反滲透海水淡化能量回收裝置的研究現狀及展望

尹方龍，汪 陽，賈國濤，聶松林，紀 輝，馬仲海

(1.北京工業大學 先進制造技術北京市重點實驗室，北京 100124; 2.中國船舶第七〇五研究所昆明分部，云南 昆明 650032)

引言

我國是聯合國認定的全球13個人均淡水資源貧乏的國家之一，人均淡水資源量僅為世界平均值的1/4。隨著城市化和現代化進程的不斷推進，淡水資源短缺已成為制約國民經濟建設和社會發展的重要因素。采用市場化程度較高的海水淡化技術實現水資源的開源增量，是緩解我國水資源危機的關鍵舉措[1-4]。“《中國制造2025》重點領域技術路線圖”和《關于發展海洋經濟——加快建設海洋強國工作情況的報告》已明確提出將海水淡化產業融入國家重大戰略，形成一批具有國際競爭力的優勢產品。反滲透海水淡化(Seawater Reverse Osmosis Desalination，SWRO)技術利用電能驅動高壓泵從海水中分離出淡水，整個過程不發生相變，工藝簡單，結構緊湊，比能耗低，已成為世界上應用最廣泛、最有競爭力的海水淡化手段[5-8]。

我國反滲透海水淡化技術的研究始于1965年，于1997年在浙江嵊山鎮建成了首個反滲透海水淡化工程[9]。歷經數十年發展，截至2019年底，全國共有反滲透海水淡化工程97個，產水量達1.001×106m3/d[10]。規模如此龐大的工程在運作時需要大量的能量輸入，如果將反滲透余留的高壓鹽水直接廢棄排放，會造成不低于10 kW·h/m3的能耗損失。作為SWRO系統的核心元件之一，能量回收裝置的作用是回收未透過反滲透膜組件的高壓鹽水用于做功，進而大幅度降低系統的產水能耗和投資成本。據統計，安裝有能量回收裝置的SWRO系統能耗可從13 kW·h/m3降低至2～3.5 kW·h/m3，減少了約60%的能耗，能量回收效率高達97%[11-12]。

由于能量回收裝置對于反滲透海水淡化工程具有顯著影響和實用價值，美國、德國、丹麥、瑞士和英國等國家在20世紀70年代便著手研究，經歷了3個發展階段，開發出一系列商業化產品[9]，例如美國ERI公司的PX系列產品、德國KSB公司的SalTec系列產品、丹麥Danfoss公司的iSave系列產品等。自20世紀90年代以來，我國浙江大學、天津大學、北京工業大學、燕山大學和中國科學院廣州能源研究所等單位也逐步開展了反滲透海水淡化能量回收技術領域的研究工作，不僅研制出了多種高效的能量回收裝置樣機，并在其工作機理和特性研究方面取得了一定成就。

本研究介紹了反滲透海水淡化能量回收裝置的分類和工作原理，并重點綜述了國內外的研究成果和進展，最后結合國內外研究現狀分析總結了我國反滲透海水淡化能量回收裝置的發展方向。

1 分類和工作原理

反滲透海水淡化能量回收裝置按照其工作原理主要可分為液力透平式、正位移式和泵-馬達式3種類型，見表1。

表1 反滲透海水淡化能量回收裝置優缺點比較Tab.1 Comparison of advantages and disadvantages of seawater reverse osmosis desalination energy recovery device

第一代和第二代能量回收裝置均采用液力透平工作原理，但具體實現方式有所區別[13-14]。第一代能量回收裝置將電機置于高壓泵和透平中間，三者同軸連接，利用反滲透膜組件的高壓截留液推動透平的葉輪旋轉，通過對軸做功來輔助高壓泵對海水增壓，從而實現節能的目的，如圖1所示；第二代能量回收裝置將離心泵和透平同軸連接，和高壓泵互相獨立運行，高壓鹽水推動透平帶動離心泵給海水增壓，通過降低高壓泵的提升壓力來降低產水能耗，如圖2所示。盡管液力透平式能量回收裝置最早被應用且技術相對成熟，但其需要經歷“水壓能-機械能-水壓能”的兩步能量轉化過程，能量回收效率一般不超過80%，已逐漸被市場淘汰。

圖1 第一代能量回收裝置運行原理Fig.1 Operating principle of the first generation energy recovery device

圖2 第二代能量回收裝置運行原理Fig.2 Operating principle of the second generation energy recovery device

基于“功交換”原理的正位移式第三代能量回收裝置利用流體的不可壓縮性可直接實現高壓鹽水和低壓海水間的能量傳遞。系統工作時，低壓海水在能量回收裝置中先由高壓鹽水直接增壓，再經過增壓泵的二次增壓后進入反滲透膜組件產出淡水。上述過程是通過降低高壓泵的流量來減少系統能耗，運行過程如圖3所示。由于其能量回收過程只需要經過“水壓能-水壓能”的一步轉換，能量回收效率通常能達到90%以上，目前已占據反滲透海水淡化市場的主導地位，但仍存在系統集成度較低、投資成本高、需配備增壓裝置和鹽/海水摻混等技術缺陷。正位移式能量回收裝置根據其核心部件結構形式的不同又可分為閥控式和旋轉式[15-17]。

圖3 正位移式能量回收裝置運行原理Fig.3 Operating principle of positive displacement energy recovery device

泵-馬達式能量回收裝置將海水液壓泵和海水液壓馬達集成于一體，是海水淡化系統中能量回收技術較為理想的解決方案，如圖4所示。低壓海水經過液壓泵的增壓后在反滲透膜中脫鹽，產生的高壓鹽水進入液壓馬達做功。通過液壓馬達將高壓鹽水的壓力能傳遞給轉軸，以補償電機的轉矩和輸出功率，能量只需經過“水壓能-機械能”的一步轉換。這種集成式能量回收裝置可同時實現海水增壓和能量回收功能，對于減小反滲透海水淡化系統的體積、能耗和投資成本具有重要意義[18]。然而，傳統海水液壓柱塞泵/馬達仍存在如滑動摩擦副數量較多造成泄漏和機械損失較大、抗污染能力較差等瓶頸問題[19-20]，其工作效率仍有提高空間。

圖4 泵-馬達式能量回收裝置運行原理Fig.4 Operating principle of pump-motor energy recovery device

2 液力透平式能量回收裝置

20世紀80年代初期，為降低反滲透海水淡化工程的能耗和運行成本，第一代能量回收裝置開始應用于SWRO系統，代表性產品有弗朗西斯透平(Francis turbine)和佩爾頓透平(Pelton turbine)。

弗朗西斯透平是Pump Ginard公司生產、最早應用在SWRO系統的能量回收裝置，如圖5所示。本質上是一種反向運行的離心泵，運行時高壓鹽水經泵出口的閥門流入，驅動葉輪做功。能量回收效率一般不超過30%，且因高壓流體的流量變化而表現出較大差異：當流量超過最佳工況的10%時，能量回收率降低50%；當流量低于最佳工況的40%時，無法實現能量回收功能[14]。佩爾頓透平由瑞士Calder AG公司設計研發，葉輪是其唯一的旋轉部件，具有良好的流體力學性能。工作過程中，高壓鹽水通過若干個噴嘴直接噴射到葉輪上使其旋轉，經過優化設計的葉輪和噴嘴幾乎能確保全部的壓力能轉化為機械能[21]。此外，佩爾頓透平具有十分平穩的效率特性曲線，當流量在最佳工況的50%～150%范圍內，效率僅有5%的略微下降[22]。

圖5 弗朗西斯透平Fig.5 Francis turbine

到20世紀80年代后期，為提高液力透平式能量回收裝置的工作效率，以HTC(Hydraulic Turbo Charge)和HPB(Hydrualic Pressure Booster)為代表的第二代能量回收裝置逐漸進入市場并實現商品化開發，在可靠性、功能性和操作性等方面都比第一代裝置更加優良[23]。

美國PEI公司制造了將透平和單級離心泵集成在同一殼體中的HTC，其外形如圖6所示。利用高壓鹽水推動透平旋轉，同時帶動離心泵對高壓泵出口的中壓海水增壓。不同于第一代能量回收裝置的是，HTC盡可能的減少了傳動軸的機械能損失，并且離心泵無需外加驅動力[13]。HTC在研發初期于太平洋上進行了超過2000 h的循環測試，其系統產水率為23%，高壓泵的電力供應降低了22%[24]。HPB是美國FEDCO公司設計的產品，其結構和工作原理與HTC相似。HPB標準型號系列的流量范圍在7～240 m3/h，新一代HPB的能量回收效率可達到80%以上，也是當時世界上唯一在實際工程中效率超過80%的正位移式能量回收裝置[9,17,25]。

圖6 HTC能量回收裝置Fig.6 HTC energy recovery device

3 正位移式能量回收裝置

3.1 閥控式能量回收裝置

1) 國外研究進展

美國Desal公司研發的DWEER(Dual Work Exchanger Energy Recovery)于1990年實現商業化，是最早應用于反滲透海水淡化工程的正位移式能量回收裝置[26]。該裝置的主要部件包括單向閥和控制閥、2個水壓缸，其運行原理如圖7所示。高壓鹽水經控制閥進入其中1個水壓缸，將壓力能傳遞給低壓海水，完成增壓過程；低壓海水經單向閥進入另1個水壓缸，推動低壓鹽水排出，完成泄放過程。水壓缸內設置有活塞，將鹽水和海水隔開，有效減少了流體摻混。1998年，LinX閥的誕生使DWEER的性能迎來了質的飛躍。LinX閥是一種多通道的控制閥，替代了原有的4個二通閥，不僅簡化了系統，還加快了閥門的切換速度，這極大地改善了DWEER的性能和可靠性[27]。2001年，ANDREWS等[28]對DWEER系統進行測試，結果表明，在同樣的工作條件下DWEER比HTC的產水率提高了59%，且能耗降低了26%。瑞士Calder AG公司于2011年展示了DWEER在驅動方式、制造材料、密封設計等方面的改進，裝置性能得到綜合提升。

圖7 DWEER運行原理圖Fig.7 Operating principle diagram of DWEER

表2 DWEER的部分應用場所及規模[29]Tab.2 Some application sites and scales of DWEER

美國Spectra Watermakers公司在1995年研制出一款名為Clark Pump的能量回收裝置，該裝置的特殊之處在于只需要和1臺低壓泵串聯即可完成海水增壓和能量回收過程，其運行原理如圖8所示。經加壓的原料海水進入腔室1和進入腔室3的高壓鹽水共同推動活塞對腔室4中的海水增壓，低壓鹽水經腔室2排出。換向閥改變鹽水流向，使上述過程循環交替[30]。2005年，THOMSON等[31]建造了一種小型的光伏發電-反滲透淡化系統，將太陽能光伏發電技術和Clark Pump的能量回收機制相結合，實現了單位能耗低于4 kW·h/m3的節能目標。但是該系統產水率受日照強度的影響較大，產水量不足3 m3/d。由于串聯運行的緣故，Clark Pump的性能受到低壓泵工作效率的限制。CONTRERAS等[32]在2010年對此做出改進，用高壓泵取代了原先的低壓泵，與Clark Pump并聯運行，系統的總效率和產水流量有了顯著提升。

圖8 Clark Pump運行原理圖Fig.8 Operating principle diagram of Clark Pump

PES(Pressure Exchanger System)是德國SIEMAG公司的研發產品。該能量回收裝置將3個水壓缸并聯安裝，保證了進料、產水過程的連續性和穩定性，能量回收效率高達98%。2000年，PES在西班牙蘭薩羅特島某產水規模為5000 m3/d的SWRO工廠正式投入使用，相比于透平式能量回收裝置減少了1.21 kW·h/m3的單位能耗，節省了25%～30%的系統能耗需求[33]。

德國KSB公司在2003年研發制造了SalTec DT能量回收系統，如圖9所示。該裝置的結構和工作原理和DWEER基本相似，最大的區別就是SalTec DT通過檢測傳感器的反饋信號來驅動伺服電機以切換旋轉閥的工作狀態，最終實現高低壓流體的連續增壓和泄放。2004年，該系統被安裝到埃及沙姆沙伊赫產水量為1920 m3/d的SWRO工廠進行了成功測試[34]，測試結果顯示，該系統的比能耗降低至3.24 kW·h/m3，且流量和壓力近乎沒有波動。2007年，BROSS等[35]遵循之前的設計原則開發了可用于4400～5000 m3/d處理規模場所的SalTec DT250，提高了該系列產品的流量和效率。為克服SalTec DT旋轉閥內定子和轉子間較高的配合精度所導致的加工困難和運行卡滯等缺陷，KSB公司在2011年國際海水淡化協會全球會議上推出了SalTec N。SalTec N由3個或多個相同的壓力交換單元并聯而成，用特殊金屬密封設計的往復式切換器取代旋轉閥，并改用流體混合段來隔離高壓鹽水和低壓海水，裝置的可靠性和能量回收效率得到了進一步優化[15]。

圖9 SalTec DT結構示意圖Fig.9 Structure diagram of SalTec DT

除了上述產品外，還有其他許多類型的閥控式能量回收裝置，如挪威Aqualyng公司的Recuperator、西班牙的RO Kinetic、德國的ENERCON Energy Recovery System等[9,36]。

2) 國內研究進展

天津大學從2000年開始致力于海水淡化能量回收技術的研究，率先在國內建成閥控能量回收裝置平臺，并對其工作特性、控制系統和流量壓力的穩定性等方面進行了大量研究。2005年，設計制造了我國首套日產千噸級的閥控式能量回收裝置并進行了現場示范運行，能量回收效率為93%～95%，壓力波動僅有0.2 MPa，具有較好的工程應用價值[17]。

2008年，王越等[37]研發了一種帶流體切換器的能量回收裝置(Fluid Switcher-Energy Recovery Device，FS-ERD)，能量回收效率為76.83%，裝置并聯運行可以顯著提高系統流量穩定性和連續性[38]。2012年，又開發了中試規模的FS-ERD，在操作壓力6 MPa、處理量30 m3/h的試驗條件下，能量回收效率在95.9%以上，達到商業化產品水平[39]。

由于FS-ERD的轉子和殼體配合精度較高，偶爾會出現因顆粒物導致的運行故障。為解決該問題，2014年，王越等[40]研制了一種帶往復式流體壓力切換器的能量回收裝置(Reciprocating-Switcher Energy Recovery Device，RS-ERD)，如圖10所示。獨特設計的切換器不僅能避免顆粒物的停留，還保證了密封效果。2017年，對該裝置進行性能評估，數據顯示，RS-ERD可在66.7%～150%的設計流量區間內穩定運行，能量回收效率保持在96.5%以上，驗證了RS-ERD對SWRO系統的廣泛適應性[41]。2020年，王越等[42]通過改變切換沖程中切換器內閥口的開度，并對3種重疊距離下的流動機理和實際效果進行了數值研究和試驗，見圖11。結果表明，該措施可以提高流體的連續性，大幅降低流量和壓力脈動。之后，又開發了一種三缸并聯的活塞式能量回收裝置，可以同時降低流量脈動和壓力脈動，并且能量回收效率高達98.2%[43]。

圖10 RS-ERD的結構示意圖Fig.10 Structure diagram of RS-ERD

圖11 RS-ERD的試驗現場Fig.11 Test site of RS-ERD

2007年，中科院廣州能源研究所研制出一種以蓄能器和2個差動式液壓缸為核心的差動液壓活塞閥控式能量回收裝置，并在產水量10 m3/h進行實驗。在不考慮高壓泵和電機本身損耗影響的情況下，該裝置可將系統能耗從4.9 kW·h/m3降至2.5 kW·h/m3，能量回收效率達97%[44]。

2010年，杭州水處理中心對自主研制的水壓閥控式能量回收裝置(HVCPX-1000)的過程特性進行了研究。HVCPX-1000采用3個壓力交換單元并聯運行，有效保障了系統流量和壓力的穩定性。該裝置鹽水處理量約65 m3/h，工作壓力約6 MPa，能量回收效率達96.27%[45]。

2016年，北京工業大學的劉中良等[46-47]針對正位移式能量回收裝置的密封和泄漏問題提出了一種基于全旋轉閥的能量回收裝置(Fully-Rotary Valves Energy Recovery Device，FRV-ERD)，全旋轉閥結構見圖12。FRV-ERD沒有往復運動，閥體內部的轉子做低速旋轉運動，可精確控制閥門開啟。在3 MPa的測試壓力下，該裝置表現出了優越的密封性能，且能量回收效率達98.47%。并利用CFD數值仿真對FRV-ERD的泄漏特性和工作效率進行了研究，發現泄漏量與間隙高度的3次方成正比。

圖12 FRV-ERD的全旋轉閥結構圖Fig.12 Structure diagram of fully-rotary valves of FRV-ERD

2020年，浙江工業大學的孫毅等[48]設計了一種雙液壓缸耦合的閥控式能量回收裝置，利用電動推桿推動活塞桿對高壓海水進行二次增壓，以達到反滲透膜組件的工作壓力。如圖13所示，系統運行時通過控制電磁換向閥對2個液壓缸的運動狀態進行耦合控制，既保證了雙缸間的循環協同工作，又降低了壓力和流量的波動。

圖13 雙液壓缸耦合的閥控式能量回收裝置系統原理圖Fig.13 Schematic diagram of valve-controlled energy recovery system based on dual-cylinder coupling principle

3.2 旋轉式能量回收裝置

1) 國外研究進展

美國ERI公司設計生產的PX(Pressure Exchanger)是旋轉式能量回收裝置的典型代表，于1997年進行商業化應用。PX裝置由陶瓷轉子、套筒和端蓋構成，轉子上開設有12個軸向流道，在高壓流體的驅動下自由平衡旋轉，從而完成流體間的能量交換，運行原理如圖14所示。不同于DWEER的是，PX通過直接接觸的方式回收壓力能，并沒有利用活塞來隔離流體[16,49]。PX主要經歷了5個發展階段，見表3，2009年推出了第五代產品PX-300，該產品的配流機構采用了改進的氧化鋁陶瓷部件，1個旋轉周期可完成2次能量交換過程，單機處理量達到68 m3/h，能量回收效率高達97.2%，且在降低內部流體摻混度和工作噪聲方面有所改善。CAMERON等[49]給出了使用PX裝置的海水淡化系統中半透膜前的高壓海水的鹽度計算公式，當淡水回收率為40%時，膜前高壓海水的鹽度增加2.5%，相當于運行壓力提高0.13 MPa。

圖14 PX運行原理圖Fig.14 Operating principle diagram of PX

表3 PX系列產品參數Tab.3 Products parameters of PX

2011年，丹麥Danfoss公司的iSave型能量回收裝置問世，解決了PX無法自增壓的問題。如圖15所示，該裝置將電機、高壓容積式增壓泵、旋轉式等壓交換器集成于一體，是同類產品中體積最小的[15]。iSave的核心部件由耐腐蝕不銹鋼制成，安裝有可靠的低壓軸封，這些設計保障了可靠性和耐用性。此外，iSave可以自動控制高壓流量以確保向反滲透膜組提供穩定的進料，并且其輸出流量不受海水鹽度和溫度的影響[50]。iSave共有4種型號，可降低系統約60%的凈能耗和近70%的能源相關成本。其中，iSave 77的流量范圍為59～77 m3/h，壓力范圍為1～8.2 MPa，能量回收效率可達95%。

圖15 iSave結構及運行原理圖Fig.15 Structure and operation principle diagram of iSave

2) 國內研究進展

大連理工大學的周一卉等[51-53]自2004年以來，對旋轉式能量回收裝置的理論和試驗研究展開了積極探索；截至2010年，設計加工了電機外驅型和流體自驅型兩種能量回收裝置，建立小型SWRO實驗平臺并進行了包括端面密封特性、流體摻混特性和能量回收效率在內的綜合實驗研究工作，其中，流體自驅型能量回收裝置，見圖16，在實驗條件下轉子轉速超過1000 r/min，能量回收效率為76%，流體摻混率低于5%。利用二維數值模擬的方法分析了影響液柱活塞形成和運動的主要因素及其影響規律；以提高孔道容積效率為目標，探索了流量、轉子轉速和轉子幾何結構的最佳匹配關系。然而，二維數值模擬只適用于軸對稱模型，不能完全描述孔道中流體的徑向流動。為此，在2011年提出了一種三維數值模擬方法研究了流體摻混的形成過程和影響因素[54]。

圖16 流體自驅型能量回收裝置結構圖Fig.16 Structure diagram of fluid self-drivenenergy recovery device

2010年，浙江大學的焦磊等[55]開始對旋轉式能量回收裝置的液體摻混和端面密封兩大核心問題進行相關研究；2013年～2017年，開展了旋轉式能量回收裝置水動力學特性的研究，對復雜間隙流場進行數值模擬，探索了各種結構參數條件下的旋轉阻力矩特性、間隙泄漏和潤滑特性，通過控制壓力和流量進行了壓力損失機理的驗證試驗，得出泄漏是壓損的主要原因的結論，并總結出可近似預測壓損大小的經驗公式[56-57]。

2012年，浙江沃爾科技有限公司開發出轉子能量回收同軸增壓裝置，見圖17，該裝置采用旋轉式壓力交換器和葉片式增壓泵的同軸結構設計[58]，有效能量轉換效率為97.7%，鹽海水混合度為5.81%。已通過國家海水及苦咸水利用產品質量監督檢驗中心檢測，實現了小規模的產品化銷售。

圖17 轉子能量回收同軸增壓裝置Fig.17 Rotor energy recovery coaxial boosting device

2014年，中國海洋大學的伍聯營等[59]建立了一種雙環類扇形的轉子孔道模型，采用非定常計算對孔道內部流體的質量傳遞過程進行數值模擬，分析了孔道內的鹽海水濃度分布，并對影響濃度分布的因素進行了相關探討。

2014年，西安交通大學的鄧建強等[60-61]探究了各結構變量對自驅旋轉式能量回收裝置的動力特性和壓力能交換特性的影響，結合CFD技術和時間停留分布測定技術分析了內部流體的摻混特性和流動模式；2018年，通過流場仿真結合粒子圖像測速法探究了能量交換過程中的流體摻混和能量耗散特性，并對通道內流體的流動結構做出可視化分析[62]，見圖18；2019年，提出一種結合用戶自定義函數和動態網格劃分的方法用于運動和變形流體域的網格生成，在此基礎上分析了旋轉葉片式能量回收裝置的空化現象[63]；2020年，以削弱空化強度和提高容積效率為目標，對旋轉葉片式能量回收裝置進行分析和優化[64]。

圖18 粒子圖像測速系統示意圖Fig.18 Schematic diagram of particle image velocimetry system

2015年，天津大學的王越等[65]在旋轉式能量回收裝置的配流盤上添加表面織構，見圖19。在同工況下，可降低50%的扭矩并將能量回收效率提高到96.3%；2016年，為改善轉子的摩擦狀態，在轉子兩端面引入靜壓支承阻尼孔和支承槽，形成靜壓支承以調整液膜厚度[66]；設計加工了一種電驅旋轉式能量回收裝置[67]，如圖20所示。該裝置處理量為16 m3/h，平均能量回收效率可達92.5%，且流量和壓力較平穩；2019年，將靜壓支承技術應用到該裝置中進行試驗，能量回收效率提高至95%，泄漏量可降低約75%[68]；此外，在旋轉式能量回收裝置的運行特性、內部泄漏規律、轉子轉速推導和回收效率優化等方面也展開了卓有成效的研究[69-70]。

圖19 配流盤的表面織構Fig.19 Surface texture of valve plate

圖20 電驅旋轉式能量回收裝置Fig.20 Electric-driven rotary energy recovery device

2018年，北京工業大學的尹方龍等[71-72]提出了一種集成旋轉式壓力交換器和柱塞式增壓泵的低脈動自增壓式能量回收裝置(Piston Booster Pump-Pressure Exchanger，PPX)，開展了PPX的能量高效傳遞機理、配流特性等關鍵技術研究，完成了樣機研制并搭建了小型反滲透海水淡化系統進行性能試驗，如圖21所示。在4.2 MPa的工作壓力下，PPX的系統產水率達到24.91%，最低單位產水能耗為4.79 kW·h/m3，最高能量回收效率約為93.9%。

圖21 PPX試驗系統實物圖Fig.21 Schematic diagram of PPX system

2020年，叢小青等[73]對旋轉式能量回收裝置轉子孔道內流體摻混特性和端面泄漏進行了數值分析，并探究了集液槽傾角、端面間隙等因素對裝置性能的影響。蘇永生等[73]在考慮了端蓋間隙的前提下研究了旋轉式壓力能交換器的水動力性能。

4 泵-馬達式能量回收裝置

20世紀末至21世紀初，在小型化和集成化海水淡化系統技術需求的牽引下，泵-馬達式能量回收集成裝置應運而生[74]。此類裝置最顯著的特點就是無需增壓泵、集成度高，適用于水處理工廠、海洋船舶、海上移動平臺、旅游景區等場所的小型SWRO系統。目前，泵-馬達式能量回收裝置仍在進一步研究中，尚少見商業化產品。

4.1 國外研究進展

丹麥Danfoss公司開發的SWPE(Sea Water Pump with Energy Recovery)是一款適用于小型反滲透海水淡化系統的帶有能量回收裝置的高壓套泵，是世界上最小、最輕的能量回收系統之一，如圖22所示。SWPE由一臺軸向柱塞泵(APP)和軸向柱塞馬達(APM)同軸連接在電機兩側，泵和馬達的部件均采用超級雙相不銹鋼等耐腐蝕材料，具有結構緊湊、流量穩定、適應性強等優點[75]。該裝置運行方案的可行性在2004年就進行過測試，其淡水產量為0.14～0.82 m3/h，產水率在29%～32%，總效率約70%～75%，實際的能量回收效率和產水率取決于APP和APM的規格參數。2008年，VALBJORN[76]對SWPE的創新性、可行性、局限性和經濟性4個方面進行總結。該能量回收裝置可將傳統SWRO系統的能耗從9～12 kW·h/m3降低至4～5 kW·h/m3，最低運行壽命為8000 h，為產水量低于100 m3/d的小型SWRO工廠帶來可觀的經濟效益。另外，為補償鹽度、溫度和反滲透膜性能對產水率帶來的變化，開發了一種變量馬達和變頻驅動泵集成的能量回收裝置，使系統可在最佳工況區間內運行。

圖22 SWPE能量回收裝置

2010年，韓國機械與材料研究所的KIM等[77]研制了一種利用V帶傳動將柱塞泵和水液壓馬達集成的能量回收裝置，可以通過改變帶輪傳動比來調節產水率，搭建了小型SWRO系統進行對比實驗，當水液壓馬達轉速為1200～1800 r/min、進料溫度為15～25 ℃ 的工況下，系統產水率約為28%，柱塞泵能耗回收在53%～60%之間。此外，還比較了不同電機轉速和進料溫度下系統的功率消耗和產水率。

德國KSB公司研發的SALINO Pressure Center集成式能量回收裝置，見圖23，在旅游業、工業、軍事和農業等領域具有突出的競爭潛力。該產品是首款應用于反滲透海水淡化的高度集成能量回收裝置，各組件之間未使用任何管道連接，占地面積小、便于維護并節約投資成本。SALINO適用于淡水產量低于1000 m3/d的SWRO系統，能量回收效率根據海水水質穩定在24%～47%之間，可節省約75%的能耗，于2013年投入中東地區進行現場測試[78]。

圖23 SALINO能量回收裝置及運行原理圖Fig.23 Operating principle diagram of SALINOenergy recovery device

2015年，希臘雅典農業大學的DIMITRIOU等[79]對小型SWRO系統中Clack Pump和Danfoss APP-APM兩種能量回收裝置進行了實驗比較。在全負荷工況下，Clack Pump的膜前壓力約5.7 MPa，比能耗為6.6 kW·h/m3；APP-APM的膜前壓力約6.7 MPa，比能耗為5.3 kW·h/m3。在最佳工況下，Clack Pump的最小比能耗為5.7 kW·h/m3，APP-APM的最小比能耗為4 kW·h/m3。結果表明，泵-馬達式能量回收裝置的回收效率更高、性能更為優越。

4.2 國內研究進展

2010年，天津海水淡化與綜合利用研究所的初喜章等提出一種基于斜盤泵-斜盤馬達式海水淡化能量交換裝置，如圖24所示，將泵和馬達安裝在雙輸出軸電機兩端，可實現速度控制、海水增壓和能量回收功能。2017年，宋代旺等[80]研發了一種流量可調柱塞式高壓泵能量回收機，能夠很好地適應流量變化范圍較大的工作環境。該樣機不僅能實現整個系統的流量和壓力平衡，還能根據需求調節日產淡水量。2020年，宋代旺等[80]開發了一種將反轉柱塞泵和高壓柱塞泵集成的海水淡化柱塞式能量回收一體機，見圖25，將其耦合在處理量為50 m3/d、產水率為40%的SWRO系統進行性能測評，測試結果表明，該一體機性能穩定、匹配性較好；應用于小型海水淡化工程項目可縮短12.3%的投資回收期，淡水成本最高可降低21.9%。

圖24 斜盤泵-馬達式海水淡化能量交換裝置Fig.24 Swash plate pump-motor desalinationenergy exchange device

圖25 海水淡化柱塞式能量回收一體機Fig.25 Seawater desalination plunger typeenergy recovery machine

2011年，西安交通大學的盧勇等[81]研發出一種適用于小型SWRO系統的葉片泵-馬達一體化裝置，如圖26所示。該裝置采用插裝式結構，將泵和馬達同軸連接在1個殼體內并使容腔分隔，4個進出水口位于殼體同側。測試了不同工況下泵單元和葉片單元的水力性能及系統性能，結果表明，該裝置最高可減少20.2%的電機輸出功率。

圖26 葉片泵-馬達一體化裝置Fig.26 Integrated vane pump-motor device

2013年，上海大學的張國賢[82]分析對比了3種國內外斜盤泵-馬達式能量交換裝置的應用特點。由于受限于回收效率、泄漏和加工工藝等因素，這些裝置在性能上比美國ERI公司的產品缺乏競爭優勢，需要進一步改進。此外，還展望了斜盤泵-馬達式能量回收裝置作為雙排量串聯泵在液壓系統的延伸應用，有利于產品的市場拓展。

2017年，燕山大學的張齊生等[83]提出一種新型能量回收斜盤泵-馬達耦合裝置，研究了其能量回收方案的可行性及流場特性。如圖27所示，該裝置將斜盤泵的柱塞改為活塞，高壓鹽水引入活塞腔內推動活塞運動，從而完成余壓能的回收，為反滲透海水淡化能量回收技術的發展提供了新的思路和方案。2019年，劉思遠等[84]提出一種功能集成式泵-馬達能量回收裝置，結構和原理類似于上述的耦合裝置。針對該裝置的配流機理、關鍵摩擦副優化和機械振動特性進行了一些列分析和實驗。2020年，高殿榮等[85]提出一種集柱塞泵、電機和能量回收裝置于一體的新型反滲透海水淡化變量電機泵，如圖28所示。該電機泵將雙介質雙排量軸向柱塞泵嵌入電機轉子內部，高壓鹽水進入活塞腔將壓力能傳遞給轉子，實現能量回收功能，并利過有限元分析方法研究了多因素對柱塞泵配流窗處不同濃度海水的泄漏和摻混特性的影響。

圖27 新型能量回收斜盤泵-馬達耦合裝置Fig.27 Novel swashplate pump-motor coupling device for energy recovering

圖28 新型反滲透海水淡化變量電機泵Fig.28 Novel variable motor pump for seawater reverse osmosis desalination

2018年，浙江大學的焦磊等[86]基于海水液壓斜盤式軸向柱塞泵的內部流道特征設計出一種能量回收增壓一體機，如圖29所示。對其關鍵結構設計和力學特性做了研究分析，提出整機多通道雙腔單一轉子同軸結構，增加轉子空間的利用率。由于該裝置中同時存在多對摩擦副，因而對裝置的潤滑密封條件提出較高要求。

圖29 能量回收增壓一體機Fig.29 Energy recovery supercharging machine

2020年，張德勝等[87]對于前述海水淡化柱塞式能量回收一體機[80]存在的由柱塞腔內壓力變化引起的噪聲和振動問題，研究了不同工況對于一體機壓力脈動特性的影響。通過對采集信號的時、頻域和峰值分析得出了泵端進、出口壓力脈動率的特征和變化規律。施衛東等[87]對該一體機的耦合特性展開了相關研究，基于仿真和試驗結果對比分析了一體機的流量和轉矩脈動特性。

5 結論

早期為了降低反滲透過程的投資成本，引入透平作為海水淡化系統的能量回收裝置，但由于能量回收效率較低使得液力透平式能量回收裝置幾乎退出了市場。隨后，以DWEER和PX為代表的正位移式能量回收裝置突破了能量回收效率較低的限制，成功占領了市場。但其也存在著一系列技術缺陷，如閥控式能量回收裝置需通過閥組對高、低壓流體的流向進行精準控制，太過于依賴閥的性能；旋轉式能量回收裝置尚未解決轉子孔道中海水和鹽水的摻混問題等。而且部分正位移式能量回收裝置還需配備增壓裝置，存在設備不夠緊湊等問題。隨著海洋資源的加速開發與利用，海水淡化工程、海上工程平臺以及船舶、潛水器等工程和裝備得到迅速發展，反滲透海水淡化系統在該領域擁有大量需求和廣闊的應用前景。經過近40年的發展，作為反滲透海水淡化系統核心裝備的能量回收裝置也逐漸朝著低能耗和集成化方向發展：

(1) 低能耗，根據熱力學理論計算，海水淡化過程的理論耗能量(即最小功)為1.41 kW·h/m3，然而，現有的各種淡化方法實際所需能量都大于此值，這說明反滲透海水淡化能量回收裝置在降低能耗方面尚有很大潛力待發掘；

(2) 集成化，初投資成本和使用環境都是海洋設備需著重考慮的問題，為降低加工、運輸成本和適應各種狹窄、復雜的空間，能量回收裝置的設計需盡可能的實現集成化。

上述裝置或多或少都偏離了反滲透海水淡化裝置集成化的發展趨勢。泵-馬達一體式能量回收裝置可同時實現海水加壓及能量回收功能，是集成式海水淡化系統較為理想的解決方案。然而，傳統柱塞泵/馬達仍存在技術瓶頸，如泄漏和機械損失較大、節能設計理論不夠完善等，致使泵-馬達式能量回收裝置的工作效率尚有提高的空間。因此，探索新結構原理的泵-馬達式一體式能量回收裝置是未來的重要發展方向。

在我國水資源短缺問題日益加劇的形勢下，進行高效率、集成式能量回收裝置的技術攻關，研制出具有自主知識產權的反滲透海水淡化用能量回收一體化裝置更是迫在眉睫。目前，我國反滲透海水淡化產業與發達國家相比還有一定差距，使用的能量回收裝置大多依賴進口。因此，加強海水淡化能量回收裝置的基礎研究并突破相關技術瓶頸，實現我國反滲透海水淡化技術的快速發展，是緩解我國淡水資源匱乏的戰略選擇，對于促進我國經濟社會可持續發展具有重要的現實價值和戰略意義。