基于光伏发电的膜法苦咸水淡化系统的优化设计

2022-07-05黄佳胜刘柯妤陈锐坚

太阳能 2022年6期

黄佳胜，徐政*，刘柯妤，陈锐坚

(1.清华大学深圳国际研究生院电力系统国家重点实验室深圳研究室，深圳 518055；2.深圳天源新能源股份有限公司，深圳 518055)

0 引言

苦咸水淡化是解决中国西北内陆和东部沿海等部分地区淡水供应问题的有效途径，而膜法淡化技术是利用具有选择透过性的膜将盐分及杂质分离出来，获取淡水。该技术具有设备简单、易于自动化操作、能量消耗低、产水水质好的特点。为了在偏远、缺电地区推广该技术，近年来将膜法淡化设备与新能源发电技术相结合的研究得到了越来越多的关注。

对于膜法淡化技术中膜的选择，反渗透膜和纳滤膜已得到较为广泛的应用[1-3]。这2种膜都是利用压力驱动水分子来透过膜的分离技术，但机理和性能有所差别。

反渗透膜采用芳香族聚酰胺材料，除盐率高且稳定，因此其与新能源发电技术相结合的研究均以系统控制和性能为重点。文献[4]分析了利用风电、光伏发电、电网互补供电进行反渗透苦咸水淡化的可行性和优势，但采用该方式的系统结构较为复杂、成本过高；文献[5-6]设计了一种利用光伏发电的反渗透(下文简称为“光伏反渗透”)苦咸水淡化实验系统，分别研究气候条件和储能对系统性能的影响；文献[7]开发了全自动智能控制的光伏反渗透苦咸水淡化系统样机，并通过模拟盐溶液验证了样机的性能。

纳滤膜的优势是操作压力和能耗低，但离子的截留效果受离子种类及离子半径的影响，除盐率比反渗透膜的低，因此相关研究更关注淡化效果。文献[8]开展了利用光伏发电的纳滤苦咸水淡化系统实验研究，结果表明，常规纳滤膜单级过滤只能有效处理总溶解固体(total dissolved solids，TDS)低于5000 mg/L的低盐度苦咸水；文献[9-10]对纳滤膜的负截留现象及其影响因素开展了研究，指出了其应用的局限性；文献[11]通过模拟盐溶液，利用实验评估了国产纳滤膜VNF2对中盐度苦咸水的淡化效果，为实际应用提供了良好的备选方案。

本文以利用光伏发电的膜法苦咸水淡化系统为研究对象，基于已开发的光伏反渗透苦咸水淡化系统搭建膜法苦咸水淡化实验系统，针对宁夏回族自治区清水河下游的中盐度苦咸水(TDS＞6000 mg/L)，通过该系统对其分别采用反渗透膜与纳滤膜时的淡化效果及运行特性进行对比分析，对设备选型和系统的控制策略进行优化，并分析了系统的经济效益。

1 膜法苦咸水淡化系统

1.1 系统结构

膜法苦咸水淡化系统的结构图与实物图分别如图1、图2所示。

图1 膜法苦咸水淡化系统的结构Fig. 1 Structure of membrane brackish water desalination system

图2 膜法苦咸水淡化系统的实物图Fig. 2 Photos of membrane brackish water desalination system

图1中，膜法苦咸水淡化系统的运行过程包括提水、过滤和除盐这3个环节。过滤(预处理)采用三级过滤(砂滤、碳滤和保安过滤)。除盐处理采用单级加压方式，装置由3支FRP材质的压力容器串联而成；内部可安装规格为4040的膜组件，膜可选用美国陶氏集团生产的反渗透膜BW30、美国陶氏集团生产的纳滤膜NF270或时代沃顿科技有限公司生产的纳滤膜VNF2，从而可分别构成反渗透苦咸水淡化系统(下文简称为“反渗透系统”)和纳滤苦咸水淡化系统(下文简称为“纳滤系统”)。

循环驱动部分包括提水泵、冲洗泵和增压泵。提水泵与冲洗泵均采用额定功率550 W、扬程30 m、流量2 m3/h的离心泵。由于反渗透系统与纳滤系统所需要的操作压力不同，因此选用不同扬程的增压泵。其中：反渗透系统选用26级离心泵P1，额定功率为3 kW、扬程为200 m、流量为2 m3/h；纳滤系统选用13级离心泵P2，额定功率为1.5 kW、扬程为98 m、流量为2 m3/h。

智能控制部分包括智能控制器、过滤器多路电动阀、多个管路控制与调压阀、压力和液位传感器、原水和产水电导率传感器等，以及淡水冲洗水箱和淡水储水箱等配件。智能控制器的实物图如图3所示。

图3 智能控制器实物图Fig. 3 Photo of intelligent controller

1.2 膜的性能实验

对膜的除盐特性进行测试，实验原水为从宁夏回族自治区清水河下游长山头水质监测断面采集到的河水，由于其泥沙含量大，需先进行沉淀处理，然后向实验系统注入约350 L。实验过程中，浓水和淡水均排回原水水箱，混合后循环使用。

提水泵与增压泵全速运行，通过手动调压阀设定操作压力，反渗透膜BW30、纳滤膜NF270和纳滤膜VNF2对应的操作压力分别为1.5、0.8和0.9 MPa。电导率表显示，原水的电导率为7.0～7.4 mS/cm，分别采用上述3种膜的苦咸水淡化系统的产水电导率为86、3540和448 µS/cm。膜的淡化效果取决于其对原水中离子的截留率r0，可表示为：

式中：c1、c2分别为原水和产水中的离子浓度。

委托环境检测中心对上述实验中的原水和产水的主要离子浓度进行检测，由此得到3种膜的离子截留率，结果如表1所示。

从表1中可以看出：原水的离子浓度较高，根据GB 5749—2006《生活饮用水卫生标准》，原水的氯化物与硫酸盐均严重超标(标准限值均为≤250 mg/L)，TDS=6050 mg/L，为中盐度苦咸水。反渗透膜BW30对所有离子都保持了很高的截留率，产水的TDS仅为60 mg/L，远低于上述国标中TDS≤1000 mg/L的指标；纳滤膜NF270仅对2价离子有较高的截留率，而对1价离子的截留率普遍低于50%，对Cl-还出现了负截留率现象，产水的TDS高达2110 mg/L，甚至超过了GB 5084—2005《农田灌溉水质标准》中针对盐碱土地区的TDS≤2000 mg/L的指标；纳滤膜VNF2对Cl-的截留率(86%)比反渗透膜BW30对该离子的截留率略低，但其对其他离子的截留率均很高，产水的TDS仅为295 mg/L，满足GB 5749—2006的要求。

表1 离子浓度与离子截留率检测结果Table 1 Test results of ion concentration and ion rejection rate

综上可知，纳滤膜的选型对苦咸水淡化效果的影响较大，但纳滤膜NF270需要采用多级加压淡化处理才有可能满足相关国标的要求，这将大幅增加系统的能耗和控制复杂度。因此，本文只针对仅需单级加压淡化处理的反渗透膜BW30和纳滤膜VNF2进行进一步分析与系统优化设计。

1.3 系统特性实验

当膜法苦咸水淡化系统采用光伏供电时，其运行状态取决于光照条件，需要配备具有最大功率点跟踪(MPPT)功能的专用逆变控制器，以此调节增压泵的转速，从而导致产水流量和淡化效果变化。为了确定膜法苦咸水淡化系统的最优设计及设备规格，需要通过实验确认增压泵以不同转速运行时的系统特性。

实验条件为：提水泵保持全速运行，增压泵调频运行，利用循环冷水机等设备将系统内的水温保持在25 ℃左右；4种调压阀开度设定为RO1.7、RO1.5、NF1.2和NF1.0，其中，RO1.7和RO1.5分别表示离心泵P1全速运行时反渗透系统的操作压力为1.7和1.5 MPa；NF1.2和NF1.0分别表示离心泵P2全速运行时纳滤系统的操作压力为1.2和1.0 MPa。在上述实验条件下得到反渗透系统与纳滤系统的运行特性如图4所示。

从图4中可以看出：

1)图4a中，增压泵的转速与输入电压频率f成正比，f在20～50 Hz之间时，系统能够有效制水，反渗透系统和纳滤系统的总功耗P均随f呈非线性上升趋势，但各自基本不受调压阀开度的影响，分别在0.5～3.0 kW和0.4～1.8 kW之间。

图4 2种系统的的运行特性Fig. 4 Operating characteristics of two kinds of systems

2)根据膜的特性和使用条件，通过调节调压阀开度，设定系统安全高效的最高操作压力。图4b中，在调压阀开度固定的情况下，操作压力Pm随增压泵转速的降低而降低，反渗透系统的Pm变化幅度相对较大；调压阀开度越小，Pm随增压泵转速而变化的趋势越明显。

3)图4c中，苦咸水淡化系统的产水流量Q与增压泵的转速基本呈线性正相关，转速越高，Q值越大；对于同种膜，Pm值越高，Q值越大，其中，RO1.7和RO1.5对应的Q值分别为0.19～0.95和 0.16～0.88 m3/h，NF1.2和NF1.0对应的Q值分别为0.25～1.04和 0.21～0.96 m3/h。

4)图4d中，NF1.2和NF1.0对应的吨水能耗E低于RO1.7和RO1.5对应的E，表明纳滤系统效率更高，而适当减小调压阀开度、提高操作压力，可减小E。随着增压泵转速的降低，E呈现先降后升的变化趋势；RO1.7和RO1.5对应的E值分别为2.35～3.11和 2.68～3.43 kWh/m3，NF1.2和NF1.0对应的E值分别为1.36～1.67和 1.66～ 2.24 kWh/m3。

5)图4e中，随着增压泵转速的降低，反渗透系统和纳滤系统的产水电导率σ均增高，表明淡化效果变差，但调压阀开度对各系统σ的影响不明显。虽然纳滤系统的σ(560～1320 µS/cm)远高于反渗透系统的σ(85～300 µS/cm)，根据电导率与TDS的近似换算关系，纳滤系统的产水TDS约为300～700 mg/L，满足GB 5749—2006的要求。

2 系统的优化设计

2.1 膜组件的优化选型

在苦咸水淡化处理的实际应用中，由于传统的纳滤膜(纳滤膜NF270)对低价态离子的截留率低且产水盐度难以满足要求，因此尚未被广泛认可和应用，而反渗透膜是常用技术之一。本文选用的新型纳滤膜VNF2对1价离子Na+、K+、Cl-和 HCO3-均具有很高的截留率，尽管其产水盐度高于反渗透淡化技术，但仍能满足国家相关标准的要求，且能耗大幅下降。因此，可根据产水用途选用合适的膜组件。对于普通生活用水需求，可选用能耗低的纳滤膜VNF2；而对于TDS≤300 mg/L的用水需求，可选用反渗透膜。

2.2 光伏阵列的优化配置

当膜法苦咸水淡化系统的膜组件配套方案确定后，系统的产水能力就取决于光伏阵列的供电能力。光伏阵列的最大输出功率PPVmax与光伏阵列接收的太阳辐照度基本成正比。PPVmax的全天变化规律可近似表示为：

式中：Hd为光伏阵列倾斜面上接收的年平均日太阳总辐照量，kWh/m2；Pmp为光伏阵列标称峰值功率，kWp；KPV为光伏阵列的综合修正系数，该参数受光伏阵列朝向、光伏组件工作温度、光伏阵列回路和光伏组件表面污渍等的影响；θ为修正时角，rad，正午12:00时，θ=0，θ从-π/2到π/2的时间长度随季节而变，该时间长度本文取10 h。

当膜法苦咸水淡化系统的有效运行功率在最小运行功率Pmin(即Q值接近零时的运行功率)和最大运行功率Pmax(即增压泵全速运行时的运行功率)之间时，光伏阵列的实际有效输出功率PPV可表示为：

将膜法苦咸水淡化系统配套的光伏阵列的Pmp与Pmax之比定义为光伏配置系数m，可表示为：

则由式(2)～(4)可得：

式中：θ0为膜法苦咸水淡化系统开始有效运行时对应的时角；θ1为增压泵开始全速运行时对应的时角。

以本文搭建的实验系统为例，其采用反渗透膜BW30时，反渗透系统(RO1.7)的Pmin=0.53 kW、Pmax=2.98 kW；采用纳滤膜VNF2时，纳滤系统(NF1.2)的Pmin=0.42 kW、Pmax=1.68 kW。2种系统的P与Q的实测结果如图5所示。

图5 2种系统的P与Q的实测结果Fig. 5 Measured results of P and Q of two kinds of systems

当2种系统由光伏供电时，P=PPV，通过图5可分别得到反渗透系统产水流量QRO与纳滤系统产水流量QNF的拟合公式，即：

设Hd=5.5 kWh/m2，KPV=0.9，根据式(2)、式(5)、式(8)～式(9)，通过积分计算可得到反渗透系统和纳滤系统的日产水能力Qd与m的关系，如图6a所示。由此可见，加大光伏阵列容量能够提高系统的产水能力，但受系统有效运行功率的限制，产水能力的增幅逐渐变小，而光伏阵列的弃光率ξ会逐渐增高。ξ的计算式可表示为：

m与ξ的关系如图6b所示，由图可知：m≈1.2时，ξ的值最低。

图6 m对Qd和ξ的影响Fig. 6 Influence of m on Qd and ξ

从淡化制水成本的角度进行分析。根据本膜法苦咸水淡化系统的订制价格，估计批量生产时其市场价格约为60000元，平均每年的运行维护(滤膜与滤芯的定期更换、易损件维修等)费用约为1500元，配套光伏阵列的价格约为3000元kWp，以该系统的使用寿命为15年计算，则其吨水淡化制水成本C为：

虽然光伏阵列成本在总成本中的占比较小，但增大光伏阵列容量能够提高淡化系统的利用率，从而降低淡化制水成本。m对反渗透系统和纳滤系统的C的影响如图7所示。

图7 m对C的影响Fig. 7 Influence of m on C

综上可知，优化目标不同，得到的结果也存在差异。本文分别以ξ值最小和C值最低为优化目标得到设计结果，如表2所示，其中，综合值是指综合各种影响因素后得到的值。在实际应用中，需要综合考虑膜法苦咸水淡化系统的日产水能力、光伏阵列的利用率和安装空间，以及初期投资成本等因素，优化配套光伏阵列的容量，本文推荐m≈1.8。

表2 膜法苦咸水淡化系统在不同优化目标下的结果Table 2 Results of membrane brackish water desalination system under different optimization objectives

2.3 储能单元的配套设计

单从技术的角度来看，配套使用储能单元能够抑制太阳辐照度变化对光伏膜法苦咸水淡化系统运行特性的不良影响，提高系统和光伏阵列的利用率。但是，由于蓄电池的成本较高，其经济性有待进一步分析与比较。

以纳滤系统为例，根据表2所示的优化结果，为了实现制水成本最低，配套的光伏阵列Pmp=4.7 kWP(m=2.8)，根据日产水量换算得到系统平均每天的等效全速运行时间仅为8.5 h，而弃光率高达38.9%，高成本的淡化设备和大容量的光伏阵列均未得到充分利用。而且根据上文的结论可知，随着增压泵转速降低，系统的σ由 560 µS/cm 增至 1320 µS/cm，淡化效果明显变差。若要利用蓄电池的充放电来保证光伏阵列全额发电并支撑系统一天全速运行12 h，则根据式(2)可计算得到Pmp=4.3 kWp(m=2.56)，对应的光伏阵列平均日发电量约为21.3 kWh，Qd可由8.8 m3增至12.5 m3，并保证高除盐率。

蓄电池与光伏阵列的具体工作过程为：

1) 06:00～07:00、17:00～18:00时：PPV= 0，由蓄电池单独供电，放电量约为3.4 kWh。

2) 07:00～08:45、15:15～17:00 时：0 ＜PPV＜Pmax，由蓄电池和光伏阵列同时供电，放电量约为2.9 kWh。

3) 8:45～15:15时：PPV≥Pmax，由光伏阵列单独供电，并向蓄电池充电，最大充电功率约为1.6 kW，充电量约为6.8 kWh。

假设蓄电池采用锂电池，其充放电深度为90%，循环次数为3000次，则配套的蓄电池容量Ebat为7.5 kWh，使用寿命约8年，膜法苦咸水淡化系统15年的使用期中需更换一次蓄电池。鉴于近年来锂电池的价格不断下降，结合式(11)可得到锂电池单价cbat与纳滤系统(NF)和反渗透系统(RO)的C之间的关系，具体如图8所示。

图8 cbat对C的影响Fig. 8 Influence of cbat on C

以目前小容量锂电池模组的市场价格约为1300元/kWh计，纳滤系统的C可降至1.68元/m3，未来还有进一步降低的趋势，这表明配套使用储能单元具有良好的经济性。

同样，对于反渗透系统，为了实现系统全天全速运行12 h，应配置Pmp为7.3 kWp(m=2.45)的光伏阵列、容量为13 kWh的锂电池，其Qd可由7.9 m3增至11.4 m3，C值降至2.21元/m3。

若设定膜法苦咸水淡化系统不同的日运行目标时长Td，锂电池模组价格为1300元/kWh，则反渗透系统和纳滤系统的配置方案和运行特性如表3所示。

由表3可知：Td越长，Qd越高，C越低。考虑到系统的运行管理与设备维护等因素，推荐Td选取14～16 h。

表3 2种系统的配置方案和运行特性Table 3 Configuration schemes and operating characteristics of two kinds of systems

3 实验系统运行结果

以本文搭建的膜法苦咸水淡化系统作为实验系统，该系统采用纳滤膜VNF2，实验地点位于深圳，以已建成使用5年的光伏阵列为电源，无储能单元；光伏阵列由32块95 Wp的非晶硅薄膜光伏组件组成，以“8串4并”的方式连接，总峰值功率为3.04 kWp，光伏组件安装倾角为8°。于2020年11月30日测试实验系统的全天运行特性和产水能力，当天的天气为阴转多云，测试结果如图9所示。

图9 实验系统的全天运行结果Fig. 9 Results of all-day operation of experimental system

由于当天的太阳赤纬角为-22.1°，全天太阳入射光线与光伏阵列平面法线之间的夹角(太阳入射角)大，入射太阳辐照度偏低。由于上午时段的云层较厚，PPV值小，因此实验系统从08:50才开始有效淡化制水，且Q值波动大；下午云层逐渐消退，实验系统运行稳定，但从14:20开始受周围建筑遮挡的影响，PPV值明显下降，15:10时实验系统停止运行。

实验系统全天有效运行时间为6.3 h，光伏阵列日发电量为8.86 kWh，淡水日产水量为4.81 m3，E值为1.84 kWh/m3。受实验时季节、天气、光伏组件安装倾角及局部阴影等不利因素的影响，该日产水量低于表2中的综合值。