基于離網型風電的海水淡化系統(tǒng)建模方法

李超

(中國電力工程顧問集團公司，北京市100120)

0 引言

我國水資源時空分布不均，導致多地出現(xiàn)供水緊張的局面，制約了當?shù)亟洕鐣陌l(fā)展，影響了人民的生活質量［1-2］。全國海洋經濟發(fā)展“十二五”規(guī)劃提出，在滿足相關指標要求并確保人體健康前提下，將海水淡化項目納入市政飲用水工程試點工作，在有條件的海島以海水淡化水為主要水源，鼓勵沿海城市與企業(yè)以海水淡化水作為生產、生活用水［3］。雖然通過海水淡化解決供水問題已成為業(yè)界共識，但是海水淡化過程需要消耗大量的熱能和電能，若通過燃燒化石能源生產熱能和電能會造成環(huán)境污染。因而，能源成為制約海水淡化技術快速推廣的一個瓶頸。海水淡化產業(yè)發(fā)展“十二五”規(guī)劃提出應加大可再生能源在海水淡化中的利用，改善海水淡化系統(tǒng)的能源供應問題，提高資源綜合利用水平，降低海水淡化成本［4］。風能取之不盡，用之不竭，是清潔的可再生能源，同時，我國與風電相關的設備制造、勘探設計和生產運營均已獲得長足發(fā)展，為風能的進一步充分利用創(chuàng)造了條件［5-6］。反滲透海水淡化系統(tǒng)運行維護簡便、規(guī)模靈活，是發(fā)展最為迅速的海水淡化方式［7-10］。風能與反滲透海水淡化相結合，將有效提高可再生能源的利用率，并解決沿海和海島地區(qū)的供水問題。

傳統(tǒng)的反滲透海水淡化系統(tǒng)設計一般依靠廠家軟件進行計算，輸入量為回收率和產水量，系統(tǒng)運行參數(shù)固定［11-12］。風能具有波動性和間歇性，以此為來源的電力供應也存在類似特點。基于風能的海水淡化系統(tǒng)必須變參數(shù)運行以適應電源供應的變化，因而，回收率和產水量也在不斷變化。此類海水淡化系統(tǒng)設計應以與供電量相關的參數(shù)為輸入來確定產水量、回收率、產水濃度等參數(shù)。鑒于廠家軟件的局限性，本文提出一種基于風電的反滲透海水淡化建模計算方法，可根據能源供給情況進行海水淡化系統(tǒng)性能計算。

1 風資源分析

離網型風電是指風電場和負載均不與電網連接、風電不上網、負載只接受風電供能的能源利用方式。該方式的優(yōu)勢在于利用風電不受電網備用容量的限制，也不會影響電網的穩(wěn)定運行;缺點是電能輸出不穩(wěn)定，對負載的適應性要求高［13-16］。以東海大橋的風資源情況為例［17］，全年風資源分布情況如圖1所示。

若采用1臺3MW風力發(fā)電機作為電源，在圖1風資源條件下對應的輸出功率如表1所示。

從圖1可看出，全年的風速變化為5～12m/s。由表1可知，隨著風速的變化，風機發(fā)電量也隨之不斷波動。因此，設計基于離網型風電的反滲透海水淡化系統(tǒng)，需求出全年海水淡化系統(tǒng)在不同風電供給情況下的運行參數(shù)。

圖1 東海大橋全年風速分布圖Fig.1 Annual wind speed distribution of Donghai Bridge

表1 風機輸出功率Tab.1 Output power of wind generatorMW·h

2 風電海水淡化系統(tǒng)建模

廠家軟件根據產水量、回收率和膜元件性能計算海水淡化系統(tǒng)運行參數(shù)，這些參數(shù)在海水淡化系統(tǒng)運行過程中為固定值。對于風電驅動的海水淡化系統(tǒng)，產水量、回收率和產水濃度等系統(tǒng)運行參數(shù)會隨著風電量的多少而變化。風電量主要決定了海水淡化系統(tǒng)的給水壓力和給水流量。因而，風電海水淡化系統(tǒng)建模應根據給水壓力和給水流量進行計算。

2.1 膜性能參數(shù)計算

對于反滲透海水淡化系統(tǒng)，反滲透膜的性能參數(shù)是建模計算的關鍵參數(shù)，包括膜面積S、純水透過性常數(shù)A和純鹽透過性常數(shù)B。其中，膜廠家會在膜元件說明中給出S，而A和B一般由膜廠家通過測試得出，只用于廠家軟件，對用戶保密。本文采用公式推導的方法求出A和B，用于建模計算。

以SWC6膜元件為例，相關參數(shù)分別為串聯(lián)膜支數(shù)7、溫度25℃、產水流量3.8m3/h、回收率38%、膜面積37.16m2。廠家軟件運行結果如表2所示。

表2 廠家軟件計算結果Tab.2 Calculation results of manufacturer software

純水透過性常數(shù)A為

式中:Qc為產水流量，m3/h;S為膜面積，m2;Pf為給水壓力，MPa;π為滲透壓，MPa;Pp為產水壓力，MPa。

純鹽透過性常數(shù)B為

式中:St為透鹽量，mg;Cha為高壓側平均濃度，mg/L;Cp為產水濃度，mg/L。

通過式(1)和(2)可得出每支膜的A和B值，如表3所示。A和B是反滲透膜的固有屬性，為常數(shù)。因此，取表3中 A和 B計算結果的修正值作為SWC6膜的A、B基準值。

表3 A和B計算結果Tab.3 Calculation results of A and B

2.2 海水淡化過程建模計算

上述海水淡化系統(tǒng)由7支膜元件串聯(lián)組成，每支膜元件的滲透過程計算類似，因此，本文以第1支和第2支膜的反滲透計算為例進行推導，其他膜元件計算過程以此類推。

基于可再生能源的反滲透海水淡化建模計算，已知參數(shù)為給水流量、給水壓力和給水含鹽量，求解參數(shù)為各支膜元件的產水量和含鹽量。

高壓側平均壓力為本支膜和下一支膜給水壓力的平均值，即

式中:Pha，1為第 1 支膜高壓側平均壓力，MPa;Pf，1為第1支膜給水壓力，MPa;Pf，2為第2支膜給水壓力，MPa。

濃水滲透壓為

式中:πb，1為第 1 支膜濃水滲透壓，MPa;Cf，1為第 1 支膜給水濃度，mg/L;T為溫度，K。

濃水濃度為

式中:Cb，1為第 1 支膜濃水濃度，mg/L;Qf，1為第 1 支膜給水流量，m3/h;Cf，1為第1支膜給水濃度，mg/L;Qp，1為第 1 支膜產水流量，m3/h;Cp，1為第 1 支膜產水濃度，mg/L;Qb，1為第 1 支膜濃水流量，m3/h。

濃水流量為給水流量與產水流量之差，即

產水滲透壓為

式中:πp，1為第 1 支膜產水滲透壓，MPa;Ct，1為產水濃度，mg/L。

產水流量為

式中:Qp，1為第 1 支膜產水流量，m/h;Pp，1為產水側壓力，MPa;πb，1為濃水滲透壓，MPa。

產水離子含鹽量為

式中:Sp，1為第 1 支膜產水離子含鹽量，mg/L;Cha，1為第1支膜高壓側平均濃度，mg/L。

總產水濃度為

式中 Cpt，1為第1支膜總產水濃度，mg/L。

第2支膜的滲透過程計算與第1支膜類似，不同之處為

式中:Qf，2為第 2 支膜給水流量，m3/h;Qb，2為第 1 支膜濃水水流量，m3/h;Cf，2為第2支膜給水濃度，mg/L;Cpt，2為第 2 支膜總產水濃度，mg/L;Sp，2為第 2 支膜產水離子含鹽量，mg/L;Qpt，2為第2支膜總產水量，m3。

3 算例及結果

隨著風能的波動，海水淡化系統(tǒng)的給水壓力和給水流量均會發(fā)生變化，同時會引起產水流量、產量濃度和脫鹽率等系統(tǒng)參數(shù)的變化。本文采用多種工況條件下系統(tǒng)參數(shù)對比的方式驗證風電海水淡化建模計算方法的有效性。

由于廠家軟件無法設定給水壓力，本文采用定回收率、變產水量的方式實現(xiàn)給水壓力和給水流量的變化。共采用3種工況，即產水量分別為3.40，3.80，4.20m3/h的工況，其中，3.40m3/h為基準工況。廠家軟件與本文建模計算方法運行結果對比如表4所示。

表4 運行結果對比表Tab.4 Comparison of computational results

從表4可以看出，當系統(tǒng)產水量為3.80m3/h時，給水流量為10.00m3/h，給水壓力為4.85 MPa，產水量和產水濃度的誤差小于1%，脫鹽率完全吻合。

隨著風電供電量減少，產水量下降，給水壓力和給水流量隨之降低，當系統(tǒng)產水量為3.40m3/h時，給水壓力降至4.77 MPa，給水流量降至8.90m3/h，產水量誤差為2.79%，產水濃度誤差為1.88%，脫鹽率誤差為0.02%。

隨著風電供電量增加，產水量上升，給水壓力和給水流量隨之增加。當系統(tǒng)產水量為4.20m3/h時，給水壓力升至4.95 MPa，給水流量升至11.10m3/h，產水量誤差2.47%，產水濃度誤差1.95%，脫鹽率誤差0.02%。

綜上，當工況偏離基準工況時，誤差有所增加，但均在3%以下。考慮到廠家軟件只是膜性能的估算，與工程實際運行情況相比也存在誤差，因而，本文建模計算方法可滿足“以電定水”類海水淡化項目的設計需求。

4 結論

本文提出了一種通用的風電反滲透海水淡化建模方法。該方法根據系統(tǒng)供電量，以給水流量和給水壓力為輸入設定參數(shù)，通過膜元件基本性能計算和海水淡化過程計算，可以得出系統(tǒng)供電量變化條件下的參數(shù)變化情況。在不同工況條件下，通過與廠商軟件計算結果進行對比，本文計算方法的結果與其最大誤差在3%以內。因此，本文方法可為基于離網型風電的反滲透海水淡化系統(tǒng)設計提供參考。

［1］劉少軍，陳玉和.1000MW超超臨界機組脫鹽系統(tǒng)的配置與應用［J］.電力建設，2009，30(7):64-67.

［2］謝長血，徐光平，樊少斌，等.城市再生水在電廠循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中的應用［J］.電力建設，2010，31(6):98-102.

［3］國務院網站.全國海洋經濟發(fā)展“十二五”規(guī)劃［EB/OL］.http://www.gov.cn，2012.9.16.

［4］鐘曉紅，趙喜亮，黎瑩，等.從戰(zhàn)略高度看待我國的海水淡化［J］.環(huán)境保護，2013，41(3-4):55-57.

［5］李軍軍，吳政球，譚勛瓊，等.風力發(fā)電及其技術發(fā)展綜述［J］.電力建設，2011，32(8):64-72.

［6］盛大凱，仇衛(wèi)東，齊立忠.實現(xiàn)風電發(fā)展“五個轉變”的有效途徑［J］.電力建設，2011，32(11):1-4.

［7］Greenlee L F，Lawler D F，F(xiàn)reeman B D，et al.Reverse osmosis desalination:Water sources，technology，and today's challenges［J］.Water Research，2009，43(9):2317-2348.

［8］張樹國，李棟.反滲透在電廠應用的試驗研究［J］.電力技術，2010，19(1):1674-4586.

［9］吳怡衛(wèi).以城市再生水為水源的電廠零排水設計［J］.電力建設，2013，34(3):68-71.

［10］游曉宏.華能巢湖電廠水處理系統(tǒng)優(yōu)化設計［J］.電力建設，2010，31(2):90-94.

［11］李長海，張雅瀟.海水淡化技術及其應用［J］.電力科技與環(huán)保，2011，27(1):48-51.

［12］郁達偉，鄭祥，肖慶聰，等.反滲透技術在我國火電行業(yè)中的應用分析［J］.中國給水排水，2012，28(2):5-9.

［13］王智冬，王帥，郭飛，等.不同風電消納的社會經濟綜合評價方法［J］.電力建設，2013，34(12):73-77.

［14］汪寧渤，馬彥宏，王建東.大規(guī)模風電集中并網對電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定的影響［J］.電力建設，2011，32(11):77-80.

［15］白鴻斌，王瑞紅.風電場并網對電網電能質量的影響分析［J］.電力系統(tǒng)及其自動化學報，2012，24(1):120-124.

［16］劉岱，龐松嶺.風電集中接入對電網影響分析［J］.電力系統(tǒng)及其自動化學報，2011，23(3):156-160.

［17］胡國飛.東海大橋海上風能資源分析［C］//全國風力發(fā)電技術協(xié)作網第二屆年會論文集.常州:全國風力發(fā)電技術協(xié)作網，2007(7):7-17.