基于效能的反渗透造水机优化改造

赵天翔 左红稳 刘昕

摘 要：随着出航时间的不断增加，造水系统的低位作用大大增加，某船反渗透造水机全船提供约80%的造水量，其运行稳定性直接导致用水需求的有效供给。该文立足某船反渗透造水机存在的问题，分析了某船反渗透造水机系统故障率高、效率低的特点，以效能为优化目标，对现行高压泵进行了分析研究，提出了高压泵换型、加装能量回收装置的综合优化方案，最后进行了可行性分析，为某船反渗透造水机优化改造提供了理论支撑。

关键词：反渗透 高压泵 能量回收 优化

中图分类号：TE95 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）01（c）-0038-03

某船海水淡化的方案主要有蒸馏法和反渗透法两种，其中反渗透法为全船提供约80%的造水量，因此反渗透造水机是该船的重要的造水设备。自某船服役以来，两台反渗透造水机出现故障50多次，仅2015年下半年两台反渗透造水机出现高压泵轴承损坏、反渗透膜内漏等14次故障，给船员生活用水保障带来了极大的困难。

该文紧扣新技术，主要研究了如何在现有条件下对两台反渗透造水机进行优化改造，旨在进一步提高系统可靠性、降低设备故障率、提高系统运行效能、降低系统单位产水能耗，最大限度的保障船员长时间执行海上测控任务的用水需求，并将优化改造的可行性、经济性进行了论证，为反渗透造水机优化改造提供了理论依据。

1 反渗透造水机工作原理

反渗透造水机包括两个部分。一是预处理部分，由低压泵、多介质过滤器、粗滤器、微滤器等组成，把反渗透膜的污染、结垢、损伤降到最低，从而使反渗透部分的产水量、脱盐率、回收率、运行成本达到最优。二是反渗透部分，由高压泵、缓冲器、反渗透膜、反渗透膜容器、清洗系统等组成。

2 反渗透造水机存在问题

现存反渗透造水机主要存在以下问题。

（1）系统故障率高。反渗透系统现有高压泵为三柱塞往复高压泵，利用三柱塞往复运动产生高压，在运行的过程中主要产生下问题：轴承易损坏；对润滑油要求较高；水压脉冲大对膜产生冲击；机体振动大使机组联接件极易损坏。

（2）系统效率低。反渗透海水淡化时，回收率为30%，高压浓水占系统流量的65%～70%，压力>5.5 MPa。高压浓水直接排入大海造成能量的大量流失。

3 优化方案设计论证

优化方案主要依据提高系统可靠性及系统效率的原则进行。

3.1 高压泵选型论证

分析系统故障原因可知，高压泵往复运动产生了很大的机体振动和压力脉冲，并且高压泵本身极易损坏、维护保养复杂，是反渗透系统故障率低的主要原因，因此考虑将高压泵换型。我们查阅相关资料，发现Danfoss APP系列高压泵能够满足改造需求。Danfoss APP系列高压泵是斜盘式轴向柱塞泵，采用自润滑系统，设计轻巧紧凑，具有以下特点。

（1）压力脉冲小，可以有效减少对反渗透膜的冲击。

不同类型高压泵特性比较如表1所示。

（2）安装位置灵活，无需皮带传动和齿轮箱。

DANFOSS高压泵采用弹性联轴节与电机泵轴直接连接，减少了传动皮带、齿轮箱等中间环节，提高了效率的同时安装位置也更加灵活。

（3）采用自润滑设计，无需润滑油。

DANFOSS高压泵使用流经液体即经过过滤的海水对自身进行润滑，无需润滑油。自身集成冲洗阀，在泵停用时可使海水从入口流经冲洗阀从而完成对泵的反冲洗。

（4）体积小、低振动、低噪音、重量轻。

由于设计紧凑，与传统高压泵相比，DANFOSS高压泵体积较小，安装不需改变原有结构。

从2010年138天维修记录来看，高压泵的高频振动和压力脉冲是造成故障的主要原因，选用新型小脉动高压泵成为提高可靠性的重要保证，借鉴远三反渗透造水机改造方案，高压泵换型同样选择DANFOSS高压泵，换型后反渗透造水机的故障率得到有效降低，设备可靠性显著提高。

3.2 采用能量回收装置选型论证

为了降低能耗，减少海水淡化的操作费用，通常在浓盐水的排放管路上安装能量回收装置。目前能量回收装置从工作原理上主要分为离心式和正位移式两种，前者常与压力，与无能量回收器的系统相比，对高压泵出口压力要求降低，系统的能耗更低；后者常与高压泵并联使用，利用盐水余压能直接增压部分进料海水，降低了通过高压泵增压的进料海水的流量，提高了系统的经济性。

目前国内的反渗透海水淡化厂所采用的能量回收装置大部分都为美国PEI公司的水力透平（HTC）和美国ERI公司的PX两种形式，二者在反渗透系统中的典型应用工艺如图1和2所示。正位移式余压能量回收器，由于其高达90%的能量回收效率，近年来得到了快速的发展，参考国际成熟的案例，我们在反渗透系统优化改造中选用了美国ERI公司的PX系列能量回收装置。

该类装置采用一个无轴陶瓷转子，转子上有12个轴向通道，转子是唯一的活动部件，转子由坚硬的陶瓷材料做成。套筒间分成高压区和低压区两个部分，陶瓷转子在套筒间自由旋转从而通道也随之旋转，在任一瞬间，一部分通道与高压盐水相通，另一部分通道与泄压盐水相通，套筒中有密封区域隔离高压区和低压区。当通道位于高压区时，高压盐水进入通道，将能量直接传递给进料海水，增压后的海水从另一端排出。随着转子的旋转，当通道位于低压区时，低压海水进入通道，将泄压盐水从另一端排空。此操作过程中，在高压区内进入通道的盐水在低压区内被完全排放，在低压区内进入通道的海水在高压区内也被完全增压。由于采用多通道设计，可以保证同时有多个通道进行增压及泄压操作，盐水和海水进料及排出流动平稳性好。

正位移式能量回收装置与高压泵并联使用，通过减少由高压泵增压的海水流量来降低总能耗。进料海水经过预处理后分为两路，一路由高压泵直接增压到进膜压力，流量约等于反渗透系统中产品水的流量。另一路不需经过高压泵，能量由高压浓盐水的余压提供，流量约为反渗透系统中浓盐水的流量。与透平式能量回收装置相比，高压泵所需要的流量配置要求大大降低，可有效减小高压泵的规格，其购买成本和运行电耗也相应降低。由于浓盐水在经过膜组件后存在一定压力降（0.5～2.0 bar），在能量回收装置及管路中也有一定压力损失（0.2～1.0 bar），浓盐水能量以较高效率传递给进料海水后，海水实际压力仍低于进膜要求压力。因此需要在能量回收装置后安装增压泵或压力提升泵，将海水进一步增压到系统操作压力后与经过高压泵增压的海水混合，一同进入膜组件。

某船能量回收装置的应用立足于现有管路和设备，不需要做电路上的变更，具体更改如图3、4。

4 结语

该文分析了某船反渗透系统故障率高、效率低的特点，并以效能为优化目标，提出了高压泵换型、加装能量回收装置的综合优化方案， 最后进行了可行性分析，为测量船反渗透造水机优化改造提供了理论支撑。下一步将进行效能优化的定量分析，进一步精确回收率、单位产水能耗、综合运行成本的分析。

参考文献

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