Изменение климатических условий, рост населения и вызываемая разработка существующих ограниченных природных источников повышает давление на систему снабжения чистой питьевой воды. Обратный осмос является признанным методом превращения морской воды в питьевую. Новый подход к этой технологии приводит к значительному снижению эксплуатационных затрат. Мигель Ангел Ривас (Miguel Angel Rvias) и Редверс Пейли (Redvers Paley) рассматривают разработку и ввод в эксплуатацию компанией Sulzer Pumps опреснительной станции в Ашкелоне (Израиль), самой крупной в мире установки обратного осмоса.
В растворах молекулы естественным путем перемещаются из зон с высокой их концентрацией в зоны с низкой концентрацией. Осмос представляет собой особый случай диффузии, в которой растворитель проникает через полупроницаемую мембрану из зоны с более низкой концентрацией растворенного вещества в зону с более высокой его концентрацией. Этот поток можно замедлить, остановить или даже обратить вспять, если приложить к мембране достаточное давление со стороны более высокой концентрации вещества. Когда вода принудительно направляется через мембрану против градиента концентрации, из зоны с высококонцентрированным раствором в зону с низкой концентрацией, процесс называется обратным осмосом (ОО) (см. рис. 1).
Рис. 1. Обратный осмос часто используется для удаления
солей из воды с целью сделать ее пригодной для питья.
Насосы компании Sulzer работают на крупнейшей в мире
установке такого рода.
Обратный осмос — очень тонкий вариант фильтрации — позволяет удалять столь малые частицы, как ионы раствора. Диаметр ионов — около 0,2 нм, или, для сравнения, около 1/100 диаметра вирусов. В зависимости от концентрации соли давление на стороне исходной воды полупроницаемой мембраны составляет до 60 - 70 бар и позволяет очищаемой воде проходить через полупроницаемую мембрану, при том что большинство частиц задерживаются.
Регенерация энергии
Обычно давление, необходимое для процесса, создается насосами. Энергия, нужная для приведения в действие насосов, является самой крупной статьей затрат на протяжении времени. Исторически сложилось так, что выходящий под высоким давлением солевой раствор проходил через устройства для регенерации энергии, например турбину Пельтона или насос обратного хода, что позволяло уменьшить потребление энергии основным двигателем. Эффективность регенерации энергии должна быть достаточно высока, чтобы уменьшить эксплуатационные затраты, поскольку установка обычно работает непрерывно. Поскольку отходящий рассол из-за концентрации в нем солей является высококоррозионной жидкостью, материал, из которого сделан насос, требуют особого внимания, так как высокие внутренние скорости могут привести к быстрой коррозии важных частей.
Рис. 2. Процесс DWERT™ (Регенерация энергии в обменном
устройстве двойного действия).
Процесс DWERT™ (Регенерация энергии в обменном устройстве двойного действия) включает повышение давления морской воды и понижение давления отходящего рассола. Возвратно-поступательные цилиндры и компьютеризованная система клапанов забирают необработанную морскую воду и выпускают рассол. Система имеет высокую эффективность и позволяет сэкономить больше энергии, чем было возможно ранее.
В настоящее время всего около 30% установленных в мире мощностей по производству опресненной воды используют обратный осмос, однако мембраны, произведенные в последние годы, сделали процесс более экономичными популярным, так что теперь по этой технологии сооружается около половины новых установок. Кроме того, новая технология регенерации энергии, использующая принцип изобарической камеры, более эффективна, чем даже турбина Пельтона (см. рис. 2).
Самая крупная в мире установка
После полного ввода в строй установка в Ашкелоне будет самой крупной в мире опреснительной установкой, производящей 110 миллионов м3/год питьевой воды, что приблизительно эквивалентно ежегодному потреблению приблизительно 850000 человек в типичной стране восточного Средиземноморья. Два отдельных блока берут воду для опреснения из Средиземного моря, каждый из которых производит в год 55 миллионов кубических метров пресной воды.
Наиболее передовым фактором процесса является так называемая «Трехцентровая схема», которая включает в себя насосный центр, центр мембранных стоек и центр регенерации энергии (см. рис. 3). Эти три конструкции обеспечивают значительную гибкость и сокращают общую стоимость воды.
Рис. 3. В «Трехцентровой схеме» насосы высокого давления,
центр регенерации энергии и мембранные стойки
работают независимо друг от друга
Центр давления
Небольшое количество больших насосов высокого давления (три двухступенчатых насоса 14x14x19A MSD-D и один резервный насос на всю установку) образуют центр давления, который подает морскую воду на все мембранные стойки через общий водяной коллектор.
Центр регенерации энергии состоит из 20 изобарических камер возвратно-поступательного типа (см. рис. 4). В центре регенерации энергии собирается сжатый отработанный рассол из мембранных стоек, его энергия передается дополнительному количеству питающей морской воды, подаваемой на мембранные стойки через общий коллектор.
Центр давления разработан для работы с максимальной эффективностью при минимальном обслуживании. Центр регенерации энергии способен изменять перекачиваемый поток независимо от насосов высокого давления. Мембранные стойки (включая новейший принцип восьми мембран на трубку) были специально разработаны так, чтобы обеспечить простоту очистки и, соответственно, высокую доступность.
Рис. 4. Центр регенерации энергии.
Специальная программа контроля
Проблема равномерного распределения питающего потока по мембранным стойкам и пропорционального сбора рассола являлась вызовом для разработчиков системы (см. рис. 5). Поскольку в изобарических камерах в известной мере происходило смешение рассола с морской водой, поток сырья, поступающий из камер, оказывался немного более соленым, чем поток из насосов высокого давления, в результате мембранным стойкам, находящимся рядом с центром регенерации энергии, приходилось работать в условиях с большей соленостью.
Работа большого количества насосов, в данном случае насосов докачки, требует специальной системы управления для поддержания постоянной нагрузки на мембранные стойки.
Рис. 5. Насосы докачки
Падение давления на трубопроводах распределения и сбора вызывает неравномерность потока, которая распространяется по мембранным стойкам; впоследствии засорение и очистки также вызывают неравномерность гидравлического сопротивления мембран. Была разработана специальная программа контроля, позволяющая преодолеть все эти проблемы и являющаяся еще одним важным элементом оптимизации работы установки.
Долгосрочные гарантии
Выбор насоса был настолько критичным для успеха проекта, что оценивались документы о эксплуатационных затратах за 25 лет, характеристики кривой производительности, которые наилучшим образом соответствовали нуждам процесса и гарантия эффективности после пяти лет эксплуатации. Эти аспекты проекта были настолько важны, что инженеры Sulzer, чтобы обеспечить оптимальное решение, разработали специально приспособленные гидравлические системы для некоторых приложений. После размещения заказов компания Sulzer осуществила подробную ревизию схемы трубопровода для главных насосов и разработала многоступенчатые насосы, чтобы обеспечить успешную работу при запуске насосов.
Стойкие материалы
Не менее важен был выбор материалов, которые гарантировали бы долгосрочную эксплуатацию насосов и предотвратили возможность повреждения мембран. Опыт использования в процессах обратного осмоса и в сложных задачах добычи нефти на морских платформах позволил выбрать для всех мокрых частей проверенные марки двухфазной нержавеющей стали. Полный набор насосов, необходимых для проекта, был изготовлен в Бразилии, Финляндии и Южной Африке. Управление проектом обеспечивалось из единой точки контакта в Великобритании, где также производились главные насосы высокого давления. Компания Sulzer Pumps поставила всего 47 насосов, потребляющих более 50 МВт. Сюда входят важные услуги по подаче морской воды (пять BS 650) и основные питающие насосы высокого давления (восемь MSD-D 14x14x19/two-stage).
Первая фаза строительства установки была успешно закончена в августе 2005 и эксплуатируется с плановой производительностью. Вторая фаза была сдана в эксплуатацию в феврале 2006 года. Проверки показывают, что все насосы работают с гарантированной эффективностью. Требования к общей мощности насосов меньше гарантированного уровня, что снижает затраты на эксплуатацию работающей установки.
Контактная информация
Контакты:
Sulzer Pumps
Miguel Angel Rivas
Paseo de la Castellana, 163
28046 Madrid
Spain
Tel:+34 91 414 46 40
Fax: +34 91 414 46 99
