适用于海上升压站的海水淡化设施布置方法

陶 安，许 钢，贾献林

(中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

当前能源发展正处于深刻变革和重大调整的关键时期，面对全球气候和环境挑战，为满足不断增长的能源需求，大力发展可再生能源已成为能源发展的必然趋势。海上风力发电是一个新兴产业，具有风能资源丰富、不占用土地、不影响人类日常生活和离电力负荷中心更近等诸多优势。随着海上风力发电场的离岸距离越来越远，为节约用海和降低损耗，海上升压站已成为海上风力发电场的基本元素。海上升压站作为海上风力发电场的重要组成部分，是整个风力发电场的升压、配电和控制中心。海上升压站不仅需要满足风力发电场变电功能的需求，还需要满足日常运维的需求[1]。海上升压站电气设备集中、离岸远、环境条件严酷、无人值守，必须设置可靠的消防措施[2]，其日常运维的重要内容包括消防系统补水和生活系统补水。目前国内外已建的海上升压站消防系统和生活系统补水均采用的是船运的方式，即当消防水箱和生活水箱的水消耗到一定程度时，由船舶从陆地运输水源供应至海上升压站。这种方式往往运输成本大、补水周期长、效率低下，而且当遇到不利海况条件时，船舶无法进行补水作业，对海上升压站的安全运行造成了威胁。

就地抽取海水转化成淡水作为补给水源是解决上述问题的一种有效途径。由于海水淡化是高耗能产业，若采用常规能源发电，那么在获得淡水的同时也造成了环境污染。海上风电作为电能供给侧，可为电网提供源源不断的电能。若将海上风电与海水淡化技术相结合，不仅可以解决淡水的获取问题，还可以缓解可再生能源项目的电力消纳问题。风能海水淡化技术可分为直接风能海水淡化和间接风能海水淡化。直接风能海水淡化就是直接将风力的机械能用于海水淡化，也就是将风力涡轮的旋转能直接驱动海水淡化系统。间接风能海水淡化就是利用风能发电产生的电能来驱动海水淡化系统[3]。本文研究的是间接风能海水淡化技术。

国内外对于风电与海水淡化融合技术均有一定研究。苏荣等[4]对珠海桂山海上风电场110 kV岛上升压站进行了海水淡化技术比选和设备防腐处理技术的研究。李利平[5]对当前开展风电海水淡化联合系统建设所涉及的关键技术和经济性进行了初步分析，指出海水淡化系统具备作为可调负荷的技术条件。周百强[6]以江苏南通通州湾200 t/d风力海水淡化项目为背景，对风力直接利用的海水淡化系统进行分析与研究。施建中[7]提出了一种基于非并网风电原理，利用风、光、潮汐等绿色能源对海水淡化系统供电的系统，该系统提高了能源的利用效率，实现二氧化碳的零排放，具有很好的社会经济效益。国外利用风能进行海水淡化的国家主要有西班牙、希腊、墨西哥、挪威、澳大利亚、荷兰等。本世纪初在欧盟资助下西班牙的科技人员在加那利群岛开展了各种海水淡化技术方案的联合技术研究与示范，澳大利亚、挪威等国也开展了小型示范工程[5]。

上述研究和探索或是针对海水淡化技术本身的提升，或是针对陆上升压站水源问题，并未针对目前日趋增长的海上升压站日常运维补水需求。本文以沿海某海上风电场220 kV海上升压站为依托，通过海水淡化技术比选、设备选型及技术要求和设施布置等方面开展分析研究，以期为海上升压站日常运维补水需求提供新的技术指导，为海上风电与海水淡化两个产业之间的融合提供新思路。

1 反渗透法

海水淡化是指从海水中获取淡水的技术和过程，通过脱除海水中的大部分盐类，使处理后的海水达到生活和生产用水标准的水处理技术。海水淡化技术的研究始于上世纪50年代中期，到现在已发展成为一种可靠的工业技术。按所使用的能源分类，海水淡化方法主要有常规的热能、电能、太阳能和核能。按分离过程分类，海水淡化方法主要有蒸馏法、膜法、结晶法、溶剂萃取法和离子交换法等。但目前只有蒸馏和反渗透法等方法实现了产业化应用，其中多级闪蒸(蒸馏法)和反渗透(膜法)的应用最广[8]。

多级闪蒸法和反渗透法的技术经济比较见表1。

表1 多级闪蒸法和反渗透法的技术经济比较 元/m3

由表1可知，反渗透法具有投资少、能耗低、出水稳定性好和可常温操作等优点，广泛用于海水淡化以及纯水和超纯水的制备，因此，本文结合海上升压站功能布置和用水需求，采用反渗透法为海上升压站的海水淡化技术。

2 主要设备选型及技术要求

2.1 主要设备选型

本文选用的设备主要包括海水蓄水池、提升泵、预处理系统、成套反渗透装置、清水箱、加药消毒系统等，见表2。

表2 主要设备选型

预处理系统包括供水泵、多介质过滤器、精密过滤器、保安过滤器，主要处理原水中所含的大颗粒杂质、余氯及细小微粒，保证反渗透系统的进水水质。

成套反渗透装置包括高压泵、RO反渗透膜组件、调压阀、清洗箱，主要将预处理处理过的原水进一步处理成淡水。

2.2 主要设备技术要求

1)二级反渗透海水淡化装置直接制取含盐量≤20 ppm的淡水，产水量：10 m3/d，总功率约10 kW。

2)pH调节装置添加碱性物质，使产淡水的PH值能达到7～8.5(经反渗透海水淡化装置处理后的淡水，一般淡水的pH值在6.5以下，呈弱酸性，对管路等腐蚀性较大，也容易变质变味)。

3)对制取的淡水需进行软化处理。

4)海水泵、过滤器、防海洋生物装置、管道及阀门等一切与海水直接接触的材质均应采用高防腐蚀的材料，满足海水重腐蚀的要求。

5)防海洋生物装置产生的杀生药剂为环境友好型制剂。

6)海水中含有大量盐类和多种元素，其中许多元素是人体所需要的。但海水中各种物质浓度太高，回用需要经处理达标后使用，出水经深度处理后需满足现行国家标准《生活饮用水卫生标准》GB5749-2006的规定。

3 海水淡化设施布置

本文中我国沿海某海上风电场共安装60台5.0 MW的风电机组，其总装机容量约300 MW，风电场配套建设一座220 kV海上升压站和一座220 kV陆上开关站。海上升压站位置离岸直线距离约60 km，水深约13 m。若按照目前国内一般交通艇8节左右的航速，从岸边到海上升压站需要约4 h。考虑到涨落潮时间和路径上可能的浅滩，实际单程的通达时间约5 h。

本文海上升压站上部组块采用整体式布置，共分四层甲板。一层甲板平台平面尺寸30 m×26 m，布置水泵房及水箱间、楼梯间、避难室及相应的救生设备等设备，同时一层也作为电缆层，层高6.5 m。二层甲板平台平面尺寸42 m×35 m，布置主变、GIS和高抗，主变室、高抗室和GIS室房间上空，主变和高抗散热装置与本体分分开布置，散热器布置在两侧平台上；主变室南侧布置开关柜室、低压配电及应急配电室；主变室北侧布置GIS室、蓄电池室、高抗室和吊装平台，二层层高5.0 m。三层甲板平台平面尺寸42 m×35 m，中间为主变室上空区域，主变室北侧为GIS室和高抗室上区域；主变室南侧布置柴油机房、通信继保室、备品备件库和暖通机房等，层高5 m。顶层甲板平台平面尺寸35 m×30 m，布置楼梯间和激光测风雷达、避雷针、通讯天线、设备检修孔等电气设备。

考虑220 kV海上升压站内的消防系统补水和生活系统补水采用海水淡化制水。经估算，最高日总用水量按照10 m3/d计，取水量按1 m3/h考虑。

随着海上风力发电场向大容量发展的趋势，海上升压站重量也越来越大。海上升压站的重量不仅直接影响结构制作费用，还通过吊装船机间接影响施工费用。在海上升压站重量影响的诸多因素中，平面布置方案是最为重要的因素，海上升压站重量和钢结构用量主要取决于其平面布置尺寸。考虑尽量减少对平面布置尺寸的影响同时充分利用已有的设施，本项目在海上升压站一层设置海水淡化室和次氯酸钠室，使海水淡化设施的增加对海上升压站整体平面尺寸没有影响。通过集约化设计，整套海水淡化设施总占地面积约80 m2，详见图1。

图1 海上升压站一层甲板海水淡化设施布置图

海水淡化室内设置固定式海水提升泵从海里抽水，由于海水中泥沙、藻类及浮游微生物众多，为了防止海水泵入口以及海水管路系统堵塞，取水口需有防堵塞措施，将大部分的海洋生物或大颗粒杂质进行初步过滤。同时，通过次氯酸钠室引接管线至海水泵取水口，对取水口附近海水进行杀生、灭藻处理。此外，在海水泵的出口管路上设有过滤器，过滤精度需满足后续换热器正常工作的要求。通过海水过滤器后补充至海上升压站平台海水箱储存，海水箱通过设置液位控制装置，自动控制海水提升泵的启停，这样就可以使水箱内的水始终保持充满的状态而不需要人工补给。海水箱内的水经过海水淡化设备处理达标后就可接至消防系统用水箱和生活系统用水箱。在此过程中，海水淡化设施可充分利用风电场所发的电能，无需消耗常规能源，既避免环境污染，也能缓解海上风电场的电力消纳问题。

4 结 语

以沿海某海上风电场220 kV海上升压站为依托，通过对海水淡化技术进行比选，得出反渗透法是适用于海上升压站与海水淡化融合的方式；根据规范对海水淡化主要设备进行了选型，并作了相应的技术要求；结合设备功能和整体布置需求，提出了适用于海上升压站的海水淡化设施集约型布置方案。

本文对海上升压站与海水淡化技术进行融合研究，为海上升压站日常运维补水需求提供新的技术指导。两个产业之间的融合思路，为海上风电产业发展的肌体注入新血液，也为深入推进我国新能源海水淡化业发展提供有力支撑。