热膜耦合海水淡化节能分析

0 背景及研究现状

海水淡化是解决全球淡水危机的重要途径。热法的多级闪蒸（MSF）、低温多效蒸馏（LT-MED）和膜法的反渗透（RO）作为主流技术已经较为成熟。但是，能耗高仍是制约我国海水淡化应用率进一步提高的重要影响因素。因此，通过系统的规模化及多技术融合，提高能源利用效率将成为该领域继续发展的必要解决方案。

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近年来，热膜耦合海水淡化成为海水淡化领域新的技术趋势。阿联酋和沙特的热膜耦合海水淡化工程，MSF 和SWRO（反渗透海水淡化）共用取水和排水设施，产水混合，比单纯MSF 减少了40%的能耗，每年节省成本6 000 万美元

。伍联营

以年经济效益为最大目标，采用改进的遗传算法，建立了热膜耦合水电联产海水淡化集成系统的优化模型，分析了反渗透和MSF 产水量比值对系统的影响，并根据不同时段水、电力需求，求解了调度模型，MSF 保持运行，RO 仅在冬夏季部分时段运行，全年总费用可降低17.14%。只健强等

建立了LT-MED/RO 热膜耦合法海水淡化系统，以膜法与热法的产水分配比为优化参数对该耦合系统进行了产水特性及经济性分析与优化。由此可见，热膜耦合海水淡化技术可以进一步提高海水淡化系统的经济性，极具研究价值。

本文以10 万t/d 热膜耦合海水淡化系统为研究对象，根据海水温度的变化，建立系统主要用能设备及耦合方式的热力学模型，通过对热膜耦合后节能效果明显的膜法过程进行深入的性能分析，并对比实际工程运行数据，对热膜耦合海水淡化工艺的节能性应用加以验证。

1 系统分析

示范工程10 万t/d 热膜耦合海水淡化系统由2.5 万t/d热法系统和7.5 万t/d膜法系统组成。淡水成本的30%~50%与系统的能耗有关

，其中热法海水淡化成本主要为蒸汽费用和取水泵的电耗，因实际热源供应来自工厂的废水余热，故蒸汽费用不计入。而膜法海水淡化主要消耗电能，尤其是高压泵的运行

。热膜耦合模式由热法蒸馏系统为膜法系统补水或补热，下游的膜法系统并不影响热法系统的工作状态。本文将重点考察膜法系统在热膜耦合与非耦合模式下的用能特征，并进行节能分析，热法系统的用能在比较时不作考虑。

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1.1 热法LT-MED系统

方式二：在冬季海水温度较低的情况下（

T

≤15 ℃），采用进料海水与MED 浓盐水经过热膜耦合换热器换热的形式，使RO 进料海水的温度提升10 ℃左右。

1.2 膜法RO系统

7.5 万t/d 的膜法RO 系统采用两级反渗透技术，如图1（a）所示，海水经取水泵依次进入混凝沉淀池、V 型滤池、超滤系统，目的是去除水中的悬浮物、胶体、细菌和病毒等物质，以满足反渗透系统的进水要求，为RO 系统长期稳定运行提供保障。预处理后的海水依次进入一级（SWRO）和二级（BWRO）海水淡化反渗透系统，脱盐后得到的淡水流入成品水箱。图1（b）为简化后工艺流程图。

公信力的减弱一方面限制了社会组织的动员能力，迫使其进一步地向体制靠拢；另一方面公众也失去了一个在现实生活中积聚社会资本的组织载体，从而消解了自我积累的能力。而此时网络的出现为人们扩大社会资本提供了极大的便利。与过去基于工业化时代的社会生产和科层制的组织管理体制相适应的以“业缘”为纽带的社会资本积累方式相比，这种以“信缘”为中介的积累方式，使得人们实现了跨地域、跨阶层、跨行业乃至跨文化的人际交往活动。

如图2 所示，一级反渗透（SWRO）海水淡化单元主要由反渗透高压泵、反渗透膜组件、能量回收装置、能量回收增压泵组成。二级反渗透（BWRO）则主要由反渗透高压泵、反渗透膜组件组成。

本文根据热法和膜法两种系统的特点，以进料海水温度的变化为基准，设定MED 和RO 之间不同的耦合方式，如图4 所示，目的都是将MED 的余热传递给RO 进水，以提高RO 进水的温度，减少RO 高压泵的功率，增大膜通量，从而获取较高的造水比。图4a 为MED 的部分冷却水与没有经过预热的海水混合后，作为原料水进入反渗透RO 系统，图4b 所示为海水经MED排放的浓盐水预热后，作为原料水进入反渗透RO 系统。

这是因为进水温度升高，水分子黏度下降扩散性能增强，膜通量变大，不需要很高的压力即可达到额定的产水量，能耗也得以降低。

基于两级反渗透膜组件单元分析模型，本文应用LG Chem 公司开发的免费软件Q+，设定海水盐度经过预处理后不变，进水流量为1 365 t/h且保持产水稳定，分析进料海水温度变化对反渗透系统性能的影响，结果见图3。由图3 可见，随着进料海水温度的升高，反渗透系统所需的压力逐渐下降，系统的能耗比也随之减小。

1.3 热膜耦合系统的工作机理

为提高系统安全等级，所设计的人机界面设有安全窗口、公共窗口和操作窗口.其中，公共窗口仅提供日期、时间、系统工作状态等查询服务，安全窗口则负责对其它界面窗口进行安全管理，用户只有输入预设的密码才能进入控制窗口进行参数电压设定和监控策略选择.

结合热法和膜法各系统的用能特性，以节能降耗为目的，提出两种与进料海水温度相匹配的耦合方式。

方式一：在夏季海水温度较高的情况下（

T

＞15 ℃），采用MED 带有余温的冷却水与进料海水混合的方式，使RO 进料海水的温度始终保持在30 ℃。

若

T

＞

T

,采用冷却水与原水混合，根据式(3)、(4) 可计算需要补充的海水流量；若

T

≤

T

，则通过热膜耦合器加热原水，如图4b所示，计算参照式(5)～(6)。

式（1）~（6）为热法与膜法系统之间耦合的热质平衡方程。

2 热膜耦合海水淡化系统工程应用的节能性分析

如图4a 所示，当反渗透系统的原料水

M

，由部分冷却水

M

与未经预热后的海水混合时，保持反渗透进料海水温度为

T

=30 ℃,则：

以

T

、

T

的大小关系作为耦合方式选用的判断方法：

2.5 万t/d 的 热 法LT-MED 系 统 由 两 套12 500 t/d 低温多效海水淡化装置组成，采用效间温差为4 ℃左右的六效“分段平流”LT-MED 系统

。在产水量不变的情况下，根据系统热质平衡计算得出，当海水温度在-1.9~29.9 ℃时，对应的冷却水排放量

M

变化为0～2 636.48 t/h

,冬季冷却水不排放，随着温度的升高，排放量逐渐增加。

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同时，为了验证微悬臂偏转角度对干涉光强的影响，根据球面镜的曲率半径L和直径D计算其偏转角度的范围为±23.58°.调整角位移台使得微悬臂偏移角分别为-10°、-5°、5°、10°时，曲线如图12所示.可以看出四条曲线能够较好拟合在一起，说明在允许范围内，微悬臂的偏转角不会影响系统的测量准确度.

2.1 热法/膜法独立运行模式与热膜耦合海水淡化模式下的取水量对比

在夏季工况下，RO 的部分进料海水来自MED 系统的冷却水，因此，热膜耦合海水淡化系统相较于独立运行的RO/MED 系统的总取水量会有所下降，而在冬季工况下，两种运行方式的取水量则相同。以示范工程为例，现将独立运行的521 t/h RO 系 统+520 t/h MED 系 统 与1 041 t/h热膜耦合系统作比较，按图5 所示的2019 年渤海湾海水平均温度变化

，计算得出独立运行的RO/MED 的全年取水量为3 330.35 万t,而热膜耦合海水淡化全年取水量为3 126.88 万t，采用热膜耦合海水淡化技术，年取水量可减少203.47 万t。热法/膜法独立运行模式与热膜耦合海水淡化模式下的取水量对比见图6。

2.2 热法/膜法独立运行模式与热膜耦合海水淡化模式下的用电量对比

MED 主要采用的能源形式是热能，电能作为辅助能源为输送泵的运行提供能量，独立运行的MED/RO 系统与热膜耦合系统中的MED 部分的耗电量基本相等。RO 主要采用的能源形式是电能，其中高压泵是电能消耗的主要部件，而高压泵的耗电量随着膜通量的增大而减小，膜通量则因进水温度的提升而增大。在冬季工况下，由于海水温度较低，采用热膜耦合技术对电能消耗的降低有着显著的效果，如图7 所示。

经计算，独立运行的RO/MED 的高压泵全年耗电量为1 514.1 万kWh,而热膜耦合海水淡化系统高压泵的全年耗电量为1 374.7 万kWh，采用热膜耦合海水淡化技术，高压泵年耗电量可减少139 万kWh。取水泵能耗比按0.067 2 kWh/m

计算，根据上述计算，采用热膜耦合海水淡化年取水量可减少203 万t，则取水泵的年耗电量可节省13万kWh。综上所述，在渤海湾产水量为1 041 t/h的热膜耦合海水淡化技术，高压泵和取水泵的耗电量全年可节省153 万kWh,电价以不计时价格0.785 3 元/kWh 计，则 全 年 可 节 省 电 费116.50 万元。

3 结论

本文提出与渤海湾海水温度变化相匹配的两种热膜耦合海水淡化工艺，夏季工况采用MED 带有余温的冷却水与海水原水混合的方式,冬季工况采用MED 浓盐水经热膜耦合换热器为原料海水加热的方式。结果表明，对于给定的产水量，较独立运行的RO/MED，该热膜耦合海水淡化系统可节省电费116.5 万元/年，具有节能性。随着我国海水淡化产业的不断发展，通过热膜耦合的海水淡化新工艺在系统节能降耗方面存在可行性。

［1］Asam Almulla，Ahmad Hamad，Mohamed Gadalla.Integrating hybrid systems with existing thermal desalination plants［J］.Desalination，2005(174):171-192.

［2］伍联营.基于遗传算法的海水淡化及其集成系统优化设计研究［D］.中国海洋大学，2012.

［3］只健强，郭民臣，赵朦，等.热膜耦合海水淡化工艺系统热经济性评价［J］.资源节约与环保，2017，9:27-32.

［4］S.Miller，H.Shemer，R.Semiat.Energy and environmental issues in desalination，Desalination［J］.2015，12(366):2-8.

［5］比将·拉希米，蔡慧中.低温余热驱动多效蒸馏与脱盐技术［M］.北京：化学工业出版社，2018:11.

［6］赵洁莲，韩延民.低温多效海水淡化造水比影响因素研究［J］.上海节能，2019(8):685-691.

［7］李莲，马妍，赵洁莲，等.低温多效海水淡化在不同季节稳定产水的研究［J］.上海节能，2021(11):1232-1238.

［8］国家海洋环境预报中心.海温周预报:京icp 备10027166 号.http://www.nmefc.cn/haiwen/zhoudetail.aspx.

［9］http://tianqi.2345.com/wea_history/70183.htm.