往復(fù)切換式閥控能量回收裝置變負荷運行試驗

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)重點實驗室，天津 300072)

往復(fù)切換式閥控能量回收裝置變負荷運行試驗

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)重點實驗室，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)計開發(fā)了一種新型往復(fù)切換式閥控能量回收裝置，對其在工業(yè)操作壓力條件下的變處理負荷運行特性進行了試驗研究，并分析了切換器的換位時間對裝置運行穩(wěn)定性的影響規(guī)律．試驗結(jié)果表明：在操作壓力6.0,MPa、處理負荷22～32,m3/h條件下，往復(fù)切換式閥控能量回收裝置運行穩(wěn)定性良好，能量回收效率高達97.92%；切換器的換位時間對裝置壓力波動時長及幅度有輕微的影響，對流量穩(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55%～60%的膜系統(tǒng)給水負荷，因此高效回收利用高壓鹽水中的壓力能，對于大幅降低反滲透海水淡化工程運行成本和產(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)和市場推廣的重點產(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])實現(xiàn)工程化應(yīng)用或正在進行商業(yè)化推廣．這些產(chǎn)品在技術(shù)上均采用較嚴格的微間隙動配合的方式，實現(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)進流切換．該結(jié)構(gòu)型式一方面會增加設(shè)備加工制造難度和成本；另一方面微小的動配合間隙對海水水質(zhì)要求較高，一旦有雜質(zhì)進入，將使得換向閥受損或卡死，影響裝置的使用壽命及工程運行安全．

筆者針對現(xiàn)有能量回收裝置產(chǎn)品存在的不足，設(shè)計開發(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)相對簡單的往復(fù)運動端面密封方式，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行壓力交換的場所，也是影響裝置壓力交換穩(wěn)定性及運行周期的主要因素．止回閥組是該裝置的從動控制部件，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個環(huán)節(jié)．當切換器處于前進工作位時，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口及流通孔2進入2號水壓缸，推動水壓缸內(nèi)的活塞向止回閥組端運動并對低壓海水做功，增壓后的海水由止回閥組排出，此為增壓沖程；與此同時，低壓海水通過止回閥組進入1號水壓缸，推動水壓缸內(nèi)的活塞向切換器端運動并將泄壓鹽水排出，此為泄壓沖程．當1號、2號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)動下切換至后退工作位，此后1號水壓缸內(nèi)進行增壓沖程，2號水壓缸內(nèi)則進行泄壓沖程．需要指出的是1號水壓缸與2號水壓缸的增壓沖程在交替切換過程中，需保持時間上的連續(xù)性，即當其中一只水壓缸的增壓沖程未完全結(jié)束時另一只水壓缸中的增壓沖程已經(jīng)開始，如此實現(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入反滲透膜組件之前，還需經(jīng)過增壓泵的進一步加壓(約0.2～0.5,MPa)，以彌補高壓鹽水在流經(jīng)反滲透膜組件及進行壓力交換過程中的少量壓頭損失．依照圖2中的工藝流程，筆者建立了反滲透海水淡化仿真試驗平臺(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試介質(zhì)．本文重點考察了設(shè)計負荷為30,m3/h的往復(fù)切換式閥控能量回收裝置，在變負荷及變換位時間工況下的運行特性和效率．

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現(xiàn)場Fig.3 Field test of the FS-ERD

2 變處理負荷時裝置的運行特性

試驗研究了操作壓力6.0,MPa、切換器的換位時間為1.2,s時，不同處理負荷對往復(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，并分析評價了裝置的能量回收效率．

2.1 處理負荷為32,m3/h

圖4(a)為裝置處理負荷32,m3/h時，進入能量回收裝置的高壓鹽水流量Qbi及壓力pbi隨時間的變化曲線．圖中高壓鹽水流量曲線基本為一條水平直線，而該直線事實上由2只水壓缸中交替進行的增壓過程疊加而成，說明該能量回收裝置運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的規(guī)律．該波動是由于切換器在1.2,s的換位時間內(nèi)高壓鹽水總流量雖保持恒定，但存在瞬間同時增壓2只水壓缸的現(xiàn)象所致．這種輕微的壓力波動對裝置的整體運行穩(wěn)定性影響較?。?/p>

圖4 處理負荷為32,m3/h時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 處理負荷為27,m3/h

圖5為裝置處理負荷27,m3/h時，高壓鹽水及增壓海水的流量和壓力隨時間的變化曲線．如圖5所示，高壓鹽水、增壓海水流量及壓力波動曲線與裝置處理負荷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，而相應(yīng)的壓力則在裝置前進與后退工作位轉(zhuǎn)換的瞬間存在輕微的向下波動的規(guī)律．所不同的是，當裝置處理負荷由32,m3/h降低到27,m3/h時，進出能量回收裝置的高壓鹽水及增壓海水的壓力波動頻率略有降低．這是由于裝置處理負荷減小后，水壓缸內(nèi)活塞的運動速率相應(yīng)降低，從而延長了裝置的工作周期．

圖5 處理負荷為27,m3/h時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 處理負荷為22,m3/h

圖6為裝置處理負荷22,m3/h時，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，盡管裝置的處理負荷有較大程度的降低，但裝置的運行特性規(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行穩(wěn)定性，另一方面也證明該裝置具有較大的負荷操作彈性，對反滲透海水淡化工程產(chǎn)能調(diào)節(jié)運行需求也具有很好的適應(yīng)性.

圖6 處理負荷為22,m3/h時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)，本文對往復(fù)切換式閥控能量回收裝置在穩(wěn)定運行工況下的能量回收效率進行了評價分析．結(jié)果表明，裝置在操作壓力6.0,MPa及變處理負荷運行時，平均效率高達97.92%，達到或超過國外產(chǎn)品技術(shù)水平[17]，具有很好的工程應(yīng)用價值．

3 變換位時間時裝置的運行特性

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的規(guī)律，且波動時長及波動幅度均與切換器的換位時間有關(guān).基于此，本節(jié)重點考察了操作壓力6.0,MPa、處理負荷為25,m3/h時，換位時間(1.2,s、1.4,s及1.6,s)對裝置運行特性的影響規(guī)律．

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

圖7 切換器換位時間與壓力波動時長的對應(yīng)關(guān)系Fig.7Relevant relations between the switching time and the duration of pressure fluctuations

表1給出了3種不同換位時間時，進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：當切換器換位時間一定時，高壓鹽水與增壓海水的最大波動幅度基本一致；而當切換器的換位時間增加時，所對應(yīng)的高壓鹽水及增壓海水的最大壓力波動幅度也呈增大趨勢，但幅度較?。谏鲜龇治?，往復(fù)切換式閥控能量回收裝置的換位時間應(yīng)盡可能控制在較短的時間內(nèi)，以降低換位過程對裝置運行穩(wěn)定性的影響

表1 換位時間與壓力波動幅度的關(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，通過前進工作位與后退工作位之間的交替切換，實現(xiàn)壓力交換過程的連續(xù)性和穩(wěn)定性．

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

(3) 分析比較了切換器不同換位時間時閥控能量回收裝置流體壓力的波動特性，表明換位時間對壓力波動時長及波動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)運動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.

天津市科技支撐計劃重點資助項目(10ZCKFSH02100)；天津市科技興海計劃資助項目(KJXH2012-03).

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

王 越，tdwy75@tju.edu.cn.