自增壓式能量回收裝置的開發(fā)與效能分析

王 越，高建朋，任亞斐，吳家能，徐世昌

（1. 天津大學(xué)化工學(xué)院，天津 300072；2. 天津市膜科學(xué)與海水淡化技術(shù)重點實驗室，天津 300072；3. 天津化學(xué)化工協(xié)同創(chuàng)新中心，天津 300072）

自增壓式能量回收裝置的開發(fā)與效能分析

王 越1， 2， 3，高建朋1， 2， 3，任亞斐1， 2， 3，吳家能1， 2， 3，徐世昌1， 2， 3

（1. 天津大學(xué)化工學(xué)院，天津 300072；2. 天津市膜科學(xué)與海水淡化技術(shù)重點實驗室，天津 300072；3. 天津化學(xué)化工協(xié)同創(chuàng)新中心，天津 300072）

針對中小型海水/苦咸水淡化系統(tǒng)簡化工藝、降低能耗的要求，在海水淡化閥控式能量回收裝置的基礎(chǔ)上，設(shè)計開發(fā)了一種自增壓式能量回收裝置.該裝置利用差壓式水壓缸替代閥控式裝置中原有的等徑壓力交換缸，實現(xiàn)能量回收功能和壓力提升功能的有機結(jié)合.將自增壓式能量回收裝置與納濾脫鹽系統(tǒng)耦合，在進水水質(zhì)為苦咸水（1.06%）、操作壓力為 2.0 MPa條件下研究分析了自增壓式能量回收裝置與納濾脫鹽系統(tǒng)的耦合運行特性及對系統(tǒng)節(jié)能降耗的貢獻.結(jié)果表明，自增壓式能量回收裝置現(xiàn)場運行穩(wěn)定性良好，能量回收效率為 95.55%，與未配備自增壓式能量回收裝置的系統(tǒng)相比，節(jié)能降耗貢獻率達 27.61%，與配備閥控式能量回收裝置的系統(tǒng)相比，不僅簡化了工藝，而且降低了系統(tǒng)投資和產(chǎn)水能耗.

苦咸水淡化；納濾；自增壓式能量回收裝置

膜法海水/苦咸水淡化系統(tǒng)中，脫鹽膜組件會產(chǎn)生一定比例（20%～60%）的高壓濃水［1-3］，這部分高壓濃水如果直接排放會造成較大的能量浪費.采用能量回收裝置高效回收利用高壓濃水的壓力能，是目前國內(nèi)外普遍采用的節(jié)能降耗手段和有效方法［4-5］.現(xiàn)有的能量回收裝置主要采用等壓式工作原理，裝置在應(yīng)用過程中需與壓力提升泵串聯(lián)使用才能滿足系統(tǒng)運行壓力要求［4-5］.

鑒于目前市場上可選用的壓力提升泵主要針對工業(yè)規(guī)模的海水淡化工程，因此現(xiàn)有中小型海水或苦咸水淡化系統(tǒng)中基本上都沒有配置能量回收裝置［6］，造成系統(tǒng)運行能耗成本較高.隨著國家海島開發(fā)戰(zhàn)略的實施，我國對中小規(guī)模海水淡化系統(tǒng)及具有自增壓功能的能量回收裝置的市場需求將日益迫切.

自增壓式能量回收裝置（self-boost energy recovery device，SB-ERD）不僅可簡化海水淡化工藝流程，還可在一定程度上降低設(shè)備的投資成本.國外在這方面的研究起步較早，已經(jīng)有結(jié)構(gòu)不同的多款產(chǎn)品上市.Clark pump是開發(fā)較早的一款產(chǎn)品，其利用高壓濃水和中壓海水共同作為動力源，來增壓低壓原料海水達到膜組器的進口壓力要求［6-8］.但是該裝置活塞換向機構(gòu)復(fù)雜，裝置制造和運行維護成本較高. Enercon ERS利用中壓海水首先對水壓缸中的液壓油增壓，增壓后的液壓油再和高壓濃水一起將原料海水增壓到膜組件進口壓力［9-11］.該裝置不足之處在于結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，且容易造成液壓油泄漏.iSave是目前將能量回收裝置與增壓泵耦合較完美的產(chǎn)品，目前市售價格偏高，在附加值較高的膜分離系統(tǒng)中適宜選用［12］.

本文在實驗室已有閥控式能量回收裝置成功開發(fā)和工程應(yīng)用的基礎(chǔ)上［4-5］，結(jié)合差壓式增壓原理，設(shè)計開發(fā)了兼具能量回收和壓力提升功能的自增壓式能量回收裝置，并將其應(yīng)用于納濾（nanofiltration，NF）苦咸水淡化系統(tǒng)，重點考察了自增壓式能量回收裝置在脫鹽系統(tǒng)中的運行特性和節(jié)能效果.

1　自增壓式能量回收裝置工作原理

如圖1所示，自增壓式能量回收裝置主要由3部分組成：切換器、差壓式水壓缸和止回閥組.切換器是裝置的主動部件，止回閥組是裝置的從動部件，通過切換器和止回閥組的協(xié)同作用，實現(xiàn)高壓濃水壓力能的連續(xù)回收及泄壓濃水的連續(xù)排放.差壓式水壓缸是高壓濃水與低壓原料水進行壓力能交換的唯一場所，其采用兩段內(nèi)徑不同的缸體連接構(gòu)成，缸徑較大段為濃水缸，缸徑較小段為原水缸，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖1　自增壓式能量回收裝置結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structure of the SB-ERD

圖2　差壓式水壓缸自增壓原理Fig.2　Self boost principle of the pressure-differential hydraulic cylinder

圖2中，差壓式水壓缸由濃水缸和原水缸連接而成，兩個水缸內(nèi)均設(shè)置有配合活塞，活塞間通過中心桿連接成一體.當(dāng)裝置進行增壓沖程時，高壓濃水通過切換器進入濃水缸，推動活塞組向右運動并對低壓原水進行增壓，增壓后的原水由止回閥組排出，實現(xiàn)濃水與原水間的壓力能傳遞.裝置的增壓比 η1為增壓苦咸水壓力p1與高壓濃水壓力p2之比，即

作為能量回收裝置核心功能的增壓沖程，被增壓原水的壓力水平主要取決于高壓濃水的壓力水平，及濃水缸活塞與原水缸活塞間的面積比兩個因素.當(dāng)忽略活塞與缸體間的摩擦阻力及功交換流體的黏滯阻力，并假設(shè)活塞組勻速運動的情況下，裝置的增壓比可等效為濃水缸活塞截面積 A2與原水缸活塞截面積A1之比，即

根據(jù)納濾膜廠商提供的技術(shù)參數(shù)，海水或苦咸水通過兩段納濾膜元件的壓力損失不超過0.18，MPa［13］，加之能量回收裝置和系統(tǒng)管路的壓力損失約為 0.08，MPa，本脫鹽系統(tǒng)本體部分總的壓力損失為0.26，MPa.按照2.0，MPa的操作壓力計算，自增壓式能量回收裝置的理論增壓比應(yīng)為 1.15（即2.0/（2.0-0.26））.為保證裝置較好的增壓效果，本實驗水壓缸濃水缸與原水缸內(nèi)徑比確定為1.1∶1，對應(yīng)裝置的增壓比為1.21（＞1.15）.

2　實驗工藝流程

圖3為本文采用的自增壓式能量回收裝置與納濾苦咸水淡化系統(tǒng)耦合的工藝流程，主要包括 3部分：預(yù)處理單元、納濾脫鹽單元和自增壓式能量回收裝置.納濾脫鹽單元采用一級兩段脫鹽工藝，一段和二段納濾膜組件采用 3+2膜殼布置方案，每支膜殼內(nèi)均裝有3支NF90納濾膜元件.

圖3　實驗工藝流程Fig.3 Experimental process flowsheet

圖3中，原料苦咸水（質(zhì)量分數(shù)為1.06%）經(jīng)預(yù)處理單元處理后分為兩股，一股進入高壓泵，一股進入自增壓式能量回收裝置，兩股苦咸水分別被增壓后，匯合進入納濾膜單元進行脫鹽處理.經(jīng)納濾脫鹽單元排出的高壓濃水進入自增壓式能量回收裝置，將低壓苦咸水增壓到納濾膜組件的進口壓力，完成壓力交換的泄壓濃水直接排出.圖4為系統(tǒng)現(xiàn)場運行照片.

圖4　自增壓式能量回收裝置與納濾系統(tǒng)耦合實物Fig.4 On-site photograph of the nanofiltration system and the integrated SB-ERD

3　系統(tǒng)的運行特性分析

3.1系統(tǒng)運行參數(shù)采集與分析

表1為采集到的系統(tǒng)穩(wěn)定運行參數(shù)，由表1可知，該脫鹽系統(tǒng)的操作壓力為 2.0，MPa，低壓苦咸水總流量為3.42，m3/h，系統(tǒng)產(chǎn)水流量為1.96，m3/h，產(chǎn)水收率為 57.31%，需要能量回收裝置處理的高壓濃水流量為1.46，m3/h.

表1　納濾脫鹽系統(tǒng)參數(shù)Tab.1　Parameters of nanofiltration desalination system

由上述參數(shù)并結(jié)合式（1）可得，本系統(tǒng)中自增壓式能量回收裝置的增壓比為 1.20（≈1.21），利用式（3）計算裝置增壓過程的壓力損失ps僅為0.02，MPa，說明能量回收裝置實現(xiàn)了預(yù)期的增壓效果.

式中：pbi為高壓濃水壓力，MPa；pso為增壓苦咸水壓力，MPa.

能量回收裝置低壓出口流量與低壓進口流量比為 1.20（≈1.21），利用式（4）計算裝置泄漏量 qs為0.02，m3/h，裝置的泄漏率為 1.64%，與本實驗室已報道的閥控式能量回收裝置的泄漏率［14］（1.7%）基本相等，較好地保障了本自增壓式能量回收裝置的效率水平.

式中：qs為自增壓式能量回收裝置的泄漏量，m3/h；qbo為泄壓濃水流量，m3/h；qsi為低壓苦咸水流量，m3/h.

圖5為高壓濃水和增壓苦咸水壓力變化曲線，兩條曲線整體保持平穩(wěn)，但在切換器瞬間換向過程中均存在先向上后向下波動現(xiàn)象，且兩條曲線的波動具有周期性、同步性的特點.該實驗結(jié)果可理解為：切換器開始換向前，高壓濃水管路存在瞬時截斷及憋壓現(xiàn)象，致使高壓濃水壓力升高.而當(dāng)切換器開始換向時，高壓濃水需要同時對兩個水壓缸內(nèi)的低壓苦咸水增壓，因高壓濃水供給流量與被增壓缸體容積相差較大，導(dǎo)致高壓濃水壓力向下波動.盡管高壓濃水和增壓苦咸水的壓力波動為 0.18，MPa，但其持續(xù)的時間僅為1～2，s，因此對裝置的運行穩(wěn)定性影響較小.

圖5　增壓苦咸水與高壓濃水壓力變化曲線Fig.5　Pressure curves of the pressurized brackish water and high pressure brine streams

圖6為低壓苦咸水和泄壓濃水流量變化曲線，低壓苦咸水流量曲線基本為一條平穩(wěn)直線，而泄壓濃水流量曲線呈周期性瞬間向下波動規(guī)律.這是由于切換器的特殊設(shè)計，使得低壓苦咸水的流量能始終保持平穩(wěn).泄壓濃水流量曲線雖存在瞬間周期性向下波動，但其波動量僅為 0.2，m3/h，對裝置的穩(wěn)定運行幾乎無影響.

圖6　低壓苦咸水與泄壓濃水流量變化曲線Fig.6 Flow curves of the low pressure brackish water and depressurized brine streams

3.2自增壓式能量回收裝置節(jié)能效果分析

根據(jù)系統(tǒng)測得的自增壓式能量回收裝置進出口流體的流量和壓力指標(biāo)，利用式（5）［15］計算得到自增壓式能量回收裝置的效率η3高達95.55%.

式中：3η為能量回收效率；pbo為泄壓濃水壓力，MPa；psi為低壓苦咸水壓力，MPa；qbi為高壓濃水流量，m3/h；qso為增壓苦咸水流量，m3/h.

本實驗用納濾脫鹽系統(tǒng)，在耦合自增壓式能量回收裝置前后，系統(tǒng)需要配置的低壓泵和高壓泵類型并未發(fā)生變化，但耦合能量回收裝置后這些泵所需的流量指標(biāo)及相對應(yīng)的運行能耗均會發(fā)生變化，進而會影響本脫鹽系統(tǒng)每噸產(chǎn)水的能耗指標(biāo).

表2中，按照式（6）［16-18］計算得到了系統(tǒng)耦合自增壓式能量回收裝置前后的產(chǎn)水能耗指標(biāo).由表可知，納濾系統(tǒng)配置自增壓式能量回收裝置后，其產(chǎn)水能耗減小了 0.74，kW，與未耦合自增壓式能量回收裝置時相比，降幅達 27.61%.這是因為系統(tǒng)主要耗能部件為高壓泵和低壓泵，當(dāng)系統(tǒng)耦合自增壓式能量回收裝置后，低壓泵的處理量和揚程不變，高壓泵的揚程雖未發(fā)生變化，但其處理量降低，因此整個脫鹽系統(tǒng)的產(chǎn)水能耗因高壓泵能耗的降低而減小.

表2　耦合自增壓式能量回收裝置前后納濾脫鹽系統(tǒng)產(chǎn)水能耗比較Tab.2 Power consumption of NF desalination system and NF-SB-ERD desalination system

式中：N為泵功率，kW；H為泵揚程，m；η4為泵效率.

在納濾脫鹽系統(tǒng)耦合原閥控式能量回收裝置時，能量回收裝置出口增壓苦咸水仍需要增壓泵進一步增壓，才能達到膜組件的進口壓力，因此在計算耦合原能量回收裝置，系統(tǒng)的產(chǎn)水能耗時，同時考慮高壓泵、低壓泵和增壓泵的能耗.

按照式（6）［16-18］，表3分別給出了納濾系統(tǒng)耦合閥控式能量回收裝置及耦合自增壓式能量回收裝置時的產(chǎn)水能耗結(jié)果.由表可知，相比于閥控式能量回收裝置，納濾脫鹽系統(tǒng)耦合自增壓式能量回收裝置后，產(chǎn)水能耗減小了 0.07，kW，較耦合閥控式能量回收裝置降低了 3.48%.顯示出自增壓式能量回收裝置在簡化系統(tǒng)工藝、降低系統(tǒng)產(chǎn)水能耗及投資成本（可省去增壓泵投資）方面的獨特優(yōu)勢.

表3　耦合自增壓式能量回收裝置及耦合閥控式能量回收裝置時納濾脫鹽系統(tǒng)產(chǎn)水能耗Tab.3 Power consumption of NF-SB-ERD integration system and NF-piston type ERD system

4　結(jié)　語

本文設(shè)計了一種新型自增壓式能量回收裝置，并將其與納濾苦咸水淡化系統(tǒng)進行了耦合，實現(xiàn)了穩(wěn)定運行.

自增壓式能量回收裝置的能量回收效率高達95.55%.與苦咸水納濾淡化系統(tǒng)耦合后，系統(tǒng)產(chǎn)水能耗較耦合前減小了 27.61%.與耦合閥控式能量回收裝置的納濾脫鹽系統(tǒng)相比，自增壓式能量回收裝置的引入不僅降低了系統(tǒng)產(chǎn)水能耗，而且簡化了工藝，降低了系統(tǒng)投資，在中小型膜法苦咸水淡化工程中有較好的推廣價值.

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（責(zé)任編輯：王曉燕）

Development and Performance Analysis of Self-Boost Energy Recovery Device

Wang Yue1，2，3，Gao Jianpeng1，2，3，Ren Yafei1，2，3，Wu Jianeng1，2，3，Xu Shichang1，2，3
（1.School of Chemical Engineering and Technology，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2.Tianjin Key Laboratory of Membrane Science and Desalination Technology，Tianjin 300072，China；3.Collaborative Innovation Center of Chemical Science and Engineering（Tianjin），Tianjin 300072，China）

In order to simplify the process and reduce energy consumption of the small/middle scale seawater / brackish water desalination system，a self-boost energy recovery device（SB-ERD）was developed on the basis of the piston type energy recovery device.The SB-ERD successfully combined the function of energy recovery and pressure boosting by using the pressure-differential hydraulic cylinders to replace the original equal-diameter pressure-exchanging cylinders.By coupling the SB-ERD with nanofiltration desalination system，under the working pressure of 2.0 MPa and the brackish water salinity of 1.06%，the operating performances of the SB-ERD and the power consumption of the hybrid process were analyzed and evaluated.The experimental results indicate that the device owns a good operation stability and has an energy recovery efficiency of up to 95.55%.Compared with the nanofiltration desalination system without SB-ERD，the energy consumption of the system with SB-ERD is reduced by 27.61%.Compared wtih the system with the piston type ERD，not only the process is simplified，but the system investment and energy consumption are also reduced.

brackish water desalination；nanofiltration；self-boost energy recovery device（SB-ERD）

TQ051

A

0493-2137（2016）08-0797-05

10.11784/tdxbz201503017

2015-03-09；

2015-04-27.

天津市科技興海計劃資助項目（KJXH2012-03）；天津市海洋經(jīng)濟創(chuàng)新發(fā)展區(qū)域示范項目（CXSF2014-10）.

王 越（1975— ），男，博士，副教授.

王 越，tdwy75@tju.edu.cn.