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(guó)擁有豐富的海洋和島基資源，是世界上最具潛力的國(guó)家之一。海洋養(yǎng)殖行業(yè)已在18.72萬(wàn)艘海上漁船中捕魚。隨著海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展、海洋資源開發(fā)、海洋環(huán)境保護(hù)和海洋權(quán)益維護(hù)力度的提高和加強(qiáng),對(duì)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(zhǎng)。國(guó)家發(fā)改委、國(guó)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(shí)施方案》中指出,將力爭(zhēng)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(jìn)100個(gè)左右海島的海水淡化工程建設(shè)及升級(jí)改造,并對(duì)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(shí)空和氣候條件的影響較小、組合類型多樣、方便運(yùn)輸和操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn),發(fā)展速度較快,是目前應(yīng)用和開發(fā)的熱點(diǎn)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(duì)低壓海水進(jìn)行加壓,以大幅降低反滲透海水淡化系統(tǒng)的運(yùn)行能耗柱塞式高壓泵具有結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)行穩(wěn)定、流量調(diào)節(jié)簡(jiǎn)單、運(yùn)行效率高等特點(diǎn),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(jī)裝置,稱作柱塞式高壓泵能量回收一體機(jī),簡(jiǎn)稱一體機(jī)。此裝置功能上集高壓泵、能量回收設(shè)備、增壓泵和電機(jī)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(yùn)行可行性、特點(diǎn)優(yōu)勢(shì)和評(píng)價(jià)方法,其次通過(guò)專業(yè)測(cè)試平臺(tái)和耦合在海水淡化裝置中進(jìn)行性能評(píng)價(jià)。22.1第二代壓壓泵和能量回收一體機(jī)一體機(jī)結(jié)構(gòu)上是由高壓泵1、能量回收設(shè)備2和電機(jī)4三個(gè)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(guò)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(guò)高壓濃水推動(dòng)柱塞往復(fù)運(yùn)動(dòng),利用斜盤轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械能,通過(guò)聯(lián)軸器傳遞到高壓泵側(cè),與電機(jī)共同給高壓泵提供動(dòng)力為低壓海水加壓,實(shí)現(xiàn)能量的回收轉(zhuǎn)化。一體機(jī)的工作原理與第一代能量回收設(shè)備相同,通過(guò)“壓力能-機(jī)械能-壓力能”三步轉(zhuǎn)換過(guò)程,以降低高壓泵電機(jī)功率的方式實(shí)現(xiàn)海水淡化裝置運(yùn)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(bǔ)償壓力的增壓泵,從總體效率核算角度來(lái)看,省去一臺(tái)電機(jī),等同于提高了共用電機(jī)的機(jī)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(jiǎn)單的特點(diǎn)。根據(jù)反滲透海水淡化系統(tǒng)的工藝流程,一體機(jī)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(jì)裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù),以及計(jì)算電機(jī)的功率。2.2壓力和能量回收特性為對(duì)柱塞式高壓泵能量回收一體機(jī)進(jìn)行性能評(píng)測(cè),搭建專用測(cè)試平臺(tái),仿真一體機(jī)在海水淡化系統(tǒng)中的運(yùn)行工況條件,實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的工藝流程如圖2所示。低壓海水從水箱1通過(guò)低壓泵加壓后進(jìn)入一體機(jī)的高壓泵,將壓力提升至5.5～6.5MPa,然后流入膜組件;透過(guò)膜組件的淡水匯流進(jìn)入水箱2;未透過(guò)膜組件的是高壓濃水,流入一體機(jī)的能量回收側(cè)進(jìn)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(gè)截止閥代替,模擬其分流和阻力損失過(guò)程。在進(jìn)出一體機(jī)的四條管路上分別設(shè)置壓力表和流量?jī)x表,分別為Psi、Qsi、Pso、Qso、Pbi、Qbi以及Pbo、Qbo。通過(guò)指針讀數(shù)和數(shù)顯示器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。測(cè)試工藝流程見圖2。測(cè)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(jī)測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)照片。3組一體機(jī)運(yùn)行功率對(duì)比為更全面的了解一體機(jī)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(jī)安裝在上述實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中進(jìn)行性能測(cè)試,運(yùn)行數(shù)據(jù)見表1。結(jié)果表明,一體機(jī)運(yùn)行性能穩(wěn)定,高壓泵出口壓力波動(dòng)值小于0.1MPa,其中運(yùn)行功率根據(jù)(GB/T32359-2015)產(chǎn)水能耗計(jì)算式得出。為評(píng)價(jià)一體機(jī)中能量回收設(shè)備的功效,引入計(jì)算功率,計(jì)算方法見等式(1),表示在沒有能量回收設(shè)備的情況下,達(dá)到同等的壓力提升效果電機(jī)所需的功率;根據(jù)測(cè)試裝置的出廠參數(shù),其泵效率η取90%,電機(jī)效率η1取87%;可以得出三臺(tái)一體機(jī)的運(yùn)行功率都小于計(jì)算功率,表明能量回收過(guò)程起到作用,驗(yàn)證了一體機(jī)原理和結(jié)構(gòu)的可行性。計(jì)算功率=(Pso-Psi)*100*Qsi*0.06*9.81*1.03/(3.6*η*η相比于無(wú)能量回收裝置的計(jì)算功率,三臺(tái)一體機(jī)運(yùn)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(jī)械效率逐漸增高的特點(diǎn)一致。由于壓力損失及機(jī)械損失,三臺(tái)一體機(jī)運(yùn)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(cè)試結(jié)果側(cè)重驗(yàn)證一體機(jī)的運(yùn)行可行性、能量回收效果和連續(xù)運(yùn)行穩(wěn)定性,數(shù)據(jù)采集的方式相對(duì)單一。4體化海水淡化裝置性能測(cè)試基于上述實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上的測(cè)試結(jié)果,為進(jìn)一步驗(yàn)證一體機(jī)在真實(shí)運(yùn)行工況下的運(yùn)行性能,將一體機(jī)耦合在中小型海水淡化系統(tǒng)中進(jìn)行性能評(píng)測(cè)。淡化系統(tǒng)為反滲透處理工藝,設(shè)計(jì)處理量為50m為了對(duì)比一體機(jī)的運(yùn)行性能,用同一套海水淡化裝置先后開展另一個(gè)性能測(cè)試方案,用柱塞式高壓泵替代一體機(jī)。此方案由于沒有能量回收裝置,高壓濃水經(jīng)過(guò)泄壓閥直接排放,高壓泵的額定流量與一體機(jī)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(duì)比更為直觀,選取進(jìn)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(cè)試過(guò)程中海水淡化裝置整體運(yùn)行穩(wěn)定,表明一體機(jī)可以較好的匹配海水淡化裝置。一體機(jī)的運(yùn)行功率是6310w,相比于計(jì)算功率11575w,降低了5265w,降低的比例是45.5%。一體機(jī)的計(jì)算功率與高壓泵的運(yùn)行功率相差8.9%,高壓泵的計(jì)算功率與運(yùn)行功率相差4.2%,這兩組數(shù)據(jù)也驗(yàn)證了計(jì)算方法的合理性。經(jīng)過(guò)7×24小時(shí)的連續(xù)運(yùn)行試驗(yàn),海水淡化系統(tǒng)運(yùn)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(jìn)行對(duì)比,操作過(guò)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(jī)集四種裝置于一體,結(jié)構(gòu)緊湊,明顯簡(jiǎn)化了系統(tǒng)布局,較好的解決了中小型海水淡化裝置無(wú)匹配能量回收設(shè)備的問(wèn)題,大幅降低淡化產(chǎn)水能耗。通過(guò)在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和耦合于海水淡化裝置中的測(cè)試結(jié)果表明,一體機(jī)性能穩(wěn)定,較好的適應(yīng)了海水淡化裝置的運(yùn)行工況。柱塞式高壓泵能量回收一體機(jī)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(tái)上的推廣應(yīng)用,提供低成本的淡水資源供應(yīng)。為進(jìn)一步評(píng)價(jià)一體機(jī)的運(yùn)行性能,需繼續(xù)開展在中小型海水淡化系統(tǒng)