CN109647206A - 深海反渗透海水淡化装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种深海反渗透海水淡化装置，升降装置、淡水储存水箱置于半潜式海洋平台上；装置本体置于外框中，外框通过吊索与升降装置连接；装置本体随外框浸没在海水中，并能够随吊索升降；装置本体的滤箱与海水进水总管道连通；滤箱、进水泵、加热装置、反渗透膜元件依次连接；反渗透膜元件分为三支路，第一支路与淡水水箱连通，第二支路与浓海水排放管道连通，第三支路与回吸水箱连通；淡水水箱与空气管连接，空气管与大气连通；淡水水箱还通过高压泵和淡水输送管路与淡水储存水箱连接。本发明解决装置放置深海带来的维修清洗困难的问题；解决海水水温低而带来的低产水率、高进水压力需求并增加膜元件支数，及由此产生的增加成本的问题。

Description

深海反渗透海水淡化装置及其方法

技术领域

本发明涉及一种海水淡化装置，具体涉及一种深海反渗透海水淡化装置。

背景技术

深海反渗透海水淡化装置放置于深海，利用深海自然静水压使海水透过反渗透膜产出淡水，大大降低了能耗。同时由于深海海水十分洁净，可无需预处理或只需粗略过滤即可进行产水，进水的洁净也降低了膜的污染可能。又因为省去了入水高压泵，由其振动产生脉动压力波而降低膜系统整体性能、寿命的问题也被解决，而将装置放置于深海又具有了隔离噪音等优势，是一种低能耗，绿色环保的海水淡化技术。

现有的深海反渗透海水淡化装置存在以下问题：

1)放置在深海维修清洗的困难；

2)深海海水温度低造成装置产能降低：在深海500米左右深度，水温将低于10℃，而反渗透膜工作性能与进水温度相关性很大，其他条件恒定时在一定温度范围内膜系统的产水通量与水温基本呈正比关系，因此深海海水的低温会造成同等产水量需求下深海海水淡化装置所需的进水压力、膜元件支数增大，进而增加成本；

3)深海反渗透装置在水下排出的高盐度浓海水可能影响到进水海水流场并造成进水盐度增大，进而影响产水含盐量并给装置的运行带来不好的影响，同时随着深海海水进入反渗透装置产出淡水，排水口处浓盐水的压力会低于外界海水，因而需要浓水排水泵的加压辅助浓水排出，而为防止排水对进水流场的影响需要保持排水口与进水口的距离，如果二者竖直距离增大将使排水口面对更大的外界水压力，也即增大了对浓水排水泵的能耗需求；

4)深海的高压环境也对装置材料的的耐压性能提出了严格要求，但设计制造体积庞大的耐高压容器也很大地增加了成本。

发明内容

本发明的目的是提供一种深海反渗透海水淡化装置，监控、控制淡化系统的工作状态，保证膜系统各运行参数处于运行条件范围内，满足最高回收率、最大通量、最小浓水流量和最高进水流量要求，并避免产生背压，减少污堵，杜绝膜元件机械损坏；解决装置放置深海带来的维修清洗困难的问题；解决深海反渗透海水淡化装置面对的由深海海水水温低而带来的低产水率、高进水压力需求并增加所需膜元件支数的问题，以及由此产生的成本的增加的问题；解决淡化装置浓水排放可能会影响装置海水入水口流场的问题；解决排水口与进水口间竖直距离越大越有利于排除浓水对进水的影响，但却同时会由于排水口外界海水压力的变大增加了对浓水排水泵的能耗需求不利于降低能耗的矛盾。

本发明采取以下技术方案：

一种深海反渗透海水淡化装置，升降装置6、淡水储存水箱8置于半潜式海洋平台上；装置本体置于外框11中，外框11通过吊索9与升降装置6连接；装置本体随外框浸没在海水中，并能够随吊索9升降；所述装置本体包括滤箱12，滤箱12与海水进水总管道24连通；滤箱12、进水泵18、加热装置28、反渗透膜元件14依次连接；所述反渗透膜元件14分为三支路，第一支路与淡水水箱15连通，第二支路与浓海水排放管道10连通，第三支路与回吸水箱13连通；淡水水箱15与空气管21连接，空气管21与大气连通；淡水水箱15还通过高压泵22和淡水输送管路与所述淡水储存水箱8连接。

进一步的，所述回吸水箱13内加入淡化膜清洗药品，进水泵18停机时打开回吸水箱13支路上的阀门，而关闭由反渗透膜14通向淡水水箱15的淡水产水管道40上的阀门41，回吸水箱13内的淡水将因自然的渗透作用回流向反渗透膜元件14对膜元件进行清洗，并防止了产水回流在膜元件内带入空气而损坏膜元件等问题。

进一步的，海水进水管路上设置加热装置28，并在加热装置28处设置温度传感器29。

进一步的，浓海水排放管道10为倾斜向下，方向为同时在水平、竖直方向上远离海水进水总管道24的海水入水口，浓海水排放管道10排水口在竖直方向上远离入水口10米以上，浓海水排放管道10与竖直方向呈60°的角度深入深海。

进一步的，所述装置本体分为海水进水管路模块、淡化膜单元模块、淡水产水及输送模块、淡水回吸水箱模块、浓海水排放模块、控制模块以及外框模块七部分；所述海水进水管路模块包括海水进水总管道24及其上设置的进水电子流量阀38，滤箱12，进水泵18，进水泵前部管路上设置的第一电子压力表25，进水泵后部管路上依次设置的第二电子压力表26、流量计a27、加热设备28及水温传感器29；所述淡化膜模块包括若干组并联设置的反渗透膜单元14；所述淡水产水及输出模块包括在每支反渗透膜单元14的淡水产水出口管路上均安装的流量计b30、阀门41，淡水产水管道40及与其连接的淡水水箱15，淡水水箱15上的空气管21，淡水水箱15上的压力传感器31，以及与淡水水箱15连接的淡水输水高压泵模块；其中淡水输水高压泵模块包括高压泵22，高压泵前部的第三电子压力表33，高压泵后部依次设置的第四电子压力表34、止回阀35，和与将高压泵跟上部半潜式平台上的淡水储存水箱8相连的淡水输送管路20；所述淡水回吸箱模块包括淡水回吸水箱13，淡水回吸水箱13前端的阀门39，以及淡水回吸水箱13后端的压力传感器32；浓海水排放模块包括浓海水泵17，浓海水泵17前端依次设置的浓海水管道流量计38、浓海水流量控制阀37，浓海水排放管道10，及浓海水排放管道10末端的浓水管路止回阀36；控制模块包括控制箱16以及连接于上部平台上供电箱的电缆19；外框模块包括外框11及所述吊索9。

进一步的，半潜式海洋平台上还设有供电箱7。

更进一步的，电缆19、淡水输水管20与空气管21三管路以脐带缆的形式伸入到半潜式海洋平台上。

再进一步的，半潜式平台由三部分组成：上部甲板1、立柱2与浮箱3，上部甲板1与浮箱3通过立柱2连接，半潜式平台通过连接到海底的锚链4系泊系统固定。

更进一步的，各模块分别进行过耐高压处理，在装置小修时采用水下机器人修理更换各模块或模块中的元器件，大修时通过升降设备将所述装置本体升到平台上。

本发明的有益效果在于：

1)考虑到深海反渗透海水淡化装置面对清洗维修困难的问题，将淡化装置与海洋平台通过升降装置与吊索相结合，实现淡化装置的可升降，通过升降解决其清洗维修困难的问题。

2)将半潜式海洋平台与深海反渗透海水淡化装置结合，既可实现南海的海洋石油开发又实现对南海水深以及水温优势的利用进行海水淡化，成为利于我国南海资源开发利用的利器。

3)考虑到深海低水温对反渗透淡化装置的影响，并选取特定反渗透膜进行研究计算，结合南海水温水压实测数据探究了进水温度对所需进水压力也即所需放置水层的影响，在装置入水口设置加热装置和水温传感器，合理提高进水温度，可降低进水压力需求并提高产水率，同时使得装置可在更浅的水层运行，进而对装置材料的耐高压要求降低，实现成本降低。

4)在淡水产水管路上设置支路连接淡水回吸水箱，防止了关机时自然渗透作用下产水回流到膜元件可能带入空气而损坏膜元件等一系列问题。

5)在淡水回吸水箱内加清洗药品，在系统关机时可使水箱内的清洗药品在自然的渗透作用下流向膜元件实现清洗，利于降低能耗以及降低通过提升装置进行清洗的频率。

6)浓水排放管道设计成倾斜形式，浓水排水口同时在竖直、水平方向上远离海水进水口，倾斜的排水管道形式还可降低防止浓海水干扰到进水所需满足的排水口与入水口的竖直距离，进而降低浓水排水泵的增压需求，以更低的能耗就可使浓水排出并防止排水对进水流场及水质产生影响。

7)淡化装置模块化设计，装置分为海水进水管路模块、淡化膜单元模块、淡水产水及输送模块、淡水回吸水箱模块、浓海水排放模块、控制模块以及外框七部分，对各部分分别进行耐高压处理，避免大体积耐压容器的建造需要进而利于建造成本的降低。

8)模块化的设计还利于装置的维修，在装置小修时可采用水下机器人修理更换元器件，无需将装置提升到上部平台上，大修时则可再通过升降设备将装置升到平台上。

附图说明

图1是南海18.006°N，115.999°E不同深度水层温盐条件的所需进水压力及水层的实际压强示意图。

图2是以南海18.006°N，115.999°E 510米水深盐度条件下增加进水温度对所需进水压力的影响示意图。

图3是本发明深海反渗透海水淡化装置轴测图。

图4是本发明深海反渗透海水淡化装置主视图。

图5是装置本体的示意图。

图6是装置本体另一视角下的示意图。

图7是装置本体的主视图。

图8是装置本体设于外框内的部分部件的结构图。

图9是装置本体部分结构的示意图。

图10是装置本体部分结构的示意图。

图11是本发明深海反渗透海水淡化装置原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进一步说明。

参见图1-11，本装置由半潜式平台上的升降装置6通过吊索9连接悬挂于南海深海大约500—550m水深处，此深度海水压力满足反渗透膜单元18进行海水淡化时所需要的反渗透压。

当进水管路24上的电磁流量阀38以及进水泵18打开，高压海水由海水进水总管路进入滤箱12得到简单预处理，过滤掉可能的杂质，然后再由进水泵18以及管路将海水输送至反渗透膜单元14。两支电子压力表25、26分别监控海水进、出进水泵时的水压力，并协同产水管路上的电子压力表测出的产水压力监控装置的进水与产水之压差。进水开停与流量的大小通过进水电子流量阀38来控制。另外通过海水进水管路上的加热设备28与水温传感器29的协调配合，在一定范围内提升进水海水的温度保证淡化膜的工作效率。

输送至反渗透淡化膜单元14的高压海水由淡化膜淡化后产出淡水并排出浓海水。其中淡水的输送经过这样的过程：每支反渗透膜元件的淡水产水流量可通过管道上安装的流量计30测出，各支膜元件的淡水产水汇入总的产水管40输送到淡水箱15中。淡水水箱15与高压泵22相连，连接管路上也装有电子压力表33，淡水由高压泵沿淡水输送管路20输送至半潜式平台上的淡水储存水箱8中。淡水输送管路20上安装有止回阀35防止意外情况下的淡水回流。淡水水箱15上连接有空气管21，空气管向上连接到平台上部，系统产水中淡水水箱15内压强保持一个大气压。淡水水箱内压强通过安装在水箱上部的压力传感器监测31。

装置停机时淡水回吸水箱模块中管路上的阀门39打开而淡水产水管路上的阀门41关闭，回吸水箱13内的淡水会由于自然渗透作用流入反渗透膜元件，此时回吸水箱内的加药淡水会实现对管路的清洗。压力传感器32用于监视与保证回吸水箱在装置将要停机以前是满水状态，如果回吸水箱内不是满水状态则需要先关闭淡水管路上的阀门41而打开淡水回吸水箱支路上的阀门39，将淡水产水引入回吸水箱补充淡水，回吸水箱满水后再停机。同样下一次开机前也需要此操作流程将淡水回吸水箱充满水。

未透过反渗透膜的浓海水则经浓海水管路排出，浓海水管路上设有流量计38与电磁流量控制阀37，流量计38测量浓水总流量需要满足膜元件正常持久运行的最小浓水流量限制，电磁流量控制阀37进行流量调节并控制淡化系统整体回收率不超过淡化系统能正常运行的最高回收率。浓海水经过设置在浓海水管路10上的浓海水泵17加压排到外界海洋环境中，浓海水泵出口管路17设置止回阀36防止海水逆流。另外浓海水管道排放出口深入到装置底部竖直方向上距离约10几米处，浓海水管路10倾斜角度大致为与竖直方向呈60°角，浓水管路排水口在水平竖直两方向上均远离海水进水管路24，防止排出的浓海水影响装置的进水水质。

各电子元器件的控制由控制箱12操控，整套装置所需的供电以及数据的传输都由电缆19来传输，电缆19连接与平台上的电箱7。

本发明将反渗透海水淡化装置与半潜式海洋平台通过升降装置及吊索相结合，实现装置的可升降，解决了装置的维修清洗困难问题。与此同时，我国南海终年水温高而温度变化小，同时水深大，水温及水深条件都十分适于深海反渗透海水淡化装置的设放，将海水淡化装置与半潜式海洋平台结合，实现海洋石油的开发的同时又实现海水淡化，对助力我国南海资源的开发具有现实意义。

在淡水产水管路上设置淡水回吸水箱，可保证系统在停机时不会有空气进入淡化膜系统，避免了可能因此造成的膜污染、膜片干燥以及再次开机时仪表被损害等问题。同时通过在回吸水箱中加药可实现膜元件在自然渗透压作用下的清洗，利用了自然渗透压进而降低能耗，并利于降低对装置进行维修清洗的频率。

将浓海水排水管道设置成倾斜形式，排水口可在水平、竖直方向上同时远离海水入水口一定距离，避免浓水排水对海水进水口处流场的影响。同时与排水管道以竖直形式深入深海相比，倾斜形式的管道使得排水口与入水口之间以更小的竖直距离就可消除排水对进水的影响，意味着排水口处面对更小的外界海水压力，可降低排出浓海水对浓水排水泵的能耗需求。

考虑到深海海水的低水温对装置产水率的影响，在装置的海水进水管路上设置水温传感器与加热装置，升高进水温度，解决低水温造成的低产水率高进水压力需求以及增加膜元件支数需求从而增加成本的问题，同时由于所需的进水压力降低，装置可以放在相对更浅的水层，也可降低对装置材料耐压能力的要求，也有利于降低成本。

关于进水温度对装置产水率的影响，以选用陶氏海水淡化膜SW30HRLE-400i型号为例，用陶氏膜设计软件WAVE给出水温变化对装置所需进水压力，也是对所需放置的水层的深度的影响，结果通过图1、图2给出。其中水温及水压力数据来自中科院2012年南海海洋断面科学考察CTD温盐观测数据集。可以验证本装置通过在海水取水口设置加热装置，提升进水温度，可使得整体膜系统的运行更加高效，同时在固定产水量固定回收率条件下，进水温度的提升使得装置的进水压力需求降低，装置放置在相对更浅一点的水层即可达到进水压力要求。

以上是本发明的优选实施例，本领域的普通技术人员还可以在此基础上进行各种变换或改进，在不脱离本发明总的构思的前提下，这些变换或改进都应当属于本发明要求保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种深海反渗透海水淡化装置，其特征在于:

升降装置(6)、淡水储存水箱(8)置于半潜式海洋平台上；

装置本体置于外框(11)中，外框(11)通过吊索(9)与升降装置(6)连接；装置本体随外框浸没在海水中，并能够随吊索(9)升降；

所述装置本体包括滤箱(12)，滤箱(12)与海水进水总管道(24)连通；滤箱(12)、进水泵(18)、加热装置(28)、反渗透膜元件(14)依次连接；

所述反渗透膜元件(14)分为三支路，第一支路与淡水水箱(15)连通，第二支路与浓海水排放管道(10)连通，第三支路与回吸水箱(13)连通；

淡水水箱(15)与空气管(21)连接，空气管(21)与大气连通；淡水水箱(15)还通过高压泵(22)和淡水输送管路与所述淡水储存水箱(8)连接。

2.如权利要求1所述的深海反渗透海水淡化装置，其特征在于:所述回吸水箱(13)内加入淡化膜清洗药品，进水泵(18)停机时打开回吸水箱(13)支路上的阀门，而关闭由反渗透膜(14)通向淡水水箱(15)的淡水产水管道(40)上的阀门(41)，回吸水箱(13)内的淡水将因自然的渗透作用回流向反渗透膜元件(14)对膜元件进行清洗，并防止了产水回流在膜元件内带入空气而损坏膜元件。

3.如权利要求1所述的深海反渗透海水淡化装置，其特征在于:海水进水管路上设置加热装置(28)，并在加热装置(28)处设置温度传感器(29)。

4.如权利要求1所述的深海反渗透海水淡化装置，其特征在于:浓海水排放管道(10)为倾斜向下，方向为同时在水平、竖直方向上远离海水进水总管道(24)的海水入水口，浓海水排放管道(10)排水口在竖直方向上远离入水口10米以上，浓海水排放管道(10)与竖直方向呈60°的角度深入深海。

5.如权利要求1所述的深海反渗透海水淡化装置，其特征在于:

所述装置本体分为海水进水管路模块、淡化膜单元模块、淡水产水及输送模块、淡水回吸水箱模块、浓海水排放模块、控制模块以及外框模块七部分；

所述海水进水管路模块包括海水进水总管道(24)及其上设置的进水电子流量阀(38)，滤箱(12)，进水泵(18)，进水泵前部管路上设置的第一电子压力表(25)，进水泵后部管路上依次设置的第二电子压力表(26)、流量计a(27)、加热设备(28)及水温传感器(29)；

所述淡化膜模块包括若干组并联设置的反渗透膜单元(14)；

所述淡水产水及输出模块包括在每支反渗透膜单元(14)的淡水产水出口管路上均安装的流量计b(30)、阀门(41)，淡水产水管道(40)及与其连接的淡水水箱(15)，淡水水箱(15)上的空气管(21)，淡水水箱(15)上的压力传感器(31)，以及与淡水水箱(15)连接的淡水输水高压泵模块；其中淡水输水高压泵模块包括高压泵(22)，高压泵前部的第三电子压力表(33)，高压泵后部依次设置的第四电子压力表(34)、止回阀(35)，和与将高压泵跟上部半潜式平台上的淡水储存水箱(8)相连的淡水输送管路(20)；

所述淡水回吸箱模块包括淡水回吸水箱(13)，淡水回吸水箱(13)前端的阀门(39)，以及淡水回吸水箱(13)后端的压力传感器(32)；

浓海水排放模块包括浓海水泵(17)，浓海水泵(17)前端依次设置的浓海水管道流量计(38)、浓海水流量控制阀(37)，浓海水排放管道(10)，及浓海水排放管道(10)末端的浓水管路止回阀(36)；

控制模块包括控制箱(16)以及连接于上部平台上供电箱的电缆(19)；

外框模块包括外框(11)及所述吊索(9)。

6.如权利要求1所述的深海反渗透海水淡化装置，其特征在于:半潜式海洋平台上还设有供电箱(7)。

7.如权利要求6所述的深海反渗透海水淡化装置，其特征在于:电缆(19)、淡水输水管(20)与空气管(21)三管路以脐带缆的形式伸入到半潜式海洋平台上。

8.如权利要求7所述的深海反渗透海水淡化装置，其特征在于:半潜式平台由三部分组成：上部甲板(1)、立柱(2)与浮箱(3)，上部甲板(1)与浮箱(3)通过立柱(2)连接，半潜式平台通过连接到海底的锚链(4)系泊系统固定。

9.如权利要求5所述的深海反渗透海水淡化装置，其特征在于:各模块分别进行过耐高压处理，在装置小修时采用水下机器人修理更换各模块或模块中的元器件，大修时通过升降设备将所述装置本体升到平台上。

10.一种权利要求1所述的深海反渗透海水淡化装置的海水淡化方法，其特征在于：

当进水管路(24)上的电磁流量阀(38)以及进水泵(18)打开，高压海水由海水进水总管路进入滤箱(12)得到简单预处理，过滤掉可能的杂质，然后再由进水泵(18)以及管路将海水输送至反渗透膜单元(14)；两支电子压力表(25、26)分别监控海水进、出进水泵时的水压力，并协同产水管路上的电子压力表测出的产水压力监控装置的进水与产水之压差；进水开停与流量的大小通过进水电子流量阀(38)来控制；通过海水进水管路上的加热设备(28)与水温传感器(29)的协调配合，提升进水海水的温度保证淡化膜的工作效率；

输送至反渗透淡化膜单元(14)的高压海水由淡化膜淡化后产出淡水并排出浓海水。其中淡水的输送经过这样的过程：每支反渗透膜元件的淡水产水流量可通过管道上安装的流量计(30)测出，各支膜元件的淡水产水汇入总的产水管(40)输送到淡水箱(15)中；淡水水箱(15)与高压泵(22)相连，连接管路上也装有电子压力表(33)，淡水由高压泵沿淡水输送管路20输送至半潜式平台上的淡水储存水箱(8)中；淡水输送管路(20)上安装有止回阀(35)防止意外情况下的淡水回流；淡水水箱(15)上连接有空气管(21)，空气管向上连接到平台上部，系统产水中淡水水箱(15)内压强保持一个大气压；淡水水箱内压强通过安装在水箱上部的压力传感器监测(31)；

装置停机时淡水回吸水箱模块中管路上的阀门(39)打开而淡水产水管路上的阀门(41)关闭，回吸水箱(13)内的淡水会由于自然渗透作用流入反渗透膜元件，此时回吸水箱内的加药淡水会实现对管路的清洗；压力传感器(32)用于监视与保证回吸水箱在装置将要停机以前是满水状态，如果回吸水箱内不是满水状态则需要先关闭淡水管路上的阀门(41)而打开淡水回吸水箱支路上的阀门(39)，将淡水产水引入回吸水箱补充淡水，回吸水箱满水后再停机；

未透过反渗透膜的浓海水则经浓海水管路排出，浓海水管路上设有流量计(38)与电磁流量控制阀(37)，流量计(38)测量浓水总流量需要满足膜元件正常持久运行的最小浓水流量限制，电磁流量控制阀(37)进行流量调节并控制淡化系统整体回收率不超过淡化系统能正常运行的最高回收率。浓海水经过设置在浓海水管路(10)上的浓海水泵(17)加压排到外界海洋环境中，浓海水泵出口管路(17)设置止回阀(36)防止海水逆流；浓海水管道排放出口深入到装置底部竖直方向上设定距离处，浓海水管路(10)倾斜角度大致为与竖直方向呈60°角，浓水管路排水口在水平竖直两方向上均远离海水进水管路(24)，防止排出的浓海水影响装置的进水水质。