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(jià)而占市場(chǎng)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(jí)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(guó)內(nèi)已建工程的海水

2、淡化高壓泵，主要采用國(guó)外進(jìn)口。2010年，我國(guó)自主研發(fā)的大流量海水淡化高壓泵已通過驗(yàn)收，并在六橫海水淡化廠試驗(yàn)運(yùn)行良好。國(guó)產(chǎn)海水淡化高壓泵能大大節(jié)省工程成本，預(yù)期將會(huì)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(guó)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(hào)：P747 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)： </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(shí)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(guó)際招標(biāo)中，SWRO以低投資費(fèi)、低能耗、低產(chǎn)水價(jià)而占上風(fēng)。 </p><p>　

7、　下圖為國(guó)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(guó)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(duì)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(xiàng)合計(jì)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(duì)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(cè)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(duì)于標(biāo)準(zhǔn)海水，海水滲透壓的估算經(jīng)驗(yàn)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(jiǎn)化 </p><p>　　C：海水的TDS（mg/l） </p><p>　　經(jīng)過計(jì)算，25℃下，35％的標(biāo)準(zhǔn)海水，滲透壓約25.9bar，這個(gè)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(shí)濃縮，滲透壓持續(xù)升高，因此實(shí)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(jì)軟件選擇合適壓力范圍的水泵 </p><p>　　確定高壓泵是一個(gè)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(yàn)值、規(guī)定值，和反滲透膜的參數(shù)關(guān)系較大。因此幾個(gè)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(jì)軟件。對(duì)于一個(gè)具體的項(xiàng)目，軟件的計(jì)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(guó)大陸的項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，普遍存在設(shè)計(jì)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(jì)軟件對(duì)具體案例的計(jì)算數(shù)據(jù)（水溫均設(shè)為25℃）： </p><p>　　運(yùn)行三年后預(yù)測(cè)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(shí)由于溫度會(huì)影響原水的黏度等指標(biāo)，也會(huì)直接影響系統(tǒng)要求的壓力。對(duì)于以上項(xiàng)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(duì)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(duì)于一臺(tái)工作壓力在50bar左右的水泵來說，揚(yáng)程變化近20%。這對(duì)需要水泵高效率、低能耗的海水淡化工程來說，設(shè)計(jì)時(shí)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(dòng)力式泵中的多級(jí)離心泵和容積式泵中的柱塞泵。一般

16、情況下，多級(jí)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(xiàng)目，全壽命周期運(yùn)行能耗是第一位的。 </p><p>　　常用的多級(jí)離心泵從結(jié)構(gòu)形式分有水平中開式和多級(jí)串聯(lián)式。 </p><p>　　水平中開式高壓泵 多級(jí)串聯(lián)式高壓泵 <

17、/p><p>　　圖4常用的多級(jí)離心泵 </p><p>　　水平中開式的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：上下兩個(gè)泵殼體對(duì)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(duì)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(dòng)較低；檢修維護(hù)比較方便，維修時(shí)不需拆卸泵的管線，可直接取下泵上殼。 </p><p>　　多級(jí)串聯(lián)泵結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：每一級(jí)由一個(gè)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(jí)以串聯(lián)方式由固定桿固定在一起；葉輪按一個(gè)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(shí)效率較低，振動(dòng)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(shì)，但是因?yàn)樗街虚_式設(shè)備價(jià)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(chǎng)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(jí)離心泵和柱塞泵相比，由于工作原理的不同，在實(shí)際應(yīng)用中，也有較大的區(qū)別，下表為離心泵和柱塞泵簡(jiǎn)單對(duì)比。 </p><p>　　表2離心泵和柱塞泵的對(duì)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(duì)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(jí)離心泵。對(duì)于多級(jí)離心泵，一般要著重考慮以下問題：選擇效率高的水泵，因?yàn)樾矢叩椭苯佑绊懴到y(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?yàn)镾WRO的通量會(huì)衰減，水泵的工作點(diǎn)會(huì)漂移；選擇揚(yáng)程變化時(shí)流量變化較小的，因?yàn)橛绊慡WRO

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(duì)工作點(diǎn)漂移的容忍度，在工程設(shè)計(jì)時(shí)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(zhǎng)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(gè)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(jí)海水淡化工程為浙江省重點(diǎn)工程項(xiàng)目，為國(guó)家“十一五”科技支撐計(jì)劃“日產(chǎn)10萬噸級(jí)反滲透膜法海水淡化國(guó)產(chǎn)化

24、關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)與示范項(xiàng)目”平臺(tái)工程。項(xiàng)目位于舟山市普陀區(qū)六橫鎮(zhèn)臺(tái)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(guó)最大的海水淡化工程項(xiàng)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(shí)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(duì)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(shí)報(bào)警及停泵，出口壓力高時(shí)報(bào)警及停泵。本工程高壓泵

26、采用德國(guó)KSB多級(jí)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(guó)內(nèi)海水淡化高壓泵產(chǎn)業(yè)的發(fā)展形勢(shì) </p><p>　　盡管國(guó)內(nèi)的往復(fù)式柱塞泵和多級(jí)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(zhǎng)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(guó)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(guó)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(guó)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(dòng)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(xiàng)目被列為浙江省科技計(jì)劃重大項(xiàng)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(shí)兩年完成的該項(xiàng)目通過驗(yàn)收，這也標(biāo)志著國(guó)內(nèi)自主研發(fā)并投入生產(chǎn)的第一臺(tái)海水淡化泵正式通過驗(yàn)收，其最大日處理能力已達(dá)到5000噸。 </p><p>　　據(jù)了解，該項(xiàng)目采用水潤(rùn)滑軸承與滾動(dòng)軸承的組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來代替?zhèn)鹘y(tǒng)多級(jí)泵雙滾動(dòng)軸承的結(jié)構(gòu)，還針對(duì)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(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化。 </p><p>　　項(xiàng)目研發(fā)的大流量海水淡化高壓泵以節(jié)段式多級(jí)離心泵結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，在國(guó)內(nèi)率先提出以首級(jí)葉輪前密封環(huán)兼做滑動(dòng)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(guó)內(nèi)外同類產(chǎn)品；建立了海水淡化高壓泵濕轉(zhuǎn)子動(dòng)特性分析與優(yōu)化方法，以及濕轉(zhuǎn)子試驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)；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(guó)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(qǐng)發(fā)明專利5項(xiàng)，發(fā)表科研論文6篇。國(guó)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(gè)月，運(yùn)行良好。 </p><p>　　海水淡化高壓泵的“國(guó)產(chǎn)化”大大降低了材料成本和經(jīng)營(yíng)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(tái)，降到了不到100萬人民幣一臺(tái)，大大降低了工程的成本。 </p><p>　　隨著國(guó)

31、內(nèi)海水淡化高壓泵技術(shù)的發(fā)展，國(guó)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(guó)內(nèi)生產(chǎn)的高壓泵將會(huì)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(jià)而占市場(chǎng)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(jí)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(guó)內(nèi)已建工程的海水淡化高壓泵，主要采用國(guó)外進(jìn)口。2010年，我國(guó)自主研發(fā)的大流量海水淡化高壓泵已通過驗(yàn)收，并在六橫海水淡化廠試驗(yàn)運(yùn)行良好。國(guó)產(chǎn)海水淡化高壓泵能大大節(jié)省工程成本，預(yù)期將會(huì)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(guó)華. 海水淡化技術(shù)與工程手冊(cè) [ ]. 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(guó)海水淡化與水再利用學(xué)會(huì)，2011. </p><p>　　【3】 楊波. 反滲透水處理技術(shù) [