山东海阳核电工程海水淡化取水提升泵招标 - 山东招标网

1、風力逆滲透淡化造水系統蔡政修/工研院能資所一、前言台灣地區，過去一直是以興建大型的發電廠與水庫，來提供電力與水源，支持經濟持續發展。但多年以來，累積之環境負荷已達嚴重程度，而民眾也對環保與生態保育有較積極的要求，新的大型發電廠與水庫之開發，因此對於電力與水源的供應便得另謀新的發展，包括合理有效的利用、省能省水器材的使用、替代能源與替代水源的開發。海水/半鹹水淡化對四面環海的台灣地區是一項具相當潛力的替代水源，其常用的方法包括蒸餾法Distillation、電解法Electrodialysis和逆滲法Reverse Osmosis, RO。其中逆滲透海水淡化根本上是一個分離的方法，也就是將海水分

2、離成淡水和濃度很高的滷水Brine，而滷水的排放可能造成對海洋生態的不利影響；另外，這一方法耗用能量很大。所以，將逆滲透海水淡化作為沿海地區的水資源，在永續經營上，有其限制。為解決此一問題，可以利用風力推動逆滲透半鹹水淡化系統而獲得解決。半鹹水淡化所產生的滷水濃度低，較不會對海洋生態造成不利影響。半鹹水淡化時所須維持的滲透壓低(進行海水淡化必須維持逆滲透壓力在500psi以上，但是假设淡化半鹹水則所須的壓力可減至200psi以下)，且可以利用風能轉換而得，所以不須仰賴傳統的能源。風力逆滲透淡化造水系統，係在經濟部科專計畫水土資源開發與保育技術發展之分項計畫替代水源開發技術下研發，由87年度開始

3、，完成於澎湖白砂鄉赤崁地下水庫上建立試驗場址，進行機組之先驅試驗，包括風力泵浦、逆滲透前處理單元、壓力穩定槽等，一方面發展其關鍵技術，另方面進行機組組件之改进設計與試驗與系統整合。本文介紹風力逆滲透淡化造水系統之組成，以及至目前止所完成的工作。二、風力逆滲透淡化造水系統介紹風力推動的逆滲透半鹹水淡化系統(簡稱風力逆滲透淡化造水系統)，包括三個主要單元：(1)風力泵浦，(2)壓力穩定槽，及(3)逆滲透器圖1。在實際操作時視半鹹水水質的情形，於此一系統內還須加上一些前處理和後處理的設施。圖1 風力逆滲透淡化造水系統示意圖(一)風力泵浦典型的風力發電抽水機組其效率只有機械式風力泵浦機組的一半，因此風

4、力逆滲透淡化造水系統選擇使用機械式風力泵浦(簡稱風力泵浦)。風力泵浦所用之風車為水平軸多葉片旋轉翼Horizontal axis multivane設計。抽水風車內之水泵將吸收的風能轉換為水的壓力能。風力泵浦係由風車受風轉動而以機械力引動泵浦抽水之裝置，其機構為全機械式，亦即無電力轉換及利用過程。根本上，只要能以機械方式抽水且有足夠抽水能力的風力泵浦皆可應用於本系統中；風車引動泵浦的方式，可為直接引動，或齒輪引動；而泵浦為往復活塞式。圖2所示為一個旋轉翼直徑14英呎的Dempster風車在不同風速下能提昇的水壓曲線。照片1所示為安裝於澎湖白砂鄉赤崁地下水庫上試驗場址的風車實體。圖2 旋轉翼直徑

5、14英呎Dempster風車提昇的水壓(二)逆滲透當兩種含不同溶質Solute濃度的溶液被一個半透膜隔開時，在半透膜的兩邊由於化學能的不同而產生不同的壓力。此壓力被稱作滲透壓Osmotic pressure，其大小可用下式表示Lonsdale, 1986：， 其中：為滲透壓，為溶質所含的離子數如NaCl的是2； CaCl2是3，C為溶質的濃度，R為氣體常數，T為絕對溫度。在自然狀態濃度低的一邊承受較大的壓力。因此水分子是由低濃度一邊流向高濃度那一邊圖3。當一個大於滲透壓的壓力加在高濃度一邊時，則自然的水分子流動方向被改變而水分子會改由高濃度流向低濃度。這就是所謂的逆滲透圖3。圖3 逆滲透原理逆

6、滲透處理的效率可以用兩個參數測定：(1)恢復參數Recovery ratio=Qp / Qf、及(2)溶質去除率Solute rejection=為了達到高效率，逆滲透處理通常需要包括化學定性Chemical Conditioning及微過濾Microfiltration等各種預處理。化學定性也可以減少生物污塞Biofouling的發生，以延長半透膜的使用年限。施加3040psipound per square inch的壓力於空隙在15m微米之間的微過濾薄膜上，可以有效的去除待處理水中的小固體顆粒。用於逆滲透之薄膜一般之空隙大小在微米。注意：最小的細菌其大小大約是微米。薄膜通常用酯纖維素Ce

7、llulose acetate或薄膜複化物Thin film composite,TFC製成。在海水或半鹹水淡化之應用上，通常是將一大片半滲透膜纏在一個有孔洞的管子上，而被稱作是螺旋形纏繞裝置Spiral wound module。另外一種常用的逆滲透裝置是將很多細小的半透膜包裹在一起，而被稱作中空纖維管裝置Hollow-fiber module。(三)壓力穩定槽由風車泵浦所產生的水流及壓力隨著風速而變化，RO卻需要穩定的壓力與水流，因此對於風力RO系統而言，則需要一壓力穩定槽，此壓力穩定槽為一特殊的壓力槽。一般的壓力槽用來在高壓下儲存水及釋放水；而壓力穩定槽其設計為用來儲存及調整進水流的壓力

8、，以使出水流能維持在一定的流率及固定的壓力範圍。一簡單傳統的壓力槽係充滿水與空氣，通常稱之為Hydro-pneumatic壓力槽。當水進入槽時，槽內空氣壓縮且反過來施壓力於槽中之水，槽內空氣量會因被水吸收而減少，此為界面交換之自然過程。當槽內空氣壓力增加時，其吸收率亦增加，致使相當量的空氣進到水中而成溶解空氣；空氣的体積便在溶解空氣的水從槽中釋出而減少。當空氣減少時，水的壓力亦減少，儲水量變多，此時的槽稱之為water-logged。為防止water-logged，可参加空氣去補充；但假设参加太多，則只有一些水會被加壓及釋出。空氣太多的槽被稱為air-bound。因此需有適當的空氣量在槽中以維

9、持所欲的水流與壓力。為防止water-logged及air-bound的現象，可使用有diaphram或bladder的壓力槽，這種槽中空氣與水是分開的，以防止吸收作用。在bladder式的壓力槽中，因空氣與鐵材分開，故吸收作用與corrosion的現象皆可防止，bladder中可為空氣或水，bladder可個別購買或更換。不同的diaphram型式皆已商業化，通常diaphram為永久焊固於壓力槽。另一種建構方式為將diaphram螺栓在壓力槽內。壓力槽可先pre-charge空氣，灌入加壓的空氣進入空的壓力槽中，其壓力的大小須考慮操作的水量與壓力。三、風力逆滲透淡化造水系統研發現況如圖4所

10、示為能資所研發風力逆滲透淡化造水系統各機組結合之系統示意圖。能資所於88年度已將風力泵浦的泵浦裝置予以改进，如照片2所示。原泵浦裝置為單軸式單方向輸出，只有在拉桿往上時才有抽水，改进為雙軸式雙方向輸出，拉桿往上有抽水而拉桿往下時亦有出水，將風車的能量利用效率大幅提昇。改进的泵浦裝置有兩段的動力輸出，可分別提供給前處理與RO所需的能量上。即在兩段的抽水中，以一段先作前處理的工作，而前處理完的水，以導管收集在儲水槽中，再利用第二段的抽水予以加壓至壓力穩定槽，由壓力穩定槽予以壓力控制後，輸出至逆滲透器。配合的動力傳輸拉桿改进如照片3。系統運作過程摘述如下：當風速大於起動風速時(例如3.5米/秒)，風

11、力泵浦的風車即吸收風能轉動起來，風車的轉動帶動拉桿上下運動，驅動風力泵浦的泵浦，前段抽水出來後，以導管接至第一壓力穩定槽，主要作用係將抽水的斷續脈衝現象予以平順化，壓力穩定槽後的前處理裝置包括混凝、多介質砂濾與微過濾等為一般的淨水處理過程。前處理完成的水，以導管收集在儲水槽中，再利用第二段的抽水予以加壓經導管流至第二壓力穩定槽。因導管中逆止閥控制水流方向，壓力穩定槽的水流不會倒流至風力泵浦。水流流入壓力穩定槽後，視壓力穩定槽內壓力的大小，依槽上的壓力開關設定的壓力值(如10公斤/平方公分)。當壓力達到所設定的壓力值時，則壓力開關會啟動電磁閥使閥門打開，水流流出壓力穩定槽，流至逆滲透器；當壓力小

12、於所設定的壓力值，電磁閥是保持關閉的；當壓力大於釋壓閥所設定之壓力時(如15公斤/平方公分)，則釋壓閥打開，水經由釋壓閥流回至水源。壓力小於釋壓閥的設定壓力時，釋壓閥是保持關閉的，亦即在壓力開關所設定的壓力與釋壓閥所設定的壓力，範圍內，壓力穩定槽的水流流至逆滲透器，流至逆滲透器的水流受逆滲透膜的隔離，乾淨的水被壓力擠出逆滲透膜後，經由逆滲透器所接的導管流出至儲水槽，而濃縮的水無法通過逆滲透器亦由逆滲透器所接的另一導管流出予以適當的排放。逆滲透器的下游端設置流量調節閥，以控制其淨水與滷水的流出率與維持其操作壓力。四、結論風力逆滲透淡化造水系統為利用風的動力抽汲鹽水並使通過逆滲透膜，以減除鹽水中的

13、鹽份產出淡水。對於缺乏乾淨水源的地方，可以本系統來供應水源，解決缺乏乾淨水源的問題。一般利用逆滲透膜處理鹽水需耗費電力，而本系統則使用風的動力，可節省電力的耗用量。再者，本系統提供風力能源利用的另一可行途徑，以壓力穩定槽解決風力能源不穩定的問題；以直接利用風力機械能，配合逆滲透膜的特性，減除風力轉換為電力的能量損失。本系統之利用亦解決風能不連續的缺點，無需能源的儲存，因有風時就以轉換產生淡水儲存，風力多就多造水，而沒風時，也可以已儲存的乾淨水來供應。其次，本系統對於逆滲透淡化造水所需的前處理，亦利用風力泵浦的動力來提供，以雙軸式的泵浦裝置，將風力泵浦的動力由單動力改进為雙動力，使風力泵浦的利用

14、更具彈性與效率。為了讓風力逆滲透淡化造水系統能在一定的風速下可以正常運轉，不需人力去調整流量閥，系統必須賦加予自動化控制裝置。而系統可依風速及進水水質之即時數值，依所設的條件做壓力穩定槽的流出控制，以求獲得風力逆滲透的最正确操作結果。五、參考文獻Feron, P., The Use of Wind Power in Autonomous Reverse Osmosis Wastewater Desalination, Wind Engineering, 9, pp.180199,1985.Robinson, R., Ho, G. and Mathew, K.,Development of a Reliable Low-Cost Reverse Osmosis Desalination Unit for Remote Communities, Desalination, 86, pp.9-26,1992.Qiao Jin, Design of Wind Powered Reverse Osmosis System. Thesis, University of Hawaii,1995.蔡政修、劉成均、杜培欣等，風力驅動逆滲透淡化造水技術發展，1997合理用水與水技術研討會，工研院能源與資