利用可再生能源的反滲透膜法海水淡化方案探討

葉 華，陳斌偉

(華東電力設(shè)計(jì)院，上海 200063)

目前解決缺水問(wèn)題的方法除使用各類(lèi)節(jié)水設(shè)施外，還有地下取水、建造水庫(kù)、遠(yuǎn)程調(diào)水和海水淡化等方法，前三者弊端日漸明顯，長(zhǎng)期使用易造成水資源枯竭、地面下沉、浪費(fèi)土地、破壞生態(tài)等后果，且其成本也在不斷提高。前三種方法均屬于存量調(diào)整，在淡水緊缺的背景下，長(zhǎng)期潛力有限。與之相反，因海水取之不盡，海水淡化已成為世界公認(rèn)的最佳供水解決方案。

1 我國(guó)水資源現(xiàn)狀

我國(guó)是一個(gè)水資源嚴(yán)重短缺的國(guó)家。世界人均水資源占有量約7 500 m3，而我國(guó)人均水資源占有量約2 100 m3，為世界平均值的28%。在全國(guó)660多個(gè)城市中，400多個(gè)城市缺水，108個(gè)城市嚴(yán)重缺水。

我國(guó)水資源地區(qū)分布不均衡?？傮w來(lái)看，我國(guó)西部和北部地區(qū)缺水，南部水源相對(duì)充足。沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，人口稠密，人均水資源量不足500 m3，水資源短缺形勢(shì)也很?chē)?yán)峻，其中東部沿海地區(qū)是最缺水的地區(qū)之一。這些地區(qū)由于長(zhǎng)期超量抽采地下水，致使地下水位線大幅下降，形成了資源性缺水，再加上地表水污染等問(wèn)題又造成了水質(zhì)性缺水。

2 海水淡化是緩解我國(guó)水資源短缺的戰(zhàn)略途徑

為了緩解水資源短缺狀況，我國(guó)采取了封山育林、涵養(yǎng)水源、興建水利設(shè)施、跨流域調(diào)水、改進(jìn)農(nóng)業(yè)灌溉方式、節(jié)約用水、污水循環(huán)利用等多種措施，取得了很大的成績(jī)。但由于我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，人口不斷增加，對(duì)水的需求越來(lái)越大，缺水狀況日趨嚴(yán)重。雖然采取了上述措施，但由于沒(méi)有從總量上增加水資源，因此還沒(méi)有從根本上緩解水資源短缺問(wèn)題。

與其他途徑相比，以海水淡化方式緩解水資源緊缺現(xiàn)狀具有多方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。首先，海水淡化可以增加淡水資源總量，從根本上解決淡水資源短缺問(wèn)題;其次，作為提取淡水的基本原料，海水儲(chǔ)量巨大，取之不盡;第三，海水是一種無(wú)國(guó)界的資源，不存在資源爭(zhēng)奪問(wèn)題;第四，海水成本為零，無(wú)需支付取水費(fèi)用;第五，海水淡化技術(shù)成熟，生產(chǎn)穩(wěn)定性強(qiáng)，受制約因素少。

一般情況下，1 L海水中含35 g鹽，要想達(dá)到直接飲用和澆灌的目的，必須經(jīng)過(guò)海水淡化系統(tǒng)處理，海水淡化就是將鹽水變成淡水的過(guò)程。目前可以規(guī)?；Ｋ?］的方法主要有蒸餾法和膜法［2］(反滲透法)兩種。蒸餾法海水淡化是將海水蒸發(fā)，再進(jìn)行冷凝，使其脫掉鹽分，獲取淡水，該方法主要消耗的是熱能，適用于具有穩(wěn)定熱源和供水量大的地區(qū)。膜法海水淡化主要將海水強(qiáng)制加壓使淡水透過(guò)反滲透膜進(jìn)入膜的另一側(cè)，從而濾掉鹽分，獲取淡水，該方法主要消耗電能，適用于電力充足的地區(qū)。近年來(lái)我國(guó)在海水淡化領(lǐng)域取得了長(zhǎng)足發(fā)展，經(jīng)過(guò)科技攻關(guān)，我國(guó)先后建成了日產(chǎn)3 000 m3低溫多效蒸餾法海水淡化和日產(chǎn)5 000 m3反滲透海水淡化等具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的示范工程，部分領(lǐng)域已躋身國(guó)際先進(jìn)水平。

3 我國(guó)可再生能源發(fā)展概況

我國(guó)可再生能源資源品種齊全、數(shù)量眾多，資源基礎(chǔ)雄厚，經(jīng)過(guò)近年的快速發(fā)展，在可再生能源利用方面已取得長(zhǎng)足的進(jìn)步。在缺水的北部地區(qū)，風(fēng)能、太陽(yáng)能資源豐富，在沿海地區(qū)及海島上蘊(yùn)藏著豐富的風(fēng)能、太陽(yáng)能、海洋能等資源，可為膜法海水淡化系統(tǒng)提供充足的綠色電力。

3.1 風(fēng)能

我國(guó)陸地可利用風(fēng)資源約2.5億kW，海上可利用風(fēng)資源約7.5億kW，總量居世界第三位。截止2011年底，我國(guó)新增風(fēng)電裝機(jī)容量1 763萬(wàn)kW，累計(jì)裝機(jī)容量6 236萬(wàn)kW，居世界第一。在大力發(fā)展陸地風(fēng)電的同時(shí)，我國(guó)海上風(fēng)電也有突破性進(jìn)展。已建成的上海東海大橋海上風(fēng)電場(chǎng)是全球除歐洲外首個(gè)大型海上風(fēng)電項(xiàng)目，總裝機(jī)容量10萬(wàn)kW。

2011年度，全國(guó)各省級(jí)電網(wǎng)區(qū)域風(fēng)電利用小時(shí)平均為1920 h，風(fēng)電棄風(fēng)限電總量超過(guò)100億kW·h［3］，風(fēng)電并網(wǎng)運(yùn)行和消納問(wèn)題已經(jīng)成為制約我國(guó)風(fēng)電持續(xù)健康發(fā)展的重要因素。

3.2 太陽(yáng)能

我國(guó)幅員廣大，有著十分豐富的太陽(yáng)能資源。據(jù)估算，我國(guó)陸地表面每年接受的太陽(yáng)輻射能約50×1018kJ，全國(guó)三分之二地區(qū)日照小時(shí)數(shù)大于2 200 h。2011年全國(guó)光伏新增裝機(jī)達(dá)260萬(wàn)kW，累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到343萬(wàn)kW，到“十二五”末期，全國(guó)光伏裝機(jī)容量計(jì)劃達(dá)到1 500萬(wàn)kW。

3.3 海洋能

我國(guó)海岸線長(zhǎng)達(dá)1.8萬(wàn)km，擁有6 500多個(gè)大小島嶼，海域面積470多萬(wàn)km2，海洋能資源十分豐富。世界上根據(jù)實(shí)用價(jià)值將海洋能發(fā)電分作潮汐能、波浪能、潮流能、海流能、溫差能和鹽差能等6種形式，從發(fā)展前途看，前3種具有較大潛力。根據(jù)資料，我國(guó)沿岸的潮汐能資源可開(kāi)發(fā)總裝機(jī)容量約2 179萬(wàn)kW，沿岸及海域波浪能可開(kāi)發(fā)裝機(jī)容量約為5.8億kW，潮流能資源可開(kāi)發(fā)總裝機(jī)容量約為1 395萬(wàn)kW［4］。國(guó)內(nèi)外已將海洋能發(fā)電技術(shù)作為重點(diǎn)研究目標(biāo)，國(guó)外已有兆瓦級(jí)潮流能發(fā)電機(jī)組投入商業(yè)運(yùn)行，國(guó)內(nèi)也有兆瓦級(jí)海洋能發(fā)電設(shè)備投入試驗(yàn)運(yùn)行。隨著技術(shù)的日益成熟，海洋能不但能為沿海地區(qū)提供電力，還能成為海島地區(qū)理想的主要電力來(lái)源。

4 膜法海水淡化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化及調(diào)整

我國(guó)在可再生能源利用領(lǐng)域發(fā)展迅速，發(fā)電裝機(jī)規(guī)模不斷擴(kuò)大，已居世界領(lǐng)先地位。但風(fēng)能、太陽(yáng)能、海洋能都具有不穩(wěn)定、發(fā)電量與用電負(fù)荷不匹配及不可預(yù)見(jiàn)等缺點(diǎn)，無(wú)法像常規(guī)能源一樣提供穩(wěn)定、可控的電力，使其發(fā)展受到較大的制約。若將可再生能源與海水淡化系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合，變蓄電為蓄水，不僅能大幅提高可再生能源發(fā)電設(shè)備的利用小時(shí)數(shù)，也能解決局部淡水資源緊缺問(wèn)題，創(chuàng)造綜合利用可再生能源和海水資源的新循環(huán)經(jīng)濟(jì)模式。

常規(guī)的膜法海水淡化系統(tǒng)以具有穩(wěn)定電源及系統(tǒng)安全連續(xù)運(yùn)行為基本條件，若電源不穩(wěn)定，會(huì)對(duì)按常規(guī)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)設(shè)備造成極大的損傷，以至無(wú)法運(yùn)行。因此除需要進(jìn)一步發(fā)展技術(shù)降低可再生能源的波動(dòng)外，同時(shí)也需要對(duì)膜法海水淡化系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，使之適應(yīng)可再生能源特點(diǎn)，相互取長(zhǎng)補(bǔ)短，提高整體使用效率，從而可以在更廣泛的領(lǐng)域得以推廣使用。

4.1 系統(tǒng)功能調(diào)整

海水中的含鹽量一般在35 g/L左右，我國(guó)膜法海水淡化大多采用兩級(jí)反滲透系統(tǒng)，其產(chǎn)水含鹽量可小于3 mg/L，這主要是因?yàn)槠洚a(chǎn)水一般是為工廠后續(xù)水處理系統(tǒng)供水，對(duì)水質(zhì)要求較高。而對(duì)于以可再生能源為電源的膜法海水淡化系統(tǒng)主要是為沿?；蚝u居民提供日常生產(chǎn)生活用水，水中含鹽量小于500 mg/L就可基本滿(mǎn)足要求［5］。

隨著科技的進(jìn)步，目前一級(jí)海水反滲透淡化系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行脫鹽率大于99%，從而保證產(chǎn)水含鹽量小于350 mg/L，除硼離子含量可能會(huì)略高于0.5 mg/L不能達(dá)標(biāo)外［6］，一級(jí)海水淡化系統(tǒng)出水基本可作為居民日常生活用水。因此可考慮采用一級(jí)海水反滲透淡化系統(tǒng)，并根據(jù)海水硼離子含量情況配套采用高脫硼海水反滲透膜、硼選擇性樹(shù)脂、吸附劑、兩級(jí)反滲透等處理措施［7］，既能保證供水水質(zhì)，又能降低投資和運(yùn)行費(fèi)用，同時(shí)也降低單位制水的電耗，更有利于海水淡化系統(tǒng)在不穩(wěn)定電源情況下的運(yùn)行。

4.2 系統(tǒng)系列設(shè)備出力調(diào)整

常規(guī)的膜法海水淡化系統(tǒng)是“因需制水”，同時(shí)追求規(guī)?；б?，會(huì)將單系列設(shè)備出力盡量做到最大，一般每系列設(shè)備出力可達(dá)100～400 m3/h，設(shè)2～4個(gè)系列，這樣既能節(jié)省設(shè)備投資也能減小占地面積。而對(duì)于以可再生能源為電源的膜法海水淡化系統(tǒng)更多的應(yīng)是考慮“因電制水”，其系統(tǒng)設(shè)備出力應(yīng)根據(jù)可再生能源提供的電量來(lái)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

可再生能源所提供的電力會(huì)隨著風(fēng)速、光照等外部條件不斷變化，而用電負(fù)荷也在不斷波動(dòng)，特別是在海島或孤網(wǎng)運(yùn)行的地區(qū)，提供給膜法海水淡化系統(tǒng)的電力具有很大波動(dòng)性和不可預(yù)見(jiàn)性。若無(wú)其他電源提供電力保障，為了保證膜法海水淡化系統(tǒng)的安全穩(wěn)定高效運(yùn)行，其設(shè)備設(shè)置宜采用大小搭配的原則，即設(shè)置2～3系列小出力設(shè)備，每系列設(shè)備用電負(fù)荷宜占總供電量的1/8～1/10，該系列在供電量較低的情況下運(yùn)行，再設(shè)置2～3系列大出力設(shè)備，每系列設(shè)備用電負(fù)荷宜占總供電量的1/3～1/4，該種系列在供電量較高的情況下運(yùn)行。

根據(jù)資料顯示我國(guó)沿海地區(qū)90 m高度年平均風(fēng)速約8 m/s左右，目前我國(guó)主流2 MW風(fēng)機(jī)在5 m/s風(fēng)速時(shí)，發(fā)電功率約為200 kW;8 m/s風(fēng)速時(shí)，發(fā)電功率約900 kW;10.5 m/s風(fēng)速時(shí)，發(fā)電功率約為2 000 kW。而膜法海水淡化系統(tǒng)每噸水電耗約為4～6 kW·h，若一臺(tái)2 MW風(fēng)機(jī)所發(fā)電量全部供海水淡化系統(tǒng)使用，綜合考慮風(fēng)機(jī)實(shí)際發(fā)電量、海水淡化系統(tǒng)設(shè)備利用率、設(shè)備總投資等因素，宜設(shè)置3套出力為40 m3/h的設(shè)備，每套負(fù)荷約200 kW，再設(shè)置2套80 m3/h的設(shè)備，每套負(fù)荷約400 kW，這樣既能保證在低風(fēng)速時(shí)設(shè)備正常運(yùn)行，也能保證在高風(fēng)速時(shí)不造成棄風(fēng)，能充分利用風(fēng)資源。

4.3 增大蓄水能力，變蓄電為蓄水

膜法海水淡化系統(tǒng)中設(shè)有超濾產(chǎn)水箱(池)和淡水箱(池)以?xún)?chǔ)存超濾產(chǎn)水和反滲透產(chǎn)水，主要作為臨時(shí)貯存設(shè)備以滿(mǎn)足系統(tǒng)用水需求，一般容量為系統(tǒng)1～2 h處理水量。若適當(dāng)增加水箱(池)容積，滿(mǎn)足存儲(chǔ)一段時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行所生產(chǎn)的淡水量，就能在有富余電量時(shí)變蓄電為蓄水，解決可再生能源供電量與用電負(fù)荷不匹配的問(wèn)題。

變蓄電為蓄水具有多方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。首先，相對(duì)于技術(shù)復(fù)雜、蓄能量小、投資昂貴的蓄電設(shè)備，蓄水所需設(shè)備僅為水箱或水池，此類(lèi)設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制作工藝成熟，單體設(shè)備容積可達(dá)上萬(wàn)m3，且設(shè)備投資較蓄電池要低很多;其次，相對(duì)蓄電池不到70% ～80%的轉(zhuǎn)換效率而言，蓄水就是直接貯存產(chǎn)品，不需要再次轉(zhuǎn)換，提高了系統(tǒng)效率;第三，蓄電池長(zhǎng)時(shí)間蓄電會(huì)自然放電、發(fā)熱，而淡水易于長(zhǎng)期貯存，無(wú)能源損耗，可降低系統(tǒng)能量損失;第四，蓄電池在生產(chǎn)和使用過(guò)程中都會(huì)產(chǎn)生污染環(huán)境的物質(zhì)，不利于環(huán)保，而用于蓄水的水箱或水池，不會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生影響，具有較高的環(huán)保作用。

一個(gè)萬(wàn)人規(guī)模的海島或城鎮(zhèn)5 d用水量約10 000 m3，其貯存用水箱或水池造價(jià)約為300～350萬(wàn)元，若此10 000 m3淡水由膜法海水淡化系統(tǒng)制備，則需耗電約5萬(wàn)kW·h，相當(dāng)于一臺(tái)2 MW風(fēng)機(jī)連續(xù)滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行25 h，若采用蓄電池對(duì)此電力進(jìn)行貯存，則蓄電池設(shè)備總投資將超過(guò)4 000萬(wàn)元，可見(jiàn)由蓄電變蓄水有著巨大的發(fā)展優(yōu)勢(shì)。

4.4 加熱設(shè)備選型調(diào)整

提高進(jìn)水溫度可提高膜的水通量，有效減少膜的數(shù)量，最終降低膜法海水淡化系統(tǒng)的運(yùn)行能耗及投資費(fèi)用。據(jù)統(tǒng)計(jì)水溫每提高1℃，反滲透膜的產(chǎn)水量將增加約2.7%，超濾膜的產(chǎn)水量將增加約2.2%，因此常規(guī)膜法海水淡化系統(tǒng)均會(huì)以循環(huán)水排水為水源或設(shè)置加熱器，以保證水溫在15～25℃。

對(duì)于風(fēng)能、太陽(yáng)能、海洋能等可再生能源電站而言，既無(wú)循環(huán)水排水，也不生產(chǎn)蒸汽，但膜法海水淡化車(chē)間多為單層平房結(jié)構(gòu)，可以考慮利用其車(chē)間頂部設(shè)置太陽(yáng)能加熱器用于加熱系統(tǒng)進(jìn)水;同時(shí)由于太陽(yáng)能加熱器使用時(shí)間的局限性，也可配置一定量的電加熱器，利用發(fā)電高峰時(shí)段的富余電力為進(jìn)水加熱。

4.5 優(yōu)化運(yùn)行管理

常規(guī)膜法海水淡化系統(tǒng)主要運(yùn)行模式是以滿(mǎn)足對(duì)外供水為主要目的，一般按系列整套投運(yùn)，主要耗電設(shè)備為預(yù)處理進(jìn)水泵、反滲透升壓泵(預(yù)處理產(chǎn)水泵)、反滲透高壓泵及淡水泵等，其耗電量之和約占膜法海水淡化系統(tǒng)正常運(yùn)行總耗電量的80%～90%。表1為目前已投運(yùn)幾個(gè)膜法海水淡化項(xiàng)目主要用電設(shè)備產(chǎn)水電耗統(tǒng)計(jì)表，由統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知，在膜法海水淡化系統(tǒng)的主要耗電設(shè)備中海水反滲透裝置(含反滲透升壓泵和反滲透高壓泵)所占用電比重最大，約80% ～90%，而預(yù)處理裝置及對(duì)外供水設(shè)備所占用電比重較小，共約10% ～20%。

表1 膜法海水淡化系統(tǒng)主要用電設(shè)備產(chǎn)水電耗Tab.1 Statistics of Energy Consumption with Main Electrical Equipment of Seawater Desalination Schemes through RO Process

對(duì)于以可再生能源為電源的膜法海水淡化系統(tǒng)，除了在系統(tǒng)設(shè)置、設(shè)備選型上進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，使之適應(yīng)電源的不穩(wěn)定性外，如何優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行管理，充分利用電力資源，也顯得尤為重要。針對(duì)膜法海水淡化系統(tǒng)中反滲透裝置用電比重大，而預(yù)處理裝置用電比重小的特點(diǎn)，應(yīng)改變常規(guī)的按系列整套投運(yùn)的運(yùn)行模式，而是根據(jù)供電量分模塊投運(yùn)所能運(yùn)行的設(shè)備。如在較低供電量時(shí)，可只投運(yùn)預(yù)處理裝置，將預(yù)處理產(chǎn)水儲(chǔ)存在水箱中;當(dāng)供電量增大至可滿(mǎn)足一套反滲透裝置運(yùn)行需要時(shí)，可停運(yùn)預(yù)處理裝置啟動(dòng)反滲透裝置;當(dāng)供電量繼續(xù)增大至能滿(mǎn)足一整套膜法裝置運(yùn)行時(shí)，則再次運(yùn)行預(yù)處理裝置，保證整套系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行;當(dāng)供電量持續(xù)減少時(shí)，則應(yīng)按相反順序停運(yùn)設(shè)備。同時(shí)應(yīng)增加電量監(jiān)控設(shè)備及軟件，在用電設(shè)備投運(yùn)前需對(duì)系統(tǒng)整體用電量及供電量進(jìn)行比對(duì)，確保系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

通過(guò)調(diào)整優(yōu)化運(yùn)行模式，可在低供電量時(shí)啟動(dòng)低耗電設(shè)備運(yùn)行，并使海水淡化系統(tǒng)適應(yīng)可再生能源供電量不穩(wěn)定的特點(diǎn)，充分利用可再生能源所供電力，可極大提高能源的利用效率。

5 結(jié)束語(yǔ)

我國(guó)可再生能源資源豐富，發(fā)電裝機(jī)規(guī)模不斷擴(kuò)大，但其發(fā)電量不穩(wěn)定、發(fā)電量與用電負(fù)荷不匹配等問(wèn)題也日漸顯現(xiàn)。若將可再生能源與海水淡化系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合，對(duì)成熟的膜法海水淡化系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)膬?yōu)化調(diào)整，使之適應(yīng)可再生能源的電量波動(dòng)，相互取長(zhǎng)補(bǔ)短，變蓄電為蓄水，不僅能大幅提高可再生能源發(fā)電設(shè)備的利用小時(shí)數(shù)，提高能源利用效率，還能解決我國(guó)局部淡水資源緊缺問(wèn)題。

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