膜法海水淡化工程中材质及设备的选型

2020-09-22肖威，王楠，李丹

工业水处理 2020年9期

肖威，王楠，李丹

（北京碧水源科技股份有限公司，北京109591）

在我国淡水资源日益紧缺的前提下，海水淡化具有非常广泛的应用前景。海水淡化方法主要分为热法、膜法、化学法三大类〔1〕。随着膜价格及相关运行成本的降低，使得膜法海水淡化工艺得以实际应用。其中，高效率的高压泵及能量回收装置的应用大大降低了膜法的能耗，目前，反渗透单元能耗在3 kW·h/m3以下，总能耗为4 kW·h/m3左右〔2〕，青岛董家口经济区海水淡化PPP 项目（以下简称董家口海水淡化项目）设计能耗为3.51 kW·h/m3。目前，实际应用过程中，由于海水含盐量高，对材料及设备的腐蚀性强，在设计及采购过程中，应重点考虑材料的抗压抗腐蚀性能。此外，膜法海水淡化需要很高的渗透压，膜单元是主要的能耗单元，必须使泵的选择位于其工作范围内的最佳工况点。结合董家口海水淡化工程设计及采购经验，本研究推荐了在不同工艺段金属材料及非金属材料的材料选择，并给出了泵选型中一些需要特别关注的要点。

1 董家口海水淡化项目介绍

项目地点为青岛董家口经济开发区。项目概况：（1）设计水量：近期为10 万m3/d，远期为30 万m3/d；（2）进水水源为黄海海水；（3）产水水质：氯离子质量浓度小于40 mg/L，pH 为6.5～7.5；（4）浓水排放：厂区调节后按相关要求近海排放。工艺流程见图1。

2 腐蚀原因及对应材质的选择

海水腐蚀的主要影响因素有：溶解氧量、温度、pH、含盐量、流速、海生物、细菌、污染及异种金属接触等。常见的腐蚀类型主要有点蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀、晶间腐蚀〔3〕。

绝大多数常用的非金属材料对海水都有优良的耐蚀性，如陶瓷、玻璃、石墨、橡胶、玻璃钢、UPVC、PE 等。

高压管路系统及较大的水泵等设备，由于输送介质压力（最高达7 MPa）、材料机械强度等问题无法采用合适的非金属材料，需使用耐海水的金属材料。

图1 董家口海水淡化项目工艺流程

2.1 非金属材料

在董家口海水淡化项目中，对于海水低压管道系统，根据管径以及加工精度的需要，多采用UPVC、FRP、HDPE 等材质。阀门的阀座等采用了EPDM 橡胶材质。董家口海水淡化项目中低压管道选材及分析见表1。

表1 董家口海水淡化项目中低压管道选材及分析

2.2 金属材料及耐点蚀当量（PRE 值）

奥氏体不锈钢是水处理中常用的材质，但在海水中氯离子质量浓度可达16 000～19 000 mg/L。常用的如304、316 等不锈钢均存在较大的腐蚀问题，不适合直接应用。不锈钢材料主要发生的腐蚀形式为点蚀、缝隙腐蚀、晶间腐蚀和应力腐蚀〔4〕。

点蚀：在海水中，大部分不锈钢表面由于钝化膜的保护，不腐蚀或腐蚀轻微，但在表面上个别微小区域内，氯离子破坏钝化膜后，暴露的金属发生阳极反应，使腐蚀迅速向内发展，形成蚀孔，最终导致材料穿孔。除海水外，不锈钢在盐酸、次氯酸钠等介质中也易发生点蚀。盐酸、次氯酸钠主要应用在清洗系统中，除了药液浓度外，pH、温度、接触时间等也是影响腐蚀的重要因素。

缝隙腐蚀：是点蚀的一种特殊形态，发生在缝隙内。有效防止方法是选用合适的材质、尽量避免采用尖缝结构和避免滞留区。

晶间腐蚀：海淡项目中易发生晶间腐蚀的地方主要有反渗透产品水以及压缩空气管道等采用奥氏体不锈钢的管道及设备。奥氏体不锈钢（316、304）在热处理过程中，例如水泵铸造、不锈钢材质焊接等过程中，不锈钢中的铬易形成碳化铬析出。从而导致晶间腐蚀的发生。选材过程中，应选择低碳含量的奥氏体不锈钢，如304L、316L 等。

应力腐蚀：由金属材料在应力与化学介质协同作用下引起的金属断裂现场。海淡项目中应力腐蚀容易发生在止回阀弹簧部位。由于弹簧钢本身对材料的机械性能有特殊的要求，可用于海水的弹簧钢材质较少。目前已知可适用于海水系统止回阀的弹簧材质为Inconel625 合金。

一种不锈钢材料是否适用于海水，可以通过耐点蚀当量（PRE）进行简单判断。 PRE 的计算公式：PRE=Cr%+3.3Mo%+16N%，Cr%、Mo%、N%分别指不锈钢中的铬、钼、氮元素的质量分数。

通常要求直接用于海水的不锈钢，其PRE 值大于40。因此需选用超级双相钢2507 或其他PRE 值大于40 的超级奥氏体不锈钢、哈氏合金等。常见的如奥氏体不锈钢316L 等，如要应用于海水中，应加衬或做阴极保护等防腐措施。

表2 各种不锈钢的PRE 值

表3 董家口项目金属选材及分析

3 反渗透高压泵的选型

预处理及超滤系统的水泵除材质以外，设计选型与通常的水处理项目并无太大不同，本研究介绍以海水反渗透系统中的高压泵为主。目前海水反渗透系统中使用的高压泵主要分为柱塞泵和多级离心泵两种类型。柱塞泵效率通常较离心泵高，但由于结构原因，流量通常较小，且价格昂贵，主要都在小型项目中应用。大中型海水反渗透高压泵，基本上都采用多级离心泵。董家口项目中高压泵流量为920 m3/h，采用多级离心泵。

3.1 大型海水反渗透高压泵常见形式

大型海水反渗透高压泵多采用多级离心泵。较知名的海淡高压泵厂家，如苏尔寿、凯士比等主要有节段式、轴向剖分式两种形式的多级离心泵。外观见图2。

图2 节段式多级离心泵和轴向剖分式多级离心泵

这2 种泵均可不拆装管路进行检修。节段式具有价格较低、供货时间短的优点。轴向剖式由于其不需要平衡盘的设计，多数情况下效率会略高于节段式。但其双相钢泵壳为整体铸造，造价较高、供货期也较长。

3.2 水泵的效率

膜法海水淡化项目的运行成本中，电能消耗可占到50%以上，而高压泵作为主要能耗设备，其电耗约占系统运行费用的35%〔5〕。因此在系统设计以及水泵选型过程中，提高效率必需是重点考虑的内容。董家口项目共用5 台海水反渗透高压泵，单台电机功率达2 100 kW。水泵需要系数取0.7，那么效率每提高一个百分点，每年可节省约40 万元电费。董家口海水淡化项目直接运行成本占比：电耗为69%、药耗为12%、膜更换为8%、维护为7%、管理为4%。

在董家口海水淡化项目设备比选过程中，水泵的效率作为了一项重点性能进行了比较。前期设计选型阶段，即将主要水泵效率达到80%以上作为基本要求，海水反渗透系统高压泵最终选型的效率达到86.1%，部分水泵更是达到了90%以上。

3.3 工况点及曲线

由于海洋情况复杂，海水温度、浓度在全年的范围内都可能有较大的变化。高压泵实际工作扬程可能会有数百米的巨大变化。董家口项目设计水温为2～28 ℃。随着水温的变化，高压泵需要在400～630 m间的不同扬程下运行。

在水泵的选型过程中，应使水泵在各种工况点下，始终在高效区内运行。董家口项目海淡高压泵不同工况点下曲线及效率见图3。

图3 董家口项目海淡高压泵不同工况点下曲线及效率

3.4 电机安全系数的选择

水泵电机额定功率应大于水泵最大设计轴功率。在《离心泵技术条件（Ⅱ类）》（GB/T 5656—2008）中根据不同的电机功率，安全系数最低要求为1.1～1.37。《给排水手册第3 册城镇给水》中要求的水泵安全系数为1.05～1.5。安全系数选择过高将导致不必要的成本增加；过低会导致运行不稳定，甚至可能烧坏电机。

电机安全系数的选择，应视项目的运行管理水平、自动化程度进行判断。运行管理水平高，自动化程度高，流量控制的水泵，安全系数可以依据规范的最低要求来选择。相反，对于运行工况复杂、自动化程度低、运行管理水平低、单纯压力或液位控制，应适当提高水泵电机的安全系数。

董家口项目设计过程中，考虑到大型海水淡化项目中，自动化程度及运行管理水平较高，且水泵本身已经按照最不利的工况进行设计。因此电机安全系数按照《离心泵技术条件（Ⅱ类）》（GB/T 5656—2008）中规定的最低要求来选择。