膜法海水淡化低压提升泵的设计应用探讨

侯 芳，周小琴，王建华

（华电水务工程有限公司，北京100048）

随着全球变暖与荒漠化、环境污染及人口的增加，淡水资源短缺已成为全球性问题。海水淡化技术开辟了新的淡水水源，可增加淡水总供应量，成为各国解决“水危机”的重要途径〔1〕。 2017 年，全球已有160多个国家和地区利用海水淡化技术，已建成和在建的海水淡化工厂接近2万个，合计淡化产能约10 432 万 t/d，2018 年可达 12 300 万 t/d〔2〕。目前海水淡化的主流技术为膜法和热法两类，其中膜法海水淡化占比约65%，且呈逐年上升趋势〔3〕。

膜法海水淡化技术的核心设备为海水反渗透膜组、高压泵、能量回收装置。其中能量回收装置是将海水反渗透膜组高压浓水的压力回收至进水端，通过降低高压泵进水流量而降低高压泵的能耗，进而降低整个海水淡化系统的运行能耗和造水成本。能量回收装置主要分为水力涡轮式和压力交换式两大类，其中压力交换式因回收效率高而广泛使用。ERI公司生产的PX系列能量回收装置是压力交换式能量回收装置的代表，其回收效率最高可达98%〔4〕，具有设计简单、占地小等优点，目前占膜法海水淡化能量回收装置约 90%的市场〔5〕。

鉴于PX能量回收装置市场份额相当大，投资成本高，且对膜法海水淡化的设计及运行要求较高，笔者重点探讨了采用PX能量回收装置的海水淡化系统中，低压提升泵的应用及设计。

1 膜法海水淡化典型工艺

膜法海水淡化系统的典型流程如图1所示。

图1 膜法海水淡化系统典型工艺

原海水由取水泵输送至预处理系统，去除悬浮固体、胶体、藻类、微生物、油脂等，以满足海水反渗透装置的进水要求，根据进水水质可选用絮凝反应沉淀池、气浮、过滤、超滤等装置进行相应处理。预处理合格的产水储存至预处理产水池（清水池），然后由低压提升泵输送至保安过滤器，经高压泵加压后进入海水反渗透膜组进行脱盐，生产淡水。

图2为采用PX能量回收装置的海水反渗透单元流程。

图2 海水反渗透单元流程

经过预处理的海水通过低压提升泵输送至保安过滤器，然后分成两部分（A和B），低压海水A经高压泵加压为高压海水C，低压海水B通过PX能量回收装置接受反渗透膜组高压浓盐水G传递来的压力，然后通过循环泵进一步增压后与高压海水C混合为高压海水E，进入反渗透膜组。

PX能量回收装置的设计要点是流量和压力控制。由于PX装置没有外部的直接控制，其核心部件转子的转速与水流量成比例，运行过程中如果PX能量回收装置超流量，转子转速过快会导致破碎。如图2所示，PX能量回收装置可视为采用两条平行管道，一条用于通过高压水流，另一条用于通过低压水流。高压水流循环通路为反渗透膜组→PX能量回收装置→循环泵→返回反渗透膜组（E→G→D→E），其流量由配备变频器的循环泵进行控制；低压水流由海水供水泵处流经PX能量回收装置，至PX装置出口（B→H），此低压水流由低压提升泵和位于PX能量回收装置浓盐水排放口（H）的1个控制阀控制〔4〕。高压水流和低压水流相互独立，因此高低压侧均须设置流量变送器进行监测和控制。

2 膜法海水淡化低压提升泵的设计应用

膜法海水淡化系统一般多列（≥2列）设置，高压泵、能量回收装置、循环泵和反渗透膜组通常为单元制一对一设置，低压提升泵与反渗透系统可单元制连接，也可母管制连接。低压提升泵的作用是为原海水提供一定压力以克服保安过滤器及管路损失，输送原海水进入高压泵和能量回收装置进水端。为保证设备安全，高压泵进水端压力不低于0.1 MPa，能量回收装置低压进水端的压力不低于0.19 MPa〔5〕，同时为防止气蚀，能量回收装置低压排水端的背压不能低于 0.06 MPa，一般为 0.1 MPa〔5〕。

由于PX能量回收装置的流量仅占原海水流量的 1-R（R 为反渗透的回收率，一般为 40%～50%）〔6〕，在海水反渗透启停及运行过程中，PX能量回收装置的低压侧容易超流，为确保PX能量回收装置的运行安全，低压提升泵的设计和运行尤为重要。

2.1 低压提升泵单元制设计

每列海水淡化系统采用单独的低压提升泵，典型流程如图3所示。

图3 单元制低压提升泵流程

在海水反渗透启动过程中，首先启动低压提升泵进行海水反渗透单元的冲洗排气，然后启动循环泵，此时PX能量回收装置开始启动旋转。此阶段的水流几乎全部通过PX能量回收装置低压侧，此时低压提升泵流量不可超过能量回收装置的最大流量，直到启动高压泵时才可缓慢增加低压提升泵的流量，直至反渗透系统产水量达到要求。海水反渗透单元的停运过程与启动过程相反，先停运高压泵，然后停运循环泵和低压提升泵，为保证能量回收装置不过流，在高压泵降频过程中低压端给水流量也应相应降低，高压泵完全停运时，低压提升泵的流量不可超过能量回收装置的最大流量。

为满足上述能量回收装置的运行要求，一般通过以下方式进行自动控制：

（1）低压提升泵变频，其频率与能量回收装置低压侧流量连锁控制，保证低压侧流量稳定；该频率也可与低压侧进水压力连锁控制运行，其他条件不变时，进水压力稳定，进水流量就稳定。有工程经验表明，由于压力变送器比流量变送器更敏感，低压提升泵与进水端压力变送器连锁调节，系统的运行控制更平稳。

（2）低压提升泵工频设置，能量回收装置低压侧出口设置自动调节阀，其与能量回收装置低压侧流量进行连锁运行，控制低压侧流量。

单元制低压提升泵的海水反渗透系统操作较简单灵活，每列反渗透的启动、运行和停止对其他列反渗透没有影响，但低压提升泵不可互相备用或需增加复杂的连通管路和阀门实现备用，连续运行保障率较低。

2.2 低压提升泵母管制设计

低压提升泵采用母管制有2种方案，一是低压提升泵母管，保安过滤器单元制，流程如图4所示；二是低压提升泵与保安过滤器均为母管制，流程如图5所示。

图4 母管制低压提升泵流程方案一

图5 母管制低压提升泵流程方案二

2种方案各有优缺点：方案一的低压冲洗水可接至保安过滤器进口，进一步保证冲洗水质，缺点是每列保安过滤器运行压差不同，导致海水反渗透系统配水不均匀，PX低压侧压力流量不稳定；方案二保安过滤器出口母管设置可使每列PX低压侧进水压力相同并稳定，同时保安过滤器可备用，但低压淡水冲洗需放在保安过滤器之后并应设置自动隔离阀，在其中一列低压冲洗时不影响其他列的运行。

一般低压提升泵设置台数与反渗透系统列数相同，由于母管制连接，低压提升泵可互相备用，提高运行可靠率。缺点是在运行过程中可能会引起其他列反渗透的不稳定。当其他列海水反渗透单元运行时，启动其中一列海水反渗透，低压侧母管流量增加，可能会导致在运行列的PX能量回收装置低压侧超流量。当停运或其中一列高压泵故障时，在运行列的PX能量回收装置低压侧也极可能超流量。为控制能量回收装置低压侧流量，有2种解决方案：（1）能量回收装置低压进水侧设置稳压阀（调节阀），保证能量回收装置低压侧进水压力（流量）稳定，特别适合方案一。（2）能量回收装置低压出水侧设置自动调节阀，与低压侧流量变送器自动控制连锁，确保能量回收装置低压侧进水流量稳定不超流。

上述2个解决方案均建议低压提升泵设置变频装置，使反渗透单元运行调节更灵活，同时调节阀应选择调节性能较好的阀体和阀门口径，加强调节功能，保证流量压力稳定。

2.3 无低压提升泵的设计

当海水淡化预处理的末端产水母管可允许0.3～0.4 MPa（工程经验）的背压提供海水反渗透低压侧进水需求时，可不再设置预处理产水箱和低压提升泵，如末端采用压力式细砂过滤器，此时细砂过滤器的合格产水汇集至母管后可直接进入海水反渗透系统的高压泵和能量回收装置，具体流程如图6所示。其中PX能量回收装置处的流程与图4、图5母管制低压提升泵流程一样，只是取消低压提升泵，直接为进水母管。

图6 无低压提升泵流程

与常规设置相比，该设计具有明显优势：

（1）节省投资。省却了预处理产水箱和低压提升泵，直接节省设备投资，占地和土建投资。

（2）节约能耗。取消产水箱，只需根据海水反渗透进水侧的压力要求，提升细砂过滤器给水泵的压力，直接将细砂过滤器产水输送至海水反渗透系统。由于不进常压产水箱，细砂过滤器产水压力无损耗，同时也取消了海水反渗透低压提升泵，从而减少相应能耗。

（3）杜绝水质二次污染。产水每经过中间过渡水箱，就增加一次二次污染的风险，特别是海水中的微生物藻类繁殖较快，如果前处理或维护不当，经常导致预处理产水箱滋生藻类，增加后续反渗透系统的运行负担。直接取消产水箱，杜绝了水箱可能造成的二次污染。

尽管不设低压提升泵技术可行且优势明显，但对运行操作要求较高。笔者考察了沿海某电站的海水淡化项目，其按上述方式设计，同时在能量回收装置进口处设置1个稳压阀。此阀门的主要功能是阀前进水压力波动频繁时，保证出口压力稳定，从而进一步保证PX能量回收装置进水流量压力稳定。尽管如此，项目在初始调试运行过程中也出现一些问题：

（1）反渗透系统频繁跳停。开始运行后，正常情况下当仅1列反渗透运行时，启动或停止反渗透均正常，但1列运行同时启动另一列反渗透系统时，会直接导致运行中的反渗透高压泵进水压力过低，从而使反渗透系统跳停；或2列反渗透运行，停运其中1列反渗透，也会导致运行中的另一套反渗透系统跳停。此外，在1台细砂过滤器反洗过程中，由于正洗排水量过大拉低出水母管压力，也会使反渗透运行跳停。

（2）能量回收装置低压管开裂。能量回收装置的低压管路为UPVC材质，在运行过程中出现了UPVC管开裂现象。

经过深入探究，认为出现上述问题的原因在于系统海水反渗透进水没有及时调节低压提升泵。常规系统中，设置的低压提升泵可直接供给海水反渗透系统低压侧运行压力，而此系统细砂过滤器的产水母管即为反渗透的低压给水装置，细砂过滤器给水泵距离反渗透装置过远，无法及时调节进水母管中的压力，因此母管的压力波动直接导致反渗透高压泵进出口压力波动较大，引起反渗透系统频繁跳停。

为解决此问题，从两方面进行了整改：一是从源头上降低进水母管的压力波动，如减小细砂过滤器正洗排放阀的开度，降低细砂过滤器正洗流量对产水母管压力的影响；第二，启停其中1套反渗透系统过程中，先行调节细砂过滤器给水泵的出口压力，提前升高或降低产水母管的压力，从而抵消启停反渗透装置对进水母管的压力影响。

除此之外，细砂过滤器给水泵至反渗透装置中间没有常压过渡水箱，整个管路系统排气装置较少，因此在运行过程中逐渐累积的气体造成设备振动过大，且憋压严重，导致低压UPVC管开裂。在后续改造过程中通过在管路增加相应的排气装置，解决了UPVC低压管开裂问题。

3 结论及建议

综上，针对膜法海水淡化系统，当采用PX能量回收装置时，低压提升泵可按如下条件进行选用：

（1）海水反渗透低压提升泵的母管制设计或单元制设计在技术上均可行，但各有利弊且配套设备不尽相同，需根据具体项目的客观条件进行相应选择。

（2）海水反渗透前端预处理可提供相应的压力时，可省却低压提升泵和过渡水箱，节能减耗，具有一定推广意义，但需要在运行控制方面做好处理措施。