尹方龍，汪 陽，賈國濤，聶松林，紀 輝，馬仲海

(1.北京工業(yè)大學 先進制造技術(shù)北京市重點實驗室，北京 100124; 2.中國船舶第七〇五研究所昆明分部，云南 昆明 650032)

引言

我國是聯(lián)合國認定的全球13個人均淡水資源貧乏的國家之一，人均淡水資源量僅為世界平均值的1/4。隨著城市化和現(xiàn)代化進程的不斷推進，淡水資源短缺已成為制約國民經(jīng)濟建設和社會發(fā)展的重要因素。采用市場化程度較高的海水淡化技術(shù)實現(xiàn)水資源的開源增量，是緩解我國水資源危機的關鍵舉措[1-4]?！啊吨袊圃?025》重點領域技術(shù)路線圖”和《關于發(fā)展海洋經(jīng)濟——加快建設海洋強國工作情況的報告》已明確提出將海水淡化產(chǎn)業(yè)融入國家重大戰(zhàn)略，形成一批具有國際競爭力的優(yōu)勢產(chǎn)品。反滲透海水淡化(Seawater Reverse Osmosis Desalination，SWRO)技術(shù)利用電能驅(qū)動高壓泵從海水中分離出淡水，整個過程不發(fā)生相變，工藝簡單，結(jié)構(gòu)緊湊，比能耗低，已成為世界上應用最廣泛、最有競爭力的海水淡化手段[5-8]。

我國反滲透海水淡化技術(shù)的研究始于1965年，于1997年在浙江嵊山鎮(zhèn)建成了首個反滲透海水淡化工程[9]。歷經(jīng)數(shù)十年發(fā)展，截至2019年底，全國共有反滲透海水淡化工程97個，產(chǎn)水量達1.001×106m3/d[10]。規(guī)模如此龐大的工程在運作時需要大量的能量輸入，如果將反滲透余留的高壓鹽水直接廢棄排放，會造成不低于10 kW·h/m3的能耗損失。作為SWRO系統(tǒng)的核心元件之一，能量回收裝置的作用是回收未透過反滲透膜組件的高壓鹽水用于做功，進而大幅度降低系統(tǒng)的產(chǎn)水能耗和投資成本。據(jù)統(tǒng)計，安裝有能量回收裝置的SWRO系統(tǒng)能耗可從13 kW·h/m3降低至2～3.5 kW·h/m3，減少了約60%的能耗，能量回收效率高達97%[11-12]。

由于能量回收裝置對于反滲透海水淡化工程具有顯著影響和實用價值，美國、德國、丹麥、瑞士和英國等國家在20世紀70年代便著手研究，經(jīng)歷了3個發(fā)展階段，開發(fā)出一系列商業(yè)化產(chǎn)品[9]，例如美國ERI公司的PX系列產(chǎn)品、德國KSB公司的SalTec系列產(chǎn)品、丹麥Danfoss公司的iSave系列產(chǎn)品等。自20世紀90年代以來，我國浙江大學、天津大學、北京工業(yè)大學、燕山大學和中國科學院廣州能源研究所等單位也逐步開展了反滲透海水淡化能量回收技術(shù)領域的研究工作，不僅研制出了多種高效的能量回收裝置樣機，并在其工作機理和特性研究方面取得了一定成就。

本研究介紹了反滲透海水淡化能量回收裝置的分類和工作原理，并重點綜述了國內(nèi)外的研究成果和進展，最后結(jié)合國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析總結(jié)了我國反滲透海水淡化能量回收裝置的發(fā)展方向。

1 分類和工作原理

反滲透海水淡化能量回收裝置按照其工作原理主要可分為液力透平式、正位移式和泵-馬達式3種類型，見表1。

表1 反滲透海水淡化能量回收裝置優(yōu)缺點比較Tab.1 Comparison of advantages and disadvantages of seawater reverse osmosis desalination energy recovery device

第一代和第二代能量回收裝置均采用液力透平工作原理，但具體實現(xiàn)方式有所區(qū)別[13-14]。第一代能量回收裝置將電機置于高壓泵和透平中間，三者同軸連接，利用反滲透膜組件的高壓截留液推動透平的葉輪旋轉(zhuǎn)，通過對軸做功來輔助高壓泵對海水增壓，從而實現(xiàn)節(jié)能的目的，如圖1所示；第二代能量回收裝置將離心泵和透平同軸連接，和高壓泵互相獨立運行，高壓鹽水推動透平帶動離心泵給海水增壓，通過降低高壓泵的提升壓力來降低產(chǎn)水能耗，如圖2所示。盡管液力透平式能量回收裝置最早被應用且技術(shù)相對成熟，但其需要經(jīng)歷“水壓能-機械能-水壓能”的兩步能量轉(zhuǎn)化過程，能量回收效率一般不超過80%，已逐漸被市場淘汰。

圖1 第一代能量回收裝置運行原理Fig.1 Operating principle of the first generation energy recovery device

圖2 第二代能量回收裝置運行原理Fig.2 Operating principle of the second generation energy recovery device

基于“功交換”原理的正位移式第三代能量回收裝置利用流體的不可壓縮性可直接實現(xiàn)高壓鹽水和低壓海水間的能量傳遞。系統(tǒng)工作時，低壓海水在能量回收裝置中先由高壓鹽水直接增壓，再經(jīng)過增壓泵的二次增壓后進入反滲透膜組件產(chǎn)出淡水。上述過程是通過降低高壓泵的流量來減少系統(tǒng)能耗，運行過程如圖3所示。由于其能量回收過程只需要經(jīng)過“水壓能-水壓能”的一步轉(zhuǎn)換，能量回收效率通常能達到90%以上，目前已占據(jù)反滲透海水淡化市場的主導地位，但仍存在系統(tǒng)集成度較低、投資成本高、需配備增壓裝置和鹽/海水摻混等技術(shù)缺陷。正位移式能量回收裝置根據(jù)其核心部件結(jié)構(gòu)形式的不同又可分為閥控式和旋轉(zhuǎn)式[15-17]。

圖3 正位移式能量回收裝置運行原理Fig.3 Operating principle of positive displacement energy recovery device

泵-馬達式能量回收裝置將海水液壓泵和海水液壓馬達集成于一體，是海水淡化系統(tǒng)中能量回收技術(shù)較為理想的解決方案，如圖4所示。低壓海水經(jīng)過液壓泵的增壓后在反滲透膜中脫鹽，產(chǎn)生的高壓鹽水進入液壓馬達做功。通過液壓馬達將高壓鹽水的壓力能傳遞給轉(zhuǎn)軸，以補償電機的轉(zhuǎn)矩和輸出功率，能量只需經(jīng)過“水壓能-機械能”的一步轉(zhuǎn)換。這種集成式能量回收裝置可同時實現(xiàn)海水增壓和能量回收功能，對于減小反滲透海水淡化系統(tǒng)的體積、能耗和投資成本具有重要意義[18]。然而，傳統(tǒng)海水液壓柱塞泵/馬達仍存在如滑動摩擦副數(shù)量較多造成泄漏和機械損失較大、抗污染能力較差等瓶頸問題[19-20]，其工作效率仍有提高空間。

圖4 泵-馬達式能量回收裝置運行原理Fig.4 Operating principle of pump-motor energy recovery device

2 液力透平式能量回收裝置

20世紀80年代初期，為降低反滲透海水淡化工程的能耗和運行成本，第一代能量回收裝置開始應用于SWRO系統(tǒng)，代表性產(chǎn)品有弗朗西斯透平(Francis turbine)和佩爾頓透平(Pelton turbine)。

弗朗西斯透平是Pump Ginard公司生產(chǎn)、最早應用在SWRO系統(tǒng)的能量回收裝置，如圖5所示。本質(zhì)上是一種反向運行的離心泵，運行時高壓鹽水經(jīng)泵出口的閥門流入，驅(qū)動葉輪做功。能量回收效率一般不超過30%，且因高壓流體的流量變化而表現(xiàn)出較大差異：當流量超過最佳工況的10%時，能量回收率降低50%；當流量低于最佳工況的40%時，無法實現(xiàn)能量回收功能[14]。佩爾頓透平由瑞士Calder AG公司設計研發(fā)，葉輪是其唯一的旋轉(zhuǎn)部件，具有良好的流體力學性能。工作過程中，高壓鹽水通過若干個噴嘴直接噴射到葉輪上使其旋轉(zhuǎn)，經(jīng)過優(yōu)化設計的葉輪和噴嘴幾乎能確保全部的壓力能轉(zhuǎn)化為機械能[21]。此外，佩爾頓透平具有十分平穩(wěn)的效率特性曲線，當流量在最佳工況的50%～150%范圍內(nèi)，效率僅有5%的略微下降[22]。

圖5 弗朗西斯透平Fig.5 Francis turbine

到20世紀80年代后期，為提高液力透平式能量回收裝置的工作效率，以HTC(Hydraulic Turbo Charge)和HPB(Hydrualic Pressure Booster)為代表的第二代能量回收裝置逐漸進入市場并實現(xiàn)商品化開發(fā)，在可靠性、功能性和操作性等方面都比第一代裝置更加優(yōu)良[23]。

美國PEI公司制造了將透平和單級離心泵集成在同一殼體中的HTC，其外形如圖6所示。利用高壓鹽水推動透平旋轉(zhuǎn)，同時帶動離心泵對高壓泵出口的中壓海水增壓。不同于第一代能量回收裝置的是，HTC盡可能的減少了傳動軸的機械能損失，并且離心泵無需外加驅(qū)動力[13]。HTC在研發(fā)初期于太平洋上進行了超過2000 h的循環(huán)測試，其系統(tǒng)產(chǎn)水率為23%，高壓泵的電力供應降低了22%[24]。HPB是美國FEDCO公司設計的產(chǎn)品，其結(jié)構(gòu)和工作原理與HTC相似。HPB標準型號系列的流量范圍在7～240 m3/h，新一代HPB的能量回收效率可達到80%以上，也是當時世界上唯一在實際工程中效率超過80%的正位移式能量回收裝置[9,17,25]。

圖6 HTC能量回收裝置Fig.6 HTC energy recovery device

3 正位移式能量回收裝置

3.1 閥控式能量回收裝置

1) 國外研究進展

美國Desal公司研發(fā)的DWEER(Dual Work Exchanger Energy Recovery)于1990年實現(xiàn)商業(yè)化，是最早應用于反滲透海水淡化工程的正位移式能量回收裝置[26]。該裝置的主要部件包括單向閥和控制閥、2個水壓缸，其運行原理如圖7所示。高壓鹽水經(jīng)控制閥進入其中1個水壓缸，將壓力能傳遞給低壓海水，完成增壓過程；低壓海水經(jīng)單向閥進入另1個水壓缸，推動低壓鹽水排出，完成泄放過程。水壓缸內(nèi)設置有活塞，將鹽水和海水隔開，有效減少了流體摻混。1998年，LinX閥的誕生使DWEER的性能迎來了質(zhì)的飛躍。LinX閥是一種多通道的控制閥，替代了原有的4個二通閥，不僅簡化了系統(tǒng)，還加快了閥門的切換速度，這極大地改善了DWEER的性能和可靠性[27]。2001年，ANDREWS等[28]對DWEER系統(tǒng)進行測試，結(jié)果表明，在同樣的工作條件下DWEER比HTC的產(chǎn)水率提高了59%，且能耗降低了26%。瑞士Calder AG公司于2011年展示了DWEER在驅(qū)動方式、制造材料、密封設計等方面的改進，裝置性能得到綜合提升。

圖7 DWEER運行原理圖Fig.7 Operating principle diagram of DWEER

表2 DWEER的部分應用場所及規(guī)模[29]Tab.2 Some application sites and scales of DWEER

美國Spectra Watermakers公司在1995年研制出一款名為Clark Pump的能量回收裝置，該裝置的特殊之處在于只需要和1臺低壓泵串聯(lián)即可完成海水增壓和能量回收過程，其運行原理如圖8所示。經(jīng)加壓的原料海水進入腔室1和進入腔室3的高壓鹽水共同推動活塞對腔室4中的海水增壓，低壓鹽水經(jīng)腔室2排出。換向閥改變鹽水流向，使上述過程循環(huán)交替[30]。2005年，THOMSON等[31]建造了一種小型的光伏發(fā)電-反滲透淡化系統(tǒng)，將太陽能光伏發(fā)電技術(shù)和Clark Pump的能量回收機制相結(jié)合，實現(xiàn)了單位能耗低于4 kW·h/m3的節(jié)能目標。但是該系統(tǒng)產(chǎn)水率受日照強度的影響較大，產(chǎn)水量不足3 m3/d。由于串聯(lián)運行的緣故，Clark Pump的性能受到低壓泵工作效率的限制。CONTRERAS等[32]在2010年對此做出改進，用高壓泵取代了原先的低壓泵，與Clark Pump并聯(lián)運行，系統(tǒng)的總效率和產(chǎn)水流量有了顯著提升。

圖8 Clark Pump運行原理圖Fig.8 Operating principle diagram of Clark Pump

PES(Pressure Exchanger System)是德國SIEMAG公司的研發(fā)產(chǎn)品。該能量回收裝置將3個水壓缸并聯(lián)安裝，保證了進料、產(chǎn)水過程的連續(xù)性和穩(wěn)定性，能量回收效率高達98%。2000年，PES在西班牙蘭薩羅特島某產(chǎn)水規(guī)模為5000 m3/d的SWRO工廠正式投入使用，相比于透平式能量回收裝置減少了1.21 kW·h/m3的單位能耗，節(jié)省了25%～30%的系統(tǒng)能耗需求[33]。

德國KSB公司在2003年研發(fā)制造了SalTec DT能量回收系統(tǒng)，如圖9所示。該裝置的結(jié)構(gòu)和工作原理和DWEER基本相似，最大的區(qū)別就是SalTec DT通過檢測傳感器的反饋信號來驅(qū)動伺服電機以切換旋轉(zhuǎn)閥的工作狀態(tài)，最終實現(xiàn)高低壓流體的連續(xù)增壓和泄放。2004年，該系統(tǒng)被安裝到埃及沙姆沙伊赫產(chǎn)水量為1920 m3/d的SWRO工廠進行了成功測試[34]，測試結(jié)果顯示，該系統(tǒng)的比能耗降低至3.24 kW·h/m3，且流量和壓力近乎沒有波動。2007年，BROSS等[35]遵循之前的設計原則開發(fā)了可用于4400～5000 m3/d處理規(guī)模場所的SalTec DT250，提高了該系列產(chǎn)品的流量和效率。為克服SalTec DT旋轉(zhuǎn)閥內(nèi)定子和轉(zhuǎn)子間較高的配合精度所導致的加工困難和運行卡滯等缺陷，KSB公司在2011年國際海水淡化協(xié)會全球會議上推出了SalTec N。SalTec N由3個或多個相同的壓力交換單元并聯(lián)而成，用特殊金屬密封設計的往復式切換器取代旋轉(zhuǎn)閥，并改用流體混合段來隔離高壓鹽水和低壓海水，裝置的可靠性和能量回收效率得到了進一步優(yōu)化[15]。

圖9 SalTec DT結(jié)構(gòu)示意圖Fig.9 Structure diagram of SalTec DT

除了上述產(chǎn)品外，還有其他許多類型的閥控式能量回收裝置，如挪威Aqualyng公司的Recuperator、西班牙的RO Kinetic、德國的ENERCON Energy Recovery System等[9,36]。

2) 國內(nèi)研究進展

天津大學從2000年開始致力于海水淡化能量回收技術(shù)的研究，率先在國內(nèi)建成閥控能量回收裝置平臺，并對其工作特性、控制系統(tǒng)和流量壓力的穩(wěn)定性等方面進行了大量研究。2005年，設計制造了我國首套日產(chǎn)千噸級的閥控式能量回收裝置并進行了現(xiàn)場示范運行，能量回收效率為93%～95%，壓力波動僅有0.2 MPa，具有較好的工程應用價值[17]。

2008年，王越等[37]研發(fā)了一種帶流體切換器的能量回收裝置(Fluid Switcher-Energy Recovery Device，F(xiàn)S-ERD)，能量回收效率為76.83%，裝置并聯(lián)運行可以顯著提高系統(tǒng)流量穩(wěn)定性和連續(xù)性[38]。2012年，又開發(fā)了中試規(guī)模的FS-ERD，在操作壓力6 MPa、處理量30 m3/h的試驗條件下，能量回收效率在95.9%以上，達到商業(yè)化產(chǎn)品水平[39]。

由于FS-ERD的轉(zhuǎn)子和殼體配合精度較高，偶爾會出現(xiàn)因顆粒物導致的運行故障。為解決該問題，2014年，王越等[40]研制了一種帶往復式流體壓力切換器的能量回收裝置(Reciprocating-Switcher Energy Recovery Device，RS-ERD)，如圖10所示。獨特設計的切換器不僅能避免顆粒物的停留，還保證了密封效果。2017年，對該裝置進行性能評估，數(shù)據(jù)顯示，RS-ERD可在66.7%～150%的設計流量區(qū)間內(nèi)穩(wěn)定運行，能量回收效率保持在96.5%以上，驗證了RS-ERD對SWRO系統(tǒng)的廣泛適應性[41]。2020年，王越等[42]通過改變切換沖程中切換器內(nèi)閥口的開度，并對3種重疊距離下的流動機理和實際效果進行了數(shù)值研究和試驗，見圖11。結(jié)果表明，該措施可以提高流體的連續(xù)性，大幅降低流量和壓力脈動。之后，又開發(fā)了一種三缸并聯(lián)的活塞式能量回收裝置，可以同時降低流量脈動和壓力脈動，并且能量回收效率高達98.2%[43]。

圖10 RS-ERD的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.10 Structure diagram of RS-ERD

圖11 RS-ERD的試驗現(xiàn)場Fig.11 Test site of RS-ERD

2007年，中科院廣州能源研究所研制出一種以蓄能器和2個差動式液壓缸為核心的差動液壓活塞閥控式能量回收裝置，并在產(chǎn)水量10 m3/h進行實驗。在不考慮高壓泵和電機本身損耗影響的情況下，該裝置可將系統(tǒng)能耗從4.9 kW·h/m3降至2.5 kW·h/m3，能量回收效率達97%[44]。

2010年，杭州水處理中心對自主研制的水壓閥控式能量回收裝置(HVCPX-1000)的過程特性進行了研究。HVCPX-1000采用3個壓力交換單元并聯(lián)運行，有效保障了系統(tǒng)流量和壓力的穩(wěn)定性。該裝置鹽水處理量約65 m3/h，工作壓力約6 MPa，能量回收效率達96.27%[45]。

2016年，北京工業(yè)大學的劉中良等[46-47]針對正位移式能量回收裝置的密封和泄漏問題提出了一種基于全旋轉(zhuǎn)閥的能量回收裝置(Fully-Rotary Valves Energy Recovery Device，F(xiàn)RV-ERD)，全旋轉(zhuǎn)閥結(jié)構(gòu)見圖12。FRV-ERD沒有往復運動，閥體內(nèi)部的轉(zhuǎn)子做低速旋轉(zhuǎn)運動，可精確控制閥門開啟。在3 MPa的測試壓力下，該裝置表現(xiàn)出了優(yōu)越的密封性能，且能量回收效率達98.47%。并利用CFD數(shù)值仿真對FRV-ERD的泄漏特性和工作效率進行了研究，發(fā)現(xiàn)泄漏量與間隙高度的3次方成正比。

圖12 FRV-ERD的全旋轉(zhuǎn)閥結(jié)構(gòu)圖Fig.12 Structure diagram of fully-rotary valves of FRV-ERD

2020年，浙江工業(yè)大學的孫毅等[48]設計了一種雙液壓缸耦合的閥控式能量回收裝置，利用電動推桿推動活塞桿對高壓海水進行二次增壓，以達到反滲透膜組件的工作壓力。如圖13所示，系統(tǒng)運行時通過控制電磁換向閥對2個液壓缸的運動狀態(tài)進行耦合控制，既保證了雙缸間的循環(huán)協(xié)同工作，又降低了壓力和流量的波動。

圖13 雙液壓缸耦合的閥控式能量回收裝置系統(tǒng)原理圖Fig.13 Schematic diagram of valve-controlled energy recovery system based on dual-cylinder coupling principle

3.2 旋轉(zhuǎn)式能量回收裝置

1) 國外研究進展

美國ERI公司設計生產(chǎn)的PX(Pressure Exchanger)是旋轉(zhuǎn)式能量回收裝置的典型代表，于1997年進行商業(yè)化應用。PX裝置由陶瓷轉(zhuǎn)子、套筒和端蓋構(gòu)成，轉(zhuǎn)子上開設有12個軸向流道，在高壓流體的驅(qū)動下自由平衡旋轉(zhuǎn)，從而完成流體間的能量交換，運行原理如圖14所示。不同于DWEER的是，PX通過直接接觸的方式回收壓力能，并沒有利用活塞來隔離流體[16,49]。PX主要經(jīng)歷了5個發(fā)展階段，見表3，2009年推出了第五代產(chǎn)品PX-300，該產(chǎn)品的配流機構(gòu)采用了改進的氧化鋁陶瓷部件，1個旋轉(zhuǎn)周期可完成2次能量交換過程，單機處理量達到68 m3/h，能量回收效率高達97.2%，且在降低內(nèi)部流體摻混度和工作噪聲方面有所改善。CAMERON等[49]給出了使用PX裝置的海水淡化系統(tǒng)中半透膜前的高壓海水的鹽度計算公式，當?shù)厥章蕿?0%時，膜前高壓海水的鹽度增加2.5%，相當于運行壓力提高0.13 MPa。

圖14 PX運行原理圖Fig.14 Operating principle diagram of PX

表3 PX系列產(chǎn)品參數(shù)Tab.3 Products parameters of PX

2011年，丹麥Danfoss公司的iSave型能量回收裝置問世，解決了PX無法自增壓的問題。如圖15所示，該裝置將電機、高壓容積式增壓泵、旋轉(zhuǎn)式等壓交換器集成于一體，是同類產(chǎn)品中體積最小的[15]。iSave的核心部件由耐腐蝕不銹鋼制成，安裝有可靠的低壓軸封，這些設計保障了可靠性和耐用性。此外，iSave可以自動控制高壓流量以確保向反滲透膜組提供穩(wěn)定的進料，并且其輸出流量不受海水鹽度和溫度的影響[50]。iSave共有4種型號，可降低系統(tǒng)約60%的凈能耗和近70%的能源相關成本。其中，iSave 77的流量范圍為59～77 m3/h，壓力范圍為1～8.2 MPa，能量回收效率可達95%。

圖15 iSave結(jié)構(gòu)及運行原理圖Fig.15 Structure and operation principle diagram of iSave

2) 國內(nèi)研究進展

大連理工大學的周一卉等[51-53]自2004年以來，對旋轉(zhuǎn)式能量回收裝置的理論和試驗研究展開了積極探索；截至2010年，設計加工了電機外驅(qū)型和流體自驅(qū)型兩種能量回收裝置，建立小型SWRO實驗平臺并進行了包括端面密封特性、流體摻混特性和能量回收效率在內(nèi)的綜合實驗研究工作，其中，流體自驅(qū)型能量回收裝置，見圖16，在實驗條件下轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速超過1000 r/min，能量回收效率為76%，流體摻混率低于5%。利用二維數(shù)值模擬的方法分析了影響液柱活塞形成和運動的主要因素及其影響規(guī)律；以提高孔道容積效率為目標，探索了流量、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子幾何結(jié)構(gòu)的最佳匹配關系。然而，二維數(shù)值模擬只適用于軸對稱模型，不能完全描述孔道中流體的徑向流動。為此，在2011年提出了一種三維數(shù)值模擬方法研究了流體摻混的形成過程和影響因素[54]。

圖16 流體自驅(qū)型能量回收裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.16 Structure diagram of fluid self-drivenenergy recovery device

2010年，浙江大學的焦磊等[55]開始對旋轉(zhuǎn)式能量回收裝置的液體摻混和端面密封兩大核心問題進行相關研究；2013年～2017年，開展了旋轉(zhuǎn)式能量回收裝置水動力學特性的研究，對復雜間隙流場進行數(shù)值模擬，探索了各種結(jié)構(gòu)參數(shù)條件下的旋轉(zhuǎn)阻力矩特性、間隙泄漏和潤滑特性，通過控制壓力和流量進行了壓力損失機理的驗證試驗，得出泄漏是壓損的主要原因的結(jié)論，并總結(jié)出可近似預測壓損大小的經(jīng)驗公式[56-57]。

2012年，浙江沃爾科技有限公司開發(fā)出轉(zhuǎn)子能量回收同軸增壓裝置，見圖17，該裝置采用旋轉(zhuǎn)式壓力交換器和葉片式增壓泵的同軸結(jié)構(gòu)設計[58]，有效能量轉(zhuǎn)換效率為97.7%，鹽海水混合度為5.81%。已通過國家海水及苦咸水利用產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心檢測，實現(xiàn)了小規(guī)模的產(chǎn)品化銷售。

圖17 轉(zhuǎn)子能量回收同軸增壓裝置Fig.17 Rotor energy recovery coaxial boosting device

2014年，中國海洋大學的伍聯(lián)營等[59]建立了一種雙環(huán)類扇形的轉(zhuǎn)子孔道模型，采用非定常計算對孔道內(nèi)部流體的質(zhì)量傳遞過程進行數(shù)值模擬，分析了孔道內(nèi)的鹽海水濃度分布，并對影響濃度分布的因素進行了相關探討。

2014年，西安交通大學的鄧建強等[60-61]探究了各結(jié)構(gòu)變量對自驅(qū)旋轉(zhuǎn)式能量回收裝置的動力特性和壓力能交換特性的影響，結(jié)合CFD技術(shù)和時間停留分布測定技術(shù)分析了內(nèi)部流體的摻混特性和流動模式；2018年，通過流場仿真結(jié)合粒子圖像測速法探究了能量交換過程中的流體摻混和能量耗散特性，并對通道內(nèi)流體的流動結(jié)構(gòu)做出可視化分析[62]，見圖18；2019年，提出一種結(jié)合用戶自定義函數(shù)和動態(tài)網(wǎng)格劃分的方法用于運動和變形流體域的網(wǎng)格生成，在此基礎上分析了旋轉(zhuǎn)葉片式能量回收裝置的空化現(xiàn)象[63]；2020年，以削弱空化強度和提高容積效率為目標，對旋轉(zhuǎn)葉片式能量回收裝置進行分析和優(yōu)化[64]。

圖18 粒子圖像測速系統(tǒng)示意圖Fig.18 Schematic diagram of particle image velocimetry system

2015年，天津大學的王越等[65]在旋轉(zhuǎn)式能量回收裝置的配流盤上添加表面織構(gòu)，見圖19。在同工況下，可降低50%的扭矩并將能量回收效率提高到96.3%；2016年，為改善轉(zhuǎn)子的摩擦狀態(tài)，在轉(zhuǎn)子兩端面引入靜壓支承阻尼孔和支承槽，形成靜壓支承以調(diào)整液膜厚度[66]；設計加工了一種電驅(qū)旋轉(zhuǎn)式能量回收裝置[67]，如圖20所示。該裝置處理量為16 m3/h，平均能量回收效率可達92.5%，且流量和壓力較平穩(wěn)；2019年，將靜壓支承技術(shù)應用到該裝置中進行試驗，能量回收效率提高至95%，泄漏量可降低約75%[68]；此外，在旋轉(zhuǎn)式能量回收裝置的運行特性、內(nèi)部泄漏規(guī)律、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速推導和回收效率優(yōu)化等方面也展開了卓有成效的研究[69-70]。

圖19 配流盤的表面織構(gòu)Fig.19 Surface texture of valve plate

圖20 電驅(qū)旋轉(zhuǎn)式能量回收裝置Fig.20 Electric-driven rotary energy recovery device

2018年，北京工業(yè)大學的尹方龍等[71-72]提出了一種集成旋轉(zhuǎn)式壓力交換器和柱塞式增壓泵的低脈動自增壓式能量回收裝置(Piston Booster Pump-Pressure Exchanger，PPX)，開展了PPX的能量高效傳遞機理、配流特性等關鍵技術(shù)研究，完成了樣機研制并搭建了小型反滲透海水淡化系統(tǒng)進行性能試驗，如圖21所示。在4.2 MPa的工作壓力下，PPX的系統(tǒng)產(chǎn)水率達到24.91%，最低單位產(chǎn)水能耗為4.79 kW·h/m3，最高能量回收效率約為93.9%。

圖21 PPX試驗系統(tǒng)實物圖Fig.21 Schematic diagram of PPX system

2020年，叢小青等[73]對旋轉(zhuǎn)式能量回收裝置轉(zhuǎn)子孔道內(nèi)流體摻混特性和端面泄漏進行了數(shù)值分析，并探究了集液槽傾角、端面間隙等因素對裝置性能的影響。蘇永生等[73]在考慮了端蓋間隙的前提下研究了旋轉(zhuǎn)式壓力能交換器的水動力性能。

4 泵-馬達式能量回收裝置

20世紀末至21世紀初，在小型化和集成化海水淡化系統(tǒng)技術(shù)需求的牽引下，泵-馬達式能量回收集成裝置應運而生[74]。此類裝置最顯著的特點就是無需增壓泵、集成度高，適用于水處理工廠、海洋船舶、海上移動平臺、旅游景區(qū)等場所的小型SWRO系統(tǒng)。目前，泵-馬達式能量回收裝置仍在進一步研究中，尚少見商業(yè)化產(chǎn)品。

4.1 國外研究進展

丹麥Danfoss公司開發(fā)的SWPE(Sea Water Pump with Energy Recovery)是一款適用于小型反滲透海水淡化系統(tǒng)的帶有能量回收裝置的高壓套泵，是世界上最小、最輕的能量回收系統(tǒng)之一，如圖22所示。SWPE由一臺軸向柱塞泵(APP)和軸向柱塞馬達(APM)同軸連接在電機兩側(cè)，泵和馬達的部件均采用超級雙相不銹鋼等耐腐蝕材料，具有結(jié)構(gòu)緊湊、流量穩(wěn)定、適應性強等優(yōu)點[75]。該裝置運行方案的可行性在2004年就進行過測試，其淡水產(chǎn)量為0.14～0.82 m3/h，產(chǎn)水率在29%～32%，總效率約70%～75%，實際的能量回收效率和產(chǎn)水率取決于APP和APM的規(guī)格參數(shù)。2008年，VALBJORN[76]對SWPE的創(chuàng)新性、可行性、局限性和經(jīng)濟性4個方面進行總結(jié)。該能量回收裝置可將傳統(tǒng)SWRO系統(tǒng)的能耗從9～12 kW·h/m3降低至4～5 kW·h/m3，最低運行壽命為8000 h，為產(chǎn)水量低于100 m3/d的小型SWRO工廠帶來可觀的經(jīng)濟效益。另外，為補償鹽度、溫度和反滲透膜性能對產(chǎn)水率帶來的變化，開發(fā)了一種變量馬達和變頻驅(qū)動泵集成的能量回收裝置，使系統(tǒng)可在最佳工況區(qū)間內(nèi)運行。

圖22 SWPE能量回收裝置

2010年，韓國機械與材料研究所的KIM等[77]研制了一種利用V帶傳動將柱塞泵和水液壓馬達集成的能量回收裝置，可以通過改變帶輪傳動比來調(diào)節(jié)產(chǎn)水率，搭建了小型SWRO系統(tǒng)進行對比實驗，當水液壓馬達轉(zhuǎn)速為1200～1800 r/min、進料溫度為15～25 ℃ 的工況下，系統(tǒng)產(chǎn)水率約為28%，柱塞泵能耗回收在53%～60%之間。此外，還比較了不同電機轉(zhuǎn)速和進料溫度下系統(tǒng)的功率消耗和產(chǎn)水率。

德國KSB公司研發(fā)的SALINO Pressure Center集成式能量回收裝置，見圖23，在旅游業(yè)、工業(yè)、軍事和農(nóng)業(yè)等領域具有突出的競爭潛力。該產(chǎn)品是首款應用于反滲透海水淡化的高度集成能量回收裝置，各組件之間未使用任何管道連接，占地面積小、便于維護并節(jié)約投資成本。SALINO適用于淡水產(chǎn)量低于1000 m3/d的SWRO系統(tǒng)，能量回收效率根據(jù)海水水質(zhì)穩(wěn)定在24%～47%之間，可節(jié)省約75%的能耗，于2013年投入中東地區(qū)進行現(xiàn)場測試[78]。

圖23 SALINO能量回收裝置及運行原理圖Fig.23 Operating principle diagram of SALINOenergy recovery device

2015年，希臘雅典農(nóng)業(yè)大學的DIMITRIOU等[79]對小型SWRO系統(tǒng)中Clack Pump和Danfoss APP-APM兩種能量回收裝置進行了實驗比較。在全負荷工況下，Clack Pump的膜前壓力約5.7 MPa，比能耗為6.6 kW·h/m3；APP-APM的膜前壓力約6.7 MPa，比能耗為5.3 kW·h/m3。在最佳工況下，Clack Pump的最小比能耗為5.7 kW·h/m3，APP-APM的最小比能耗為4 kW·h/m3。結(jié)果表明，泵-馬達式能量回收裝置的回收效率更高、性能更為優(yōu)越。

4.2 國內(nèi)研究進展

2010年，天津海水淡化與綜合利用研究所的初喜章等提出一種基于斜盤泵-斜盤馬達式海水淡化能量交換裝置，如圖24所示，將泵和馬達安裝在雙輸出軸電機兩端，可實現(xiàn)速度控制、海水增壓和能量回收功能。2017年，宋代旺等[80]研發(fā)了一種流量可調(diào)柱塞式高壓泵能量回收機，能夠很好地適應流量變化范圍較大的工作環(huán)境。該樣機不僅能實現(xiàn)整個系統(tǒng)的流量和壓力平衡，還能根據(jù)需求調(diào)節(jié)日產(chǎn)淡水量。2020年，宋代旺等[80]開發(fā)了一種將反轉(zhuǎn)柱塞泵和高壓柱塞泵集成的海水淡化柱塞式能量回收一體機，見圖25，將其耦合在處理量為50 m3/d、產(chǎn)水率為40%的SWRO系統(tǒng)進行性能測評，測試結(jié)果表明，該一體機性能穩(wěn)定、匹配性較好；應用于小型海水淡化工程項目可縮短12.3%的投資回收期，淡水成本最高可降低21.9%。

圖24 斜盤泵-馬達式海水淡化能量交換裝置Fig.24 Swash plate pump-motor desalinationenergy exchange device

圖25 海水淡化柱塞式能量回收一體機Fig.25 Seawater desalination plunger typeenergy recovery machine

2011年，西安交通大學的盧勇等[81]研發(fā)出一種適用于小型SWRO系統(tǒng)的葉片泵-馬達一體化裝置，如圖26所示。該裝置采用插裝式結(jié)構(gòu)，將泵和馬達同軸連接在1個殼體內(nèi)并使容腔分隔，4個進出水口位于殼體同側(cè)。測試了不同工況下泵單元和葉片單元的水力性能及系統(tǒng)性能，結(jié)果表明，該裝置最高可減少20.2%的電機輸出功率。

圖26 葉片泵-馬達一體化裝置Fig.26 Integrated vane pump-motor device

2013年，上海大學的張國賢[82]分析對比了3種國內(nèi)外斜盤泵-馬達式能量交換裝置的應用特點。由于受限于回收效率、泄漏和加工工藝等因素，這些裝置在性能上比美國ERI公司的產(chǎn)品缺乏競爭優(yōu)勢，需要進一步改進。此外，還展望了斜盤泵-馬達式能量回收裝置作為雙排量串聯(lián)泵在液壓系統(tǒng)的延伸應用，有利于產(chǎn)品的市場拓展。

2017年，燕山大學的張齊生等[83]提出一種新型能量回收斜盤泵-馬達耦合裝置，研究了其能量回收方案的可行性及流場特性。如圖27所示，該裝置將斜盤泵的柱塞改為活塞，高壓鹽水引入活塞腔內(nèi)推動活塞運動，從而完成余壓能的回收，為反滲透海水淡化能量回收技術(shù)的發(fā)展提供了新的思路和方案。2019年，劉思遠等[84]提出一種功能集成式泵-馬達能量回收裝置，結(jié)構(gòu)和原理類似于上述的耦合裝置。針對該裝置的配流機理、關鍵摩擦副優(yōu)化和機械振動特性進行了一些列分析和實驗。2020年，高殿榮等[85]提出一種集柱塞泵、電機和能量回收裝置于一體的新型反滲透海水淡化變量電機泵，如圖28所示。該電機泵將雙介質(zhì)雙排量軸向柱塞泵嵌入電機轉(zhuǎn)子內(nèi)部，高壓鹽水進入活塞腔將壓力能傳遞給轉(zhuǎn)子，實現(xiàn)能量回收功能，并利過有限元分析方法研究了多因素對柱塞泵配流窗處不同濃度海水的泄漏和摻混特性的影響。

圖27 新型能量回收斜盤泵-馬達耦合裝置Fig.27 Novel swashplate pump-motor coupling device for energy recovering

圖28 新型反滲透海水淡化變量電機泵Fig.28 Novel variable motor pump for seawater reverse osmosis desalination

2018年，浙江大學的焦磊等[86]基于海水液壓斜盤式軸向柱塞泵的內(nèi)部流道特征設計出一種能量回收增壓一體機，如圖29所示。對其關鍵結(jié)構(gòu)設計和力學特性做了研究分析，提出整機多通道雙腔單一轉(zhuǎn)子同軸結(jié)構(gòu)，增加轉(zhuǎn)子空間的利用率。由于該裝置中同時存在多對摩擦副，因而對裝置的潤滑密封條件提出較高要求。

圖29 能量回收增壓一體機Fig.29 Energy recovery supercharging machine

2020年，張德勝等[87]對于前述海水淡化柱塞式能量回收一體機[80]存在的由柱塞腔內(nèi)壓力變化引起的噪聲和振動問題，研究了不同工況對于一體機壓力脈動特性的影響。通過對采集信號的時、頻域和峰值分析得出了泵端進、出口壓力脈動率的特征和變化規(guī)律。施衛(wèi)東等[87]對該一體機的耦合特性展開了相關研究，基于仿真和試驗結(jié)果對比分析了一體機的流量和轉(zhuǎn)矩脈動特性。

5 結(jié)論

早期為了降低反滲透過程的投資成本，引入透平作為海水淡化系統(tǒng)的能量回收裝置，但由于能量回收效率較低使得液力透平式能量回收裝置幾乎退出了市場。隨后，以DWEER和PX為代表的正位移式能量回收裝置突破了能量回收效率較低的限制，成功占領了市場。但其也存在著一系列技術(shù)缺陷，如閥控式能量回收裝置需通過閥組對高、低壓流體的流向進行精準控制，太過于依賴閥的性能；旋轉(zhuǎn)式能量回收裝置尚未解決轉(zhuǎn)子孔道中海水和鹽水的摻混問題等。而且部分正位移式能量回收裝置還需配備增壓裝置，存在設備不夠緊湊等問題。隨著海洋資源的加速開發(fā)與利用，海水淡化工程、海上工程平臺以及船舶、潛水器等工程和裝備得到迅速發(fā)展，反滲透海水淡化系統(tǒng)在該領域擁有大量需求和廣闊的應用前景。經(jīng)過近40年的發(fā)展，作為反滲透海水淡化系統(tǒng)核心裝備的能量回收裝置也逐漸朝著低能耗和集成化方向發(fā)展：

(1) 低能耗，根據(jù)熱力學理論計算，海水淡化過程的理論耗能量(即最小功)為1.41 kW·h/m3，然而，現(xiàn)有的各種淡化方法實際所需能量都大于此值，這說明反滲透海水淡化能量回收裝置在降低能耗方面尚有很大潛力待發(fā)掘；

(2) 集成化，初投資成本和使用環(huán)境都是海洋設備需著重考慮的問題，為降低加工、運輸成本和適應各種狹窄、復雜的空間，能量回收裝置的設計需盡可能的實現(xiàn)集成化。

上述裝置或多或少都偏離了反滲透海水淡化裝置集成化的發(fā)展趨勢。泵-馬達一體式能量回收裝置可同時實現(xiàn)海水加壓及能量回收功能，是集成式海水淡化系統(tǒng)較為理想的解決方案。然而，傳統(tǒng)柱塞泵/馬達仍存在技術(shù)瓶頸，如泄漏和機械損失較大、節(jié)能設計理論不夠完善等，致使泵-馬達式能量回收裝置的工作效率尚有提高的空間。因此，探索新結(jié)構(gòu)原理的泵-馬達式一體式能量回收裝置是未來的重要發(fā)展方向。

在我國水資源短缺問題日益加劇的形勢下，進行高效率、集成式能量回收裝置的技術(shù)攻關，研制出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的反滲透海水淡化用能量回收一體化裝置更是迫在眉睫。目前，我國反滲透海水淡化產(chǎn)業(yè)與發(fā)達國家相比還有一定差距，使用的能量回收裝置大多依賴進口。因此，加強海水淡化能量回收裝置的基礎研究并突破相關技術(shù)瓶頸，實現(xiàn)我國反滲透海水淡化技術(shù)的快速發(fā)展，是緩解我國淡水資源匱乏的戰(zhàn)略選擇，對于促進我國經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實價值和戰(zhàn)略意義。