反渗透海水淡化的能量回收装置1 概述 当今社会，能源需求和环境压力的急剧上升决定了发展核电 等清洁能源成为必然选择。按照既定规划，“十二五”期间，我 国将迎来 新一轮核电站建设高峰期。 日本福岛核事故后， 我国暂 停审批核电项 目， 但我国能源消耗的增长较快， 发展非化石能源 是大势所趋， 随着核 电技术水平的不断提高以及核安全保证能力 的提升， 以及适宜大规模建设 发电等特点， 核电依然是清洁能源 的重要选择。 我国大部分核电站建在 沿海， 沿海地区可利用的淡 水资源非常紧张， 海水淡化技术的采用在很 大程度上缓解了淡水 需求。在海水淡化技术的应用过程中，降低能耗、节省能源、减少 制水成 本的处理方式是最为人们所关注的。反渗透海水淡化(SWR )具有设备投资省、能耗低、建设期短、占地面积少、对设备材质 要求低等特点。 其在能耗方面占有很大的优势， 无能量 回收装置的反渗 透海水淡化的能量消耗约为810 kW?h/ m3采用能量回收装置能耗可降 到 34.5kW?h/ m3。图 1-1 为反渗透海水淡化的操作成本分项， 图 1-2 为电力消 耗成本 分项。由此可见， 能耗在运行成本中占有很重要的份额， 大约占制 水总成 本的 30%左右2 能量回收方式由于海水的含盐量高， 渗透压大， 反渗透淡化海水需要提供 较高的工作压力(约5.88.0MPa)。如标准海水的含盐量约为35000mg/L,反渗透装置的给水压力约需要6.0 MPa。反渗透淡化海水时，一级反渗透装置水的回收率一般为3555%，即高压浓盐水的排放量可占进水流量的4565%，这部分浓盐水排出反渗透装置时尚有约5.65.8 MPa的压力。如果直接排放，一方面比较浪 费， 另一方面也较危险。 在浓盐水的排放管线上安装能量 回收装置，把 占 55%左右的高压浓水的能量加以回收，大大降低了能源的浪费，同时降 压后的浓盐水排放更安全。能量回收装置有不同的应用方式： 回收的能量可直接用于提高海水 给水的压力； 可用于提高第二段给水的升压，以提高或均衡第二段膜组 件 的产水量；制备含盐量更低的淡水，用于第二级反渗透的给水升压。不同的能量回收装置回收效率不同，回收效率低的约为 35%70%， 回收效率高的可达 90%95%。纵观海水淡化能量回收装置技术的发展， 由最初的反转透平( reverse running turbines )和皮尔顿装置( Pelton wheel devices )，到 20 世纪 80 年代末期的水力透平式能量回收装置 ( hydraulic turbo charger )， 1997年美国能量回收公司(ERI)推出采用正位移原理转换能量的压力交换 式能量回收装置(Pressure Exchanger )。 能量回收装置主要采用透平式原理和 正位移原理 来回收能量。2.1 能量回收的原理 能量回收装置按照工作原理主要可分为透平式和 正位移式 两种类型。 透平式能量回收装置主要有水力透平式， 通常需要 经 过“压能 -机械能 -压能”两步转换过程，能量回收效率一般在 5070% 之间。正位移式能量回收装置利用反渗透系统排出的高压 浓水直接增压进 料海水的方式来回收能量， 能量回收效率一般都 在 9295%之间。目前，国际常用的透平式能量回收装置主要代表为美国 Pump Engineering (PEI) 公司禾口 Fluid Equipment DevelopmentCompany( FEDCO的水力透平(TurboCharger )；正位移式能量回收装置主要 代表为美国ERI公司的PX。2.1. 1 水力透平式能量回收装置 水力(涡轮)透平式能量回收装置采用 离心式原理，由安装 叶轮的水泵侧和安装透平转子的透平侧组成， 叶轮和 透平转子间 通过一根中心轴相连接。 反渗透装置排出的高压浓水直接冲击 涡 轮驱动透平转子把压力能转换为机械能(轴功)，通过中心轴把 机械能传 递水泵侧的叶轮， 叶轮再把机械能转换为压力能， 对进 入反渗透系统的 海水实施增压。 因此，水力透平式能量回收装置 完全由浓水提供能量，不 需要外加电能。水力透平式出现最早，技术成熟，流程简易，组装方便，产 品已形 成系列化，但由于其在能量回收过程中存在 2次能量转 换，在转化过程中 存在能量损失，所以能量回收效率较低。其能 量回收效率曲线和离心水泵 的效率曲线相似， 随着进水流量的增 加而提高，因此，适宜在大容量海水 淡化系统中应用。1999年4月我国大连长海县建成的1000 m3/d SWRO系统采用了具 有水力透平结构的能量回收装置，可回收RC浓水能量的 32% 2005年大唐王滩发电厂的10000 m3/d SWR系统采用了 PEI公司的HTC， 能量 回收装置效率为 70% 。2.1.2压力交换式能量回收装置 压力交换式能量回收装置采用正位移原理，低压海水从一端进入PX设备，来自反渗透膜的高压浓盐水从另一 端进入PX设备。压力能量在设备内进行交换后，低压海水转变成高压海水流出， 而高压浓 盐水转变成低压浓盐水流出。这种能量转换效率非常高可达95%人上,比涡 轮机的转换效率高1/3。经PX加压后的高压海水使进入反渗透装置的海水 得到分流， 通过高压泵的海水流量 大幅度降低， 从而降低了对高压水泵 的能耗要求， 因此安装此装 置后可使海水淡化的运行费用大为降低。由于PX的使用，反渗透装置的比能耗最低可以小于 2.0 kW?h/ m3 。福建宁德核电厂的10872 m3/d SWR係统和辽宁红沿河核电厂的 15000 m3/d SWRO中均采用了美国ERI公司的PX压力交换式能量回收装 置， 可回收浓水中近95%的能量，系统能耗低于2.5 kW?h/ m32.2 能量回收装置的比较 上述两种能量回收装置的技术经济比较见表2-1 ：3能量回收应用以某核电厂海水淡化工程为例，假设需设置n套海 水膜反渗透装置，每套装置的产水量按150m3/h,反渗透回收率为45%则能量回收 装置分别按PX和Turbo两种方式设计的反渗透海水淡化系统水量平衡图 如下：上述两套系统的计算数据如下：PX 的回收效率为 96.7%， Turbo 的回收效率为 68.4%左右。系统配置：米用PX能量回收装置的系统，需要配置二台泵，一台高压泵，一台 增压泵；米用 Turbo 能量回收装置的系统，需要配置一台高压泵。3.3水泵参数：PX高压泵流量152m3/h，扬程710m增压泵流量181m3/h，扬程 30mTurbo :高压泵流量333m3/h，扬程450n。单吨水的电耗：经计算，PX系统的单吨水的电耗是2.666 kWhr/m3，Turbo系统的单 吨水的电耗是 3.367 kWhr/m3 。PX系统会比Turbo系统在单吨水的能耗少0.701kWhr/m3。初期投资：PX系统投资较高，Turbo系统投资较低。本项目Turbo系统 比 PX 系统在投资成本上预计节约人民币 2925000 元（含高压泵 及电机、 变频器、能量回收装置、增压泵和辅助系统）。运行成本PX系统的运行成本会很低，根据本项目的电费0.49元/度64519790电，由于PX系统运行成本的低廉，在1年多的时间内就能收回这部分的 初期投资成本。 长期运行可以节约大量的运行费用。 初 步估算，20年以 后PX系统能为该核电厂节约人民币 元。3.7国内业绩：PX系统在国内使用40余家，市场占有率为90%以上，包括辽宁红沿河核电厂、福建宁德核电厂、天津大港 海水淡化厂等；Turbo系统用户较少，有大唐王滩电厂、平海电厂。综合考虑海水淡化能量回收装置在我国海水淡化工程的应用，同时吸取各方面的经验，某核电厂海水淡化拟采用PX压力交换式能量回收装置。4 结论随着反渗透海水淡化技术的发展， 对能量回收技术和装置的 研究与 开发也引起高度关注和重视。透平式能量回收装置在设 计、维护、运行等 各方面都比正位移式能量回收装置简单，不需 要增压泵和自动阀门，但其 能量回收效率较低。PX压力交换式能量回收装置需要控制系统，运行较复杂，但能耗低，投资回报 率高。对 于不同的海水淡化工程， 我们要根据项目本身的特点合 理选择合适的能量回收装置。 对于透平式能量回收装置适合于大 的系统设 计采用，回收效率明显、经济效益良好、淡化成本显著降低。对于PX压力交换式能量回收装置大、小系统都适用，但大的系统需并联的PX较 多，接口较多，占地较大。小系统在短 期内就可收回投资成本，从节能的PX压力交换角度出发，采用式能量回收装置更好目前国内反渗透海水淡化采用的能量回收装置主要为美国的TurboCharger和PX国内在能量回收的技术有待进一步开发和硏究，研究和开发新型的能量回收技术， 对反渗透海水淡化技 术的发展和推广具 有重要的意义。