国产IPX能量回收装置在大型反渗透海水淡化中的运行
本文介绍了国产能量回收装置配套在淡水产能1.96万m³/d反渗透海水淡化的运行案例，旨在为其他反渗透海水淡化工程和能量回收装置的设计和运行供参考。该淡化厂采用双膜法处理工艺（超滤+反渗透），气浮和超滤作为反渗透系统的预处理，对胶体、微生物和大分子有机物等进行有效截流，使产水浊度稳定在0.1 NTU以下；后经二级反渗透膜过程淡化，原水中的绝大部分含盐量和杂质被去除，淡化产水供给周边企业生产需要。
1 工程设计
1.1 设计水质
表1 设计水质
1.2 工艺流程
本项目总体工艺流程为：取水-气浮-自清洗过滤器-SWRO-BWRO-产品水池-用水点。
1.2.1 海水预处理
本项目总取水量约16.0万m³/d，设计气浮池水回收率约99%，自反洗过滤回收率约99%，超滤回收率约90%。按16.0万m³/d 海水处理水量考虑，设计5座气浮池、10台反洗过滤器和14台超滤装置。
（1） 气浮池。气浮特别适用于低温低浊度条件的原水工况，去浊效率高、占地面积小，去除藻类和少量含油污染的能力强，运行成本较低，操作、维护便捷。设计了5 座气浮池，设计负荷13.3m/h，通过气浮池的处理，可达到产水浊度<5 NTU，海水处理水量16.0万m³/d的指标。
（2）自反洗过滤器。本项目设计了10 台自反洗过滤器，型号SJY-B100/900和型号BOWNT BOS ESV各5 台，每台额定过滤水量900m³/h，设置自反洗滤器去除气浮产水的杂质以保护超滤系统。
（3）超滤装置。进一步去除海水中的杂质，使处理以后的水质条件能够满足反渗透系统的进水要求。超滤装置14 台型号为LB-UF72的装置，采用了型号为OWUF-9的超滤膜元件共2 016支，总产水量15.8 万m³/d，超滤装置回收率90%。超滤装置自动化程度高，操作、维护便捷。超滤过滤精度高，通过超滤过滤处理，可达到产水浊度 ≤0.1 NTU、污染指数<3的指标。
1.2.2 海水反渗透系统（SWRO）
海水反渗透淡化系统是本项目设计中去除盐度和杂质的最核心部分，共计设置3台海水反渗透淡化系统，3 台SWRO装置共产水58 800m³/d（2 450m³/h），每台SWRO装置产水19 600m³/d（817m³/h）。
根据项目海水水质条件，海水反渗透装置系统设计回收率44%，海水进水最低水温5 ℃，采用一级一段工艺流程设计，每台海水反渗透产水817m³/h，浓水流量1 041m³/h。单台海水反渗透装置，由234支压力容器组成，共计装填1 638支海水反渗透膜元件。3台海水反渗透淡化装置设计安装有SWRO膜元件型号为R-SW8040-HR(400)膜元件数量4 914支。
1.2.3 高压泵、能量回收装置和能量回收增压泵
本项目采用高压泵+等压压力交换式能量回收-能量回收增压泵+膜组，这是当今反渗透海水淡化工程中最为典型、成熟的工艺。该工艺的特点是高压泵出水流量等于系统产水流量+能量回收装置的“润滑流量”（或称高压流量损失），扬程为反渗透膜进水压力；它的另一特点是还必须配备能量回收增压泵，将能量回收装置增压后的海水进一步提高压力至与高压泵出口等压进入反渗透膜堆。能量回收增压泵入口要承受SWRO浓水的较高压力，其密封一般采用平衡型机械密封。能量回收增压泵流量等于SWRO浓水流量，扬程等于高压回路的沿程压力损失，也即主要是海水经过膜堆和能量回收装置的压力损失。
本项目每台海水反渗透高压浓水流量为1 041m³/h，本项目采用了国产和进口2 个品牌的转子式等压交换能量回收装置。3 台海水反渗透装置，1#海水反渗透装置配置了国产12 台型号为IPX-110的能量回收装置，其单台单元能量回收装置的额定流量为110m³/h；2#和3#海水反渗透装置每套各配置了美国进口16台型号为PX-Q300的能量回收装置，其单台装置的额定流量为41~68m³/h。
图1 “高压泵-能量回收-能回增压泵-膜”流程
图2 “高压泵-IPX能量回收装置-能回增压泵-膜”现场
1.2.4 淡水反渗透系统（BWRO）
为了进一步净化海水反渗透生产的淡水，还设计有淡水反渗透脱盐，共设置3台淡水反渗透装置BWRO，共产水50000 m³/d（2 083m³/h），每台产水16667 m³/d（694.4m³/h）。
淡水反渗透系统按系统回收率 85%，采用一级二段工艺流程设计，每台装置共计74支压力容器（一段与二段压力容器数量比为54∶20），3台BWRO装置，安装有型号为R-BW8040-ULP（440）的膜元件1 554支。
1.2.5 与能量回收装置相关的其他设置
（1）管道过滤器。本项目在高压泵和能量回收装置低压进水总管上设计有管道过滤器，完美地杜绝了在调试期概率很高的大颗粒和异物进入，很好地保护了高压泵和能量回收装置的转动部件不被损坏。
（2）气体排放阀。反渗透系统停机时，由于重力作用，处于高位的管道、反渗透膜管内的水会流失，该流失的系统局部就充满空气，重新启动这些气体会与水一起进入系统，部分位置的气体并不能迅速排出，排尽气洗需要很长的时间。本项目设计团队充分考虑了系统的排气，在高低压管道的最高点分别设置了排气阀，每台SWRO高压管道最高点设置了2 个排气阀和管道系统，在SWRO启动前后进行排气，尽快排出膜堆内的气体，减少气体对系统产生的危害，有效降低能量回收装置启动阶段的噪音。
2 运行情况
2020年5月完成调试，当时测试效率为90.45%，运行3 年多，2023年07月20日运行效率为92.67%，运行性能稳定，项目水源为电厂冷却排放水，2024年2月19日水温18.9 ℃，冬季温度不低，但盐度变化大，而且无季节性规律。能量回收装置各项指标达到设计目标，系统产水各项指标满足供水要求。
能量回收装置撬块低压UPVC管道拷贝林接头处的管道壁厚最薄的点厚度只有3mm，持续的轻微抖动使UPVC管道破裂漏水，改成SS2507不锈钢后，运行安全平稳、无渗漏。
3 结果与讨论
3.1 能量回收装置运行数据（见表2）
表2 系统运行参数
注：①1#SWRO配套12台国产能量回收装置IPX-110；②3#SWRO配套16台美国进口公司能量回收装置PX-Q300；③转子式能量回收装置转子转动时，转动面上高压液体会有部分流向低压区，该部分液体具有润滑转动摩擦副的作用，业内将此称作“润滑流量”，国产IPX-110能量回收装置将润滑引入转子外和外壳之间的区域，在外壳上设置有润滑流量液出口，外接管道设置有流量计，可直接读取润滑流量；④PX-Q300润滑流量按照其样本提供参数计算；⑤能耗计算以各工艺点运行压力和流量及水泵效率计算，高压泵效率82%，能量回收增压泵效率72%；⑥噪音测试受附近高压泵及厂房排风系统影响。
3.2 设计的能量回收装置运行条件（见表3）
表3 设计的能量回收装置运行条件
3.3 能量回收效率分析
（1）能量回收装置的主要额定性能。本项目应用的2个品牌的能量回收装置（见表4），核心的额定性能如表5所示：①额定流量下的压力降表征能量回收装置的机械效率，额定流量下的压差基本相等，它们的机械效率基本相等；压力降与绝对压力无关、只与装置过流流量有关；②额定压力下的润滑流量，表征了能量回收装置的额定容积效率情况，能量回收装置润滑流量如表5所示IPX-110相比PX-Q300的小，再加上IPX-110相比PX-Q300的额定流量大，IPX-110相对润滑流量较小，容积效率较高。
表4 国产IPX与进口PX产品区别
表5 能量回收装置的主要额定性能
（2）运行润滑流量。本项目海水比设计的含盐量低、SWRO操作压力较低，现场运行压力较能量回收装置额定压力低。当前SWRO运行压力约为2.5MPa，IPX-110能量回收装置的润滑流量在润滑流量计直接读出为0.08m³/（h·台），根据ERI公开的PX-Q300性能参数表测算其润滑流量0.50m³/（h·台）。
（3）能量回收效率。国产能量回收装置IPX-110效率92.67%，进口PX-Q300效率91.87%，国产的效率略高于进口产品，冬季情况也类似见表6。
表6 能量回收装置运行数据和结果
国产IPX-110能量回收装置主材为不锈钢和工程塑料，由外部电机直接驱动其转动，转动部件和非转动部件摩擦副直接接触并且压紧的，故它们之间存在摩擦力，并且它的润滑流量相对较低，能量回收装置的容积效率更高。
4结论
（1）通过近3年多的间断运行：IPX-110能量回收装置电机外驱动设计，有效克服生物污染、膜清洗液和其它颗粒等含微量颗粒杂质可能引起的其他品牌能量回收转子卡死现象，装置运行性能稳定、无卡死现象。
（2）项目投用的是目前国内外最大单机规模的转子式能量回收装置，额定流量110m³/h实现了稳定运行，同时也实现了高效运行，能量回收装置效率92.67%，主要基于其近零润滑流量的高容积效率性能，国产能量回收装置的效率随运行压力增大而增大，且比进口产品略高。
（3）本项目SWRO单元淡化水产能规模1.96万m³/d，是当前我国国产能量回收装置配套的最大反渗透海水淡化单机装置。
（4）国产外驱动IPX能量回收装置与进口自驱动的PX能量回收装置的在其额定高低压二测的进出水压差都是0.10MPa，如果降低IPX进水流量到目前的70%，其转速降低30%装置可正常运行，压差可减少0.05MPa，IPX效率还可以提高约2.13%（0.05/2.35，系统浓水压力为2.35MPa@20 ℃），IPX产品具有此潜在的效率挖掘手段。
