海洋工作平臺海水淡化裝置系統設計及技術研究

張榮山，張 千，畢傳健，魏樹輝，張旭峰

(中國船舶重工集團公司第七一一研究所，上海 200090)

0 引 言

隨著世界經濟和工業的迅猛發展，有限的陸地資源已日漸枯竭，新的能源開發和利用逐步轉向海洋，海洋工作平臺作為海洋油氣資源勘測和開發利用的基礎設施之一，在近年來得到大力的發展[1]。目前海洋工作平臺已由近海發展到遠海，補給物資運輸成本越來越高，而且在極端惡劣的海洋天氣情況下，短期內補給船或直升機可能無法到達平臺。淡水是平臺人員日常生活甚至影響生存的必備物料，這就要求平臺必須具備利用海水就地生產淡水的能力。

海水淡化是指將海水里面的溶解性礦物質鹽分、有機物、細菌和病毒以及固體分離出來從而獲得淡水的過程。從能量轉換角度來講，海水淡化是將其他能源（如熱能、機械能、電能等）轉化為鹽水分離能的過程。水質通常用TDS（總溶解固體）來衡量，用于表征水中鹽分和礦物質含量，其單位為mg/L（即每升水中鹽分或礦物質的毫克量）。根據GB5749-2006生活飲用水衛生標準對TDS的指標要求，一般將TDS≤1 000 mg/L 的水定義為淡水。

經過多年的發展，全球海水淡化技術超過20余種，包括反滲透法、低溫多效蒸餾、多級閃蒸、電滲析法、壓汽蒸餾、露點蒸發法等[2]。在完整的海水淡化處理工藝中，需聯合微濾、超濾、納濾等多項預處理和后處理工藝。海水淡化全球主流技術主要分為熱法和膜法兩大類：熱法是20世紀30年代開始的，以多級閃蒸和低溫多效蒸餾法為主；膜法是20世紀50年代開始的，以反滲透為主[3]。

1 海洋工作平臺海水淡化系統方案設計

1.1 海水淡化方法選取

目前主流的海水淡化方法均已非常成熟，采用何種方式主要取決于外界條件，如有廢熱可用則可以考慮采用多級閃蒸和低溫多效蒸餾法。

在海洋工作平臺上廢熱供應相對不穩定，而且淡水需求量相對較低，反滲透法幾乎不受外界因素影響，設備投資低，操作使用簡單，因此采用反滲透法作為海洋工作平臺的淡水供應方案。

反滲透是滲透的一種反向遷移運動，是一種在外界壓力驅動下，借助于半透膜的選擇截留作用將溶液中的溶質與溶劑分開的分離方法，它已廣泛應用于各種液體的提純與濃縮，其中最普遍的應用實例便是在水處理工藝中獲得高質量的淡水[4]。典型的海水反滲透處理工藝流程見圖1。

海水反滲透（SWRO）系統所需的能量決定于進水的含鹽量、系統的濃縮倍率、進水溫度及產品水的水質，其能耗一般為8～10 kW·h/m3，若有能量回收裝置，則所需能耗為 3～4.5 kW·h/m3[5]。

海水反滲透設備除膜組件、高壓泵及能量回收裝置需要進口外，其他設備和器件均可以在國內加工制造，設備投資以及制水成本相對較低[6]。

1.2 設計原則和目標

本文以深海鉆井船為應用對象，以滿足國標《生活飲用水衛生標準》（GB5749-2006）為主要設計依據，采用仿真技術和自動化技術開展能量回收技術研究，設計 1臺產量為 75 t/d、能耗低于 4 kW·h/m3的反滲透海水淡化裝置。

1.3 工藝流程

1.4 系統總體方案設計

根據總體系統設計，整個海水淡化裝置分為進水預處理系統、加壓和能量回收系統、反滲透膜組和產水系統、沖洗和清洗系統、電氣控制系統等5個部分。

1.4.1 進水預處理系統

為確保產水的品質并提高反滲透膜組正常的使用壽命，需要對海水進行過濾處理，根據海洋平臺的水質，一般采用多介質過濾器和保安精濾器，主要作用是：

1）除去懸浮固體，降低濁度；

2）去除各種有機物；

3）確保反滲透膜和高壓泵的安全使用需求。

1.4.2 加壓和能量回收系統

加壓和能量回收系統是整個系統的核心部分，其中加壓設備選用柱塞式高壓泵，將經過輸送泵后的低壓海水根據產量需求加壓至5～6 MPa，以滿足反滲透膜組的工作需求。

常規反滲透海水淡化裝置有大約70%的能耗直接通過高壓濃海水排放，為實現低能耗必須采用能量回收裝置，其原理是利用高壓濃海水和低壓進水之間的能量轉換，實現對低壓進水的加壓，使原本直接排放的濃海水能量得以回收和有效利用。

1.4.3 膜組和產水系統

反滲透膜組和產水系統的主要設計包含以下內容：

1）反滲透膜的選型和級聯

根據海水的水質合理選擇反滲透膜，同時根據系統回收率和裝置的外形尺寸要求優化配置膜組的數量和排列方式。

2）反滲透膜組的緊湊型設計

由于平臺空間的限制，對整個反滲透海水淡化裝置的尺寸和重量提出了更高的要求，為此需對膜組的連接方式和空間布置進行優化設計。

3）多路閥的結構設計和切換控制

在裝置的設計中，為實現設備功能的高度集成化和智能化，因此在裝置內部需要配置數量和種類繁多的連接管路和閥件，為此專門進行了四路閥和五路閥的設計，同時也方便實現造水、清洗、沖洗等功能的自動化功能和一鍵操作。

4）沖洗和清洗系統

為提高裝置的可靠性，在運行一段時間后，大量的雜質聚集在多介質濾器內，造成壓差增大，因此需要定期對裝置的濾器進行自動正反沖洗，將殘留在濾器和管路中的雜質排出系統。同時膜組在長期運行時其表面會發生污染和結垢等現象，造成產量下降和電導率升高，此時需要通過化學藥劑對膜組進行循環清洗，從而除去無機物、有機物以及細菌微生物等。

5）電氣控制系統

整個裝置的運行和操作需采用全自動化操作，主要操作過程如開機、停機、清洗、沖洗、加藥等均可實現一鍵操作或自動操作，大大地降低操作人員的勞動輕度和技術熟練程度。此外，控制系統能夠提供完善的安全保護功能，系統的壓力、溫度、流量、產水水質等均可測試并實現超限報警停機。

2 海洋工作平臺海水淡化系統關鍵技術設計

海水淡化技術的應用過程中，降低其能耗一直是人們最關注的。無能量回收裝置的反滲透海水淡化的能量消耗約為8～10 kW·h/m3，采用能量回收裝置能耗可降到3～4.5 kW·h/m3。因此，為降低海水淡化成本，能量回收裝置勢在必行。

2.1 能量回收裝置工作原理

壓力能回收裝置按工作原理可分為離心式和正位移式。離心式利用高壓濃鹽水推動水力透平轉動，帶動泵旋轉對進料海水加壓，實現“壓力能—機械能—壓力能”的轉換；正位移式利用液體不可壓縮性，直接實現高壓濃鹽水和低壓進料海水之間“壓力能—壓力能”的能量傳遞，中間無能量轉換損失[7]。而正位移式能量回收裝置又分為轉子式壓力能量回收裝置和活塞式閥控壓力能量回收裝置，本設計采用的為后者。

活塞式閥控壓力能量回收裝置主要由3部分組成：止回閥組（原海水端）、水壓缸及流體切換器（高壓鹽水端）。止回閥組控制低壓原海水的進入以及加壓海水的排出。水壓缸作為1個壓力交換腔，高壓鹽水將壓力傳遞給預先充滿腔室的低壓原海水（加壓過程）。同時，在另1個水壓缸中，在原海水的推動下泄壓鹽水通過流體切換器泄壓孔道排出。流體切換器是能量回收裝置的核心部分，它控制著高壓鹽水的進入以及泄壓鹽水的排放。水壓缸中放置活塞，目的是防止海水和鹽水的混合，從而將加壓鹽水鹽度增加控制在一定水平內。每支水壓缸兩端均設置磁感應開關來探測活塞位置，當2個活塞都被相應的磁感應開關檢測到時，切換器自動轉換工作位，使得能量回收裝置加壓與泄壓過程交替連續進行[8]。

2.2 能量回收裝置設計方案

本次設計的能量回收裝置，基于國內液壓系統工業成熟的增壓泵技術，采用特殊設計的增壓式液壓驅動往復式活塞泵作為能量回收裝置，以高壓廢海水作為動力源，驅動活塞往復泵對原海水進行加壓，直接達到海水淡化反滲透膜入口需要的壓力，節約海水高壓泵的動力，回收利用廢海水中的能量。

如圖3所示，輸送泵將海水吸入，泵送到高壓泵和增壓式液壓往復泵的入口；高壓泵將海水加壓達到反滲透膜的海水淡化的入口壓力要求，供給海水淡化膜，產生淡水，并同時產生60%～70%的高壓濃海水。液壓往復泵無需電機驅動，直接利用反滲透膜出口的高壓濃海水驅動輸送泵送來的低壓淡海水，產生符合反滲透膜入口壓力要求的高壓淡海水，與高壓泵

泵出的高壓淡海水合流，進入反滲透膜，產生淡水，同時排出完成能量轉換的廢棄的濃海水。

較目前廣泛使用的能量回收裝置相比較，存在以下優點：

1）設備簡化。由于采用了增壓式液壓驅動往復式活塞泵（增壓比定制），淡海水出口壓力直接可達到反滲透膜的入口壓力要求，不需要使用增壓泵以及驅動電機，也不需要在系統中設置濃海水出口背壓閥。

2） 濃海水不會進入淡海水中。由于活塞泵的液壓驅動端和工作泵送端是隔離的，之間設有密封件，所以濃海水和淡海水不會混流，反滲透膜入口處海水相對原裝置含鹽量低，節約了海水高壓泵的驅動力。

3）能量回收徹底，利用率高。液壓往復泵的液壓驅動力，取決于驅動端入口和出口之間的壓力差，所以濃海水出口處不僅不需要設置背壓閥，而且出口處最好直接排空，壓力趨近于0，理論上可以達到100%的能量回收（當然要扣除少量機械、摩擦損失，這在原系統中也存在相應損失）。

3 試驗結果與分析

對本設計制造的海洋工作平臺海水淡化裝置進行了產水性能試驗。用人工配制鹽水代替海水，主要研究在進水流量恒定（137 L/min）的條件下，海水溫度及膜組工作壓力對裝置穩態運行時性能的影響。與此同時，在相同海水溫度、相同膜組工作壓力下，通過有無能量回收裝置的前后能耗對比評估能量回收裝置性能。

在穩態產水試驗階段，試驗時長為4 h。

3.1 產水性能試驗結果與分析

3.1.1 海水溫度對產水量的影響

在相同的膜組工作壓力下，海水溫度越高淡水產量越大，海水溫度每降低1 ℃，淡水產量降低約3%[9]。淡水額定產量是指海水含鹽量為36 000 mg/L、海水溫度為25 ℃時的產量。在不同的季節或海域，海水溫度變化較大，淡水產量可能大于或小于額定產量完全正常。本套裝置淡水產量隨海水溫度變化的關系如圖4所示。隨著海水溫度的上升，淡水產量不斷提高，在25 ℃時的淡水產量為76.1 t/d，達到了產水量要求。

3.1.2 膜組工作壓力對產水量的影響

反滲透利用壓差為動力，淡水產量隨反滲透膜組工作壓力的增加而增高。本套設備淡水產量與膜組工作壓力變化的關系如圖5所示。膜組工作壓力一般≤6.5 MPa，在試驗測試范圍內，當工作壓力為5.1 MPa時，淡水產量為68.5 t/d，；當工作壓力為6.0 MPa時，淡水產量為 78.4 t/d。

3.2 產水能耗試驗結果與分析

傳統海水淡化是高能耗產業，每淡化1萬噸海水需耗電4.66千瓦·時，折合標煤18.8 t，排放大量二氧化碳。為節約海水淡化成本，本套設備增加了能量回收裝置，并通過對比評估其性能，結果如圖6所示。采用特殊設計的增壓式液壓驅動往復式活塞泵作為能量回收裝置，大大降低了產水能耗，每生產1 t淡水節能約54.4%。在海水溫度為25 ℃，產水能耗為3.95 kW·h/m3，達到了能量回收裝置的性能要求。

4 結 語

對本文設計的帶有能量回收系統的船用海水淡化裝置進行了產水性能試驗，試驗結果表明：利用高壓廢海水作為動力源，驅動活塞往復泵對原海水進行加壓，可大大降低海水淡化裝置能耗。在正常工作范圍內，能耗節約達50%以上，產水能耗為4 kW·h/m3左右。同時，該套裝置的電控系統充分發揮出淡水水質保護、淡水產量自動調節等作用，保證了產出淡水的水質和水量達標。

本文提出的反滲透海水淡化裝置具有能耗低、結構緊湊、自動化程度高的特點，適用于深海鉆井船等空間有限、資源有限的場所，可為海上工作人員提供足量的淡水，保證海上生產及生活用水。本海水淡化裝置的研制將打破國外技術壟斷，接近或已達到國際先進水平。