不同能量回收组合工艺下海水淡化系统比能耗分析

doi:10.19965/j.cnki.iwt.2023-0706

摘要/Abstract

摘要：

能量回收装置能够降低反渗透海水淡化系统的比能耗与运营成本，是重要的核心节能装备。预设进水流量与回收率均相同的反渗透海水淡化系统，提出无透平单级、单透平单级、双透平双段、单透平段间增压这4种组合工艺，对反渗透系统进行工艺路线设计和设备选型研究。为验证组合工艺的性能，选取两种计算方式对系统比能耗进行分析。结果表明，能量回收技术能够降低系统比能耗，通过对透平式能量回收装置进行优化组合，特别是双透平双段式和单透平段间增压式的组合工艺能够大幅降低系统比能耗和综合成本。

关键词: 海水淡化, 反渗透, 比能耗, 能量回收装置

Abstract:

Energy recovery devices can reduce the specific energy consumption and operation cost of reverse osmosis desalination systems, which is an important core energy-saving equipment. In this paper, four combined processes were proposed, including turbine-free single-stage, single-turbine single-stage, dual-turbine two-stage, and single-turbine inter-stage pressurization for reverse osmosis seawater desalination systems, whilst ensuring the same influent flow rate and recovery rate. The whole process routes and equipment selection were also studied. To evaluate the performance of the combined process, the specific energy consumption ratios were analyzed with two different energy consumption ratio analysis methods. The results showed that energy recovery technology can reduce system-specific energy consumption. Optimizing the combination of turbine energy recovery devices, especially the combination process of dual-turbine double-stage desalination system and single-turbine inter-stage pressurized desalination system can significantly reduce the specific energy consumption and overall cost of the system.

Key words: desalination, reverse osmosis, specific energy consumption, energy recovery device

中图分类号:

X703

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https://www.iwt.cn/CN/Y2024/V44/I5/212

图/表 14

图1 T-ERD结构及工作原理

Fig.1 Structure and working principle of T-ERD

图2 4种组合工艺示意注：0~8分别代表节点0~节点8。

Fig.2 Diagram of four systems

表1 4种组合工艺的设备数量

Table 1 Number of devices in the four systems

组件	SSDS	STSS	STIP	DTDS
HPP/个	1	1	1	1
RO膜/组	1	1	2	2
ERD/个	0	1	1	2

表2 进水离子浓度

Table 2 Feed water ion concentrations

项目	质量浓度/（mg·L^-1）	项目	质量浓度/（mg·L^-1）
K⁺	373.4	F^-	1.22
Na⁺	10 087	Cl^-	18 107
Mg²⁺	1 201	Br^-	62.95
Ca²⁺	385.6	SO₄ ^2-	2 538
Sr²⁺	7.44	SiO₂	0.91
CO₃ ^2-	14.88	B	4.2
HCO₃ ^-	96.57	CO₂	0.39

表3 4种工艺的节点数据

Table 3 Node data of the four systems

节点	SSDS		STSS		STIP		DTDS
节点	压力/MPa	流量/（m³·h^-1）	压力/MPa	流量/（m³·h^-1）	压力/MPa	流量/（m³·h^-1）	压力/MPa	流量/（m³·h^-1）
节点0	0.2	120	0.2	120	0.2	120	0.2	120
节点1	6.31	120	3.91	120	3.16	120	2.91	120
节点2	0	48	6.31	120	2.86	88	4.40	120
节点3	6.08	72	6.08	72	6.31	88	4.20	88
节点4	—	—	0	48	6.01	72	6.31	88
节点5	—	—	0.15	72	0.15	72	5.7	72
节点6	—	—	—	—	0	48	3.9	72
节点7	—	—	—	—	—	—	0.15	72
节点8	—	—	—	—	—	—	0	48

表4 4系统高压泵参数以及价格

Table 4 Parameters and prices of high-pressure pumps in the four systems

系统	扬程/m	流量/（m³·h^-1）	高压泵型号	价格/元
SSDS	630	120	DP150-100×6	349 082
STSS	440	120	DP120-50×8	196 982
STIP	300	120	DP120-50×6	156 793
DTDS	300	120	DP120-50×6	156 793

表5 4系统RO膜单元数量及总价

Table 5 Unit quantities and total prices of RO membranes in the four systems

系统	一段RO/支	二段RO/支	总价/元
SSDS	60	—	342 000
STSS	60	—	342 000
STIP	60	36	547 200
DTDS	60	36	547 200

表6 4种组合工艺T-ERD型号以及价格

Table 6 Parameters and prices of T-ERD in the four systems

系统	型号	价格/元
STSS	HPB130	320 000
STIP	HPB130	320 000
DTDS₁	HPB130	320 000
DTDS₂	HPB80	250 000

表7 式（3）中各参数具体数值

Table 7 The specific values of each parameter in Equation（3）

参数	SSDS	STSS	STIP	DTDS
$H$	611	371	296	271
$Q n$	120	120	120	120
$η m$	87	87	87	87
$η p$	85	85	85	85
$η v$	97	97	97	97

表7 式（3）中各参数具体数值

Table 7 The specific values of each parameter in Equation（3）

参数	SSDS	STSS	STIP	DTDS
$H$	611	371	296	271
$Q n$	120	120	120	120
$η m$	87	87	87	87
$η p$	85	85	85	85
$η v$	97	97	97	97

表8 式（2）中的项数

Table 8 Number of terms in Equation（2）

参数	SSDS	STSS	STIP		DTDS
$P$	$P 0,1$	$P 0,1$	$P 0,1$		$P 0,1$
$Q d$	$Q 0,1$	$Q 0,1$	$Q 0,1$		$Q 0,1$
$η p$	$η 0,1$	$η 0,1$	$η 0,1$		$η 0,1$
$P i$	$P 0,1$	$P 1,2$	$P 0,1$	$P 2,3$	$P 1,2$	$P 3,4$
$Q i$	$Q 0,1$	$Q 1,2$	$Q 0,1$	$Q 2,3$	$Q 1,2$	$Q 3,4$
$Y i$	$Y$	$Y$	$Y 1$	$Y 2$	$Y 1$	$Y 2$
$η E$	—	$η E$	—	$η E$	$η E 1$	$η E 2$
$Q l$	$Q l$	$Q l$	$Q l$		$Q l$

表8 式（2）中的项数

Table 8 Number of terms in Equation（2）

参数	SSDS	STSS	STIP		DTDS
$P$	$P 0,1$	$P 0,1$	$P 0,1$		$P 0,1$
$Q d$	$Q 0,1$	$Q 0,1$	$Q 0,1$		$Q 0,1$
$η p$	$η 0,1$	$η 0,1$	$η 0,1$		$η 0,1$
$P i$	$P 0,1$	$P 1,2$	$P 0,1$	$P 2,3$	$P 1,2$	$P 3,4$
$Q i$	$Q 0,1$	$Q 1,2$	$Q 0,1$	$Q 2,3$	$Q 1,2$	$Q 3,4$
$Y i$	$Y$	$Y$	$Y 1$	$Y 2$	$Y 1$	$Y 2$
$η E$	—	$η E$	—	$η E$	$η E 1$	$η E 2$
$Q l$	$Q l$	$Q l$	$Q l$		$Q l$

表9 式（2）中各参数具体数值

Table 9 The specific values of each parameter in Equation（2）

参数	SSDS	STSS	STIP	DTDS
$Q 0,1$	120	120	120	120
$Q 1,2$	—	120	—	120
$Q 2,3$	—	—	88	—
$Q 3,4$	—	—	—	88
$P 0,1$	6.11	3.71	2.96	2.71
$P 1,2$	—	2.4	—	1.49
$P 2,3$	—	—	3.45	—
$P 3,4$	—	—	—	2.11
$η 0,1$	85	85	85	85
$Y 、 Y 1 、 Y 2$	99	99	99	99
$η E 、 η E 1 、 η E 2$	75	75	75	75
$H$	611	371	296	271

表9 式（2）中各参数具体数值

Table 9 The specific values of each parameter in Equation（2）

参数	SSDS	STSS	STIP	DTDS
$Q 0,1$	120	120	120	120
$Q 1,2$	—	120	—	120
$Q 2,3$	—	—	88	—
$Q 3,4$	—	—	—	88
$P 0,1$	6.11	3.71	2.96	2.71
$P 1,2$	—	2.4	—	1.49
$P 2,3$	—	—	3.45	—
$P 3,4$	—	—	—	2.11
$η 0,1$	85	85	85	85
$Y 、 Y 1 、 Y 2$	99	99	99	99
$η E 、 η E 1 、 η E 2$	75	75	75	75
$H$	611	371	296	271

图3 系统比能耗随不同系统的变化

Fig.3 Variation of system SEC with different systems

图4 4系统制水成本

Fig.4 Four system water production costs

图5 不同系统的投资成本

Fig.5 Investment cost of different systems

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