透平式能量回收一体反渗透海水淡化装置运行能耗分析

透平式能量回收一体反渗透海水淡化装置运行能耗分析

0透平式当前气运稳定特性液力透平建成的海水净化技术是目前最成功的海水净化技术，可以应用于沿海地区、岛屿、海上和其他地方。标准海水的含盐量约为35000mg/L，需用泵将原海水加压至6.0MPa左右，才能达到反渗透海水淡化过程设计要求，实现海水淡化。未作任何节能处理的该类系统中，加压泵的能耗可占系统总能耗的70%左右从运行原理看，液力透平可对工艺流程中排出的高压浓海水进行再利用，目前已成为一种在反渗透法海水淡化技术中因地制宜的能量回收手段一般地，液力透平可按种类分为反转式和冲动式反渗透海水淡化能量回收一体机作为应用场景较为特殊的流体机械装置，其流动机理及研发理论均较为匮乏。对于透平式能量回收一体机，其能量回收效率与其中两个核心动力部件——透平（反转式离心泵）和泵均相关。该类机型与抽水蓄能机组中常用的水泵水轮机的相似之处在于：为同时满足透平和泵的功能，都需将二者的水力设计相互耦合；全特性区的流动都非常复杂本文在介绍反渗透海水淡化技术及能量回收一体机工作原理基础上，对透平式能量回收一体机的透平端和泵端分别进行数值计算，探讨了一体机透平侧和泵侧各自在不同运行条件下的水力性能和流动特性，为此类流体机械的水力设计和研发提供理论依据。1海水处理技术和能量回收1.1机离子及有机小分子物质的分离和测定反渗透（reverseosmosis,RO）是利用半透膜使溶液中的小分子物质、离子和溶剂分离的一种膜过程，能有效去除水中的无机离子及0～12nm的有机小分子物质。反渗透技术广泛应用于海水淡化，苦咸水淡化，电子、制药工业中超纯水的制造，电厂锅炉给水、制冷机循环用水的生产，各种废水的处理及再生回用，医药工业、食品饮料工业中低分子物质水溶液的浓缩和有机物质的回收等在进行反渗透海水淡化的过程中，需耗能以提升进料海水压力克服渗透压完成海水淡化，无能量回收措施的反渗透海水淡化装置的能耗约为8～10kW·h/m1.2安装能量回收装置后的工艺流程透平式能量回收一体机的核心部件由透平端、泵端及主轴组成。在未安装能量回收装置之前，反渗透海水淡化的工艺过程是，经过高压泵加压后的原海水进入膜组件，部分原海水通过反渗透膜以淡水形式产出，另一部分高压浓海水经泄压直接排放。安装能量回收装置之后的工艺流程如图1所示，高压浓海水由入口进入一体机透平侧，冲击透平转轮转动的同时带动同轴的泵叶轮旋转，高压浓海水携带的能量经过“压力能→机械能→压力能”转化之后传递给由一体机泵侧入口进入的低压原海水，而浓海水由透平出口以常压排出，由一体机泵侧进一步增压后的原海水进入膜组件。能量回收一体机内的流动过程如图2(a）所示，图2(b）为运行于三沙市的反渗透海水淡化装置及一体机。2计算模型和网格的划分2.1透平和泵系统原理以图2(b）运行于三沙岛反渗透式海水淡化装置中的透平式能量回收一体机为研究对象，其透平端的三维全流道如图3(a）所示。透平工作时，高压浓海水作为反渗透海水淡化的副产品，从蜗壳入口流入，流经透平转轮做功后，从引流管排出。泵端的三维全流道如图3(b）所示，原海水经一加压泵后，流入一体机的泵端再次加压后流入反渗透膜组件中进行淡化。透平式能量回收一体机的透平和泵通过主轴直联（见图3(c）），透平直接为泵提供进一步加压的动力。一体机在系统中运行时无任何外加电机等设备调控转速，因此透平和泵在运行过程中的转速非常高，一般可达20000r/min以上。研究对象一体机的高压透平端为典型的离心泵反转做透平，无导叶，转轮叶片数为8，是二维直叶片型式，透平端的比转速n泵端为典型的离心式水泵，泵叶轮的叶片数为8，也为二维的直叶片型式，泵端的比转速n2.2参数设置和边界条件采用不可压缩流体的连续方程和雷诺平均的N-S方程模拟透平侧和泵侧内的三维流动，定常计算的湍流模型选择SSTk-uf077模型。数值计算中，透平侧入口边界设置在蜗壳进口面，根据水头大小给定总压的进口条件；透平侧出口设置在尾水锥管出口处，初始按平均静压为零给定边界条件；计算域中的壁面和过流部件中所有固定壁面均设置为无滑移面。泵侧入口设定在泵进口段的进口面，按各工况的质量流量设定进口条件；泵侧出口设置在蜗壳出口面，初始按平均静压为零设定边界条件；计算域中的壁面和过流部件中所有固定壁面均设定为无滑移面。交界面采用滑移网格模型来模拟动静域流场，交界面两侧的网格结点并不一定相互重合，在交界面处保证速度分量等物理参数一致，同时保证积分后压力和流量一致。由于本文分别探讨透平侧和泵侧各自的水力性能和流动特性，所以对工况点的选择暂不涉及两者的耦合运行。在装置额定转速下，对透平侧分别选取0.8H2.3网格数量及网格预测透平侧的数值计算域分为蜗壳、转轮和尾水管三部分；泵侧数值计算域分为进口段、叶轮和蜗壳三部分，均采用六面体单元进行空间离散化处理。由于模型网格质量对数值结果有重要影响，因此对两计算模型都进行了网格无关性验证如图4所示，在某一较低水头的偏工况下，选取网格总数分别为150、300、450、600、750万的透平侧模型进行数值计算，得到透平侧水力效率与网格数的关系曲线；在某一低流量的偏工况下，选取网格总数分别为100、150、300、450、600万的泵侧模型进行数值计算，得到泵侧水力效率与网格数的关系曲线。结果显示，预测的透平侧水力效率在模型网格数为450万后的波动基本趋于一致，兼顾考虑数值计算的资源和结果的准确性，选择网格总数为450万左右的模型进行透平侧后续数值计算；预测的泵侧水力效率在模型网格数为300万后的变化较小，基于与透平侧模型选择相同的考虑，选择网格总数为300万左右的模型进行泵侧后续数值计算。透平侧整体的网格和其中转轮部件的网格情况如图5所示，不同计算域的网格数为：蜗壳域193万，转轮域204万，出水管74万，共计471万。泵侧整体的网格和其中叶轮部件的网格情况如图6所示，不同计算域的网格数为：进口段19万，叶轮域163万，蜗壳域112万，共计294万。3数值计算结果和分析3.1水力损失统计分析通过CFD数值计算，可分别计算出透平和泵侧各自的水力效率η。对透平侧和泵侧，各自的外特性性能参数计算公式分别如下：透平侧水力效率计算公式：泵侧水力效率计算公式：一体机能量回收效率的计算公式：式中：扭矩对于透平侧，内部各计算域的水力损失百分数与透平水力效率之和为100%。蜗壳域和出口管中的水力损失分别按流体介质在该域进、出口的总压变化量与透平侧整体的进、出口总压变化量之比来给定；特别地，对于包含做功部件的转轮域，其域内水力损失还须在此基础上减去透平的水力效率部分来确定。对于泵侧，也是按上述求解原理确定各计算域内的水力损失。图7(b）为不同水头下，透平侧内各域的水力损失量化分布。透平侧水力损失集中发生在转轮域；不同水头下，该域内绝对水力损失为9%～11%，占总损失的约60%，在额定水头附近最小；蜗壳所占的水力损失其次，随水头增加从4%增至6%；出水管中的水力损失占比最小，随水头的增大而减小，从3%左右逐渐减至2%。图8(a）中为数值计算预测的泵侧水力性能参数和各部件的水力损失，图中横坐标为无量纲流量。随着泵过流量从0.6Q图8(b）为不同流量下，泵侧内各域的水力损失分布。低流量工况下，泵侧水力损失集中发生在叶轮和蜗壳域内。叶轮域的流量-水力损失曲线呈倒抛物线形，随流量升高，域内水力损失由0.6Q结果显示，在各自的额定工况下，透平侧水力效率η3.2h透平出口管集中布置选取透平侧在0.8H图9为三个工况下透平转轮中间截面的流速与流线分布图。在0.8H在1.2H图10是0.8H透平的出口管为带有一定锥度的直锥管，沿流动方向过流面积逐渐增大，能回收部分动能，其水力损失在域内最小，但也较明显。由流线图可见，0.8H3.3q蜗壳域内的三维流态分析选取泵侧在0.6Q图12为流量不同的三个工况下泵整体流道内的三维流线图，颜色刻度表征流速的大小。由图12(a)～(c）可见，流量由0.6Q蜗壳域内的三维流线结果显示，小流量工况下的流线更为顺畅，仅在蜗壳隔舌后的出口管内存在低速区和漩涡流（见图12(a））。在设计流量工况点，蜗壳内的流线沿周向相对分布均匀，但流线形态在隔舌前后区域变得复杂，且出口管内流线间的速度差变得更为明显（见图12(b））。在大流量工况下的流态恶化更为明显。由图12(c）可见，在1.4Q4透平式能量回收一体机运行工况本文通过数值方法对透平式能量回收一体机的水力性能参数与流动特性进行了计算分析，并与现场实测的运行数据进行了对比验证。一体机在耦合运行工况下，数值计算的整体效率结果与实测数据较吻合。当一体机透平侧工作水头在(0.8～1.2)H当一体机泵侧的工作流量在(0.6～1.4)Q综上，在装置的实际运行中，为保持较高的一体机整体能量回收效率，须同时保证透平侧和泵侧的运行工况均在各自的最优效率工况点附近。后续研究工作可以针对透平式能量回收一体机泵侧、透平侧的耦合