柱塞式高压泵能量回收一体一体的海水淡化装置

柱塞式高压泵能量回收一体一体的海水淡化装置

1种反渗透海水淡化设备的开发中国拥有丰富的海洋和岛基资源，是世界上最具潜力的国家之一。海洋养殖行业已在18.72万艘海上渔船中捕鱼。随着海洋经济发展、海洋资源开发、海洋环境保护和海洋权益维护力度的提高和加强,对作为物质基础和支持条件的淡水资源的需求日益增长。国家发改委、国家海洋局联合在2017年12月印发的《海岛海水淡化工程实施方案》中指出,将力争3～5年内在辽宁、山东、青岛、浙江、福建、海南等沿海省市推进100个左右海岛的海水淡化工程建设及升级改造,并对海岛海水淡化装置提出了降低海水淡化能耗的要求。中小型反渗透海水淡化技术凭借其水质安全、产水量稳定、建造周期短、受时空和气候条件的影响较小、组合类型多样、方便运输和操作简单等特点,发展速度较快,是目前应用和开发的热点能量回收设备的作用是回收海水淡化系统排放高压盐水的压力能,并对低压海水进行加压,以大幅降低反渗透海水淡化系统的运行能耗柱塞式高压泵具有结构紧凑、运行稳定、流量调节简单、运行效率高等特点,特别适用于中小型海水淡化装置。文章基于柱塞式高压泵,开发一种柱塞泵反转做能量回收设备,并与柱塞式高压泵集合在一起的一体机装置,称作柱塞式高压泵能量回收一体机,简称一体机。此装置功能上集高压泵、能量回收设备、增压泵和电机于一体,结构紧凑,符合中小型海水淡化装置的发展要求。文章首先从结构、工作原理角度分析此装置的运行可行性、特点优势和评价方法,其次通过专业测试平台和耦合在海水淡化装置中进行性能评价。22.1第二代压压泵和能量回收一体机一体机结构上是由高压泵1、能量回收设备2和电机4三个主要部分组成,如图1所示,其中高压泵和能量回收设备通过联轴器3同轴连接。能量回收设备结构组成与柱塞泵一致,但工作原理相反;能量回收设备是通过高压浓水推动柱塞往复运动,利用斜盘转化为转子的转动机械能,通过联轴器传递到高压泵侧,与电机共同给高压泵提供动力为低压海水加压,实现能量的回收转化。一体机的工作原理与第一代能量回收设备相同,通过“压力能-机械能-压力能”三步转换过程,以降低高压泵电机功率的方式实现海水淡化装置运行能耗的下降。此种能量转换方式将与能量回收设备匹配的增压泵的压力提升效果耦合到高压泵中,使低压海水直接加压至海水淡化系统工作压力,相比常规工艺省去了为能量回收装置出口的高压海水提供补偿压力的增压泵,从总体效率核算角度来看,省去一台电机,等同于提高了共用电机的机械效率,并且降低了设备投资成本50%以上,具有结构紧凑、管路连接简单的特点。根据反渗透海水淡化系统的工艺流程,一体机最优工艺参数是其高压浓水和高压海水的流量比率与海水淡化装置的产水率加和等于1,能量回收设备的流量根据耦合的淡化系统的产水率算得,在此基础上设计装置内部结构参数,以及计算电机的功率。2.2压力和能量回收特性为对柱塞式高压泵能量回收一体机进行性能评测,搭建专用测试平台,仿真一体机在海水淡化系统中的运行工况条件,实验平台的工艺流程如图2所示。低压海水从水箱1通过低压泵加压后进入一体机的高压泵,将压力提升至5.5～6.5MPa,然后流入膜组件;透过膜组件的淡水汇流进入水箱2;未透过膜组件的是高压浓水,流入一体机的能量回收侧进行压力能回收,回收完压力能之后的泄压浓水流入水箱2。其中膜组件由两个截止阀代替,模拟其分流和阻力损失过程。在进出一体机的四条管路上分别设置压力表和流量仪表,分别为Psi、Qsi、Pso、Qso、Pbi、Qbi以及Pbo、Qbo。通过指针读数和数显示器进行数据采集。测试工艺流程见图2。测试介质为海水,TDS为32000mg/L,水温25℃,能量回收排放压力<0.2MPa。图3是一体机测试现场照片。3组一体机运行功率对比为更全面的了解一体机的性能参数,将三种不同处理量规模的柱塞式高压泵能量回收一体机安装在上述实验平台中进行性能测试,运行数据见表1。结果表明,一体机运行性能稳定,高压泵出口压力波动值小于0.1MPa,其中运行功率根据(GB/T32359-2015)产水能耗计算式得出。为评价一体机中能量回收设备的功效,引入计算功率,计算方法见等式(1),表示在没有能量回收设备的情况下,达到同等的压力提升效果电机所需的功率;根据测试装置的出厂参数,其泵效率η取90%,电机效率η1取87%;可以得出三台一体机的运行功率都小于计算功率,表明能量回收过程起到作用,验证了一体机原理和结构的可行性。计算功率=(Pso-Psi)*100*Qsi*0.06*9.81*1.03/(3.6*η*η相比于无能量回收装置的计算功率,三台一体机运行功率降低比例分别是36.9%、33.5%和27.6%;随着处理量的增大,能量回收设备节省的能耗比例越大,这与柱塞泵随着处理量增大机械效率逐渐增高的特点一致。由于压力损失及机械损失,三台一体机运行功率降低比例也都小于高压浓水与高压海水的比例(见表1)。此测试结果侧重验证一体机的运行可行性、能量回收效果和连续运行稳定性,数据采集的方式相对单一。4体化海水淡化装置性能测试基于上述实验平台上的测试结果,为进一步验证一体机在真实运行工况下的运行性能,将一体机耦合在中小型海水淡化系统中进行性能评测。淡化系统为反渗透处理工艺,设计处理量为50m为了对比一体机的运行性能,用同一套海水淡化装置先后开展另一个性能测试方案,用柱塞式高压泵替代一体机。此方案由于没有能量回收装置,高压浓水经过泄压阀直接排放,高压泵的额定流量与一体机中高压泵额定流量保持一致,其它工艺参数都保持不变。为了对比更为直观,选取进水电导和产水流量基本一致的两组数据,见表2。在测试过程中海水淡化装置整体运行稳定,表明一体机可以较好的匹配海水淡化装置。一体机的运行功率是6310w,相比于计算功率11575w,降低了5265w,降低的比例是45.5%。一体机的计算功率与高压泵的运行功率相差8.9%,高压泵的计算功率与运行功率相差4.2%,这两组数据也验证了计算方法的合理性。经过7×24小时的连续运行试验,海水淡化系统运行参数保持稳定,与不带能量回收设备的淡化系统进行对比,操作过程和性能参数基本一致,但是能耗大幅降低。5u3000结论自主研发的柱塞式高压泵能量回收一体机集四种装置于一体,结构紧凑,明显简化了系统布局,较好的解决了中小型海水淡化装置无匹配能量回收设备的问题,大幅降低淡化产水能耗。通过在实验平台和耦合于海水淡化装置中的测试结果表明,一体机性能稳定,较好的适应了海水淡化装置的运行工况。柱塞式高压泵能量回收一体机的应用有利于中小型海水淡化装置在舰船、海岛、钻井平台上的推广应用,提供低成本的淡水资源供应。为进一步评价一体机的运行性能,需继续开展在中小型海水淡化系统