全球最低海水淡化能耗记录：DESALRO 2.0?集成与优化机遇

《Energy Conversion and Management-X》：The worldwide lowest specific energy consumption measured in a seawater desalination plant – Real integration and opportunities of improvement

为攻克海水反渗透（SWRO）淡化能耗高的问题，研究人员开展了DESALRO 2.0?高效淡化厂的设计与实验研究。该设计通过采用高效能正排量高压泵、等压室能量回收装置（ERD）以及优化的混合膜堆布局，成功将吨水产水电耗（SEC）降至1.794 kWh/m3（盐度37 g/L，温度22°C），并刷新了吉尼斯世界纪录（GWR）。这项成果证明了通过优化系统设计和选用高效商用组件，能够在不牺牲水质（TDS < 200 mg/L，硼<1 mg/L）的前提下，显著提升SWRO工艺的经济与环保效益。

　　

水资源短缺是全球面临的严峻挑战之一，而海水淡化是缓解这一问题的关键技术。然而，传统的海水淡化技术，尤其是主流的海水反渗透（Sea Water Reverse Osmosis, SWRO）技术，通常伴随着高昂的能源消耗成本，这构成了其大规模推广和应用的主要障碍。为了应对气候变化和能源危机，全球的研究人员和工程师一直在努力探索如何“拧干”海水淡化过程中的每一滴能源消耗。在这样的大背景下，一项来自西班牙加那利群岛技术研究所（ITC）的研究成果，为我们展示了将海水淡化能耗降至前所未有的低水平的可能性。这篇发表在《Energy Conversion and Management-X》的论文，详细介绍了打破吉尼斯世界纪录（Guinness World Record, GWR）的DESALRO 2.0?高效海水淡化厂的研发过程、技术细节与突破性成果。

为了攻克能耗难题，研究团队采取了一套系统性的先进技术方法。首先是基于仿真软件的膜堆优化设计：研究进行了超过150次计算机模拟，以评估在不同温度、膜龄和回收率下，采用混合膜元件配置（即在同一压力容器内串联使用不同型号的LG SW膜元件）对能耗和产水硼含量的影响。其次，高效核心组件的集成应用是关键：整个系统集成了商业上最先进的组件，包括两台并联工作的高效正排量高压泵（High-Pressure Pump, HPP）、能量回收效率高达98%的PXQ400等压室能量回收装置（Energy Recovery Device, ERD），以及一台增压泵（Booster Pump, BP）。第三，紧凑型液压设计与集成：通过精心设计管道布局和减少压力损失，实现了系统各模块的高效耦合，并将整个示范厂集成于数个集装箱模块中。第四，全面的实验监测与性能评估：研究在西班牙大加那利岛波索伊斯基埃多的ITC – DESAL+ LIVING LAB测试设施中，对该示范厂进行了长期运行监测，实时采集海水、浓水和产水样本，并直接测量各电气驱动器和电机的输入输出功率，以精确计算系统的实际比能耗（Specific Energy Consumption, SEC）。所有测试均基于当地的海水条件（盐度37 g/L，温度约22°C）进行。

DESALRO 2.0?设计

研究团队开发的DESALRO 2.0?概念是一个可模块化扩展的工业级实验系统，其初步设计有两个规模：2,500 m³/d和5,000 m³/d。设计核心在于通过选用高效组件和优化整体布局来最大化能源效率。这包括：1) 为应对商用产品流量限制，采用并联工作的正排量高压泵；2) 通过优化水力设计和选择紧凑布局，最小化全厂压力损失；3) 针对产水水质要求（特别是硼含量），采用不同品牌和型号的反渗透（RO）膜元件进行混合配置优化，并在压力容器内灵活采用7或8支元件的串联方式；4) 采用保守的40%回收率设计，以避免在膜堆入口添加阻垢剂，从而简化运行。最终建成的2,500 m³/d示范厂由四个集装箱模块组成，分别容纳预处理系统、反渗透膜堆与控制系统、高压泵组与能量回收装置，以及后处理系统。

系统设计与示范厂安装结果

通过大量模拟，研究确定了最佳的膜堆设计为：每个压力容器内串联5支LG SW 440 SR膜元件和2支LG SW 440 R膜元件。模拟结果表明，在不同水温（19.2°C和23.6°C）和膜龄（0年和3年）条件下，系统的比能耗（SEC）预测值在1.79至1.84 kWh/m³之间。为直观展示设计选择，研究提供了产水硼浓度和SEC随回收率与膜通量变化的图表，并标明了最终选定的设计工作点（通常以红色标记）。

此外，论文还提供了5,000 m³/d规模工厂的设计布局图和高压力配置示意图，显示了该设计的可扩展性。3/d规模的DESALRO 2.0先进海水淡化厂设计布局图。">

示范厂的主要组件包括：2微米滤芯的预处理系统；两台配备永磁电机和变频驱动器（VFD）的Danfoss APP65正排量高压泵；由两个PXQ400单元组成的Energy Recovery Inc.高效能量回收装置阵列；36个并联的压力容器，每个容器内按混合配置装有7支LG膜元件；以及采用上流式石灰石接触器和二氧化碳投加系统的后处理系统。

DESALRO 2.0?的实验评估

对示范厂的详细实验监测在2025年1月和2月进行。关键运行数据显示，系统运行极为稳定，各流量和压力参数的波动（标准差）非常小。在37 g/L盐度和22°C水温的标准条件下，该厂取得了以下突破性性能：

1. 1.
   创纪录的低能耗：系统达到了1.794 kWh/m³的比能耗（SEC），并因此在2025年2月获得了吉尼斯世界纪录认证。
2. 2.
   稳定的产水水质与产量：在40%的回收率下，产水流量为104.38 m³/h，总溶解固体（TDS）为68 mg/L，硼浓度低于0.84 mg/L，工作压力为53.88 bar_g。
3. 3.
   高效率的能源利用：高压泵送（泵、电机和VFD联合运行）的整体能效为83.90%；而能量回收装置与增压泵联合工作（不计VFD）的能效高达96.16%。
4. 4.
   微小的盐度混合影响：由于压力交换器内的混合作用，进入膜堆的海水盐度增加低于1%。
   为了清晰展示能量流动与损失，论文提供了该系统的桑基图（Sankey diagram），直观揭示了各环节的能量分配与损耗情况。

基于详细的能量评估，研究进一步识别了未来进一步降低能耗的潜在机会：

1. 1.
   高压泵组（HPP）：其损耗来自泵本身、电机和变频驱动器（VFD）。若用理想设备替换现有组件，理论上可分别降低SEC约0.101、0.116和0.056 kWh/m³。其中，将现有的IE3能效等级电机升级为商用IE5电机有望带来小幅改善。
2. 2.
   增压泵（BP）：虽然其泵-电机组合的实验效率较低（54.2%），但由于其能耗远低于高压泵，对整体SEC的影响较小。优化泵的选型以匹配工作点，并采用更高能效的电机，仍可带来约0.035 kWh/m³的潜在节能。
3. 3.
   膜堆：根据软件模拟，重新排列压力容器内的膜元件顺序，可在保证水质的前提下实现0.135 kWh/m³的节能。同时，膜堆本身的压降仅为0.7 bar_g，对应能耗损失仅0.048 kWh/m³，表明其水力性能优异。
4. 4.
   能量回收装置（ERD）：已采用目前市场上最高效的PX-Q400单元，其混合损失极低（流量增加0.8%，盐度上升0.18%），能耗损失为0.048 kWh/m³，目前暂无更优的商业替代品。

结论

DESALRO 2.0?概念通过在整个实验阶段的成功运行，验证了其可行性与可靠性。在盐度37 g/L、温度22°C的海水条件下，该系统在40%回收率下实现了1.794 kWh/m³的比能耗（SEC），且产水硼含量低于1.0 mg/L，这一成就获得了吉尼斯世界纪录认证。研究强调，DESALRO 2.0的成功不仅依赖于采用高压正排量泵、高效能量回收装置等先进商业组件，更在于其新颖的紧凑型布局设计，通过对水力和管道的精细优化，最终将吨水产水电耗降至1.8 kWh/m³以下。这一成果相较于同一地点的传统设计（2.20 kWh/m³），能耗降低了超过0.4 kWh/m³。此外，能量回收装置与增压泵联合工作的高效性（96.16%）也证明了系统集成的优越性。该研究不仅展示了一个具体的低能耗示范工厂，更重要的是其设计理念和技术路径（如液压优化、组件选择与混合膜堆配置）为未来高效SWRO工厂的建设提供了可转移、可扩展的宝贵经验。通过重新排列膜元件、升级高压泵电机和优化增压泵，仍有潜力进一步降低约0.286 kWh/m³的能耗，指明了未来持续改进的方向。