反滲透淡化在半潛式修井及生活平臺上的應用

余忠傳，丁天祥， 張 潔

(江蘇新揚子造船有限公司, 江蘇 靖江214532)

0 引言

海上平臺在海上工作周期內對淡水的需求量極高，大洋中海水的平均含鹽量約為35g/L,國家規定的飲用水含鹽量需低于450 mg/L,而平臺上的工藝用水有時要求更為嚴格。由于海上平臺離岸較遠，淡水歷來由補給船運至平臺，存放于淡水艙。受船舶資源、海況氣候等因素影響，尤其在風暴狀態下，在補給船無法靠近平臺的情況下，會造成平臺生活用水緊張，影響海上作業人員的工作和生活，因此海水淡化技術逐步形成了一門綜合性的技術學科。目前，開發出的海水淡化裝置有20多種，在海洋平臺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展起來的一種淡化技術相比歷史悠久的蒸餾式有一定的優勢，但也存在著一些技術短板。本文對比兩種制淡方式并著重分析反滲透式制淡方式，結合工藝流程，為海洋平臺的反滲透制淡系統設計提供理論支持[1]。

1 兩種海洋平臺的海水淡化技術原理及對比

1.1 蒸餾式制淡原理

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

圖1 蒸餾機原理圖

影響產水量的主要因素如下：

(1)該制淡裝置的產水量很大程度取決于主機或者主發電機的工作狀態，從而使得出水量不穩定。

(2)當主機或者發電機的高溫熱水不足或者溫度不夠時，也會大大影響出水量。

(3)蒸發式制淡方式容易造成設備或者管路內部結垢，降低蒸發器傳熱效率。

1.2 反滲透式制淡原理

反滲透法是利用只允許溶劑透過、不允許溶質透過的半透膜將海水與淡水分隔開。淡水通過半透膜擴散到海水一側，因受半透膜的阻力，海水一側的液面逐漸升高，直至升到一定的高度才停止，這個過程為滲透。此時，海水一側高出的水柱靜壓稱為滲透壓。如果對海水一側施加一個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。

影響產水量的主要因素如下：

(1)水溫。 進水溫度與造水能力成拋物線關系，通常對于水溫的要求為5～40 ℃。25 ℃時，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Hatenboer 廠家資料)。

(2)鹽度。通常設計鹽度為36 mg/L，這是一個理論值，可以適用于大多數海域。

圖2 滲透與反滲透過程

1.3 兩種制淡方式的對比

(1)蒸餾法是一種傳統的方法。船舶在航行過程中，主機缸套水換熱后的溫度約為90 ℃。缸套水屬于內循環系統，在冷卻主機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，再用90 ℃左右的缸套水加熱低沸點的海水，得到水蒸氣，冷凝后得到淡水。蒸餾造水機的產水量計算公式如下：

D=3 600(KA△t-Q)/(h2-h1)

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

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

①如果制淡系統內部結垢嚴重，尤其是換熱面，則換熱系數降低，使得換熱效果降低，從而降低淡水產量;

②如果制淡裝置內部密封有損，就會導致無法達到設計的真空度，造成海水沸點升高，降低淡水量產量;

③受主機低負荷，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，也會造成淡水產量降低。

(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，一系列針對保證造水能力的設計被應用在反滲透淡化系統上，比如高壓泵與出水量的匹配、多級濾器的設計等，所以其維護成本相對于蒸餾式系統較高。

(3)相比于蒸餾式制淡法，反滲透制淡法不發生相變，無需利用熱源，只用到電能，意味著反滲透淡化系統的設計涉及到的其他系統相對較少，較為獨立。反滲透制淡系統圖見圖3。

2 實船制淡方式的選用

根據墨西哥船東的要求，針對墨西哥灣稠油油田的特點，為半潛式修井及生活平臺Delta CAT500(簡稱“Delta CAT500”)專門設計和配置了特種修井服務設備及系統。該平臺配備DP3動力定位，有6臺推進器布置于平臺底部，電能消耗極大，故配置了6臺柴油發電機。與船舶不同的是，該平臺上沒有鍋爐和主機，所以發電機缸套水為機械處所內主要的可利用熱介質。每臺發電機均布置于獨立艙室，艙室之間采用A60防火分隔，以保證任一個主發電機間失火時不會影響平臺自動保持船位和艏向的功能。每臺主發電機配置獨立的柴油輸送泵和柴油艙，其相應的管路布置在獨立的艙室內并進行A60級防火分隔。每臺主發電機的海水冷卻泵和其管線也相對獨立布置，與其他處所采用A60級防火分隔，即在任意一個主發電機艙室失火或者其他原因失效時不會影響到平臺的定位功能以滿足DP3動力定位的設計要求。另外，稠油熱采過程中，平臺用水需求量很大。

圖3 反滲透制淡系統圖

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電機的工況緊密相關，在進行修井服務時，若出現某個發電機停車或某個房間淹沒進水等其他會影響到主發電機工況的情況時，系統造水能力將會受到影響，繼而影響到修井作業。另外，選用蒸餾式制淡法，需要從每個艙室里的主發電機高溫水出口設計1根獨立的高溫水管至造水機，而從造水機高溫水回水管需要設計6根高溫獨立回水管至每個艙室的主發電機冷卻系統(造水機不布置于主發電機房)，且每根高溫水管線均需穿A60防火艙壁。因為造水機布置在獨立艙室外，所以管路布置會比較復雜。相比于反滲透式制淡法只需1根海水進水管和出水管，又不影響主發電機房的獨立性，蒸餾式制淡法無疑大大增加了管路設計布置難度又增加了平臺重量，降低了平臺的可變甲板載荷量。因此，反滲透式淡化裝置對于Delta CAT500的布置和設計而言，無疑是最好的選擇。

3 反滲透式淡水系統的優化設計

(1) 反滲透式海水淡化系統的核心部件是反滲透膜，為保證水質，用于Delta CAT500的淡化系統設計了兩道滲透膜。相對于第二道滲透膜，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第二道滲透膜的最后一道屏障，在應急情況或者在某層滲透膜維護保養的情況下也可旁通，直接進行反滲透制取淡水。

(2) 產水量取決于滲透壓，即取決于高壓泵的揚程，反滲透操作壓力越高，產水率越高。 根據反滲透系統運行壓力加富余量確定泵的揚程。系統壓力由海水含鹽量、原水溫度、反滲透膜的型號、反滲透膜的排列、反滲透膜的數量、系統的回收率等一些定值和滲透膜性能參數決定。雖然不同區域的海水含鹽量有所差異，但海水的構成基本相同。海水滲透壓P的估算經驗公式如下：

P= (0.714～0.9)×10-5C

式中：C為海水的鹽度，mg/L。

經過計算，在最有利于制淡裝置造水性能的進水溫度25 ℃的條件下，滲透壓約2.59 MPa。由于反滲透式造水系統不同的回收率，濃鹽度海水被回收，滲透壓會繼續升高，因此，通常選用的實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，因而通常會在淡化系統的海水泵出口布置1個壓力控制閥，用來穩定海水泵后的壓力并保證高壓泵的進口壓力。

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

圖4 反滲透膜沉水彎設計

為保護反滲透膜，在海水進口管路上布置粗濾、精濾和多級濾器， 并在后兩道濾器布置壓差報警和自動反沖洗系統。濾器反沖洗來自于壓縮空氣，由電磁閥實現自動開啟。 設計了1套沖洗系統來清潔滲透膜， 在反滲透膜兩端壓差較大的時候自動沖洗。這套自動沖洗系統包括1個沖洗泵、淡水緩存柜(500 L左右)和相關管附件。

(4)由于制淡裝置的造水能力與水溫成拋物線關系，在25 ℃時，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Hatenboer 廠家資料)，并且在低溫下，造水機振動噪聲比較大，會降低其使用壽命。為保證良好的造水能力，在海水進口設計了溫度控制方案。

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域，最終選擇使用冷卻海水加熱方案。這是因為一方面墨西哥灣常年氣候溫度為21～29 ℃，海水溫度控制要求低，溫升要求低；另一方面Delta CAT500有6臺發電機，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的海水有限的溫升。冷卻海水系統為開式系統，在海水排舷外前設置熱交換器用來加熱進入造水系統的海水，管路布置相對簡單，見圖5。

圖5 冷卻海水加熱方案

4 結語

隨著我國海上平臺發展，尤其是深海領域的探索不斷深入，深海平臺的技術越來越先進，對平臺自動控制、自給自足的要求也越來越高。淡水作為生命的保障和平臺探采作業中不可或缺的重要物資，其可持續性非常重要。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上的應用及設計上的優化。根據環境、使用條件、用途不同，目前以這兩種方法為機理設計的裝置都有使用，但因空間重量和熱源條件的限制，在工藝參數允許的前提下多采用反滲透裝置。