量使用超双相钢（2507）替代超级合金钢在国内尚属罕见。

1.1 基础资料

1.1.1 设计部分参数。海水总固体含量：30000～37000 mg/L；悬浮物含量为12～150mg/L；水温：8～28 ℃（1980～2003年为依据）；pH: 7.0～8.0；B的浓度： 4.2 mg/L

1.1.2 工艺系统流程。海水→混凝沉淀池→V型滤池→细砂过滤器→自清洗过滤器→海水反渗透（带能量回收装置）→二级反渗透

1.2 海水淡化工艺中的主要系统

1.2.1 海水预处理系统。反渗透系统能否安全运行取决于预处理系统的运行情况。海水反渗透（SWRO）给水预处理技术主要包括消毒、混凝、澄清、过滤等常规预处理工艺及以微滤（MF）、超滤（UF）和纳滤（NF）为代表的新膜法预处理工艺。预处理的目的为：①除去悬浮固体，降低浊度；②控制微生物的生长；③抑制与控制微溶盐的沉积；④调整进水温度和pH；⑤去除有机物；⑥控制金属氧化物和含硅化合物沉淀。

1.2.2.1 混凝澄清沉淀系统。依据水质分析报告，秦屿镇近海滩取水水质具有含泥沙量大、悬浮物、有机物、浊度等较高特点，为了去除海水原水中的悬浮物、胶体、微生物等物质，达到满足反渗透进水水质要求，必须进行多级混凝沉淀处理。即采用混凝沉淀和V型滤池结合模式，前者功能可有效地去除水中的颗粒、细菌、有机物、悬浮物、浊度和部分胶体，使设计出水浊度小于3NTU，是本系统主要的预处理构筑物之一；后者进一步去除水中的悬浮物等，降低出水浊度，防止在海水发生大的波动时影响系统的正常运行，滤池设计出水浊度小于1NTU，期望值0.5 NTU。

表1 混凝沉淀预处理运行参数

1.2.2.2 过滤系统。经过混凝沉淀沉淀之后的海水仍然达不到SWRO进水水质的要求，还需进一步过滤才能满足其进水SDI小于4的要求。按照宁德核电国产化率的精神策略，综合成本及系统安全较高考虑，及运行、维护简单化等特点，经过多方论证，采用常规预处理方法，即细沙过滤和自清洗过滤结合方式。细砂过滤器共24台（4台备用），总处理量为1340m3/h，自清洗过滤器为原装进口，共3套（无备用），单台处理量为500m3/h。

1.2.3 动力系统。依据海水淡化工艺设计导则，为了提高能量利用效率，动力部分都会设置高压泵和能量回收装置，只是增压泵有所不同。

1.2.3.1 高压泵选型。高压泵是反渗透海水淡化技术关键设备，正确选择高压泵是系统安全、经济运行的关键。由于大型的海水淡化装置只能采用多级离心泵，所以选择高压泵一般要考虑以下问题：①水泵的效率，应选择效率高的水泵，因为效率的高低直接影响系统的经济性；②选择高效率覆盖范围广的高压泵，因为SWRO的通量会衰减，水泵的工作点会漂移；③选择扬程变化时流量变化较小的高压泵，因为影响SWRO渗透压的因素较多，水泵要在不同的工作点工作，但是SWRO产能及回收率变化不大；④选择检修维护容易的高压泵。

鉴于我公司大唐王滩项目、青岛电厂、昌邑柳疃项目的经验，宁德核电项目采用3台型号为MBN 80-255/08卧式多级离心泵（变频控制）。

1.2.3.2 能量回收装置。高压海水流经反渗透膜元件后除产水外，还有45%-60%的浓水只是克服了反渗透膜的水阻一段间压差，其中还蕴含了巨大的能量，所以“膜法”海水淡化必须设置能量回收系统。能量回收装置按照其能量转换形式基本上可以分为2种：一种是如涡轮增压器和涡轮机，其基本原理是高压水直接冲击叶轮，使其旋转产生机械能，同轴带动升压叶轮将给水压力升高；另一种是功交换器，也就是液一液直接传递压力的能量回收装置，如前最先进的能量回收设备是PX压力交换器（PX）。其中PX由于没有能量形态的变化，消耗的能量只是维持陶瓷转子的转动和润滑，因而单只元件的能量回收效率可高达95%左右。

由于PX系列的能量回收装置具有回收效率高，噪声低等特点，逐渐受到用户的青睐。PX压力转换器从外型看很简单，类似于短的反渗透压力容器；它的内部只有一个没有轴的、多通道的陶瓷转子，它在流体动力学的作用下在一陶瓷套筒内呈悬浮状态转动。

ERI PX元件已在我公司多个项目上取得成功，因此宁德项目选择了PX220，4套16支，每支元件设计量为180-220gpm。

1.2.4 脱盐系统。反渗透膜元件是SWRO脱盐技术的核心，因此选择品牌好、性能优异的膜元进就显得尤为重要。海水反渗透膜元件选择一般要考虑以下几点：①品牌效应：目前市场上主流品牌有DOW、Tory、Hydranautic、Nitto等，总所周知陶氏膜元件无论从市场占有率还是性能上，占据明显优势。②膜材质：反渗透膜元件从早期的醋酸纤维膜、脂肪族聚酰胺制成的复合物等逐渐发展到现在的新一代脂肪族聚酰胺制成的复合物，可以说具有更广的水质适应性、脱盐率高、通量高及运行压力低等特点，该复合膜目前收到市场广泛应用。③选择抗污染膜：一些项目对于水质要求比较苛刻，特别是膜抗污染性要求高，因此选择具有较强抗污染的膜元件非常重要，市场上知名品牌厂家都推出了适应市场需求的抗污染膜，而且性价比也非常高。④选择用途：依据不同水质用途选择相应的范围的膜元件也是重要因数。

宁德核电项目中选择了专用于海水淡化技术优级膜元件，即FILMTECTM

SW30HR LE-400i。同时具有最高的产水率和脱盐率，因而能使海水淡化系统的制水成本最低，优点如下：

①使用该元件设计的系统能够在更低能耗下运行，从而优化运行成本；或者在更低的通量下获得更多的产水量，从而优化投资成本。

②该元件具有最高的NaCl和硼脱除率，可以帮助客户满足世界卫生组织（WHO）的标准及其他饮用水的严格标准。

③在产水分段式海水淡化系统中选用该元件，不会削弱下游段的性能。

④该元件在制造过程中没有象其他元件制造商那样采用氧化性的后处理工艺提高短时的初始性能，因而能在长期运行中一直保持高性能。这就是为什么FILMTECTM 元件比其他品牌经久耐用，而且可在更宽的pH 范围（1～13）内进行更有效的清洗的关键原因之一。

⑤全自动、高精度的制造工艺，再加上“ 增加膜片数、缩短膜片长度” 的优化设计，减少了整体膜面的污堵效应，最大化膜元件的效率，并显著地降低了运行费用。

SWRO系统设计从经济及安全方面考虑，重点是确定膜元件的排列组合方式及系统回收率。以公司专用反渗透系统设计软件-ROSA作为设计平台，依据以下几个方面最终确定：

①依据进水水源水质，进水和产水流量以及所需的产水水质。

表2 不同温度下的比较

表3 不同工艺下投资成本经济性比较

②参考DOW-FILMTEC中文版膜技术手册，8英寸FILMTECTM元件在水处理应用中的设计导则

③不同温度下系统比较：根据系统要求膜系统最佳回收率为45%，海水淡化系统共设4组，每组设有压力容器47个，每个压力容器内装有7支膜元件，设计出力为151m3/h（3624m3/d）；系统总出力为14496m3/d。但根据观测，厂址附近的累年平均水温为19.5℃ （1980-2003年）。平均水温的年变化曲线呈现一峰一谷型，累年月平均水温以8月的28.1℃最高，以2月的10.4℃最低。全年最热的三个月出现在7、8、9月。极端最高水温为31.7℃，出现在8月。极端最低水温为6.5℃，出现在2月。所以在系统设计时设计水温按9～32 ℃进行考虑，在不同温度情况下，通过调整进水压力保证后续系统的供水能力。由于温度变化对系统的回收率，产水量，系统损耗均有很大影响，为保证系统水量的稳定运行，达到系统用水要求，故需对不同温度下的相关数据进行分析，分析结果如下:

④系统脱硼率: 由于本系统有一部份水用于生活饮用水，根据饮用水标准对水中硼的含量要求比较高（B＜ 0.5mg/L），所以设置饮用水反渗透以制取生活饮用水。

而对用于制取生活饮用水的二级反渗透来讲，在其进水管上加NaOH调节pH值的主要目的是调节饮用水反渗透装置进水的pH值来控制水中硼的形态，提高饮用水反渗透对硼的去除率，使出水水质满足饮用水水质对硼的要求。

根据水质报告显示：海水中的硼浓度7月份为3.13 mg/l，8月份为4.02，一般以B（OH）3或B（OH）4-形式存在，在自然的海水pH值范围内不能离解成离子形态以致反渗透膜很难将它们去除，特别是与其它无机物相比膜的脱硼率较低。根据给水温度和浓度不同，通过计算，按进水含硼最高4.02mg/L，31.7度情况下计算，海水反渗透产水中硼浓度为1.25 mg/l，之后进入饮用水反渗透系统，但在正常（即不调整PH），情况下，饮用水反渗透的产水硼不能达到生活饮用水标准，故根据：

硼的存在主要是以硼酸形式存在，其水分解反应式如下：

在pH=7中性水中，硼很难分解成离子，当pH＞9.5，多数硼以B（OH）-离子形态存在。因此反渗透给水pH越高，脱硼率越高。所以本系统综合控制饮用水反渗透进水的pH值大于9.25，使饮用水产水能满足生活饮用水水质标准。

2 海水淡化的技术经济分析

2.1 海水淡化成本及其构成

随着淡水资源紧缺已成为全球性危机，越来越多的国家意识到淡水作为一种有限资源，必须有偿使用，因而海水淡化制水成本分析方法在世界上逐渐趋向于统一，即海水淡化制水成本由2方面组成:运转费用和维修费用; 在确定比例下的投资回收分摊。

运转费用和维修费用包括:管理费、人员工资、总能耗费用（包括电、汽、油等） 、药品及其他消耗品费

用年维修费用（通常取设备费的1.5% ）、流动资金利息等。反渗透法还包括膜更换费用（海水反渗透膜安全周期为3a）。

每年投资回收分摊=总投资×年投资偿还率

每t淡水的制水成本= （年运转费+维修费+年投资回收分摊） /年淡水产水总量。

2.2 技术经济比较

根据以上分析，将宁德核电海水淡化，其3600t/d低温多效和反渗透一套海水淡化装置的成本列于表。其他不具备水电联产条件的海水淡化工程，其成本高于表3中的数值。

3 结论

3.1 由于沿海城市淡水资源比较紧张，水价也在逐步上升，因此海水淡化技术目前已经成为解决沿海核电站淡水供应短缺局面的主流有效手段，尤其在沿海核电建设突飞发展的今天，选用海水淡化，不仅社会意义重大，经济技术上也是可行的。宁德核电站海水淡化4元/t左右的制水成本从多个方面与当地工业用水相比已具有相当突出的性价比。

3.1 沿海海水淡化技术采用混凝沉淀预处理，细砂过滤或者UF膜法处理作为SWRO前处理，以及海水反渗透装置工艺已经相当成熟，目前像我公司以及国内外其它水处理企业成功运营的案例已不在少数。

3.3 海水淡化虽然不是一门新的技术，但我国目前大型的海水淡化工程项目少，经验也不多，与国际上著名的公司相比，采购成本及技术上我们还处于劣势，这不利于我国海水淡化产业的发展。

3.4 随着国家对环保行业投资不断扩大和环保意识不断提高，海水淡化技术在节能环保性、经济性、综合利用方面，还有很大的提高空间，逐步缩小与国外的差距，振兴国家水资源长远发展规划。

[1]王世昌．海水淡化工程[M]．北京：化学工业出版社，2003．

[2]高从堦，陈国华．海水淡化技术与工程手册[M]．北京：化学工业出版社，2004．

[3]惠绍棠，阮国岭，于开录．海水淡化与循环经济[M]．天津：天津人民出版社，2005．

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