徐世昌，路乃元，王 越，宋代旺，劉 輝，王世昌

(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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072)

往復(fù)切換式閥控能量回收裝置變負(fù)荷運(yùn)行試驗(yàn)

徐世昌1,2，路乃元1,2，王 越1,2，宋代旺1,2，劉 輝1,2，王世昌1,2

(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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072)

能量回收裝置是反滲透海水淡化工程中最為重要的節(jié)能降耗設(shè)備．設(shè)計(jì)開發(fā)了一種新型往復(fù)切換式閥控能量回收裝置，對(duì)其在工業(yè)操作壓力條件下的變處理負(fù)荷運(yùn)行特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并分析了切換器的換位時(shí)間對(duì)裝置運(yùn)行穩(wěn)定性的影響規(guī)律．試驗(yàn)結(jié)果表明：在操作壓力6.0,MPa、處理負(fù)荷22～32,m3/h條件下，往復(fù)切換式閥控能量回收裝置運(yùn)行穩(wěn)定性良好，能量回收效率高達(dá)97.92%；切換器的換位時(shí)間對(duì)裝置壓力波動(dòng)時(shí)長及幅度有輕微的影響，對(duì)流量穩(wěn)定性幾乎無影響．

反滲透海水淡化；能量回收裝置；往復(fù)式切換器；運(yùn)行穩(wěn)定性

反滲透脫鹽技術(shù)是國內(nèi)外海水淡化工程中主流應(yīng)用技術(shù)之一．該技術(shù)在實(shí)施過程中，為克服反滲透膜組件內(nèi)的海水滲透壓及提高反滲透膜的分離效率，原料海水通常需利用高壓泵將其加壓至5.5～8.0,MPa的操作壓力范圍．高壓原料海水經(jīng)反滲透膜分離后，一部分作為淡化產(chǎn)品水供給用戶，另一部分被濃縮的海水則以高壓鹽水的形式被排出系統(tǒng)．由于高壓鹽水不但具有較高的剩余水壓(＞5.0,MPa)，并且占據(jù)了高達(dá)55%～60%的膜系統(tǒng)給水負(fù)荷，因此高效回收利用高壓鹽水中的壓力能，對(duì)于大幅降低反滲透海水淡化工程運(yùn)行成本和產(chǎn)水能耗至關(guān)重要[1-3]．

采用能量回收裝置高效回收利用高壓鹽水中的余壓能已成為海水淡化工程領(lǐng)域節(jié)能降耗的主要技術(shù)手段．能量回收裝置按照工作原理的不同，可分為水力透平式[4-5]和正位移式[6-7]兩種產(chǎn)品類型．正位移式能量回收裝置采用高壓鹽水直接增壓原料海水的壓力能傳遞方式，較水力透平式的“壓力能-軸功-壓力能”兩步轉(zhuǎn)換具有更高的能量轉(zhuǎn)換效率(90%～95%)，成為國內(nèi)外研究開發(fā)和市場(chǎng)推廣的重點(diǎn)產(chǎn)品[8-11]．

閥控能量回收裝置作為正位移式能量回收裝置主流型式之一，國外已有多款產(chǎn)品(如DWEER型[12]和SalTec DT型[13])實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用或正在進(jìn)行商業(yè)化推廣．這些產(chǎn)品在技術(shù)上均采用較嚴(yán)格的微間隙動(dòng)配合的方式，實(shí)現(xiàn)能量回收裝置換向閥(切換器)中高壓鹽水與泄壓鹽水間的有效隔離及循環(huán)進(jìn)流切換．該結(jié)構(gòu)型式一方面會(huì)增加設(shè)備加工制造難度和成本；另一方面微小的動(dòng)配合間隙對(duì)海水水質(zhì)要求較高，一旦有雜質(zhì)進(jìn)入，將使得換向閥受損或卡死，影響裝置的使用壽命及工程運(yùn)行安全．

筆者針對(duì)現(xiàn)有能量回收裝置產(chǎn)品存在的不足，設(shè)計(jì)開發(fā)了一種全新的往復(fù)切換式閥控能量回收裝置，該裝置采用結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單的往復(fù)運(yùn)動(dòng)端面密封方式，無需苛刻的配合間隙及給水水質(zhì)要求，可普遍適用于反滲透海水淡化及納濾水軟化工程．

1 裝置基本構(gòu)成及工作原理

圖1為往復(fù)切換式閥控能量回收裝置(fluidswitcher energy recovery device，F(xiàn)S-ERD)的基本構(gòu)成，主要包括往復(fù)式切換器(換向閥)、水壓缸(DN150×6,000,mm)及止回閥組(DN65)3部分．往復(fù)式切換器是閥控能量回收裝置的主動(dòng)控制部件，其通過同軸連接的4塊閥板與閥體間的平面密封作用實(shí)現(xiàn)高壓鹽水與泄壓鹽水的規(guī)律性輸入輸出與流向切換[14]．水壓缸主要用來提供高壓鹽水與原料海水進(jìn)行壓力交換的場(chǎng)所，也是影響裝置壓力交換穩(wěn)定性及運(yùn)行周期的主要因素．止回閥組是該裝置的從動(dòng)控制部件，將配合往復(fù)式切換器引導(dǎo)低壓海水與增壓海水單向進(jìn)入與排出水壓缸．

圖1 往復(fù)切換式閥控能量回收裝置基本構(gòu)成Fig.1 Basic components of FS-ERD

往復(fù)切換式閥控能量回收裝置工作過程中包括增壓沖程和泄壓沖程2個(gè)環(huán)節(jié)．當(dāng)切換器處于前進(jìn)工作位時(shí)，經(jīng)膜組件分離后的高壓鹽水通過切換器上的高壓鹽水進(jìn)口及流通孔2進(jìn)入2號(hào)水壓缸，推動(dòng)水壓缸內(nèi)的活塞向止回閥組端運(yùn)動(dòng)并對(duì)低壓海水做功，增壓后的海水由止回閥組排出，此為增壓沖程；與此同時(shí)，低壓海水通過止回閥組進(jìn)入1號(hào)水壓缸，推動(dòng)水壓缸內(nèi)的活塞向切換器端運(yùn)動(dòng)并將泄壓鹽水排出，此為泄壓沖程．當(dāng)1號(hào)、2號(hào)水壓缸中的泄壓和增壓沖程結(jié)束后，切換器在油缸的驅(qū)動(dòng)下切換至后退工作位，此后1號(hào)水壓缸內(nèi)進(jìn)行增壓沖程，2號(hào)水壓缸內(nèi)則進(jìn)行泄壓沖程．需要指出的是1號(hào)水壓缸與2號(hào)水壓缸的增壓沖程在交替切換過程中，需保持時(shí)間上的連續(xù)性，即當(dāng)其中一只水壓缸的增壓沖程未完全結(jié)束時(shí)另一只水壓缸中的增壓沖程已經(jīng)開始，如此實(shí)現(xiàn)能量回收裝置壓力交換過程的連續(xù)性．

圖2給出了閥控能量回收裝置與反滲透海水(seawater reverse osmosis，SWRO)淡化工程的耦合工藝．圖中，通過閥控能量回收裝置獲得能量提升的增壓海水，在其與高壓泵出水匯合并進(jìn)入反滲透膜組件之前，還需經(jīng)過增壓泵的進(jìn)一步加壓(約0.2～0.5,MPa)，以彌補(bǔ)高壓鹽水在流經(jīng)反滲透膜組件及進(jìn)行壓力交換過程中的少量壓頭損失．依照?qǐng)D2中的工藝流程，筆者建立了反滲透海水淡化仿真試驗(yàn)平臺(tái)(見圖3)，利用截止閥來模擬海水淡化工程中反滲透膜組件的壓力損失，并使用自來水代替海水作為測(cè)試介質(zhì)．本文重點(diǎn)考察了設(shè)計(jì)負(fù)荷為30,m3/h的往復(fù)切換式閥控能量回收裝置，在變負(fù)荷及變換位時(shí)間工況下的運(yùn)行特性和效率．

圖2 閥控能量回收裝置與反滲透工程耦合工藝Fig.2 Flow diagram of the SWRO-ERD system

圖3 往復(fù)切換式閥控能量回收裝置試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)Fig.3 Field test of the FS-ERD

2 變處理負(fù)荷時(shí)裝置的運(yùn)行特性

試驗(yàn)研究了操作壓力6.0,MPa、切換器的換位時(shí)間為1.2,s時(shí)，不同處理負(fù)荷對(duì)往復(fù)切換式閥控能量回收裝置流體力學(xué)特性的影響規(guī)律，并分析評(píng)價(jià)了裝置的能量回收效率．

2.1 處理負(fù)荷為32,m3/h

圖4(a)為裝置處理負(fù)荷32,m3/h時(shí)，進(jìn)入能量回收裝置的高壓鹽水流量Qbi及壓力pbi隨時(shí)間的變化曲線．圖中高壓鹽水流量曲線基本為一條水平直線，而該直線事實(shí)上由2只水壓缸中交替進(jìn)行的增壓過程疊加而成，說明該能量回收裝置運(yùn)行及換位過程具有很好的穩(wěn)定性．圖中高壓鹽水的壓力曲線總體保持在6.0,MPa的穩(wěn)定水平，但存在輕微周期性向下波動(dòng)的規(guī)律．該波動(dòng)是由于切換器在1.2,s的換位時(shí)間內(nèi)高壓鹽水總流量雖保持恒定，但存在瞬間同時(shí)增壓2只水壓缸的現(xiàn)象所致．這種輕微的壓力波動(dòng)對(duì)裝置的整體運(yùn)行穩(wěn)定性影響較?。?/p>

圖4 處理負(fù)荷為32,m3/h時(shí)能量回收裝置流量和壓力變化曲線Fig.4 Flow rate and pressure variations of the FS-ERD under the capacity of 32,m3/h

圖4 (b)為增壓海水流量Qso及壓力pso隨時(shí)間的變化曲線．由于高壓鹽水是加壓增壓海水并將其排出水壓缸的唯一動(dòng)力源，因此增壓海水的流量和壓力與圖4(a)中高壓鹽水的曲線總體上保持一致，顯示出較好的同步變化規(guī)律．往復(fù)切換式閥控能量回收裝置與本課題組之前開發(fā)的旋轉(zhuǎn)式閥控能量回收裝置[15]相比，高壓鹽水及增壓海水的流量和壓力曲線的穩(wěn)定性得到了顯著的提高．

2.2 處理負(fù)荷為27,m3/h

圖5為裝置處理負(fù)荷27,m3/h時(shí)，高壓鹽水及增壓海水的流量和壓力隨時(shí)間的變化曲線．如圖5所示，高壓鹽水、增壓海水流量及壓力波動(dòng)曲線與裝置處理負(fù)荷32,m3/h的工況在宏觀上保持了一致性，即兩股高壓流體的流量整體上呈水平直線變化趨勢(shì)，而相應(yīng)的壓力則在裝置前進(jìn)與后退工作位轉(zhuǎn)換的瞬間存在輕微的向下波動(dòng)的規(guī)律．所不同的是，當(dāng)裝置處理負(fù)荷由32,m3/h降低到27,m3/h時(shí)，進(jìn)出能量回收裝置的高壓鹽水及增壓海水的壓力波動(dòng)頻率略有降低．這是由于裝置處理負(fù)荷減小后，水壓缸內(nèi)活塞的運(yùn)動(dòng)速率相應(yīng)降低，從而延長了裝置的工作周期．

圖5 處理負(fù)荷為27,m3/h時(shí)能量回收裝置流量和壓力變化曲線Fig.5Flow rate and pressure variations of the FS-ERD under the capacity of 27,m3/h

2.3 處理負(fù)荷為22,m3/h

圖6為裝置處理負(fù)荷22,m3/h時(shí)，高壓鹽水與增壓海水的流量及壓力變化特性．與圖4和圖5相比，盡管裝置的處理負(fù)荷有較大程度的降低，但裝置的運(yùn)行特性規(guī)律完全相同．這一方面說明筆者研制的閥控能量回收裝置具有較好的運(yùn)行穩(wěn)定性，另一方面也證明該裝置具有較大的負(fù)荷操作彈性，對(duì)反滲透海水淡化工程產(chǎn)能調(diào)節(jié)運(yùn)行需求也具有很好的適應(yīng)性.

圖6 處理負(fù)荷為22,m3/h時(shí)能量回收裝置流量和壓力變化曲線Fig.6 Flow rate and pressure variations of the FS-ERD under the capacity of 22,m3/h

能量回收裝置效率的計(jì)算式[16]為

式中：Qsi、psi及Qso、pso分別代表原料海水和增壓海水的流量(m3/h)及壓力(MPa)；Qbi、pbi及Qbo、pbo分別代表高壓鹽水和泄壓鹽水的流量(m3/h)及壓力(MPa)．

按照式(1)，本文對(duì)往復(fù)切換式閥控能量回收裝置在穩(wěn)定運(yùn)行工況下的能量回收效率進(jìn)行了評(píng)價(jià)分析．結(jié)果表明，裝置在操作壓力6.0,MPa及變處理負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，平均效率高達(dá)97.92%，達(dá)到或超過國外產(chǎn)品技術(shù)水平[17]，具有很好的工程應(yīng)用價(jià)值．

3 變換位時(shí)間時(shí)裝置的運(yùn)行特性

由本文第2節(jié)的討論分析可知，無論是高壓鹽水還是增壓海水的壓力曲線，在閥控能量回收裝置工作位轉(zhuǎn)換的瞬間，均存在輕微周期性向下波動(dòng)的規(guī)律，且波動(dòng)時(shí)長及波動(dòng)幅度均與切換器的換位時(shí)間有關(guān).基于此，本節(jié)重點(diǎn)考察了操作壓力6.0,MPa、處理負(fù)荷為25,m3/h時(shí)，換位時(shí)間(1.2,s、1.4,s及1.6,s)對(duì)裝置運(yùn)行特性的影響規(guī)律．

圖7 給出了處理負(fù)荷為25,m3/h及切換器的換位時(shí)間為1.2,s時(shí)，閥控能量回收裝置切換器換位時(shí)間與壓力波動(dòng)時(shí)長的對(duì)應(yīng)關(guān)系．圖中兩股流體的壓力曲線基本穩(wěn)定在6.0,MPa，在切換器換位時(shí)所出現(xiàn)的瞬間周期性壓力波動(dòng)的時(shí)長(圖中所示“t”)正好與裝置的換位時(shí)間相一致．當(dāng)裝置的換位時(shí)間分別為1.4,s和1.6,s時(shí)，得到了與1.2,s時(shí)相同的變化規(guī)律．說明流體壓力波動(dòng)的時(shí)長主要取決于切換器的換位時(shí)間大小．

圖7 切換器換位時(shí)間與壓力波動(dòng)時(shí)長的對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.7Relevant relations between the switching time and the duration of pressure fluctuations

表1給出了3種不同換位時(shí)間時(shí)，進(jìn)出閥控能量回收裝置的高壓鹽水及增壓海水壓力的最大波幅.結(jié)果表明：當(dāng)切換器換位時(shí)間一定時(shí)，高壓鹽水與增壓海水的最大波動(dòng)幅度基本一致；而當(dāng)切換器的換位時(shí)間增加時(shí)，所對(duì)應(yīng)的高壓鹽水及增壓海水的最大壓力波動(dòng)幅度也呈增大趨勢(shì)，但幅度較?。谏鲜龇治觯鶑?fù)切換式閥控能量回收裝置的換位時(shí)間應(yīng)盡可能控制在較短的時(shí)間內(nèi)，以降低換位過程對(duì)裝置運(yùn)行穩(wěn)定性的影響

表1 換位時(shí)間與壓力波動(dòng)幅度的關(guān)系Tab.1Relations between the switching time and the amplitude of pressure fluctuations

4 結(jié) 論

(1) 設(shè)計(jì)開發(fā)了一種新型的往復(fù)切換式閥控能量回收裝置，通過前進(jìn)工作位與后退工作位之間的交替切換，實(shí)現(xiàn)壓力交換過程的連續(xù)性和穩(wěn)定性．

(2) 對(duì)閥控能量回收裝置在較大負(fù)荷變化條件下的運(yùn)行特性進(jìn)行了考察，得到基本相同的裝置特性規(guī)律和高達(dá)97.92%的能量回收效率，說明該類型裝置具有較好的負(fù)荷操作彈性和綜合效能．

(3) 分析比較了切換器不同換位時(shí)間時(shí)閥控能量回收裝置流體壓力的波動(dòng)特性，表明換位時(shí)間對(duì)壓力波動(dòng)時(shí)長及波動(dòng)幅度都有直接的影響．

［1］ Malaeb L，Ayoub G M. Reverse osmosis technology for water treatment：State of the art review[J]. Desalination，2011，267(1)：1-8.

［2］ Farooque A M ，Jamaluddin A T M，Al-Reweli A R，et al. Parametric analyses of energy consumption and losses in SWCC SWRO plants utilizing energy recovery devices[J]. Desalination，2008，219(1)：137-159.

［3］ Pe?ate B，García-Rodríguez L. Energy optimisation of existing SWRO(seawater reverse osmosis)plants with ERT(energy recovery turbines)：Technical and thermoeconomic assessment [J]. Energy，2011，36(1)：613-626.

［4］ Manth T，Gabor M，Oklejas E. Minimizing RO energy consumption under variable conditions of operation[J]. Desalination，2003，157(1)：9-21.

［5］ Pe?ate B，F(xiàn)uente J A de la，Barreto M. Operation of the RO Kinetic energy recovery system：Description and real experiences [J]. Desalination，2010，252(1)：179-185.

［6］ 陳艷艷，王 越，王照成，等. 海水淡化能量回收裝置用分腔式切換器研究[J]. 化工進(jìn)展，2012，31(10)：2162-2166.

Chen Yanyan，Wang Yue，Wang Zhaocheng，et al. Experimental study on separate-chamber type fluid switcher of energy recovery device for SWRO[J]. Chemical Industry and Engineering Progress，2012，31(10)：2162-2166(in Chinese).

［7］ Wang Xiaopeng，Wang Yue，Wang Jianping，et al. Comparative study on stand-alone and parallel operating schemes of energy recovery device for SWRO system [J]. Desalination，2010，254(1)：170-174.

［8］ Sun Jiaxi，Wang Yue，Xu Shichang，et al. Energy recovery device with a fluid switcher for seawater reverse osmosis system[J]. Chinese Journal of Chemical Engineering，2008，16(2)：329-332.

［9］ Stover R L，Martin J. Reverse osmosis and osmotic power generation with isobaric energy recovery[J]. Desalination and Water Treatment，2010，15(1/2/3)：267-270.

［10］ Al-Hawaj O M. The design aspects of rotary work exchanger for SWRO[J]. Desalination and Water Treatment，2009，8(1/2/3)：131-138.

［11］ Mei C C，Liu Y H，Law A W K. Theory of isobaric pressure exchanger for desalination[J]. Desalination and Water Treatment，2012，39(1/2/3)：112-122.

［12］ Schneider B. Selection，operation and control of a work exchanger energy recovery system based on the Singapore project[J]. Desalination，2005，184 (1/2/3)：197-210.

［13］ Bross S，Kochanowski W. SWRO core hydraulic module—The right concept decides in terms of energy consumption and reliability (PartⅡ)：Advanced pressure exchanger design[J]. Desalination，2004，165：351-361.

［14］ 王 越，宋代旺，路乃元，等. 往復(fù)運(yùn)動(dòng)滑塊軸向密封流體壓力切換器：中國，201110268610.6[P]. 2012-11-06.

Wang Yue，Song Daiwang，Lu Naiyuan，et al. Axially-Sealed Fluid Pressure Switcher with Reciprocating Sliders：CN，201110268610.6[P]. 2012-11-06(in Chinese).

［15］ Wang Zhaocheng，Wang Yue，Zhang Yanping，et al. Pilot tests of fluid-switcher energy recovery device for seawater reverse-osmosis desalination system[J]. Desalination and Water Treatment，2012，48(1/2/3)：310-314.

［16］ Sun Jiaxi，Wang Yue，Xu Shichang，et al. Performance prediction of hydraulic energy recovery (HER)device with novel mechanics for small-scale SWRO desalination system [J]. Desalination，2009，249(2)：667-671.

［17］ Bross S，Kochanowski W. SWRO core hydraulic system：Extension of the SalTec DT to higher flows and lower energy consumption[J]. Desalination，2007，203(1)：160-167.

（責(zé)任編輯：田 軍）

Performance Tests on Reciprocating Fluid-Switcher Energy Recovery Device Under Variable Operating Capacities

Xu Shichang1,2，Lu Naiyuan1,2，Wang Yue1,2，Song Daiwang1,2，Liu Hui1,2，Wang Shichang1,2
(1. School of Chemical Engineering and Technology，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2. Tianjin Key Laboratory of Membrane Science and Desalination Technology，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

Energy recovery device(ERD)is of great importance in reducing the power consumption in seawater reverse osmosis(SWRO)desalination process. In this article，an innovative type of reciprocating fluid-switcher energy recovery device(FS-ERD)was introduced and developed. Performances of the FS-ERD under variable operating capacities and fixed working pressure were experimentally tested and evaluated. Also，effects of the device’s switching time on the operating stability were analyzed. Results show that the developed device presents good operational stability，with a favourable energy transfer efficiency of about 97.92% at the operating pressure of 6.0,MPa and under the capacity ranging from 22,m3/h to 32,m3/h. Besides，effects of the device’s switching time on the duration and amplitude of pressure fluctuations were detected but slight，while its effects on the flow rate can be ignored.

seawater reverse osmosis desalination；energy recovery device(ERD)；reciprocating fluid-switcher；operational stability

TQ051

A

0493-2137(2014)07-0630-05

10.11784/tdxbz201301031

2013-01-15；

2013-04-16.

天津市科技支撐計(jì)劃重點(diǎn)資助項(xiàng)目(10ZCKFSH02100)；天津市科技興海計(jì)劃資助項(xiàng)目(KJXH2012-03).

徐世昌（1966— ），男，副研究員，xushichang@sina.com.

王 越，tdwy75@tju.edu.cn.