邱冠華，劉思晗，宋代旺，汪程鵬，王海濤，趙如娟，黃云飛，王生輝

(自然資源部 天津海水淡化與綜合利用研究所，天津 300192)

1 前言

反滲透海水淡化技術(shù)近年來發(fā)展迅速。降低反滲透海水淡化系統(tǒng)的能耗是國際上研究人員關(guān)注的重要問題[1]，其方法包括應(yīng)用能量回收技術(shù) 、提高膜性能、簡化預(yù)處理過程等。其中，能量回收技術(shù)可降低反滲透系統(tǒng)能耗40%以上，是最有效的降低能耗的方法[2]。

現(xiàn)有反滲透系統(tǒng)中主要使用兩種類型的能量回收裝置：功交換式與渦輪式。功交換式能量回收裝置主要有兩種，一種是通過閥門和活塞來實(shí)現(xiàn)其壓力交換；另一種是通過高速旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子來實(shí)現(xiàn)壓力交換。功交換式裝置擁有高達(dá)98%的能量轉(zhuǎn)換效率和平穩(wěn)的性能曲線，但面對較高的回收率需求，功交換式效果欠佳[3]，且由于體積較大且維護(hù)要求高，因此它們不適用于小型反滲透海水淡化系統(tǒng)。另一類渦輪式能量回收裝置包含同軸連接的水力渦輪及高壓泵，靠渦輪回收余壓能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，然后再將機(jī)械能作用于高壓泵端轉(zhuǎn)換為原水液壓能，進(jìn)而達(dá)到節(jié)能的目的。典型產(chǎn)品諸如PEI公司開發(fā)的Hydraulic Turbo Charger[3]。渦輪式能量回收裝置的能量轉(zhuǎn)換效率可達(dá)60%～80%[4]，且流量越大，效率越高，所以渦輪式能量回收裝置通常用于中大規(guī)模的反滲透海水淡化。

小型反滲透海水淡化系統(tǒng)(產(chǎn)水量低于10 m3/d)為降低設(shè)備成本，通常不配備能量回收裝置，導(dǎo)致噸水能耗達(dá)10 kW·h/m3[5-6]。文章所述的自增壓式泵與能量回收一體機(jī)，采用壓力交換機(jī)制將低壓海水加壓至反滲透操作壓力，同時(shí)具備高壓泵及能量回收功能，可大幅降低海水淡化能耗與設(shè)備成本。

1 自增壓式泵與能量回收一體機(jī)應(yīng)用工藝及工作原理

1.1 反滲透系統(tǒng)工藝流程

帶自增壓式泵與能量回收一體機(jī)的反滲透海水淡化系統(tǒng)最基礎(chǔ)的工藝流程如圖1。主要包括低壓泵、自增壓式泵與能量回收一體機(jī)和反滲透膜。低壓泵將海水增壓至4×105Pa～8×105Pa，然后自增壓式泵與能量回收一體機(jī)將低壓海水提升至反滲透工作壓力。該系統(tǒng)簡單，不需要傳統(tǒng)反滲透海水淡化系統(tǒng)中獨(dú)立設(shè)置高壓泵，只需要一個(gè)低壓泵提供初始動(dòng)力即可。

圖1 帶自增壓式一體機(jī)的反滲透海水淡化工藝流程Fig.1 Reverse osmosis seawater desalination process with self-pressurizing integrated machine

自增壓式泵與能量回收一體機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制如圖2。自增壓式泵與能量回收一體機(jī)的主體由2個(gè)活塞、2個(gè)活塞缸和一個(gè)活塞連桿組成。低壓原水和高壓濃水對活塞施加作用力，推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)，并對高壓原水加壓，排出低壓濃水。當(dāng)活塞移動(dòng)到終點(diǎn)時(shí)，通過換向閥換向，活塞繼續(xù)向相反方向移動(dòng)。

圖2自增壓式一體機(jī)工作原理自增壓式泵與能量回收一體機(jī)中的四部分水如圖3。Q代表流量，P代表壓力。f、e、c、h、p分別代表低壓原水、低壓濃海水、高壓濃海水、高壓原水和產(chǎn)水。

圖2 自增壓式泵與能量回收一體機(jī)原理Fig.2 Principle of self-pressurizing pump and energy recovery integrated machine

圖3 自增壓式一體機(jī)示意圖Fig.3 Schematic diagram of self-pressurizing integrated machine

兩個(gè)活塞由連桿連接，活塞的速度應(yīng)一致，即：

(1)

其中，Ap是活塞的面積，Ar是活塞桿的截面積。

在反滲透海水淡化系統(tǒng)中，理論回收率Rt：

(2)

根據(jù)流量關(guān)系得出：

Qp=RtQf=RtQh=Qf-Qc

(3)

結(jié)合等式(1)(2)(3)得出：

(4)

當(dāng)活塞運(yùn)動(dòng)時(shí)，速度是恒定的。 因此，將作用在活塞上的力相加得出：

∑f=PfAp-Pe(Ap-Ar)+Pc(Ap-Ar)-PhAp=0

(5)

Pf+Pc(1-Rt)=Pe(1-Rt)+Ph

(6)

一體機(jī)工作工程中會(huì)有部分壓力損失，因此考慮壓力損失并重新整理等式(6)得出：

Pf=Ph+(1-Rt)(Pe-Pc)+PL

(7)

其中，PL是總壓力損失。

有效能量轉(zhuǎn)移效率定義為：

(8)

效率定義為有效輸出功率與總輸入功率之比。

2 自增壓一體機(jī)試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)平臺

自增壓式泵與能量回收一體機(jī)性能測試流程如圖4。整個(gè)測試平臺由水箱、增壓泵、過濾器、高壓泵、壓力容器、減壓閥、自增壓式泵與能量回收一體機(jī)、壓力變送器和流量計(jì)組成。試驗(yàn)水溫為25 ℃。

圖4 自增壓式一體機(jī)測試平臺工藝圖Fig.4 Process diagram of self-pressurizing integrated machine test platform

水箱中的水先經(jīng)增壓泵加壓，再經(jīng)預(yù)處理過濾器。一部分低壓原水由高壓泵加壓至反滲透工作壓力。另一部分低壓原水進(jìn)入自增壓式泵與能量回收一體機(jī)，經(jīng)過增壓成為高壓原水。兩部分高壓原水進(jìn)入壓力容器后混合，一部分高壓原水通過減壓閥減壓以模擬產(chǎn)水，排回水箱。另一部分高壓水通過另一個(gè)減壓閥減1×105Pa壓力，用于模擬隨后進(jìn)入自增壓式泵與能量回收一體機(jī)的高壓濃鹽水，并經(jīng)過能量交換后變成低壓濃水排入水箱。

壓力變送器精度為±0.1%，流量計(jì)精度為±0.5%。

2.2 自增壓式泵與能量回收一體機(jī)參數(shù)

文中自增壓式泵與能量回收一體機(jī)的參數(shù)為：

活塞直徑70 mm；活塞桿直徑19.05 mm；回收率7.4%，活塞缸長度200 mm，活塞寬度30 mm。

2.3 測試步驟

自增壓式泵與能量回收一體機(jī)在以下15個(gè)測試點(diǎn)進(jìn)行了測試：

進(jìn)水流量：4 m3/d、8 m3/d、12 m3/d、16 m3/d、20 m3/d。高壓原水壓力：4.5×106Pa、5.5×106Pa、6.5×106Pa。 通過調(diào)節(jié)減壓閥將壓力差(高壓原水和高壓濃水之間的壓差)設(shè)置為105Pa。

每次調(diào)整后，在自增壓式泵與能量回收一體機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)記錄數(shù)據(jù)，每次記錄持續(xù)5 min。數(shù)據(jù)在測試期間取平均值。

3 結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 自增壓式泵與能量回收一體機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.1 Test data of self-pressurizing pump and energy recovery integrated machine

表1測試結(jié)果表明自增壓式泵與能量回收一體機(jī)具有高壓泵功能，可將低壓原水從5×105Pa～8×105Pa加壓到4.5×106Pa～6.5×106Pa。 而且自增壓式泵與能量回收一體機(jī)的有效能量轉(zhuǎn)換效率在很寬的流量和壓力范圍內(nèi)效率都非常出色(超過92%)。 如此出色的效率，將帶來良好的能耗表現(xiàn)。

3.2 壓力損失

設(shè)備運(yùn)行時(shí)不可避免地會(huì)產(chǎn)生壓力損失，如管道中流體的流動(dòng)阻力和止回閥塊的流動(dòng)阻力。流量越大，流阻損失越大。

可以通過等式(7)計(jì)算壓力損失。該機(jī)的理論回收率為Rt=0.074?？杉俣ǖ蛪簼恹}水壓力Pe為0.1×105Pa，這在反滲透海水淡化系統(tǒng)中很常見。

則壓力損失與原水流量的平方的關(guān)系如圖5。

圖5 壓力損失與原水流量平方的關(guān)系Fig.5 Relationship between pressure loss and square of raw water flow

從圖5中可以看出，壓力損失與進(jìn)水流量的平方成正相關(guān)，這主要是由于水的流動(dòng)阻力與流量和流量的平方成正比比例關(guān)系。

3.3 效率

效率由等式(8)計(jì)算。由于自增壓式泵與能量回收一體機(jī)有活塞密封設(shè)計(jì)，沒有原水和濃鹽水的混合問題。 因此，可以假設(shè)Qh=Qf和Qc=Qe。

高壓原水的壓力與一體機(jī)效率的關(guān)系如圖6。

圖6 自增壓式一體機(jī)的效率與高壓原水壓力的關(guān)系Fig.6 Relationship between efficiency of self-pressurizing integrated machine and high pressure raw water pressure

可以看出，當(dāng)原水流量一定時(shí)，效率隨著高壓原水壓力的增加而增加。

結(jié)合等式 (3)、(7) 和 (8) 得出：

(9)

當(dāng)流量一定時(shí)，壓力損失不隨高壓原水的壓力而變化，可視為一個(gè)常數(shù)。Rt和Pe也是常數(shù)。因此，由式(10)可知，當(dāng)原水流量恒定時(shí)，效率隨著高壓原水壓力Ph的增加而增加，但增加幅度逐漸減小。

(10)

自增壓式泵與能量回收一體機(jī)有效能量轉(zhuǎn)換效率與原水流量之間的關(guān)系如圖7。

圖7 自增壓式一體機(jī)的效率與原水流量的關(guān)系Fig.7 Relationship between the effect of self-pressurizing integrated machine and raw water flow

如3.2所述，壓力損失隨著原水流量的增加而增加。由式(10)可知，當(dāng)高壓原水的壓力一定時(shí)，效率隨著壓力損失的增加而降低。因此，當(dāng)高壓原水的壓力一定時(shí)，效率會(huì)隨著原水流量的增加而降低。

4 結(jié)論

文章對適用于小型反滲透海水淡化的自增壓式泵與能量回收一體機(jī)進(jìn)行了理論與試驗(yàn)研究。配備該自增壓式泵與能量回收一體機(jī)的小型反滲透海水淡化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)比常規(guī)系統(tǒng)更加簡單。該系統(tǒng)不需要配備傳統(tǒng)的高壓泵，并表現(xiàn)出非常高的效率，可大大降低設(shè)備成本和運(yùn)行成本。理論分析和試驗(yàn)研究表明，壓力損失與原水流量的平方成正比例關(guān)系。有效能量轉(zhuǎn)換效率隨著高壓原水壓力的增加而增加，隨著原水流量的增加而降低。因此，在設(shè)計(jì)配備自增壓式泵與能量回收一體機(jī)的小型反滲透海水淡化系統(tǒng)時(shí)，設(shè)計(jì)者應(yīng)盡量使自增壓式泵與能量回收一體機(jī)處于較低流量和較高工作壓力的工況下。但是，也沒有必要一昧追求最低的流量和最高的壓力，因?yàn)樽栽鰤菏奖门c能量回收一體機(jī)的有效能量轉(zhuǎn)換效率可以在很寬的流量和壓力范圍內(nèi)保持在92%以上，性能表現(xiàn)非常優(yōu)異。