CN103626262B - 变负荷反渗透海水淡化系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于海水淡化技术领域，涉及一种变负荷反渗透海水淡化系统，包括控制器、变频器、高压泵和RO膜组，变频器用于调节高压泵的电机转速，以调节反渗透膜组件的进水流量，其特征在于，RO膜组的反渗透浓盐水管路分为两个支路，一支路为浓盐水排放管路，另一支路为浓盐水回流管路，在浓盐水排放管路上设有排放阀，在浓盐水回流管路上设有回流阀和增压泵；控制器在发电系统的输出功率低于高压泵的运行功率且发生波动时，通过对浓盐水回流管路上的回流阀的控制，将部分RO浓盐水通过增压泵补充到RO膜组进水管路，使RO膜组进水流量保持不变。本发明同时提供一种上述系统实现的海水淡化方法。本发明具有适用范围广、运行稳定、效率高的优点。

Description

变负荷反渗透海水淡化系统及方法
技术领域
本发明涉及风能、太阳能等新能源发电与反渗透（RO）海水淡化耦合技术，是一种适应能源的波动性的反渗透海水淡化工艺。
背景技术
开发新能源与海水淡化技术相结合，可以缓解沿海及海岛地区的淡水资源和能源缺乏的问题。风能和太阳能发电已经被广泛应用，两种能源在时间分布上具有很强的互补性，而且在技术应用上也可以将两种发电系统进行合理化整合。另外，RO海水淡化系统能耗低，系统简单，并且较易于与风光互补供电技术进行耦合。因此，风光互补发电与RO海水淡化技术相结合，具有很好的应用前景。
风光互补RO海水淡化系统主要由风力发电机组、太阳能光伏电池组、智能控制器、蓄电池、RO海水淡化系统等组成。风力发电机和光伏电板产生的电能，通过智能控制器对蓄电池充电，然后通过逆变器将直流电逆变成50Hz的交流电，以供给海水淡化系统使用。
风能、太阳能发电的一个重要特点是波动性，RO海水淡化系统的淡水产量也会随之改变。在反渗透海水淡化系统中，电费占造水成本的1/2～2/3,设备占造水成本的1/4左右。反渗透海水淡化系统的能耗指标主要取决于高压泵、增压泵和能量回收装置，其中高压泵是主要耗能设备，其耗电约占系统运行费用的35%，所以高压泵的运行效率是影响海水淡化系统制水成本的主要因素之一。当发电输出功率低于高压泵的运行功率时，高压泵的转速降低，RO系统的产水量下降，当输出功率降低到不能维持RO系统正常运行时，RO系统便会关闭。
为了应对风、光发电的不稳定性，国内外进行了变负荷海水淡化技术研究。其中，西班牙的加纳利群岛风电海水淡化试验，是通过多组RO的投切而实现变负荷，适应风电的波动，此方法适用于多组RO系统的工程，对于单组RO系统并不适用。德国Enercon公司在Utsira岛进行的试验研究的方案针对与系统专门配套的能量回收装置设计实现了单台RO的可变负荷，在此研究中将能量回收装置的RO浓盐水进出口分别设置了阀门，根据负荷功率的变化来控制RO浓盐水流量，以实现RO海水淡化系统的变负荷运行，具有通用性差的缺陷。中国水利水电科学研究院设计了可变负荷的反渗透海水淡化系统，用电动阀替代常规浓盐水调节阀，变频器控制高压泵电机，通过PLC控制变频器的输出频率和电动阀的开度使RO海水淡化的功率可调，其反渗透系统中没有采用能量回收装置，另外，当风电、太阳能发电系统的输出功率低于高压泵的运行功率且发生波动时，产水量会随着进水流量的降低而减少，由于没有浓盐水通过回流管路补充到RO膜进水管路，因此，不能维持产水量的稳定。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服风、光发电的波动性，提供一种适用范围广、运行稳定、效率高的变负荷反渗透海水淡化系统及淡化方法。本发明的技术方案如下：
一种变负荷反渗透海水淡化系统，包括控制器、变频器、高压泵和RO膜组，变频器用于调节高压泵的电机转速，以调节反渗透膜组件的进水流量，RO膜组的反渗透浓盐水管路分为两个支路，一支路为浓盐水排放管路，另一支路为浓盐水回流管路，在浓盐水排放管路上设置有排放阀，在浓盐水回流管路上设置有回流阀和增压泵；控制器用于通过变频器控制高压泵，并在发电系统的输出功率低于高压泵的运行功率且发生波动时，通过对浓盐水回流管路上的回流阀的控制，将部分RO浓盐水通过增压泵补充到RO膜组进水管路，使RO膜组进水流量保持不变，实现反渗透海水淡化系统的变负荷运转，同时调节排放阀的开度，以调节RO膜壳内压力。
其中，所述的变负荷反渗透海水淡化系统可以带有，也可以不带有能量回收装置；另外，也可以采用带有能量回收装置的高压泵。
本发明同时提供一种变负荷反渗透海水淡化方法，通过如下的方法来实现：
（1）在高压泵的电机前使用变频器，用以调节电机转速，使得RO膜组进水流量可调；
（2）将反渗透浓盐水管路分成两个支路，一支路为浓盐水排放管路，另一支路为浓盐水回流管路，在浓盐水排放管路上设置排放阀，在浓盐水回流管路上设置回流阀；
（3）在正常运转情况下，回流阀关闭；
（4）当发电系统的输出功率低于高压泵的运行功率且发生波动时，通过对浓盐水回流管路上的回流阀的控制，将部分RO浓盐水通过增压泵补充到RO膜组进水管路，使RO膜组进水流量保持不变，实现反渗透海水淡化系统的变负荷运转；
（5）调节排放阀的开度，以调节RO膜壳内压力。
本发明的变负荷RO海水淡化系统与方法的实质性特点是：在反渗透浓盐水管路上将一部分浓盐水回流至RO进水，通过调节RO进水流量和RO浓盐水流量来实现RO海水淡化系统的变负荷运行。具有如下有益效果：
（1）通过对RO进水量和RO膜壳内压力的调节，实现了RO海水淡化系统的变负荷运行，适应了风电、太阳能等新能源的波动性。
（2）在维持膜壳内压力稳定的工况下，低功率运行时保证了RO系统的产水量，可以降低单位产水能耗，从而降低了运行成本。
（3）本工艺方法适用范围广，RO系统中有无能量回收装置都适用。
附图说明
图1是本发明无能量回收装置的变负荷反渗透海水淡化工艺简图。
图2是本发明带能量回收装置的变负荷反渗透海水淡化工艺简图。
图3是本发明带能量回收的海水高压泵（SWPE）的变负荷反渗透海水淡化工艺简图。
图中：
1：高压泵2：RO膜组
3：排放阀4：回流阀
5：增压泵6：能量回收装置
7：SWPE
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的变负荷反渗透海水淡化工艺做出详细说明。
实施例1
如图1所示（图中未画出控制器和变频器），以产水量为50m3/d，回收率为40%的RO系统为例。将RO膜组2的浓盐水管路分成两个支路，一支路为浓盐水排放管路，另一支路为浓盐水回流管路。在浓盐水排放管路和回流管路上分别设置排放阀3和回流阀4，以控制浓盐水流量。同时，在浓盐水回流管路上回流阀4的后面设置增压泵5，以使回流的浓盐水输送到RO膜组2的进水管路。RO系统正常运行时，进水流量为10.5m3/h，回流阀4处于关闭状态，且控制排放阀3的开度，使浓盐水排放流量为6.3m3/h。当风电、太阳能发电系统的输出功率低于高压泵1的运行功率且发生波动时，通过变频器改变高压泵1的电机转速，使RO膜组2在低功耗下运行。同时，控制回流阀4的开度，使浓盐水回流管路的流量值为RO膜组2正常运行与实际运行的进水流量差值（即为RO膜组2正常进水流量－RO膜组2实际进水流量），并通过增压泵5将浓盐水输送到RO膜组2进水管路，使RO膜组2进水流量保持不变。同时，由于部分浓盐水回流到RO膜组2进水管路，造成进水含盐量增加，产水量降低。因此，需要控制排放阀3的开度，调节膜壳内压力，以维持产水流量稳定。
本发明的海水淡化系统的运行，是在控制器的控制下实现的，控制器通过变频器控制高压泵的电机转速，在发电系统的输出功率低于高压泵的运行功率且发生波动时，通过对浓盐水回流管路上的回流阀4的控制，将部分RO浓盐水补充到RO膜组进水管路，使RO膜组进水流量保持不变，实现反渗透海水淡化系统的变负荷运转，同时调节排放阀3的开度，以调节RO膜壳内压力。
实施例2
如图2所示，以产水量为50m3/d，回收率为40%的带能量回收装置6的RO系统为例。与图1工艺不同的是在RO系统中加入了能量回收装置6。RO系统正常运行时，RO膜组2的浓盐水全部经过排放阀3进入到能量回收装置6，将浓盐水的水力能转变成原海水水力能后进行排放；同时，60%的原海水进入能量回收装置6获得水力能后经过增压泵5输送到RO膜组2的进水管路，40%的原海水经过高压泵1输送到RO膜组2的进水管路。当风电、太阳能发电系统的输出功率低于高压泵1的运行功率且发生波动时，具体实施方法与无能量回收装置的变负荷反渗透系统工艺相同。
实施例3
如图3所示，以产水量为5m3/d，回收率为29%的带SWPE7的RO系统为例。与图1工艺不同的是在RO系统中加入了SWPE7。SWPE7由连在同轴电动机上的一台APP泵和一台APM发动机组成，是通过让从RO膜组2出来的浓盐水进入APM发动机，把高压水能转化成机械能供电动机再利用来实现的。RO系统正常运行时，原海水经过APP泵进入RO膜组2，RO膜组2的浓盐水全部经过排放阀3进入到APM回收能量后排放。由于APM的排量是固定的，因此，回收率也是固定的。本套RO系统选用的SWPE7的最大进水流量为1.05m3/h。当风电、太阳能发电系统的输出功率低于高压泵的运行功率且发生波动时，SWPE7的APP进水流量和APM排放流量会在额定范围内发生变化，具体实施方法与无能量回收装置的变负荷反渗透系统工艺相同。
尽管上面结合附图对本发明的典型实例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种变负荷反渗透海水淡化系统，包括控制器、变频器、高压泵和RO膜组，变频器用于调节高压泵的电机转速，以调节反渗透膜组件的进水流量，其特征在于，RO膜组的反渗透浓盐水管路分为两个支路，一支路为浓盐水排放管路，另一支路为浓盐水回流管路，在浓盐水排放管路上设置有排放阀，在浓盐水回流管路上设置有回流阀和增压泵；控制器用于通过变频器控制高压泵，并在发电系统的输出功率低于高压泵的运行功率且发生波动时，通过对浓盐水回流管路上的回流阀的控制，将部分RO浓盐水通过增压泵补充到RO膜组进水管路，使RO膜组进水流量保持不变，实现反渗透海水淡化系统的变负荷运转，同时调节排放阀的开度，以调节RO膜壳内压力，保证了低功率运行时RO系统的产水量不变。
2.根据权利要求1所述的变负荷反渗透海水淡化系统，其特征在于，所述的变负荷反渗透海水淡化系统带有能量回收装置。
3.根据权利要求1所述的变负荷反渗透海水淡化系统，其特征在于，所述的变负荷反渗透海水淡化系统采用带有能量回收装置的高压泵。
4.一种变负荷反渗透海水淡化方法，包括：
(1)在高压泵的电机前使用变频器，用以调节电机转速，使得RO膜组进水流量可调；
(2)将反渗透浓盐水管路分成两个支路，一支路为浓盐水排放管路，另一支路为浓盐水回流管路，在浓盐水排放管路上设置排放阀，在浓盐水回流管路上设置回流阀；
(3)在正常运转情况下，回流阀关闭；
(4)当发电系统的输出功率低于高压泵的运行功率且发生波动时，通过对浓盐水回流管路上的回流阀的控制，将部分RO浓盐水通过增压泵补充到RO膜组进水管路，使RO膜组进水流量保持不变，实现反渗透海水淡化系统的变负荷运转；
(5)控制回流阀的开度，调节排放阀的开度，以调节RO膜壳内压力，保证了低功率运行时RO系统的产水量不变。
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