柱塞式高壓泵能量回收一體一體的海水淡化裝置

柱塞式高壓泵能量回收一體一體的海水淡化裝置

1種反滲透海水淡化設(shè)備的開發(fā)中國擁有豐富的海洋和島基資源，是世界上最具潛力的國家之一。海洋養(yǎng)殖行業(yè)已在18.72萬艘海上漁船中捕魚。隨著海洋經(jīng)濟發(fā)展、海洋資源開發(fā)、海洋環(huán)境保護和海洋權(quán)益維護力度的提高和加強,對作為物質(zhì)基礎(chǔ)和支持條件的淡水資源的需求日益增長。國家發(fā)改委、國家海洋局聯(lián)合在2017年12月印發(fā)的《海島海水淡化工程實施方案》中指出,將力爭3～5年內(nèi)在遼寧、山東、青島、浙江、福建、海南等沿海省市推進100個左右海島的海水淡化工程建設(shè)及升級改造,并對海島海水淡化裝置提出了降低海水淡化能耗的要求。中小型反滲透海水淡化技術(shù)憑借其水質(zhì)安全、產(chǎn)水量穩(wěn)定、建造周期短、受時空和氣候條件的影響較小、組合類型多樣、方便運輸和操作簡單等特點,發(fā)展速度較快,是目前應(yīng)用和開發(fā)的熱點能量回收設(shè)備的作用是回收海水淡化系統(tǒng)排放高壓鹽水的壓力能,并對低壓海水進行加壓,以大幅降低反滲透海水淡化系統(tǒng)的運行能耗柱塞式高壓泵具有結(jié)構(gòu)緊湊、運行穩(wěn)定、流量調(diào)節(jié)簡單、運行效率高等特點,特別適用于中小型海水淡化裝置。文章基于柱塞式高壓泵,開發(fā)一種柱塞泵反轉(zhuǎn)做能量回收設(shè)備,并與柱塞式高壓泵集合在一起的一體機裝置,稱作柱塞式高壓泵能量回收一體機,簡稱一體機。此裝置功能上集高壓泵、能量回收設(shè)備、增壓泵和電機于一體,結(jié)構(gòu)緊湊,符合中小型海水淡化裝置的發(fā)展要求。文章首先從結(jié)構(gòu)、工作原理角度分析此裝置的運行可行性、特點優(yōu)勢和評價方法,其次通過專業(yè)測試平臺和耦合在海水淡化裝置中進行性能評價。22.1第二代壓壓泵和能量回收一體機一體機結(jié)構(gòu)上是由高壓泵1、能量回收設(shè)備2和電機4三個主要部分組成,如圖1所示,其中高壓泵和能量回收設(shè)備通過聯(lián)軸器3同軸連接。能量回收設(shè)備結(jié)構(gòu)組成與柱塞泵一致,但工作原理相反;能量回收設(shè)備是通過高壓濃水推動柱塞往復(fù)運動,利用斜盤轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動機械能,通過聯(lián)軸器傳遞到高壓泵側(cè),與電機共同給高壓泵提供動力為低壓海水加壓,實現(xiàn)能量的回收轉(zhuǎn)化。一體機的工作原理與第一代能量回收設(shè)備相同,通過“壓力能-機械能-壓力能”三步轉(zhuǎn)換過程,以降低高壓泵電機功率的方式實現(xiàn)海水淡化裝置運行能耗的下降。此種能量轉(zhuǎn)換方式將與能量回收設(shè)備匹配的增壓泵的壓力提升效果耦合到高壓泵中,使低壓海水直接加壓至海水淡化系統(tǒng)工作壓力,相比常規(guī)工藝省去了為能量回收裝置出口的高壓海水提供補償壓力的增壓泵,從總體效率核算角度來看,省去一臺電機,等同于提高了共用電機的機械效率,并且降低了設(shè)備投資成本50%以上,具有結(jié)構(gòu)緊湊、管路連接簡單的特點。根據(jù)反滲透海水淡化系統(tǒng)的工藝流程,一體機最優(yōu)工藝參數(shù)是其高壓濃水和高壓海水的流量比率與海水淡化裝置的產(chǎn)水率加和等于1,能量回收設(shè)備的流量根據(jù)耦合的淡化系統(tǒng)的產(chǎn)水率算得,在此基礎(chǔ)上設(shè)計裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù),以及計算電機的功率。2.2壓力和能量回收特性為對柱塞式高壓泵能量回收一體機進行性能評測,搭建專用測試平臺,仿真一體機在海水淡化系統(tǒng)中的運行工況條件,實驗平臺的工藝流程如圖2所示。低壓海水從水箱1通過低壓泵加壓后進入一體機的高壓泵,將壓力提升至5.5～6.5MPa,然后流入膜組件;透過膜組件的淡水匯流進入水箱2;未透過膜組件的是高壓濃水,流入一體機的能量回收側(cè)進行壓力能回收,回收完壓力能之后的泄壓濃水流入水箱2。其中膜組件由兩個截止閥代替,模擬其分流和阻力損失過程。在進出一體機的四條管路上分別設(shè)置壓力表和流量儀表,分別為Psi、Qsi、Pso、Qso、Pbi、Qbi以及Pbo、Qbo。通過指針讀數(shù)和數(shù)顯示器進行數(shù)據(jù)采集。測試工藝流程見圖2。測試介質(zhì)為海水,TDS為32000mg/L,水溫25℃,能量回收排放壓力<0.2MPa。圖3是一體機測試現(xiàn)場照片。3組一體機運行功率對比為更全面的了解一體機的性能參數(shù),將三種不同處理量規(guī)模的柱塞式高壓泵能量回收一體機安裝在上述實驗平臺中進行性能測試,運行數(shù)據(jù)見表1。結(jié)果表明,一體機運行性能穩(wěn)定,高壓泵出口壓力波動值小于0.1MPa,其中運行功率根據(jù)(GB/T32359-2015)產(chǎn)水能耗計算式得出。為評價一體機中能量回收設(shè)備的功效,引入計算功率,計算方法見等式(1),表示在沒有能量回收設(shè)備的情況下,達到同等的壓力提升效果電機所需的功率;根據(jù)測試裝置的出廠參數(shù),其泵效率η取90%,電機效率η1取87%;可以得出三臺一體機的運行功率都小于計算功率,表明能量回收過程起到作用,驗證了一體機原理和結(jié)構(gòu)的可行性。計算功率=(Pso-Psi)*100*Qsi*0.06*9.81*1.03/(3.6*η*η相比于無能量回收裝置的計算功率,三臺一體機運行功率降低比例分別是36.9%、33.5%和27.6%;隨著處理量的增大,能量回收設(shè)備節(jié)省的能耗比例越大,這與柱塞泵隨著處理量增大機械效率逐漸增高的特點一致。由于壓力損失及機械損失,三臺一體機運行功率降低比例也都小于高壓濃水與高壓海水的比例(見表1)。此測試結(jié)果側(cè)重驗證一體機的運行可行性、能量回收效果和連續(xù)運行穩(wěn)定性,數(shù)據(jù)采集的方式相對單一。4體化海水淡化裝置性能測試基于上述實驗平臺上的測試結(jié)果,為進一步驗證一體機在真實運行工況下的運行性能,將一體機耦合在中小型海水淡化系統(tǒng)中進行性能評測。淡化系統(tǒng)為反滲透處理工藝,設(shè)計處理量為50m為了對比一體機的運行性能,用同一套海水淡化裝置先后開展另一個性能測試方案,用柱塞式高壓泵替代一體機。此方案由于沒有能量回收裝置,高壓濃水經(jīng)過泄壓閥直接排放,高壓泵的額定流量與一體機中高壓泵額定流量保持一致,其它工藝參數(shù)都保持不變。為了對比更為直觀,選取進水電導(dǎo)和產(chǎn)水流量基本一致的兩組數(shù)據(jù),見表2。在測試過程中海水淡化裝置整體運行穩(wěn)定,表明一體機可以較好的匹配海水淡化裝置。一體機的運行功率是6310w,相比于計算功率11575w,降低了5265w,降低的比例是45.5%。一體機的計算功率與高壓泵的運行功率相差8.9%,高壓泵的計算功率與運行功率相差4.2%,這兩組數(shù)據(jù)也驗證了計算方法的合理性。經(jīng)過7×24小時的連續(xù)運行試驗,海水淡化系統(tǒng)運行參數(shù)保持穩(wěn)定,與不帶能量回收設(shè)備的淡化系統(tǒng)進行對比,操作過程和性能參數(shù)基本一致,但是能耗大幅降低。5u3000結(jié)論自主研發(fā)的柱塞式高壓泵能量回收一體機集四種裝置于一體,結(jié)構(gòu)緊湊,明顯簡化了系統(tǒng)布局,較好的解決了中小型海水淡化裝置無匹配能量回收設(shè)備的問題,大幅降低淡化產(chǎn)水能耗。通過在實驗平臺和耦合于海水淡化裝置中的測試結(jié)果表明,一體機性能穩(wěn)定,較好的適應(yīng)了海水淡化裝置的運行工況。柱塞式高壓泵能量回收一體機的應(yīng)用有利于中小型海水淡化裝置在艦船、海島、鉆井平臺上的推廣應(yīng)用,提供低成本的淡水資源供應(yīng)。為進一步評價一體機的運行性能,需繼續(xù)開展在中小型海水淡化系統(tǒng)