基于雙缸耦合原理的閥控式能量回收系統(tǒng)原理設(shè)計與仿真分析

孫 毅，張曉雨，張希建，張建中，翁曉丹,

(1.浙江工業(yè)大學(xué) 機械工程學(xué)院，浙江 杭州 310014; 2.浙江工業(yè)大學(xué) 海洋研究院，浙江 杭州 310011; 3.中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

小型反滲透海水淡化設(shè)備可有效地解決海島、船舶、游艇等沿海地區(qū)分散式小規(guī)模的海水淡化需求[1]。降低反滲透海水淡化能耗問題是小型海水淡化設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)之一，能量回收技術(shù)通過高壓濃海水的壓力交換實現(xiàn)能量回收利用，可有效降低能耗[2]。目前常用的正位移式能量回收裝置體積大、成本高，且使用時需另配置壓力提升泵，不適于應(yīng)用在小型海水淡化裝置。

國外能量回收裝置技術(shù)研究起步較早，Clark pump是開發(fā)較早的自增壓能量回收裝置，其合理調(diào)節(jié)有桿與無桿腔的容積，增壓海水壓力可達到反滲透膜工作壓力要求[3]；iSave是目前將能量回收裝置與增壓泵耦合較成功的產(chǎn)品，將能量回收裝置、高壓容積式增壓泵和電機馬達集成耦合[4]；德國KSB公司研發(fā)的SALINO壓力中心，將電機、高壓泵、增壓泵和能量回收裝置集成設(shè)計，可滿足中小型反滲透海水淡化裝置系統(tǒng)工作需求[5]。上述國外產(chǎn)品由于價格較高，不適宜用于我國小型海水淡化裝置。

國內(nèi)Liu等[6]設(shè)計了一種全旋轉(zhuǎn)閥式能量回收裝置，通過電機帶動曲軸旋轉(zhuǎn)來實現(xiàn)增泄壓完成能量回收過程。張瑞等[7]基于動網(wǎng)格的方法，對偏載工況下液壓缸的雙向流固耦合進行了分析，建議在液壓缸偏載分析設(shè)計中采用流固耦合的方法，或適當(dāng)增大穩(wěn)態(tài)分析結(jié)果的安全系數(shù)。吳杏等[8]分析液壓缸脈沖式激振過程，建立了液壓缸兩腔壓力和流量的波動方程，得到了液壓缸液腔壓力呈周期性變化。近幾年能量回收裝置一體化設(shè)計逐漸成為海水淡化工藝研究的熱點[9]，但大部分研究仍處于理論階段，并存在系統(tǒng)流量與壓力波動等問題，還未投入商業(yè)化應(yīng)用。

基于雙缸耦合原理介紹了一種集成壓力提升與能量回收技術(shù)的雙缸耦合閥控式能量回收裝置，重點對能量回收回路和電動推桿壓力補償設(shè)計，通過AMESim仿真驗證了經(jīng)壓力提升與耦合后，反滲透膜壓力與流量的穩(wěn)定性。

1 小型反滲透海水淡化工藝

小型反滲透海水淡化裝置工藝流程[10]如圖1所示。裝置正常工作時，止回閥1打開、止回閥2關(guān)閉，三通閥通向右側(cè)產(chǎn)水箱，原水泵抽取原海水經(jīng)多介質(zhì)過濾器和精密過濾器過濾后分成兩路：一部分原海水進入高壓泵，經(jīng)過高壓泵直接加壓流入反滲透膜組件；另一部分原海水進入能量回收裝置，經(jīng)過能量回收裝置中高壓濃海水與電動推桿壓力交換加壓后，流入反滲透膜組件。反滲透膜組件產(chǎn)出的淡水流入產(chǎn)水箱，未通過反滲透膜的高壓濃海水流入能量回收裝置與原海水進行壓力交換，壓力交換后高壓濃海水變?yōu)樾箟簼夂Ｋ鞒鲅b置。

圖1 小型反滲透海水淡化裝置工藝流程

當(dāng)需要清洗反滲透膜時，調(diào)節(jié)三通閥使其通向加藥箱一側(cè)，打開止回閥2，計量泵將加入清洗藥物的淡水打入反滲透膜，完成清洗工作。小型反滲透海水淡化裝置配有控制模塊，可對不同工作模式進行切換，實時監(jiān)測和調(diào)節(jié)反滲透系統(tǒng)各部分工作參數(shù)[11]。

小型海水淡化裝置系統(tǒng)回收率一般較低[12]，參照《陶氏反滲透和納濾膜元件產(chǎn)品與技術(shù)手冊2016年V2版》，文中所涉及的小型海水淡化裝置的兩支反滲透膜組件串聯(lián)連接，淡水系統(tǒng)回收率為30%，總進水量2 600 L/h，淡水產(chǎn)水量780 L/h，高壓海水進入反滲透膜組件工作壓力5.0 MPa。根據(jù)納濾膜廠商提供的技術(shù)參數(shù)可知，通過兩段納濾膜元件的壓力損失不超過0.18 MPa[13]，液壓缸內(nèi)高壓濃海水將壓力能傳遞給原海水時，部分能量轉(zhuǎn)化為原海水的動能，期間壓力損失約為0.12 MPa[14]。因此，如小型海水淡化裝置不安裝壓力提升泵的情況下，通過上述分析可知在能量回收裝置環(huán)節(jié)需對其進行約0.3 MPa的壓力提升，小型反滲透海水淡化裝置工藝節(jié)點參數(shù)如圖2所示。

圖2 小型反滲透工藝各節(jié)點的壓力與流量值

2 反滲透雙缸耦合閥控式能量回收裝置

反滲透雙缸耦合閥控式能量回收裝置系統(tǒng)構(gòu)成如圖3所示，與活塞桿連接的電動推桿為增壓海水二次增壓提供壓力補充，通過控制電磁換向閥的換向等待時間，對兩缸增壓開始與結(jié)束階段壓力進行補償耦合，配合剛性彈簧、電磁換向閥等輔助設(shè)備，避免了流入反滲透膜增壓海水壓力與流量的波動。

反滲透雙缸耦合閥控式能量回收系統(tǒng)的增壓過程循環(huán)工作周期T可分為三個時間階段，即增壓開始充壓耦合階段T1、穩(wěn)定增壓階段T2和增壓結(jié)束充壓耦合階段T3，其中泄壓過程時間與穩(wěn)定增壓階段T2時間相同，液壓缸穩(wěn)定工作時的壓力變化如圖4所示。

圖3 反滲透雙缸耦合閥控式能量回收系統(tǒng)構(gòu)成

圖4 液壓缸耦合工作壓力簡圖

在增壓開始充壓耦合階段，電磁換向閥閥芯處于右側(cè)，液壓缸1內(nèi)充滿原海水(壓力Psi)，處于底端的活塞受到高壓濃海水壓力與電動推桿推力開始做加速運動，液壓缸1輸出增壓海水壓力Pso與流量逐漸增加；在穩(wěn)定增加階段，液壓缸1中的活塞到達下端位置傳感器G2時，所受到的黏性阻力與受到活塞的推力相等，電動推桿達到額定推力，活塞基本以勻速向上運動，液壓缸1輸出增壓海水壓力Pso與反滲透膜工作壓力P0相等；在增加結(jié)束充壓耦合階段，活塞運動到上端位置傳感器G1時換向閥換向，液壓缸1下端自帶排氣裝置由關(guān)閉狀態(tài)變?yōu)殚_啟狀態(tài)(如圖5所示)，此時換向后活塞下端泄壓海水受自重流出，電動推桿將繼續(xù)推動活塞向上做減速運動。

圖5 液壓缸排氣裝置

當(dāng)活塞到達液壓缸1頂端時，速度傳感器B1檢測到活塞桿速度(即活塞)為零，由于電動推桿傳動形式為滾珠絲杠傳動即無自鎖，活塞受原海水壓力Psi與自重開始向下加速運動，從而實現(xiàn)快速泄壓。其中在液壓缸1處于增壓開始充壓耦合階段時，液壓缸2處于增壓結(jié)束充壓耦合階段；液壓缸1處于穩(wěn)定增壓階段時，液壓缸2處于泄壓階段；液壓缸1處于增壓結(jié)束充壓耦合階段時，液壓缸2處于增壓開始充壓耦合階段。雙缸循環(huán)協(xié)同工作，不間斷地為原海水增壓。

在電磁換向閥的閥芯完全開啟與關(guān)閉的過程中會有一段等待時間，使得雙缸增壓開始與結(jié)束時的充壓耦合階段的時間得以延長，進一步減弱了由于活塞沖擊所帶來的壓力與流量的脈沖問題。在反滲透組件與電磁換向閥間的高壓濃海水的管路中，安裝了一個溢流閥，可及時溢流出未能全部流過電磁換向閥的高壓濃海水，有效解決了高壓濃海水管路的憋壓問題。

3 雙缸壓力耦合與補充過程動態(tài)特性

為研究液壓缸耦合階段的壓力特性變化，需建立液壓缸壓力交換過程動態(tài)模型[15-16]，對其不同階段壓力與流量變化進行理論分析。壓力補充與耦合過程的受力模型如圖6所示，其中推桿作用在活塞上的推力為FL，活塞和活塞桿折算到活塞上的總質(zhì)量為m，活塞與缸筒內(nèi)部的摩擦力為fm，活塞豎直方向運動速度為v，電磁換向閥閥芯的位移為xv，液壓缸無桿腔活塞面積為A1，有桿腔活塞面積為A2，增壓海水壓力為Pso，流量為Qso，低壓原海水壓力為Psi，流量為Qsi，高壓濃海水壓力為Pbi，流量為Qbi，泄壓濃海水壓力為Pbo，流量為Qbo。

圖6 液壓缸壓力補充與耦合過程受力模型

3.1 增壓過程壓力補充受力分析

左側(cè)液壓缸1在進行增壓過程時，在增壓開始充壓耦合階段，活塞加速度方向豎直向上，除了圖6中所標(biāo)明的活塞組件受到的摩擦力與重力，還受到向下的流體黏性阻力和慣性力的作用，該過程動力方程為：

(1)

式中：g為重力加速度，B為活塞的黏性阻尼系數(shù)。

在穩(wěn)定增壓階段，該階段活塞加速度基本可看作為零，并以最大速度vmax向上運動，該過程動力方程為：

A2Pbi+FL-A1Pso=Bvmax+fm+mg

(2)

在增壓結(jié)束充壓耦合階段，活塞加速度方向豎直向下，因為該階段有桿腔的泄壓濃海水已流出，不再受高壓濃海水壓力作用，同時還受到向下的黏性阻力與慣性力的作用，該過程動力方程為：

(3)

在忽略液壓缸密封處泄露的情況下，液壓缸1無桿腔增壓海水與有桿腔高壓濃海水流量的連續(xù)性方程[17]為：

(4)

(5)

式中：C0為缸體的內(nèi)漏系數(shù)，βe為水的體積彈性模量，V為液壓缸無桿腔增壓海水有效總體積，Cd為換向閥閥口流量系數(shù)，w為換向閥節(jié)流口面積梯度，ΔP1為高壓濃海水經(jīng)過換向閥時流體的壓力損失。

3.2 泄壓過程動態(tài)受力分析

右側(cè)液壓缸2在進行泄壓過程中，泄壓過程開始時，活塞僅受到原海水的壓力與活塞組件的重力作用，加上圖6中所標(biāo)明的活塞組件受到的摩擦力與重力，還受到向下的流體黏性阻力和慣性力的作用，因此活塞會先向下經(jīng)歷一段加速運動，該過程動力方程為：

(6)

當(dāng)流體黏性阻力增加到一定值時，活塞將受力平衡，勻速向下運動，該過程的動力為：

A1Psi-A2Pbo=Bv+fm-mg

(7)

在忽略液壓缸密封處泄露的情況下，液壓缸2無桿腔增壓海水與有桿腔高壓濃海水流量的連續(xù)性方程[17]為：

(8)

(9)

式中：ΔP2為泄壓濃海水經(jīng)過換向閥時流體的壓力損失。

4 能回裝置的動態(tài)耦合過程的仿真分析

4.1 仿真概念模型

利用AMESim中液壓庫和HCD庫建立液壓仿真模型，分別用兩個水泵來代替能量回收系統(tǒng)兩液壓缸輸入端口的流量源，出口處各加入一個溢流閥，防止管路流量過大，導(dǎo)致結(jié)果失效。高壓海水入口處與增壓海水出口處各連接一個節(jié)流減壓閥，用以模擬反滲透膜工作時的壓力損失[18-21]。兩個帶限位質(zhì)量塊的液壓缸分別連接一個推力單元，推力單元與三位四通換向閥利用階段控制信號源控制，概念模型如圖7所示。

設(shè)置能量回收系統(tǒng)回路的元件參數(shù)，電磁換向閥完全關(guān)閉到完全開啟所用等待時間為1.4 s，即兩液壓缸壓力耦合時間T1與T3為0.7 s。原水泵與高壓泵的馬達轉(zhuǎn)速分別為130.0 r/min和124.8 r/min，其中兩液壓缸的內(nèi)徑100 mm，活塞桿直徑20 mm，增壓海水單向閥的開啟壓力設(shè)置為0.4 MPa，原海水口單向閥的開啟壓力設(shè)為0.04 MPa。

圖7 能量回收系統(tǒng)仿真概念模型

4.2 結(jié)果與分析

運行仿真后得到各模塊參數(shù)仿真結(jié)果，在增壓過程液壓缸穩(wěn)定增壓時，活塞的運動速度可達0.172 m/s，其中穩(wěn)定增壓所用時間T2為3.25 s，液壓缸無桿腔增壓海水壓力變化如圖8所示。

圖8表明，在增壓過程中，增壓海水壓力呈現(xiàn)迅速增加、穩(wěn)定、迅速降低變化過程，在加入電動推桿壓力進行補償后，液壓缸出口壓力從4.6 MPa提升到目標(biāo)壓力5.0 MPa，單液壓缸壓力提升后的增壓海水壓力能夠達到設(shè)計要求。

圖8 增壓海水壓力變化

圖9 增壓海水壓力耦合過程

圖9表明，在壓力耦合階段，兩液壓缸壓力變化較為平穩(wěn)，其中前0.70 s壓力耦合階段由液壓缸1中高壓濃海水和兩液壓缸推桿與原海水進行壓力交換；0.70～3.95 s液壓缸1中的高壓濃海水推桿與原海水進行壓力交換；3.95～4.65 s液壓缸2中的高壓濃海水和兩液壓缸推桿與原海水進行壓力交換，壓力耦合效果相對平穩(wěn)。圖10表明，增壓海水流量耦合與壓力耦合過程相似，其耦合過程中不同階段所用時間也完全相同，穩(wěn)定增壓時流量為13.0 L/min。

圖10 增壓海水流量耦合過程

圖11 反滲透膜工作壓力與流量

圖11表明，經(jīng)過雙缸壓力補充與耦合后，反滲透膜組件的工作壓力與流量基本保持穩(wěn)定，其流量基本穩(wěn)定在13.0 L/min，壓力穩(wěn)定在5.0 MPa。在壓力耦合階段依然存在微弱的壓力與流量波動，在裝置的設(shè)計中，電動推桿與活塞桿間安裝有緩沖彈簧結(jié)構(gòu)，能進一步減弱雙缸壓力耦合引起的壓力與流量波動。

5 結(jié) 語

基于雙缸壓力耦合原理，設(shè)計了一種反滲透工藝壓力穩(wěn)定的閥控式能量回收一體化系統(tǒng)，重點分析了液壓缸不同時間段的壓力耦合過程，根據(jù)流體仿真結(jié)果得到以下結(jié)論：

1)在閥控式能量回收系統(tǒng)中引入電動推桿結(jié)構(gòu)，代替壓力提升泵為增壓海水二次增壓補償。通過調(diào)節(jié)換向閥換向等待時間，對雙缸增壓過程進行壓力耦合控制，提出了一種滿足反滲透膜工作壓力要求，并能有效避免反滲透膜工作壓力與流量波動的能量回收一體化方法。

2)設(shè)計了一套適用于能量回收一體化系統(tǒng)的小型反滲透海水淡化工藝，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和工藝參數(shù)，對小型反滲透海水淡化系統(tǒng)進行節(jié)點壓力與電動推桿補償壓力分析計算，優(yōu)化了反滲透系統(tǒng)工作參數(shù)值。

3)通過AMESim軟件對能量回收裝置的壓力補充及耦合過程進行仿真分析，結(jié)果表明在活塞桿的電動推桿補償推力后，增壓海水的壓力可以提升到5.0 MPa的反滲透膜組件目標(biāo)壓力，同時反滲透膜壓力與流量基本保持穩(wěn)定。