型反渗透海水淡化装置在育鲲轮上的应用及改进

1、大连海事大学装.订线毕 业 论 文二一二 年 四 月AQUA-SEP 3型反渗透海水淡化装置在“育鲲”轮上的应用及改进专业班级：轮机2008 -18班姓 名： 杜 尧 指导教师： 刘 立 国 轮机工程学院内容摘要摘要：海水淡化装置是远洋船舶所必备的装置之一。它可以产生全船所有机械设备和船员日常使用的全部淡水、有效减少淡水舱数量，大大提高船舶续航力和运载力。反渗透海水淡化装置具有诸多优点，随着技术的进步，在不远的将来必然有越来越多的船舶配备该类型的海水淡化装置。本文就以“育鲲”轮上CWWS公司生产的AQUA-SEP 3525103-J380（3型）反渗透海水淡化装置为例，介绍了反渗透海水淡化装置

2、的核心部件、工作原理、结合实例阐述该装置的操作方法，并对日常运行可能产生的故障进行分析，提出可行的解决方案。最后,改进系统,使用中央冷却器的冷却海水作为供给海水，提高系统的工作能力。关键词：船舶 海水淡化装置 反渗透 中央冷却器AbstractSeawater desalination plant is one of the most essential devices for ship. It can produce all of the fresh water for machines and crews on ship, reduce the number of fresh water

3、tanks, increase navigation and transportation ability largely. Reverse osmosis (RO) seawater desalination plant has many advantages , as the developing of technology, there must be more and more ships sailing with a kind of seawater desalination plant like RO desalinator in the near future.This pape

4、r takes reverse osmosis seawater desalination plant in the ship of “YuKun”，AQUA-SEP 3525103-J380 (series 3) for CWWS, as for an example, mainly introduce the working principle, key components ,expound the operational procedures with the example, and analyze the common faults from daily operation, gi

5、ve some solutions. Finally，change the system, using sea water form centre cooler as feed water ,improve the working ability of system.Keywords：shipping seawater desalination plant reverse osmosis centre cooler目录前言11 AQUA-SEP简介11.1 反渗透的由来11.2 反渗透的原理11.3AQUA-SEP的系统21.4 AQUA-SEP的制淡过程31.5 AQUA-SEP的主要部件3

6、1.6 技术参数51.7 其他功能52 AQUA-SEP 的操作62.1 初次启动62.2 常规启动和停止72.3 化学清洗72.4 冲洗82.5 常见故障及处理93 AQUA-SEP的改进分析93.1温度对反渗透膜的影响93.2 对装置工作性能的分析103.3 解决方案104 总结12前言淡水资源是船舶最宝贵的资源之一。船舶的日常运行会消耗大量淡水资源，其中以机械消耗和船员消耗为主。对于全船机械设备，从推进船舶前进的柴油机的冷却到每日制作主食的蒸气锅都需要淡水资源作为媒介。而这其中又以冷却系统最为重要。起初，船舶采用开式和闭式冷却系统，直接使用海水作为冷却介质。但海水的腐蚀性对设备的损伤太大

7、，因此当前主要采用中央冷却系统为设备冷却。但采用中央冷却系统就需要大量淡水。若使用淡水舱储藏，就会减少船舶的装载量，大大增加船舶运营成本。对于船员来说，淡水舱中储存的淡水在长途航行中难以保持卫生，若在国外港口加装淡水还容易引起水土不服，这样都会对船员的健康造成不利影响。综上所述，现代化船舶必须具备产生淡水的能力，以保证设备和船员的需要。当前，船用海水淡化装置主要有两种：真空沸腾式和反渗透式。前者应用时间长，操作方法和日常维护已经被广大船员所熟知，但该类型造水机需要主机缸套水作为热源且容易结垢，增加了高温淡水系统的复杂性和维护保养工作。而后者，可以在常温下独立工作，产水量大，维护管理方便。但反渗

8、透式造水机出现时间较晚，船员对其操作方法和日常维护也比较陌生。因此，本文就以“育鲲”轮上的反渗透式造水机为例，介绍了该设备的相关知识，并对设备存在的一些缺陷进行相关技术改进，提高设备使用性能。 1 AQUA-SEP简介1.1 反渗透的由来RO反渗透的由来:1950年美国科学家有一回无意发现海鸥在海上飞行时从海面啜起一大口海水,隔了几秒后,吐出一小口的海水,而产生疑问,因为陆地上由肺呼吸的动物是绝对无法饮用高盐份的海水的.经过解剖发现海鸥体内有一层薄膜,该薄膜非常精密,海水经由海鸥吸入体内后加压,再经由压力作用将水分子贯穿渗透过薄膜转化为淡水,而含有杂质及高浓缩盐份的海水则吐出嘴外,此即往后反渗

9、透法的基本理论架构;并在1953年由University of Florida应用于海水淡化去除盐份设备。1.2 反渗透的原理反渗透技术是当今最先进和最节能有效的膜分离技术。要了解反渗透，首先要了解“渗透”的概念.渗透是一种物理现象.当两种含有不同盐类的水,如用一张半渗透性的薄膜分开就会发现,含盐量少的一边的水分会透过膜渗到含盐量高的水中,而所含的盐分并不渗透,这样,逐渐把两边的含盐浓度融合到均等为止.然而,要完成这一过程需要很长时间,这一过程也称为渗透压力.但如果在含盐量高的水侧,试加一个压力,其结果也可以使上述渗透停止,这时的压力称为自然渗透压力P.如果压力再加大P,可以使方向相反方向渗透

10、,而盐分剩下.因此,反渗透除盐原理,就是在有盐分的水中(如原水),施以比自然渗透压力更大的压力,使渗透向相反方向进行,把原水中的水分子压力到膜的另一边,变成洁净的水,从而达到除去水中杂质、盐分的目的（如图1）。图11.3AQUA-SEP的系统1）海水系统海水由供水泵直接从舷外吸入，加压至140kPa，先后通过多媒介滤器、精滤器、三通阀4（图2）工作位进入增压泵，在增压泵中被加压至6515kPa，之后进过反渗透膜，成为更高浓度的海水排除舷外。2）制淡水系统舷外海水在反渗透膜中处理后，生成的淡水进入淡水系统，流过三通阀10后，由盐度计12进行检测，若合格则电磁阀13开，电磁阀14关，合格产水进入淡

11、水柜，若不合格则电磁阀14开，电磁阀13关，不合格“淡水”由电磁阀14排除舷外。3）化学清洗系统配有一定浓度的化学清洗液在增压泵6、反渗透膜7、化学清洗柜9之间循环。还可以进入浸泡模式，此时增压泵停机。4）冲洗系统冲洗包括对多媒介滤器和反渗透膜的冲洗。多媒介滤器中含有多种耐久过滤材料，可以过滤出海水中含有的颗粒和少量油滴。工作一段时间后，便要对对媒介滤器进行反冲洗。多媒介滤器顶部设置有反冲洗控制器，可实现定时（正常情况每天一次）反冲；在定时反冲程序被激活之前，若多媒介滤器进出口压差超过了压力开关DPS的设定值，也会激活反冲洗程序。反冲洗海水经过泄放管路泄放至舱底。系统要长时间停用或着需要化学清

12、洗时，需要用淡水对管路和反渗透膜进行冲洗，以免系统腐蚀和反渗透膜脏污。淡水冲洗程序需要在控制面吧上手动激活，此时，电磁阀5打开，来自淡水压力柜的无氯淡水由增压泵冲洗反渗透膜，由三通阀4对多媒介滤器进行反冲洗。1.4 AQUA-SEP的制淡过程图21.供水泵 2.多媒介滤器 3.精滤器 4. 三通阀（工作/清洗转换 5.冲洗阀 6.增压泵 7反渗透膜 8.压力调节阀 9.清洗水水柜 10.三通阀（工作/清洗转换） 11.流量计 12.盐度计 13.电磁阀（至淡水柜） 14.电磁阀（不合格淡水至舷外）如图2所示，海水由供水泵1从舷外直接吸入（也可以增加吸入滤器）进系统。进入系统的海水首先进入多介质

13、滤器2进行粗过滤。经过滤的海水再进入精滤器3进行精滤。精滤后的海水进入本装置最关键的设备反渗透膜7进行淡化，产生的浓盐水直接排除舷外，淡化后产生的“淡水”流过盐度计12，若盐度符合设定值要求，则通过电磁阀13进入淡水柜，若不符合设定值要求，则电磁阀14打开，电磁阀13关闭，不合格产水直接排除舷外。1.5 AQUA-SEP的主要部件 （1）供水泵供水泵直接从舷外吸入海水，是制淡过程的开始。（2）多媒介滤器顾名思义，多媒介滤器中包含多种过滤媒介，它是系统的粗滤器，还是第一个滤器，海水从上至下流过，能够有效过滤海水中的泥沙，大颗粒杂质，并且还具有一定的滤油能力。（3）增压泵增压泵可以将海水压力提高至

14、4800-6900kPa，该压力远远大于半透膜两端的自然渗透压，从而实现了反渗透过程。本装置采用CAT PUMPS Stainless Steel Model 2531型往复式柱塞泵提供动力。该泵具有结构紧凑，流量脉动小，运行维护少等诸多优点，非常适合本装置的选用。图3为增压泵的截面图。图31.曲轴箱 2.油尺 3.滚珠轴承 4.曲轴 5.连杆 6.柱塞杆 7.密封环 8.柱塞 9.总管 10.密封环 11.吸排阀总成（阀、阀座、弹簧） 12.高压密封环 13.十字头（4）反渗透膜反渗透膜组主要有板框式平板式膜组、中孔纤维膜组、卷式膜组等种形式。板框式平板式膜组是反渗透模组的早期形式工艺简单性

15、能稳定对海水的前处理要求低缺点是膜堆密度小不利于海水流动易造成浓差极化等。中孔纤维膜组膜堆密度大同产水量情况下体积最小浓差极化小但对海水的前处理要求高不易清洗。卷式膜组膜堆密度和对海水前处理要求均介于板框式膜组与中孔纤维膜组之间海水流动性好。“育鲲”轮采用性能优良的双反渗透串联卷式膜组（详细参数如表1），该膜组分为4层：基层为无纺布层；二层为支撑层，相当于一种带有超滤性质的滤膜；三层为脱盐层，由芳香族酰胺化合物制成，材料密度大，脱盐效果好；最后一层为功能层，它由一些特殊功能的材料制成，具有防腐蚀，防氧化，耐压抗冲击等功能。反渗透膜是反渗透装置的核心部件，它除了可以过滤海水中的氯化钠离子以外，海

16、水中的其他溶解无机盐，细小颗粒，甚至细菌都可以被过滤。类型TFC-SS型半透膜脱氯量99.75%工作压力范围51576555kPa最高工作温度45最高工作压力8275kPa表1（5）总溶解固体量检测器（T D S）总溶解固体量检测器在系统工作时，可以连续监测产水质量。当监测到产水所含固体量超过设定值，则报警，并将产水直接排除舷外。在设备刚刚启动时，总溶解固体量检测报警时正常现象，运行一段时间后，会自行恢复正常。（6）压力调节阀压力调剂阀的作用是保持系统工作压力恒定，使系统处于最佳工作状态。它可以控制，启动，运行，清洁，冲洗时的系统压力。（7）人机交互界屏轮机员可以通过人机交互屏对反渗透设备进行

17、操作；当系统运行出现故障时，屏幕行会显示故障原因；显示系统关键参数并进行必要设定。1.6 技术参数（见表2）设备描述该装置是制造用于无人操作的完全自动化反渗透式造水机型号AQUA-SEP 525103-J380容量35吨/天工作温度030摄氏度海水总溶解固体量32,000PPM（平均）供水流量79.5升/分钟供水压力140-415kPa电源380VAC/50Hz/3PH总功率（包含供水泵）15.5KW尺寸（长宽高）305013001865mm表21.7 其他功能系统除正常产水功能外，还提高两种自行清洁功能：（1）化学清洗功能半透膜是系统中最关键的部件，它同时也是系统中最易受到外界污染的部件。长

18、期使用后半透膜会被各种污垢、细菌所污染，因此定期清洗时非常重要的。使用清洗柜中事先投放药品的清洗水对系统进行清洗、浸泡，可以有效去除半透膜上的污染物。（2）冲洗功能当系统需要长时间闲置时，需要对系统进行冲洗。这样可以去除系统中的盐分，延长半透膜和管路的使用寿命，减少日常维护。本装置使用淡水柜中的淡水对系统进行冲洗，可以冲洗的部位包括管路。半透膜、多媒介滤器、精滤器等。2 AQUA-SEP 的操作2.1 初次启动1.检查增压泵油位。曲轴箱油尺显示的油位必须在最低与最高之间；2.确保调压阀8（图4）在全开位置（逆时针旋转）；3.确保三通阀4，三通阀10在工作位；4.将电源开关转到“ON”位置，人机

19、交互屏将在30秒后启动（如图）。图45用上下键选择运行模式（OPERATION MODE），按回车键（Enter）进入；6.在运行模式中进入手动模式（HAND），进行设备的手动启动。（如图5）图57.启动前对媒介滤器进行冲洗，冲洗时，保持冲洗阀5全开；8.冲洗后启动供水泵，观察排水流量计，当其中气泡消失后，启动增压泵。再次观察排水流量计，直到气泡消失；9.检查系统：所有滤器的前后压差是否正常，检查管路、接头是否有漏泄。由于增压泵的流量为79.5LPM，所有排水流量计的读数也应该为79.5LPM；10.检查无误后，顺时针缓慢关小调压阀，使增压泵排压接近6515kPa;11.运行一小时无异常后，可

20、将产水排向淡水舱，并记录初次运行参数以备参考。以后每周都要记录各项参数。记录表格如下：运行记录表日期产水流量计读数排水流量计读数供水温度产水盐度（PPM）供水盐度（PPM）运行时间供水压力（吸入）产水压力表32.2 常规启动和停止启动：1.将多媒介滤器控制阀转到工作位置；2.将三通阀10转到清洗位置；3.按照初次启动顺序，先启动供水泵，运行5分钟，再启动增压泵。两泵运行正常后，将三通阀10慢慢转到运行位置，此时增压泵排压会慢慢升高到预设压力；4.观察、记录系统运行参数，并和以往参数作比较，确认系统运行正常；停止：。1.当需要停止造水时，将三通阀10缓慢转到清洗位置，释放系统中的压力。依次停止增

21、压泵和供水泵。2.断开主电源开关。2.3 化学清洗当系统产水量下降10%以上或产水盐度升高（TDS200）时，可以对系统进行化学清洗。1.安说明书要求在清洗水水柜中加入指定计量的清洗溶液；2.在增压泵和供水泵停止的情况下，将三通阀4，三通阀10转到清洗位；3.在控制面板上选在清洗模式，按下开始清洗按键，开始循环清洗程序。清洗时间为10-30分钟。由于系统采用闭式循环，清洗过程中应时刻观察，防止清洗液温度超过60；4.清洗结束后，系统会自动进入浸泡模式。浸泡的时间因系统的清洁程度而定，从十几分钟到十几小时不等。清洗/浸泡会自动重复3次；5.清洗结束后，将三通阀转到工作位。启动供水泵，使系统低压运

22、行5-10分钟，排出清洗液。图6 化学清洗流程图（图中红线）2.4 冲洗当系统需要长时间停机或清洗时，需要对系统使用低压淡水进行冲洗，防止腐蚀和脏污。1.在系统停止的情况下，按下控制屏上的FLUSH按键进入冲洗界面。压力调节阀8全开；2.按下控制屏上的开始按键，开始进行冲洗。此时电磁阀5会自动打开。图7 低压淡水冲洗流程图（图中红线）2.5 常见故障及处理AQUA-SEP 造水机常见的故障、故障原因、处理方法如表4所示。故障现象故障原因处理方法产水盐度高盐度计脏污清洗盐度计测量探头反渗透膜工作时间长开启清洗程序滤器破损更换滤芯增压泵排压波动检修排出缓冲器和吸入稳定器系统刚刚投入使用为正常现象，

23、运行数分钟后恢复正常增压泵过载滑油脏污更换滑油电机问题拆检电机排压高调节调压阀增压泵排压过高调压阀8开度不正确重新调节调压阀开度，供水泵吸入压力低吸入滤器堵塞清洗滤芯多媒介滤器冲洗频繁过滤介质脏污更换过滤介质表43 AQUA-SEP的改进分析3.1温度对反渗透膜的影响反渗透膜组件的产水量和盐水通过率受膜组件的两侧压力、温度、盐度，运行时间影响。船舶在不同海域、季节航行时，以上参数都会发生很大变化。因此，在装置运行的大部分时间里，反渗透膜的实际产水量总是偏离其在标准状况下的理论产水量。标准状况下的产水量Q1与实际产水量Q2之间的关系可以用下面的公式表达：Q2 = (PCF)(TCF)(MFRC)

24、Q1其中参数TCF为温度校正因数，它用来校正温度对膜性能的影响。事实证明，对于正常工作的膜组件，在进水压力恒定的条件下，可以认为膜组件的产水量是温度的函数。图中所示为产水量与温度的函数关系，从图8中可以看出，温度对膜组件产水量影响巨大。 图8 TCF随T的变化3.2 对装置工作性能的分析由上一节分析可知，温度是影响反渗透造水机的关键参数。保持造水机供给海水温度在最佳范围，即可使设备处于最佳工况点。但“育鲲”轮上的AQUA-SEP反渗透造水机是直接使用供水泵从舷外吸取海水，其供应海水温度与舷外海水温度相同，但反渗透膜的最佳工作温度是25，因此不能保证反渗透造水机处于最佳工况点，对产水量影响很大。

25、因此决定在供水泵前加装一个调温设备，以维持供水温度恒定。3.3 解决方案对于上述问题，提出以下解决方案：解决方案1：在供水泵前加装电加热或蒸汽加热器电和蒸汽是船舶常见能源，可以采用额外加装加热器的方法解决该问题。分析：采用加热器会加热全部设备进水。但造水机工作时进产生其中的少部分淡水，其他浓盐水都被排除舷外。因此采用船舶能源作为加热器的方式不可取。解决方案2：加装水透平，利用装置剩余压力被增压泵增压的海水在通过反渗透膜成为浓盐水后仍然就有一定压力，在该管路加装水透平进行发电，产生的电能再驱动电加热器对海水进行加热。分析：利用水透平发电可以回收装置消耗的能量，节约船舶能源。但水透平造价昂贵，增加

26、了设备的初期投入和维护量。解决方案3：利用中央冷却器的冷却水作为设备供水“育鲲”轮采用中央冷却系统，使用从舷外吸取的海水在中央冷却器中与低温淡水进行热交换，换热完成后直接将海水排除舷外。中央冷却器的相关参数如表5：工艺条件冷侧热侧介质名称海水低温淡水流量 m/h300.0251.0热负荷kW3475.0温度 进出 32.042.1348.0236.0流体类型液液密度 t/m1.010.992比热 kJ/kgK4.084.18导热系数 W/mK0.610.63粘度 cP0.720.64对数平均温差 4.89表5由表可知，在中央冷却器中换热的海水温度会升高，完全可以作为反渗透造水机的海水源。主海水

27、泵流量315 m/h主海水泵排压200kPa造水机供水泵流量4.77m/h造水机供水泵排压140kPa表6由6可知，主海水泵的流量315 m/h远大于造水机供水泵的流量4.77m/h，主海水泵的排出压力200kPa也大于造水机供水泵的排出压力140kPa。因此完全可以使用中央冷却器排出的冷去海水作为反渗透造水机的海水源。为了保证改进后进入系统海水的流量和压力与改进前相同，以使系统仍然保持的设计工况，因此对系统进行了一些改进。改进后的系统如图9所示：图91.供水泵 2.多媒介滤器 3.精滤器 4. 三通阀（工作/清洗转换 5.冲洗阀 6.增压泵 7反渗透膜 8.压力调节阀 9.清洗水水柜 10.三通阀（工作/清洗转换） 11.流量计 12.盐度计 13.电磁阀（至淡水柜） 14.电磁阀（不合格淡水至舷外） 15.压力缓冲器 16调压阀改进后的系统增加了缓冲器15和调压阀16来保持进入系统海水的流量与压力与改进前相同。在增加部件的同时，系统中还省去了供水泵，减少了设备的初期投入和日后维护保养。评价：采用本方案可以有效解决反渗透造水机目前存在的供水温度偏离最佳供水温度的实际