潮汐能直接驱动的反渗透海水淡化系统性能研究

摘要

反渗透海水淡化技术相比于其他海水淡化技术具有腐蚀和结垢轻微，设备投资少和建造周期短等优点，近几十年发展迅速。但是这种方法中的高压泵需要消耗大量电能，不仅增加了制淡成本和碳排放、还会加剧能源危机。本人所在课题组以解决高能耗、高成本和高碳排放为目的，研发了潮汐能聚能增压器，直接利用潮汐能的聚集能代替电能制取高压海水，进行反渗透海水淡化。本文在此基础上提出两套不同运行方式的潮汐能直接驱动的反渗透海水淡化系统方案，为了更全面的对比分析研究，同时给出了将潮汐能发电技术与传统反渗透海水淡化方法相结合的系统方案，即潮汐能间接驱动的反渗透海水淡化系统。最后对三套系统的性能指标展开计算和对比研究。本文的主要研究内容及成果如下：
　　1、详细分析潮汐能利用技术、反渗透海水淡化系统等相关知识，结合潮汐能聚能增压器，设计“余能回收制淡的潮汐能直驱反渗透海水淡化系统”、“余能发电制淡的潮汐能直驱反渗透海水淡化系统”和“余能回收制淡的潮汐能间驱反渗透海水淡化系统”其中，前两套系统使用潮汐能聚能增压器将潮汐能直接聚能加以利用，属于直驱式系统，第三套系统是传统的潮汐能发电技术与传统的反渗透方法相结合，属于间驱式系统。为叙述方便，简称上述三套系统为：―系统1‖、―系统2‖和―系统3‖；
　　2、采用系统能量利用性能分析方法，对系统的能效、火用变、制淡成本进行计算和对比分析研究。研究表明：
　　①三套系统的能量利用效率从大到小的顺序为：系统1>系统2>系统3；其中―系统1‖相对于“系统3”通常情况下能效提高了28％、―系统2‖相对于“系统3”能效提高了20.2%、―系统1‖相对于“系统2”能效提高了14%；
　　②利用火用分析方法对系统方案的可行性进行了理论验证，同时对系统的火用变进行计算后发现，火用损最大处发生在膜组件环节，这主要是高压进料海水中的纯水通过反渗透膜的过程中，消耗大量高压势能造成的；
　　③三套系统的制淡成本关系为：系统1<系统2<系统3；当设备使用寿命为15年时，―系统1‖相对于“系统3”成本节约率为22.9%~49.8%、―系统2‖相对于“系统3”成本节约率为15.7%~35.8%、―系统1‖相对于“系统2”成本节约率为10.7%~21.7%；随着设备使用寿命增长和场地开发成本降低，系统制淡成本将会进一步下降；
　　④直驱式―系统1‖和―系统2‖相对于间驱式―系统3‖具有能效高、制淡成本低的优点。这是因为聚能增压器的使用减少了能量转换次数和生产设备，简化了生产流程。另外，系统能量由潮汐能供应，没有碳排放，属于环境友好型系统。因此，直驱式―系统1‖和―系统2‖非常适合实施大型产业化发展。

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符 号 表

1绪论

1.1研究背景

1.2海水淡化技术概述

1.3潮汐能海水淡化研究进展

1.4系统能量利用性能分析方法

1.5存在的问题和本文的主要工作

2 利用潮汐能驱动的反渗透海水淡化系统方案设计

2.1 相关知识

2.2余能回收制淡的潮汐能直驱反渗透海水淡化系统方案设计

2.3余能发电制淡的潮汐能直驱反渗透海水淡化系统方案设计

2.4余能回收制淡的潮汐能间驱反渗透海水淡化系统方案设计

2.5本章小结

3 利用潮汐能驱动的反渗透海水淡化系统能效分析

3.1余能回收制淡的潮汐能直驱反渗透海水淡化系统能效数学模型

3.2余能发电制淡的潮汐能直驱反渗透海水淡化系统能效数学模型

3.3余能回收制淡的潮汐能间驱反渗透海水淡化系统能效数学模型

3.4能效对比分析研究

3.5实例分析

4利用潮汐能驱动的反渗透海水淡化系统火用分析

4.1余能回收制淡的潮汐能直驱反渗透海水淡化系统火用分析

4.2余能发电制淡的潮汐能直驱反渗透海水淡化系统火用分析

4.3本章小结

5利用潮汐能驱动的反渗透海水淡化系统经济性分析

5.1反渗透过程模型

5.2利用潮汐能驱动的反渗透海水淡化系统经济模型

5.3系统经济性对比分析

5.4本章小结

6 总结

参考文献

致谢

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