В настоящее время более половины населения планеты в той или иной степени испытывает дефицит пресной воды, а дефицит воды в промышленности растет в среднем более чем на 5% в год. Для прибрежных предприятий недостаток пресной воды напрямую влияет на непрерывность производства. Морская вода, как наиболее богатый ресурс, стала основным способом водоснабжения при обработке обратным осмосом на установках опреснения соленой воды.

Это решение специально разработано для установок опреснения соленой воды методом обратного осмоса и позволяет устранить такие ключевые проблемы, как высокое энергопотребление, сильное засорение мембран, высокие затраты на эксплуатацию и обслуживание, а также недостаточная адаптивность к качеству воды. В сочетании с реальными потребностями в воде для промышленного производства оно обеспечивает эффективную, стабильную и недорогую работу установки для опреснения морской воды с обратным осмосом, Это обеспечивает фабрикам устойчивое снабжение высококачественной пресной водой.

Основная цель решения - снизить энергопотребление на единицу пресной воды до передового уровня в отрасли путем систематической оптимизации технологического процесса, эксплуатации и обслуживания оборудования, управления энергопотреблением системы обратного осмоса, тем самым продлив срок службы мембранных модулей, снизив общие эксплуатационные расходы и обеспечив соответствие качества опресненной воды стандартам промышленного производства (например, требованиям к воде для электронной, химической и текстильной промышленности).

1. Анализ болевых точек завода по опреснению соленой воды ro

В настоящее время завод сталкивается с четырьмя основными проблемами в ходе своей долгосрочной эксплуатации, на которые влияют многочисленные факторы, включая качество морской воды, технологический процесс и уровень технического обслуживания. Эти проблемы напрямую ограничивают эффективность опреснения и операционную эффективность, влияя на способность станции гарантировать производственные поставки воды.

Во-первых, высокие затраты на электроэнергию стали основным эксплуатационным бременем. Основное энергопотребление установки для опреснения соленой воды методом обратного осмоса сосредоточено в ступень привода насоса высокого давления, используемых для преодоления осмотического давления морской воды и достижения опреснения. В настоящее время большинство заводов поддерживают удельное потребление энергии на уровне 4-6 кВт-ч/м³ для опреснительной установки ro salte water, а в некоторых старых системах оно достигает 8 кВт-ч/м³. Цены на электроэнергию в промышленности обычно составляют от $0,08 до $0,12/кВтч, то есть только затраты на электроэнергию составляют 55%-65% от общей стоимости опресненной воды. В сочетании с затратами на расход реагентов и износ оборудования это приводит к высокой общей стоимости опресненной воды, что увеличивает нагрузку на производство и эксплуатацию установок. Кроме того, в системах обратного осмоса некоторых заводов отсутствуют эффективные устройства рекуперации энергии, что приводит к потере энергии высокого давления при выгрузке концентрата, что еще больше увеличивает потребление энергии.

Во-вторых, мембранные модули сильно загрязняются, что значительно сокращает срок их службы. Мембраны обратного осмоса являются основным расходным материалом, и от их работы напрямую зависит эффективность опреснения и качество воды. Однако во время опреснения морской воды взвешенные частицы, коллоиды, микроорганизмы, органические вещества и ионы тяжелых металлов, содержащиеся в морской воде, легко прилипают к поверхности мембраны, вызывая ее засорение. На большинстве заводов отсутствуют научные процессы предварительной обработки и растворы для очистки мембран, что приводит к ускорению темпов обрастания мембранных модулей и сокращению срока их службы со стандартных 3-5 лет до 1-2 лет. Это не только увеличивает затраты на замену мембран, но и часто приводит к остановке системы, что влияет на бесперебойность водоснабжения предприятия.

В-третьих, недостаточная адаптируемость процесса приводит к плохому соблюдению требований к качеству воды. Качество морской воды в разных районах моря существенно различается, но большинство заводов используют единую технологическую схему для своих систем обратного осмоса, не оптимизируя процессы предварительной обработки и параметры мембраны в зависимости от фактического качества морской воды.

Например, при обработке морской воды с высокой турбулентностью недостаточная точность предварительной фильтрации позволяет взвешенным веществам попадать в мембранный модуль, что усугубляет загрязнение мембраны.

При обработке морской воды с высоким содержанием солей неправильный выбор мембранных элементов приводит к некачественному опреснению, а качество опресненной воды не соответствует требованиям промышленного производства, что требует вторичной очистки и увеличивает дополнительные расходы. В-четвертых, неадекватная система эксплуатации и технического обслуживания, что приводит к частым поломкам оборудования. На некоторых заводах отсутствуют профессиональные команды по эксплуатации и техническому обслуживанию установок опреснения соленой воды методом обратного осмоса, что приводит к отсутствию научного контроля над циклами очистки мембранных модулей, частотой обслуживания насоса высокого давления и дозировкой реагентов, что приводит к частым поломкам оборудования (например, утечкам в насосе высокого давления, повреждению мембранных элементов и засорению трубопроводов). В то же время отсутствие комплексной системы мониторинга не позволяет отслеживать производительность мембран, изменения качества воды и рабочее состояние оборудования в режиме реального времени. Зачастую ремонт производится только после возникновения неисправностей, что еще больше снижает стабильность системы и увеличивает затраты на эксплуатацию и техническое обслуживание.

2. Комплексные решения для установки опреснения соленой воды

Оптимизация процесса

Решая проблему недостаточной адаптивности процесса и низкой стабильности качества воды, мы адаптировали и оптимизировали процесс системы обратного осмоса в зависимости от качества морской воды. Сосредоточившись на двух основных компонентах - предварительной очистке и мембранной системе, мы обеспечиваем соответствие опресненной воды стандартам и одновременно снижаем риск засорения мембран.

① Точная оптимизация процесса предварительной обработки

Индивидуальные процессы предварительной обработки применяются в зависимости от качества морской воды: Для морской воды с высокой турбулентностью (например, в прибрежных внутренних морях) используется трехступенчатый процесс предварительной очистки “сетчатая фильтрация + мультимедийная фильтрация + ультрафильтрация” используется. Сетчатая фильтрация удаляет крупные взвешенные частицы (такие как ил и водоросли), мультимедийная фильтрация удаляет мелкие примеси и коллоиды, а ультрафильтрационная мембрана дополнительно задерживает микроорганизмы и крупные органические молекулы, контролируя мутность поступающей воды ниже 0,1 NTU и индекс деградации почвы (SDI) ниже 3, предотвращая попадание взвешенных частиц в мембранный модуль обратного осмоса.

Для морской воды с высокой соленостью и низкой турбулентностью (например, в шельфовых морях) оптимизируются параметры мультимедийной фильтрации и добавляется этап фильтрации с активированным углем для адсорбции органических веществ и остаточного хлора в морской воде, что снижает факторы, провоцирующие загрязнение мембраны. Одновременно на стадии предварительной обработки добавляются подходящие ингибиторы накипи и бактерициды для подавления образования накипи и роста микроорганизмов, что снижает риск обрастания мембраны в самом источнике.

② Индивидуальная конфигурация мембранной системы обратного осмоса

Исходя из требований к качеству производственной воды (таких как электропроводность и жесткость), выберите подходящие мембранные элементы обратного осмоса, отдавая предпочтение противообрастающим композитным мембранам (таким как графено-модифицированные мембраны обратного осмоса и противообрастающие полиамидные мембраны). Эти мембранные элементы обладают такими преимуществами, как гладкая поверхность, сильные противообрастающие свойства и высокая скорость опреснения, стабильно превышающая 99,5%, что позволяет удовлетворить потребности различных областей применения производственной воды.

Оптимизировать расположение мембранных модулей, используя двухступенчатую схему, чтобы улучшить использование морской воды, уменьшить сброс концентрата и снизить рабочее давление в системе.

Для морской воды с высоким содержанием солей необходимо увеличить количество мембранных элементов, чтобы повысить эффективность опреснения и обеспечить соответствие качества опресненной воды стандартам. Кроме того, оптимизируйте рабочие параметры обратноосмотической системы опреснения соленой воды (такие как рабочее давление, скорость потока воды и скорость регенерации), регулируя их в режиме реального времени в зависимости от изменения качества морской воды, чтобы избежать повреждения мембраны или увеличения потребления энергии из-за несоответствующих параметров.

Оптимизация энергопотребления

Решая основную проблему, связанную с чрезмерным потреблением энергии, мы сосредоточились на ключевых энергоемких компонентах установки для опреснения соленой воды (насос высокого давления и рекуператор энергии) и добились значительного снижения энергопотребления за счет модернизации оборудования и оптимизации параметров.

① Энергосберегающая модернизация насоса высокого давления

Насосы высокого давления являются основным энергопотребляющим оборудованием в установках опреснения соленой воды методом обратного осмоса. Замена традиционных насосов высокого давления на высокоэффективные насосы высокого давления с частотным регулированием, использующие технологию частотного регулирования, позволяет в режиме реального времени регулировать скорость насоса в зависимости от давления воды на входе, уровня загрязнения мембраны и т. д., предотвращая длительную работу насоса высокого давления с полной нагрузкой и снижая энергопотребление.

Например, эффективность работы традиционного высоконапорного насоса составляет примерно 75%, а замена его на высокоэффективный высоконапорный насос с переменной частотой позволяет увеличить КПД до более чем 85%, сократив потребление энергии на единицу пресной воды на 15%-20%.

Кроме того, регулярное техническое обслуживание и ремонт насоса высокого давления, а также оптимизация конструкции корпуса насоса и снижение механического износа еще больше повышают энергосберегающие характеристики.

② Конфигурация высокоэффективного устройства рекуперации энергии

Добавление или обновление высокоэффективные устройства рекуперации энергии может рекуперировать энергию высокого давления, выделяемую при выгрузке концентрата обратного осмоса, и использовать ее для подачи морской воды в систему обратного осмоса, заменяя часть энергии, потребляемой насосом высокого давления.

В настоящее время основные устройства рекуперации энергии (например, рекуператоры PX) могут достигать эффективности рекуперации энергии более 95%, снижая удельное энергопотребление системы обратного осмоса с 4-6 кВтч/м³ до 2,5-3,5 кВтч/м³, значительно сокращая расходы на электроэнергию.

③ Энергосберегающая оптимизация рабочих параметров системы

Интеллектуальная система управления в режиме реального времени отслеживает такие параметры, как давление входящего потока, расход выходящего потока и перепад давления на мембране обратноосмотической опреснительной системы, автоматически регулируя рабочие параметры для оптимизации энергопотребления.

Например, при небольшом загрязнении мембранного модуля расход поступающего потока соответствующим образом снижается, чтобы предотвратить усугубление загрязнения мембраны и увеличение расхода энергии при работе под высоким давлением. Когда соленость морской воды уменьшается, рабочее давление соответствующим образом снижается, чтобы уменьшить потребление энергии.

Одновременно оптимизируется коэффициент извлечения концентрата, увеличивая его с 50%-60% до 70%-75%, при этом обеспечивается стабильная работа мембраны. Это повышает эффективность использования морской воды и косвенно снижает потребление энергии на единицу пресной воды.

Продление срока службы мембраны и повышение стабильности

Решая проблему сильного засорения мембран и частых отказов оборудования, эта система позволяет точно контроль мембранных модулей, текущее обслуживание оборудования, Продлевает срок службы мембран и повышает стабильность работы системы.

① Точная эксплуатация и обслуживание мембранных модулей

Создайте систему управления полным жизненным циклом мембранных модулей, регулярно контролируйте такие параметры, как перепад давления на мембране, скорость опреснения и поток пермеата, определяйте тип и степень засорения мембраны на основе изменения параметров и разрабатывайте целевые решения по очистке.

• При биологических загрязнениях используйте для очистки щелочные чистящие средства (например, раствор гидроксида натрия) в сочетании с бактерицидными средствами.
• Для очистки от коллоидных и накипных загрязнений используйте кислотные чистящие средства (например, раствор лимонной кислоты).

Оптимизируйте цикл очистки, чтобы избежать чрезмерной очистки, которая может повредить мембрану, и в то же время не допустить, чтобы задержка очистки усугубила загрязнение мембраны. Как правило, плановая очистка должна проводиться каждые 3-6 месяцев. Глубокую очистку следует проводить при увеличении перепада давления на мембране более чем на 15%. Кроме того, необходимо регулярно проверять целостность мембранных элементов и своевременно заменять любые поврежденные или стареющие элементы, чтобы обеспечить общую стабильность работы системы.

② Текущее обслуживание оборудования

Заведите журнал технического обслуживания оборудования и регулярно проводите техническое обслуживание такого оборудования, как насосы высокого давления, устройства рекуперации энергии, фильтры и трубопроводы.

• Проверяйте уплотнения, подшипники и другие компоненты насоса высокого давления каждые 1-2 месяца и своевременно заменяйте изношенные детали, чтобы предотвратить утечку.
• Устройство рекуперации энергии следует разбирать и чистить каждые 6 месяцев для удаления внутренних загрязнений и обеспечения эффективности рекуперации энергии.
• Регулярно промывайте фильтр, чтобы предотвратить его засорение и ухудшение эффекта предварительной обработки.

③ Развертывание интеллектуальной системы мониторинга

Интеллектуальная платформа мониторинга для обратноосмотической установки опреснения соленой воды развернута для сбора в режиме реального времени данных о качестве поступающей воды (мутность, соленость, SDI), рабочих параметрах мембраны (перепад давления, скорость опреснения, поток пермеата) и состоянии оборудования (скорость насоса высокого давления, потребление энергии). Эти данные затем используются для анализа больших данных с целью раннего предупреждения об аномалиях. При возникновении таких проблем, как повышенное загрязнение мембраны, неисправность оборудования или неудовлетворительное качество воды, платформа оперативно выдает предупреждающие сигналы, что позволяет обслуживающему персоналу быстро отреагировать и предотвратить усугубление проблемы.

Достижение соответствия экологическим нормам

В ответ на требования по соблюдению экологических норм на производстве мы оптимизируем очистку сточных вод и использование химикатов в системе обратного осмоса, чтобы обеспечить соответствие производственного процесса экологическим стандартам и добиться устойчивого развития.

① Соответствующая требованиям очистка концентрированных сточных вод

Концентрированные сточные воды, производимые системой обратного осмоса (с соленостью, примерно в два раза превышающей соленость морской воды), при прямом сбросе будут вызывать загрязнение моря. Для решения этой проблемы процесс очистки концентрированных сточных вод был оптимизирован с использованием модели “разбавление концентрированных сточных вод + экологический сброс”. Это предполагает смешивание и разбавление концентрированных сточных вод с другими низкоконцентрированными сточными водами с территории завода для снижения солености. Затем сточные воды сбрасываются в специально отведенную морскую акваторию по специальному трубопроводу. Выпускное отверстие расположено в районе с сильными морскими течениями, что обеспечивает быструю диффузию концентрированных сточных вод, предотвращая резкое повышение солености в отдельных районах и защищая морскую экосистему.

Одновременно, в зависимости от потребностей завода, часть концентрированных сточных вод может быть использована для полива зеленых насаждений и очистки дорог на территории завода, обеспечивая рециркуляцию водных ресурсов.

② Экологичное управление фармацевтическими препаратами

Оптимизировать использование химикатов в процессах предварительной обработки и очистки мембран, выбирая экологически безопасные ингибиторы накипеобразования и бактерициды для замены традиционных, сильно загрязняющих окружающую среду химикатов, тем самым снижая воздействие остатков химикатов на окружающую среду.

Одновременно с этим осуществляется точный контроль дозировки химических веществ, регулируя ее в режиме реального времени в зависимости от качества морской воды и состояния системы, чтобы избежать отходов и загрязнения, вызванных чрезмерной дозировкой, обеспечивая экологичное и рациональное использование химических веществ.

3. Краткое описание программы установки опреснения соленой воды

Для установки опреснения соленой воды методом обратного осмоса основными требованиями являются эффективность, стабильность и низкая стоимость эксплуатации. Данное решение основано на реальных сценариях использования воды на заводе и сосредоточено на четырех основных аспектах системы опреснения соленой воды методом обратного осмоса: технологический процесс, энергопотребление, эксплуатация и обслуживание, а также соответствие нормативным требованиям. Благодаря индивидуальной оптимизации и систематическому управлению оно эффективно решает основные проблемы современных установок опреснения соленой воды методом обратного осмоса, достигая целей снижения энергопотребления, увеличения срока службы мембран, соблюдения требований к качеству воды, а также эффективной эксплуатации и обслуживания.

Решение не требует внедрения других технологий опреснения, полностью совместимо с существующими системами обратного осмоса, имеет низкую сложность внедрения и высокую степень реализуемости, а также может быть гибко адаптировано к производственным мощностям завода, качеству морской воды и потребностям водопользования.