基于离网型风电的海水淡化系统建模方法

李超

(中国电力工程顾问集团公司，北京市100120)

0 引言

我国水资源时空分布不均，导致多地出现供水紧张的局面，制约了当地经济社会的发展，影响了人民的生活质量［1-2］。全国海洋经济发展“十二五”规划提出，在满足相关指标要求并确保人体健康前提下，将海水淡化项目纳入市政饮用水工程试点工作，在有条件的海岛以海水淡化水为主要水源，鼓励沿海城市与企业以海水淡化水作为生产、生活用水［3］。虽然通过海水淡化解决供水问题已成为业界共识，但是海水淡化过程需要消耗大量的热能和电能，若通过燃烧化石能源生产热能和电能会造成环境污染。因而，能源成为制约海水淡化技术快速推广的一个瓶颈。海水淡化产业发展“十二五”规划提出应加大可再生能源在海水淡化中的利用，改善海水淡化系统的能源供应问题，提高资源综合利用水平，降低海水淡化成本［4］。风能取之不尽，用之不竭，是清洁的可再生能源，同时，我国与风电相关的设备制造、勘探设计和生产运营均已获得长足发展，为风能的进一步充分利用创造了条件［5-6］。反渗透海水淡化系统运行维护简便、规模灵活，是发展最为迅速的海水淡化方式［7-10］。风能与反渗透海水淡化相结合，将有效提高可再生能源的利用率，并解决沿海和海岛地区的供水问题。

传统的反渗透海水淡化系统设计一般依靠厂家软件进行计算，输入量为回收率和产水量，系统运行参数固定［11-12］。风能具有波动性和间歇性，以此为来源的电力供应也存在类似特点。基于风能的海水淡化系统必须变参数运行以适应电源供应的变化，因而，回收率和产水量也在不断变化。此类海水淡化系统设计应以与供电量相关的参数为输入来确定产水量、回收率、产水浓度等参数。鉴于厂家软件的局限性，本文提出一种基于风电的反渗透海水淡化建模计算方法，可根据能源供给情况进行海水淡化系统性能计算。

1 风资源分析

离网型风电是指风电场和负载均不与电网连接、风电不上网、负载只接受风电供能的能源利用方式。该方式的优势在于利用风电不受电网备用容量的限制，也不会影响电网的稳定运行;缺点是电能输出不稳定，对负载的适应性要求高［13-16］。以东海大桥的风资源情况为例［17］，全年风资源分布情况如图1所示。

若采用1台3MW风力发电机作为电源，在图1风资源条件下对应的输出功率如表1所示。

从图1可看出，全年的风速变化为5～12m/s。由表1可知，随着风速的变化，风机发电量也随之不断波动。因此，设计基于离网型风电的反渗透海水淡化系统，需求出全年海水淡化系统在不同风电供给情况下的运行参数。

图1 东海大桥全年风速分布图Fig.1 Annual wind speed distribution of Donghai Bridge

表1 风机输出功率Tab.1 Output power of wind generatorMW·h

2 风电海水淡化系统建模

厂家软件根据产水量、回收率和膜元件性能计算海水淡化系统运行参数，这些参数在海水淡化系统运行过程中为固定值。对于风电驱动的海水淡化系统，产水量、回收率和产水浓度等系统运行参数会随着风电量的多少而变化。风电量主要决定了海水淡化系统的给水压力和给水流量。因而，风电海水淡化系统建模应根据给水压力和给水流量进行计算。

2.1 膜性能参数计算

对于反渗透海水淡化系统，反渗透膜的性能参数是建模计算的关键参数，包括膜面积S、纯水透过性常数A和纯盐透过性常数B。其中，膜厂家会在膜元件说明中给出S，而A和B一般由膜厂家通过测试得出，只用于厂家软件，对用户保密。本文采用公式推导的方法求出A和B，用于建模计算。

以SWC6膜元件为例，相关参数分别为串联膜支数7、温度25℃、产水流量3.8m3/h、回收率38%、膜面积37.16m2。厂家软件运行结果如表2所示。

表2 厂家软件计算结果Tab.2 Calculation results of manufacturer software

纯水透过性常数A为

式中:Qc为产水流量，m3/h;S为膜面积，m2;Pf为给水压力，MPa;π为渗透压，MPa;Pp为产水压力，MPa。

纯盐透过性常数B为

式中:St为透盐量，mg;Cha为高压侧平均浓度，mg/L;Cp为产水浓度，mg/L。

通过式(1)和(2)可得出每支膜的A和B值，如表3所示。A和B是反渗透膜的固有属性，为常数。因此，取表3中 A和 B计算结果的修正值作为SWC6膜的A、B基准值。

表3 A和B计算结果Tab.3 Calculation results of A and B

2.2 海水淡化过程建模计算

上述海水淡化系统由7支膜元件串联组成，每支膜元件的渗透过程计算类似，因此，本文以第1支和第2支膜的反渗透计算为例进行推导，其他膜元件计算过程以此类推。

基于可再生能源的反渗透海水淡化建模计算，已知参数为给水流量、给水压力和给水含盐量，求解参数为各支膜元件的产水量和含盐量。

高压侧平均压力为本支膜和下一支膜给水压力的平均值，即

式中:Pha，1为第 1 支膜高压侧平均压力，MPa;Pf，1为第1支膜给水压力，MPa;Pf，2为第2支膜给水压力，MPa。

浓水渗透压为

式中:πb，1为第 1 支膜浓水渗透压，MPa;Cf，1为第 1 支膜给水浓度，mg/L;T为温度，K。

浓水浓度为

式中:Cb，1为第 1 支膜浓水浓度，mg/L;Qf，1为第 1 支膜给水流量，m3/h;Cf，1为第1支膜给水浓度，mg/L;Qp，1为第 1 支膜产水流量，m3/h;Cp，1为第 1 支膜产水浓度，mg/L;Qb，1为第 1 支膜浓水流量，m3/h。

浓水流量为给水流量与产水流量之差，即

产水渗透压为

式中:πp，1为第 1 支膜产水渗透压，MPa;Ct，1为产水浓度，mg/L。

产水流量为

式中:Qp，1为第 1 支膜产水流量，m/h;Pp，1为产水侧压力，MPa;πb，1为浓水渗透压，MPa。

产水离子含盐量为

式中:Sp，1为第 1 支膜产水离子含盐量，mg/L;Cha，1为第1支膜高压侧平均浓度，mg/L。

总产水浓度为

式中 Cpt，1为第1支膜总产水浓度，mg/L。

第2支膜的渗透过程计算与第1支膜类似，不同之处为

式中:Qf，2为第 2 支膜给水流量，m3/h;Qb，2为第 1 支膜浓水水流量，m3/h;Cf，2为第2支膜给水浓度，mg/L;Cpt，2为第 2 支膜总产水浓度，mg/L;Sp，2为第 2 支膜产水离子含盐量，mg/L;Qpt，2为第2支膜总产水量，m3。

3 算例及结果

随着风能的波动，海水淡化系统的给水压力和给水流量均会发生变化，同时会引起产水流量、产量浓度和脱盐率等系统参数的变化。本文采用多种工况条件下系统参数对比的方式验证风电海水淡化建模计算方法的有效性。

由于厂家软件无法设定给水压力，本文采用定回收率、变产水量的方式实现给水压力和给水流量的变化。共采用3种工况，即产水量分别为3.40，3.80，4.20m3/h的工况，其中，3.40m3/h为基准工况。厂家软件与本文建模计算方法运行结果对比如表4所示。

表4 运行结果对比表Tab.4 Comparison of computational results

从表4可以看出，当系统产水量为3.80m3/h时，给水流量为10.00m3/h，给水压力为4.85 MPa，产水量和产水浓度的误差小于1%，脱盐率完全吻合。

随着风电供电量减少，产水量下降，给水压力和给水流量随之降低，当系统产水量为3.40m3/h时，给水压力降至4.77 MPa，给水流量降至8.90m3/h，产水量误差为2.79%，产水浓度误差为1.88%，脱盐率误差为0.02%。

随着风电供电量增加，产水量上升，给水压力和给水流量随之增加。当系统产水量为4.20m3/h时，给水压力升至4.95 MPa，给水流量升至11.10m3/h，产水量误差2.47%，产水浓度误差1.95%，脱盐率误差0.02%。

综上，当工况偏离基准工况时，误差有所增加，但均在3%以下。考虑到厂家软件只是膜性能的估算，与工程实际运行情况相比也存在误差，因而，本文建模计算方法可满足“以电定水”类海水淡化项目的设计需求。

4 结论

本文提出了一种通用的风电反渗透海水淡化建模方法。该方法根据系统供电量，以给水流量和给水压力为输入设定参数，通过膜元件基本性能计算和海水淡化过程计算，可以得出系统供电量变化条件下的参数变化情况。在不同工况条件下，通过与厂商软件计算结果进行对比，本文计算方法的结果与其最大误差在3%以内。因此，本文方法可为基于离网型风电的反渗透海水淡化系统设计提供参考。

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