海水淡化在无居民海岛保护和利用中的应用

黄鹏飞，宋代旺，王生辉，初喜章，王锐浩

（国家海洋局 天津海水淡化与综合利用研究所，天津 300192）

【产业经济】

海水淡化在无居民海岛保护和利用中的应用

黄鹏飞，宋代旺，王生辉，初喜章，王锐浩

（国家海洋局 天津海水淡化与综合利用研究所，天津 300192）

无居民海岛是我国领土的重要组成部分，其社会、经济、政治和军事价值不容忽视。我国海岛淡水资源比较缺乏，保证淡水供应是海岛经济发展的重要支持条件。介绍了海岛海水淡化技术及应用情况，归纳总结了海水淡化技术在海岛规模化应用存在的问题；针对无居民海岛开发利用特点，从可再生资源利用、海水淡化船建设、远程监控系统构建等提出海水淡化技术在无居民海岛应用的建议。

无居民海岛；水资源；海水淡化

引言

党的十八大提出建设海洋强国的目标，即把我国建设成在开发、利用、保护、管控海洋方面具有强大综合实力的国家。海岛作为海洋的重要组成部分，是从事海上渔业、发展海上旅游等海洋经济的主要阵地，是海洋经济向深海跨越的踏板，是建设海洋强国的基本支撑单元。其中，无居民海岛是指我国管辖海域内不作为常住户口居住地的岛屿、岩礁和低潮高地等。我国拥有面积大于500平方米的海岛7 300多个[1]，其中约94%的海岛为无人居住海岛[2]。众多的无居民海岛是我国领土的重要组成部分，其社会、经济、政治和军事价值是不容忽视。同时，无居民海岛远离大陆，有比较特殊的生态系统，是研究生物进化和生态的天然科研基地；有些无居民海岛储藏着丰富的矿产资源，是国家的潜在财富；有些无居民岛屿作为天然的军事屏障和领海前沿，为维护国家权益作出贡献。

淡水资源是海岛经济发展的物质基础和支持条件。受地形地貌的影响，海岛上可利用的径流少、地下水储量不足、水文地质条件脆弱、开发难度大，与同纬度的大陆地区相比，海岛的降水少、蒸发量大[3]。为保证无居民海岛开发与保护的扎实推进，促进海上渔业、旅游等海岛经济的快速发展，实现海岛居民生活条件的稳步提高，必须进行海岛水资源方面的深入调研，全面分析并掌握海岛淡水资源的分布情况，确定合理的淡水供应方式，保证岛上淡水供应充足。

1 海岛海水淡化技术及应用情况

1.1 海岛海水淡化技术现状

目前海水淡化技术主要分为蒸馏法（热法）和膜法两大类，其中低温多效（MED）、多级闪蒸（MSF）和反渗透（RO）作为海水淡化的主流技术，已经成功开展了大规模的工业化应用[4]。从技术方法来看，海岛海水淡化技术与一般海水淡化技术并无太大的异同。但由于海岛地区的特殊性，所有的海水淡化并不完全适用于海岛地区。如MED和MSF均属于热法，适用于有低成本热源的工况，比如跟电厂或者化工厂余热结合，但并不适用于海岛地区。RO法属于膜法，其唯一动力源就是电能输入，且随着技术的发展，RO法具有能效较低、操作简单、建设周期短、适用范围广、投资规模灵活、吨水投资和运营成本均低于热法等优点，发展速度较快。海岛海水淡化尤其需要规模灵活，因此RO技术更适用。

由于大部分海岛地区在缺水的同时也存在缺电问题，因而，海岛海水淡化技术研究主要集中在可再生能源与海水淡化耦合工艺方面。目前来看，风能、太阳能、核能、波浪能、潮汐能等新能源是海水淡化技术中可利用的清洁能源[5]。

风能海水淡化可以分为直接风能海水淡化和间接风能海水淡化两种。直接风能海水淡化是将风能转化的机械能直接用于驱动脱盐单元进行海水淡化的方法。间接风能海水淡化是先将风能转化为电能，然后再驱动脱盐单元进行海水淡化的方法。直接风能海水淡化的优点是省去了“机械能→电能→机械能”之间的转换，提高了能量利用效率，并简化了系统结构。间接风能海水淡化根据供电方式的不同又可分为离网型和并网型。离网型风力机单台装机容量约为0.1～10千瓦，一般不超过15千瓦，可作为沿海缺电、缺水的海岛地区小型海水淡化的动力能源。可行的与风力发电相匹配的海水淡化技术主要有反渗透（RO）、机械蒸汽压缩（MVC）和电渗析（ED）[6]。RO法能耗低，系统简单，由膜单元组成，适用于各种规模，目前应用也最为广泛。

利用太阳能进行海水淡化，主要是利用太阳能的热效应和光效应。海水淡化方法有很多种。现有淡化技术中，蒸馏淡化技术最成熟、运行安全性高、适用范围广、单机规模大。太阳能直接平板蒸馏法虽然成本低廉，但效率太低，占地面积过大；而使用太阳能直接加热海水，通过多效蒸发、多级闪蒸等技术使其淡化，能源利用率显著高于使用太阳能直接蒸馏。太阳能利用效率的提高意味着单位面积产水量的提高，这对于土地面积有限的海岛地区有着重要的意义。

海洋能包括了潮汐能、波浪能、温差能等。关于潮汐能海水淡化的研究很少。利用波浪能进行海水淡化主要有以下两种方式:一种是利用波浪能发电，然后再用电能驱动海水淡化装置工作；另一种方式是利用波浪能的机械能直接驱动水泵进行海水淡化。在波浪能海水淡化的研究中，关于波浪能转换装置与海水淡化的耦合性能研究较多，而进一步的细化研究则很少。

1.2 海岛海水淡化应用情况

为缓解当时较为严峻的水资源危机，从20世纪60年代开始，加那利群岛便开始运用蒸馏法进行海水淡化，以缓解岛内淡水供应不足的问题。海水淡化技术为加那利群岛提供了充足的淡水，当地经济得以迅速发展，人们生活水平明显提高，因此加那利群岛十分重视海水淡化技术的创新。20世纪80年代，兰萨罗特岛（加纳利群岛中的一个岛）建立了运用反渗透膜技术进行盐水分离的海水淡化厂，虽然当时的生产规模只有500立方米/日，但是反渗透膜技术在海水淡化领域的生产应用，是一次重要的技术革新。

1985年1月，我国第一座海水淡化工程——西沙淡水站，在西沙永兴岛建成，标志着我国海水淡化技术进入生产应用阶段。西沙淡水站由我国自主设计并制造，最高淡水量为200立方米/日，每吨水的造价仅为船运水成本的1/4左右。近些年，在政策扶持和技术进步的作用下，我国海岛海水淡化技术蓬勃发展。2007年国内设计反渗透海水淡化工程建成投产，单机产水量1万500立方米/日，单机规模已接近国际先进水平[7，8]。1981—2014年我国海岛海水淡化规模变化趋势如图1所示。从图2可以看出，我国海岛海水淡化规模逐年增长；经过30余年的发展，海水淡化规模已由200立方米/日增至127 120立方米/日。在能源供给稳定的大型海岛，海水淡化技术已推广应用。随着海岛淡水需求的不断增大，以及海水淡化技术的不断进步，海水淡化规模依然会保持较高的增长趋势。

1.3 海岛海水淡化技术存在的问题

经过30余年的发展，我国海水淡化在技术和生产规模上都有很大地提高，已掌握了海水淡化各个环节的关键技术，可以实现自主设计、建造大规模海水淡化工程，为蓝色经济发展、提高海岛居民生活水平做出了不可磨灭的贡献。面对海岛特殊的运行条件和日益增长的淡水需求，海水淡化技术有待进一步提高和完善，目前海岛海水淡化技术主要存在以下问题。

1.3.1 海水淡化技术能耗较高

海水淡化的成本由能耗费用、设备耗损、人员费用以及药剂费用等组成，其中能耗费用在总成本中所占的比例最高[9]。海水淡化初期运用蒸馏法处理每立方米水需耗10度电，运用反渗透技术处理每吨水的能耗为4度电，能耗成本约占总成本70%～80%。随着海水淡化技术的发展，尤其能量回收技术的应用，海水淡化的能耗指标降低了90%左右（从26.4千瓦时/立方米降到2.9千瓦时/立方米），但是此技术主要应用在大型海水淡化工程中，适用于中小型海水淡化系统的能量回收装置还较少。例如长岛县南长山岛、北长山岛、黑山岛运用反渗透工艺进行海水淡化，其运行能耗费达全部成本的1/2至2/3，当地居民生活用水费用6.3元/吨。因此，通过技术研发，开发适用于集装箱式和便携式海水淡化系统的能量回收装置，是降低中小型海水淡化系统产水成本的重要途径。

1.3.2 海水淡化所用的能源模式单一，能源供应有限

大部分海岛没有热源，因此采用热法进行海水淡化会使生产成本进一步增加。目前海岛进行海水淡化的主要采用反渗透膜工艺，能源供应为电能。大部分海岛内没有发电厂，电能依靠大陆输送；即使岛上建有发电厂，电能供应也并不十分充足。将有限电能的一部分用于海水淡化，虽然淡水缺乏问题得到缓解，但是这样势必会导致岛上居民用电紧缺。因此必须打破海水淡化用能源模式单一的壁垒，才能保证岛上居民水电需求同时得到满足。

1.3.3 海水淡化设备的维护保养难度较大

目前海水淡化设备的自动化程度不高，设备的维护保养需要专业人员现场操作。与大陆近海地区相比，海岛交通不便，设备一旦发生故障，人员进行修理的响应时间较长，会给岛上的生产、生活造成严重的影响。目前，机械领域基于多信号分析与融合技术的故障预测与诊断发展迅速，为海水淡化设备在自动化方面的发展提供了参考[10]。

1.3.4 不同海域环境差异大，海岛海水淡化尚未形成统一设计规范

不同海域的环境和海水物理性质都会有所差异，比如南部海域的温度和湿度较高，北部海域的温度较低。海水的温度、pH值以及环境的湿度都会影响海水淡化设备的生产效率。缺乏系统的、可以直接利用的海水淡化工程设计方案，对于不同海岛上的海水淡化工程均需要进行现场评估、需求量分析、海水淡化系统设计等环节。设计环节过于繁杂会导致设计费用和投资成本增加，还会因此延长项目建设工期。

2 无居民海岛开发利用特点

随着我国海洋事业的逐步推进，海岛开发利用和环境保护越来越引起国家的重视，海岛成为政府制订海洋发展战略规划的一个重要组成部分。2003年我国第一部针对无居民海岛的国家制度《无居民海岛保护与利用管理规定》施行，这是我国无居民海岛利用活动逐步纳入法制化轨道的重要标志:2008国家海洋局颁布“海十条”，提出政策“鼓励外资和社会资金参与无居民海岛的开发”；2010年，我国首部海岛资源利用、管理与保护方面的综合性法律《中华人民共和国海岛保护法》颁布实施；2011年，公布了中华人民共和国第一批开发利用的无居民海岛名录；2012年，《全国海岛保护规划》正式颁布实施，该规划是我国在推进海岛事业发展一项重大举措，对于保护海岛、合理开发海岛资源，维护国家海洋权益，促进海岛地区经济社会可持续发展具有深远的意义[11]。

无居民海岛既不同于陆域，也不等同于海域，兼有陆域、海域和海陆结合的三重特性，具有明显的独特性。主要优势有:资源丰富，是资源的宝库:通常都具有特殊的生物群落，保存了一批珍稀物种，形成了独特的生态系统。土地使用的费用较低，随着可开发陆地资源的紧缺，无居民海岛的合理开发会为我们拓宽新的视野，降低陆地压力。

同时，无居民海岛在开发利用方面也存在一定的劣势，主要表现在:生态环境较脆弱，特别容易遭到损害而造成严重的生态环境问题；交通不便，绝大多数无居民海岛的码头少，设施简陋，生产成本大，进一步的限制了海岛经济社会的发展；基础设施建设不足。

3 海水淡化在无居民海岛上的应用

针对目前海岛海水淡化技术应用中存在的问题，结合无居民海岛开发与保护工作，提出以下建议。

3.1 突破能源供应限制，采用多能源耦合海水淡化技术

无居民海岛大都基础设施比较落后，电力资源欠缺，海水淡化作为“以能源换水源”的技术，如果完全依赖电能进行生产，会加剧岛上用电紧张，影响居民生活。考虑到海岛地区有着较为丰富的风能、太阳能等可再生能源，对于一些水资源需求较大的无居民海岛，如能合理充分的加以利用便会在很大程度上缓解能源短缺的问题，降低海水淡化能耗成本。

2011年10月，国家海洋局天津海水淡化与综合利用研究所研制出风光油储海水淡化装置，实现了多种能量的耦合。该装置自备风能、太阳能发电的能源供应系统，无需输入外部能源；结构紧凑，易于安装，自动控制，操作简单，维护方便，适用于没有提供电能或者电能紧缺的岛屿和海洋监测站。为防止恶劣天气时出现能源供应不足的问题，该装置配有储油装置；当风能和太阳能所产电能不足以保证系统正常运行时，可通过柴油发电机提供系统运行所需的能源。此外，预处理过程中可通过太阳能对海水进行加热，不但实现能量的多级利用、提高海水淡化效率、节约成本，又能保证该装置在冬天海水温度较低时正常运行。目前，该装置的工作压力为5.5兆帕，产水量可达5立方米/日，脱盐率可达99.5%，能量回收率高于27%。

3.2 建造海水淡化船

无居民海岛多数位置偏僻，非常分散，像一颗颗珍珠一样散落在蓝色的大海上。对于位置偏远、水资源需求较少的海岛，可建设浮动式海水淡化平台或小型海水淡化船。海水淡化船穿梭于无居民海岛之间，当岛上需要淡水时，淡化船靠近海岛，通过海水淡化装置对海岛进行淡水补给。

在欧盟的资助下，希腊已建成世界上首个浮动式、自动化、生态友好型风能海水淡化平台。该平台利用风力发电、太阳能发电等进行能源供给，采用反渗透海水淡化技术生产淡水，每天产水70吨/日，能满足300人每天用水需求。

3.3 海水淡化设备智能化，远程监控，方便维护保养

为避免海水淡化设备因故障停机导致海岛淡水供应危机，需要专业人员定期对海水淡化设备进行定期维护保养。海岛远离大陆，交通不便，为设备的维护保养工作设置了很大的阻碍，并提高了运行成本。国家海洋局天津海水淡化与综合利用研究所研制的远程监控和诊断单元，通过在海水淡化系统中设置大量传感单元，实现系统运行状态的实时监测，可达到设备故障的预测、故障定位等目的。位于海水淡化系统中不同位置的传感器将采集到的压力、温度、流量、流速等信号传递给中央处理单元，中央处理单元根据预先设置的范围对采集到的数据进行分析，并给出相应的系统运行状态信息，根据运行状态信息进行反馈调节，使系统处于最佳的运行状态。当状态信息表明系统运行异常时，立即通知人员进行修理，避免大的故障发生，做到早预防、早修理。当系统出现故障时，可通过传感单元采集的信息对故障进行定位，从而能够有针对性地进行维修，减少停机维修时间，降低对经济生产和居民生活的影响。

远程监控和诊断单元通过无线传输数据信号，不受距离限制，且信号稳定、传输速度快。监测结果显示直观，能够清楚地指出故障原因，非专业人员便可以完成设备的维护保养工作。目前该检测结果已在永兴岛等岛屿投入使用，使用效果良好。

[1] 国家海洋局.《全国海岛保护规划》[Z].2012.

[2]全国海岛综合调查领导小组办公室.全国海岛资源综合调查报告[M].北京:海洋出版社，1995.

[3]陈国伟.浙江省海岛地区供水配置探讨[J].水利规划与设计，2006（1）:19.

[4] 朱玉兰.海水淡化技术的研究进展[J].能源研究与信息，2010（2）:73.

[5]张海春，范会生，陆阿定.新能源海水淡化技术应用进展及其在舟山的现状分析[J].水处理技术，2010（36）:25.

[6]冯宾春，赵卫全.风能海水苦咸水淡化现状[J].水利水电技术，2009（9）:9.

[7]侯勇，王桂华.海水淡化技术现状与发展[J].吉林电力，2011（1）:13.

[8]王世昌.海水淡化及其对经济持续发展的作用[J].化学工业与工程，2010（2）:100.

[9]郭力，王蔚，刘文建，等.风柴储海水淡化独立微电网系统能量管理方法[J].电工技术学报，2014（2）:115.

[10]朱俊华.反渗透海水淡化故障诊断专家系统的研究[D].杭州电子科技大学，2011.

[11]杨晴.无居民海岛开发利用现状和展望[J].绿色科技，2015（1）:25.

Application of Seawater Desalination in the Conservation and Utilization Planning of Uninhabited Islands

HUANG Pengfei，SONG Daiwang，WANG Shenghui，CHU Xizhang，WANG Ruihao
（Institute of Seawater Desalination and Multipurpose Utilization，SOA，Tianjin 300192，China）

Uninhabited islands are an important part of the territory of our country，and their social，economic，political and military value cannot be ignored.Seawater desalination technologies and its applications were introduced in this paper.Several potential problems which hinder the mass-application of seawater desalination technology on the islands were summarized based on the analysis of current technological situation.In the light of the characteristics of the development and utilization of uninhabited islands，some advices about the usage of renewable resources，mobile seawater desalination device，remote monitoring were proposed.

Uninhabited islands；Water resource；Seawater desalination

F406.3

A

2095-1647（2016）06-0015-06

2016-12-09

海洋公益性行业科研专项经费项目 [201405035-1]

黄鹏飞，男，高级工程师，主要研究方向为海岛水资源保护与利用技术。