利用可再生能源的反渗透膜法海水淡化方案探讨

叶 华，陈斌伟

(华东电力设计院，上海 200063)

目前解决缺水问题的方法除使用各类节水设施外，还有地下取水、建造水库、远程调水和海水淡化等方法，前三者弊端日渐明显，长期使用易造成水资源枯竭、地面下沉、浪费土地、破坏生态等后果，且其成本也在不断提高。前三种方法均属于存量调整，在淡水紧缺的背景下，长期潜力有限。与之相反，因海水取之不尽，海水淡化已成为世界公认的最佳供水解决方案。

1 我国水资源现状

我国是一个水资源严重短缺的国家。世界人均水资源占有量约7 500 m3，而我国人均水资源占有量约2 100 m3，为世界平均值的28%。在全国660多个城市中，400多个城市缺水，108个城市严重缺水。

我国水资源地区分布不均衡。总体来看，我国西部和北部地区缺水，南部水源相对充足。沿海地区经济发达，人口稠密，人均水资源量不足500 m3，水资源短缺形势也很严峻，其中东部沿海地区是最缺水的地区之一。这些地区由于长期超量抽采地下水，致使地下水位线大幅下降，形成了资源性缺水，再加上地表水污染等问题又造成了水质性缺水。

2 海水淡化是缓解我国水资源短缺的战略途径

为了缓解水资源短缺状况，我国采取了封山育林、涵养水源、兴建水利设施、跨流域调水、改进农业灌溉方式、节约用水、污水循环利用等多种措施，取得了很大的成绩。但由于我国经济快速发展，人口不断增加，对水的需求越来越大，缺水状况日趋严重。虽然采取了上述措施，但由于没有从总量上增加水资源，因此还没有从根本上缓解水资源短缺问题。

与其他途径相比，以海水淡化方式缓解水资源紧缺现状具有多方面的独特优势。首先，海水淡化可以增加淡水资源总量，从根本上解决淡水资源短缺问题;其次，作为提取淡水的基本原料，海水储量巨大，取之不尽;第三，海水是一种无国界的资源，不存在资源争夺问题;第四，海水成本为零，无需支付取水费用;第五，海水淡化技术成熟，生产稳定性强，受制约因素少。

一般情况下，1 L海水中含35 g盐，要想达到直接饮用和浇灌的目的，必须经过海水淡化系统处理，海水淡化就是将盐水变成淡水的过程。目前可以规模化淡化海水［1］的方法主要有蒸馏法和膜法［2］(反渗透法)两种。蒸馏法海水淡化是将海水蒸发，再进行冷凝，使其脱掉盐分，获取淡水，该方法主要消耗的是热能，适用于具有稳定热源和供水量大的地区。膜法海水淡化主要将海水强制加压使淡水透过反渗透膜进入膜的另一侧，从而滤掉盐分，获取淡水，该方法主要消耗电能，适用于电力充足的地区。近年来我国在海水淡化领域取得了长足发展，经过科技攻关，我国先后建成了日产3 000 m3低温多效蒸馏法海水淡化和日产5 000 m3反渗透海水淡化等具有自主知识产权的示范工程，部分领域已跻身国际先进水平。

3 我国可再生能源发展概况

我国可再生能源资源品种齐全、数量众多，资源基础雄厚，经过近年的快速发展，在可再生能源利用方面已取得长足的进步。在缺水的北部地区，风能、太阳能资源丰富，在沿海地区及海岛上蕴藏着丰富的风能、太阳能、海洋能等资源，可为膜法海水淡化系统提供充足的绿色电力。

3.1 风能

我国陆地可利用风资源约2.5亿kW，海上可利用风资源约7.5亿kW，总量居世界第三位。截止2011年底，我国新增风电装机容量1 763万kW，累计装机容量6 236万kW，居世界第一。在大力发展陆地风电的同时，我国海上风电也有突破性进展。已建成的上海东海大桥海上风电场是全球除欧洲外首个大型海上风电项目，总装机容量10万kW。

2011年度，全国各省级电网区域风电利用小时平均为1920 h，风电弃风限电总量超过100亿kW·h［3］，风电并网运行和消纳问题已经成为制约我国风电持续健康发展的重要因素。

3.2 太阳能

我国幅员广大，有着十分丰富的太阳能资源。据估算，我国陆地表面每年接受的太阳辐射能约50×1018kJ，全国三分之二地区日照小时数大于2 200 h。2011年全国光伏新增装机达260万kW，累计装机容量达到343万kW，到“十二五”末期，全国光伏装机容量计划达到1 500万kW。

3.3 海洋能

我国海岸线长达1.8万km，拥有6 500多个大小岛屿，海域面积470多万km2，海洋能资源十分丰富。世界上根据实用价值将海洋能发电分作潮汐能、波浪能、潮流能、海流能、温差能和盐差能等6种形式，从发展前途看，前3种具有较大潜力。根据资料，我国沿岸的潮汐能资源可开发总装机容量约2 179万kW，沿岸及海域波浪能可开发装机容量约为5.8亿kW，潮流能资源可开发总装机容量约为1 395万kW［4］。国内外已将海洋能发电技术作为重点研究目标，国外已有兆瓦级潮流能发电机组投入商业运行，国内也有兆瓦级海洋能发电设备投入试验运行。随着技术的日益成熟，海洋能不但能为沿海地区提供电力，还能成为海岛地区理想的主要电力来源。

4 膜法海水淡化系统的设计优化及调整

我国在可再生能源利用领域发展迅速，发电装机规模不断扩大，已居世界领先地位。但风能、太阳能、海洋能都具有不稳定、发电量与用电负荷不匹配及不可预见等缺点，无法像常规能源一样提供稳定、可控的电力，使其发展受到较大的制约。若将可再生能源与海水淡化系统有机结合，变蓄电为蓄水，不仅能大幅提高可再生能源发电设备的利用小时数，也能解决局部淡水资源紧缺问题，创造综合利用可再生能源和海水资源的新循环经济模式。

常规的膜法海水淡化系统以具有稳定电源及系统安全连续运行为基本条件，若电源不稳定，会对按常规设计的系统设备造成极大的损伤，以至无法运行。因此除需要进一步发展技术降低可再生能源的波动外，同时也需要对膜法海水淡化系统进行调整优化，使之适应可再生能源特点，相互取长补短，提高整体使用效率，从而可以在更广泛的领域得以推广使用。

4.1 系统功能调整

海水中的含盐量一般在35 g/L左右，我国膜法海水淡化大多采用两级反渗透系统，其产水含盐量可小于3 mg/L，这主要是因为其产水一般是为工厂后续水处理系统供水，对水质要求较高。而对于以可再生能源为电源的膜法海水淡化系统主要是为沿海或海岛居民提供日常生产生活用水，水中含盐量小于500 mg/L就可基本满足要求［5］。

随着科技的进步，目前一级海水反渗透淡化系统长期运行脱盐率大于99%，从而保证产水含盐量小于350 mg/L，除硼离子含量可能会略高于0.5 mg/L不能达标外［6］，一级海水淡化系统出水基本可作为居民日常生活用水。因此可考虑采用一级海水反渗透淡化系统，并根据海水硼离子含量情况配套采用高脱硼海水反渗透膜、硼选择性树脂、吸附剂、两级反渗透等处理措施［7］，既能保证供水水质，又能降低投资和运行费用，同时也降低单位制水的电耗，更有利于海水淡化系统在不稳定电源情况下的运行。

4.2 系统系列设备出力调整

常规的膜法海水淡化系统是“因需制水”，同时追求规模化效益，会将单系列设备出力尽量做到最大，一般每系列设备出力可达100～400 m3/h，设2～4个系列，这样既能节省设备投资也能减小占地面积。而对于以可再生能源为电源的膜法海水淡化系统更多的应是考虑“因电制水”，其系统设备出力应根据可再生能源提供的电量来进行优化设计。

可再生能源所提供的电力会随着风速、光照等外部条件不断变化，而用电负荷也在不断波动，特别是在海岛或孤网运行的地区，提供给膜法海水淡化系统的电力具有很大波动性和不可预见性。若无其他电源提供电力保障，为了保证膜法海水淡化系统的安全稳定高效运行，其设备设置宜采用大小搭配的原则，即设置2～3系列小出力设备，每系列设备用电负荷宜占总供电量的1/8～1/10，该系列在供电量较低的情况下运行，再设置2～3系列大出力设备，每系列设备用电负荷宜占总供电量的1/3～1/4，该种系列在供电量较高的情况下运行。

根据资料显示我国沿海地区90 m高度年平均风速约8 m/s左右，目前我国主流2 MW风机在5 m/s风速时，发电功率约为200 kW;8 m/s风速时，发电功率约900 kW;10.5 m/s风速时，发电功率约为2 000 kW。而膜法海水淡化系统每吨水电耗约为4～6 kW·h，若一台2 MW风机所发电量全部供海水淡化系统使用，综合考虑风机实际发电量、海水淡化系统设备利用率、设备总投资等因素，宜设置3套出力为40 m3/h的设备，每套负荷约200 kW，再设置2套80 m3/h的设备，每套负荷约400 kW，这样既能保证在低风速时设备正常运行，也能保证在高风速时不造成弃风，能充分利用风资源。

4.3 增大蓄水能力，变蓄电为蓄水

膜法海水淡化系统中设有超滤产水箱(池)和淡水箱(池)以储存超滤产水和反渗透产水，主要作为临时贮存设备以满足系统用水需求，一般容量为系统1～2 h处理水量。若适当增加水箱(池)容积，满足存储一段时间内系统满负荷运行所生产的淡水量，就能在有富余电量时变蓄电为蓄水，解决可再生能源供电量与用电负荷不匹配的问题。

变蓄电为蓄水具有多方面的独特优势。首先，相对于技术复杂、蓄能量小、投资昂贵的蓄电设备，蓄水所需设备仅为水箱或水池，此类设备结构简单、制作工艺成熟，单体设备容积可达上万m3，且设备投资较蓄电池要低很多;其次，相对蓄电池不到70% ～80%的转换效率而言，蓄水就是直接贮存产品，不需要再次转换，提高了系统效率;第三，蓄电池长时间蓄电会自然放电、发热，而淡水易于长期贮存，无能源损耗，可降低系统能量损失;第四，蓄电池在生产和使用过程中都会产生污染环境的物质，不利于环保，而用于蓄水的水箱或水池，不会对环境产生影响，具有较高的环保作用。

一个万人规模的海岛或城镇5 d用水量约10 000 m3，其贮存用水箱或水池造价约为300～350万元，若此10 000 m3淡水由膜法海水淡化系统制备，则需耗电约5万kW·h，相当于一台2 MW风机连续满负荷运行25 h，若采用蓄电池对此电力进行贮存，则蓄电池设备总投资将超过4 000万元，可见由蓄电变蓄水有着巨大的发展优势。

4.4 加热设备选型调整

提高进水温度可提高膜的水通量，有效减少膜的数量，最终降低膜法海水淡化系统的运行能耗及投资费用。据统计水温每提高1℃，反渗透膜的产水量将增加约2.7%，超滤膜的产水量将增加约2.2%，因此常规膜法海水淡化系统均会以循环水排水为水源或设置加热器，以保证水温在15～25℃。

对于风能、太阳能、海洋能等可再生能源电站而言，既无循环水排水，也不生产蒸汽，但膜法海水淡化车间多为单层平房结构，可以考虑利用其车间顶部设置太阳能加热器用于加热系统进水;同时由于太阳能加热器使用时间的局限性，也可配置一定量的电加热器，利用发电高峰时段的富余电力为进水加热。

4.5 优化运行管理

常规膜法海水淡化系统主要运行模式是以满足对外供水为主要目的，一般按系列整套投运，主要耗电设备为预处理进水泵、反渗透升压泵(预处理产水泵)、反渗透高压泵及淡水泵等，其耗电量之和约占膜法海水淡化系统正常运行总耗电量的80%～90%。表1为目前已投运几个膜法海水淡化项目主要用电设备产水电耗统计表，由统计数据可知，在膜法海水淡化系统的主要耗电设备中海水反渗透装置(含反渗透升压泵和反渗透高压泵)所占用电比重最大，约80% ～90%，而预处理装置及对外供水设备所占用电比重较小，共约10% ～20%。

表1 膜法海水淡化系统主要用电设备产水电耗Tab.1 Statistics of Energy Consumption with Main Electrical Equipment of Seawater Desalination Schemes through RO Process

对于以可再生能源为电源的膜法海水淡化系统，除了在系统设置、设备选型上进行优化调整，使之适应电源的不稳定性外，如何优化系统运行管理，充分利用电力资源，也显得尤为重要。针对膜法海水淡化系统中反渗透装置用电比重大，而预处理装置用电比重小的特点，应改变常规的按系列整套投运的运行模式，而是根据供电量分模块投运所能运行的设备。如在较低供电量时，可只投运预处理装置，将预处理产水储存在水箱中;当供电量增大至可满足一套反渗透装置运行需要时，可停运预处理装置启动反渗透装置;当供电量继续增大至能满足一整套膜法装置运行时，则再次运行预处理装置，保证整套系统连续稳定运行;当供电量持续减少时，则应按相反顺序停运设备。同时应增加电量监控设备及软件，在用电设备投运前需对系统整体用电量及供电量进行比对，确保系统的安全运行。

通过调整优化运行模式，可在低供电量时启动低耗电设备运行，并使海水淡化系统适应可再生能源供电量不稳定的特点，充分利用可再生能源所供电力，可极大提高能源的利用效率。

5 结束语

我国可再生能源资源丰富，发电装机规模不断扩大，但其发电量不稳定、发电量与用电负荷不匹配等问题也日渐显现。若将可再生能源与海水淡化系统有机结合，对成熟的膜法海水淡化系统进行适当的优化调整，使之适应可再生能源的电量波动，相互取长补短，变蓄电为蓄水，不仅能大幅提高可再生能源发电设备的利用小时数，提高能源利用效率，还能解决我国局部淡水资源紧缺问题。

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