船舶反渗透海水淡化工艺研究

纪运广，刘 璐，刘永强，薛树旗，杨守志

(1. 河北科技大学 机械工程学院，河北 石家庄 050000；2. 石家庄海阔捷能科技有限公司，河北 石家庄 050000)

0 引 言

船舶在远航任务中，人员、设备都需要消耗大量淡水，在船舶中加装海水淡化装置是解决船用淡水这一问题有效途径。海水淡化的主流技术主要有多效蒸发（MED）、多级闪蒸（MSF）和反渗透（SWRO）[1]3种。据统计，全世界淡化市场(含苦咸水淡化)中，反渗透法占88%[2]。就我国而言，相对于一次性投入较高且能源消耗较大的MED、MSF淡化方法，SWRO海水淡化具有更高的经济效益。船用小型系统一般不配备能量回收装置，造水能耗普遍过高。

1 传统船用反渗透海水淡化系统工艺流程

海水由供水泵抽水进入预处理系统，去除掉地表海水中存在的杂质，确保反渗透海水淡化系统能长期稳定地运行，经预处理后的海水水质应达到反渗透膜元件的进水水质要求[3]。过滤后的低压海水进入高压泵加压进入反渗透膜组件。高压海水在反渗透膜的处理下，一部分原水透过膜形成淡水，而膜的另一侧的高压浓水通过泄压阀排放（见图1）。

图 1 传统船用反渗透海水淡化工艺Fig. 1 Traditional reverse osmosis seawater desalination process

2 传统船用反渗透海水淡化系统的缺陷

2.1 功耗过高

按照通常40%的水回收率计算，传统工艺中浓海水中约有60%的进料压力能量，具有巨大的回收价值和意义[4]。由于船舶空间有限，船用反渗透海水淡化系统多为小型系统，传统小型系统无能量回收装置[5]。反渗透高压泵驱动电机配置功率大，能耗普遍高，增加船舶的电力负荷。

2.2 噪声过大

国内外中小型船用反渗透装置的高压泵，基本属于柱塞泵或隔膜泵，自身存在噪声大问题。再加上舰船上空间狭小，噪声经过反射与叠加，严重影响操作人员的工作状态和身心健康。

3 带能量回收装置的反渗透海水淡化工艺

目前海水淡化系统中的能量回收装置可分为水力透平式和功交换式2种。水力透平式效率较低，特别是低流量时效率更低，故不适合用于小型的船用海水淡化设备中。功交换式能量回收装置分为活塞阀控压力交换器和转子式压力交换器2种[6]。

在功交换式能量回收的海水淡化工艺中：膜组件的进水一部分由高压泵提供，流量等于膜组件的产水量，一部分由能量回收装置提供，流量约等于高压浓海水流量。高压泵在经过膜组件时有一定的压降（0.05～0.2 MPa），因此，从能量回收装置流出的海水压力达不到膜组件的进水压力要求，故需要增加增压泵，使得经能量回收装置加压的原海水达到膜要求压力。其工艺流程如图2所示。

图 2 带能量回收装置的海水淡化工艺Fig. 2 Seawater desalination process with energy recovery device

4 传统船舶反渗透海水淡化能量回收装置的弊端

系统组成包括各种过滤器、供水泵、高压泵、增压泵以及阀门以及各种仪表，整体占用空间较大。控制系统复杂、自动化程度低、可操作性差；现有的高压泵、增压泵和能量回收装置噪声大。所以此种工艺控制模式反渗透海水淡化系统适用于中型和大型陆用反渗透海水淡化厂使用，对于船舶用反渗透海水淡化装置并不适用。

5 新型船用海水淡化系统工艺方法研究

该系统的工艺过程为海水经供水泵供压流经滤网、100 μm滤芯、10 μm滤芯去除海水中的悬浮物和固体颗粒。过滤后的原水由中压供水泵加压进入三合一循环泵，该装置采用2个带活塞的反向液压缸，共享一根通过中心的单杆。活塞驱动着控制阀，使液压缸在驱动和加压之间相互转化。装置在功交换式能量回收原理的基础上，采用浓水循环增压的方式设计，将膜排放的高压浓水压力直接传递给原水，使原水压力提升至反渗透所需的工作压力。原水透膜脱盐形成淡水，而膜的另一侧的高压浓水进入能量回收装置继续对原水加压。其工艺流程如图3所示。

图 3 新型船用海水淡化工艺流程Fig. 3 New seawater desalination process with energy recovery device

6 三合一循环泵的工作原理

三合一循环泵是系统的核心部分，主要由液压缸、活塞、两位四通换向阀、单向阀以及先导阀构成。2个活塞共用1根单杆将2个液压缸分为4个腔室。两侧的2个腔室（1#、4#腔）为原水腔，中间的2个腔室（2#、3#腔）为高压浓水腔。

如图4所示，当高压浓海水从反渗透膜组件中排出时由两位四通换向阀进入左侧液压缸一个的高压浓水腔，高压浓水具有较高的压力，一般为5.5～6.5 MPa，可推动活塞对相邻的原水腔里的低压原水加压，进行能量交换，增压后的高压原水由单向阀流出进入膜组件完成反渗透过程。此时左侧液压缸完成的是能量交换对原水增压的过程。而同时右侧液压缸进行的是原水进腔、浓水排放的过程，由中压供料泵加压使原水经单向阀进入右侧液压缸的原水腔（4#腔），由于此时高压原水的压力大于中压原水，单向阀2和3处于反向截止状态，故中压原水只能进入左侧的原水腔中，推动活塞向左运动将右侧浓水腔（3#腔）中的浓水泄压由浓水排放口排放出去，左右2个液压缸的动作同时进行，左侧高压原水和右侧的中压原水分别同时进入相应的腔体共同推动活塞组件向左运动，共同把能量传递给原水，并且将低压的浓水排放。

当活塞运动到最左侧时，如图5所示，触碰先导阀阀针，先导阀被活塞推动到左侧进行换向，此时一小部分的原水随着先导阀的换向被引入到两位四通换向阀的另一侧的空腔里，推动阀芯进行换向，换向阀换向后，高压浓水被引入右侧的液压缸的浓水腔，单向阀1和4反向截止，中压原水经单向阀3进入左侧的原水腔中，与高压浓水一起推动活塞组件向右运动，将能量传递给右侧的原水，并且将低压浓水进行排放。通过活塞碰撞先导阀针对先导阀进行换向，引导原水推动换向阀阀芯进行换向，高压浓水和中压原水可持续将能量传递给原料海水。

图 4 三合一循环泵工作原理（1）Fig. 4 Three-in-one circulating pump work principle (1)

图 5 三合一循环泵工作原理（2）Fig. 5 Three-in-one circulating pump work principle (2)

7 压力及流量的确定

在理想压力条件下，浓水排放口的压力忽略不计，则装置满足：

图 6 装置压力分布情况Fig. 6 Pressure distribution in the cylinder

装置流量满足：

便可以能满足反渗透膜的工作流量，不需要另外添加高压泵补充流量。

图 7 装置流量分布情况Fig. 7 Flowrate distribution in the cylinder

综上所述，整个工艺系统中三合一循环泵不仅能回收高压浓水中的能量，而且起到增压和补充流量的作用，是集高压泵、增压泵和能量回收功能于一体的设备，减小了整个工艺流程的复杂程度。

8 中压供料泵的选择

中压供料泵的选择也是一个关键性问题。首先效率是决定性因素，偶尔海水中会伴有泥沙，所以泵的兼容性和耐受性也很重要。柱塞泵在压力较低的情况下其效率会低很多，而离心泵在所有压力和流量范围内其效率都小于40%。综合效率、兼容性、耐受性和控制回收率等多方面因素最终选择单螺杆泵作为中压供料泵。它可以在流量较小时依然达到较高的效率，它相对于其他泵具有下列诸多优点：1）能输送高固体含量的介质；2）流量均匀压力稳定，低转速时更为明显；3）流量与泵的转速成正比，因而具有良好的变量调节性；4）体积小，重量轻，噪声低，结构简单，维修方便。

9 性能实验

设计研发1台1 m3/h三合一循环泵样机（见图8），搭建实验平台测试其压力、流量等参数，计算其能量回收效率和吨产水能耗。实验平台主要由中压供料泵、多介质过滤器、三合一循环泵、反渗透膜和储水箱等海水淡化工艺必须设备组成。在三合一循环泵的进出口配有压力表和流量计。实验系统如图9所示。

实验介质采用32 000 ppm模拟盐水，整个实验过程维持温度在25℃±5℃。反渗透膜的回收率为10%。唯一的耗电设备中压供料泵采用变频器控制。调节中压供料泵的频率改变进口压力，记录三合一循环泵各进出口压力流量变化，计算其能量回收效率。数据如表1所示。

图 8 1 m3/h三合一循环泵样机Fig. 8 Prototype of 1 m3/h circulating pump

图 9 实验系统图Fig. 9 Experimental system diagram

表 1 实验数据记录Tab. 1 Experimental data record

表1中，F为中压供料泵的频率，Hz；为高压原海水压力，MPa；为原海水压力，MPa；为高压浓海水压力，MPa；为高压原海水流量，m3/h；为原海水流量，m3/h；qc为高压浓海水流量，m3/h；E为三合一循环泵的能量回收效率，%。

中压供料泵需要提供的压力范围大概为0.7～1.0 MPa，吨水能耗可实现3.2 kWh，三合一循环泵的能量回收效率可达到90%以上。

10 新型船用反渗透海水淡化工艺与传统船用海水淡化工艺比较

10.1 功耗低

整个海水淡化工艺系统中加装了能量回收装置，工艺中原水增压主要靠高压浓水的能量传递以及一小部分的中压原水能量传递，可有效回收利用反渗透膜中的高压浓水的能量，相对于传统海水淡化工艺仅依靠高压泵对原水进行加压使其满足反渗透的工作压力，新型工艺大大降低了设备运行的功耗。

10.2 操作简单

新型海水淡化工艺反渗透过程中仅需要一个中压供料泵便可以维持整个系统的运行，可实现一键启停，采变压力-恒产水率新型工艺控制模式，回收率相对固定，不需要调整浓水的排放压力；控制简捷，海水盐度、温度变化以及膜结垢时，反渗透压力可自动适应调整。系统组成简单，安全可靠，易于控制，更适用于船舶上使用。

10.3 噪声低

从各种液压泵的供液原理可知，在液压泵吸液和压液循环中，会产生周期性的压力和流量变化而形成流量和压力脉动，这种压力和流量脉动将引起液压系统及设备产生振动发出噪声。反渗透海水淡化工程中高压泵主要是往复式柱塞泵和多级离心泵，经过大量实践证明，柱塞泵和离心泵的压力脉动较大，所产生的噪声也较高。而本文中所设计的容积式能量回收装置的流量和压力脉动频率（工作频率）为：

式中：q为高压浓海水的流量；V为压力交换缸的容积，；n为压力交换缸的数量。

其流量和压力脉动频率相对于一般的往复式柱塞泵和多级离心泵较低，所以系统及设备产生的振动较小。本文介绍的新型反渗透海水淡化工艺中仅需1台中压供料泵，且选配的是单螺杆泵，螺杆泵是无需配流器流量脉动率几乎为0的容积泵,可谓是本质安静型低噪声液压泵。所以新型反渗透海水淡化工艺中的三合一循环泵和中压供料泵的总噪声比传统工艺（高压泵、增压泵和能量回收装置组合）的噪声要低得多。

10.4 设备占地面积小

新型反渗透海水淡化工艺其本身设备数量相对传统工艺设备数量较少，占地面积较小。三合一循环泵是本工艺中最为复杂的设备，考虑到体积和复杂程度问题，故将其进行集成化设计。将换向阀、先导阀和单向阀集成到液压阀块中，对液压阀块的流道和阀芯进行优化设计。实现了平稳的切换，并有效降低了换向时的压力波动。这样保证了装置的体积得到大幅缩减，整个工艺设备的占地面积进一步缩小。

11 应用前景

本文提出的变压力-恒产水率新型工艺解决了远洋船舶淡水补给难题，提高了船舶远洋续航能力；减小了船用动力配装功率，节约了能源消耗和造船成本；简化了海水淡化装置泵机及其控制系统配置，提高了可靠性和易操作性。此技术可推广应用于民用远洋运输船舶、海上作业平台、海上执法救援船舶和远洋作业渔船等，具有广泛的应用价值。

12 结 语

新工艺采用一种变压力-恒产水率新型工艺控制模式，该工艺控制模式与目前常规反渗透海水淡化流程恒压力-变产水率工艺控制模式相比较，系统组成简单，安全可靠，易于控制。在新型反渗透海水淡化工艺中采用集高压泵、增压泵和能量回收装置为一体的三合一循环泵，充分利用反渗透膜排出的高压浓海水的余压能量，高效率地把高压进料海水压入反渗透膜组件，且三合一循环泵还具有体积小、噪声低等突出优点，可满足船舶海水淡化设备小型化、节能化的要求。

[1]刘茹. 海水淡化技术的发展[J]. 内江科技, 2007, 10: 121.

[2]卢彦越. 反渗透海水淡化系统优化设计的研究[D]. 青岛: 中国海洋大学, 2004.

[3]施博. 渤海海水反渗透淡化预处理研究[D]. 天津: 天津工业大学, 2007.

[4]张建中, 杜鹏飞, 张希建, 等. 反渗透海水淡化能量回收装置的研制[J]. 水处理技术, 2010, 6: 42–46.

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