海洋工作平台海水淡化装置系统设计及技术研究

张荣山，张 千，毕传健，魏树辉，张旭峰

(中国船舶重工集团公司第七一一研究所，上海 200090)

0 引 言

随着世界经济和工业的迅猛发展，有限的陆地资源已日渐枯竭，新的能源开发和利用逐步转向海洋，海洋工作平台作为海洋油气资源勘测和开发利用的基础设施之一，在近年来得到大力的发展[1]。目前海洋工作平台已由近海发展到远海，补给物资运输成本越来越高，而且在极端恶劣的海洋天气情况下，短期内补给船或直升机可能无法到达平台。淡水是平台人员日常生活甚至影响生存的必备物料，这就要求平台必须具备利用海水就地生产淡水的能力。

海水淡化是指将海水里面的溶解性矿物质盐分、有机物、细菌和病毒以及固体分离出来从而获得淡水的过程。从能量转换角度来讲，海水淡化是将其他能源（如热能、机械能、电能等）转化为盐水分离能的过程。水质通常用TDS（总溶解固体）来衡量，用于表征水中盐分和矿物质含量，其单位为mg/L（即每升水中盐分或矿物质的毫克量）。根据GB5749-2006生活饮用水卫生标准对TDS的指标要求，一般将TDS≤1 000 mg/L 的水定义为淡水。

经过多年的发展，全球海水淡化技术超过20余种，包括反渗透法、低温多效蒸馏、多级闪蒸、电渗析法、压汽蒸馏、露点蒸发法等[2]。在完整的海水淡化处理工艺中，需联合微滤、超滤、纳滤等多项预处理和后处理工艺。海水淡化全球主流技术主要分为热法和膜法两大类：热法是20世纪30年代开始的，以多级闪蒸和低温多效蒸馏法为主；膜法是20世纪50年代开始的，以反渗透为主[3]。

1 海洋工作平台海水淡化系统方案设计

1.1 海水淡化方法选取

目前主流的海水淡化方法均已非常成熟，采用何种方式主要取决于外界条件，如有废热可用则可以考虑采用多级闪蒸和低温多效蒸馏法。

在海洋工作平台上废热供应相对不稳定，而且淡水需求量相对较低，反渗透法几乎不受外界因素影响，设备投资低，操作使用简单，因此采用反渗透法作为海洋工作平台的淡水供应方案。

反渗透是渗透的一种反向迁移运动，是一种在外界压力驱动下，借助于半透膜的选择截留作用将溶液中的溶质与溶剂分开的分离方法，它已广泛应用于各种液体的提纯与浓缩，其中最普遍的应用实例便是在水处理工艺中获得高质量的淡水[4]。典型的海水反渗透处理工艺流程见图1。

海水反渗透（SWRO）系统所需的能量决定于进水的含盐量、系统的浓缩倍率、进水温度及产品水的水质，其能耗一般为8～10 kW·h/m3，若有能量回收装置，则所需能耗为 3～4.5 kW·h/m3[5]。

海水反渗透设备除膜组件、高压泵及能量回收装置需要进口外，其他设备和器件均可以在国内加工制造，设备投资以及制水成本相对较低[6]。

1.2 设计原则和目标

本文以深海钻井船为应用对象，以满足国标《生活饮用水卫生标准》（GB5749-2006）为主要设计依据，采用仿真技术和自动化技术开展能量回收技术研究，设计 1台产量为 75 t/d、能耗低于 4 kW·h/m3的反渗透海水淡化装置。

1.3 工艺流程

1.4 系统总体方案设计

根据总体系统设计，整个海水淡化装置分为进水预处理系统、加压和能量回收系统、反渗透膜组和产水系统、冲洗和清洗系统、电气控制系统等5个部分。

1.4.1 进水预处理系统

为确保产水的品质并提高反渗透膜组正常的使用寿命，需要对海水进行过滤处理，根据海洋平台的水质，一般采用多介质过滤器和保安精滤器，主要作用是：

1）除去悬浮固体，降低浊度；

2）去除各种有机物；

3）确保反渗透膜和高压泵的安全使用需求。

1.4.2 加压和能量回收系统

加压和能量回收系统是整个系统的核心部分，其中加压设备选用柱塞式高压泵，将经过输送泵后的低压海水根据产量需求加压至5～6 MPa，以满足反渗透膜组的工作需求。

常规反渗透海水淡化装置有大约70%的能耗直接通过高压浓海水排放，为实现低能耗必须采用能量回收装置，其原理是利用高压浓海水和低压进水之间的能量转换，实现对低压进水的加压，使原本直接排放的浓海水能量得以回收和有效利用。

1.4.3 膜组和产水系统

反渗透膜组和产水系统的主要设计包含以下内容：

1）反渗透膜的选型和级联

根据海水的水质合理选择反渗透膜，同时根据系统回收率和装置的外形尺寸要求优化配置膜组的数量和排列方式。

2）反渗透膜组的紧凑型设计

由于平台空间的限制，对整个反渗透海水淡化装置的尺寸和重量提出了更高的要求，为此需对膜组的连接方式和空间布置进行优化设计。

3）多路阀的结构设计和切换控制

在装置的设计中，为实现设备功能的高度集成化和智能化，因此在装置内部需要配置数量和种类繁多的连接管路和阀件，为此专门进行了四路阀和五路阀的设计，同时也方便实现造水、清洗、冲洗等功能的自动化功能和一键操作。

4）冲洗和清洗系统

为提高装置的可靠性，在运行一段时间后，大量的杂质聚集在多介质滤器内，造成压差增大，因此需要定期对装置的滤器进行自动正反冲洗，将残留在滤器和管路中的杂质排出系统。同时膜组在长期运行时其表面会发生污染和结垢等现象，造成产量下降和电导率升高，此时需要通过化学药剂对膜组进行循环清洗，从而除去无机物、有机物以及细菌微生物等。

5）电气控制系统

整个装置的运行和操作需采用全自动化操作，主要操作过程如开机、停机、清洗、冲洗、加药等均可实现一键操作或自动操作，大大地降低操作人员的劳动轻度和技术熟练程度。此外，控制系统能够提供完善的安全保护功能，系统的压力、温度、流量、产水水质等均可测试并实现超限报警停机。

2 海洋工作平台海水淡化系统关键技术设计

海水淡化技术的应用过程中，降低其能耗一直是人们最关注的。无能量回收装置的反渗透海水淡化的能量消耗约为8～10 kW·h/m3，采用能量回收装置能耗可降到3～4.5 kW·h/m3。因此，为降低海水淡化成本，能量回收装置势在必行。

2.1 能量回收装置工作原理

压力能回收装置按工作原理可分为离心式和正位移式。离心式利用高压浓盐水推动水力透平转动，带动泵旋转对进料海水加压，实现“压力能—机械能—压力能”的转换；正位移式利用液体不可压缩性，直接实现高压浓盐水和低压进料海水之间“压力能—压力能”的能量传递，中间无能量转换损失[7]。而正位移式能量回收装置又分为转子式压力能量回收装置和活塞式阀控压力能量回收装置，本设计采用的为后者。

活塞式阀控压力能量回收装置主要由3部分组成：止回阀组（原海水端）、水压缸及流体切换器（高压盐水端）。止回阀组控制低压原海水的进入以及加压海水的排出。水压缸作为1个压力交换腔，高压盐水将压力传递给预先充满腔室的低压原海水（加压过程）。同时，在另1个水压缸中，在原海水的推动下泄压盐水通过流体切换器泄压孔道排出。流体切换器是能量回收装置的核心部分，它控制着高压盐水的进入以及泄压盐水的排放。水压缸中放置活塞，目的是防止海水和盐水的混合，从而将加压盐水盐度增加控制在一定水平内。每支水压缸两端均设置磁感应开关来探测活塞位置，当2个活塞都被相应的磁感应开关检测到时，切换器自动转换工作位，使得能量回收装置加压与泄压过程交替连续进行[8]。

2.2 能量回收装置设计方案

本次设计的能量回收装置，基于国内液压系统工业成熟的增压泵技术，采用特殊设计的增压式液压驱动往复式活塞泵作为能量回收装置，以高压废海水作为动力源，驱动活塞往复泵对原海水进行加压，直接达到海水淡化反渗透膜入口需要的压力，节约海水高压泵的动力，回收利用废海水中的能量。

如图3所示，输送泵将海水吸入，泵送到高压泵和增压式液压往复泵的入口；高压泵将海水加压达到反渗透膜的海水淡化的入口压力要求，供给海水淡化膜，产生淡水，并同时产生60%～70%的高压浓海水。液压往复泵无需电机驱动，直接利用反渗透膜出口的高压浓海水驱动输送泵送来的低压淡海水，产生符合反渗透膜入口压力要求的高压淡海水，与高压泵

泵出的高压淡海水合流，进入反渗透膜，产生淡水，同时排出完成能量转换的废弃的浓海水。

较目前广泛使用的能量回收装置相比较，存在以下优点：

1）设备简化。由于采用了增压式液压驱动往复式活塞泵（增压比定制），淡海水出口压力直接可达到反渗透膜的入口压力要求，不需要使用增压泵以及驱动电机，也不需要在系统中设置浓海水出口背压阀。

2） 浓海水不会进入淡海水中。由于活塞泵的液压驱动端和工作泵送端是隔离的，之间设有密封件，所以浓海水和淡海水不会混流，反渗透膜入口处海水相对原装置含盐量低，节约了海水高压泵的驱动力。

3）能量回收彻底，利用率高。液压往复泵的液压驱动力，取决于驱动端入口和出口之间的压力差，所以浓海水出口处不仅不需要设置背压阀，而且出口处最好直接排空，压力趋近于0，理论上可以达到100%的能量回收（当然要扣除少量机械、摩擦损失，这在原系统中也存在相应损失）。

3 试验结果与分析

对本设计制造的海洋工作平台海水淡化装置进行了产水性能试验。用人工配制盐水代替海水，主要研究在进水流量恒定（137 L/min）的条件下，海水温度及膜组工作压力对装置稳态运行时性能的影响。与此同时，在相同海水温度、相同膜组工作压力下，通过有无能量回收装置的前后能耗对比评估能量回收装置性能。

在稳态产水试验阶段，试验时长为4 h。

3.1 产水性能试验结果与分析

3.1.1 海水温度对产水量的影响

在相同的膜组工作压力下，海水温度越高淡水产量越大，海水温度每降低1 ℃，淡水产量降低约3%[9]。淡水额定产量是指海水含盐量为36 000 mg/L、海水温度为25 ℃时的产量。在不同的季节或海域，海水温度变化较大，淡水产量可能大于或小于额定产量完全正常。本套装置淡水产量随海水温度变化的关系如图4所示。随着海水温度的上升，淡水产量不断提高，在25 ℃时的淡水产量为76.1 t/d，达到了产水量要求。

3.1.2 膜组工作压力对产水量的影响

反渗透利用压差为动力，淡水产量随反渗透膜组工作压力的增加而增高。本套设备淡水产量与膜组工作压力变化的关系如图5所示。膜组工作压力一般≤6.5 MPa，在试验测试范围内，当工作压力为5.1 MPa时，淡水产量为68.5 t/d，；当工作压力为6.0 MPa时，淡水产量为 78.4 t/d。

3.2 产水能耗试验结果与分析

传统海水淡化是高能耗产业，每淡化1万吨海水需耗电4.66千瓦·时，折合标煤18.8 t，排放大量二氧化碳。为节约海水淡化成本，本套设备增加了能量回收装置，并通过对比评估其性能，结果如图6所示。采用特殊设计的增压式液压驱动往复式活塞泵作为能量回收装置，大大降低了产水能耗，每生产1 t淡水节能约54.4%。在海水温度为25 ℃，产水能耗为3.95 kW·h/m3，达到了能量回收装置的性能要求。

4 结 语

对本文设计的带有能量回收系统的船用海水淡化装置进行了产水性能试验，试验结果表明：利用高压废海水作为动力源，驱动活塞往复泵对原海水进行加压，可大大降低海水淡化装置能耗。在正常工作范围内，能耗节约达50%以上，产水能耗为4 kW·h/m3左右。同时，该套装置的电控系统充分发挥出淡水水质保护、淡水产量自动调节等作用，保证了产出淡水的水质和水量达标。

本文提出的反渗透海水淡化装置具有能耗低、结构紧凑、自动化程度高的特点，适用于深海钻井船等空间有限、资源有限的场所，可为海上工作人员提供足量的淡水，保证海上生产及生活用水。本海水淡化装置的研制将打破国外技术垄断，接近或已达到国际先进水平。