余忠傳，丁天祥， 張 潔

(江蘇新?lián)P子造船有限公司, 江蘇 靖江214532)

0 引言

海上平臺(tái)在海上工作周期內(nèi)對(duì)淡水的需求量極高，大洋中海水的平均含鹽量約為35g/L,國家規(guī)定的飲用水含鹽量需低于450 mg/L,而平臺(tái)上的工藝用水有時(shí)要求更為嚴(yán)格。由于海上平臺(tái)離岸較遠(yuǎn)，淡水歷來由補(bǔ)給船運(yùn)至平臺(tái)，存放于淡水艙。受船舶資源、海況氣候等因素影響，尤其在風(fēng)暴狀態(tài)下，在補(bǔ)給船無法靠近平臺(tái)的情況下，會(huì)造成平臺(tái)生活用水緊張，影響海上作業(yè)人員的工作和生活，因此海水淡化技術(shù)逐步形成了一門綜合性的技術(shù)學(xué)科。目前，開發(fā)出的海水淡化裝置有20多種，在海洋平臺(tái)上使用的海水淡化方式主要是反滲透式和蒸餾式。反滲透式作為近代發(fā)展起來的一種淡化技術(shù)相比歷史悠久的蒸餾式有一定的優(yōu)勢(shì)，但也存在著一些技術(shù)短板。本文對(duì)比兩種制淡方式并著重分析反滲透式制淡方式，結(jié)合工藝流程，為海洋平臺(tái)的反滲透制淡系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供理論支持[1]。

1 兩種海洋平臺(tái)的海水淡化技術(shù)原理及對(duì)比

1.1 蒸餾式制淡原理

船舶或者海洋平臺(tái)上的蒸餾式造水機(jī)是指廢熱蒸餾式造水，主要利用主機(jī)或者主發(fā)電機(jī)的缸套冷卻液通過熱交換器加熱需要處理的海水。根據(jù)鹽分幾乎不溶于低壓蒸汽的原理，先使海水的溫度達(dá)到60 ℃左右，然后在抽真空的蒸發(fā)器內(nèi)蒸發(fā)汽化(海水在低壓狀態(tài)下沸點(diǎn)較低)，再將所產(chǎn)生的蒸汽冷凝，從而得到幾乎不含鹽分的蒸餾水。原理圖見圖1。

圖1 蒸餾機(jī)原理圖

影響產(chǎn)水量的主要因素如下：

(1)該制淡裝置的產(chǎn)水量很大程度取決于主機(jī)或者主發(fā)電機(jī)的工作狀態(tài)，從而使得出水量不穩(wěn)定。

(2)當(dāng)主機(jī)或者發(fā)電機(jī)的高溫?zé)崴蛔慊蛘邷囟炔粔驎r(shí)，也會(huì)大大影響出水量。

(3)蒸發(fā)式制淡方式容易造成設(shè)備或者管路內(nèi)部結(jié)垢，降低蒸發(fā)器傳熱效率。

1.2 反滲透式制淡原理

反滲透法是利用只允許溶劑透過、不允許溶質(zhì)透過的半透膜將海水與淡水分隔開。淡水通過半透膜擴(kuò)散到海水一側(cè)，因受半透膜的阻力，海水一側(cè)的液面逐漸升高，直至升到一定的高度才停止，這個(gè)過程為滲透。此時(shí)，海水一側(cè)高出的水柱靜壓稱為滲透壓。如果對(duì)海水一側(cè)施加一個(gè)大于海水滲透壓的外壓，那么海水中的純水將滲透到淡水中。滲透與反滲透過程見圖2。

影響產(chǎn)水量的主要因素如下：

(1)水溫。 進(jìn)水溫度與造水能力成拋物線關(guān)系，通常對(duì)于水溫的要求為5～40 ℃。25 ℃時(shí)，造水能力最好；隨著溫度的變化，每升高或者降低1 ℃，造水能力下降約3%(根據(jù)Hatenboer 廠家資料)。

(2)鹽度。通常設(shè)計(jì)鹽度為36 mg/L，這是一個(gè)理論值，可以適用于大多數(shù)海域。

圖2 滲透與反滲透過程

1.3 兩種制淡方式的對(duì)比

(1)蒸餾法是一種傳統(tǒng)的方法。船舶在航行過程中，主機(jī)缸套水換熱后的溫度約為90 ℃。缸套水屬于內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)，在冷卻主機(jī)后缸套水的熱量可以用來加熱海水得到淡水，即通過給海水抽真空降壓來降低海水的沸點(diǎn)，再用90 ℃左右的缸套水加熱低沸點(diǎn)的海水，得到水蒸氣，冷凝后得到淡水。蒸餾造水機(jī)的產(chǎn)水量計(jì)算公式如下：

D=3 600(KA△t-Q)/(h2-h1)

式中：K為傳熱系數(shù)，W/ (m2·℃)；A為換熱面積，m2；△t為對(duì)數(shù)平均溫差，℃；Q為蒸發(fā)器中的熱損失，W；h1、h2為蒸汽、水的焓值，J/kg。

由此可見，蒸餾法的產(chǎn)水量與傳熱系數(shù)、換熱面積、海水沸點(diǎn)、主機(jī)缸套水溫度等因素有關(guān)。具體分析可以得知：

①如果制淡系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)垢嚴(yán)重，尤其是換熱面，則換熱系數(shù)降低，使得換熱效果降低，從而降低淡水產(chǎn)量;

②如果制淡裝置內(nèi)部密封有損，就會(huì)導(dǎo)致無法達(dá)到設(shè)計(jì)的真空度，造成海水沸點(diǎn)升高，降低淡水量產(chǎn)量;

③受主機(jī)低負(fù)荷，或者高溫水流量不足等工況影響，缸套水溫度偏低或者流量偏小，也會(huì)造成淡水產(chǎn)量降低。

(2) 反滲透式制淡法核心部件為滲透膜,滲透膜的狀態(tài)直接影響著造水量。另外，淡化的海水溫度和海水鹽度也直接影響著造水量。 為保證其良好的造水能力，一系列針對(duì)保證造水能力的設(shè)計(jì)被應(yīng)用在反滲透淡化系統(tǒng)上，比如高壓泵與出水量的匹配、多級(jí)濾器的設(shè)計(jì)等，所以其維護(hù)成本相對(duì)于蒸餾式系統(tǒng)較高。

(3)相比于蒸餾式制淡法，反滲透制淡法不發(fā)生相變，無需利用熱源，只用到電能，意味著反滲透淡化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)涉及到的其他系統(tǒng)相對(duì)較少，較為獨(dú)立。反滲透制淡系統(tǒng)圖見圖3。

2 實(shí)船制淡方式的選用

根據(jù)墨西哥船東的要求，針對(duì)墨西哥灣稠油油田的特點(diǎn)，為半潛式修井及生活平臺(tái)Delta CAT500(簡稱“Delta CAT500”)專門設(shè)計(jì)和配置了特種修井服務(wù)設(shè)備及系統(tǒng)。該平臺(tái)配備DP3動(dòng)力定位，有6臺(tái)推進(jìn)器布置于平臺(tái)底部，電能消耗極大，故配置了6臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)。與船舶不同的是，該平臺(tái)上沒有鍋爐和主機(jī)，所以發(fā)電機(jī)缸套水為機(jī)械處所內(nèi)主要的可利用熱介質(zhì)。每臺(tái)發(fā)電機(jī)均布置于獨(dú)立艙室，艙室之間采用A60防火分隔，以保證任一個(gè)主發(fā)電機(jī)間失火時(shí)不會(huì)影響平臺(tái)自動(dòng)保持船位和艏向的功能。每臺(tái)主發(fā)電機(jī)配置獨(dú)立的柴油輸送泵和柴油艙，其相應(yīng)的管路布置在獨(dú)立的艙室內(nèi)并進(jìn)行A60級(jí)防火分隔。每臺(tái)主發(fā)電機(jī)的海水冷卻泵和其管線也相對(duì)獨(dú)立布置，與其他處所采用A60級(jí)防火分隔，即在任意一個(gè)主發(fā)電機(jī)艙室失火或者其他原因失效時(shí)不會(huì)影響到平臺(tái)的定位功能以滿足DP3動(dòng)力定位的設(shè)計(jì)要求。另外，稠油熱采過程中，平臺(tái)用水需求量很大。

圖3 反滲透制淡系統(tǒng)圖

在如此工況下選擇使用蒸餾式制淡法，由于其造水能力與主發(fā)電機(jī)的工況緊密相關(guān)，在進(jìn)行修井服務(wù)時(shí)，若出現(xiàn)某個(gè)發(fā)電機(jī)停車或某個(gè)房間淹沒進(jìn)水等其他會(huì)影響到主發(fā)電機(jī)工況的情況時(shí)，系統(tǒng)造水能力將會(huì)受到影響，繼而影響到修井作業(yè)。另外，選用蒸餾式制淡法，需要從每個(gè)艙室里的主發(fā)電機(jī)高溫水出口設(shè)計(jì)1根獨(dú)立的高溫水管至造水機(jī)，而從造水機(jī)高溫水回水管需要設(shè)計(jì)6根高溫獨(dú)立回水管至每個(gè)艙室的主發(fā)電機(jī)冷卻系統(tǒng)(造水機(jī)不布置于主發(fā)電機(jī)房)，且每根高溫水管線均需穿A60防火艙壁。因?yàn)樵焖畽C(jī)布置在獨(dú)立艙室外，所以管路布置會(huì)比較復(fù)雜。相比于反滲透式制淡法只需1根海水進(jìn)水管和出水管，又不影響主發(fā)電機(jī)房的獨(dú)立性，蒸餾式制淡法無疑大大增加了管路設(shè)計(jì)布置難度又增加了平臺(tái)重量，降低了平臺(tái)的可變甲板載荷量。因此，反滲透式淡化裝置對(duì)于Delta CAT500的布置和設(shè)計(jì)而言，無疑是最好的選擇。

3 反滲透式淡水系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

(1) 反滲透式海水淡化系統(tǒng)的核心部件是反滲透膜，為保證水質(zhì)，用于Delta CAT500的淡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)了兩道滲透膜。相對(duì)于第二道滲透膜，第一道為粗濾，第二道為更為精密的滲透膜，第一道滲透膜也作為保護(hù)第二道滲透膜的最后一道屏障，在應(yīng)急情況或者在某層滲透膜維護(hù)保養(yǎng)的情況下也可旁通，直接進(jìn)行反滲透制取淡水。

(2) 產(chǎn)水量取決于滲透壓，即取決于高壓泵的揚(yáng)程，反滲透操作壓力越高，產(chǎn)水率越高。 根據(jù)反滲透系統(tǒng)運(yùn)行壓力加富余量確定泵的揚(yáng)程。系統(tǒng)壓力由海水含鹽量、原水溫度、反滲透膜的型號(hào)、反滲透膜的排列、反滲透膜的數(shù)量、系統(tǒng)的回收率等一些定值和滲透膜性能參數(shù)決定。雖然不同區(qū)域的海水含鹽量有所差異，但海水的構(gòu)成基本相同。海水滲透壓P的估算經(jīng)驗(yàn)公式如下：

P= (0.714～0.9)×10-5C

式中：C為海水的鹽度，mg/L。

經(jīng)過計(jì)算，在最有利于制淡裝置造水性能的進(jìn)水溫度25 ℃的條件下，滲透壓約2.59 MPa。由于反滲透式造水系統(tǒng)不同的回收率，濃鹽度海水被回收，滲透壓會(huì)繼續(xù)升高，因此，通常選用的實(shí)際高壓泵的工作壓力約為6 MPa。最終選取的高壓泵為流量8.1 m3/h @6.9 MPa 三缸柱塞泵。 高壓泵的注入壓力需要在0.4～0.5 MPa，因而通常會(huì)在淡化系統(tǒng)的海水泵出口布置1個(gè)壓力控制閥，用來穩(wěn)定海水泵后的壓力并保證高壓泵的進(jìn)口壓力。

(3)考慮到反滲透膜不能長久暴露在空氣中，布置管路時(shí)降低了反滲透膜相對(duì)于主管路的高度，即反滲透膜的進(jìn)水和出水管路均與反滲透膜存在液位高度差。做一個(gè)類似于沉水彎一樣的設(shè)計(jì)，即使設(shè)備停止運(yùn)行也能保證反滲透膜內(nèi)存水以保護(hù)滲透膜。反滲透膜沉水彎設(shè)計(jì)見圖4。

圖4 反滲透膜沉水彎設(shè)計(jì)

為保護(hù)反滲透膜，在海水進(jìn)口管路上布置粗濾、精濾和多級(jí)濾器， 并在后兩道濾器布置壓差報(bào)警和自動(dòng)反沖洗系統(tǒng)。濾器反沖洗來自于壓縮空氣，由電磁閥實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開啟。 設(shè)計(jì)了1套沖洗系統(tǒng)來清潔滲透膜， 在反滲透膜兩端壓差較大的時(shí)候自動(dòng)沖洗。這套自動(dòng)沖洗系統(tǒng)包括1個(gè)沖洗泵、淡水緩存柜(500 L左右)和相關(guān)管附件。

(4)由于制淡裝置的造水能力與水溫成拋物線關(guān)系，在25 ℃時(shí)，造水能力最好；隨著溫度的變化，每升高或者降低1 ℃，造水能力下降約3%(根據(jù)Hatenboer 廠家資料)，并且在低溫下，造水機(jī)振動(dòng)噪聲比較大，會(huì)降低其使用壽命。為保證良好的造水能力，在海水進(jìn)口設(shè)計(jì)了溫度控制方案。

提高海水溫度的常用方法有： 缸套水加熱、蒸汽加熱、電加熱和冷卻海水加熱。 考慮到Delta CAT500的布置要求和工作區(qū)域，最終選擇使用冷卻海水加熱方案。這是因?yàn)橐环矫婺鞲鐬吵Ｄ隁夂驕囟葹?1～29 ℃，海水溫度控制要求低，溫升要求低；另一方面Delta CAT500有6臺(tái)發(fā)電機(jī)，海水冷卻需求量大，流量大，冷卻后的海水溫度通常為50 ℃，以大流量來換取制淡系統(tǒng)的海水有限的溫升。冷卻海水系統(tǒng)為開式系統(tǒng)，在海水排舷外前設(shè)置熱交換器用來加熱進(jìn)入造水系統(tǒng)的海水，管路布置相對(duì)簡單，見圖5。

圖5 冷卻海水加熱方案

4 結(jié)語

隨著我國海上平臺(tái)發(fā)展，尤其是深海領(lǐng)域的探索不斷深入，深海平臺(tái)的技術(shù)越來越先進(jìn)，對(duì)平臺(tái)自動(dòng)控制、自給自足的要求也越來越高。淡水作為生命的保障和平臺(tái)探采作業(yè)中不可或缺的重要物資，其可持續(xù)性非常重要。本文探討了蒸餾式和反滲透式的原理和利弊，并分析了反滲透式制淡方式在半潛式修井及生活平臺(tái)上的應(yīng)用及設(shè)計(jì)上的優(yōu)化。根據(jù)環(huán)境、使用條件、用途不同，目前以這兩種方法為機(jī)理設(shè)計(jì)的裝置都有使用，但因空間重量和熱源條件的限制，在工藝參數(shù)允許的前提下多采用反滲透裝置。