論余壓能量回收在船用反滲透海水淡化中應(yīng)用

梅標(biāo)

摘 要：結(jié)合當(dāng)前的船用反滲透海水淡化的發(fā)展情況，從自身的工程經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，在分析了余壓能量回收裝置工作原理的基礎(chǔ)上，多角度探討了試驗(yàn)平臺(tái)的搭建中關(guān)鍵部件選擇以及系統(tǒng)性能測(cè)試等問題，希望對(duì)于今后進(jìn)一步深化研制余壓能量回收裝置有所幫助。

關(guān)鍵詞：余壓能量回收；船舶裝置；滲透海水淡化；關(guān)鍵作用

0引言

當(dāng)前，我國的海軍以及遠(yuǎn)洋運(yùn)輸發(fā)展速度很快，現(xiàn)代化船舶正在朝著遠(yuǎn)洋化、智能化、大型化等發(fā)展。在進(jìn)行如何有效控制反滲透海水淡化成本的過程中，則應(yīng)充分重視如何利用好余壓能量回收技術(shù)。但從實(shí)際情況來，陸地的余壓能量回收裝置存在著成本過大、體積巨大等問題，難以適用于船舶的發(fā)展。所以，這里結(jié)合自身的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，重點(diǎn)探討了小型化的余壓能量回收裝置的相關(guān)問題。

1 余壓能量回收技術(shù)現(xiàn)狀

在進(jìn)行研究反滲透海水淡化推廣應(yīng)用的過程中，主要問題則是涉及到裝置運(yùn)行成本過高的情況，特別是原水在進(jìn)行壓力提升過程中所具備比較高的能耗問題，為了保證系統(tǒng)的運(yùn)行，則應(yīng)該有效降低系統(tǒng)能耗。在具體的過程中，應(yīng)該進(jìn)行加壓海水處理，保證其壓力大于滲透壓的情況下，方可以要求海水透過膜來得到相應(yīng)的淡水。在此環(huán)節(jié)中，還會(huì)產(chǎn)生高壓濃縮水的情況，這部分濃水的壓力往往比較高，能夠?qū)崿F(xiàn)在5-6MPa環(huán)節(jié)，如果不加以重視和有效處理，這樣則存在浪費(fèi)能源的問題。借助于余壓能量回收裝置的作用，能夠?qū)⑦@部分能量進(jìn)行有效的回收，轉(zhuǎn)為系統(tǒng)所需要的能量，可以將上述較高的濃水余壓能量轉(zhuǎn)變?yōu)檫M(jìn)水的壓力能，能有效實(shí)現(xiàn)進(jìn)水壓力提升過程中耗能的降低[1-5]。由此可見，如果充分發(fā)揮好余壓能量回收的作用，能夠有有效控制好系統(tǒng)的能耗問題，特別適用于電力資源較為缺乏的應(yīng)用場(chǎng)合，更能突顯出能量回收裝置的重要作用。

1.1 離心式能量回收裝置

利用上述能量回收裝置能有效開展兩次能量轉(zhuǎn)換，最為代表性的則是透平機(jī)裝置，借助于這種裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)裝置回收余壓能力為透平旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能的作用，然后借助于旋轉(zhuǎn)的葉輪能有效實(shí)現(xiàn)水的壓力的提升。一般情況來看，濃水能量進(jìn)行原海水能力的轉(zhuǎn)換效率往往都在75%之下。從實(shí)踐情況來看，往往是在較為大型的反滲透海水淡化系統(tǒng)中應(yīng)用上述的能量回收裝置。其中，離心式能量回收裝置的最為代表性的為沒過PEI公司的Hydraulic Turbo charger以及丹麥 Grundfos 公司生產(chǎn)的 BMET 透平直驅(qū)泵。在這種系統(tǒng)中，一根轉(zhuǎn)軸連接著兩個(gè)葉輪，并能根據(jù)需要進(jìn)行封裝在殼體之中，這樣在借助于濃鹽水帶動(dòng)葉輪做功而實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)透平軸的旋轉(zhuǎn)。這樣就能實(shí)現(xiàn)透平軸直接帶動(dòng)增壓泵工作，能有實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換效率所提升到65%—80%的范圍。

1.2 容積式能量回收裝置

利用上述裝置能較好實(shí)現(xiàn)余壓能量的直接交換作用，借助于高壓介質(zhì)能夠?qū)崿F(xiàn)活塞推動(dòng)，從而能實(shí)現(xiàn)壓力直接傳遞給所需加壓的介質(zhì)，往往能實(shí)現(xiàn)超過92%的能量轉(zhuǎn)換效率，這種裝置在上世紀(jì)八十年代開始應(yīng)用，當(dāng)前的應(yīng)用數(shù)量正在呈現(xiàn)出逐步上升的趨勢(shì)。

對(duì)于容積式能量回收裝置來說，具有代表性的產(chǎn)品則是壓力交換器，其往往能夠?qū)崿F(xiàn)較高的轉(zhuǎn)換效率，因此較為適用于船舶上所應(yīng)用的反滲透海水淡化裝置系統(tǒng)中。從實(shí)踐情況來看，對(duì)于加勒比海的九個(gè)淡化裝置進(jìn)行分析和統(tǒng)計(jì)，其中一共采用了十七個(gè)大容量壓力交換器，同時(shí)，其每個(gè)裝置的流量都在1000m3/d。這些的裝置的能量回收效率能夠?qū)崿F(xiàn)在90%-98%左右的范圍。結(jié)合當(dāng)前的發(fā)展情況來看，壓力交換式的能量回收裝置，主要包括活塞式壓力交換器和轉(zhuǎn)子式壓力交換器等。

2余壓能量回收裝置工作原理

適應(yīng)于船舶應(yīng)用的語言能量回收裝置來說，主要是涉及到活塞桿、活塞、缸筒、單向閥、先導(dǎo)閥塊以及換向閥塊等內(nèi)容。其中，結(jié)合裝置的特點(diǎn)來看，兩個(gè)活塞則是安裝在左右缸筒內(nèi)部能夠?qū)崿F(xiàn)左右移動(dòng)的需求，自然而然就會(huì)形成濃海水腔和原海水腔。在此基礎(chǔ)上，經(jīng)過反滲透膜的作用，排除高壓濃海水的情況下，這樣就能讓濃海水進(jìn)入余壓能量回收裝置的換向閥，并能夠進(jìn)入左缸筒的位置。這樣情況下，濃海水往往具有5.5MPa左右較高的壓力，這樣就會(huì)在裝置內(nèi)部完成相應(yīng)的能量交換工作。對(duì)于原海水來說，必然存在著壓力增加的情況，這樣就利用單向閥而到反滲透膜中，能夠?qū)崿F(xiàn)反滲透的要求。此時(shí)，考慮到單向閥的特點(diǎn)以及作用，能處于反向截止?fàn)顟B(tài)。這樣利用打壓過程中，實(shí)現(xiàn)原海水進(jìn)入缸筒的要求，這樣就會(huì)實(shí)現(xiàn)原海水壓力較大，而不斷進(jìn)入缸筒內(nèi)部，同時(shí)，這樣情況下，泄壓濃海水則利用換向閥的泄壓口來進(jìn)行排出[1]。

3試驗(yàn)平臺(tái)的搭建

在上述基礎(chǔ)上開展相關(guān)的實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，對(duì)于原水進(jìn)行增壓以及過濾器預(yù)處理，能實(shí)現(xiàn)其成為低壓原水。一部分低壓原水經(jīng)過高壓泵增壓處理，能夠得到反滲透膜的實(shí)際操作壓力要求；另一部分，則是從相應(yīng)的裝置中的低壓原水進(jìn)口來進(jìn)入裝置，并要求裝置內(nèi)部的能量交換為高壓原水，要求通過高壓原水出口進(jìn)行輸出，然后將相應(yīng)的兩部分高壓原水進(jìn)行混合輸出，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的反滲透膜組件的要求。在進(jìn)行相關(guān)的反滲透處理過程中，這樣產(chǎn)出淡水則是通過管道進(jìn)入水箱，而另一部分高壓水則是用來進(jìn)行高壓濃海水的模擬處理，并能按照要求進(jìn)入相關(guān)的回收裝置，通過必要的壓力轉(zhuǎn)換后成為低壓濃鹽水，并進(jìn)行排放至水箱。

2.1高壓泵的選擇

在進(jìn)行高壓泵的選擇過程中，進(jìn)行系統(tǒng)的柱塞泵的應(yīng)用，主要考慮到以下幾個(gè)方面的因素[2，3]：一是，柱塞泵具有較高的工作效率，往往能夠?qū)崿F(xiàn)高于85%，且具有較低的能耗；二是，柱塞泵體積比較小，較為適用于船舶上空間狹小的場(chǎng)所；三是，柱塞泵具有比較寬的流量范圍，能符合幾臺(tái)離心泵的流量范圍；四是，具有比較小的噪聲，相應(yīng)的維護(hù)成本比較低。

2.2供水泵的選擇

供水泵在進(jìn)行開展反滲透海水淡化的過程中，往往都是采用離心泵，主要是從其所具備的壓力以及低流量的情況下考慮，其主要的工作效率比較低，往往低于40%。在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中，則是供水泵采用螺桿泵，主要是考慮到其具有比較高的效率，能夠?qū)崿F(xiàn)比較寬的壓力以及流量范圍，能實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的流量調(diào)節(jié)要求，其特點(diǎn)符合船舶使用的要求。

4裝置性能測(cè)試

4.1有效能量轉(zhuǎn)換效率

在進(jìn)行性能測(cè)試的過程中，所謂的有效能量轉(zhuǎn)換效率更多則是表征裝置回收濃鹽水的能量后輸出有效能量的情況，涉及到余壓能量回收裝置的性能，在進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)測(cè)試的過程中，依照相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求來進(jìn)行計(jì)算。經(jīng)過測(cè)試結(jié)果來分析，結(jié)合不同的壓力以及流量的要求下，通過相關(guān)的轉(zhuǎn)換計(jì)算，有效能量轉(zhuǎn)換效率能夠滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求，具體來說，有效能量轉(zhuǎn)換效率不低于90%，從這點(diǎn)可以看出，這項(xiàng)裝置在進(jìn)行能量回收環(huán)節(jié)具有較高的效率。

5結(jié)論

綜上所述，借助于余壓能量回收裝置的功能，通過反滲透膜的作用進(jìn)行高壓濃海水能量的排除，并能實(shí)現(xiàn)作用于低壓原水，具有比較高的回收效率，這樣能有助于實(shí)現(xiàn)反滲透海水淡化系統(tǒng)的節(jié)能效果，能有效符合船舶的使用條件，應(yīng)該在進(jìn)一步進(jìn)行相關(guān)功能的研發(fā)，更好地符合船用反滲透海水淡化的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉海強(qiáng) 張艷. 船用反滲透海水淡化產(chǎn)水量提高途徑研究[J]. 中國水運(yùn)（下半月），2014（4）.

[2] 梁承紅， 邢紅宏， 李蔭， 等. 反滲透海水淡化技術(shù)在艦船上的應(yīng)用[J]. 化學(xué)工程與裝備，2011（10）.

[3] 孫毅， 鄭增建， 單繼宏， 等. 基于船用反滲透海水淡化裝置的壓力與溫度參數(shù)優(yōu)化[J]. 浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)， 2016（4）.

[4] 鄒川玲， 劉淑靜， 張拂坤， 等. 反滲透海水淡化技術(shù)發(fā)展?jié)摿υu(píng)價(jià)指標(biāo)體系研究.

科技管理研究， 2015， 35（19）.

[5] 陳棫端， 呂東方， 于開錄， 等. 艦用海水淡化技術(shù)裝備現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì). 艦船科術(shù)， 2014， 36（08）.