侯 芳，周小琴，王建華

（華電水務(wù)工程有限公司，北京100048）

隨著全球變暖與荒漠化、環(huán)境污染及人口的增加，淡水資源短缺已成為全球性問(wèn)題。海水淡化技術(shù)開(kāi)辟了新的淡水水源，可增加淡水總供應(yīng)量，成為各國(guó)解決“水危機(jī)”的重要途徑〔1〕。 2017 年，全球已有160多個(gè)國(guó)家和地區(qū)利用海水淡化技術(shù)，已建成和在建的海水淡化工廠(chǎng)接近2萬(wàn)個(gè)，合計(jì)淡化產(chǎn)能約10 432 萬(wàn) t/d，2018 年可達(dá) 12 300 萬(wàn) t/d〔2〕。目前海水淡化的主流技術(shù)為膜法和熱法兩類(lèi)，其中膜法海水淡化占比約65%，且呈逐年上升趨勢(shì)〔3〕。

膜法海水淡化技術(shù)的核心設(shè)備為海水反滲透膜組、高壓泵、能量回收裝置。其中能量回收裝置是將海水反滲透膜組高壓濃水的壓力回收至進(jìn)水端，通過(guò)降低高壓泵進(jìn)水流量而降低高壓泵的能耗，進(jìn)而降低整個(gè)海水淡化系統(tǒng)的運(yùn)行能耗和造水成本。能量回收裝置主要分為水力渦輪式和壓力交換式兩大類(lèi)，其中壓力交換式因回收效率高而廣泛使用。ERI公司生產(chǎn)的PX系列能量回收裝置是壓力交換式能量回收裝置的代表，其回收效率最高可達(dá)98%〔4〕，具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、占地小等優(yōu)點(diǎn)，目前占膜法海水淡化能量回收裝置約 90%的市場(chǎng)〔5〕。

鑒于PX能量回收裝置市場(chǎng)份額相當(dāng)大，投資成本高，且對(duì)膜法海水淡化的設(shè)計(jì)及運(yùn)行要求較高，筆者重點(diǎn)探討了采用PX能量回收裝置的海水淡化系統(tǒng)中，低壓提升泵的應(yīng)用及設(shè)計(jì)。

1 膜法海水淡化典型工藝

膜法海水淡化系統(tǒng)的典型流程如圖1所示。

圖1 膜法海水淡化系統(tǒng)典型工藝

原海水由取水泵輸送至預(yù)處理系統(tǒng)，去除懸浮固體、膠體、藻類(lèi)、微生物、油脂等，以滿(mǎn)足海水反滲透裝置的進(jìn)水要求，根據(jù)進(jìn)水水質(zhì)可選用絮凝反應(yīng)沉淀池、氣浮、過(guò)濾、超濾等裝置進(jìn)行相應(yīng)處理。預(yù)處理合格的產(chǎn)水儲(chǔ)存至預(yù)處理產(chǎn)水池（清水池），然后由低壓提升泵輸送至保安過(guò)濾器，經(jīng)高壓泵加壓后進(jìn)入海水反滲透膜組進(jìn)行脫鹽，生產(chǎn)淡水。

圖2為采用PX能量回收裝置的海水反滲透單元流程。

圖2 海水反滲透單元流程

經(jīng)過(guò)預(yù)處理的海水通過(guò)低壓提升泵輸送至保安過(guò)濾器，然后分成兩部分（A和B），低壓海水A經(jīng)高壓泵加壓為高壓海水C，低壓海水B通過(guò)PX能量回收裝置接受反滲透膜組高壓濃鹽水G傳遞來(lái)的壓力，然后通過(guò)循環(huán)泵進(jìn)一步增壓后與高壓海水C混合為高壓海水E，進(jìn)入反滲透膜組。

PX能量回收裝置的設(shè)計(jì)要點(diǎn)是流量和壓力控制。由于PX裝置沒(méi)有外部的直接控制，其核心部件轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速與水流量成比例，運(yùn)行過(guò)程中如果PX能量回收裝置超流量，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速過(guò)快會(huì)導(dǎo)致破碎。如圖2所示，PX能量回收裝置可視為采用兩條平行管道，一條用于通過(guò)高壓水流，另一條用于通過(guò)低壓水流。高壓水流循環(huán)通路為反滲透膜組→PX能量回收裝置→循環(huán)泵→返回反滲透膜組（E→G→D→E），其流量由配備變頻器的循環(huán)泵進(jìn)行控制；低壓水流由海水供水泵處流經(jīng)PX能量回收裝置，至PX裝置出口（B→H），此低壓水流由低壓提升泵和位于PX能量回收裝置濃鹽水排放口（H）的1個(gè)控制閥控制〔4〕。高壓水流和低壓水流相互獨(dú)立，因此高低壓側(cè)均須設(shè)置流量變送器進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制。

2 膜法海水淡化低壓提升泵的設(shè)計(jì)應(yīng)用

膜法海水淡化系統(tǒng)一般多列（≥2列）設(shè)置，高壓泵、能量回收裝置、循環(huán)泵和反滲透膜組通常為單元制一對(duì)一設(shè)置，低壓提升泵與反滲透系統(tǒng)可單元制連接，也可母管制連接。低壓提升泵的作用是為原海水提供一定壓力以克服保安過(guò)濾器及管路損失，輸送原海水進(jìn)入高壓泵和能量回收裝置進(jìn)水端。為保證設(shè)備安全，高壓泵進(jìn)水端壓力不低于0.1 MPa，能量回收裝置低壓進(jìn)水端的壓力不低于0.19 MPa〔5〕，同時(shí)為防止氣蝕，能量回收裝置低壓排水端的背壓不能低于 0.06 MPa，一般為 0.1 MPa〔5〕。

由于PX能量回收裝置的流量?jī)H占原海水流量的 1-R（R 為反滲透的回收率，一般為 40%～50%）〔6〕，在海水反滲透啟停及運(yùn)行過(guò)程中，PX能量回收裝置的低壓側(cè)容易超流，為確保PX能量回收裝置的運(yùn)行安全，低壓提升泵的設(shè)計(jì)和運(yùn)行尤為重要。

2.1 低壓提升泵單元制設(shè)計(jì)

每列海水淡化系統(tǒng)采用單獨(dú)的低壓提升泵，典型流程如圖3所示。

圖3 單元制低壓提升泵流程

在海水反滲透啟動(dòng)過(guò)程中，首先啟動(dòng)低壓提升泵進(jìn)行海水反滲透單元的沖洗排氣，然后啟動(dòng)循環(huán)泵，此時(shí)PX能量回收裝置開(kāi)始啟動(dòng)旋轉(zhuǎn)。此階段的水流幾乎全部通過(guò)PX能量回收裝置低壓側(cè)，此時(shí)低壓提升泵流量不可超過(guò)能量回收裝置的最大流量，直到啟動(dòng)高壓泵時(shí)才可緩慢增加低壓提升泵的流量，直至反滲透系統(tǒng)產(chǎn)水量達(dá)到要求。海水反滲透單元的停運(yùn)過(guò)程與啟動(dòng)過(guò)程相反，先停運(yùn)高壓泵，然后停運(yùn)循環(huán)泵和低壓提升泵，為保證能量回收裝置不過(guò)流，在高壓泵降頻過(guò)程中低壓端給水流量也應(yīng)相應(yīng)降低，高壓泵完全停運(yùn)時(shí)，低壓提升泵的流量不可超過(guò)能量回收裝置的最大流量。

為滿(mǎn)足上述能量回收裝置的運(yùn)行要求，一般通過(guò)以下方式進(jìn)行自動(dòng)控制：

（1）低壓提升泵變頻，其頻率與能量回收裝置低壓側(cè)流量連鎖控制，保證低壓側(cè)流量穩(wěn)定；該頻率也可與低壓側(cè)進(jìn)水壓力連鎖控制運(yùn)行，其他條件不變時(shí)，進(jìn)水壓力穩(wěn)定，進(jìn)水流量就穩(wěn)定。有工程經(jīng)驗(yàn)表明，由于壓力變送器比流量變送器更敏感，低壓提升泵與進(jìn)水端壓力變送器連鎖調(diào)節(jié)，系統(tǒng)的運(yùn)行控制更平穩(wěn)。

（2）低壓提升泵工頻設(shè)置，能量回收裝置低壓側(cè)出口設(shè)置自動(dòng)調(diào)節(jié)閥，其與能量回收裝置低壓側(cè)流量進(jìn)行連鎖運(yùn)行，控制低壓側(cè)流量。

單元制低壓提升泵的海水反滲透系統(tǒng)操作較簡(jiǎn)單靈活，每列反滲透的啟動(dòng)、運(yùn)行和停止對(duì)其他列反滲透沒(méi)有影響，但低壓提升泵不可互相備用或需增加復(fù)雜的連通管路和閥門(mén)實(shí)現(xiàn)備用，連續(xù)運(yùn)行保障率較低。

2.2 低壓提升泵母管制設(shè)計(jì)

低壓提升泵采用母管制有2種方案，一是低壓提升泵母管，保安過(guò)濾器單元制，流程如圖4所示；二是低壓提升泵與保安過(guò)濾器均為母管制，流程如圖5所示。

圖4 母管制低壓提升泵流程方案一

圖5 母管制低壓提升泵流程方案二

2種方案各有優(yōu)缺點(diǎn)：方案一的低壓沖洗水可接至保安過(guò)濾器進(jìn)口，進(jìn)一步保證沖洗水質(zhì)，缺點(diǎn)是每列保安過(guò)濾器運(yùn)行壓差不同，導(dǎo)致海水反滲透系統(tǒng)配水不均勻，PX低壓側(cè)壓力流量不穩(wěn)定；方案二保安過(guò)濾器出口母管設(shè)置可使每列PX低壓側(cè)進(jìn)水壓力相同并穩(wěn)定，同時(shí)保安過(guò)濾器可備用，但低壓淡水沖洗需放在保安過(guò)濾器之后并應(yīng)設(shè)置自動(dòng)隔離閥，在其中一列低壓沖洗時(shí)不影響其他列的運(yùn)行。

一般低壓提升泵設(shè)置臺(tái)數(shù)與反滲透系統(tǒng)列數(shù)相同，由于母管制連接，低壓提升泵可互相備用，提高運(yùn)行可靠率。缺點(diǎn)是在運(yùn)行過(guò)程中可能會(huì)引起其他列反滲透的不穩(wěn)定。當(dāng)其他列海水反滲透單元運(yùn)行時(shí)，啟動(dòng)其中一列海水反滲透，低壓側(cè)母管流量增加，可能會(huì)導(dǎo)致在運(yùn)行列的PX能量回收裝置低壓側(cè)超流量。當(dāng)停運(yùn)或其中一列高壓泵故障時(shí)，在運(yùn)行列的PX能量回收裝置低壓側(cè)也極可能超流量。為控制能量回收裝置低壓側(cè)流量，有2種解決方案：（1）能量回收裝置低壓進(jìn)水側(cè)設(shè)置穩(wěn)壓閥（調(diào)節(jié)閥），保證能量回收裝置低壓側(cè)進(jìn)水壓力（流量）穩(wěn)定，特別適合方案一。（2）能量回收裝置低壓出水側(cè)設(shè)置自動(dòng)調(diào)節(jié)閥，與低壓側(cè)流量變送器自動(dòng)控制連鎖，確保能量回收裝置低壓側(cè)進(jìn)水流量穩(wěn)定不超流。

上述2個(gè)解決方案均建議低壓提升泵設(shè)置變頻裝置，使反滲透單元運(yùn)行調(diào)節(jié)更靈活，同時(shí)調(diào)節(jié)閥應(yīng)選擇調(diào)節(jié)性能較好的閥體和閥門(mén)口徑，加強(qiáng)調(diào)節(jié)功能，保證流量壓力穩(wěn)定。

2.3 無(wú)低壓提升泵的設(shè)計(jì)

當(dāng)海水淡化預(yù)處理的末端產(chǎn)水母管可允許0.3～0.4 MPa（工程經(jīng)驗(yàn)）的背壓提供海水反滲透低壓側(cè)進(jìn)水需求時(shí)，可不再設(shè)置預(yù)處理產(chǎn)水箱和低壓提升泵，如末端采用壓力式細(xì)砂過(guò)濾器，此時(shí)細(xì)砂過(guò)濾器的合格產(chǎn)水匯集至母管后可直接進(jìn)入海水反滲透系統(tǒng)的高壓泵和能量回收裝置，具體流程如圖6所示。其中PX能量回收裝置處的流程與圖4、圖5母管制低壓提升泵流程一樣，只是取消低壓提升泵，直接為進(jìn)水母管。

圖6 無(wú)低壓提升泵流程

與常規(guī)設(shè)置相比，該設(shè)計(jì)具有明顯優(yōu)勢(shì)：

（1）節(jié)省投資。省卻了預(yù)處理產(chǎn)水箱和低壓提升泵，直接節(jié)省設(shè)備投資，占地和土建投資。

（2）節(jié)約能耗。取消產(chǎn)水箱，只需根據(jù)海水反滲透進(jìn)水側(cè)的壓力要求，提升細(xì)砂過(guò)濾器給水泵的壓力，直接將細(xì)砂過(guò)濾器產(chǎn)水輸送至海水反滲透系統(tǒng)。由于不進(jìn)常壓產(chǎn)水箱，細(xì)砂過(guò)濾器產(chǎn)水壓力無(wú)損耗，同時(shí)也取消了海水反滲透低壓提升泵，從而減少相應(yīng)能耗。

（3）杜絕水質(zhì)二次污染。產(chǎn)水每經(jīng)過(guò)中間過(guò)渡水箱，就增加一次二次污染的風(fēng)險(xiǎn)，特別是海水中的微生物藻類(lèi)繁殖較快，如果前處理或維護(hù)不當(dāng)，經(jīng)常導(dǎo)致預(yù)處理產(chǎn)水箱滋生藻類(lèi)，增加后續(xù)反滲透系統(tǒng)的運(yùn)行負(fù)擔(dān)。直接取消產(chǎn)水箱，杜絕了水箱可能造成的二次污染。

盡管不設(shè)低壓提升泵技術(shù)可行且優(yōu)勢(shì)明顯，但對(duì)運(yùn)行操作要求較高。筆者考察了沿海某電站的海水淡化項(xiàng)目，其按上述方式設(shè)計(jì)，同時(shí)在能量回收裝置進(jìn)口處設(shè)置1個(gè)穩(wěn)壓閥。此閥門(mén)的主要功能是閥前進(jìn)水壓力波動(dòng)頻繁時(shí)，保證出口壓力穩(wěn)定，從而進(jìn)一步保證PX能量回收裝置進(jìn)水流量壓力穩(wěn)定。盡管如此，項(xiàng)目在初始調(diào)試運(yùn)行過(guò)程中也出現(xiàn)一些問(wèn)題：

（1）反滲透系統(tǒng)頻繁跳停。開(kāi)始運(yùn)行后，正常情況下當(dāng)僅1列反滲透運(yùn)行時(shí)，啟動(dòng)或停止反滲透均正常，但1列運(yùn)行同時(shí)啟動(dòng)另一列反滲透系統(tǒng)時(shí)，會(huì)直接導(dǎo)致運(yùn)行中的反滲透高壓泵進(jìn)水壓力過(guò)低，從而使反滲透系統(tǒng)跳停；或2列反滲透運(yùn)行，停運(yùn)其中1列反滲透，也會(huì)導(dǎo)致運(yùn)行中的另一套反滲透系統(tǒng)跳停。此外，在1臺(tái)細(xì)砂過(guò)濾器反洗過(guò)程中，由于正洗排水量過(guò)大拉低出水母管壓力，也會(huì)使反滲透運(yùn)行跳停。

（2）能量回收裝置低壓管開(kāi)裂。能量回收裝置的低壓管路為UPVC材質(zhì)，在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)了UPVC管開(kāi)裂現(xiàn)象。

經(jīng)過(guò)深入探究，認(rèn)為出現(xiàn)上述問(wèn)題的原因在于系統(tǒng)海水反滲透進(jìn)水沒(méi)有及時(shí)調(diào)節(jié)低壓提升泵。常規(guī)系統(tǒng)中，設(shè)置的低壓提升泵可直接供給海水反滲透系統(tǒng)低壓側(cè)運(yùn)行壓力，而此系統(tǒng)細(xì)砂過(guò)濾器的產(chǎn)水母管即為反滲透的低壓給水裝置，細(xì)砂過(guò)濾器給水泵距離反滲透裝置過(guò)遠(yuǎn)，無(wú)法及時(shí)調(diào)節(jié)進(jìn)水母管中的壓力，因此母管的壓力波動(dòng)直接導(dǎo)致反滲透高壓泵進(jìn)出口壓力波動(dòng)較大，引起反滲透系統(tǒng)頻繁跳停。

為解決此問(wèn)題，從兩方面進(jìn)行了整改：一是從源頭上降低進(jìn)水母管的壓力波動(dòng)，如減小細(xì)砂過(guò)濾器正洗排放閥的開(kāi)度，降低細(xì)砂過(guò)濾器正洗流量對(duì)產(chǎn)水母管壓力的影響；第二，啟停其中1套反滲透系統(tǒng)過(guò)程中，先行調(diào)節(jié)細(xì)砂過(guò)濾器給水泵的出口壓力，提前升高或降低產(chǎn)水母管的壓力，從而抵消啟停反滲透裝置對(duì)進(jìn)水母管的壓力影響。

除此之外，細(xì)砂過(guò)濾器給水泵至反滲透裝置中間沒(méi)有常壓過(guò)渡水箱，整個(gè)管路系統(tǒng)排氣裝置較少，因此在運(yùn)行過(guò)程中逐漸累積的氣體造成設(shè)備振動(dòng)過(guò)大，且憋壓嚴(yán)重，導(dǎo)致低壓UPVC管開(kāi)裂。在后續(xù)改造過(guò)程中通過(guò)在管路增加相應(yīng)的排氣裝置，解決了UPVC低壓管開(kāi)裂問(wèn)題。

3 結(jié)論及建議

綜上，針對(duì)膜法海水淡化系統(tǒng)，當(dāng)采用PX能量回收裝置時(shí)，低壓提升泵可按如下條件進(jìn)行選用：

（1）海水反滲透低壓提升泵的母管制設(shè)計(jì)或單元制設(shè)計(jì)在技術(shù)上均可行，但各有利弊且配套設(shè)備不盡相同，需根據(jù)具體項(xiàng)目的客觀(guān)條件進(jìn)行相應(yīng)選擇。

（2）海水反滲透前端預(yù)處理可提供相應(yīng)的壓力時(shí)，可省卻低壓提升泵和過(guò)渡水箱，節(jié)能減耗，具有一定推廣意義，但需要在運(yùn)行控制方面做好處理措施。