小型海淡系統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重要途徑，特別是小型反滲透系統可有效解決海島、船舶、游艇等沿海地區分散式小規模的海水淡化需求[1]。小型海水淡化裝置一般為間歇運行方式，且體積小、重量輕、投資少、可移動，故其市場需求廣泛，發展潛力巨大。

目前，限制小型反滲透海水淡化裝置發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降至3.8～4.5 kW·h[2]；而因小型系統的能量回收裝置短缺，其噸水能耗仍高達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，實現了反滲透系統的高壓給水與能量回收兩項功能。通過系統的相關試驗過程，證明了該工藝方案的實際可行。

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，結構及工作原理如圖1所示。自增壓正位移泵采用兩個帶活塞的反向液缸，共享一根通過中心塊的活塞桿，通過中間法蘭聯結成一個整體。中間法蘭上安裝有先導閥，先導閥由活塞觸發換向，并控制主換向閥換向，進而控制兩個液缸交替進行吸排海水，即活塞驅動著控制閥，使液缸在驅動和加壓之間相互轉化。

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上，采用循環增壓的方式，重復利用進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。其具體運行流程如下：原海水通過進料泵獲得一個較小的壓力，這部分原海水與反滲透膜產生的帶壓濃海水共同推動活塞給另一個液缸內的海水加壓，使其達到反滲透膜的工作壓力并產出淡水；當活塞到達缸體某位置時觸動先導閥，活塞向反方向移動，這個過程在瞬間逆轉，從而實現裝置連續運行。

2 小型淡化系統工藝設計

為驗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化研究。裝置以標準海水作為原水進行設計，具體設計參數如表1所示。

表1 自增壓正位移泵小型淡化裝置設計參數

注:①TDS表示總溶解性固體含量

根據設計參數確定小型淡化裝置的工藝流程后，進行材料及主體設備選擇，裝置架體、管路管件定型連接方式設計，集成控制方案設計，制造出的小型淡化裝置樣機實物如圖2所示。該工藝采用模塊化設計，具有能量回收效率高、連續運行安靜、便于安裝、不需要潤滑等優點。

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

3 小型淡化系統樣機性能測試

為驗證自增壓正位移泵和小型淡化機的性能，在實驗室中對其進行性能測試。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在設計能力下能否穩定運行，各參數運行情況能否達到設計要求。

性能測試試驗的流程如圖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，從而保證試驗的連續進行。

圖3 自增壓正位移泵小型淡化機性能測試試驗流程簡圖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，自增壓泵內部密封會出現滲漏現象，且先導閥換向也會導致小部分供水消耗，此外活塞與缸筒和換向閥芯與閥體之間也存在摩擦的機械損失。設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—壓強損失，MPa；

Ph—高壓出水壓強，MPa；

Pe—低壓濃水壓強，MPa；

Pf—低壓原水壓強，MPa；

Pc—高壓濃水壓強，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械效率是衡量其性能的一項重要指標，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)得到效率的計算，如式(5)。

(5)

本試驗中，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數據如表2所示。

由表2可知:當提升泵頻率為35 Hz時，自增壓正位移泵樣機效率的平均值為91.6%；當提升泵頻率為40 Hz時，自增壓正位移泵樣機效率的平均值為91.4%；當提升泵頻率為45 Hz時，自增壓正位移泵樣機效率的平均值為90.8%。試驗數據表明，研發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結果

對于使用能量回收裝置的海水淡化系統，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的要求。試驗結果表明，自增壓正位移泵樣機的高壓出水壓力波動范圍為±0.10 MPa，壓力波動較小，說明樣機運行性能穩定，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性能測試

3.2.1 脫鹽率及產水量變化情況

本試驗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)，其他試驗條件如下：進水溫度為25 ℃，進水流量為1.9 m3/h，反滲透系統設計回收率為12%。試驗結果表明，在10 h連續運行過程中，自增壓正位移泵小型淡化機的產水量和回收率較為穩定，平均產水量為0.22 m3/h(5.28 m3/d)，平均回收率為12.15%，可見小型淡化機的產水量和回收率均能滿足設計要求。試驗測得兩種進水TDS條件下的產水TDS如圖4所示。

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

進水TDS為32 g/L的條件下，自增壓正位移泵小淡化機產水TDS約為220 mg/L；進水TDS為38 g/L的條件下，自增壓正位移泵小淡化機產水TDS約為260 mg/L。試驗結果表明，在不同進水TDS條件下，自增壓正位移泵小型淡化機產水TDS均小于500 mg/L，滿足小型淡化機設計要求。

3.2.2 運行能耗分析

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

表3 自增壓正位移泵小型淡化機運行能耗測試條件

試驗結果如圖5所示，經過10 h連續運行，自增壓正位移泵小型淡化機性能穩定，裝置平均每小時電耗保持在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]研制的產水規模為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。

圖5 自增壓正位移泵小型淡化機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

(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構、高壓動密材料選擇和泵體結構優化等問題，成功研發制造了一種適用于小型反滲透海水淡化系統的自增壓能量回收高壓泵，泵的能量回收效率高達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化研究，制造的樣機運行性能穩定，產水量及產水TDS均滿足設計要求，平均噸水能耗為4.12 kW·h /m3，遠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點：能量回收效率高、節省能源；系統工藝流程簡單、集成化程度高，體積和重量較小；運行安靜、全自動操作、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現狀和展望[J].海洋技術學報,2016,35(1)：1-14.

[2]GHALAVAND Y,HATAMIPOUR M S,RAHIMI A,et al.A review on energy consumption of desalination processes[J].Desalination and Water Treatment,2014,54(6):1-16.

[3]KIM Y C,HAM Y,PARK S,et al.Energy recovery through a water-hydraulic motor in a small scale RO desalination system[J].Desalination and Water Treatment,2010,15(1-3):172-177.

[4]鄭增建.小型反滲透海水淡化系統的設計及試驗研究[D].浙江：浙江工業大學，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.