反渗透海水淡化设备选型浅析

何宝锋，张占杰，欧宇钧，伍立

（中海油能源发展装备技术有限公司深圳分公司，广东 深圳 518067）

海水淡化过程是将含盐海水分成含有低浓度溶解盐的淡水流和高浓度溶解盐的浓水流，即将海水里面的盐分离、细菌、有机物以及大型固体等物质分离出来的过程。反渗透海水淡化方法是利用高压迫使溶液经过半透膜，溶质被半透膜截留在一侧，而溶剂被允许通过。高压泵作为反渗透海水淡化设备中的核心部件，其运行可靠性、维护便利性与经济性至关重要。本文主要从不同类型高压泵特点、工作效率、制造难度、维修难度、维护便利性、经济性等多方面分析对比，选择适合海洋平台反渗透海水淡化系统的高压泵。

1 反渗透海水淡化技术

反渗透海水淡化技术特点是操作简单、便于控制、能耗低投资小，技术相对成熟，经过海水淡化过程脱盐后的产品水完全达到世界卫生组织（WHO）的饮用水标准。

1.1 反渗透基本原理

根据不同的盐水分离原理将海水淡化技术分为化学方法和物理方法，其中反渗透法属于物理方法。利用反渗透法进行海水淡化除盐的原理，是通过施加高于海水渗透压的压力将水分子与盐离子分开，从而产生淡水，这样海水就被反渗透膜分成两部分，淡水和浓水。溶液的渗透压根据Vant Hoff 方程进行计算

式中，π为溶液的渗透压，kPa；T为热力学温度，K；ic为溶质中离子i的浓度，mol/L；R为气体常数，8.314。

由公式（1）可知，在热力学理论下，溶液的渗透压与溶液的温度成正比，与溶液中各个盐离子的浓度之和成反比，与半透膜本身无关，只受高压泵和电机的限制。

如图1 所示，将一个系统视为由半透膜隔开的两个隔室组成，其中包括两种不同浓度的溶液，图1(a)～(b)表示渗透的过程。

图1

1.2 反渗透系统组成

反渗透造水机海水淡化设备主要有海水预处理系统、反渗透系统及水质调节系统组成。

海水预处理系统设置目的在于改善供水条件，使之达到反渗透系统的进水要求，主要包括：入口增压泵/调压阀、多媒介罐、袋式过滤器及筒式过滤器；反渗透系统主要用于去除海水中绝大部分可溶性盐分、胶体、有机物及微生物，成为中间水，主要包括高压泵和反渗透膜。水质调节系统包括药剂罐、计量注入泵和PH 调节器，通过调节系统，达到水质标准，输出满足要求的可用淡水。其工作流程如图2 所示。

图2

2 反渗透海水淡化系统设置

2.1 技术要求

不同规模的海水淡化工程，对于高压泵的压力等性能的要求也不同，泵的流量由系统日处理水量和余量决定，扬程根据膜的型号、通量、运行情况、海水水质水温等情况而变换，通常反渗透海水淡化系统工程所使用的泵操作压力在5.0 ～7.2MPa，具体技术要求如表1所示。

表1 高压泵技术参数

2.2 设施布置

海洋油气生产平台相对而言面积有限，所需各种设备设置合理优化布置。反渗透海水淡化系统设计为一级一段式，预处理模块、反渗透模块及后处理模块分别进行集成设计，通过连接附件集成到组合架上，便于操作，节约空间。

3 反渗透海水淡化设备选型

海上油气田设施反渗透海水淡化设备中配备的高压泵主要有两大类型，分别为高速离心泵和柱塞泵，其中柱塞泵又分为卧式三缸柱塞泵和轴向柱塞泵（斜盘泵）。选择不同泵的类型，对于系统运行效率、成本等有着重要的意义。

3.1 高压泵特点

反渗透海水淡化系统中，每吨淡化水费用中，一般电能的消耗占总费用的一半以上，投资成本占到1/4，而高压泵又是系统中的主要耗能元件，约占总费用的1/3，所以反渗透海水淡化系统所使用的高压泵必须具备高效节能等特点，给水压力大小一般与进料海水的水质、温度、膜组件型号等多种因素有关，给水量的大小与目标产水量有关。

不同类型的高压泵的使用范围及设备成本如表2所示。

表2 不同类型高压泵特点

3.2 高压泵特性分析

（1）高速离心泵。高速离心泵的特点是结构紧凑，便于安装，运行过程中吸液和排液管线中流量与压力相对稳定，振动小。高速离心泵几种类型流量与效率对比如表3 所示。

表3 多级离心泵性能对比

（2）卧式柱塞泵。卧式柱塞泵的特点是主要零部件均承受压力，充分利用了材料强度性能，可确保较长时间连续稳定运行，容积率在95%左右，总效率在90%左右，对水温水质的要求不高。

（3）轴向柱塞泵（斜盘泵）。由于该类型泵与电机直接相连，极大地减小了泵的整体尺寸和重量；斜盘泵的所有运动件均可通过输送介质实现自润滑和免维护，节省了人工成本和材料费用，并且由于无须加入润滑油，不存在泄漏的风险。特性对比如表4 所示。

表4 不同类型高压泵特性对比

表5 高压泵效率指标

3.3 高压泵选型

高压泵单位产水能耗

式中，W 为单位产水能耗，kW·h/m3；P 为泵压差，MPa；η为效率，%。

由式（2）可知，泵单位产水能耗取决于高压泵效

式中，N 为轴功率，kW；ρ为密度， kg/m3，（标准海水密度按照1.03计算）；g为重力加速度，m/s2，一般取9.8；Q为泵的流量，m3/h；H 为泵的扬程，m；η为额定工作点下的效率。

根据公式（3）可以计算得到高压泵的轴功率，为电机的选配提供数据依据。

综合考虑耗能量和经济成本，以达到最大效益、最小支出目的是高压泵选型的关键。以工程单机日产2500t 的高压泵能耗和成本为指标，对比分析高速离心泵和轴向柱塞泵相关参数，具体如表6 所示。

表6 2500t 高压泵相关参数

表6 可以看出，从耗能及经济成本角度来看，相比于高速离心泵，轴向柱塞泵为最优选择。

4 结语

反渗透海水淡化技术是一个效率高、消耗低、便于大规模使用的技术，选择高效的高压泵将一定程度降低反渗透海水淡化系统的耗能成本。本文针对海洋采油平台的特点，从高压泵特点、性能特性、经济性等方面综合分析，轴向柱塞泵相比其他两种形式的泵具有一定的优势，但该类型的泵目前在反渗透行业应用时间较短，待时间验证其可靠性后具有较大的推广意义。