反滲透海水淡化系統(tǒng)高壓泵的應(yīng)用

1、<p>　　反滲透海水淡化系統(tǒng)高壓泵的應(yīng)用</p><p>　　摘要：目前，反滲透海水淡化技術(shù)因低投資費(fèi)、低能耗、低產(chǎn)水價而占市場份額較大。高壓泵提供了在膜法海水淡化中克服滲透壓的能量，是系統(tǒng)的心臟。高壓泵主要分為離心泵和柱塞泵。一般情況下，多級離心泵主要適用于大中型海水淡化裝置，柱塞泵主要適用于中小型海水淡化裝置，需根據(jù)水量、水泵壓力范圍、水泵性能曲線等基礎(chǔ)資料，選擇合適的水泵形式。國內(nèi)已建工程的海水

2、淡化高壓泵，主要采用國外進(jìn)口。2010年，我國自主研發(fā)的大流量海水淡化高壓泵已通過驗收，并在六橫海水淡化廠試驗運(yùn)行良好。國產(chǎn)海水淡化高壓泵能大大節(jié)省工程成本，預(yù)期將會在未來的海水淡化工程中廣泛應(yīng)用。 </p><p>　　主題詞：海水淡化；反滲透；高壓泵；國產(chǎn) </p><p>　　Abstract: Reverse osmosis technology for the seawater

3、desalination occupies a large market as the good features like low-cost, low energy consumption and high water productivity. High-pressure pump (centrifugal pump and piston pump) plays a key role of the whole system as i

4、t provides the energy to overcome the osmotic pressure. Normally, centrifugal multi stage pumps are utilized for the medium and large-sized treatment facilities, and piston pumps are usually used for the small and medium

5、-sized</p><p>　　Key words: seawater desalination; reverse osmosis; high pressure pumps; homegrown </p><p>　　中圖分類號：P747 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號： </p><p><b>　　1.前言 </b></p>&l

6、t;p>　　海水淡化，又稱“海水脫鹽”，是通過物理、化學(xué)或物理化學(xué)方法從海水中獲取淡水的技術(shù)和過程。目前實際應(yīng)用的海水淡化技術(shù)方法主要分為蒸餾法和膜法兩大類，其中蒸餾法又稱熱法。膜法主要包括：反滲透法(SWRO)、電滲析法(ED)。 </p><p>　　隨著反滲透海水淡化的技術(shù)進(jìn)步，近年大型海水淡化廠的國際招標(biāo)中，SWRO以低投資費(fèi)、低能耗、低產(chǎn)水價而占上風(fēng)。 </p><p>　

7、　下圖為國內(nèi)已建海水淡化廠的裝置按照不同工藝的份額圖： </p><p>　　圖2國內(nèi)各種淡化方法裝置數(shù) </p><p>　　反滲透法海水淡化技術(shù)(SWRO)就是利用半透膜的透水特性，對海水加壓，使水分子克服阻力而透過半透膜，從而達(dá)到淡水從海水中分離出來的目的。下圖為典型反滲透海水淡化工藝流程。 </p><p>　　圖3典型反滲透海水淡化工藝流程圖 </p

8、><p>　　2.高壓泵選型及需注意的問題 </p><p>　　高壓泵提供了在膜法海水淡化中克服滲透壓的能量，是系統(tǒng)的心臟。反滲透海水淡化系統(tǒng)中，每噸淡化水費(fèi)用中，投資成本占25%左右，電費(fèi)成本占52%以上，兩項合計占造水費(fèi)用的77%以上。而電費(fèi)成本中，又以高壓泵的能耗為主，因此，高壓泵的能耗是影響產(chǎn)品水成本的主要因素，根據(jù)不同的淡化規(guī)模選擇高效率、合適的高壓泵是目前反滲透海水淡化產(chǎn)業(yè)急需要

9、解決的問題。 </p><p>　　2.1 標(biāo)準(zhǔn)海水的滲透壓 </p><p>　　經(jīng)過目前對海洋的研究發(fā)現(xiàn)，雖然不同的位置海水的含鹽量有所差異，但是海水成分的構(gòu)成基本相同。以目前的分析技術(shù)，海水中能夠測定的元素有80多種。含量超過1mg/kg的元素就有12種，分別為Cl、Na、Mg、S、Ca、K、Br、C、Si、B、Sr、F。加上H、O，占海水全部元素99.9％。共組成11種主要的離子成

10、分，并且各種離子成分濃度間比值近似恒定，為了進(jìn)一步方便研究，提出了標(biāo)準(zhǔn)海水的概念，標(biāo)準(zhǔn)海水的構(gòu)成如下表。 </p><p>　　表1標(biāo)準(zhǔn)海水(S=35)的成分(g/kg) </p><p>　　對于標(biāo)準(zhǔn)海水，海水滲透壓的估算經(jīng)驗公式如下： </p><p>　　Π＝1.18×(T+273)×∑Mi（psi） </p><p&g

11、t;　　Mi：離子的摩爾濃度；T：給水溫度 </p><p>　　Π＝(0.714~0.9)×10-5×C（MPa）簡化 </p><p>　　C：海水的TDS（mg/l） </p><p>　　經(jīng)過計算，25℃下，35％的標(biāo)準(zhǔn)海水，滲透壓約25.9bar，這個概念是描述標(biāo)準(zhǔn)海水中淡水能夠通過反滲透膜的理論壓力?；谀しêＫ煌幕厥章氏?，海

12、水被同時濃縮，滲透壓持續(xù)升高，因此實際應(yīng)用的膜法海水淡化的工作壓力一般在40-60bar左右。 </p><p>　　2.2依據(jù)官方設(shè)計軟件選擇合適壓力范圍的水泵 </p><p>　　確定高壓泵是一個系統(tǒng)的過程，影響高壓泵參數(shù)的因素特別多。這些因素有一些是經(jīng)驗值、規(guī)定值，和反滲透膜的參數(shù)關(guān)系較大。因此幾個海水淡化反滲透膜的供應(yīng)商都提供了相應(yīng)的官方設(shè)計軟件。對于一個具體的項目，軟件的計算結(jié)

13、果給出高壓泵的工作壓力。 </p><p>　　經(jīng)調(diào)研，現(xiàn)在的中國大陸的項目設(shè)計中，普遍存在設(shè)計資料不足的情況，從而影響了高壓泵的設(shè)置、選型，以至于影響了系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)型，提升了噸水成本。因此積累足夠多的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是必須的。 </p><p>　　以下為一使用某膜公司的設(shè)計軟件對具體案例的計算數(shù)據(jù)（水溫均設(shè)為25℃）： </p><p>　　運(yùn)行三年后預(yù)測數(shù)據(jù)： &l

14、t;/p><p>　　從中可以明確的看出每根壓力容器中7只膜的工作情況，包括需要的進(jìn)水壓力、流量及濃水滲透壓壓力?？梢娫?年中所需進(jìn)水壓力增加了4.3bar（水溫相同情況下）。 </p><p>　　同時由于溫度會影響原水的黏度等指標(biāo)，也會直接影響系統(tǒng)要求的壓力。對于以上項目，同等條件下，水溫12℃比25℃所需要的進(jìn)水壓力高約4.4bar。 </p><p>　　因此，

15、進(jìn)一步考慮水溫的不同對所需的進(jìn)水壓力的影響，在12－25℃范圍中，近三年壓力差峰值近9bar。對于一臺工作壓力在50bar左右的水泵來說，揚(yáng)程變化近20%。這對需要水泵高效率、低能耗的海水淡化工程來說，設(shè)計時應(yīng)充分考慮。 </p><p>　　2.3常見高壓泵的形式及適用范圍 </p><p>　　通常用于膜法海水淡化系統(tǒng)的高壓泵主要有兩類：動力式泵中的多級離心泵和容積式泵中的柱塞泵。一般

16、情況下，多級離心泵主要適用于大中型海水淡化裝置，柱塞泵主要適用于中小型海水淡化裝置。大中小型海水淡化的產(chǎn)能分界是沒有具體數(shù)據(jù)的，這是由于柱塞泵的高效率及某些柱塞泵并聯(lián)運(yùn)行帶來投資趨向的變化，特別是BOO或BOT項目，全壽命周期運(yùn)行能耗是第一位的。 </p><p>　　常用的多級離心泵從結(jié)構(gòu)形式分有水平中開式和多級串聯(lián)式。 </p><p>　　水平中開式高壓泵 多級串聯(lián)式高壓泵 <

17、/p><p>　　圖4常用的多級離心泵 </p><p>　　水平中開式的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：上下兩個泵殼體對接，進(jìn)出口管、部分蝸殼及流道鑄造在下部泵殼體上；葉輪熱裝軸上，對稱布置，最大程度減少了軸向推力，止推軸承承受的軸向推力較小，振動較低；檢修維護(hù)比較方便，維修時不需拆卸泵的管線，可直接取下泵上殼。 </p><p>　　多級串聯(lián)泵結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：每一級由一個位于擴(kuò)散器殼體內(nèi)的

18、葉輪組成，擴(kuò)散器用螺拴和連桿連在一起，所有各級以串聯(lián)方式由固定桿固定在一起；葉輪按一個方向組裝，用鍵固定在泵軸上，類似于串糖葫蘆；在最佳效率點(diǎn)有較高的效率，但偏離時效率較低，振動增加；拆裝難度較大。 </p><p>　　兩者相比在結(jié)構(gòu)上應(yīng)是水平中開式占較大的優(yōu)勢，但是因為水平中開式設(shè)備價格昂貴，所以兩者都有廣泛的應(yīng)用。 </p><p>　　柱塞泵屬于容積泵的一種，在需要高揚(yáng)程的、小流量

19、的場合有廣泛的應(yīng)用。如清洗行業(yè)、石油行業(yè)等，下圖是常見的兩種柱塞泵的形式。 </p><p>　　圖5常用的兩種柱塞泵 </p><p>　　多級離心泵和柱塞泵相比，由于工作原理的不同，在實際應(yīng)用中，也有較大的區(qū)別，下表為離心泵和柱塞泵簡單對比。 </p><p>　　表2離心泵和柱塞泵的對比 </p><p>　　2.4選擇高壓泵需要注意的

20、問題 </p><p>　　正確選擇高壓泵是系統(tǒng)安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的關(guān)鍵。對于一座膜法海水淡化系統(tǒng)的高壓泵，無論是柱塞泵還是離心泵，首先要確定的是過流部分的材質(zhì)，也就是解決水泵在海水中的腐蝕問題。目前可選的材料較多，基于經(jīng)濟(jì)型考慮，一般選用2507（UNS：S32750）雙相不銹鋼，主要額定化學(xué)成分如下表。 </p><p>　　表3雙相不銹鋼額定化學(xué)成分 </p><p&

21、gt;　　可以看出，2507中加入了N以確保雙相（奧氏體－鐵素體）的形成，推薦使用2507的主要原因是避免應(yīng)力下的氯離子腐蝕。 </p><p>　　由于大型的海水淡化裝置只能采用多級離心泵。對于多級離心泵，一般要著重考慮以下問題：選擇效率高的水泵，因為效率高低直接影響系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性；水泵高效率覆蓋的范圍來說，選擇范圍廣的，因為SWRO的通量會衰減，水泵的工作點(diǎn)會漂移；選擇揚(yáng)程變化時流量變化較小的，因為影響SWRO

22、滲透壓的因素較多，水泵要在不同的工作點(diǎn)工作，但是SWRO產(chǎn)能及回收率變化不大；檢修維護(hù)容易的。下圖為一水泵常見的性能描述曲線： </p><p>　　圖6水泵常見的性能描述曲線 </p><p>　　基本上涵蓋了揚(yáng)程、流量、效率、軸功率及氣蝕余量等水泵的全部參數(shù)，從上圖可以看出水泵工作點(diǎn)的選擇及其對工作點(diǎn)漂移的容忍度，在工程設(shè)計時性能曲線應(yīng)作為重要的參考依據(jù)。 </p>&l

23、t;p>　　3.高壓泵在六橫海水淡化工程的應(yīng)用 </p><p>　　六橫島位于長江口南端，舟山群島南部海域，隸屬舟山市普陀區(qū)。六橫島區(qū)域由六橫島、佛渡島、懸山島、硯瓦島等105個島嶼組成，其中六橫島是六橫鎮(zhèn)鎮(zhèn)政府所在地。全島陸地面積121km2，常住人口愈10萬人，為舟山群島中的第三大島。六橫島10萬噸級海水淡化工程為浙江省重點(diǎn)工程項目，為國家“十一五”科技支撐計劃“日產(chǎn)10萬噸級反滲透膜法海水淡化國產(chǎn)化

24、關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)與示范項目”平臺工程。項目位于舟山市普陀區(qū)六橫鎮(zhèn)臺門大葛藤山腳下。 </p><p>　　在2010年初，海水淡化廠第一期（產(chǎn)水規(guī)模2萬m3/d）工程已建成，二期日產(chǎn)3萬噸，三期日產(chǎn)3萬噸，四期日產(chǎn)2萬噸，全部建成后將成為全國最大的海水淡化工程項目。目前，一期工程運(yùn)行良好，并正在進(jìn)行二期工程的土建施工。 </p><p>　　高壓泵為反滲透海水淡化膜組提供足夠進(jìn)水壓力，同時結(jié)合

25、能量回收為反滲透膜組提供正常運(yùn)行所需的壓力和流量。 </p><p>　　由于水溫對反滲透膜通量的影響較大，為了節(jié)約能源，降低運(yùn)行成本，高壓泵可采用液體力耦合或變頻方式調(diào)節(jié)負(fù)荷控制。在比較了液體力耦合或變頻控制兩種調(diào)速方案后，采用變頻控制方案來調(diào)速。反滲透高壓泵、管道及附件的材料均考慮耐腐蝕。密封方式考慮耐腐蝕機(jī)械密封。反滲透高壓泵進(jìn)口、出口設(shè)壓力開關(guān)，進(jìn)口壓力低時報警及停泵，出口壓力高時報警及停泵。本工程高壓泵

26、采用德國KSB多級離心泵（2205SS雙相不銹鋼材質(zhì)）。單泵流量達(dá)1萬噸/日，揚(yáng)程600m，電機(jī)功率1040kW，采用690kV電壓。 </p><p>　　4.國內(nèi)海水淡化高壓泵產(chǎn)業(yè)的發(fā)展形勢 </p><p>　　盡管國內(nèi)的往復(fù)式柱塞泵和多級高壓離心泵制造技術(shù)已經(jīng)比較成熟，并被成功地用于油田注水、高壓鍋爐給水等用途，但這些產(chǎn)品長期以來無法直接應(yīng)用于反滲透海水淡化工程，主要制約的原因是效

27、率、可靠性、耐海水腐蝕性等無法滿足SWRO系統(tǒng)的需要。 </p><p>　　目前高壓離心泵國內(nèi)生產(chǎn)廠家較少，而能應(yīng)用于SWRO系統(tǒng)的就更少。所以我國目前已建成的反滲透海水淡化裝置采用的高速高壓泵均為進(jìn)口產(chǎn)品。不過，近年來，國內(nèi)已經(jīng)有企業(yè)開始研究和開發(fā)適用于SWRO系統(tǒng)的高速高壓泵產(chǎn)品。 </p><p>　　2008年，浙江大學(xué)和浙江科爾泵業(yè)股份有限公司的科研人員共同啟動了“大流量海水淡

28、化高壓泵研發(fā)與應(yīng)用示范”的研究，該項目被列為浙江省科技計劃重大項目。在2010年12月，由浙江大學(xué)化工機(jī)械研究所承擔(dān)，浙江科爾泵業(yè)股份有限公司合作，歷時兩年完成的該項目通過驗收，這也標(biāo)志著國內(nèi)自主研發(fā)并投入生產(chǎn)的第一臺海水淡化泵正式通過驗收，其最大日處理能力已達(dá)到5000噸。 </p><p>　　據(jù)了解，該項目采用水潤滑軸承與滾動軸承的組合結(jié)構(gòu)設(shè)計來代替?zhèn)鹘y(tǒng)多級泵雙滾動軸承的結(jié)構(gòu)，還針對雙相不銹鋼材料開發(fā)了新的

29、海水淡化泵工藝和技術(shù)，使高壓泵從材料到技術(shù)全面實現(xiàn)了國產(chǎn)化。 </p><p>　　項目研發(fā)的大流量海水淡化高壓泵以節(jié)段式多級離心泵結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，在國內(nèi)率先提出以首級葉輪前密封環(huán)兼做滑動軸承的創(chuàng)新支撐結(jié)構(gòu)，并優(yōu)化了過流部件，單機(jī)滿足5000t／d反滲透法海水淡化要求，效率高達(dá)80％以上，明顯高于國內(nèi)外同類產(chǎn)品；建立了海水淡化高壓泵濕轉(zhuǎn)子動特性分析與優(yōu)化方法，以及濕轉(zhuǎn)子試驗驗證平臺；研究并掌握了雙相不銹鋼過流部件的制

30、造工藝。該海水淡化泵是國內(nèi)自主研發(fā)并最早用于反滲透海水淡化工程的高壓離心泵，目前已申請發(fā)明專利5項，發(fā)表科研論文6篇。國內(nèi)研制的樣機(jī)在六橫海水淡化廠連續(xù)平穩(wěn)運(yùn)行了9個月，運(yùn)行良好。 </p><p>　　海水淡化高壓泵的“國產(chǎn)化”大大降低了材料成本和經(jīng)營成本，使得生產(chǎn)的高壓泵從原先的進(jìn)口約300萬人民幣一臺，降到了不到100萬人民幣一臺，大大降低了工程的成本。 </p><p>　　隨著國

31、內(nèi)海水淡化高壓泵技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)將有更多的生產(chǎn)廠家投入海水淡化高壓泵的研發(fā)和生產(chǎn)，今后，國內(nèi)生產(chǎn)的高壓泵將會廣泛的應(yīng)用于海水淡化工程。 </p><p><b>　　5.結(jié)語 </b></p><p>　　目前，反滲透海水淡化技術(shù)因低投資費(fèi)、低能耗、低產(chǎn)水價而占市場份額較大。高壓泵提供了在膜法海水淡化中克服滲透壓的能量，是系統(tǒng)的心臟。高壓泵主要分為離心泵和柱塞泵。一般

32、情況下，多級離心泵主要適用于大中型海水淡化裝置，柱塞泵主要適用于中小型海水淡化裝置，需根據(jù)水量、水泵壓力范圍、水泵性能曲線等基礎(chǔ)資料，選擇合適的水泵形式。 </p><p>　　國內(nèi)已建工程的海水淡化高壓泵，主要采用國外進(jìn)口。2010年，我國自主研發(fā)的大流量海水淡化高壓泵已通過驗收，并在六橫海水淡化廠試驗運(yùn)行良好。國產(chǎn)海水淡化高壓泵能大大節(jié)省工程成本，預(yù)期將會在未來的海水淡化工程中廣泛應(yīng)用。 </p>

33、<p><b>　　參考文獻(xiàn)： </b></p><p>　　【1】 高從楷，陳國華. 海水淡化技術(shù)與工程手冊 [ ]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社， 2004. </p><p>　　【2】 張希建. 反滲透海水淡化技術(shù) [ ]. 杭州：中國海水淡化與水再利用學(xué)會，2011. </p><p>　　【3】 楊波. 反滲透水處理技術(shù) [