小型海淡系統(tǒng)的自增壓能量回收裝置

吳云奇，吳水波，劉筱昱，李 露，閆玉蓮，趙河立

(國家海洋局天津海水淡化與綜合利用研究所，天津 300192)

海水淡化作為解決水資源短缺的一個(gè)重要途徑，特別是小型反滲透系統(tǒng)可有效解決海島、船舶、游艇等沿海地區(qū)分散式小規(guī)模的海水淡化需求[1]。小型海水淡化裝置一般為間歇運(yùn)行方式，且體積小、重量輕、投資少、可移動(dòng)，故其市場需求廣泛，發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>

目前，限制小型反滲透海水淡化裝置發(fā)展的主要因素是能耗較高。大型反滲透海水淡化裝置噸水能耗已經(jīng)降至3.8～4.5 kW·h[2]；而因小型系統(tǒng)的能量回收裝置短缺，其噸水能耗仍高達(dá)9～12 kW·h[3]。因此，研制具有能量回收功能的小型反滲透淡化機(jī)顯得尤為重要。

本文利用自增壓正位移泵的蓄能增壓原理，研制出具有自增壓與能量回收功能的自增壓正位移泵，采用提升水泵與自增壓泵的組合，實(shí)現(xiàn)了反滲透系統(tǒng)的高壓給水與能量回收兩項(xiàng)功能。通過系統(tǒng)的相關(guān)試驗(yàn)過程，證明了該工藝方案的實(shí)際可行。

1 自增壓正位移泵工作原理

本研究研制的自增壓泵屬于正位移泵，結(jié)構(gòu)及工作原理如圖1所示。自增壓正位移泵采用兩個(gè)帶活塞的反向液缸，共享一根通過中心塊的活塞桿，通過中間法蘭聯(lián)結(jié)成一個(gè)整體。中間法蘭上安裝有先導(dǎo)閥，先導(dǎo)閥由活塞觸發(fā)換向，并控制主換向閥換向，進(jìn)而控制兩個(gè)液缸交替進(jìn)行吸排海水，即活塞驅(qū)動(dòng)著控制閥，使液缸在驅(qū)動(dòng)和加壓之間相互轉(zhuǎn)化。

圖1 自增壓正位移泵原理圖Fig.1 Schematic Diagram of Self-Pressurized Positive Displacement Pump

該裝置在功交換式能量回收原理的基礎(chǔ)上，采用循環(huán)增壓的方式，重復(fù)利用進(jìn)入自增壓正位移泵的原水壓力，使泵出水提升至反滲透所需的工作壓力。其具體運(yùn)行流程如下：原海水通過進(jìn)料泵獲得一個(gè)較小的壓力，這部分原海水與反滲透膜產(chǎn)生的帶壓濃海水共同推動(dòng)活塞給另一個(gè)液缸內(nèi)的海水加壓，使其達(dá)到反滲透膜的工作壓力并產(chǎn)出淡水；當(dāng)活塞到達(dá)缸體某位置時(shí)觸動(dòng)先導(dǎo)閥，活塞向反方向移動(dòng)，這個(gè)過程在瞬間逆轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)裝置連續(xù)運(yùn)行。

2 小型淡化系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)

為驗(yàn)證自增壓正位移泵的性能，開展基于此泵的小型海水淡化裝置工藝方案和集成優(yōu)化研究。裝置以標(biāo)準(zhǔn)海水作為原水進(jìn)行設(shè)計(jì)，具體設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 自增壓正位移泵小型淡化裝置設(shè)計(jì)參數(shù)

注:①TDS表示總?cè)芙庑怨腆w含量

根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)確定小型淡化裝置的工藝流程后，進(jìn)行材料及主體設(shè)備選擇，裝置架體、管路管件定型連接方式設(shè)計(jì)，集成控制方案設(shè)計(jì)，制造出的小型淡化裝置樣機(jī)實(shí)物如圖2所示。該工藝采用模塊化設(shè)計(jì)，具有能量回收效率高、連續(xù)運(yùn)行安靜、便于安裝、不需要潤滑等優(yōu)點(diǎn)。

圖2 自增壓正位移泵小型淡化機(jī)實(shí)物圖Fig.2 Physical Photo of Small-Scale Desalinator with Self-Pressurized Positive Displacement Pump

3 小型淡化系統(tǒng)樣機(jī)性能測試

為驗(yàn)證自增壓正位移泵和小型淡化機(jī)的性能，在實(shí)驗(yàn)室中對其進(jìn)行性能測試。主要測試自增壓正位移泵的能量回收效率，以及自增壓正位移泵小型淡化機(jī)在設(shè)計(jì)能力下能否穩(wěn)定運(yùn)行，各參數(shù)運(yùn)行情況能否達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

性能測試試驗(yàn)的流程如圖3所示，以人工配制的海水作為原水，反滲透膜產(chǎn)生的淡水與自增壓正位移泵排出的低壓濃鹽水混合后返回原水箱，從而保證試驗(yàn)的連續(xù)進(jìn)行。

圖3 自增壓正位移泵小型淡化機(jī)性能測試試驗(yàn)流程簡圖Fig.3 Performance Test Flow Chart of Small-Scale Desalinator with Self-Pressurized Positive Displacement Pump

3.1 自增壓正位移泵效率測試

一般而言，自增壓泵內(nèi)部密封會(huì)出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象，且先導(dǎo)閥換向也會(huì)導(dǎo)致小部分供水消耗，此外活塞與缸筒和換向閥芯與閥體之間也存在摩擦的機(jī)械損失。設(shè)自增壓正位移泵的壓力損失為f，如式(1)。

f=ΔPgAp=PfgAp+Pcg(Ap-Ar)-

PhgAp-Peg(Ap-Ar)

(1)

其中：△P—壓強(qiáng)損失，MPa；

Ph—高壓出水壓強(qiáng)，MPa；

Pe—低壓濃水壓強(qiáng)，MPa；

Pf—低壓原水壓強(qiáng)，MPa；

Pc—高壓濃水壓強(qiáng)，MPa；

Ap—液壓活塞面積，m2；

Ar—液壓活塞桿面積，m2。

定義自增壓正位移泵回收率R為液壓活塞兩端流量差與低壓原水流量之比，如式(2)。

(2)

其中：Qf—低壓原水流量，m3/s；

Qc—高壓濃水流量，m3/s；

v—液壓活塞移動(dòng)速度，m/s。

則式(1)可簡化為式(3)。

ΔP=Pf+Pcg(1-R)-Ph-Peg(1-R)

(3)

自增壓正位移泵的機(jī)械效率是衡量其性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)，可表示為自增壓正位移泵的有效凈輸入能量占凈輸入能量的比值，設(shè)效率為η，如式(4)。

(4)

其中：Ef—低壓原水能量，kJ；

Ee—低壓濃水能量，kJ；

△E—能量損失，kJ；

s—液壓活塞位移，m。

將式(3)代入式(4)得到效率的計(jì)算，如式(5)。

(5)

本試驗(yàn)中，自增壓正位移泵液缸活塞直徑為100 mm，活塞桿直徑為25 mm，不同提升泵頻率條件下自增壓正位移泵效率測試試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

由表2可知:當(dāng)提升泵頻率為35 Hz時(shí)，自增壓正位移泵樣機(jī)效率的平均值為91.6%；當(dāng)提升泵頻率為40 Hz時(shí)，自增壓正位移泵樣機(jī)效率的平均值為91.4%；當(dāng)提升泵頻率為45 Hz時(shí)，自增壓正位移泵樣機(jī)效率的平均值為90.8%。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，研發(fā)的自增壓正位移泵效率較高，能夠有效回收濃水壓力。

表2 自增壓正位移泵效率測試試驗(yàn)結(jié)果

對于使用能量回收裝置的海水淡化系統(tǒng)，能量回收裝置輸出的高壓給水必須滿足反滲透膜組件對壓力波動(dòng)的要求。試驗(yàn)結(jié)果表明，自增壓正位移泵樣機(jī)的高壓出水壓力波動(dòng)范圍為±0.10 MPa，壓力波動(dòng)較小，說明樣機(jī)運(yùn)行性能穩(wěn)定，可滿足反滲透膜的使用要求。

3.2 自增壓正位移泵小型淡化機(jī)性能測試

3.2.1 脫鹽率及產(chǎn)水量變化情況

本試驗(yàn)配制兩種不同含鹽量的人工海水作為原水(TDS分別為32 g/L和38 g/L)，其他試驗(yàn)條件如下：進(jìn)水溫度為25 ℃，進(jìn)水流量為1.9 m3/h，反滲透系統(tǒng)設(shè)計(jì)回收率為12%。試驗(yàn)結(jié)果表明，在10 h連續(xù)運(yùn)行過程中，自增壓正位移泵小型淡化機(jī)的產(chǎn)水量和回收率較為穩(wěn)定，平均產(chǎn)水量為0.22 m3/h(5.28 m3/d)，平均回收率為12.15%，可見小型淡化機(jī)的產(chǎn)水量和回收率均能滿足設(shè)計(jì)要求。試驗(yàn)測得兩種進(jìn)水TDS條件下的產(chǎn)水TDS如圖4所示。

圖4 自增壓正位移泵小型淡化機(jī)產(chǎn)水TDS變化情況Fig.4 Variation of Water Production TDS for Small-Scale Desalinatorwith Self-Pressurized Positive Displacement Pump

進(jìn)水TDS為32 g/L的條件下，自增壓正位移泵小淡化機(jī)產(chǎn)水TDS約為220 mg/L；進(jìn)水TDS為38 g/L的條件下，自增壓正位移泵小淡化機(jī)產(chǎn)水TDS約為260 mg/L。試驗(yàn)結(jié)果表明，在不同進(jìn)水TDS條件下，自增壓正位移泵小型淡化機(jī)產(chǎn)水TDS均小于500 mg/L，滿足小型淡化機(jī)設(shè)計(jì)要求。

3.2.2 運(yùn)行能耗分析

為驗(yàn)證本套小型淡化裝置在設(shè)計(jì)能力下的運(yùn)行能耗情況，需要對裝置的運(yùn)行總電耗、噸水電耗進(jìn)行測試分析，由于不同環(huán)境下取水電耗差別較大，本處電耗分析不包括原水泵電耗。試驗(yàn)測試條件如表3所示。

表3 自增壓正位移泵小型淡化機(jī)運(yùn)行能耗測試條件

試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，經(jīng)過10 h連續(xù)運(yùn)行，自增壓正位移泵小型淡化機(jī)性能穩(wěn)定，裝置平均每小時(shí)電耗保持在0.92 kW·h左右，平均噸水電耗保持在4.12 kW·h /m3左右，低于鄭增建[4]研制的產(chǎn)水規(guī)模為1.12 m3/h帶能量回收的小型反滲透海水淡化裝置噸水能耗(6.66 kW·h/m3)，與Dimitriou等[5]測試的帶丹弗斯能量回收裝置的小型反滲透海水淡化裝置噸水能耗(4 kW·h/m3)相當(dāng)。

圖5 自增壓正位移泵小型淡化機(jī)總電耗及噸水電耗情況Fig.5 Total and Per Ton of Water Power Consumption of Small-Scale Desalinator with Self-Pressurized Positive Displacement Pump

4 小結(jié)

(1)通過研究自增壓正位移泵蓄能增壓原理，解決流道切換控制閥結(jié)構(gòu)、高壓動(dòng)密材料選擇和泵體結(jié)構(gòu)優(yōu)化等問題，成功研發(fā)制造了一種適用于小型反滲透海水淡化系統(tǒng)的自增壓能量回收高壓泵，泵的能量回收效率高達(dá)90%。

(2)開展自增壓正位移泵小型淡化裝置工藝方案和集成優(yōu)化研究，制造的樣機(jī)運(yùn)行性能穩(wěn)定，產(chǎn)水量及產(chǎn)水TDS均滿足設(shè)計(jì)要求，平均噸水能耗為4.12 kW·h /m3，遠(yuǎn)低于無能量回收的小型海水淡化裝置噸水能耗(9～12 kW·h /m3)。

(3)與其他小型海水淡化裝置相比，自增壓正位移泵小型海水淡化裝置具有以下優(yōu)點(diǎn)：能量回收效率高、節(jié)省能源；系統(tǒng)工藝流程簡單、集成化程度高，體積和重量較小；運(yùn)行安靜、全自動(dòng)操作、便于安裝、不需要潤滑等。

[1]高從堦,周勇,劉立芬,等.反滲透海水淡化技術(shù)現(xiàn)狀和展望[J].海洋技術(shù)學(xué)報(bào),2016,35(1)：1-14.

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[4]鄭增建.小型反滲透海水淡化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究[D].浙江：浙江工業(yè)大學(xué)，2016.

[5]DIMITRIOU E,MOHAMED ES,KARAVAS C,et al.Experimental comparison of the performance of two reverse osmosis desalination units equipped with different energy recovery devices[J].Desalination and Water Treatment,2015,55(11):3019-3026.