CN101782095A - 用于海水淡化系统的差动式能量回收装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于海水淡化系统的差动式能量回收装置及方法，装置包括两个并联的液缸，活塞将每个液缸分割为两个腔体，且活塞固接有活塞杆，低压原水进口通过进液阀连接两个左侧腔体，左侧腔体通过排液阀连接高压原水出口，两个右侧腔体连接于换向阀，换向阀又连接于高压浓水进口，且连接有低压浓水排放口；其方法是使反渗透装置出来的高压浓水通过换向阀交替进入两个液缸的右侧腔体，推动左侧腔体中的低压原水增压进入反渗透装置。本发明采用液缸直接增压原理进行特殊设计，采用一次能量转换，经过压力交换后的高压海水压力大于浓盐水压力，不需要增压泵再次增压，能量转换效率高，节省了运行成本，进一步降低了反渗透系统的能耗。

Description

用于海水淡化系统的差动式能量回收装置及方法

技术领域

本发明涉及海水淡化领域，具体的说，是涉及反渗透海水淡化系统的一种差动式能量回收装置及方法。

背景技术

海水淡化技术发展的一个重要目标是降低运行成本，在运行成本的构成中能耗所占的比重最大，所以降低能耗是降低海水淡化成本最有效的手段。反渗透海水淡化是目前海水淡化的主流技术之一，反渗透海水淡化过程需消耗大量电能提升进水压力以克服水的渗透压，反渗透膜排出的浓水余压高达5.5～6.5MPa，按照40％的回收率计算，排放的浓盐水中还蕴含约60％的进料水压力能量，将这一部分能量回收变成进水能量可大幅降低反渗透海水淡化的能耗，而这一目的实现有赖于利用能量回收技术。

自70年代以来，随着反渗透技术应用于海水/苦咸水淡化，各种形式的能量回收装置也相继出现。能量回收装置目前有水力透平式能量回收装置和功交换式能量回收装置两大类。

最早的能量回收装置是水力透平式，瑞士Calder.AG公司的Pelton Wheel透平机和PumpGinard公司的Francis透平机，效率一般为50％-70％，其原理是利用浓盐水驱动涡轮转动，通过轴与泵和电机相连，将能量输送至进料原海水，过程需要经过“水压能——机械能——水压能”两步转换。在上面的基础上经过改进，出现了一些独特的设计，其中具代表性的有丹麦Grundfos公司生产的BMET透平直驱泵和美国PEI公司生产的HydraulicTurbocharger。两者均是透平与泵一体化设计，一根转轴连接两个叶轮，全部封装在一个壳体中，浓盐水流过叶轮时冲击叶片推动叶轮转动，从而驱动透平轴旋转。透平轴直接带动增压泵工作输出机械功，浓水能量转换成原海水的能量转换效率可提高至65％-80％。高压泵与透平增压泵两级串联完成原海水的压力提升，通过透平增压降低高压泵所需要的扬程，减少电机动力消耗。但是，由于水力透平式能量回收装置原理上都要经过“水压能——机械能——水压能”两步转换，增加了机械能损耗，因此效率较低。

80年代，出现了一种新的能量回收技术，其工作原理是“功交换”，通过界面或隔离物，直接把高压浓盐水的压力传递给进料海水，过程得到简化，只需要经过“水压能——水压能”一步能量转换，能量回收效率可得到提高。目前反渗透海水淡化工程中应用的功交换式能量回收装置主要为转子式压力交换器和活塞式阀控压力交换器两类，效率可高达90-97％。

转子式压力交换器以美国ERI公司的PX转子式压力交换能量回收装置为代表。原理是高压浓盐水推动圆周开有多个纵向沟槽(类似于多个微型液缸)的无轴陶瓷转子旋转，使多个微型沟槽分别在两侧静止的配流盘高压区和低压区交替转换切入，进入高压区的微型液缸进行能量回收传递向外排液，进入低压区的微型液缸进行原海水补液，PX需配增压泵提升初步升压的原海水进入RO系统，高压浓盐水直接与低压原海水传递压力。一方面，由于必须配备增加泵，转子式压力交换器成本比较高；另一方面，转子旋转尖利刺耳、噪音大，一旦转子中进入气泡、杂质等，就非常容易发生损坏，可靠性差，

活塞式阀控压力交换器以瑞士Calder.AG公司的DWEER双功交换能量回收装置、德国KSB公司的SalTec DT压力交换器、德国Siemag Transplan公司的PES压力交换系统及Ionics公司的DYPREX动力压力交换器为代表。原理是采用两个大直径液缸，其中一个液缸中高压浓水推动活塞将能量传递给低压原海水向外排液，另一个液缸中供料泵压入低压原海水补液并排出低压浓水，两液缸在PLC和浓水换向阀的控制下交替排补海水，实现把浓水能量转换成原海水能量的回收过程。活塞式阀控压力交换器需配备增压泵提升初步升压的原海水进入RO系统，增压泵需要采用耐海水腐蚀的材料制作，并且对密封要求也很高，目前通过进口方式购买，造价很高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种能够弥补现有技术的缺陷，回收反渗透海水淡化高压浓盐水余压能量的差动式能量回收装置及方法，用以提升低压原海水的压力，完成两种高低压液体之间的能量交换，实现节约能源的目的。

为了解决上述技术问题，本发明的能量回收装置通过以下的技术方案予以实现：

一种用于海水淡化系统的差动式能量回收装置，包括连接于低压原水泵出水口的低压原水进口、连接于高压原水泵出水口的高压原水出口、连接于反渗透装置高压浓水出水口的高压浓水进口，还包括完全相同的内部设置有第一活塞的第一液缸和内部设置有第二活塞的第二液缸，所述第一活塞将所述第一液缸分割为第一腔体和第二腔体，所述第一活塞固接有第一活塞杆，所述第二活塞将所述第二液缸分割为第三腔体和第四腔体，所述第二活塞固接有第二活塞杆；

所述低压原水进口通过第一进液阀连接所述第一腔体，所述第一腔体通过第一排液阀连接所述高压原水出口，所述第二腔体连接于两位五通换向阀；

所述低压原水进口通过第二进液阀连接所述第三腔体，所述第三腔体通过第二排液阀连接所述高压原水出口，所述第四腔体连接于两位五通换向阀；

所述两位五通换向阀连接于高压浓水进口，且连接有低压浓水排放口。

作为较为优选的技术方案：

所述两位五通换向阀通过换向阀驱动装置驱动。

所述换向阀驱动装置为液压驱动装置、气压驱动装置或者电能驱动装置其中的一种。

所述换向阀驱动装置为液压驱动装置。

所述反渗透装置的高压浓水出口处设置有缓冲器。

所述第一活塞杆和所述第二活塞杆分别安装有套筒，所述套筒上设置有限位传感器。

所述第一活塞杆杆径为所述第一活塞直径的25％～40％，所述第二活塞杆杆径为所述第二活塞直径的25％～40％。

所述第一进液阀、第二进液阀、第一排液阀、第二排液阀分别为锥面密封。

本发明的能量回收方法通过以下的技术方案予以实现：

一种利用上述装置实现的用于海水淡化系统的差动式能量回收方法，依次由以下步骤组成：

a.换向阀驱动装置将两位五通换向阀调至位置一，使第一液缸的第二腔体与高压浓水进口联通，第二液缸的第四腔体与低压浓水排放口联通；

b.使低压原水通入低压原水泵，进行一次加压；

c.一次加压后的低压原水由低压原水出口分别进入高压原水泵、第一液缸的第一腔体和第二液缸的第三腔体；

d.进入高压原水泵的低压原水通过二次加压后进入反渗透装置，排出低压淡水和高压浓水；

e.高压浓水通过两位五通换向阀进入第一液缸的第二腔体，推动第一活塞及第一活塞杆运动，将第一腔体中的一次加压原水加压排出，并与高压原水出口的高压原水汇合进入反渗透装置；

f.当第一活塞运动到限位位置，通过限位传感器的反馈，换向阀驱动装置将两位五通换向阀调至位置二，使第一液缸的第二腔体与低压浓水排放口联通，第二液缸的第四腔体与高压浓水进口联通；

g.高压浓水通过两位五通换向阀进入第二液缸的第四腔体，推动第二活塞及第二活塞杆运动，将第三腔体中的一次加压原水加压排出，并与高压原水出口的高压原水汇合进入反渗透装置，同时第一腔体中的一次加压原水推动第一活塞及第一活塞杆运动，把第二腔体内的低压浓水排出；

h.当第二活塞运动到限位位置，通过限位传感器的反馈，换向阀驱动装置将两位五通换向阀调至位置一；

i.高压浓水通过两位五通换向阀进入第一液缸的第二腔体，推动第一活塞及第一活塞杆运动，将第一腔体中的一次加压原水加压排出，并与高压原水出口的高压原水汇合进入反渗透装置，同时第三腔体中的一次加压原水推动第二活塞及第二活塞杆运动，把第四腔体内的低压浓水排出；

j.此后循环进行步骤(f)至步骤(i)。

本发明的有益效果是：

(1)采用液缸直接增压原理进行特殊设计，采用一次能量转换，经过压力交换后的高压海水压力大于浓盐水压力，不需要增压泵再次增压，能量转换效率高，节省了运行成本，进一步降低了反渗透系统的能耗。

(2)由于活塞固接有具有一定横截面积的活塞杆，使得液缸内部原海水腔内的压强总是大于浓盐水腔内的压强，从根本上避免了浓盐水向原海水的泄漏，解决了进口功交换能量回收装置由于浓盐水向原海水渗漏造成进膜海水盐度增加而引起脱盐能耗额外增高的问题。

(3)采用机电一体化控制技术，控制两个液缸内活塞移动的同步性，以及活塞移动与两位五通换向阀换向的同步性，降低压力交换由于高低压转换而造成的压力波动，从而避免“水锤”水击现象对膜造成的机械损坏，同时提高了能量回收装置的可靠性，使装置能长时期平稳可靠运转。

(4)设计液压驱动的两位五通阀和管式配流阀作为单向阀，且单向阀为锥面密封，代替高压气动阀或电动阀，提高了装置的平稳性和可靠性，降低了造价。

(5)在反渗透装置的高压浓水出口处安装有缓冲器，可进一步消减系统的压力波动。

(6)在活塞杆上通过套筒设置有传感器，随时监测、反馈和调控活塞的运动状态及位置，以便对整个装置进行最优化调试。

(7)在能量回收装置检测平台上进行模拟试验，测试有关性能参数，在反渗透海水淡化综合试验平台上进行与高压泵和反渗透膜的实际耦合试验，以工程中最常用的一个压力容器装6支海水反渗透膜为基准配置设备，设计回收率40％，匹配的能量回收装置流量为120m³/d，结果显示，能量回收效率大于90％。

附图说明

图1是本发明差动式能量回收装置的结构示意图；

图2是本发明差动式能量回收方法的位置一状态图；

图3是本发明差动式能量回收方法的位置二状态图。

图中：低压原水进口——1     高压原水出口——2       第一排液阀——3

第一进液阀——4             第一活塞杆——5         第一液缸——6

第一腔体——7               第一活塞——8           第二腔体——9

高压浓水进口——10          低压浓水排放口——11    两位五通换向阀——12

第四腔体——13              第二液缸——14          第二活塞——15

第三腔体——16              第二活塞杆——17        第二进液阀——18

第二排液阀——19            低压原水泵——20        原水入口——21

高压原水泵——22            反渗透装置——23        淡水出口——24

缓冲器——25                换向阀驱动装置——26

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述：

海水淡化系统包括设置有原水入21的低压原水泵20，所述低压原水泵20的出水口通过低压原水进口1连接于高压原水泵22的入水口，所述高压原水泵22通过高压原水出口2连接在反渗透装置23上。反渗透装置23内部通过反渗透膜过滤出高压浓水，透过反渗透膜的为淡水，淡水通过淡水出口24收集。

本发明公开了一种用于海水淡化系统的差动式能量回收装置，以及利用上述装置实现的差动式能量回收方法。

如图1所示，差动式能量回收装置包括完全相同且并联的第一液缸6和第二液缸14，所述第一液缸6内部设置有第一活塞8，所述第一活塞8将第一液缸6分割为第一腔体7和第二腔体9，所述第一活塞8连接有第一活塞杆5。同样的，所述第二液缸14内部设置有第二活塞15，所述第二活塞15将第二液缸14分割为第三腔体16和第四腔体13，所述第二活塞15连接有第二活塞杆17。

所述第一活塞杆5杆径为所述第一活塞8直径的25％～40％；同样地，所述第二活塞杆17杆径也为所述第二活塞15直径的25％～40％，这样，可以达到增加1.06～1.18倍的目的。所述第一活塞杆5和第二活塞杆17还分别安装有套筒，套筒上设置有限位传感器，可以用于向电气控制系统反馈信号。

所述低压原水进口1分别通过第一进液阀4连接于所述第一腔体7，通过第二进液阀18连接所述第三腔体16。

所述第一液缸6的第一腔体7通过第一排液阀3连接于所述高压原水泵22的高压原水出口2，所述第一液缸6的第二腔体9连接于两位五通换向阀12。

所述第二液缸14的第三腔体16通过第二排液阀19连接于所述高压原水泵22的高压原水出口2，所述第二液缸14的第四腔体13连接于两位五通换向阀12。

所述两位五通换向阀12连接于高压浓水进口10，且连接有低压浓水排放口11。所述两位五通换向阀12通过换向阀驱动装置26驱动，所述两位五通换向阀12内部的运动部件可以是直线运动，也可以是旋转运动。

所述换向阀驱动装置26可以是液压驱动装置、气压驱动装置或者电能驱动装置其中的任意一种，但是优选液压驱动，液压驱动的优势在于，能够使两位五通换向阀12内部运行平稳，同时占用空间较小。

所述反渗透装置23的高压浓水出口10处还可以设置有缓冲器25，所述缓冲器25可以进一步消减由于活塞换向瞬间所造成的压力波动。

上述的第一进液阀4、第二进液阀18、第一排液阀3、第二排液阀19均为单向管式配流阀，分别为锥面密封，提高密封效果。

所述第一液缸6与第二液缸14的摆放方向与反渗透装置23平行摆放，可以节省空间。

下面，以回收方法中的一个中间环节为例对本发明的差动式能量回收方法做具体描述：

如图2所示，换向阀驱动装置26将两位五通换向阀12调至位置一，使第一液缸6的第二腔体9与高压浓水进口10联通，第二液缸14的第四腔体13与低压浓水排放口11联通。

低压原水由进入原水入口1进入低压原水泵18进行一次加压，一次加压后的原水分两路，一路进入第一液缸6的第一腔体7或第二液缸14的第三腔体16，另一路进入高压原水泵22。进入高压原水泵22的一次加压原水通过二次加压后进入反渗透装置23，透过反渗透膜的为低压淡水，未透过反渗透膜的水为高压浓水。

高压浓水通过经高压浓水进口10通过两位五通换向阀12，进入第一液缸6的第二腔体9中，第二腔体9内部的高压浓水推动第一活塞8及与之刚性连接的第一活塞杆5一起向第一活塞杆5伸出的方向运动，把第一腔体7内部的一次加压原水加压，并通过第一排液阀3与高压原水泵22出来的高压原水汇合一起进入反渗透膜。所述第一排液阀3与所述高压原水泵22出水口的出水流量比例大约是3∶2。

同时，从低压原水泵20出来的一次加压原水通过第二进液阀18部分进入第二液缸14的第三腔体16中，第三腔体16内部具有一定压力的原水推动第二活塞15及与之刚性连接的第二活塞杆17一起向第二液缸14底部运动，把第四腔体13内部的浓水推出。

如图3所示，当第一液缸6内部的第一活塞8运动到限位位置，第一活塞杆5套筒上的限位传感器发出反馈信号，电气控制系统通过换向阀驱动装置26驱动两位五通换向阀12换向到位置二，使第一液缸6的第二腔体9与低压浓水排放口11联通，第二液缸14的第四腔体13高压浓水进口10联通。

从反渗透装置23出来的高压浓水通过两位五通换向阀12进入第二液缸14的第四腔体13中，推动第二活塞15及与之刚性连接的第二活塞杆17一起向第二活塞杆17伸出的方向运动，把第三腔体16中的原水加压，通过第二排液阀19与高压原水泵22出来的高压原水汇合一起进入反渗透膜。

同时从低压原水泵20出来的一次加压原水通过第一进液阀4部分进入第一液缸6的第一腔体7中，第一腔体7内部具有一定压力的原水推动第一活塞8及与之刚性连接的第一活塞杆5一起向第一液缸6底部运动，把第二腔体9内部的浓水推出。

当第二液缸14内部的第二活塞15运动到限位位置，第二活塞杆17套筒上的限位传感器发出反馈信号，电气控制系统控制驱动装置26动作，把两位五通换向阀12推回图1所示位置一，从而实现第一液缸6与第二液缸14交替工作。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于海水淡化系统的差动式能量回收装置，包括连接于低压原水泵出水口的低压原水进口、连接于高压原水泵出水口的高压原水出口、连接于反渗透装置高压浓水出水口的高压浓水进口，其特征在于，

还包括完全相同的内部设置有第一活塞的第一液缸和内部设置有第二活塞的第二液缸，所述第一活塞将所述第一液缸分割为第一腔体和第二腔体，所述第一活塞固接有第一活塞杆，所述第二活塞将所述第二液缸分割为第三腔体和第四腔体，所述第二活塞固接有第二活塞杆；

所述低压原水进口通过第一进液阀连接所述第一腔体，所述第一腔体通过第一排液阀连接所述高压原水出口，所述第二腔体连接于两位五通换向阀；

所述低压原水进口通过第二进液阀连接所述第三腔体，所述第三腔体通过第二排液阀连接所述高压原水出口，所述第四腔体连接于两位五通换向阀；

所述两位五通换向阀连接于高压浓水进口，且连接有低压浓水排放口。

2.根据权利要求1所述的一种用于海水淡化系统的差动式能量回收装置，其特征在于，所述两位五通换向阀通过换向阀驱动装置驱动。

3.根据权利要求2所述的一种用于海水淡化系统的差动式能量回收装置，其特征在于，所述换向阀驱动装置为液压驱动装置、气压驱动装置或者电能驱动装置其中的一种。

4.根据权利要求3所述的一种用于海水淡化系统的差动式能量回收装置，其特征在于，所述换向阀驱动装置为液压驱动装置。

5.根据权利要求1所述的一种用于海水淡化系统的差动式能量回收装置，其特征在于，所述反渗透装置的高压浓水出口处设置有缓冲器。

6.根据权利要求1所述的一种用于海水淡化系统的差动式能量回收装置，其特征在于，所述第一活塞杆和所述第二活塞杆分别安装有套筒，所述套筒上设置有限位传感器。

7.根据权利要求1所述的一种用于海水淡化系统的差动式能量回收装置，其特征在于，所述第一活塞杆杆径为所述第一活塞直径的25％～40％，所述第二活塞杆杆径为所述第二活塞直径的25％～40％。

8.根据权利要求1所述的一种用于海水淡化系统的差动式能量回收装置，其特征在于，所述第一进液阀、第二进液阀、第一排液阀、第二排液阀分别为锥面密封。

9.一种利用权力要求1所述装置实现的用于海水淡化系统的差动式能量回收方法，其特征在于，依次由以下步骤组成：

a.换向阀驱动装置将两位五通换向阀调至位置一，使第一液缸的第二腔体与高压浓水进口联通，第二液缸的第四腔体与低压浓水排放口联通；

b.使低压原水通入低压原水泵，进行一次加压；

c.一次加压后的低压原水由低压原水出口分别进入高压原水泵、第一液缸的第一腔体和第二液缸的第三腔体；

d.进入高压原水泵的低压原水通过二次加压后进入反渗透装置，排出低压淡水和高压浓水；

e.高压浓水通过两位五通换向阀进入第一液缸的第二腔体，推动第一活塞及第一活塞杆运动，将第一腔体中的一次加压原水加压排出，并与高压原水出口的高压原水汇合进入反渗透装置；

f.当第一活塞运动到限位位置，通过限位传感器的反馈，换向阀驱动装置将两位五通换向阀调至位置二，使第一液缸的第二腔体与低压浓水排放口联通，第二液缸的第四腔体与高压浓水进口联通；

g.高压浓水通过两位五通换向阀进入第二液缸的第四腔体，推动第二活塞及第二活塞杆运动，将第三腔体中的一次加压原水加压排出，并与高压原水出口的高压原水汇合进入反渗透装置，同时第一腔体中的一次加压原水推动第一活塞及第一活塞杆运动，把第二腔体内的低压浓水排出；

h.当第二活塞运动到限位位置，通过限位传感器的反馈，换向阀驱动装置将两位五通换向阀调至位置一；

i.高压浓水通过两位五通换向阀进入第一液缸的第二腔体，推动第一活塞及第一活塞杆运动，将第一腔体中的一次加压原水加压排出，并与高压原水出口的高压原水汇合进入反渗透装置，同时第三腔体中的一次加压原水推动第二活塞及第二活塞杆运动，把第四腔体内的低压浓水排出；

j.此后循环进行步骤(f)至步骤(i)。

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