杲家勝

(山東核電有限公司，山東 煙臺 264000)

由于核電站的特殊性，其安全穩(wěn)定運行需要大量安全、可靠淡水水源作為保證，而核電站建設地水庫水源受制于季節(jié)和氣候變化，在干旱缺水時節(jié)無法有效保證核電站大量淡水供應，因而海水淡化技術(shù)就成為各濱海核電廠解決淡水水源有效途徑之一[1]。

目前海水淡化領(lǐng)域，應用最為廣泛并形成產(chǎn)業(yè)化規(guī)模的幾種方法分別為低溫多效蒸餾法(low temperature multi-effect distillation，簡稱LT-MED)；多級閃蒸法(multi stage flash，簡稱MSF)；反滲透法(reverse osmosis，簡稱RO)。

上述三種海水淡化方法各有優(yōu)劣，反滲透法海水無相變過程，能耗較低，但預處理要求嚴格且反滲透膜需定期更換；多級閃蒸法單機容量大，產(chǎn)水水質(zhì)高，預處理過程簡單，主要控制進水的含沙量[2],但設備運行溫度高，結(jié)垢嚴重，能耗大，初期工程投資高；低溫多效蒸餾法海水蒸發(fā)溫度不超過70 ℃。減緩了設備腐蝕和結(jié)垢，能耗較低，但低溫多效蒸餾設備體積較大，裝置費用較高[3]。

海陽核電站選用的方案為反滲透海水淡化處理工藝。

1 海陽核電海水淡化項目概況

海陽核電1、2號機組淡水水源取自廠址北側(cè)23 km處的盤石水庫，批準取水量8 000 t/d，待海陽3、4號機組投產(chǎn)后盤石水庫供水能力3×106t/a將無法滿足海陽核電淡水用量，盤石水庫向海陽核電淡水供應量如表1所示。

表1 海陽核電取自盤石水庫淡水量 t

因而海陽核電海水淡化規(guī)模按照滿足海陽4臺機組淡水用量設計，規(guī)劃場地250 m×110 m，系統(tǒng)設計出力700 t/h，并預留5、6號機組海水淡化設備擴建場地，海水淡化投產(chǎn)后，盤石水庫水源將作為備用水源。反滲透設備及其配套取水泵、保安過濾器、高壓泵、能量回收裝置和升壓泵等設備分2批供應，一期工程布置2套反滲透裝置，每套反滲透裝置設計出力175 t/h，滿足1、2號機組淡水用量，二期工程增加2套反滲透裝置以保證3、4號機組淡水用量。

2 海水淡化各主要工藝系統(tǒng)和關(guān)鍵設備

系統(tǒng)主要工藝流程：海水(夏季為原海水，冬季為機組冷卻水溫排水)→混凝、沉淀設備→V型砂濾池→清水池→給水泵→臥式細砂過濾器→反滲透高壓泵(含能量回收裝置及高壓泵)→海水反滲透裝置→淡水池→水泵→各淡水水源用戶[4]。

2.1 取水系統(tǒng)

海陽核電海水淡化系統(tǒng)春、夏和秋季海水水源取自經(jīng)循環(huán)水系統(tǒng)鼓型濾網(wǎng)過濾后海水，1、2號機組設置4臺立式長軸泵，設計流量480 m3/h，布置于一期循環(huán)水泵房內(nèi)，安裝標高0.2 m，將海水升壓后輸送至海水淡化處理廠房，1號機組投運時，泵組3用1備，1、2號機組投運時，泵組2用2備。當3號機組投運時，系統(tǒng)在二期循泵房內(nèi)增加2臺立式長軸泵，泵組3用3備，4號機組投運時，泵組4用2備。

冬季海水淡化系統(tǒng)海水水源取自凝汽器出口的溫排水，一期工程設置4臺臥式離心泵，設計流量480 m3/h，分別布置于1、2號機組凝汽器出口側(cè)-14.20 m層，當1號機組投運時，布置于1號機組凝汽器出口側(cè)的泵組1用1備，2號機組投運時泵組2用2備。3號機組投運時，系統(tǒng)在3號機組凝汽器出口側(cè)增設2臺臥式離心泵，泵組3用3備，當4號機組投運時，泵組4用2備。

海水取水系統(tǒng)將經(jīng)海水淡化系統(tǒng)電解制氯設備制備NaClO殺菌后的海水輸送至混凝沉淀池。

2.2 預處理系統(tǒng)

根據(jù)海陽海水水質(zhì)，海水淡化系統(tǒng)采用混凝沉淀池+V型濾池+臥式細砂過濾器的預處理工藝，用以去除海水中的懸浮物、有機物、膠體、微生物等。

海陽核電混凝沉淀池總出力為2 700 m3/h，設置3組混合絮凝沉淀池，每組處理水量為900 m3/h，單池尺寸30.53 m×14.00 m×6.30 m，入口進水管前端設置1臺DN500，L=3 000 mm的法蘭連接的玻璃鋼材質(zhì)渦旋式管道混合器，用以混合聚合氯化鋁、聚合氯化鐵等混凝劑和聚丙烯酰胺(PAM)等助凝劑。

加藥后海水進入絮凝池，絮凝池為立式流向翻騰式絮凝池，內(nèi)設湍流凝聚設備，利用顆粒碰撞發(fā)生的凝聚效應，通過改變水流結(jié)構(gòu)形式創(chuàng)造的湍流凝聚條件，控制湍流強度，形成不同強度的微渦旋，控制碰撞強度和有效碰撞次數(shù)，在短時間內(nèi)發(fā)生凝聚，通過水力分級，使水流剪切力逐級遞減，絮體增大和密實，以提高湍流凝聚效果。

湍流凝聚設備采用改性PVC材質(zhì)，按照水力梯度分為三級凝聚：第一級1 028×837 mm2，流速0.12 m/s；第二級1 388 ×880 mm2，流速0.09 m/s；第三級1 414×1 387 mm2，流速0.06 m/s；每座混凝沉淀池共計26個湍流凝聚設備單體。單體湍流凝聚設備散件包括立柱、型材、配套安裝組件、安裝支撐角鋼等，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 湍流混合設備

經(jīng)絮凝池后，海水進入受控沉淀池。沉淀池設置由大板及肋條熱熔焊接成的斜板受控沉淀設備。設備材料為乙丙共聚材質(zhì)，大板長1 000 mm，寬310 mm，高1 000 mm，間距25 mm，厚度1 mm，海水上升流速0.8 mm/s，安裝方式為60°傾角斜鋪，結(jié)構(gòu)如圖2所示，每套受控沉淀池安放336 m2，3套沉淀池共計1 008 m2，設備在利用淺池沉淀理論的基礎(chǔ)上，通過結(jié)構(gòu)控制碰撞凝聚作用的產(chǎn)生，提高礬花在設備內(nèi)碰撞凝聚的概率，在一定高度形成密實、抗沖擊、動態(tài)懸浮泥渣層，可攔截、過濾、吸附絮狀物，從而保證沉淀池的出水效果。

圖2 受控沉淀設備

受控沉淀設備上部布置集水槽用以匯流經(jīng)混凝沉淀后的海水，設備材質(zhì)選用玻璃鋼。

單根集水槽尺寸為長6 500 mm，寬160 mm，高340 mm，集水孔直徑25 mm，每套沉淀池布置20根，3套共計60根，具體布置如圖3所示。

沉淀池下部設置排泥斗，以降低排泥系統(tǒng)的堵塞，排泥管管段并聯(lián)設置角閥與蝶閥，用于排泥。

預處理系統(tǒng)混凝沉淀池總體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖3 集水槽布置

圖4 混凝沉淀池總體結(jié)構(gòu)

海水經(jīng)絮凝沉淀后通過V型濾池進水總渠，溢過堰口后經(jīng)兩側(cè)的V型槽，進入濾池進行過濾。系統(tǒng)共設置3套混凝土結(jié)構(gòu)V型濾池，每套處理能力為900 m3/h，單套濾池長2 574 mm，寬1 765 mm，高5 000 mm，濾池中央為雙層排水渠，將V型濾池分開，水渠上層低于V型槽用匯流以濾池反沖洗水，下層為反沖洗氣、水分配渠，正向過濾器匯流過濾后的海水，反洗時用以分配反沖洗氣和反沖洗水，系統(tǒng)設置3臺V型濾池反沖洗水泵及3臺反沖洗羅茨風機，氣洗強度13～17 L/S·m2，水洗強

度4～6 L/S·m2。

海陽核電海水淡化系統(tǒng)選用單層均質(zhì)濾料，材質(zhì)為海砂，承托層海砂粒徑4～8 mm，裝填厚度100 mm，過濾層選用粒徑0.9～1.2 mm海砂，厚度1 200 mm，砂層下部為整體澆筑式濾板，如圖5所示。

圖5 整體澆注濾板及濾座

濾板內(nèi)均勻設置濾座用于插入可調(diào)試長柄濾頭，用以進一步過濾海水，濾頭采用ABS材質(zhì)，結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 長柄式濾頭

經(jīng)V型濾池過濾后海水經(jīng)2套清水池靜置后，由5臺海水反滲透水泵輸送至臥式細砂過濾器進行進一步過濾。

系統(tǒng)共設置8臺臥式細砂過濾器，單臺設備尺寸為Ф3 028×12 445 mm，過濾器分為4室，每室最大處理能力為68 m3/h，上下部各設置一個人孔用于設備檢修，另設置觀察窗，單臺設備最大處理能力為272 m3/h，設備本體采用碳鋼材質(zhì)，內(nèi)襯膠防腐。細砂過濾器上部鋪設4層均質(zhì)海砂，底層為承托層厚度為100 mm粒徑2.5～5 mm，第二層厚度為150 mm粒徑1.6～2.5 mm，第三層厚度為150 mm粒徑0.5～1.6 mm，頂層濾層厚度為800 mm，粒徑為0.3～0.5 mm，下部采用多孔板，板上設置ABS材質(zhì)雙速水帽。

系統(tǒng)設置2臺臥式細砂過濾器反沖洗水泵及2

臺反沖洗羅茨風機，氣洗強度30 L/S·m2，水洗強度12.5 L/S·m2。

2.3 反滲透系統(tǒng)

經(jīng)預處理系統(tǒng)過濾后的海水，一部分用于海水淡化系統(tǒng)電解制氯，系統(tǒng)設置2套電解海水制氯裝置，單臺設備出力3 kg/h，用于制備取水系統(tǒng)的殺菌劑NaClO，剩余海水在添加還原劑NaHSO3、阻垢劑Titan ASD 200 SC或H2SO4、殺菌劑BioGuard ACS(S)后進入海水淡化反滲透系統(tǒng)。

海水在經(jīng)過預處理系統(tǒng)時，由于預處理水池防腐材料剝落、設備管道可能存在雜質(zhì)以及可能發(fā)生的二次污染等，經(jīng)V型濾池和細砂過濾器過濾后的反滲透進水中，仍可能存在粒徑較大的固體顆粒，這些固體顆粒物不僅會對高壓泵葉輪造成損傷，經(jīng)高壓泵升壓后也會嚴重損壞反滲透膜元件，并影響反滲透設備產(chǎn)水率和脫鹽率，因而系統(tǒng)在每臺反滲透高壓泵前設置1臺保安過濾器，用以保護高壓泵及反滲透裝置。單臺保安過濾器設備尺寸Ф750×2 697 mm，單臺設備出力440 m3/h，材料為碳鋼襯里，內(nèi)壁浸塑，外壁涂刷耐海水腐蝕的防腐漆，過濾器內(nèi)放置PP材質(zhì)折疊式濾芯，過濾精度5 μm。

經(jīng)保安過濾器過濾后，海水進入反滲透高壓泵，系統(tǒng)共設置4臺臥式多級離心高壓泵，高壓泵由變頻器控制，可避免海水反滲透裝置啟動時膜組件受高壓水的沖擊，同時能夠調(diào)節(jié)海水反滲透的運行壓力，單臺設備流量175 m3/h，揚程壓力6 MPa，材質(zhì)選用耐海水腐蝕的雙相不銹鋼，為反滲透系統(tǒng)運行提供足夠的壓力能，用以克服海水的滲透壓。

在海水淡化系統(tǒng)設計時，回收率大小對投資費用和運行費用有很大影響。在一定的范圍內(nèi)，提高回收率，可以減少給水量從而減少引水工程、預處理設備及相應水泵的容量、也可以減少添加化學藥劑的用量，因此可以降低投資和運行費用。在目前的技術(shù)水平下，反滲透海水淡化工程的回收率一般在35%～50%。本工程按40%的回收率進行設計。

海水淡化系統(tǒng)共設置4臺反滲透裝置，一期工程先行布置2套，滿足1、2號機組需求，單套反滲透裝置設計出水量175 m3/h(15 ℃)，膜元件采用美國陶氏公司聚酰胺材質(zhì)渦卷式反滲透膜，型號為SW30HRLE-400i，單套反滲透裝置布置49支膜殼內(nèi)裝343根膜元件，允許pH值為2～11，通量范圍13～20 L/S·m2，設備除鹽率99.3%(20 ℃)，反滲透膜結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 反滲透膜結(jié)構(gòu)

經(jīng)反滲透裝置除鹽后，一路出水為最終產(chǎn)出的淡水，經(jīng)添加殺菌劑NaClO后，匯流至6座工業(yè)水池，工業(yè)水池容量可保證部分海水淡化系統(tǒng)設備故障維修時，持續(xù)為全廠供應淡水，且工業(yè)水池的儲存水量和備用淡水水源能夠保證海水淡化設備全部停用時為廠內(nèi)供水，以保證系統(tǒng)在預期時間內(nèi)修復。淡化水給水泵房內(nèi)布置6臺淡化水給水泵，單臺水泵流量50 m3/h，揚程壓力0.7 MPa；布置4臺除鹽水原水泵，單臺水泵流量160 m3/h，揚程壓力0.35 MPa，用以將淡水輸送至除鹽水廠及廠內(nèi)其他淡水用戶。工業(yè)水池內(nèi)添加NaOH以便于除鹽水系統(tǒng)而設置的二級反滲透去除CO2，并定期添加緩蝕劑用以減緩后續(xù)管道、設備的腐蝕。

經(jīng)反滲透裝置除鹽后，另一路出水為濃鹽水，濃鹽水進入能量回收裝置進行能量回收，以節(jié)省電能，反滲透裝置和能量回收裝置管道均采用耐海水腐蝕的雙相不銹鋼材料。

當前主流能量回收技術(shù)主要有以下幾種。

a. 水力透平式能量回收裝置。其原理是利用濃鹽水驅(qū)動渦輪轉(zhuǎn)動, 通過軸與泵和電機相連, 將能量輸送至進料原海水, 過程需要經(jīng)過水壓能-機械能-水壓能兩步轉(zhuǎn)換[5]。原理如圖8所示，其原理簡單、技術(shù)成熟、占地面積小、維護費用低，但缺點是經(jīng)過兩次能量轉(zhuǎn)換，能量回收效率低。

b. 活塞式閥控壓力交換器式能量回收裝置。

圖8 水力透平式能量回收裝置原理

其原理是采用2個大直徑液缸, 其中一個液缸中高壓濃水推動活塞將能量傳遞給低壓原海水向外排液, 另一個液缸中供料泵壓入低壓原海水補液并排出低壓濃水，2個液缸在PLC和濃水換向閥的控制下交替排補海水, 從而實現(xiàn)濃水能量轉(zhuǎn)換成原海水能量的回收過程[6]。

其中具有代表性的為瑞士Calder AG公司的DWEER裝置，其原理如圖9所示，其能量回收效率高，液缸內(nèi)部設置活塞從而避免了壓力交換過程中濃鹽水與原海水的混合，但需要外加動力以實現(xiàn)LinX閥內(nèi)部活塞的往返運動[7]。

圖9 DWEER能量回收裝置原理

c. 轉(zhuǎn)子式能量交換裝置。其能量回收效率高，能量交換過程不需外加動力，結(jié)構(gòu)緊湊，但其能量交換過程中濃鹽水與原海水會造成少量混合，提高了反滲透進水的含鹽量，此外需定期更換反滲透膜元件。

海陽核電海水淡化系統(tǒng)采用的能量回收裝置為ERI公司生產(chǎn)的PX轉(zhuǎn)子式能量回收裝置，回收效率94%。其原理為PX能量回收裝置將高壓濃鹽水的壓力直接傳遞給低壓新鮮原海水，這兩股水流在轉(zhuǎn)子的內(nèi)通道中通過隔層完成壓力交換。轉(zhuǎn)子裝在一個間隙尺寸精確的陶瓷套中，該陶瓷套位于2個陶瓷端蓋之間。當高壓濃鹽水注入時，可形成一個幾乎無摩擦的水力軸承。在水力軸承里旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子是PX裝置中唯一的運動部件。在任意時刻，轉(zhuǎn)子內(nèi)通道的一半處于高壓濃鹽水流中，而另一半則處于低壓原海水流中。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，通道會通過一個將高壓和低壓隔離的密封區(qū)。這些含有高壓濃鹽水的通道與相鄰的含有低壓原海水的通道被轉(zhuǎn)子通道間的隔斷和陶瓷端蓋形成的密封區(qū)隔離，其原理如圖10所示。由海水供水泵供應的原海水進低壓區(qū)左側(cè)的通道，該水流將濃鹽水從通道的右側(cè)排出。在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過密封區(qū)后，高壓濃鹽水從右側(cè)流入通道，對海水增加壓力，受壓后的海水再流入循環(huán)泵。轉(zhuǎn)子每旋轉(zhuǎn)一圈，這個壓力交換過程就在每個通道內(nèi)重復，從而不斷有水流注入和排出。轉(zhuǎn)子公稱轉(zhuǎn)速為1 200 r/min。

圖10 PX能量回收裝置轉(zhuǎn)子原理

經(jīng)PX能量回收裝置加壓后的原海水通過升壓泵加壓后進入反滲透裝置進行除鹽，每套反滲透系統(tǒng)設置1臺PX能量回收升壓泵，升壓泵為臥式離心泵，流量265 m3/h，揚程35 m，材質(zhì)為耐海水腐蝕的雙相不銹鋼。

反滲透系統(tǒng)經(jīng)長期運行后，膜元件表面會附著碳酸鈣結(jié)垢、硫酸鈣結(jié)垢、金屬氧化物垢、硅沉積物及有機物、微生物沉積物等污染物，這些污染物會堵塞膜元件影響海水除鹽率和產(chǎn)水量。此外，在設備正常運行時，濃鹽水會被不斷排放，而系統(tǒng)一旦停機后，由于海水滲透壓的作用，濃水側(cè)會從產(chǎn)水側(cè)回吸大量淡水，這也會對反滲透膜的脫鹽層造成損害。因此海水淡化系統(tǒng)設置反滲透化學清洗裝置在設備長期運行和停機后清洗反滲透裝置。

化學清洗裝置設置1套25 m3的化學清洗水箱，水箱材質(zhì)為碳鋼內(nèi)壁襯膠，內(nèi)設4×75 kW電加熱器用以加熱清洗水，清洗水源取自工業(yè)水池。清洗水動力源為1臺流量為450 m3/h，揚程30 m的臥式離心泵，水泵材質(zhì)為耐腐蝕的SS316L，并經(jīng)1臺Ф750×2 697 mm反滲透膜清洗過濾器過濾，過濾器材質(zhì)為碳鋼內(nèi)壁稱膠，內(nèi)裝PP材質(zhì)濾芯，過濾精度5 μm。

對于膜元件中無機污染物選用氨水將1%～2%濃度檸檬酸或草酸調(diào)整為pH2～4后，進行清除；對于有機污染物選用三聚磷酸鈉溶液將0.025%濃度的十二烷基硫磺酸鈉調(diào)整為pH7～10后進行清除。

反滲透停機后，首先利用pH2～4的檸檬酸溶液循環(huán)清洗反滲透裝置，待酸洗完畢后，再利用清水沖洗反滲透裝置，直至進水pH約等于出水pH值后，停止清洗，清洗完畢后，化學清洗設備投入1%濃度的NaHSO3溶液來進行保護，待注滿保護液后，所有閥門均關(guān)閉以防止空氣進入反滲透裝置。當環(huán)境溫度在0～33 ℃范圍時采用NaHSO3保護液，若溫度低于0 ℃，則需添加18%甘油。

2.4 反滲透廢液排出系統(tǒng)

海水淡化系統(tǒng)設置2座廢液收集池，用以收集反滲透排放的濃鹽水、反滲透清洗水以及其他廢水。系統(tǒng)布置4臺立式自吸泵，過流部件均采用耐海水腐蝕的雙相不銹鋼，單臺水泵流量600 m3/h，揚程20 m。

為保證在獲取淡水的同時，確保排除的濃鹽水不傷害海洋生物與生態(tài)環(huán)境[8]，海陽核電站委托中國海洋大學對海水淡化反滲透裝置濃鹽水進行了排放數(shù)學模型試驗分析。根據(jù)分析結(jié)果，海水淡化濃鹽水經(jīng)與循環(huán)水混合稀釋后排放，反滲透膜沖洗水等部分含有酸、堿的廢液，經(jīng)清洗水泵輸送至DTS廢水中和池，經(jīng)攪拌中和達標后統(tǒng)一排放。

3 后續(xù)建議

海陽核電海水淡化系統(tǒng)自2016年11月生產(chǎn)出合格淡水后，目前系統(tǒng)運行穩(wěn)定。為進一步提高海水淡化系統(tǒng)產(chǎn)水量及綜合利用效益，可考慮從以下幾方面進行改進。

a. 目前海陽海水淡化系統(tǒng)反滲透裝置前未設置電加熱器，單套反滲透設備設計產(chǎn)水量為175 m3/h，其產(chǎn)水量對應的設計溫度為15 ℃，但冬季自凝汽器出口側(cè)海水溫度約為10 ℃，對應產(chǎn)水量下降到145～165 m3/h，因此反滲透裝置前可增設電加熱器或其他熱源加熱反滲透原海水，以提高冬季淡水產(chǎn)量。

b. 海水淡化系統(tǒng)設置2套電解海水制氯裝置，電化學反應式為

其主要利用海水中Cl-制備NaClO，目前電解海水制氯水源為經(jīng)細砂過濾器過濾后的海水，其Cl-濃度近似等于海水鹽度，根據(jù)《山東海陽核電廠工程海水淡化濃鹽水數(shù)模試驗項目研究報告》其鹽度約為32 Psu，經(jīng)反滲透排出的濃鹽水鹽度為50 Psu，因此電解海水制氯水源可取自反滲透濃鹽水，不僅可增加單位海水中Cl-濃度，提高電解效率，也可避免自細砂過濾器取水，增大進入反滲透裝置進水量，從而提高反滲透裝置淡水產(chǎn)量，另一方面也可實現(xiàn)對濃鹽水的二次利用，減少濃鹽水的排放量。

[1] 王祥耀，陳勇強，劉 軍. 紅沿河核電站海水淡化系統(tǒng)V 型濾池腐蝕與控制[J]. 東北電力技術(shù)，2012，33(8):31-31.

[2] 郝青哲，史 洋. 沿海電廠海水淡化技術(shù)應用現(xiàn)狀[J]. 東北電力技術(shù)，2014，35(11): 50-52,56.

[3] 王 鵬. 核電廠海水淡化方案選擇[J]. 山東電力技術(shù), 2011(6): 51-52.

[4] 張受衛(wèi). 海水淡化專題報告[R]. 國核電力規(guī)劃設計院，2009.

[5] Andrews W T, Laker D S. A twelve-year history of large scale application of work-exchanger energy recovery technology [J]. Desalination 2001, 138(1-3):201-206.

[6] 潘獻輝，王生輝. 反滲透海水淡化能量回收技術(shù)的發(fā)展及應用[J]. 中國給水排水, 2010，26(16):18-18.

[7] 路乃元. 往復切換式閥控能量回收裝置變負荷運行及穩(wěn)定性評價[D]. 天津：天津大學，2013:11-12.

[8] 郭佩芳，侍茂崇. 山東海陽核電廠工程海水淡化濃鹽水數(shù)模試驗項目研究報告[R].中國海洋大學，2010.