两类能量回收装置的海水淡化工程应用对比

汪程鹏，李东洋，王生辉，刘思晗，宋代旺

(自然资源部天津海水淡化与综合利用研究所，天津 300192)

海岛作为海洋经济的重要载体，在资源开发、旅游开发、生态保护、国防建设等方面具有重要的战略意义，但海岛通常远离大陆，水资源稀缺，调蓄水十分困难[1]。海水淡化作为非常规水资源的增量技术，能够解决沿海地区及海岛用水短缺的问题[2]。推进海岛海水淡化工程建设，是保障我国离岸海岛军民用水安全的重要措施。能量回收技术能够回收反渗透(RO)膜海水淡化排出的浓盐水余压，降低系统运行能耗，是海水淡化产业的关键技术之一[3-4]。

针对西沙某岛日产1 000 m3海水淡化工程的一级RO系统，对两组膜组分别采用了转子式压力交换和透平式两种能量回收技术和装置对RO系统进行节能设计，本文介绍了两类能量回收装置的工艺设计、产品选型、运行工况对比分析，可为海岛海水淡化工程设计与建设提供参考。

1 能量回收装置概况

RO海水淡化运行过程中需消耗大量能耗以提升海水进膜压力，RO膜排出的浓盐水余压高达5.5～6.5 MPa，通过能量回收技术将这部分余压进行回收再利用，可有效降低40%～50%的海水淡化能耗[2,4]。能量回收装置能够大幅降低海水淡化的运行成本，是海水淡化产业链中的关键环节和核心装备。转子式压力交换能量回收装置和透平式能量回收装置是目前海水淡化应用较多的两类产品(图1)，转子式压力交换能量回收装置以美国PX产品为代表，属于自驱动能量回收装置，主要由无轴陶瓷转子、配流盘等组成，圆周分布的纵向沟槽(类似于微型液缸)贯穿于转子，高压浓盐水推动陶瓷转子旋转，使多个纵向沟槽分别在两侧静止的配流盘高压区和低压区交替转换切入，实现高压浓盐水与低压原海水的能量传递[4]。透平式能量回收装置采用透平和泵连轴的结构设计，通过透平将膜组件排放的高压浓盐水压力能转换为机械能，驱动泵转动对原海水增压，达到节能降耗的目的。

图1 两类能量回收装置内部结构对比

2 工艺设计

2.1 工程概况

西沙某岛是珊瑚岛礁类型，岛上水资源缺乏，常年依赖雨水收集和船运补给。为解决用水短缺问题，采用1 000 t/d[(2×500)t/d运行+500 t/d备用]双膜法处理工艺。通过预处理、超滤、两级RO、后处理等一系列工艺[5-6]，其工艺流程如图2所示。原海水首先经潜水泵进入斜管沉淀池进行混凝沉淀，然后经过自清洗过滤器、超滤装置的过滤后进入带有能量回收装置的一级RO系统脱盐；一级RO产水部分进入二级RO系统进行进一步脱盐；二级RO产水与部分一级RO产水混合、调质、杀菌，最终由供水泵送至供水管网，产水可达到《生活饮用水卫生标准》(GB/T 5749—2006)。

图2 海岛海水淡化工程工艺流程

海水淡化技术指标如下：超滤系统出水水质SDI≤3，浑浊度≤0.1 NTU，TSS≤1 mg/L；超滤系统平均水回收率≥90%；一级RO系统脱盐率≥99.2%；二级RO系统脱盐率≥99%；一级RO系统水回收率≥40%；二级RO系统水回收率≥90%；混合产水TDS≤100 mg/L。

2.2 一级RO系统设计

2.2.1 工艺流程

一级RO系统主要设计参数包括：进水流量为55 m3/h，淡水回收率为41%，产水流量为26.4 m3/h，浓水流量为32.4 m3/h，进膜压力为4.9 MPa，浓水压力为4.8 MPa，高压泵扬程为310 m。

(1)转子式压力交换能量回收

采用转子式压力交换能量回收装置的一级RO系统动力中心工艺流程如图3(a)所示。海水经保安过滤器后分为两股，一股进入高压泵加压，一股进入PX能量回收装置-循环增压泵加压，加压后的两股混合后进入膜组脱盐，产出的淡水进入一级RO产水池，高压浓水进入PX能量回收装置对原海水进行加压，从而实现能量的回收利用。

(2)透平式能量回收

采用透平式能量回收装置的一级RO系统动力中心工艺流程如图3(b)所示。海水经高压泵加压后进入能量回收泵侧进一步加压，加压后的海水进入RO膜组脱盐，产出的淡水进入一级RO产水池，浓水进入能量回收透平侧，通过“压力能-机械能-压力能”的转化途径对进入泵侧原海水进行加压，从而实现能量的回收利用。

图3 一级RO系统工艺流程

2.2.2 设备选型

(1)转子式功交换能量回收

高压泵、PX能量回收装置、循环增压泵的参数配置如表1～表3所示。高压泵采用九柱塞高压泵，能量回收装置采用PX-180S产品，循环增压泵形式采用多级离心泵，PX-180S过流件材质采用陶瓷和超级双相钢2507。循环增压泵要求额定流量为33.75 m3/h，额定扬程为35 m。

表1 高压泵主要参数配置

表2 PX能量回收装置主要参数配置

表3 循环增压泵主要参数配置

(2)透平式能量回收

高压泵及透平式能量回收装置设备选型如表4和表5所示。高压泵采用多级离心泵形式，高压泵及能量回收装置的主体均采用双相钢2205，轴承材质PEEK，整装机封John Crane-API682 USA。

表4 高压泵主要参数配置

表5 透平式能量回收主要参数配置

3 运行及评价

一级RO海水淡化系统现场如图4所示，系统运行120 d，两种类型能量回收装置的运行数据随机各选取5组，分别如表6和表7所示。依据《海水淡化装置能量消耗测试方法》(HY/T 245—2018)进行产水能耗的测试，两类的能量回收装置的一级RO脱盐率都不小于99.2%，采用PX能量回收装置的一级RO回收率为40%，吨水能耗为3.04 kW·h，采用透平式能量回收装置的一级RO回收率为40.5%，吨水能耗为3.34 kW·h。两者的能耗差异是由于工作原理不同造成的，通常PX能量回收装置采用直接压力交换方式，效率高达97%，透平式能量回收装置采用“压力能-机械能-压力能”的转换方式，效率为60%～80%。

图4 一级RO系统现场

表6 采用PX能量回收装置的系统数据

表7 采用透平式能量回收装置的系统数据

(1)设备及阀控元件

PX能量回收装置工艺采用高压泵+循环增压泵+PX能量回收装置“分布式”设计方案，透平式能量回收装置工艺采用高压泵+透平式能量回收装置“集成式”设计方案，电机、泵、能量回收装置一体化形式如图5所示。电机、高压泵和透平式能量回收装置共用底座并附有配套地脚螺栓固定，结构较紧凑，稳定性更强。另外，高压阀、低压阀、压力表、流量计等阀控元件数量减少，操作更为简便。

图5 能量回收装置一体化设计

(2)管路数量

配置PX能量回收装置的系统方案管路数量较多，配置透平式能量回收装置的系统方案管路连接数量较少，如图4所示，两者的高压管路分别为6根和4根，低压管路分别为3根和1根，管路连接简化。管件数量减少有助于降低泄漏危险系数，系统运行更安全稳定。

(3)噪声振动

采用希玛噪声测试仪AS-804B和希玛测振仪AS-68A进行现场噪声和振动检测，不开机环境噪声为40～50 dB，配置PX能量回收装置的噪音为94～99 dB，振动为2.0～4.0 mm/s，声音尖锐。配置透平式能量回收装置的膜组，噪音为80～88 dB，振动为0.7～1.5 mm/s，声音低沉。此外，发现采用透平式能量回收装置的系统管路水流及水冲击噪声较大，分贝数能达到100 dB。噪声差异原因是九柱塞高压泵和陶瓷转子式PX能量回收装置的结构形式，两者都存在部件的摩擦，噪声大，而多级离心式高压泵和透平叶轮形式的能量回收装置，过流部件无直接接触，噪声小。透平式能量回收装置技术指标基本符合《海水淡化反渗透膜装置测试评价方法》(GB/T 32359—2015)和《反渗透能量回收装置通用技术规范》(GB/T 30299—2013)等标准规定。

4 结论

(1)PX能量回收装置和透平式能量回收装置在RO海水淡化的成功实施，基于PX能量回收装置和透平式能量回收装置的工作原理不同，两者均有效地降低了海水淡化的运行能耗和运营成本，前者能量转换效率高，吨水能耗为3.04 kW·h，后者能量转换效率低于前者，吨水能耗为3.34 kW·h。

(2)采用PX能量回收装置的RO系统噪声振动稍大，噪音为94～99 dB，振动为2.0～4.0 mm/s，结构布局分散；采用透平式能量回收装置的噪声振动低于前者，噪音为80～88 dB，振动为0.7～1.5 mm/s，设备、管路、阀控元件等数量减少，结构布局紧凑，设备操作简便。

(3)PX和透平式两类能量回收装置及技术的海水淡化工艺设计及工程应用，为海水淡化工程应用及运营提供了一定的借鉴指导作用。