泵-馬達(dá)式能量回收技術(shù)在海水淡化工程中的應(yīng)用進(jìn)展

，，，

(1.燕山大學(xué) 河北省重型機(jī)械流體動(dòng)力傳輸與控制實(shí)驗(yàn)室，河北 秦皇島 066004；2.燕山大學(xué) 先進(jìn)鍛壓成形技術(shù)與科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 秦皇島 066004；3.河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 海洋學(xué)院，河北 秦皇島 066003)

引言

反滲透海水淡化(Seawater Reverse Osmosis Desa-lination,SWRO)技術(shù)因設(shè)備簡(jiǎn)單、效率高、占地小、操作方便、無(wú)相變、無(wú)需熱源、能耗少、適應(yīng)性強(qiáng)等顯著特點(diǎn)[1]，是目前海水淡化領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的主流技術(shù)之一[2]。在SWRO系統(tǒng)中，如果直接廢棄余壓鹽水，將帶來(lái)不低于10 kWh/m3的能耗，因此回收廢棄鹽水余壓能是SWRO工程大幅降低運(yùn)行能耗和產(chǎn)水成本極為重要的環(huán)節(jié)。目前大、中規(guī)模海水淡化系統(tǒng)廣泛應(yīng)用能量回收裝置，能耗由13 kWh/m3降低為2 kWh/m3[3]，但在傳統(tǒng)的小型系統(tǒng)中一般無(wú)能量回收裝置，在鹽水處理線浪費(fèi)了近90%的系統(tǒng)輸入能量[4]，致使其比能耗高、效率低。近年來(lái)小型SWRO系統(tǒng)在海島、海礁、旅游度假區(qū)、海洋石油平臺(tái)、移動(dòng)集裝箱、軍艦、科學(xué)考察船、工程打撈船、遠(yuǎn)洋貨船、遠(yuǎn)洋捕撈船、駐島部隊(duì)、野戰(zhàn)部隊(duì)和應(yīng)急準(zhǔn)備等領(lǐng)域應(yīng)用越來(lái)越廣泛。建設(shè)成本低、能耗小、效率高、流動(dòng)性強(qiáng)和靈活性好的小型SWRO系統(tǒng)已成為海水淡化工程領(lǐng)域未來(lái)重要的發(fā)展趨勢(shì)之一。因此，研發(fā)與小型SWRO系統(tǒng)配套的高效能量回收裝置，對(duì)于海水淡化工程具有重要的科學(xué)意義和研究?jī)r(jià)值。

人們針對(duì)此類能量回收裝置進(jìn)行了大量研究工作，結(jié)果表明小尺寸渦輪機(jī)效率低下，風(fēng)險(xiǎn)損失與制造成本高，在小型系統(tǒng)中應(yīng)用不切實(shí)際[5]；而大規(guī)模淡化系統(tǒng)中所常用的正位移式裝置(回收效率高達(dá)92%以上)，如美國(guó)ERI公司開發(fā)的PX裝置一旦以小尺寸制造也將出現(xiàn)易污染的問題[6]，況且除PX外，大多數(shù)正位移式能量回收機(jī)構(gòu)都包含高壓閥門，它們需要精確定時(shí)運(yùn)行以確保水流順暢。將這種精確性與濃海水的耐腐蝕性相結(jié)合是非常具有挑戰(zhàn)性的，許多設(shè)計(jì)概念在實(shí)踐中都失敗了[7-8]；而專為小型海水淡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的流體驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)Clark Pump，適用范圍又太小，一般應(yīng)用于日產(chǎn)水量少于2.3 m3的淡化系統(tǒng)[3]，最高日產(chǎn)水量也少于10 m3[9]。但泵-馬達(dá)式能量回收裝置因總成簡(jiǎn)單、成本低、脈動(dòng)小、鹽海水無(wú)混合和維護(hù)方便等特點(diǎn)，證明適合小型海水淡化系統(tǒng)。

由于尚缺少相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)泵-馬達(dá)式能量回收技術(shù)進(jìn)行詳盡地描述與總結(jié)，因此本研究首先對(duì)其基本工作原理和重要性能參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行了介紹；其次，綜述了此類裝置的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和進(jìn)展，并指出當(dāng)前研究尚存在的局限性與不足；最后，從提高能量轉(zhuǎn)換效率、集成化程度、運(yùn)行穩(wěn)定性三個(gè)方面，給出了泵-馬達(dá)式能量回收技術(shù)發(fā)展新趨勢(shì)和關(guān)鍵科學(xué)問題。

1 泵-馬達(dá)式能量回收技術(shù)

1.1 基本工作原理

泵-馬達(dá)式能量回收技術(shù)采用泵-馬達(dá)同軸設(shè)計(jì)，利用海水液壓馬達(dá)回收廢棄鹽水余壓能并轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)矩輸出傳遞給轉(zhuǎn)軸，從而減少來(lái)自電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩和輸出功率，由此達(dá)到節(jié)能降耗的目的，其工作原理如圖1所示。

圖1 泵-馬達(dá)式能量回收技術(shù)工作原理

考慮液壓泵能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中的損失時(shí)，根據(jù)能量守恒定律，有：

2πTpnpηVpηmp×10-3=qhs(phs-pls)

(1)

式中，Tp為泵的實(shí)際驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，N·m；np為泵軸轉(zhuǎn)速，r/min；ηVp為泵的容積效率；ηmp為泵的機(jī)械效率；phs為高壓海水出口壓力，MPa；pls為低壓海水進(jìn)口壓力，MPa；qhs為高壓海水出口流量，L/min，可表示為：

qhs=VpnpηVp×10-3

(2)

式中，Vp為泵的理論排量，mL/r。

將式(2)帶入式(1)可得：

(3)

考慮液壓馬達(dá)能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中的損失時(shí)，根據(jù)能量守恒定律，有：

2πTmnm×10-3=qhb(phb-plb)ηVmηmm

(4)

式中，Tm為馬達(dá)實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩，N·m；nm為馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速，r/min；ηVm為馬達(dá)的容積效率；ηmm為馬達(dá)的機(jī)械效率；phb為余壓鹽水進(jìn)口壓力，MPa；plb為低壓鹽水出口壓力，MPa；qhb為余壓鹽水進(jìn)口流量，L/min，可表示為：

(5)

將式(5)帶入式(4)可得:

(6)

式中,Vm為馬達(dá)的理論排量，mL/r。

當(dāng)np=nm時(shí)，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩Tom與Tp，Tm存在以下關(guān)系：

Tp=Tom+Tm

(7)

由(7)可知，泵軸實(shí)際所需轉(zhuǎn)矩Tp由Tom和Tm共同決定。當(dāng)Tp由Tm優(yōu)先供給時(shí)可有效回收余壓鹽水能量；而當(dāng)Tp不能由Tm優(yōu)先供給時(shí)則能量回收功能失效。

1.2 重要性能參數(shù)

1) 液壓能轉(zhuǎn)換效率HETE

泵-馬達(dá)式能量回收系統(tǒng)的液壓能轉(zhuǎn)換效率HETE定義為[10]：

(8)

式中，pop為泵的實(shí)際輸出功率，kW；pdim為電機(jī)的輸入功率，kW；pim為馬達(dá)的實(shí)際輸入功率，kW。

2) 水回收率η

系統(tǒng)的水回收率η定義為[3，11-12]：

(9)

qp=qhs-qhb

(10)

式中，qp為淡水產(chǎn)水流量，L/min。

將式(2)、式(5)、式(10)帶入式(9)，可得：

(11)

3) 有效能量轉(zhuǎn)換效率E

有效能量轉(zhuǎn)換效率E能反應(yīng)出能量回收裝置的有效能量轉(zhuǎn)換能力，是衡量余壓能量回收裝置的主要性能和體現(xiàn)出反滲透系統(tǒng)價(jià)值的重要指標(biāo)[13-15]。泵-馬達(dá)式能量回收系統(tǒng)中液壓馬達(dá)作為能量回收裝置，有效能量轉(zhuǎn)換效率E即為馬達(dá)總效率ηm。

4) 比能耗SEC

系統(tǒng)比能耗可表示為[16]：

(12)

式中，Em為電機(jī)所消耗的能量。

2 國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展

2.1 軸向柱塞泵-軸向柱塞馬達(dá)(APP-APM)

近年來(lái)，隨著水液壓軸向柱塞泵和馬達(dá)性能不斷提高，泵-馬達(dá)式能量回收技術(shù)迅猛發(fā)展，其在SWRO系統(tǒng)中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，目前市場(chǎng)上APP-APM型能量回收系統(tǒng)主要有兩大類：Danfoss SWPE系統(tǒng)和KSB SALINO Pressure Center。

(1) Danfoss SWPE系統(tǒng)是一款適用于小型SWRO系統(tǒng)(淡水產(chǎn)量0.1～1.5 m3/h)的帶有能量回收裝置的高壓套泵，是世界上最小的能量回收系統(tǒng)。該設(shè)備由一臺(tái)APP和一臺(tái)APP反轉(zhuǎn)作APM直連在同軸電機(jī)兩側(cè)，無(wú)需皮帶和齒輪箱，運(yùn)行簡(jiǎn)圖如圖2所示[17]。

圖2 SWPE運(yùn)行簡(jiǎn)圖

(2) KSB SALINO Pressure Center是一款專門應(yīng)用于工業(yè)、船舶、酒店、度假村和近海的中小型SWRO系統(tǒng)(產(chǎn)水量高達(dá)250 m3/d少于1000 m3/d)。世界上第一個(gè)將淡化系統(tǒng)四個(gè)主要組成部分：高壓泵、能量回收裝置、增壓泵和電動(dòng)機(jī)，替換為一個(gè)尺寸緊湊的單元(0.75 m2)，所有組件都沒有使用任何管道連接，節(jié)省空間，裝置結(jié)構(gòu)如圖3所示[18]。SALINO Pressure Center的投資和維護(hù)費(fèi)用較低，經(jīng)濟(jì)、高效且易于操作。與無(wú)能量回收的系統(tǒng)相比，可節(jié)省多達(dá)75%的能量。能量回收率視海水水質(zhì)而定，在24%和47%之間。據(jù)報(bào)道，第一個(gè)單元已經(jīng)在紅海附近使用，但遺憾的是沒有資料描述其實(shí)際運(yùn)行信息[19]。

圖3 SALINO Pressure Center

1996年，威爾士Dulas有限公司展示了使用Danfoss APM作為海水反滲透能量回收裝置，鹽水余壓能通過(guò)皮帶輪和齒形橡膠帶返回給柱塞泵的軸，這將使原系統(tǒng)13 kWh/m3的比能耗減至約5.6 kWh/m3，是PV-RO背景下的一個(gè)巨大進(jìn)步[5,20-21]。1999年，Dulas試驗(yàn)臺(tái)運(yùn)送到CREST重新投入使用，試驗(yàn)中出現(xiàn)了效率略有降低以及腐蝕問題，比能耗由先前5.6 kWh/m3略微增加至6.4 kWh/m3[7]。2002年，KUNCZYNSKI在其PV-RO長(zhǎng)期示范工程中廣泛應(yīng)用APM，證實(shí)了APM作為能量回收裝置長(zhǎng)期可靠無(wú)需維護(hù)[6,21]。

2005年挪威Balder水技術(shù)公司DRABLOS使用Danfoss APP作為高壓泵，通過(guò)一種傳動(dòng)裝置A/S(即雙V形皮帶傳動(dòng)系統(tǒng)，為由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的中央皮帶輪所驅(qū)動(dòng))對(duì)四種不同型號(hào)配置的Danfoss APP和APM進(jìn)行組合集成，保證轉(zhuǎn)速同步，并進(jìn)行測(cè)試，以獲得產(chǎn)水率、回收率和比能耗，組合覆蓋產(chǎn)水量8～23 m3/d，回收率31%～46%，比能耗3～4.8 kWh/m3不等。結(jié)果表明，該系統(tǒng)應(yīng)用于小型海水淡化廠，在強(qiáng)調(diào)低能耗情況下能夠保持平穩(wěn)運(yùn)行，并且得到小型淡化系統(tǒng)合適的回收率跨度在25%～37%，這是因?yàn)榛厥章试降湍芎脑礁?，但高回收率?duì)于小系統(tǒng)也不實(shí)際，如果回收率達(dá)到46%，則需要加入阻垢劑[22]。

2007年，美國(guó)能源回收公司MACHARG針對(duì)泵-馬達(dá)式技術(shù)進(jìn)行了分析和試驗(yàn)研究，證實(shí)了基于該技術(shù)的實(shí)驗(yàn)裝置具有較好的工作性能和節(jié)能效果，能有效應(yīng)用于小型SWRO系統(tǒng)，將無(wú)能量回收系統(tǒng)時(shí)8 kWh/m3的比能耗降到2.1～4.8 kWh/m3，并發(fā)現(xiàn)在較低的操作壓力下，回收能量的可用性、泵-馬達(dá)裝置中的水力損失相關(guān)效率較低，馬達(dá)的優(yōu)勢(shì)將減弱，為確定最佳工況條件提供了指導(dǎo)意見[3]。

2008年丹麥Danfoss公司VALBJ?RN探討了適用于小型SWRO系統(tǒng)的能量回收裝置，Danfoss APP-APM適用產(chǎn)水量為1～100 m3/d的范圍，并驗(yàn)證了其可行性和經(jīng)濟(jì)性，對(duì)于固定排量的非優(yōu)化APM來(lái)說(shuō)，總效率約為70%～75%，且APP-APM能量回收系統(tǒng)符合工業(yè)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，最小使用壽命長(zhǎng)達(dá)8000 h，這也有助于降低用戶使用成本，還根據(jù)由反滲透膜產(chǎn)品差異所導(dǎo)致的調(diào)整回收鹽水流量要求，研發(fā)了一種APP和變量APM集成的能量回收裝置，提高了原裝置的工作性能[23]。

2010年韓國(guó)機(jī)械研究所能源部KIM等[24]研制了一種帶有能量回收功能的一體化柱塞泵-馬達(dá)裝置，是小型SWRO能量回收系統(tǒng)未來(lái)重要的發(fā)展方向，裝置結(jié)構(gòu)如圖4所示。并基于旋轉(zhuǎn)斜盤式驅(qū)動(dòng)原理搭建小型反滲透系統(tǒng)，進(jìn)行此類功能集成的一體化裝置原理可行性試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)通過(guò)使用液壓馬達(dá)，可回收泵的耗能為53%～60%，水回收率接近27%～28%，此外，還比較了電機(jī)轉(zhuǎn)速和進(jìn)料溫度等對(duì)泵功率消耗和電機(jī)功率的影響[25]。

2013年上海大學(xué)張國(guó)賢對(duì)三種斜盤泵-馬達(dá)式能量交換裝置特點(diǎn)進(jìn)行了比較，并對(duì)產(chǎn)品延伸應(yīng)用進(jìn)行了展望，闡述了一體化裝置不僅能夠高效應(yīng)用于小型SWRO能量回收系統(tǒng)，而且可作為斜盤式雙排量串聯(lián)泵應(yīng)用于液壓系統(tǒng)，具有一機(jī)多用的好處，裝置結(jié)構(gòu)如圖5所示[26]。

圖4 泵-馬達(dá)一體化壓力能回收裝置

圖5 斜盤泵-馬達(dá)式能量交換裝置結(jié)構(gòu)示意圖

2015年希臘雅典農(nóng)業(yè)大學(xué)DIMITRIOU等對(duì)配套Clark Pump和Danfoss APP-APM能量回收的海水淡化系統(tǒng)進(jìn)行了能耗比較，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)淡化系統(tǒng)在部分負(fù)荷下運(yùn)行均比額定工況下(Clark SWRO為0.55 MPa，Danfoss SWRO為0.67 MPa)比能耗降低16%；Clark SWRO在0.44 MPa膜入口壓力下比能耗最小，為5.7 kWh/m3；Danfoss SWRO的比能耗在0.59 MPa 膜入口壓力下最小，為4 kWh/m3；配套APP-APM的海水淡化系統(tǒng)比能耗更低[16]。

2.2 其他形式裝置

盧勇等用葉片泵和葉片馬達(dá)替代柱塞泵和柱塞馬達(dá)結(jié)構(gòu)，研發(fā)了一種集成的能量回收裝置，制造實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，樣機(jī)采用插裝式結(jié)構(gòu)，如圖6所示。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了不同工況下集成裝置的液壓性能和系統(tǒng)能耗。結(jié)果表明，此種集成裝置可以降低能源成本，簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，水回收率由泵單元和葉片馬達(dá)單元的容積效率和排量決定，容積效率的提高是裝置具有高效能的主要因素，但該裝置還處于研究階段尚未實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化[11-12]。

圖6 葉片泵-馬達(dá)集成裝置結(jié)構(gòu)

綜上所述，根據(jù)二十幾年來(lái)泵-馬達(dá)式能量回收系統(tǒng)的研究情況，發(fā)現(xiàn)由最先的皮帶、皮帶輪和齒輪箱傳動(dòng)，發(fā)展成泵、電機(jī)和馬達(dá)直連的形式，其結(jié)構(gòu)、體積、重量以及能量回收效率都有很大的改善。此外，發(fā)現(xiàn)人們研究的重點(diǎn)大多集中于通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證泵-馬達(dá)式能量回收技術(shù)原理可行性，應(yīng)用于小型反滲透海水淡化系統(tǒng)的有效性以及降低系統(tǒng)能耗的經(jīng)濟(jì)性，主要從能量轉(zhuǎn)換效率、水回收率、比能耗等性能指標(biāo)對(duì)不同工況下系統(tǒng)性能進(jìn)行研究，但都缺少具體的工作原理說(shuō)明以及實(shí)際工程應(yīng)用數(shù)據(jù)。也有部分研究創(chuàng)新了泵-馬達(dá)式能量回收裝置新結(jié)構(gòu)，將泵-馬達(dá)功能進(jìn)行了集成，不再需要使用連接設(shè)備，提高裝置集成度和縮短能量傳遞路徑，進(jìn)一步減小了裝置的體積和提高了能量轉(zhuǎn)換效率，但是，由于缺乏核心技術(shù)理論指導(dǎo)，大多尚處于設(shè)計(jì)概念階段，并未制造樣機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的系統(tǒng)工作性能研究。

3 發(fā)展趨勢(shì)和關(guān)鍵科學(xué)問題

總之，幾十年來(lái)的研究證明，泵-馬達(dá)式能量回收技術(shù)滿足小型淡化系統(tǒng)的使用要求，并能夠有效降低系統(tǒng)能耗，是解決小型反滲透淡化系統(tǒng)無(wú)能量回收裝置、高能耗的重要途徑，但由于存在中間能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，能量回收效率較低，制約了它在實(shí)際工程應(yīng)用中的進(jìn)一步發(fā)展；此外，泵-馬達(dá)同軸連接，甚至是共軸結(jié)構(gòu)，所帶來(lái)的流量壓力脈動(dòng)，運(yùn)行穩(wěn)定性也是泵-馬達(dá)式能量回收技術(shù)面臨的主要難題。因此，必須進(jìn)一步完善泵-馬達(dá)式能量回收技術(shù)的基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)，研發(fā)出高效能、高可靠性的泵-馬達(dá)式能量回收系統(tǒng)。目前亟待解決的科學(xué)問題總結(jié)如下：

(1) 電機(jī)和能量回收馬達(dá)同軸硬聯(lián)復(fù)合驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)最優(yōu)工作點(diǎn)的轉(zhuǎn)矩分配問題；

(2) 電機(jī)和能量回收馬達(dá)同軸硬聯(lián)復(fù)合驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性問題；

(3) 泵、馬達(dá)共軸結(jié)構(gòu)的一體化集成裝置軸系機(jī)液耦合動(dòng)力學(xué)問題。

4 結(jié)論

本研究在詳細(xì)闡述泵-馬達(dá)式能量回收系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀和進(jìn)展基礎(chǔ)上，描述了其工作原理和重要性能參數(shù)指標(biāo)，得出此系統(tǒng)滿足小型反滲透淡化系統(tǒng)使用要求的結(jié)論，但當(dāng)前研究尚存在局限性與不足，因此，綜合考慮能量轉(zhuǎn)換效率、集成化程度、運(yùn)行穩(wěn)定性三個(gè)方面，給出了泵-馬達(dá)式能量回收技術(shù)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)和關(guān)鍵科學(xué)問題，為進(jìn)一步改進(jìn)泵-馬達(dá)式能量回收系統(tǒng)提供指導(dǎo)性方向和建議，對(duì)解決無(wú)能量回收裝置的小型反滲透淡化系統(tǒng)高能耗和應(yīng)用受限的問題，具有重要意義。