滄州某國(guó)產(chǎn)化節(jié)能型反滲透海水淡化工程設(shè)計(jì)

宋瑞平，張建中，張希建，何欽雅，翁曉丹，陶如鈞

（1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京100193；2.中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，杭州311122）

1 引言

截至2020年年底，我國(guó)已建成海水淡化工程約123個(gè)，總規(guī)模約1.65×106t/d，已擁有較強(qiáng)的大型海水淡化工程設(shè)計(jì)與建設(shè)能力，具備規(guī)模化發(fā)展的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)[1]。成本和投資費(fèi)用過高一直被視為海水淡化難以在國(guó)內(nèi)大規(guī)模推廣使用的主要問題。本文介紹了滄州某海水淡化工程的工藝設(shè)計(jì)、設(shè)備配置以及運(yùn)行情況，以期為類似工程提供參考。

2 工程概況

滄州某海水淡化工程位于河北省滄州市渤海新區(qū)中捷產(chǎn)業(yè)園，占地總面積約為11.62 hm2（174.29畝），按遠(yuǎn)期總產(chǎn)水1×105m3/d規(guī)模征地，一期一階段產(chǎn)水規(guī)模為2.5×104m3/d。公司與上下游企業(yè)形成了可持續(xù)發(fā)展的良性產(chǎn)業(yè)鏈，淡化水直供石化園區(qū)，濃鹽水供給中捷鹽場(chǎng)曬鹽。

3 工藝流程

滄州某海水淡化工程工藝流程如圖1所示，分為海水取水、海水預(yù)處理、一級(jí)反滲透海水淡化、二級(jí)反滲透脫硼和產(chǎn)水后處理五大部分。

圖1 海水淡化工藝流程圖

4 工程設(shè)計(jì)

4.1 海水取水

采用岸邊取水方式，建半地下式取水泵房1座，取水泵房按5×104m3/d海水淡化規(guī)模設(shè)計(jì)，一階段先安裝3臺(tái)立式軸流泵流量Q=1 500 m3/h，揚(yáng)程H=15 m，電機(jī)功率P=132 kW，材質(zhì)為雙相鋼SS2205。為防止取水管道藻類和貝類的滋生堵塞管道，采取次氯酸鈉間歇式投藥。

4.2 海水預(yù)處理

4.2.1 絮凝反應(yīng)斜管沉淀池

設(shè)置1座絮凝反應(yīng)斜管沉淀池，單座設(shè)計(jì)海水處理量2 900 m3/h，分2格。總絮凝時(shí)間20 min，每組反應(yīng)池分為3段。沉淀池設(shè)計(jì)清水區(qū)上升流速約2.1 mm/s，斜板沉淀池平面尺寸為L(zhǎng)×B（長(zhǎng)×寬）=12.20 m×13.05 m，池高H=7.0 m，表面負(fù)荷6.5 m3（/m2·h）。經(jīng)過處理后，產(chǎn)水濁度控制在5FTU以下。

4.2.2 無閥濾池

設(shè)置2座無閥濾池，單座設(shè)計(jì)海水處理量1 450 m3/h，每座無閥濾池由4個(gè)無閥濾池組成。每個(gè)無閥濾池外形尺寸為10.5 m×5.5 m，內(nèi)部為雙室結(jié)構(gòu)，填裝φ0.6～φ1.2 mm石英砂濾料，濾料厚度為700 mm，單室過濾面積為4.7 m×4.7 m，設(shè)計(jì)濾速7.3 m/h，每套無閥濾池出水量約390 m3/h，產(chǎn)水濁度控制在1 FTU以下，出水利用高位差直接流入海水清水池。

4.2.3 壓力式砂濾器

配置44臺(tái)φ3 200 mm壓力式砂濾器，每臺(tái)設(shè)計(jì)產(chǎn)水量60 m3/h，設(shè)計(jì)流速7.5 m/h。每臺(tái)濾器配置流量計(jì)，進(jìn)出水壓力儀表和手動(dòng)、氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥門，濾器內(nèi)填裝不同級(jí)配的石英砂。出水淤泥密度指數(shù)（SDI值）控制在5以下，達(dá)到反滲透膜元件進(jìn)水水質(zhì)要求。

4.3 一級(jí)反滲透海水淡化系統(tǒng)

4.3.1 海水反滲透膜裝置（SWRO）

一期一階段25 000 m3/d海水淡化系統(tǒng)分成5套海水反滲透膜裝置，每套裝置產(chǎn)水5 000 m3/d。經(jīng)反滲透專用軟件計(jì)算，反滲透膜采用一段排列，每套裝置配置64根7芯8寸（26.67 cm）玻璃鋼壓力膜殼，488根海水反滲透膜元件，單支膜元件穩(wěn)定脫鹽率達(dá)99.75%。

4.3.2 SWRO高壓給水系統(tǒng)

高壓泵選用5臺(tái)國(guó)產(chǎn)的多級(jí)離心泵進(jìn)水量Q=220 m3/h，揚(yáng)程H=600 m，電機(jī)功率P=545 kW，效率為80%，材質(zhì)為2507SS，變頻驅(qū)動(dòng)。能量回收裝置選用壓力交換式能量交換器，其中，3套選擇國(guó)產(chǎn)IPX-66能量回收裝置，每5臺(tái)IPX-66組成一套能量回收裝置，能量回收效率為90%～95%，材質(zhì)為超級(jí)雙相不銹鋼和高分子復(fù)合材料。壓力提升泵選用5臺(tái)國(guó)產(chǎn)的臥式離心泵Q=310 m3/h，H=38 m，P=55 kW，材質(zhì)雙相鋼2507，變頻驅(qū)動(dòng)。

4.4 二級(jí)反滲透脫硼系統(tǒng)

為了確保淡化水硼離子小于0.5 mg/L，同時(shí)最大程度上降低投資和運(yùn)行成本，本工程將一級(jí)海水反滲透裝置設(shè)計(jì)成雙端產(chǎn)水，對(duì)后端產(chǎn)水（約50%）進(jìn)行二級(jí)反滲透脫硼處理后，與一級(jí)前端產(chǎn)水進(jìn)行勾兌。

4.4.1 二級(jí)反滲透膜裝置（BWRO）

二級(jí)反滲透裝置共分成2套，每套裝置產(chǎn)水量為280 m3/h。經(jīng)計(jì)算，每套淡水反滲透裝置配置32根7芯膜殼，294根反滲透膜元件，采用2∶1排列。為提高反滲透膜脫硼效果，二級(jí)反滲透膜裝置進(jìn)水前投加NaOH，調(diào)節(jié)二級(jí)進(jìn)水pH值約為10.5。

4.4.2 BWRO高壓泵

在25℃時(shí)，BWRO反滲透裝置進(jìn)水量為300 m3/h，操作壓力約為0.8～1.5 MPa。選用2臺(tái)多級(jí)離心泵Q=300 m3/h，H=150 m，P=185 kW，變頻驅(qū)動(dòng)。

4.5 產(chǎn)水后處理及供水

4.5.1 淡化水后處理

采用溶解礦物質(zhì)法，設(shè)計(jì)后礦化池1座，外形尺寸為7 m×20 m，處理水量25 000 m3/d，內(nèi)部裝有5個(gè)石灰石池，每個(gè)石灰石池有效面積20 m2。經(jīng)過后處理調(diào)質(zhì)，反滲透產(chǎn)水pH值提高到7.5±0.3，硬度提高到（80±10）mg/L[2]。

4.5.2 供水系統(tǒng)

設(shè)置3臺(tái)（2開1備）供水泵，采用單級(jí)離心泵Q=420 m3/h，H=20 m，P=37 kW，材質(zhì)為316L不銹鋼，變頻驅(qū)動(dòng)。在水泵出口投加次氯酸鈉殺菌劑。

5 設(shè)計(jì)特點(diǎn)

1）本工程采用國(guó)產(chǎn)IPX外驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子式能量回收裝置，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)能量回收效率達(dá)94.89%，同比進(jìn)口產(chǎn)品能量回收效率提高2.36%，實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)能量回收裝置在大型海水淡化工程中的示范應(yīng)用。

2）本工程采用雙端產(chǎn)水高效脫硼工藝，一級(jí)反滲透裝置采用雙端產(chǎn)水，前段產(chǎn)水直接進(jìn)后處理系統(tǒng)，后端產(chǎn)水經(jīng)過二級(jí)反滲透處理后進(jìn)入后處理系統(tǒng)。與常規(guī)工藝相比，雙端產(chǎn)水脫硼工藝可以減少二級(jí)系統(tǒng)處理規(guī)模約50%，減少二級(jí)系統(tǒng)建設(shè)投資成本50%，減少二級(jí)系統(tǒng)運(yùn)行成本約40%[3]。

圖2 反滲透雙端產(chǎn)水脫硼工藝示意

3）本工程采用變負(fù)荷運(yùn)行策略，智能控制系統(tǒng)可根據(jù)當(dāng)日供水需求表進(jìn)行供水規(guī)劃，合理利用峰谷電電價(jià)不同，在保障供水安全情況下，最大程度上節(jié)省電費(fèi)成本。工程最大供水能力為25 000 m3/d，實(shí)際供水量約15 000 m3/d，實(shí)際運(yùn)行中，尖峰和高峰電價(jià)時(shí)段設(shè)備盡量停運(yùn)，平段電價(jià)時(shí)間設(shè)備盡量處于低負(fù)荷運(yùn)行，低谷電價(jià)時(shí)段設(shè)備滿負(fù)荷運(yùn)行。通過合理利用低谷電價(jià)優(yōu)惠政策，節(jié)省電費(fèi)約20%。

6 工程效益分析

6.1 運(yùn)行效果

工程于2021年3月1日開始為中捷石化園區(qū)連續(xù)供水，經(jīng)過10個(gè)月的連續(xù)運(yùn)行表明，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，系統(tǒng)參數(shù)正常，自動(dòng)化程度高。經(jīng)測(cè)算，工程本體制水能耗2.30 kW·h/m3，總制水能耗為2.98 kW·h/m3，海水反滲透膜系統(tǒng)脫鹽率達(dá)99.4%以上，二級(jí)淡水反滲透膜系統(tǒng)脫鹽率達(dá)97%以上，成品水符合GB 5749－2006《生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)》的要求。系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)詳見表1。

表1 系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)

6.2 經(jīng)濟(jì)性分析

能量回收裝置、高壓泵是海水淡化關(guān)鍵設(shè)備，約占設(shè)備總投資的30%。本工程能量回收裝置、高壓泵由于采用國(guó)產(chǎn)化節(jié)能高效設(shè)備，造價(jià)僅為進(jìn)口同類設(shè)備的50%，使設(shè)備總投資下降15%以上。按海水淡化供水量15 000 m3/d計(jì)算，海水淡化綜合制水成本為4.18元/噸水，其中設(shè)備折舊1.5元/噸水，占總成本的35.9%。

7 結(jié)論與建議

通過對(duì)滄州某海水淡化工程10個(gè)月連續(xù)運(yùn)行表明，在渤海低溫低濁度海域，采用“混凝澄清+無閥濾池+壓力式砂濾器+一級(jí)海水反滲透+二級(jí)反滲透脫硼+后處理”工藝是十分合適的，也是經(jīng)濟(jì)可靠的。

該工程采用國(guó)產(chǎn)節(jié)能高效的能量回收裝置、高壓泵等關(guān)鍵設(shè)備，售價(jià)僅為進(jìn)口同類設(shè)備的50%，設(shè)備造價(jià)同比下降15%以上，且工程總制水能耗2.98 kW·h/m3，綜合制水成本僅為4.18元/t，達(dá)到國(guó)內(nèi)外先進(jìn)水平。

該工程通過采用變負(fù)荷運(yùn)行策略，合理利用低谷電價(jià)優(yōu)惠政策，節(jié)省電費(fèi)約20%。建議有閑置產(chǎn)能的海水淡化廠，可以充分利用峰谷電和變負(fù)荷運(yùn)行策略，從而部分彌補(bǔ)設(shè)備閑置造成的折舊損失。