海水反渗透淡化系统中的能量回收装置

杨若雪

（湖北省电力勘测设计院，湖北 武汉 430040）

1 海水反渗透淡化（SWRO）的成本与能耗

在海水淡化技术发展中，降低成本一直是需要考虑的一个重要因素，在当下，海水反渗透淡化（SWRO）是将海水进行淡化的最主要的技术，自从将该技术投入运用以来，就一直在寻找如何将成本进行降低的方法。

海水反渗透淡化（SWRO）的成本，主要取决于投资费用和能耗两个方面。投资费用方面，近年来RO膜组件价格明显降低，据报道，1993到1995年膜降价20%。然而，仅依靠膜技术的发展降低成本还不够，运行成本的组成中能量消耗情况最为严重，所以将能量消耗进行降低是当前将海水淡化成本进行降低的主要手段。

2 两种主要的能量回收技术

目前，国际上被实际应用的能量回收装置主要有两种技术：一种是涡轮增压式（Turbo-Booster），另一种是压力交换式（Pressure Exchange）。

2.1 涡轮增压式

涡轮增压技术中，高低压流体需要以叶轮和轴为载体，才能将能量进行传递，即通过机械能作为流体能量传递过程中的载体能量，其原理是利用高压浓海水驱动涡轮机转动，涡轮机与高压给水泵电机同轴连接，将能量输送至进料原海水，能量的转换过程为压力能先转换为机械能再转换回压力能。这种技术的节能机理是根据在将高压流体的压力能进行回收过程中，还可以将高压泵的提升压力差进行减少，从而达到将系统的能耗进行降低的目的。目前投入应用的能量转化装置中采用涡轮增压技术的典型有逆转泵型（Francis Pump）、佩尔顿型叶轮型（Pelton Wheel）和水力透平型（Turbo Charger）等。

2.2 压力交换式

由于涡轮增压技术是将压力能转化为机械能再转化回压力能，装置回收效率受到能量多次转换的影响，人们开始研制不用将机械能当成能量转换过程中的载体的能量回收装置。在20世纪80年代时，出现了一种新型的压力交换能量回收技术，将不需要机械能转换就能够将浓海水压力能直接传递到进料海水的想法进行实现。所以，该技术得到了支持，并且也应用在了有关的工业领域。该技术的原理，是通过界面或者是隔离物，直接将高压浓盐水的压力向低压进料海水进行传递，传递过程不需要用到机械辅助装置。能量的转换过程是压力能之间的转换过程，该过程得到最大程度的简化，使能量回收效率得以提升。这种技术的节能机理，需要的前提就是产量不变，然后在此情况下，将通过高压泵的流量进行降低的方式，将系统的能耗进行减少。经过多年的研究以及技术的挖掘，现如今，已经存在两种基本的压力交换器，并将其投入市场进行应用：一种是利用阀和活塞实现能量交换的活塞式压力交换器，另一种是仅用转子实现能量交换的转子式压力交换器。

转子式压力交换器：转子式压力交换器中，美国ERI公司的Pressure Exchange-PX转子式压力交换器主要是由一个无轴陶瓷转子所著称，沿转子轴向开有数个沟槽(类似于多个微型液缸)，原理是高压浓盐水推动转子旋转，使多个微型沟槽能够在两边静止的配流盘高压区以及低压区中相互交替转换从而切入，进入到高压区的微型液缸中，从而达到能量回收传递的目的，然后向外排液，进入低压区的微型液缸中，将原海水进行补液，利用PX的系统需要与增压泵相互配合，被加压后的海水通过增压泵进一步升压以匹配主海水泵的出口压力进入RO系统。在转子式压力交换器中，高压浓盐水与低压原海水之间能够将压力进行直接传递，水在多个微型液缸中能够停留的时间不是很长，两种液体通过一段封闭的“液体活塞”将其进行分开。

表1 AT-1800与PX-220分别应用于海水淡化厂近似产水量下能耗对比

3 两种能量回收装置应用于海水反渗透系统的整体能耗及成本比较

在能量回收装置的应用上，人们普遍认为PX转子式压力交换能量回收装置的回收效率最高，应用到海水反渗透系统中能最大程度地降低能耗，成本最低。然而回收效率并非一个准确反映真实能耗的指标。PX能量回收装置仅考虑装置本身的回收效率高于涡轮增压（Turbo-Booster）能量回收装置，没有整体考量额外增设增压泵、浓水与进水的窜水导致进水高压泵压力升高，以及反渗透膜运行寿命降低等种种问题造成的能耗和成本。这种回收效率的比较对于实际工程中能量回收装置的应用和选择没有太大意义。在实际工程的应用中，选用哪种能量回收装置可以最大程度地降低整个系统运行的能耗和成本才是真正应该着眼的关键。我们以每立方米产水需要消耗多少能源，即额定能源消耗度数（kWh/m³），作为比较不同能量回收装置能耗的参数，可以清楚地得出哪种能量回收装置能耗降低程度大，成本低。

表1比较了PEI公司的AT涡轮增压能量回收装置应用于位于埃及Sharm El Sheik的海水淡化厂，和ERI公司的PX压力交换能量回收装置应用于位于阿拉伯联合酋长国Ghaliah的海水淡化厂，这两个案例在近似产水量下的额定能源消耗度数。

由表1可知，在近似产水量的条件下，涡轮增压（Turbo-Booster）能量回收装置的额定能源消耗度数要低于PX能量回收装置。海水反渗透淡化系统中能量回收装置的选择，除了主要考虑能耗成本，还需考虑产品的安装、操作维修、占地空间等方面的成本。表2列出了涡轮增压（Turbo-Booster）能量回收装置和PX能量回收装置在这几个方面成本的比较。

表2 Turbo-Booster与PX在安装、操作维修、占地空间方面对比

由表1、表2我们可以得出，涡轮增压（Turbo-Booster）能量回收装置不论在能耗方面还是在安装、运行、占地等方面的成本都低于PX能量回收装置。这对于实际海水反渗透淡化工程中能量回收装置的应用选择具有重要的参考意义。目前业内能量回收厂商发布的全世界的能量回收装置使用量和产水量的信息见表3。

表3 目前两种能量回收装置在世界范围内应用情况

由表3我们可以得出，无论从安装数量还是从运行产水量来看，涡轮增压（Turbo-Booster）能量回收装置都明显占主导地位。

4 结语

海水反渗透淡化系统中能量回收装置的应用能够将海水反渗透淡化的生产成本进行大量降低，使反渗透淡化技术得到升华，使其成为竞争力极强和发展速度极快的一种海水淡化技术，前景广阔。涡轮增压式能量回收装置采用机械能作为压力传递媒介，压力交换式能量回收装置利用流体压力直接交换原理，两种能量回收装置都有各自的优势和弊端。通过综合比较两种能量回收装置应用于海水反渗透系统的整体能耗及安装、运行等其他方面的成本，我们可以得出结论，涡轮增压式能量回收技术应用到海水反渗透系统中能较大程度地降低整体的能耗及成本。从目前两种能量回收装置以世界的应用角度来看，涡轮增压式能量回收装置仍占据主导地位。