旋轉(zhuǎn)式能量回收裝置的啟動與運行特性

程百花 ，王 越 ，許恩樂 ，孫揚平 ，徐世昌 ，王世昌

（1天津大學化工學院化學工程研究所，天津 300072；2天津市膜科學與海水淡化技術重點實驗室，天津 300072）

海水淡化作為解決淡水資源短缺問題的主要手段[1-3]，近幾年先后被列入國家多項規(guī)劃和重要文件，成為最具發(fā)展前景的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一[4]。作為海水淡化市場的主流技術之一，由于反滲透海水淡化（seawater reverse osmosis，SWRO）具有工程造價及運行成本低等特點[3，5]，已占據(jù)全球海水淡化市場份額的60%以上[5-6]。能量回收裝置（energy recovery device，ERD）是實現(xiàn)SWRO系統(tǒng)低成本運行的關鍵設備之一[7-9]。

正位移式能量回收裝置主要包括旋轉(zhuǎn)式和閥控式兩種，均通過高壓鹽水直接增壓原料海水的方式回收壓力能，能量回收效率高達90%以上[10-12]。旋轉(zhuǎn)式能量回收裝置（rotary energy recovery device，RERD）與閥控式能量回收裝置相比，在實現(xiàn)裝置增壓和泄壓過程連續(xù)切換及減小安裝空間[7]等方面具有顯著優(yōu)勢，成為國內(nèi)外研究和工程推廣的重點。目前國外已有旋轉(zhuǎn)式能量回收裝置產(chǎn)品（如PX型）進入市場，并已工程應用多年。而國內(nèi)在此方面的研究起步較晚，至今仍處于技術開發(fā)和樣機試制階段[10]。

目前，國內(nèi)開發(fā)的旋轉(zhuǎn)式能量回收裝置較多采用外電機驅(qū)動的形式。本文作者課題組在已有工作基礎上，結(jié)合反滲透海水淡化工藝需求，對自主設計的電機驅(qū)動式RERD裝置的啟動方式進行了研究，測試分析了裝置在變工況下的動密封性能，并對裝置的連續(xù)運行穩(wěn)定性進行了考核。

1 工作原理及實驗裝置

1.1 工作原理

圖1給出了旋轉(zhuǎn)式能量回收裝置的工作原理示意圖。裝置主要由轉(zhuǎn)子、左端盤和右端盤三部分構(gòu)成。轉(zhuǎn)子上均布有多個軸向貫通的孔道，是高壓鹽水和低壓原料海水進行壓力交換的唯一場所。轉(zhuǎn)子兩側(cè)的端盤不僅對進出裝置的高低壓流體有富集和引導作用，還可實現(xiàn)高壓流體與低壓流體間的密封隔離。裝置運轉(zhuǎn)過程中，轉(zhuǎn)子上一組孔道首先進入高壓區(qū)，此時高壓鹽水通過左端盤進入該組孔道，對已沖注其內(nèi)的低壓海水進行增壓并推動增壓后的海水從右端盤排出，此為增壓過程。與此同時，另一組轉(zhuǎn)子孔道與低壓區(qū)貫通，低壓海水通過右端盤進入此組孔道，并推動泄壓后的鹽水從左端盤排出，此為泄壓過程。通過轉(zhuǎn)子的連續(xù)旋轉(zhuǎn)運動，轉(zhuǎn)子孔道交替經(jīng)過高壓區(qū)-密封區(qū)-低壓區(qū)，實現(xiàn)流體的連續(xù)壓力交換過程。

圖1 RERD工作原理示意圖

1.2 工藝流程及試驗樣機

圖2是本試驗的工藝流程圖，相當于反滲透海水淡化系統(tǒng)的仿真工藝流程，并使用截止閥模擬實際工程中反滲透膜組件的壓力損失。試驗過程中利用自來水代替海水和鹽水作為測試介質(zhì)。如圖2所示，高壓鹽水由增壓泵和高壓泵共同供給，從接口1進入裝置；低壓海水由低壓泵供給并通過接口3進入裝置，兩股流體在轉(zhuǎn)子內(nèi)進行壓力交換。獲得壓力能的低壓海水以增壓海水的形式由接口4排出，泄壓鹽水則由接口2排放。圖中高壓泵主要是維持系統(tǒng)的高壓環(huán)境，補充裝置因泄漏而損失的流量。圖3為與圖2相對應的裝置試驗現(xiàn)場，裝置外筒體所有接口尺寸均為DN40 mm系列。

圖2 試驗工藝流程圖

圖3 旋轉(zhuǎn)式能量回收裝置試驗現(xiàn)場

圖4 轉(zhuǎn)子三維結(jié)構(gòu)圖

圖5 端盤三維結(jié)構(gòu)圖

圖4給出了裝置的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖，其外徑尺寸為DN150 mm系列，該轉(zhuǎn)子通過鍵連接由電動機驅(qū)動。圖5是對稱設置有集液槽的端盤，此種創(chuàng)新性設計使得轉(zhuǎn)子在與端盤端面進行動配合工作過程中軸向受力更均勻，從而保證裝置在運行中的動平衡性能。通過在不銹鋼轉(zhuǎn)子端面噴涂陶瓷，及在端盤內(nèi)側(cè)端面上鑲嵌耐腐蝕、耐磨損但硬度相對較低的有機聚醚醚酮（PEEK）薄片的方式，以提高裝置的實用性。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 裝置啟動方式

由于裝置采用外電機驅(qū)動，裝置的啟動運行不僅包括操作壓力的升高，還涉及轉(zhuǎn)子工作轉(zhuǎn)速的提升。兩者升高到額定值（額定操作壓力為6.0 MPa、額定轉(zhuǎn)速為500 r/min）的先后順序?qū)ρb置的啟動穩(wěn)定性，特別是轉(zhuǎn)動扭矩具有顯著的影響。

2.1.1 裝置啟動過程中的扭矩變化

圖6給出了裝置在不同工作轉(zhuǎn)速下，升高系統(tǒng)操作壓力至6.0 MPa過程中裝置轉(zhuǎn)動扭矩的變化曲線。從圖6中可以看出，當工作轉(zhuǎn)速一定時，隨著操作壓力的升高，裝置的轉(zhuǎn)動扭矩呈增大趨勢，且在較高轉(zhuǎn)速條件下，裝置轉(zhuǎn)動扭矩在壓力升高過程中的變化幅度趨于平緩；當操作壓力一定時，裝置的工作轉(zhuǎn)速越大，對應的轉(zhuǎn)動扭矩反而越小。說明高轉(zhuǎn)速運行有利于裝置轉(zhuǎn)動扭矩的顯著降低。

圖6 驅(qū)動扭矩隨操作壓力的變化曲線

由圖6還可知，當系統(tǒng)操作壓力為6.0 MPa時，裝置在500 r/min運行時的轉(zhuǎn)動扭矩最小。實現(xiàn)這一操作目標有兩種模式，其一將裝置的工作轉(zhuǎn)速首先增至額定轉(zhuǎn)速，之后再提升系統(tǒng)操作壓力至6.0 MPa，此模式中裝置需要的最大轉(zhuǎn)動扭矩為17.28 N·m（對應圖中A點位置）；其二在較低工作轉(zhuǎn)速條件下先提升系統(tǒng)的操作壓力至6.0 MPa，之后再增加裝置的轉(zhuǎn)速至最大值，此模式中裝置需要的最大轉(zhuǎn)動扭矩高達31.68 N·m（對應圖中B點）。因此，從裝置電機配置功率和裝置啟動運行穩(wěn)定性來看，采用先增加裝置工作轉(zhuǎn)速至額定值，再進行系統(tǒng)升壓操作是較理想和節(jié)能的啟動模式。

2.1.2 裝置啟動過程中的壓力和流量變化

在第2.1.1節(jié)所確定的較佳啟動方式下，考察了裝置處理量為8.0 m3/h及階梯式升壓過程中，高壓鹽水的壓力和流量隨時間的變化規(guī)律，如圖7所示。從圖7中可以看出，在高壓鹽水壓力階梯式增加過程中，高壓鹽水的流量基本保持不變，說明在此啟動模式下升壓過程對裝置高壓入口流體流動穩(wěn)定性影響較小。

圖7 啟動過程中高壓鹽水壓力和流量變化曲線

圖8 泄漏量隨操作壓力的變化曲線

2.2 裝置動密封性能測試

裝置運行過程中，轉(zhuǎn)子與兩端盤之間構(gòu)成的動配合“平面摩擦副”內(nèi)存在微小間隙，將致使裝置內(nèi)部存在一定的泄漏量。圖8給出了轉(zhuǎn)子工作轉(zhuǎn)速為500 r/min、處理量為8.0 m3/h時，裝置泄漏量隨系統(tǒng)操作壓力的變化規(guī)律。

從圖8中可見，隨著操作壓力的升高，裝置的泄漏量呈增大趨勢，這是因為當轉(zhuǎn)子與端盤端面間隙一定時，隨著操作壓力的升高，間隙內(nèi)高壓區(qū)與低壓區(qū)之間的壓差也隨之增大，從而加重了高壓流體向低壓流體的泄漏趨勢。從圖8中還可知，當操作壓力大于2.5 MPa時，裝置的泄漏量增幅逐漸減小并趨于平穩(wěn)，最大值為0.58 m3/h（額定壓力時），這是因為泄漏液體在轉(zhuǎn)子與端盤配合端面間的流動實際上屬于“微間隙”（微米級）流動，較大的流通阻力限制了泄漏量的進一步增加。

圖9給出了操作壓力為6.0 MPa、處理量為8.0 m3/h時，裝置泄漏量隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律。由圖9可知，隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的增加，裝置泄漏量呈現(xiàn)出輕微減小的趨勢。這可能是因為隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的增大，端面微間隙內(nèi)形成的液膜的穩(wěn)定性有所提高，從而使得泄漏量減小。

圖9 泄漏量隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的變化曲線

2.3 運行穩(wěn)定性考核

在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為500 r/min、操作壓力為6.0 MPa、處理量為8.0 m3/h時，對裝置連續(xù)運行穩(wěn)定性進行了考核。試驗共進行了5天，每天連續(xù)運行12 h。圖10和圖11分別給出了裝置在12 h穩(wěn)定運行過程中的高壓鹽水、低壓海水、增壓海水及泄壓鹽水流量和壓力的變化曲線。

從圖10可以看出，進出裝置的4股流體的流量基本呈水平直線，說明裝置運行穩(wěn)定性良好。但值得關注的是，相比于高壓鹽水和低壓海水的流量曲線，增壓海水流量偏低，而泄壓鹽水流量偏高。高壓鹽水與增壓海水流量間的差異主要是因為有部分高壓鹽水被泄漏，這部分泄漏的鹽水隨同泄壓鹽水被排出，從而造成泄壓鹽水流量明顯高于低壓海水流量。

與圖10相似，圖11中4股流體的壓力曲線也呈近似水平直線的變化趨勢。圖中增壓海水的壓力接近高壓鹽水的壓力，說明高壓鹽水的壓力能被高效的傳遞給了低壓海水。結(jié)合圖10和圖11中所給出的裝置實時流量和壓力值，按照能量回收效率計算公式[式（1）][10，13]，計算得到該裝置在穩(wěn)定運行時的平均效率約為93%，具有較高的工程實用價值。

圖10 裝置穩(wěn)定運行時流量變化曲線

圖11 裝置穩(wěn)定運行時壓力變化曲線

3 結(jié)論

（1）采用“先增加轉(zhuǎn)速至額定值再升高系統(tǒng)操作壓力”的啟動方式，可提高旋轉(zhuǎn)式能量回收裝置的啟動穩(wěn)定性并有效降低裝置的驅(qū)動扭矩。

（2）在系統(tǒng)升壓初期，高壓鹽水壓力對裝置泄漏量的負面影響較大，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的增加對降低泄漏量有一定的貢獻作用。

（3）在處理量為8.0 m3/h及操作壓力為6.0 MPa時裝置的連續(xù)運行穩(wěn)定性良好，最大泄漏量為0.58 m3/h，能量回收效率為93%。

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