风电反渗透海水淡化耦合系统中高压泵的选择分析

黄晶晶，姚兴华

(1. 中国电力工程顾问集团公司，北京 100120；

2. 西南电力设计院，四川 成都 610021)

风电反渗透海水淡化耦合系统中高压泵的选择分析

黄晶晶1，姚兴华2

(1. 中国电力工程顾问集团公司，北京 100120；

2. 西南电力设计院，四川 成都 610021)

高压泵是反渗透海水淡化系统中的主要耗能设备。根据风电海水淡化耦合系统的供电特点，分析了高压离心泵和柱塞泵在变功率运行条件下流量和扬程的变化特点，解析了高压泵并联运行的功率、流量分配，认为小规模风电反渗透海水淡化耦合系统的高压泵选柱塞泵更为合适。

风电；海水淡化；反渗透；高压泵；离心泵；柱塞泵。

1 概述

风电反渗透海水淡化耦合系统中最关键的问题是解决风力发电功率与海水淡化工艺所需功率的匹配问题。在反渗透海水淡化技术应用中，高压泵是一个关键的耗能设备。反渗透制取纯水所需压力由高压泵提供，一般在5.0MPa～6.0MPa。海水反渗透系统中必须控制高压泵的出口压力，在维持设计产水量同时不超过膜元件最高允许进水压力。不同厂家的海水淡化膜元件的最高允许进水压力参数不同，设计时可具体参考膜元件厂家参数。

在反渗透膜选定的情况下，反渗透海水淡化系统的能耗主要取决于高压泵，增压泵和能量回收装置的耗能。反渗透海水淡化系统中，电费占制水成本的1/2～2/3，设备投资占制水成本的1/4左右。高压泵是膜法海水淡化系统中的主要耗能设备，其电耗约占系统运行费用的35%，是影响产品水成本的主要因素之一。因此，结合反渗透海水淡化工程，针对工程中所用的高压泵的选型分析，选择合适的泵型，对于降低系统的运行费用有非常重要的意义。

2 耦合系统的输出电源特点

由于各地区风速的随机波动性，使得风力发电功率随风速具有较大的波动。西班牙加纳利岛上离网型风机发电特性相关研究表明，当风速达到启动风速3m/s后，风速保持在3m/s～8m/s范围内，在风机启动28min后，风机通过其内置飞轮可使发电功率达到且稳定在50±1Hz。启动后，风速波动会导致风机输出功率大幅度波动，3min内风机输出功率从>80kW降至6kW，变化幅度大见图1。显然，风机直接输出功率无法满足反渗透海水淡化中高压泵运行所需功率的要求。

若采用蓄电池稳定风机输出功率，则可能的电功率输出曲线见图2，图中最大输出功率Pmax和最小输出功率Pmin由风机输出功率和蓄电池容量决定。假设高压泵耗能为海水淡化总耗能的1/3，则反渗透系统高压泵可以利用的最大电功率为1/3Pmax，最小电功率为1/3Pmin。

图1 启动后风机转子速度与输出功率波动情况

图2 结合储能系统稳定后的风电输出功率示意图

3 高压泵类型与特点

现有的用于反渗透海水淡化系统中的高压泵主要有离心泵、旋涡泵和容积式往复泵，其中容积式往复泵主要指柱塞泵(下文均用柱塞泵代替往复泵)。三种高压泵的特性比较如表1所示，与柱塞泵和离心泵相比，旋涡泵的效率较低。旋涡泵采用旁路调节流量，使得在风电—海水淡化耦合系统中反渗透工艺管路需增加旁路设计。

表1 高压泵的特性

叶片式泵和容积式泵的运行曲线如图3所示。叶片式泵的压力有极值，零流量时最大，压力随着流量的增大而降低；柱塞泵在转速固定时，流量不变，压力随着外界管路阻力的增大而增大，此时阻力无限的话，压力无穷大，可以破坏整个系统。值得注意的是，旋涡泵在低流量时功耗反而大；因此当系统降功率运行时，系统中的流量增加而扬程急剧降低。

图3 各类高压泵的性能曲线形状

在实际运行过程中，当系统运行一段时间后，反渗透膜容易堵塞，若使用叶片式泵，相当于出口管路阻力加大关小，流量变小，压力升高，但存在最大值；若使用柱塞泵，反渗透膜堵塞后，流量不变化，压力却直线上升，破坏反渗透膜和其它管路。

4 高压泵变功率运行特点

理论上，高压泵调速只改变水泵的特性，并不改变管路特性。因此，可以通过调节高压泵转速，实现高压泵的变功率运行。主要探讨高压泵功率从1/3Pmax降至1/3Pmin过程中，不同类型高压泵的理论流量与理论扬程变化，以期为风电—海水淡化耦合系统中反渗透高压泵的选型提供依据。

4.1 离心泵

4.1.1 单一离心泵

当变频离心泵泵转速调节在一定范围内，水泵特性遵守相似原理按比例变化。一般情况下，离心泵转速可调节范围由泵厂家给出。在可调范围内，根据离心泵的比例定律可获得离心泵轴功率变化所带来的流量变化和扬程变化，见图4。由图4可发现，离心泵功率变化带来的扬程变化大于流量变化。根据反渗透膜最小渗透压和最小流量要求，即可反推计算最小的高压泵所需最小功率。此最小功率须小于耦合系统的分配至高压泵的输出功率。

图4 轴功率变化所带来的流量变化和扬程变化

4.1.2 1用1备泵组

在常规的水处理系统中，1用1备泵组常为1台变频泵和1台工频泵，工频泵在变频泵故障时工频切入，实现主泵故障或检修时的正常运行。然而，在风电—海水淡化耦合系统中，考虑到经济适用性，可取消备用泵，直接将备用泵作为正常运行泵运行管理；同时考虑到输出功率的波动分布特点，可用变频泵替换工频泵。因此，常规的1用1备泵组即为2台离心泵并联运行。

一般情况下，离心泵并联运行时组合泵具有相同扬程，由单独泵组Ⅰ(Ⅱ)在相同扬程下的特性曲线，得到泵组Ⅰ与泵组Ⅱ的联合特性曲线Ⅰ+Ⅱ，泵组Ⅰ或泵组Ⅱ独立供水时，工况点为a点，而其合成工况点按并联流量叠加应为b点，则b点流量为两倍a点工况下流量(图5)。但实际上，由于系统阻力的影响，当离心泵并联运行时，其实际流量小于两倍a点工况下流量。

图5 离心泵并联运行的特性曲线

当1台变频泵和1台工频泵并联工作时，变频泵和工频泵的额定功率均为1/6Pmax，则全部高压泵组运行功率范围为(1/3Pmax，1/6Pmax～Px)(Px<1/6Pmax)。假设单台泵的最大流量为Q，首先判定工频泵正常工作时流量Q是否满足反渗透膜的最小流量要求，此时可同时运行变频泵和工频泵或单独运行工频泵。当Q大于反渗透膜最小流量而电功率低于1/6Pmax时，单独运行变频泵，根据比例定律，当供水量降至kQ时，扬程降为k2H(H为最大扬程)，轴功率降为k3P(P为额定轴功率)，此时需要判定下降的流量kQ和扬程k2H是否满足反渗透膜最小渗透压和最小流量要求。根据最小流量和最小渗透压要求，从而反推获得理论最小轴功率Px。

当2台变频泵并联工作时，变频泵的额定功率为1/6Pmax，则全部高压泵组运行功率范围为1/3Pmax～Px(Px<1/6Pmax)。由于2台泵同步变频，因此2台变频泵并联工作规律与单台变频泵工作规律类似。在某一扬程要求下，2台变频泵的工作流量可降至单台变频泵工作流量的一半，此时，泵所需功率为单台泵最小功率的一半。

当反渗透膜工作要求扬程为泵工作的限制因素时，设定泵(泵组)工作的最小扬程为k2H，计算泵(泵组)理论流量与理论轴功率变化范围，结果见表2。当反渗透膜工作要求流量为泵工作的限制因素时，2台变频泵设置如同单一变频泵。

表2 泵(泵组)流量、扬程与功率可变范围(最小工作扬程为k2H)

4.2 柱塞泵

柱塞泵流量与管理特性无关，只取决于柱塞泵转速，所需流量可通过改变转速到对应值而得到，其计算公式见式(1)。降低柱塞泵转速即可降低柱塞泵流量，从而降低柱塞泵所需的电功率。由于柱塞泵提供的压力只决定于管路特性与泵本身无关，因此柱塞泵运行时的压力需考虑连接的反渗透膜运行情况。可根据系统流量与柱塞泵额定流量选择合适的柱塞泵或柱塞泵并联泵组。

与离心泵调速类似，柱塞泵的转速调节也具有局限性，调速范围由厂家给出。一般认为柱塞泵的调速范围较离心泵大。

5 不同制水规模下高压泵的选择

风电—海水淡化系统中，反渗透高压泵的选择除了要考虑泵本身运行特性外，还应考虑制水规模对高压泵效率和投资成本的影响。相比于离心泵，柱塞泵在不同处理流量下泵效率较为稳定，一般在90%左右。离心泵效率与其单泵处理流量相关，当单泵处理流量较小时，离心泵效率较低。不同规模海水淡化工程单泵处理流量的离心泵和柱塞泵效率见表3。在低流量下，离心泵效率过低，如日产量500吨时，离心泵效率低至50%；在大流量下，柱塞泵制造难度大，成本高。

反渗透海水淡化用高压泵的厂商和泵参数见表4，柱塞泵的额定流量较小(<300m3/h)，适用于中小规模的海水淡化工程，而离心泵的额定流量较大，适用于大规模的海水淡化工程。由于柱塞泵结构复杂、体积大，当流量大于180 m3/h时，柱塞泵的经济性差而抵消其效率高的优点。

表3 柱塞泵和多级离心泵的效率指标

表4 国外厂商和高压泵参数

在常规的反渗透海水淡化系统中，由于供电稳定，不同类型高压泵的选择均以泵最佳运行效率为基础，因此产水稳定，每吨淡水生产的高压泵运行成本主要包括高压泵、高压泵维护费用和运行所需电费。一般情况下，当处理流量为110m3/h时，虽然柱塞泵的投资费用和维护费用高于离心泵，但柱塞泵运行所需电费远低于离心泵，因此柱塞泵的总操作费用低于离心泵。可以推断，当高压泵进水流量低于110m3/h时，离心泵的运行效率更低，从而导致其运行所需电费更高，因此在常规的反渗透海水淡化系统中，柱塞泵的总操作费用更低。

然而，在风电—海水淡化耦合系统中，由于系统供电量波动较大，离心泵与柱塞泵在不稳定供电条件下运行特性不同，从而可能导致在同一个风电—海水淡化耦合系统中离心泵与柱塞泵所产淡水量和淡水品质不同。根据上文变运行工况条件下离心泵运行特性分析，可以发现离心泵降功率运行时，同时降低处理流量和扬程，而扬程降低的直接反映是反渗透进水压力降低，从而导致反渗透脱盐率下降、产水水质变差。降功率运行的柱塞泵仅减少处理流量，可保证反渗透进水压力，对反渗透脱盐率影响较小。当反渗透膜工作要求扬程为泵工作的限制因素时，可以认为柱塞泵的反渗透系统所产水量大于离心泵的反渗透系统。因此，相比离心泵，每吨淡水生产的柱塞泵成本和柱塞泵维护费用会有所减少。

此外，离心泵和柱塞泵的功率需求变化对风电—海水淡化耦合系统中蓄电池容量及其成本的影响也需考虑。在小规模的风电—海水淡化耦合系统中，反渗透高压泵选用柱塞泵更为合适。

6 结论

高压泵是反渗透海水淡化系统中的主要耗能设备。在风电—海水淡化耦合系统中，高压离心泵和柱塞泵的选择需要同时考虑变功率运行条件下流量和扬程是否满足反渗透膜正常运行的要求。对离心泵并联设计时，需要考虑变功率运行下并联管路特性变化情况。对于小规模的风电—海水淡化耦合系统(处理水量不大于100m3/h)，反渗透高压泵选用柱塞泵更为合适。

[1]Carta J.A., Gonzalez J., Subiela V., Operational analysis of an innovative wind powered reverse osmosis system installed in the Canary Islands. Solar Energy, 2003.

[2]全国化工设备设计技术中心站机泵技术委员会．工业泵选用手册(第二版)[K]．北京：化学工业出版社，2010．

[3]叶晓琰，许国乐，胡敬宁．反渗透海水淡化高压泵的优化选择[J]．水处理技术，2008，34(9).

Selection of High Pressure Pumps in Wind-powered Reverse Osmosis Seawater Desalination Systems

HUANG Jing-jing1, YAO Xing-hua2
(1. China Power Engineering Consulting Group Corporation, Beijing 100120, China;
2. Southwestern Electric Power Design Institute, Chengdu 610021, China)

High pressure pump consumes most of energy in the membrane desalination system. According to the characteristics of power supply of wind energy, the shift of flux and head of high pressure centrifugal pump and plunger pump was analyzed under variable power operation. Also, the distribution of flux and power of multipledhigh pressure pumps were calculated. Combined with the operating cost of centrifugal pump and plunger pump, the plunger pump is fitter to membrane desalination in wind powered seawater desalination system in small scale.

wind powere; seawater desalination; reverse osmosis; high pressure pump; centrifugal pump; plunger pump.

P747

A

1671-9913(2014)03-0068-05

10.13500/j.cnki.11-4908/tk.2014.03.014

2013-11-20

黄晶晶(1985- )，女，浙江慈溪人，博士，工程师，主要从事非常规水资源再生处理与利用。