อธิบายการนำพลังงานกลับมาใช้ใน SWRO: โรงยุคใหม่ลดการใช้ไฟฟ้าลง 60% ได้อย่างไร

ปัญหาพลังงานใน SWRO

โดยแก่นแท้แล้ว รีเวิร์สออสโมซิสน้ำทะเลคือการแก้ปัญหาทางอุณหพลศาสตร์ด้วยกำลังล้วน ๆ น้ำทะเลมาตรฐานที่มีของแข็งละลายทั้งหมด 35,000 mg/L มีความดันออสโมติกราว 25 บาร์ (370 psi) ที่ 25 °C การจะผลักน้ำจืดผ่านเมมเบรนคอมโพสิตฟิล์มบางชนิดโพลีเอไมด์ ทวนความชันออสโมติกนั้น โรง SWRO ต้องใช้ความดันทางชลศาสตร์ 55–85 บาร์ ที่ฝั่งน้ำดิบ — ซึ่งสูงกว่าค่าต่ำสุดทางออสโมซิสอยู่มาก เพราะแรงขับที่ทำให้เกิดฟลักซ์ของน้ำผลิต คือผลต่างระหว่างความดันที่ใช้กับความดันออสโมติก

จุดที่เป็นปัญหาคือ น้ำดิบเพียงส่วนหนึ่งเท่านั้นที่กลายเป็นน้ำผลิต อัตราการนำกลับของ SWRO ขั้นแรกโดยทั่วไปอยู่ที่ 40–50% ซึ่งหมายความว่าน้ำดิบมากกว่าครึ่งไหลออกจากท่อบรรจุเมมเบรน ในรูปของสายน้ำเกลือเข้มข้น — ที่ยังมีความดันราว 55–82 บาร์ โดยสูญเสียไปเพียงความดันตกคร่อมชุดเมมเบรน 2–3 บาร์เท่านั้น หากไม่มีอุปกรณ์นำพลังงานกลับมาใช้ สายน้ำเกลือนั้นจะถูกลดความดันลงสู่ความดันบรรยากาศ ผ่านวาล์วควบคุม และพลังงานทางชลศาสตร์ทั้งหมดจะถูกแปลงเป็นความร้อนและเสียง สำหรับโรงที่มีอัตราการนำกลับ 35% น้ำเกลือที่ทิ้งไปนั้น พาพลังงานที่เพลาของปั๊มแรงดันสูงออกไปทางประตูหลังราว 60–65%

นี่คือเหตุผลที่โรง SWRO รุ่นแรกในทศวรรษ 1970 และ 1980 ใช้พลังงาน 8–12 kWh ต่อน้ำผลิตหนึ่งลูกบาศก์เมตร เศรษฐศาสตร์ของมันใช้ไม่ได้เลยนอกซาอุดีอาระเบียและเกาะที่ขาดแคลนน้ำอยู่ไม่กี่แห่ง เรื่องราวที่ SWRO กลายมาแข่งขันด้านต้นทุนได้กับการบำบัดน้ำผิวดินในหลายภูมิภาคชายฝั่ง ส่วนใหญ่แล้วคือเรื่องราวของอุปกรณ์นำพลังงานกลับมาใช้

เมื่อไม่มี ERD: พลังงานหายไปไหน

ลองพิจารณาชุด SWRO ที่รับน้ำดิบ 100 m³/h ที่ความดันเมมเบรน 60 บาร์ อัตราการนำกลับ 40% และไม่มี ERD ปั๊มแรงดันสูงส่งกำลังที่เพลาราว 200 kW (100 m³/h × 60 บาร์ / 36 / ประสิทธิภาพปั๊ม 0.82 ~ 203 kW) น้ำเกลือ 60 m³/h ไหลออกจากชุดเมมเบรนที่ 58 บาร์ แล้วถูกลดความดันลงเหลือศูนย์ผ่านวาล์วควบคุมน้ำเกลือ การลดความดันนั้นสูญเสียพลังงานไปราว 97 kW — เกือบครึ่งหนึ่งของกำลังที่ป้อนให้ปั๊ม — ในรูปความร้อนคุณภาพต่ำในท่อทางออก โรงนี้ผลิตน้ำผลิตได้ 40 m³/h การใช้พลังงานจำเพาะจึงเท่ากับ 200 kW / 40 m³/h = 5.0 kWh/m³ บวกอีก 1–2 kWh/m³ สำหรับระบบรับน้ำ การปรับสภาพน้ำก่อนระบบ และการส่งน้ำผลิต รวมทั้งสิ้น: 6–7 kWh/m³

เพิ่ม ERD ยุคใหม่ที่นำพลังงานจากน้ำเกลือกลับมาได้ 90+% แล้วปั๊มแรงดันสูงก็ไม่ต้องยกความดันทั้งหมดอีกต่อไป เพียงแค่ต้องเติมส่วนต่างความดันให้เท่านั้น โรงเดิมนี้จะใช้กำลังราว 110 kW สำหรับปั๊มแรงดันสูงหลัก ลดลงเหลือ 2.7–3.0 kWh/m³ โดยรวม และต้นทุนเดินระบบลดลง 40–55%

ประเภทของ ERD: แบบไอโซบาริก เทียบกับแบบหมุนเหวี่ยง

ERD สำหรับ SWRO ยุคใหม่ทั้งหมดแบ่งออกเป็นสองตระกูลทางสถาปัตยกรรม:

1. เครื่องแลกเปลี่ยนความดันแบบไอโซบาริก (แทนที่เชิงปริมาตร) ห้องที่หมุนหรือชักกลับไปมาจะสลับกันบรรจุน้ำดิบความดันต่ำและน้ำเกลือความดันสูง น้ำเกลืออัดความดันให้น้ำดิบโดยตรงด้วยการแทนที่ โดยไม่มีการแปลงพลังงานขั้นกลาง ตัวอย่างเช่น ตระกูล ERI PX-Q, Flowserve DWEER และ Danfoss iSave
2. เทอร์โบชาร์จเจอร์แบบหมุนเหวี่ยง เป็นชุดกังหัน-ปั๊มบนเพลาเดียว โดยน้ำเกลือขยายตัวผ่านใบพัดกังหัน และงานที่ได้กลับมาที่เพลาจะอัดสายน้ำดิบบนเพลาเดียวกันนั้น ตัวอย่างเช่น ตระกูล FEDCO HPB และ Pump Engineering Turbocharger

อุปกรณ์แบบไอโซบาริกชนะที่ประสิทธิภาพสูงสุด (96–98%) แต่ทำให้น้ำดิบกับน้ำเกลือผสมกันเล็กน้อย และต้องมีปั๊มเสริมแรงดันเป็นอุปกรณ์ประกอบ ส่วนอุปกรณ์แบบหมุนเหวี่ยงยอมเสียประสิทธิภาพไปบ้าง (80–85%) แต่ตัดปั๊มเสริมแรงดัน การผสมกันของน้ำ และงานท่อประกอบส่วนใหญ่ออกไปได้

เครื่องแลกเปลี่ยนความดัน: ERI PX

ตระกูล ERI PX เป็น ERD แบบไอโซบาริกที่ครองตลาดโรง SWRO ขนาดใหญ่ทั่วโลก กลไกของมันเรียบง่ายอย่างงดงาม: โรเตอร์เซรามิกความเที่ยงตรงสูงที่มีกระบอกสูบตามแนวแกน หมุนอยู่ระหว่างแผ่นปิดปลายเซรามิกสองแผ่น เมื่อโรเตอร์หมุน กระบอกสูบแต่ละกระบอกจะสลับกันเปิดรับ ช่องน้ำดิบความดันต่ำและช่องน้ำเกลือความดันสูง น้ำเกลือดันน้ำดิบออกไปที่ความดันเต็มของน้ำเกลือ จากนั้นการหมุนครึ่งรอบถัดไปจะเติมน้ำดิบความดันต่ำกลับเข้ากระบอกสูบ ผลลัพธ์คือการถ่ายทอดความดันที่เกือบสมบูรณ์แบบ โดยมีการผสมกันตามแนวแกนเพียงเล็กน้อยที่รอยต่อระหว่างน้ำเกลือกับน้ำดิบภายในกระบอกสูบ — โดยทั่วไป 1–3% โดยปริมาตร

รุ่นต่าง ๆ ของ PX ขยายขนาดด้วยจำนวนโรเตอร์ที่ต่อขนานกัน โดยใช้สถาปัตยกรรมแบบไม่มีมอเตอร์เหมือนกัน:

PX ต้องมีปั๊มเสริมแรงดันที่ทางออกน้ำดิบความดันสูง เพราะโรเตอร์ถ่ายทอดได้แต่ความดันเท่านั้น — มันเติมส่วนต่างเล็ก ๆ ระหว่างความดันน้ำเกลือกับความดันใช้งานของเมมเบรนไม่ได้ (โดยทั่วไปคือความดันตกคร่อมชุดเมมเบรน 1–3 บาร์ บวกส่วนเผื่อ) ปั๊มเสริมแรงดันนั้นมักเป็นปั๊มหลายใบพัดแนวตั้ง เช่น Grundfos CR หรือปั๊มลูกสูบตามแนวแกน Danfoss APP ที่คำนวณขนาดสำหรับอัตราการไหลของน้ำผลิตเต็มที่ ณ ส่วนต่างความดันที่ต้องเติม

เทอร์โบชาร์จเจอร์: FEDCO HPB

เทอร์โบชาร์จเจอร์นำพลังงานกลับมาใช้แบบหมุนเหวี่ยง ย่อหน้าที่ของ ERD ทั้งหมดให้เหลือชิ้นส่วนหมุนเพียงชิ้นเดียว น้ำเกลือความดันสูงเข้าทางฝั่งกังหันของโรเตอร์ชิ้นเดียว ขยายตัวผ่านครีบกังหัน แล้วงานที่เพลาจะขับใบพัดปั๊มที่ปลายอีกด้านของโรเตอร์เดียวกันทันที — อัดความดันให้สายน้ำดิบระหว่างทางไปยังท่อบรรจุเมมเบรน ไม่มีมอเตอร์ ไม่มีปั๊มเสริมแรงดัน ไม่มีระบบหล่อลื่นภายนอก และไม่มีการต่อไฟฟ้าใด ๆ ทั้งสิ้น โรเตอร์ลอยอยู่บนฟิล์มไฮโดรไดนามิกของน้ำในกระบวนการ

ตระกูล FEDCO HPB มีประสิทธิภาพการถ่ายทอดที่ขึ้นกับขนาดเฟรม โดยเกิน 83% ในเฟรมที่ใหญ่ที่สุด ส่วนเฟรมที่เล็กกว่าก็ลดหลั่นลงมาตามลำดับ FEDCO ออกแบบแต่ละเครื่องเฉพาะรายให้ตรงกับจุดใช้งาน และออกเอกสารข้อมูลสมรรถนะที่รับรองแล้วมาพร้อมใบเสนอราคา ข้อแลกเปลี่ยนเมื่อเทียบกับอุปกรณ์แบบไอโซบาริกคือประสิทธิภาพราว 12–15 จุด แลกกับ: การผสมกันของน้ำดิบกับน้ำเกลือเป็นศูนย์ อุปกรณ์ประกอบเป็นศูนย์ พื้นที่ติดตั้งของสกิดที่เล็กลงอย่างมาก และลำดับการสตาร์ทและหยุดเครื่องที่ง่ายที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ สำหรับโรงแบบเคลื่อนย้ายได้และแบบตู้คอนเทนเนอร์ ข้อแลกเปลี่ยนนี้มักชี้ขาดให้เลือกเทอร์โบชาร์จเจอร์

ข้อพิจารณาเรื่องปั๊มเสริมแรงดัน

หากคุณกำหนดใช้เครื่องแลกเปลี่ยนความดัน คุณต้องกำหนดปั๊มเสริมแรงดันควบคู่ไปด้วย ปั๊มเสริมแรงดันรับผิดชอบส่วนต่างความดัน ระหว่างทางเข้าน้ำเกลือของ PX กับความดันน้ำดิบของชุดเมมเบรน — โดยทั่วไป 1.5–3.5 บาร์ ที่อัตราการไหลของน้ำผลิตเต็มที่ มีสองตัวเลือกที่ใช้กันทั่วไป:

• ปั๊มลูกสูบตามแนวแกน Danfoss APP เป็นแบบแทนที่เชิงปริมาตร มีประสิทธิภาพสูงเป็นพิเศษที่ความดันสูงซึ่งใช้ใน SWRO มีตัวเลือกวัสดุสเตนเลสและซูเปอร์ดูเพล็กซ์ ดูที่ ปั๊มแรงดันสูง Danfoss.
• ปั๊มหลายใบพัดแนวตั้ง Grundfos CR เป็นแบบหมุนเหวี่ยง เงินลงทุนต่ำกว่า และซ่อมบำรุงง่ายกว่า เหมาะเมื่อส่วนต่างความดันของปั๊มเสริมแรงดันอยู่ในระดับปานกลางและคงที่ ดูที่ ปั๊ม Grundfos.

กำลังที่เพลาของปั๊มเสริมแรงดันบวกเข้าไปในงบพลังงานด้วย — โดยทั่วไป 5–10% ของกำลังที่ปั๊มแรงดันสูงใช้ — แต่ประสิทธิภาพโดยรวมของระบบยังคงเข้าข้างสถาปัตยกรรมแบบไอโซบาริก เมื่อ ERD เดินอยู่ใกล้จุดออกแบบของมัน

การผสานระบบ: เดินดู P&ID ทีละจุด

ชุด SWRO ที่ใช้เครื่องแลกเปลี่ยนความดันมีหน้าตาแบบนี้ในเชิงการไหลของกระบวนการ: น้ำดิบที่ผ่านการปรับสภาพแล้วแยกออกเป็นสองสาย สายหนึ่งไปที่ทางดูดของปั๊มแรงดันสูง และถูกอัดความดันขึ้นไปราวเท่ากับความดันเมมเบรน อีกสายหนึ่ง (ซึ่งใหญ่กว่า) ไปที่ฝั่งความดันต่ำของ PX ซึ่งจะถูกอัดขึ้นไปที่ความดันของน้ำเกลือ (ต่ำกว่าความดันเมมเบรนเล็กน้อย) จากนั้นน้ำดิบที่ผ่านการอัดจาก PX จะผ่านปั๊มเสริมแรงดันตัวเล็ก ซึ่งยกความดันขึ้นอีก 2–3 บาร์สุดท้ายให้เท่ากับด้านส่งของปั๊มแรงดันสูง สายน้ำดิบทั้งสองมารวมกันที่ข้อต่อสามทาง แล้วเข้าสู่ท่อบรรจุเมมเบรนพร้อมกัน น้ำเกลือไหลออกจากท่อบรรจุไปป้อนฝั่งความดันสูงของ PX เป็นการปิดวงจร

ชุด SWRO ที่ใช้เทอร์โบชาร์จเจอร์นั้นเรียบง่ายกว่า น้ำดิบที่ผ่านการปรับสภาพแล้วเข้าทางช่องฝั่งปั๊มของ HPB ได้รับการเสริมแรงดันจากพลังงานที่นำกลับมาจากน้ำเกลือ จากนั้นปั๊มแรงดันสูงตัวเล็กกว่าจะเติมความดันให้ถึงระดับความดันเมมเบรน น้ำเกลือไหลออกจากชุดเมมเบรนไปขับฝั่งกังหันของ HPB โดยตรง ไม่มีการแยกสายน้ำ ไม่มีปั๊มเสริมแรงดัน และไม่มีข้อต่อสามทางสำหรับรวมสายน้ำ

เป้าหมายการใช้พลังงานจำเพาะในโลกจริง

ตัวเลขเหล่านี้เป็นพลังงานจำเพาะของปั๊มแรงดันสูงบวก ERD เท่านั้น ให้บวกอีก 0.5–1.5 kWh/m³ สำหรับระบบรับน้ำ การปรับสภาพน้ำก่อนระบบ การปรับสภาพน้ำหลังระบบ และการส่งน้ำผลิต ขึ้นกับสภาพของไซต์งาน

กรณีศึกษาทางเศรษฐศาสตร์: โรง SWRO ขนาด 100,000 GPD

ลองพิจารณาโรงที่ผลิตน้ำผลิต 100,000 GPD (16 m³/h) เดินตลอด 24 ชั่วโมง 350 วันต่อปี โดยมีชุดระบบที่อัตราการนำกลับ 40% (น้ำดิบ 40 m³/h น้ำเกลือ 24 m³/h) ที่ค่าไฟอุตสาหกรรม $0.15/kWh:

• ไม่มี ERD: ~6.5 kWh/m³ × 16 m³/h × 8,400 ชม./ปี = 873,600 kWh/ปี = ค่าไฟ $131,040 ต่อปี
• FEDCO HPB-60: ~3.5 kWh/m³ × เท่ากัน = 470,400 kWh/ปี = $70,560 ต่อปี ประหยัดได้ปีละราว $60,000
• ERI PX Q220 + ปั๊มเสริมแรงดัน: ~2.8 kWh/m³ × เท่ากัน = 376,320 kWh/ปี = $56,448 ต่อปี ประหยัดได้ปีละราว $74,500

โดยทั่วไป ERD คืนทุนภายใน 12–24 เดือน ตลอดอายุโรง 20 ปี ส่วนต่างระหว่าง "ไม่มี ERD" กับอุปกรณ์ยุคใหม่ สูงเกิน $1 ล้านอยู่มากสำหรับโรงขนาดนี้

ตารางการเลือก: PX เทียบกับ HPB ตามกำลังการผลิต

สรุปรวมทั้งหมด

การนำพลังงานกลับมาใช้ได้เปลี่ยน SWRO จากเทคโนโลยีเฉพาะทางที่มีต้นทุนสูง มาเป็นแหล่งน้ำกระแสหลักที่ทำได้จริง การเลือกระหว่างเครื่องแลกเปลี่ยนความดันกับเทอร์โบชาร์จเจอร์แบบหมุนเหวี่ยง แทบไม่เคยขึ้นอยู่กับประสิทธิภาพสูงสุดเพียงอย่างเดียว — แต่ขึ้นอยู่กับขนาดโรง พื้นที่ติดตั้ง แนวคิดในการบำรุงรักษา และต้นทุนของอุปกรณ์สนับสนุนรอบ ๆ ตัว ERD เอง สำหรับโรงขนาดกลางแบบเคลื่อนย้ายได้และแบบตู้คอนเทนเนอร์ เทอร์โบชาร์จเจอร์ FEDCO HPB มักเป็นผู้ชนะ ส่วนโรงติดตั้งถาวรขนาดใหญ่กว่า ERI PX พร้อมปั๊มเสริมแรงดันมักเป็นผู้ชนะ ForeverPure จัดจำหน่ายทั้งสองแบบ สำหรับความช่วยเหลือด้านการคำนวณขนาด ดูได้ที่หน้าของเราเรื่อง อุปกรณ์แลกเปลี่ยนแรงดัน ERI, การนำพลังงานกลับมาใช้ของ FEDCOและ ระบบ SWRO แบบครบชุด.