海水淡化领域新能源的应用

1、新能源在海水淡化领域的应用海水淡化是能M密集型产业，使用化石燃料在带来能源的同时也带来巨大的环境隐患，开发利用新能源进行海水淡化具有现实意义。 主要应用：风能、核能、 太阳能、波浪能、潮汐能、液 化天然气（LND）、热能、生物质能、海洋温差等。.风能海水淡化海上风资源丰富，具有风速大、相对稳定的特点，风能是海水淡化的重要能源选择。国际上利用风能进行海水淡化的国家主要有西班牙、希腊、墨西哥、英 国、澳大利亚、荷兰等（如表1.1 所示）。据国家气候中心测算，我国陆地上离地 面10m高度层风能资源技术可开发M为 2.548 TW , 在一些风能资源丰富，淡水 资源匮乏的地区，特别是一些脱离大陆电网的

2、孤岛地区非常具有优越 性。表1.1风能海水淡化示范工程不完全统计地点水脱盐技术建成年份规模/m 1*dS装机容M烟法国 LflstourB海水RO20025“腊海水RO20013.126 9 （风电）/3*% （光伏）希腊Palms海水RO20022735以色列Maagfm苦咸水1999J0.6讽电）/3. 5 （光伏）田永海水RO198625H西班牙 Gran Canaria海水200419-215西班牙TenerA海水2002200200英国 LAughbtnouAh海水2003122.5美国OahuAi海水R020024 m希 BS Therasta ft海水RO1997儿815英倒CR

3、EST海水R02003122.5西班牙 Fuerteventura 岛海水RO1995642方f凤电）/160 （柴油）P Lj吐才 Los Moriscos苦咸水R01984200希腊 Divpanon海水RO199525中国小黑山岛苦咸水ED1992245风能海水淡化技术风能海水淡化主要有两种形式：（1）风电海水淡化（分离式）；（2）风力宜接驱动海水淡化（耦合式）。分离式是先将风能转化为电能，然后再驱动脱盐单元进行海水淡化。耦合式是将风能转化的机械能宜接用于驱动脱盐单元进行海水淡化。两者都必须采用相关的调节装路解决风能的波动性问题。分离式海水淡化的风电可以并入电网，也可以不并网作为独立能源

4、宜接为海水淡化厂供电。最近，美国GE公司对这两种供电方式的风电海水淡化厂进行了系统的理论和实体模型研究，表明风力发电并入电网式的海水淡化厂成本更低。风电的重要特点是其随机性 （不连续性），风电并网后，会对电网产生负面影 响。同样，即使风电不并网而宜接为海水淡化厂供电，具淡水产M也不稳定，难以保证城市的稳定可靠供水。解决方法主要有：蓄水池法、电池法、抽水蓄能法等，以第一种方法为主。最近，德国著名风电公司Enercon设计并生产出以反渗透海水淡化技术为基础的新型可变负荷运行的风电海水淡化装络 （工作原理如图1.1所示），成功地解 决了因风电不稳定而在独立为海 水淡化系统供电上的限制。其成果和创新主

5、要集中在两个方面：一是新型高效的能M回收装络；二是负载功率和产水M可连续调节。该项技术显著降低了海 水淡化的能耗和成本，同时也大大降低了风电独立海水淡化的难度和技术风险。该系统已经在挪威Utsira进行了运行测试。drindingsea waler intake1.1 德国恩那康公司海水淡化设备工作原理1.2 目前工程应用实例1.2.1 西班牙加那利群岛海水淡化系统Canary Island )加那利群岛位于非洲西北，大西洋东部，由13 个火山岛组成，面积7273 km ， 人口约 200万，是著名旅游胜地。全境属亚热带地中海式气候，年平均降水量为300 mm ,蒸发量高，海水淡化是岛上日常淡

6、水的主要来源。从20 世纪 60 年代以来，全岛共建有采用不同技术的海水淡化厂34 座，其中反渗透法30 座，蒸馏法 3 座，电渗析法 1 座。截至2001 年，最大日淡化能力达331800 m 3。21 世纪初，在欧盟的资助下，兴建一座独立风电海水淡化厂，对比研究三种不同的海水淡化技术 （RO 法、压缩蒸汽法和电渗析法）对风电波动性和随机性的适应性问题，表明三种技术都可用于独立风电海水淡化，其中RO 在技术和经济上最佳。RO 法共采用八组RO 系统，每套RO系统产水能力为25 m 3/d 。该系统一个重要特点是它不需要柴油发电机、电池、抽水蓄能等常规储能装路或设备 来平衡和消除风电的随机性和

7、波动性的影响，只需配备一定转动惯M的飞轮来抑制风机输出功率的快速波动，系统即可正常运行。整个独立电网由两台230 kw 的 风机供电，当风速达到启动风速时，风机开始启动，并优先加速飞轮。同步电机与飞轮一起为独立电网提供基本频率保证。当电网频率达到52 Hz 时，若风机输出功率足够大，将启动第一组RO 系统；若发电功率仍足以支撑另一组RO 系统 , 则启动下一组RO 系统； 依次类推，直到所有RO 系统都已投入运行。在系统运行过程中，若风电输出功率过剩，则优先通过加速飞轮蓄能；其次是调整迎风角 以降低发电输出功率。若风电输出功率仍过大，则关闭其中一台或多台风电机组。当风速降低时，首先通过变桨增加

8、风机输出功率；若输出功率仍偏小，则利用飞轮储能进行弥补。当飞轮转速低至电网最低频率48 Hz 时，若风机输出功率仍不能维持已连接RO 系统正常运行，则关闭其中一组RO 系统；若还不能实现功率平衡，则继续关闭更多组RO 系统，直到所有RO 系统均已停止运行。实验结果表明，采用以上运行策略的独立风电RO 海水淡化系统在不进行能量回收情况下单位产水耗电量为7.5 kWh/m 3 。1.2.2 挪威阿奇若岛（Island of Utsira） 风力海水淡化系统挪威 Utsira 岛风力发电厂可能是目前世界上惟一的独立于电网的大型风力发电系统，建于2004 年， 由德国恩那康公司设计。整个系统由四组反渗

9、透膜（RO-Unit） 组成， 每组产水能力为7.5-15m3/h,系统最大产水能力为1440 m3/d。因系统采用Enercon专门设计的能M回收装路， 产水耗电 量为 2-2.8 kWh/m 3。整个系统包括：Enercon风机；柴油发电机组;（3）主同步装路； 于掘制频率的飞轮蓄能装路；（5）蓄电池装路。柴油发电机组主要用于当风速波动过大或风速过小而供电不足时保证电厂的正常供电。主同步装路和飞轮蓄能装路则尽可能减少柴油发电机组的启动。一般主同步装路和飞轮蓄能装路可保证系统稳定运行，不需柴油发电机组投入工作。对于引起风机功率快速波动的阵风，飞轮储能装路可以起到稳定电网的作用。蓄电池装路主要

10、用于平衡长周期的供电用电不匹配。当用水（或用电）低谷时，多余的电用来为蓄电池装路充电；而当用 水（或用电）高峰时，仅靠风力发电不能满足供电要求蓄电池 装路会自动放电进行 功率补充。除了蓄电池装路之外，作为试验，Utsira岛风力发电厂还安装了一套 电解槽装路。当风电过剩时，富余电力用于电解制氢，用于低风速时段发电。整个系统比较复杂，由一套能源管理系统进行统一管理。各部件的运行状态信息会 及时传送到远在德国奥尔赤（Aurich ）的Enercon公司控制中心，由该中心根据系统运行情况自动对其进行必要的调整和管理。 1.2.3澳大利亚珀斯风能海水淡化厂珀斯海水淡化厂2006年底竣工，2007年初投

11、入使用，是澳大利亚第一个大规模海水淡化装 路。日最高产水M 14.4万吨，占珀斯市供水总M的17%。使用 可再生能源风能作为能源，成为全 球最大的使用清洁能源的海水淡化工厂，为全球树立了 一个新标杆。工厂依据位于珀斯北部 200公里的Emu Dow ns风力农场的发电M决定其电力需要。83兆瓦的风力农场包含48台风轮机，每年为风力网贡献272吉瓦时电 力，预计每年能为珀斯海水反渗 透设备充分补偿180吉瓦时的电力要求。止匕外，用于连续监控设备排放M的仪器会在流M超标的情况下自动关闭工艺流程。该设备共有12组一级通道产M为160,000 m 3/d的海水反渗透机组以及 6组最终产品 流M为144

12、,000 m3/d的BWRO机组，拥有世界上最低的能源消耗率，这部分得益于美国能源回收公司的 （ERI）PX压力交换器能M回收装路的使用。据悉，PX技术为珀斯海水淡化反渗透设备节约15.6兆瓦的能量。表1.2珀斯项目实际情况一览表一级通道的总容M （ PX的桩基容M）160,000 m 3/d （350万加仑）渗透水容M144,000 m 3/d （350万加仑）SWRO设备处理能力13,500 m 3/d （350 万加仑）SWRO设备数膜水回收率SWRO能耗工厂能耗总M效率SWRO发电光热海水海亲/苦威亲多级闪蒸（MSF） 直接平板蒸馆光伏海水/苦咸水反渗透1243%32.32 kwh/

13、m 33.2-3.5 kwh/ m 396.7%2.9亿美元风力农场偏移1.3风力海水淡化的前景海水淡化是高耗能产业，海水淡化的远景规划应与能源的远景规划，尤其是 海上风力发电规划协调制定。将风力系统与反渗透系统相结合是目前比较成功的风力海水淡化案例。海水淡化反渗透膜是海水淡化厂成本的重要组成部分，这方面我国研究和生产水平与国外有很大差距。国外的经验表明，海水淡化成本与海水淡化厂规模密切相关。大规模海水淡化厂（日产水大于10万m3）可显著降低产 水成本。在原理与工艺试验取得成功后，首先在具有1000-10000 人的缺乏淡水水源、依靠柴油发电的海岛建设小型独立风电海水淡化厂。取得经验后再在沿海

14、一带建一座具有一定规模的独立风力海水淡化厂。2.太阳能海水淡化太阳能海水淡化系统实际上是将太阳能利用装路和传统海水淡化装路相结合，用太阳能代替传统能源供给海水淡化装路所需能比较有前途的结合方式如表2.1所示。表2.1太阳能海水淡化的方式冬效海水由国外已建成、并使用的可再生能源海水淡化项目可见，有相当部分系统使 用了太阳能（表所示)。虽然受自然条件限制较大、初期投资高、经济性仍不够理想，但由于技术成熟、系统可独立运行、不受电力和蒸汽的限制、无污染、可随机组合、适应性强，因此对于电力和蒸汽缺太阳能海乏的海岛或沙漠地区, 水淡化或苦咸水淡化具有竞争力。表2.2太阳能海水淡化系统1端k比掩水MEDR0

15、ROSOiif/d(3+2)m1嘶加i984g$/n?西卿国神塑亚大学他 PV19906阳of23.5kVpPVIWI咖谨业ROWihMED 3m/dRO3M3%R pyo.6训山 T3kW倚M履轴器PVJkW W/T1997四概1删20023.s悔Tit宜接法是将集能部分和脱盐部分结合，间接法太阳能海水淡化可以分为宜接法和间接法。路的关键技术是提高系统能源则分开。间接法主要是蒸储和反渗透太阳能海水淡化装路。蒸偏装利用率。反渗透装路主要研究为光伏发电海水淡化，关键技术是研发低成本电池材料和解决太阳能供电稳定性。太阳能海水淡化主要技术槽式太阳能热海水淡化技术槽式太阳能热系统具有规模大、专命长、成

16、本低等特点，是目前最成熟的大规模太阳能热利用技术。近年来，世界许多科研机构都致力于研发宜接用水作吸热介质的DSG (Direct StreamGeneration 系统，并成功商业化。系统结构和基本原理系统包括两个部分：槽式太阳能聚光 -集热子系统和传统的海水淡化子系统。 槽式太阳能聚 光-集热系统是整个太阳能海水淡化的核心部件，包括抛物面反射 镜、支架、追踪传动装路以及宜 通式真空集热管。传统的海水淡化子系统包括：闪蒸分离器、MED或MSF蒸发器、海水预处理系统和浓盐水排放系统。原理：海水在集热管内流动、吸热，最后通过节流阀喷出进入闪蒸容器，闪蒸为蒸汽。不断加入预处理的给水以保持闪蒸容器内的

17、水位，同时过冷水在集热管内再循环。为了防止在集热管内沸腾，海水被加压到合适压强，这个压差由循环水泵提供。通过选择合适的给水速度和海水淡化系统的给气压力，可以大大减小水泵的耗能2.1槽式太阳能闪蒸法原理图2.1.1.2技术分类1）闪蒸法加压的海水在集热管中被加热，然后在独立的气室中闪蒸为蒸汽。海水在集2）比接蒸发法海水在集热管内宜接加热最终产生蒸汽, 内产生汽-水两相流动通过汽水分离装路得到蒸汽。这种方法会在集热管3）间接蒸发法通过热交换器被加传热流体在集热管中循环， 海水在另一个不与集热器宜接接触的容器内,热并产生蒸汽。图24间接蒸发法原理图宜接蒸发法可能有运行稳定性的问题，流动不稳定性会导致

18、受影响管段的流动损耗，甚至造成集热管过热和选择性吸收涂层的永久损坏。间接蒸发法，系统的主要缺点在于大部分导热流体难以制取、可燃、易分解等特殊性质。而闪蒸系统可有效避免上述缺陷，且具有结构简单、运行稳定、效率较高、建造成本低等 优点。因此闪蒸系统适宜作为研 究开发对象。2.1.2光伏海水淡化技术主要研究领域为光伏技术和 RO技术的结合，具有不受有无电源困扰、运行 成本低廉、无污 染、无燥音等特点。研究表明，太阳能较之柴油供电海水淡化系 统效益明显，成本仅为柴油的29.4% （10年运行费用之比），按太阳能光伏电池使 用专命20年计算，成本仅为柴油的17.6% ;按0.5 元/升销售淡水，太阳能海

19、水 淡化系统的初期投资只需1.5年即可回收。2.1.2.1大鱼山岛光伏太阳能海水淡化示范工程2010年6月，在舟山市岱山县大鱼山岛建成一套5 m 3/d的光伏太阳能海水 淡化示范工程，其工艺流程如图2.5所示，分为光伏发电系统、海水预处理、反渗透处理和系统控制四大部分。太阳能光伏陈列布路在海水淡化厂房楼顶，利用“光伏效应”将太阳光辐射能转化为宜流电能，再通过逆变器将宜流电能转换成交流电能，用来供给海水淡化设备所需电能。工程取水点位于大鱼山岛南海岸的灰鳖洋海域，通过海水取水泵将海水（浊度约80-150 NTU ）泵入水力循环澄清池，经混凝沉淀处理后浊度下降 低到5-10NTU ,再经电抑菌海水箱

20、灭菌处理，出水经海水增压泵增压（约0.32 MPa ）后泵入多介质过滤器进一步过滤处理，使其浑浊度降低到1NTU以下，污染指数 3-5。经过预处理的海水通过保安滤器后由海水高压泵进一步升压1.5-1.8 MPa左右，再经能M回收装路增压至海水淡化额定操作压力（约4.5-5.5 MPa ）后进入反 渗透膜组器，透过反渗透膜的淡化水 （约30%）收集后从膜堆引出，再经 pH调质 处理后供给用尸使用；其余的反渗透高压浓海水进入能M回收装路，余压能交换后排出系统。伏电池电打检电池应卜JT舞水海水取水票冷清液毒水压泉掌界利讯垢L水力德区一电抑第沿清沧 海水油U多介3 过旗H害压泵pH调节产东伯 卜R厚透

21、服装置用水用K-鹏不输送泵箱正式能,回收装置2.5光伏太阳能系统工艺流程图大鱼山岛是一个远离岱山本岛的小海岛，既缺水，又缺电。缺水季节靠运输,吨水总成本达30元左右。如利用柴油发电机供电进行海水淡化，吨水制水成本 约16.5元/t左右。如采用光伏太阳能供电吨水成本约13.0元/t左右，还可依据太阳能光电建筑应用财政补助资金管理暂行办法，享受财政补助，实际成本约为9元/t左右。无论从节能环保角度，还是从吨水成本角度考虑，光伏太阳能海水淡化优势明显。2.1.2.2太阳能闪蒸-多效蒸发海水淡化系统海水宜接进入太阳能集热系统，然后输出到第一级闪蒸室。避免中间的换热损失，使第一级蒸发温度提高，提高淡水产

22、同时，传统海水蒸储淡化工艺中多级闪蒸要求负荷稳定，很难适应太阳能作为热源的不稳定条件，为此开发了闪 蒸与低温多效相结合的新工艺。即第一级是闪蒸段，后段为低温多效系统。闪蒸 段连接太阳能宜接加热海水系统，低温多效系统解决条件不稳定 的问题，使太阳 能海水蒸储淡化系统的总能效提高。2.6太阳能闪蒸-多效蒸发海水淡化系统流程图2.2太阳能海水淡化前景在海水淡化中采用太阳能正变得经济可行。在美国成本约为1.1美分/千克，为一般纯净水价格的1/4 ；据估计，在我国治水价格大约也仅为0.1/千克，适合我国目前的消费水平。所以，利用太阳能海水淡化，在化石能源逐渐减少的情况下，是解决淡水资源缺乏的理想措施之一

23、。国外太阳能海水淡化技术已有发展，过去几十年内，建造了大M的太阳能海水淡化系统，部分仍在运行。受光热光伏转换效率以及占地等因素的限制，目前太阳能海水淡化只适合没有电、汽，淡水 需求M小的岛屿、海洋移动平台等。采用先进的制造工艺和强化转热传质新技术， 使其与太阳能的具体特点结 合，达到优势互补， 提高太阳能海水淡化装路的经济性，才能被广大用尸接受。由于传统蒸偏装路的缺点， 单纯太阳能蒸储技术基本处于停滞的状态， 联合太阳 能海盐生产、 海水淡化、热发电等多目标产业综合系统的研究发展方向良好。把 膜技术和太阳能蒸馏系统结合起来的太阳能蒸馏系统随着膜技术的快速发展将可能成为今后太阳能海水淡化的主要发

24、展方向。核能海水淡化核能海水淡化涉及三种技术，即核技术、淡化技术以及它们之间的连接技术。可以是单一目的或水电联产。涉及主要问题为反应堆的选择、核燃料循环方式、连接方式等方面。核能海水淡化连接方式主要包括核电站和淡化装路的连接、供热用核反应堆和淡化装路的连接、水电联产核反应堆和淡化装路的连接。选择核 能海水淡化必需考虑该地区的电水需求、核能淡化的经济性、安全性、可靠性和一定的运行弹性，保证产品水不被污染，电力和淡水的稳定供应，不对周围居民 和环境产牛影响，同时核能海水淡化工程的建设、管理和运行是一个非常复杂的过程，需考虑各个方面凶素的影响。国外核电海水淡化项目国外于 20 世纪 60 年代开始核

25、能海水淡化的研究，国际原子能机构对核能海水淡化的研究起了重要的推动作用，日本、 韩国、 俄罗斯、 哈萨克斯坦等对核能海水淡化进行了大量研究。1973年哈萨克斯坦曾建成核能供热的低温多效海水淡化装络，淡化能力80X10 3 m3/d，并成功运行26年。以色列也曾建造了核供热 低温多效淡化装络，淡化规模17.4 X0 3 m3/d,由于效率不高和高油价 被迫于 1983 年关闭。截止1998 年，日本共建成10 座核能海淡化厂，目前在运行的有8 个， 分别采用多级闪蒸、低温多效和反渗透工艺，规模从 1000-2600 m 3/d 不等。国外在该领域具有丰富的设计和运行经验，技术已经相对成熟。我国首

26、个核能海水淡化项目辽宁红沿河核电站海水淡化系统红沿河核电海水淡化系统于2008 年开工，2009 年 7 月开始设备安装，2010 年 4 月启动系统调试，是核电站辅助设施中最大的厂房，是我国核电站中首个海水淡化系统，开辟了核电站利用海水淡化技术提供淡水资源的先河。该系统投用后，每天可提供约10.08 kt 淡水，满足红沿河核电一期工程4 台 GW 级核电机组生产、 生活用水需求。海水淡化系统是通过预处理（ 混凝、沉淀、过滤） 、反渗透脱盐等技术，将海水转化成符合生产、生活要求的淡水。试验分析结果表明，该 系统一级脱盐率达到99.6 （ 设计标准为99.3 ） ，二级脱盐率达98.7 （ 设计

27、标准为97.0 ） 。所产淡水的电导率等指标优于当地自来水，完全满足电厂生产、生活需要。不但大大缓解项目所在地水资源缺乏的状况，也为有效解决沿海核电站淡水资源问题开辟了新路，对后续核电项目建设有积极的参考意义。辽宁红沿河核电站是东北地区第一座核电站和最大的能源建设项目规划建设 6 台 GW 级压水堆核电机组，目前项目进展顺利。一期工程4 台机组已全面开工建设，是目前全球在建机组最多的核电项目。核能海水淡化发展前景核能是一种高效、清洁、安全的能源，代表着未来能源的发展方向，而且核 能海水淡化在国外具有丰富的设计和运行经验，技术已经成熟。在淡化规模加大时，相比于传统化石燃料作为能源的海水淡化工程，

28、核能海水淡化的能源优势更加明显。因此在缺乏淡水资源，同时又缺乏常规能源或常规能源运输不便的沿海地区，核能海水淡化技术具有很好的应用前景。波浪能和潮汐能海水淡化波浪能是海洋表面所具有的动能和势能，是海洋能量中最不稳定的一种能源。潮汐能是月球和太阳等天体的引力使海洋水位发生潮汐变化而产生的能量。波浪能和潮汐能的研究重点在发电领域，关于海水淡化的研究不多。印度建 造了波浪能发电反渗透海水淡化装络，爱尔兰则建造了波浪能转化为液压能驱动反渗透脱盐单元的海水淡化装络，国内中科院广州能源所进行了波浪能海水淡化的研究。潮汐能太阳能多效蒸储海水淡化装路上海理工大学刘业凤根据潮汐能和太阳能的特点，并基于多效蒸储技

29、术，提出了一种新型的太阳能多效蒸储海水淡化装络。该装路利用了降膜蒸发和降膜凝 结强化传热技术。其主要特点是利用潮汐能代替用电力驱动的水泵和真空泵为系统给排水以及抽真空提供动力，从而降低了系统运行成本。原理如图4.1 所示。给水蓄水池中的给水通过给水管进人冷凝器，再通过喷淋器喷淋在蒸发器的 换热管上，蒸发冷凝器内淡化后的浓盐水通过排水管与浓盐水箱相连。蒸发器、蒸发冷凝器和冷凝器处于同一箱体内并被放路于高于海洋涨潮后水面约4m处，给水蓄水池用于在海洋涨潮时蓄积海水，浓盐水池和淡水蓄水池壁足够高，保证其与外界大气连通且海水在涨潮时不会入内。从而便可以利用海水在涨潮和退潮 的液位差即潮汐蒸发器蒸发冷凝

30、器 俯视剖面图能使给水蓄水池与浓盐水蓄水池存在4-6m的液位差Aho1 ?太阳集热器N蒸发器3*蒸发冷凝器4冷凝器9喷淋器6.淡水连通管 工盐水连通管 乩给水蓄水池9?淡水池浓盐水集水池1L给水管12 ?淡水收集管1玄排水管14给水调节阀15淡水流量调节阀16.排水调节阀图4.1装路运行原理图核能海水淡化发展前景_1215调查显示我国波浪能和潮汐能的蕴藏总M分别达到70和110GW o波浪能、潮汐能海水淡化技术还需进一步完善，距离规模化的应用还有一段距离，但对于波浪能和潮汐能较丰富但淡水资源匮乏的沿海或海岛地区，该技术具有很大的吸引力。液化天然气（LNG ）海水淡化天然气是三大主要能源之一，由于其高效和清洁而被广泛使用。为了便于远洋运输，天然气开采后通常要经过脱酸、脱水处理，通过低温工艺将其液化转变为LNG,每生产一吨LNG的动力消耗约为850kWh ,而LNG在接收站气化成常温气体供给用尸的过程中将释放出大M冷能，为 830-860kJ/kg 。这部分冷能通 常被海水或空气带走，不仅造成了极大的能源浪费，也会影响周围 海域及地区的 生态环境。如果能利用好这部分的冷能