非直接接触式流体能量回收技术的节能机理

非直接接触式流体能量回收技术的节能机理

0能量回收技术随着世界淡水资源的日益匮乏，海洋净化业的发展是各国的共同趋势，也是朝阳国家竞购的两类企业。作为海水淡化主导技术的反渗透法,已经在各个缺水国家达到了比较广泛的工程应用,并取得了良好的经济效益。但是系统中的能量回收技术,由于发展缓慢,在我国还是制约海水淡化成本的一大瓶颈。通常,在反渗透海水淡化(SWRO)系统中反渗透膜的操作压力为5.8～8.0MPa,从膜器中排放的废浓盐水的压力高达5.5～6.0MPa。如果按照通常40%的回收率计算,浓盐水中约有60%的进料压力能量,具有巨大的回收价值和意义。1swro系统的主要能量回收技术按照工作原理,流体能量回收技术主要分为流体非直接接触式和流体直接接触式两大类。1.1机械能中介式技术在非直接接触式流体能量回收装置中,高低压流体需要借助叶轮和轴来传递能量,即以机械能作为流体能量传递的中间环节,故又称为机械能中介式技术。能量的转换过程为压力能—机械能(轴功)—压力能。采用流体非直接接触式技术的典型装置类型有逆转泵型(FrancisPump)、佩尔顿型(PeltonWheel)叶轮和水力透平(TurboCharger)等。这种技术的节能机理是在回收高压流体中的压力能的同时减少高压泵的提升压力差来降低系统的能耗。1.1.1透平透平泵和顺轴机冷压机联合能量回收装置在高效循环技术中的应用逆转泵和佩尔顿叶轮装置的原理类似,属于外力驱动泵式装置,即其加压泵由外电机驱动,通过轴传递的能量为辅助形式。这类装置可以成为第一类流体非直接接触式装置。高压废流体驱动透平中的叶轮,通过传动轴与泵连接,为新鲜低压流体加压,做功后的高压废液流体丧失能量后排出。图1为该类装置的能量传递示意图。这类能量回收技术的优点是装置结构简单,便于操作和维护,设计方法成熟,设备造价一般也不是很高。但由于流体的压力能是先转化为机械能后再转化为流体压力能,中间存在机械能传递,使得能量损耗大,因此这类装置的能量回收效率都不是很高。对于逆转泵,一般只能达到30%左右。逆转泵的效率还受到高压废流体流量的限制,在流量高于最佳工况10%时,回收效率下降50%;在流量低于最佳工况40%时,则无回收能量的功能,能量回收装置反为耗能装置。但由于逆转泵设计成熟,成本低,因此在工业领域有较广泛的应用。由美国太平洋泵业公司开发的径向叶片涡轮液力透平比起逆转泵有较好的效率,在石油化工行业也有一定的应用前景。佩尔顿叶轮机虽然工作效率受高压废流体的压力和流量的影响较小,旋转部件少,工作也更加安全可靠,效率也相对高一些,但其叶轮设计复杂,机械加工难度比较大。其工作特性和叶轮形式之间的关系还有待进一步研究,但近年来迅速发展的计算几何、CCD三维紧密测绘技术以及许多商业流体力学模拟软件的问世,极大地推动了人们对佩尔顿叶轮研究的深入。1.1.2采用高压流体回收系统水力透平(HydraulicTurbo)的广泛应用是在上世纪80年代后期,这类装置可以称为第二类流体非直接接触式装置。图2为该类装置的能量传递示意图。这类装置与逆转泵及佩尔顿叶轮机型的最大区别在于其透平叶轮和泵体叶轮安装在同一壳体中,用高压浓盐水直接冲击透平叶片,通过轴功直接驱动加压泵工作,并尽可能减少中间传动轴的机械能损失。从高压流体回收后的能量作为唯一的驱动力驱动泵的工作。由于这类装置集成了泵叶轮和透平,因而可以完全独立地工作,脱离了要与高压泵或电机轴相联的束缚,使得装置设计紧凑,拆装容易,检修方便。研究表明,这种装置对流体压力、流量的波动适应性较好,在较宽的范围内能量回收效率能维持在60%左右,但是在进料水处理量低于10m3/h的小流量下工作效率骤降为30%左右,因而非常适合在大流量下工作,规模效率明显,小型化困难,而且价格也较昂贵。上述几种流体非直接接触式流体压力能回收技术在大型反渗透海水淡化装置中都有很广泛的应用,并有很好的经济效益,淡化成本明显降低。如西班牙CanaryIslands海水淡化厂,通过使用水力透平,整套海水淡化系统的能耗成本下降了40%。虽然流体非直接接触式能量回收装置技术比较成熟,但由于原理上的不足,即必须先将压力能转化为机械能后再转化为压力能,在转化过程中不可避免地存在能量损失,因此在现有基础上进一步提高效率的空间已经非常有限。1.2采用能量转换回收技术由于机械能中介式的压力能回收技术受到能量多次转换的影响,回收效率的提高受到限制,人们开始研制更高效率的回收装置。近年来,一种新的压力能回收技术——直接接触正位移技术得到了非常迅速的发展,在众多相关工业领域得到了较为广泛的应用。这种技术的节能机理是在产量不变的情况下减少通过高压泵的流量的方式来降低系统的能耗。它使高低压流体直接交换压力能,而不需要机械辅助装置,又称为正位移技术。能量的转换过程为压力能—压力能。如果忽略装备中的摩擦和泄漏,装置的效率理论上可以达到100%,实际效率亦可达到80%～90%。正是这种高回收效率,使其成为目前国内外许多研究学者研究、开发的热点。按照运动部件的类型,这类装置可分活塞式功交换器(WorkerExchange)和旋转式压力交换器(PressureExchange)两种。1.2.1海水淡化系统的功交换器节能与比较活塞式功交换器(WorkerExchange)自身的结构非常简单,图3为其结构原理图。高压流体通过活塞为低压流体加压,同时活塞还可有效防止高低压流体的混流,且活塞本身的阻力很小,使通过其传递的压力能损失很小,传递效率接近100%。在国外,已经有很多大型的海水淡化系统采用这种技术进行能量回收,其最低电耗仅为2.4kWh/m3,相对于国内已有的海水淡化系统5～6kWh/m3的电耗,其优势相当明显。以产量1000m3/d,WE98%的转换效率,Turbo60%(2500m3/d流量下)的转换效率计算,在不考虑其他因素的情况下,分别在没有能量回收装置以及采用WE和水力透平进行能量回收三种情况下的能耗对比如表1。由表1可见,在相同工况下,采用功交换器的反渗透海水淡化装置的能耗明显低于采用水力透平的反渗透海水淡化装置。这说明前者的工作效率明显高于后者。由于功交换器必须有两个以上的功交换器单元配合使用才能保证过程的连续性,因此功交换器都配合有比较复杂的液压控制和换向控制系统。新研发的LinX控制阀代替了高压进口侧的控制阀原来的8个控制阀,改善了可靠性,减少了维护需要程序,系统如图4所示。1.2.2能量回收装置旋转式压力交换器(PressureExchange)主要部件是一个无轴的转子,沿轴向开有数个孔道,高低压流体在孔道中交换能量,并依靠转子的连续转动实现系统的连续运行。由于转子是连续运行,其流量比活塞式的功交换器大。同时,旋转式压力交换器消除了复杂的控制阀路以及相关的同步机制,而且对介质成分的要求不高,如含固体颗粒的物料,因为杂质会损伤活塞内壁而不适用于功交换器中,但完全可以利用旋转式压力交换器来回收流体能量。因此,旋转式压力交换器是目前回收效率最高、工况适应性最好的能量回收装置,也是目前研究、开发的热点。图5为压力交换原理图。在反渗透海水淡化系统中,从膜具中出来的高压浓盐水与低压进料海水在转子的轴向流道中直接接触传递能量,圆柱形陶瓷转子受到高低压流体的切向冲力在端盖之间的套筒中自动平稳旋转运动,从而实现连续利用高压浓盐水增压进料海水以及利用进料海水排放泄压浓盐水的过程,而不需要消耗额外动力。转子在转动过程中靠少量高压海水在套筒中形成的静压系统来润滑。图6给出了使用压力交换器作为能量回收装置的反渗透海水淡化系统流程图。以制淡率40%计算,即A点进流量为100单位(m3/s)海水,从I点生成40单位的淡水,则流程中各点的流量和压力参数见表2。由表2可以看出,通过使用PE,从反渗透膜出来的浓盐水的压力能绝大部分都传递给了与之流量差不多的通过PE的低压海水,从而能量回收效率比较高。由于高低压流体在转子流道中是直接接触交换能量,因此必定存在一定量的掺混。研究表明,由于转子的转速很高(一般为1200～1500r/min),在恒定的流量和转速下,高低压介质的接触时间非常短,掺混率只有1%～2%,一般不会超过3%。且对转子转速的提高影响并不明显。转子的转速、掺混率、掺混域长度和运动速度与高低压总流量之间的关系图见图7,横坐标为高低压流量之和。这类装置以美国ERI公司生产的PX装置为典型代表。PX目前主要用于反渗透海水淡化系统,回收效率一般可以达到90%以上。目前,国内许多反渗透海水淡化工厂都采用PX能量回收装置,系统运行稳定,能耗明显降低,取得了很好的经济效益。对于产量规模大的SWRO系统,一般采用多台装置并联使用。如山东荣成市日产10000t海水淡化示范工程,一级反渗透系统由12套PX构成,总能耗为3.54kWh/m3,低于5.5kWh/m3的国家标准能耗值;中油大连石化分公司的日产5000t的大型反渗透海水淡化工厂,一级反渗透系统由6套PX构成,总能耗低于5.04kWh/m3。2压力能回收装置的现状SWRO系统中的流体能量回收利用技术有着良好的前景。表3总结了各种流体能量回收技术装置的性能和状况,从中可以看出,采用正位移原理技术的装置效率大大地高于机械能中介式的装置,且结构简单,操作方便,能在短期内收回投资,已经逐渐成为海水淡化行业中新的工业标准。特别是旋转式压力交换器是目前效率最高、效果最好的压力