СИСТЕМА ОБЕССОЛИВАНИЯ ПРИРОДНЫХ ВОД С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РЕЗЕРВНЫХ МОДУЛЕЙ ОБРАТНООСМОТИЧЕСКОГО ОБЕССОЛИВАНИЯ В РАБОЧИХ РЕЖИМАХ (ВАРИАНТЫ)

Полезная модель относится к области теплоэнергетики и может быть использована в системах водоподготовки для получения обессоленной воды из природных вод.
В настоящее время на ряде ТЭС и промышленных предприятий для обессоливания воды используются системы обессоливания природных вод с последовательно включенными установкой предочистки (УПО) и установкой обратного осмоса (УОО) на мембранных элементах. При этом нормами проектирования систем водоснабжения [1] предусматривается обязательное резервирование оборудования очистки воды для обеспечения максимальной расчетной производительности системы при выводе части оборудования в ремонт.
Известна принимаемая в качестве прототипа полезной модели система обессоливания природных вод, содержащая УПО и УОО на Мембранных элементах с по меньшей мере одной ступенью обессоливания, причем каждая ступень включает в себя параллельно соединенные через оборудованные отсечной "арматурой коллекторы очищенной воды, пермеата и концентрата по меньшей мере один рабочий и по меньшей мере один резервный модули [2].
К недостаткам прототипа следует отнести неэффективное использование резервного оборудования (мембранных модулей), включаемого в работу, основном, в периоды кратковременного выхода из строя основного оборудования. Недостатками прототипа являются также неэффективное использование не только резервных, но и рабочих мембранных модулей, так как при необходимости уменьшения производительности системы в резерв дополнительно выводится часть рабочих модулей, и невозможность регулирования качества обессоленной воды при изменении состава исходной воды. Еще одним недостатком прототипа является необходимость периодического включения в работу резервных модулей (независимо от наличия
большей или меньшей потребности в обессоленной воде) в связи с недопустимостью их длительного простоя.
Достигаемыми результатами полезной модели являются: максимальное полезное использование всех установленных мембранных модулей, включая резервные; повышение качества обессоленной воды, включая показатель жесткости; сокращение объема отводимого концентрата УОО; возможность выработки дополнительного количества обессоленной воды; снижение расходов реагентов (кислоты, щелочи или NaCl) на обработку пермеата при наличии после УОО дополнительной ступени Н- ОН-ионирования или Na-катионирования.
Указанные результаты обеспечиваются тем, что в системе обессоливания природных вод, содержащей УПО и УОО на мембранных элементах с по меньшей мере одной ступенью обессоливания, причем каждая ступень включает в себя параллельно соединенные через оборудованные отсечной арматурой коллекторы очищенной воды, пермеата и концентрата по меньшей мере один рабочий и по меньшей мере один резервный модули, согласно полезной модели, по меньшей мере у выходной ступени УОО коллекторы пермеата или концентрата на участке подключения рабочих модулей соединены через дополнительную отсечную арматуру последовательно со входом по меньшей мере одного резервного модуля той же ступени.
По другому варианту система обессоливания природных вод, содержащая УПО и УОО на мембранных элементах с по меньшей мере одной ступенью обессоливания, причем каждая ступень включает в себя параллельно соединенные через оборудованные отсечной арматурой коллекторы очищенной воды, пермеата и концентрата по меньшей мере один рабочий и по меньшей мере два резервных модуля, согласно полезной модели, по меньшей мере у выходной ступени УОО коллекторы пермеата и/или концентрата на участке подключения рабочих модулей соединены через дополнительную отсечную арматуру последовательно со входом по меньшей мере одного резервного модуля той же ступени.
При этом в обоих вариантах каждый рабочий модуль по меньшей мере выходной ступени УОО может быть дополнительно соединен через отсечную арматуру последовательно с каждым из остальных рабочих и резервных модулей той же ступени по ходу пермеата или по ходу концентрата; между коллектором концентрата выходной ступени УОО и резервными модулями могут быть последовательно включены промежуточная емкость и фильтровальная установка для очистки концентрата от оксидов металлов и/или от органических соединений; между коллектором концентрата выходной ступени УОО и резервными модулями может быть включена установка дозирования реагента - ингибитора отложений.
Возможные варианты реализации УОО согласно полезной модели приведены в таблице 1.
Таблица 1
Производ-сть УОО, м<sup>3</sup>/ч
Диапазон измен. раб. расходов, м<sup>3</sup>/ч
Рабочая часть УОО
Резервная часть УОО
% резервирования
Кол-во модулей
Ед. производ. мод., м<sup>3</sup>/ч
Кол-во модулей
Ед. Производ. мод., м<sup>3</sup>/ч
50
50
1
50
1
50
100
25-50
2
25
1
25
50
100
100
1
100
1
100
100
50-100
2
50
1
50
50
25-100
4
25
1
25
25
200
200
2
100
1
100
50
100-200
2
100
1
100
50
50-200
4
50
1
50
25
300
300
3
100
1
100
33
200-300
2
100
1
100
100-300
2
50
1
50
50
2
100
1
100
400
400
4
100
1
100
25
200-400
3
100
1
100
100-400
2
50
1
50
3
3
100
1
100
500
500
5
100
1
100
20
400-500
4
100
1
100
200-500
2
50
1
50
30
3
100
1
100
4
50
1
50
30
3
3
3
Как видно из таблицы 1, для УОО относительно невысокой производительности 50-100 м/ч величина резерва составляет 50-100%. Для УОО повышенной производительности 200-400 м/ч производительность может меняться в широком диапазоне рабочих нагрузок и потому в состав УОО могут входить рабочие модули различной единичной производительности и соответственно аналогичные сочетания будут иметь место и в составе резервных модулей. Например, при одном или двух рабочих модулях производительностью 50 или 100 м/ч, как правило, в состав УОО входит еще один резервный модуль, рассчитанный на 50-100% резервирования, который в периоды длительного простоя целесообразно использовать в качестве второй ступени УОО по пермеату.
3
3
3
Та же организация схемы может иметь место при стабильной производительности УОО 400 м/ч, т.е. при четырех рабочих модулях по 100 м/ч и двух резервных - по 100 м/ч.
3
3
3
3
3
3
3
3
При производительности УОО, например, в диапазоне 100-300 м/ч в состав рабочих модулей может входить один модуль 100 м/ч и четыре модуля по 50 м/ч, а резервным может быть всего один модуль производительностью 50 м/ч. В этом случае оптимальная схема организации УОО будет предусматривать подачу концентрата всех рабочих модулей на резервный модуль 50 м/ч. Та же организация схемы может иметь место при стабильной производительности УОО 400 м/ч, т.е. при четырех рабочих модулях по 100 м/ч и одном резервном - 100 м/ч.
3
3
3
3
3
3
3
При четырех и большем количестве рабочих модулей различной единичной производительности в состав УОО могут входить два и более резервных модуля также различной производительности. Например, при производительности УОО в диапазоне 300-400 м/ч в состав рабочих модулей могут входить три модуля по 100 м/ч и два модуля по 50 м/ч, а в состав резервных - один модуль производительностью 100 м/ч и один модуль 50 м/ч. В этом случае оптимальная схема организации УОО будет предусматривать подачу пермеата всех рабочих модулей на резервный модуль производительностью 100 м/ч, а концентрата всех рабочих модулей - на резервный модуль 50 м/ч.
3
3
3
Возможны варианты реализации УОО с высокой степенью маневренности рабочих модулей. Так, при изменении производительности УОО в широком диапазоне, например, от 50-100 м/ч до 300-500 м/ч, а также при режиме работы УОО, предусматривающем длительные периоды работы с низкой 50-100 или средней 200-250 м/ч производительностью простаивающие рабочие модули подключаются последовательно к работающим модулям по линии пермеата или концентрата.
На фиг.1 в качестве одного из примеров реализации полезной модели схематически изображена система обессоливания с УОО, в которой все резервные модули используются для дополнительного обессоливания части пермеата рабочих модулей; на фиг.2 - то же с УОО, в которой резервный модуль используется для дополнительного обессоливания концентрата рабочих модулей; на фиг.3 - то же с УОО, в которой один из двух резервных модулей используется для дополнительного обессоливания части пермеата рабочих модулей, а другой - для дополнительного обессоливания концентрата рабочих модулей; на фиг.4 - то же с УОО, в которой на линии концентрата дополнительно включены промежуточная емкость и фильтровальная установка для очистки концентрата от оксидов металлов и органических соединений перед подачей на резервный модуль. Предусмотрен также не показанный на чертеже вариант системы с УОО, в которой каждый рабочий модуль может использоваться для дополнительного обессоливания пермеата или концентрата других рабочих модулей.
Система обессоливания природных вод согласно полезной модели содержит установку предочистки УПО 1 с линией 2 подачи в нее исходной воды. В состав УПО могут входить не показанные на чертеже осветлитель и осветлительные фильтры и/или микро- и/или ультрафильтрационная установка. Кроме того, в УПО может входить узел дозирования антискаланта или ионообменная установка (Na-катионитная с подкислением или Н-катионитная). Система обессоливания содержит также подключенную к УПО 1 линией 3 очищенной воды УОО 4 с мембранными модулями соответственно 5-10, часть которых (5-8 на фиг.1,3,4; 5-9 на фиг.2) являются рабочими, а остальные - резервными. Каждый модуль оборудован линией 11 подвода исходной воды, линией 12 пермеата и линией 13 концентрата. Линии 11 всех мембранных модулей объединены коллектором 14 очищенной воды, линии 12 - коллектором 15 пермеата, линии 13 - коллектором 16 концентрата (фиг.2,4). В варианте фиг.1 коллектором 16 объединены линии 13 только рабочих модулей 5-8, а линии 13 резервных модулей 9,10 объединены коллектором 17. В варианте фиг.3 коллектором 16 объединены линии 13 всех модулей, кроме резервного модуля 9, линия 13 которого подключена к линии 3 на входе в УОО 4. Во всех вариантах к коллектору 15 подключена линия 18 отвода пермеата потребителю обессоленной воды. В варианте фиг.2 линия 19 соединяет линию 12 пермеата резервного модуля 10 с линией 3 очищенной воды. Согласно варианту фиг.3 коллектор 15 на участке рабочих модулей 5-8 линией 20 подключен к линии 11 резервного модуля 9, а линия 12 последнего подключена к линии 18 отвода пермеата потребителю отдельной линией 21. Линия же 11 резервного модуля 10 подключена к коллектору 16 концентрата на участке рабочих модулей 5-8, а линия 12 этого резервного модуля подключена линией 19 к линии 3 очищенной воды. Согласно варианту фиг.4 система обессоливания дополнительно содержит промежуточную емкость 22 сбора концентрата рабочих и резервных модулей, поступающего от коллектора 16 по линии 23, фильтровальную установку 24 для очистки концентрата, поступающего из емкости 22, и емкость 25 с ингибитором отложений, соединенная с линией 11 резервного модуля 9 при помощи линии 26. Во всех вариантах к коллектору 16 концентрата подключена линия 27 его сброса. Для обеспечения возможности переключения резервных и рабочих модулей в режимы параллельной или последовательной работы предусмотрена отсечная арматура в виде запорных вентилей, в частности, на коллекторе 14 - вентили 28 (фиг.1-4) и 29 (фиг.3,4), на коллекторе 15 - вентили 30 (фиг.1-4), 31 (фиг.1,3,4) и 32 (фиг.3), на коллекторе 16 - вентиль 33 (фиг.2,3,4), на коллекторе 17 - вентиль 34 (фиг.1), на линии 19 - вентиль 35 (фиг.2,4), на линии 20 - вентиль 36 (фиг.1,3,4), на линии 21 - вентиль 37 (фиг.1,3), на линии 23 -вентиль 38 (фиг.4), на линии 27 - вентиль 39. В варианте не показанной на чертеже системы с УОО, в которой каждый рабочий модуль может использоваться для дополнительного обессоливания пермеата или концентрата других рабочих модулей, все необходимые для этого обвязочные лини снабжены аналогичными запорными вентилями.
Система обессоливания согласно полезной модели (фиг.1 -4) работает следующим образом. Исходная вода, обработанная на УПО 1, поступает в рабочие модули 5-8 (фиг.1,3,4), 5-9 (фиг.2) УОО 4. Часть пермеата рабочих модулей (или весь расход пермеата при 100-%ном резервировании) подается на резервные модули 9,10 (фиг.1,3), 10 (фиг.2), 9 (фиг.4) при отсутствии необходимости их подключения по прямому назначению. Пермеат резервных модулей может подаваться на смешение с пермеатом рабочих модулей (или в не показанные на чертеже емкости обессоленной воды). Согласно варианту фиг..1 пермеат рабочих модулей 5-8 может частично подаваться по линии 20 на входы резервных модулей 9,10, а часть концентрата последних - через коллектор 17 на вход УОО 4 в линию 3 очищенной воды или в не показанную на чертеже промежуточную емкость очищенной воды после УПО 1. Согласно варианту фиг.2 часть пермеата рабочих модулей 5-9 по линии 19 может быть подана в линию 3 перед входом в УОО 4, а часть концентрата через вентиль 33 - на вход резервного модуля 10. Согласно варианту фиг.3 часть пермеата рабочих модулей 5-8 может быть подана по линии 20 на вход резервного модуля 9, а часть концентрата через вентиль 33 - на вход другого резервного модуля 10. Согласно варианту фиг.4 концентрат рабочих модулей 5-8 во избежание нарушения гидравлической равномерности подачи на резервные модули может при собираться в промежуточную емкость 22, а затем подаваться на вход резервного модуля 9. В зависимости от содержания в очищенной воде различных примесей концентрат рабочих модулей перед подачей на вход резервного модуля 9 может дополнительно очищаться от оксидов металлов и органических примесей на фильтровальной установке 24, в качестве которой может служить осветлительная, микро- или ультрафильт-рационная установка, либо ионообменные фильтры. В случае присутствия в концентрате слаборастворимых соединений, близких к состоянию пересы-щения, он дополнительно может обрабатываться поступающим из емкости 25 ингибитором отложений, например, комплексообразователем с катионами слаборастворимых соединений.
3
3
3
3
3
3
3
Пример 1. Осветленная вода после предочистки, обработанная анти-скалантом дозой 3-4 г/м подается на УОО 4, работающую со стабильной производительностью 420 м/ч (фиг.1). В состав УОО входят модули единичной производительностью 110 м/ч (4 рабочих, 2 резервных). Часть пермеата рабочих модулей 5-8 с расходом 220 м/ч подается на вход резервных модулей 9,10, пермеат которых в количестве 200 м/ч подается на смешение с пермеатом рабочих модулей 220 м/ч. Концентрат резервных модулей в количестве 20 м/ч отводится на смешение с осветленной водой перед УОО 4. В таблице 2 приведены показатели состава осветленной воды, пермеата рабочих и резервных модулей, обессоленной воды УОО и концентрата рабочих модулей. Как видно из таблицы 2, использование резервных модулей позволило улучшить качество пермеата примерно в 1,8 раза практически по всем показателям. При подготовке добавочной воды котлов среднего (4,0 МПа) и высокого (9,8 МПа) давления пермеат УОО, как правило, доумягчается на Na-фильтрах. При подготовке добавочной воды котлов высокого (13,8 МПа) давления пермеат УОО, как правило, дообессоливается на Н-ОН-фильтрах. Улучшение качества пермеата в 1,8 раза позволяет соответственно уменьшить ионную нагрузку на указанные фильтры и сократить расход реагентов (NaCl в первом случае, кислоты и щелочи - во втором), а также уменьшить расход пермеата на собственные нужды.
Таблица 2.
Показатели качества
Очищ. вода перед УОО
Пермеат
Концентрат раб. модулей
рабочих модулей
резервных модулей
УОО
Na, мг/дм<sup>3</sup>
13,0
0,26
0,016
0,144
63,8
Mg,« - »
16,1
0,16
0,01
0,088
79,8
Са, « - »
66,6
0,66
0,04
0,36
330,4
СO<sub>з</sub>,« - »
0,36
0,0
0,0
0,0
9,4
НСО<sub>3</sub>,« - »
198,0
2,7
0,32
1,56
1150
Сl, « - »
18,9
0,38
0,03
0,21
94,0
SO<sub>4</sub>, « - »
38,8
0,4
0.03
0,22
193,0
SiO<sub>2</sub>, « - »
6,6
0,07
0,007
0,039
32,6
CO<sub>2</sub>, « - »
14,95
2,79
2,66
2,74
18,6
Солесодержан.
395
6,6
0,46
3,65
1955
рН
7,35
6,0
5,31
5,75
7,86
Электропровод.
æ, мк См/см
-
13,2
0,92
7,3
-
3
3
3
3
3
3
Пример 2. Умягченная и декарбонизованная вода после У ПО 1 подается на УОО 4, работающую со стабильной производительностью ~ 250 м/ч (фиг.2). В состав УОО входят модули единичной производительностью 50 м/ч (5 рабочих, 1 резервный). В режиме работы с использованием резервного модуля 9 для концентрирования концентрата рабочих модулей 5-8 на каждый рабочий модуль подается 65 м/ч умягченной декарбонизованной воды. Весь концентрат рабочих модулей с расходом 54 м/ч подается на вход резервного модуля, пермеат которого в количестве 48,1 м/ч подается на смешение с исходной водой рабочих модулей. Концентрат резервного модуля 9 в количестве 5,9 м/ч по одному из вариантов (на чертеже не показан) может собираться в емкость с последующей подачей его на регенерацию Na-катионитных фильтров УПО. В таблице 3 приведены показатели состава умягченной и декарбонизованой воды перед УОО, пермеата рабочих и резервного модуля, и концентрата рабочих и резервного модуля. Как видно из таблицы 3, использование резервного модуля позволило сократить расход концентрата ~ в 10 раз, а также полезно утилизировать его для регенерации Na-катионитных фильтровУПО. Кроме того, утилизация пермеата рабочего модуля смешением с исходной водой рабочих модулей улучшает качество их пермеата и уменьшает потребность в очищенной воде после УПО.
Таблица 3
Показатели состава
Очищ. вода перед УОО
Пермеат
Концентрат
рабоч. м-лей
резерв. модулей
рабочих модулей
резерв. модуля
Жесткость, мг/дм<sup>3</sup>
0,08
0,00084
0,048
0,48
4,4
Са<sup>2+</sup>, « - »
0,06
0,0006
0,036
0,36
3,3
Mg<sup>2+</sup>, « - »
0,02
0,00024
0,012
0,12
1,1
Na, - « - »
192
3,0
12
1156
10607
СО<sub>3</sub> <sup>2-</sup>, « - »
0,0
0,0
0,0
2,1
19,8
НСО<sub>3</sub>, « - »
12,2
0,5
1,4
70
626
Cl<sup>-</sup>, « -»
141,4
2,0
9
846
7756
SO<sub>4</sub> <sup>2-</sup>, « - »
200
2,0
13
1190
11136
SiO<sub>3</sub> <sup>2-</sup>, « - »
3,5
0,04
0,25
21
196
СО<sub>2</sub>, « - »
3,95
3,8
4
5,0
11,6
Солесодержание,«-»
549,2
7,6
40
3309
30346
æ, мкСм/см
1090
15,2
80
6620
60700
Окисляем., мгО/дм<sup>3</sup>
0,5
0,0
0,0
3
27,5
Fe, мкг/дм
5.0
0,0
0,0
30
275
3
Пример 3. Умягченная и декарбонизованная вода после УПО 1 с повышенным содержанием оксидов железа и органических соединений подается на УОО 4, работающую со стабильной производительностью 250 м/ч (фиг.4). Состав УОО и последовательность выполнения операций с использованием резервного модуля аналогичны примеру 2. Отличие состоит в том, что концентрат рабочих модулей, содержащий повышенные концентрации оксидов железа и органических соединений собирается в емкость 22 и перед подачей на резервный модуль 9 очищается на фильтровальной установке 24. В таблице 4 приведены показатели состава умягченной и декарбонизованой питательной воды УОО, пермеата рабочих и резервного модуля, обессоленной воды УОО, концентрата рабочих модулей до и после очистки и концентрата резервного модуля. Как видно из таблицы 4, очистка концентрата рабочих модулей на фильтровальной установке позволяет глубоко удалить загрязняющие примеси (органику и железо), препятствующие дальнейшему концентрированию концентрата на резервном модуле. Достигаемые положительные результаты в этом примере аналогичны примеру 2.
Таблица 4
Показатели состава
Очищ. вода перед УОО
Пермеат
Концентрат
раб. м-лей
резерв.м-лей
рабоч. модулей
резервного модуля
до очист.
после очистки
Жесткость, мг/дм<sup>3</sup>
0,08
0,0008
0,048
0,48
0,48
4,4
Са<sup>2+</sup>, « - »
0,06
4
0,036
0,36
0,36
3,3
Mg<sup>2+</sup>, « - »
0,02
0,0006
0,012
0,12
0,12
1,1
Na, - « - »
192
0,0002
12
1156
1156
10607
СО<sub>3</sub> <sup>2-</sup>, « - »
0,0
4
0,0
2,1
2,1
19,8
НСО<sub>3</sub>, « - »
12,2
3,0
1,4
70
70
626
Cl<sup>-</sup>, « - »
141,4
0,0
9
846
846
7756
SO<sub>4</sub> <sup>2-</sup>,« - »
200
0,5
13
1190
1190
11136
SiO<sub>3</sub> <sup>2-</sup>,« - »
3,5
2,0
0,25
21
21
196
СO<sub>2</sub>, « - »
3,95
2,0
4
5,0
5,0
11,6
Солесодержание,«-»
549,2
0,04
40
3309
3309
30346
æ, мк См/см
1090
3,8
80
6620
6620
60700
Окисляем., мгО/дм<sup>3</sup>
2,5
7,6
0,0
14,5
2,9
26,5
Fe, мкг/дм<sup>3</sup>
50,0
15,2
0,0
300
30
275
Источники информации:
1. Строительные нормы и правила (СНиП 2.04.02-84). Водоснабжение. Наружные сети и сооружения. Раздел 6.7. Москва. 1984.
2. Патент SU 1820895, С02F 1/42, 1991.