變負荷反滲透海水淡化系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于海水淡化【技術(shù)領域】，涉及一種變負荷反滲透海水淡化系統(tǒng)，包括控制器、變頻器、高壓泵和RO膜組，變頻器用于調(diào)節(jié)高壓泵的電機轉(zhuǎn)速，以調(diào)節(jié)反滲透膜組件的進水流量，其特征在于，RO膜組的反滲透濃鹽水管路分為兩個支路，一支路為濃鹽水排放管路，另一支路為濃鹽水回流管路，在濃鹽水排放管路上設有排放閥，在濃鹽水回流管路上設有回流閥和增壓泵；控制器在發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率低于高壓泵的運行功率且發(fā)生波動時，通過對濃鹽水回流管路上的回流閥的控制，將部分RO濃鹽水通過增壓泵補充到RO膜組進水管路，使RO膜組進水流量保持不變。本發(fā)明同時提供一種上述系統(tǒng)實現(xiàn)的海水淡化方法。本發(fā)明具有適用范圍廣、運行穩(wěn)定、效率高的優(yōu)點。
【專利說明】變負荷反滲透海水淡化系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明涉及風能、太陽能等新能源發(fā)電與反滲透(RO)海水淡化耦合技術(shù)，是一種適應能源的波動性的反滲透海水淡化工藝。
【背景技術(shù)】
[0002]開發(fā)新能源與海水淡化技術(shù)相結(jié)合，可以緩解沿海及海島地區(qū)的淡水資源和能源缺乏的問題。風能和太陽能發(fā)電已經(jīng)被廣泛應用，兩種能源在時間分布上具有很強的互補性，而且在技術(shù)應用上也可以將兩種發(fā)電系統(tǒng)進行合理化整合。另外，RO海水淡化系統(tǒng)能耗低，系統(tǒng)簡單，并且較易于與風光互補供電技術(shù)進行耦合。因此，風光互補發(fā)電與RO海水淡化技術(shù)相結(jié)合，具有很好的應用前景。
[0003]風光互補RO海水淡化系統(tǒng)主要由風力發(fā)電機組、太陽能光伏電池組、智能控制器、蓄電池、RO海水淡化系統(tǒng)等組成。風力發(fā)電機和光伏電板產(chǎn)生的電能，通過智能控制器對蓄電池充電，然后通過逆變器將直流電逆變成50Hz的交流電，以供給海水淡化系統(tǒng)使用。
[0004]風能、太陽能發(fā)電的一個重要特點是波動性，RO海水淡化系統(tǒng)的淡水產(chǎn)量也會隨之改變。在反滲透海水淡化系統(tǒng)中，電費占造水成本的1/2~2/3，設備占造水成本的1/4左右。反滲透海水淡化系統(tǒng)的能耗指標主要取決于高壓泵、增壓泵和能量回收裝置，其中高壓泵是主要耗能設備，其耗 電約占系統(tǒng)運行費用的35%，所以高壓泵的運行效率是影響海水淡化系統(tǒng)制水成本的主要因素之一。當發(fā)電輸出功率低于高壓泵的運行功率時，高壓泵的轉(zhuǎn)速降低，RO系統(tǒng)的產(chǎn)水量下降，當輸出功率降低到不能維持RO系統(tǒng)正常運行時，RO系統(tǒng)便會關閉。
[0005]為了應對風、光發(fā)電的不穩(wěn)定性，國內(nèi)外進行了變負荷海水淡化技術(shù)研究。其中，西班牙的加納利群島風電海水淡化試驗，是通過多組RO的投切而實現(xiàn)變負荷，適應風電的波動，此方法適用于多組RO系統(tǒng)的工程，對于單組RO系統(tǒng)并不適用。德國Enercon公司在Utsira島進行的試驗研究的方案針對與系統(tǒng)專門配套的能量回收裝置設計實現(xiàn)了單臺RO的可變負荷，在此研究中將能量回收裝置的RO濃鹽水進出口分別設置了閥門，根據(jù)負荷功率的變化來控制RO濃鹽水流量，以實現(xiàn)RO海水淡化系統(tǒng)的變負荷運行，具有通用性差的缺陷。中國水利水電科學研究院設計了可變負荷的反滲透海水淡化系統(tǒng)，用電動閥替代常規(guī)濃鹽水調(diào)節(jié)閥，變頻器控制高壓泵電機，通過PLC控制變頻器的輸出頻率和電動閥的開度使RO海水淡化的功率可調(diào)，其反滲透系統(tǒng)中沒有采用能量回收裝置，另外，當風電、太陽能發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率低于高壓泵的運行功率且發(fā)生波動時，產(chǎn)水量會隨著進水流量的降低而減少，由于沒有濃鹽水通過回流管路補充到RO膜進水管路，因此，不能維持產(chǎn)水量的穩(wěn)定。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是克服風、光發(fā)電的波動性，提供一種適用范圍廣、運行穩(wěn)定、效率高的變負荷反滲透海水淡化系統(tǒng)及淡化方法。本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0007]—種變負荷反滲透海水淡化系統(tǒng)，包括控制器、變頻器、高壓泵和RO膜組，變頻器用于調(diào)節(jié)高壓泵的電機轉(zhuǎn)速，以調(diào)節(jié)反滲透膜組件的進水流量，RO膜組的反滲透濃鹽水管路分為兩個支路，一支路為濃鹽水排放管路，另一支路為濃鹽水回流管路，在濃鹽水排放管路上設置有排放閥，在濃鹽水回流管路上設置有回流閥和增壓泵；控制器用于通過變頻器控制高壓泵，并在發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率低于高壓泵的運行功率且發(fā)生波動時，通過對濃鹽水回流管路上的回流閥的控制，將部分RO濃鹽水通過增壓泵補充到RO膜組進水管路，使RO膜組進水流量保持不變，實現(xiàn)反滲透海水淡化系統(tǒng)的變負荷運轉(zhuǎn)，同時調(diào)節(jié)排放閥的開度，以調(diào)節(jié)RO膜殼內(nèi)壓力。
[0008]其中，所述的變負荷反滲透海水淡化系統(tǒng)可以帶有，也可以不帶有能量回收裝置；另外，也可以采用帶有能量回收裝置的高壓泵。 [0009]本發(fā)明同時提供一種變負荷反滲透海水淡化方法，通過如下的方法來實現(xiàn):
[0010](I)在高壓泵的電機前使用變頻器，用以調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，使得RO膜組進水流量可調(diào)；
[0011](2)將反滲透濃鹽水管路分成兩個支路，一支路為濃鹽水排放管路，另一支路為濃鹽水回流管路，在濃鹽水排放管路上設置排放閥，在濃鹽水回流管路上設置回流閥；
[0012](3)在正常運轉(zhuǎn)情況下，回流閥關閉；
[0013](4)當發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率低于高壓泵的運行功率且發(fā)生波動時，通過對濃鹽水回流管路上的回流閥的控制，將部分RO濃鹽水通過增壓泵補充到RO膜組進水管路，使RO膜組進水流量保持不變，實現(xiàn)反滲透海水淡化系統(tǒng)的變負荷運轉(zhuǎn)；
[0014](5)調(diào)節(jié)排放閥的開度，以調(diào)節(jié)RO膜殼內(nèi)壓力。
[0015]本發(fā)明的變負荷RO海水淡化系統(tǒng)與方法的實質(zhì)性特點是:在反滲透濃鹽水管路上將一部分濃鹽水回流至RO進水，通過調(diào)節(jié)RO進水流量和RO濃鹽水流量來實現(xiàn)RO海水淡化系統(tǒng)的變負荷運行。具有如下有益效果:
[0016](I)通過對RO進水量和RO膜殼內(nèi)壓力的調(diào)節(jié)，實現(xiàn)了 RO海水淡化系統(tǒng)的變負荷運行，適應了風電、太陽能等新能源的波動性。
[0017](2)在維持膜殼內(nèi)壓力穩(wěn)定的工況下，低功率運行時保證了 RO系統(tǒng)的產(chǎn)水量，可以降低單位產(chǎn)水能耗，從而降低了運行成本。
[0018](3)本工藝方法適用范圍廣，RO系統(tǒng)中有無能量回收裝置都適用。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1是本發(fā)明無能量回收裝置的變負荷反滲透海水淡化工藝簡圖。
[0020]圖2是本發(fā)明帶能量回收裝置的變負荷反滲透海水淡化工藝簡圖。
[0021]圖3是本發(fā)明帶能量回收的海水高壓泵(SWPE)的變負荷反滲透海水淡化工藝簡圖。
[0022]圖中:
[0023]1:高壓泵 2:R0膜組
[0024]3:排放閥 4:回流閥
[0025]5:增壓泵 6:能量回收裝置[0026]7:SffPE【具體實施方式】
[0027]下面結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明的變負荷反滲透海水淡化工藝做出詳細說明。
[0028]實施例1
[0029]如圖1所示(圖中未畫出控制器和變頻器)，以產(chǎn)水量為50m3/d，回收率為40%的RO系統(tǒng)為例。將RO膜組2的濃鹽水管路分成兩個支路，一支路為濃鹽水排放管路，另一支路為濃鹽水回流管路。在濃鹽水排放管路和回流管路上分別設置排放閥3和回流閥4，以控制濃鹽水流量。同時，在濃鹽水回流管路上回流閥4的后面設置增壓泵5，以使回流的濃鹽水輸送到RO膜組2的進水管路。RO系統(tǒng)正常運行時，進水流量為10.5m3/h,回流閥4處于關閉狀態(tài)，且控制排放閥3的開度，使?jié)恹}水排放流量為6.3m3/h。當風電、太陽能發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率低于高壓泵I的運行功率且發(fā)生波動時，通過變頻器改變高壓泵I的電機轉(zhuǎn)速，使RO膜組2在低功耗下運行。同時，控制回流閥4的開度，使?jié)恹}水回流管路的流量值為RO膜組2正常運行與實際運行的進水流量差值(即為RO膜組2正常進水流量一 RO膜組2實際進水流量)，并通過增壓泵5將濃鹽水輸送到RO膜組2進水管路，使RO膜組2進水流量保持不變。同時，由于部分濃鹽水回流到RO膜組2進水管路，造成進水含鹽量增加，產(chǎn)水量降低。因此，需要控制排放閥3的開度，調(diào)節(jié)膜殼內(nèi)壓力，以維持產(chǎn)水流量穩(wěn)定。
[0030]本發(fā)明的海水淡化系統(tǒng)的運行，是在控制器的控制下實現(xiàn)的，控制器通過變頻器控制高壓泵的電機轉(zhuǎn)速，在發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率低于高壓泵的運行功率且發(fā)生波動時，通過對濃鹽水回流管路上的回流閥4的控制，將部分RO濃鹽水補充到RO膜組進水管路，使RO膜組進水流量保持不變，實現(xiàn)反滲透海水淡化系統(tǒng)的變負荷運轉(zhuǎn)，同時調(diào)節(jié)排放閥3的開度，以調(diào)節(jié)RO膜殼內(nèi)壓力。
[0031]實施例2
[0032]如圖2所示，以產(chǎn)水量為50m3/d，回收率為40%的帶能量回收裝置6的RO系統(tǒng)為例。與圖1工藝不同的是在RO系統(tǒng)中加入了能量回收裝置6。RO系統(tǒng)正常運行時，RO膜組2的濃鹽水全部經(jīng)過排放閥3進入到能量回收裝置6，將濃鹽水的水力能轉(zhuǎn)變成原海水水力能后進行排放；同時，60%的原海水進入能量回收裝置6獲得水力能后經(jīng)過增壓泵5輸送到RO膜組2的進水管路，40%的原海水經(jīng)過高壓泵I輸送到RO膜組2的進水管路。當風電、太陽能發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率低于高壓泵I的運行功率且發(fā)生波動時，具體實施方法與無能量回收裝置的變負荷反滲透系統(tǒng)工藝相同。
[0033]實施例3
[0034]如圖3所示，以產(chǎn)水量為5m3/d，回收率為29%的帶SWPE7的RO系統(tǒng)為例。與圖1工藝不同的是在RO系統(tǒng)中加入了 SWPE7。SWPE7由連在同軸電動機上的一臺APP泵和一臺APM發(fā)動機組成，是通過讓從RO膜組2出來的濃鹽水進入APM發(fā)動機，把高壓水能轉(zhuǎn)化成機械能供電動機再利用來實現(xiàn)的。RO系統(tǒng)正常運行時，原海水經(jīng)過APP泵進入RO膜組2，RO膜組2的濃鹽水全部經(jīng)過排放閥3進入到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系統(tǒng)選用的SWPE7的最大進水流量為1.05m3/h。當風電、太陽能發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率低于高壓泵的運行功率且發(fā)生波動時，SWPE7的APP進水流量和APM排放流量會在額定范圍內(nèi)發(fā)生變化，具體實施方法與無能量回收裝置的變負荷反滲透系統(tǒng)工藝相同。
[0035]盡管上面結(jié)合附圖對本發(fā)明的典型實例進行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的【具體實施方式】，上述的【具體實施方式】僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨和權(quán)利要求所保護的范圍情況下，還可以作出很多形式的具體變換，這些均屬于本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種變負荷反滲透海水淡化系統(tǒng)，包括控制器、變頻器、高壓泵和RO膜組，變頻器用于調(diào)節(jié)高壓泵的電機轉(zhuǎn)速，以調(diào)節(jié)反滲透膜組件的進水流量，其特征在于，RO膜組的反滲透濃鹽水管路分為兩個支路，一支路為濃鹽水排放管路，另一支路為濃鹽水回流管路，在濃鹽水排放管路上設置有排放閥，在濃鹽水回流管路上設置有回流閥和增壓泵；控制器用于通過變頻器控制高壓泵，并在發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率低于高壓泵的運行功率且發(fā)生波動時，通過對濃鹽水回流管路上的回流閥的控制，將部分RO濃鹽水通過增壓泵補充到RO膜組進水管路，使RO膜組進水流量保持不變，實現(xiàn)反滲透海水淡化系統(tǒng)的變負荷運轉(zhuǎn)，同時調(diào)節(jié)排放閥的開度，以調(diào)節(jié)RO膜殼內(nèi)壓力。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變負荷反滲透海水淡化系統(tǒng)，其特征在于，所述的變負荷反滲透海水淡化系統(tǒng)帶有能量回收裝置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變負荷反滲透海水淡化系統(tǒng)，其特征在于，所述的變負荷反滲透海水淡化系統(tǒng)采用帶有能量回收裝置的高壓泵。
4.一種變負荷反滲透海水淡化方法,包括: (1)在高壓泵的電機前使用變頻器，用以調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，使得RO膜組進水流量可調(diào)； (2)將反滲透濃鹽水管路分成兩個支路，一支路為濃鹽水排放管路，另一支路為濃鹽水回流管路，在濃鹽水排放管路上設置排放閥，在濃鹽水回流管路上設置回流閥； (3)在正常運轉(zhuǎn) 情況下，回流閥關閉； (4)當發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率低于高壓泵的運行功率且發(fā)生波動時，通過對濃鹽水回流管路上的回流閥的控制，將部分RO濃鹽水通過增壓泵補充到RO膜組進水管路，使RO膜組進水流量保持不變，實現(xiàn)反滲透海水淡化系統(tǒng)的變負荷運轉(zhuǎn)； (5)調(diào)節(jié)排放閥的開度，以調(diào)節(jié)RO膜殼內(nèi)壓力。
【文檔編號】C02F103/08GK103626262SQ201310505256
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年10月23日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月23日
【發(fā)明者】劉錫文, 吳水波, 肖亞蘇, 王金燕, 趙河立 申請人:國家海洋局天津海水淡化與綜合利用研究所