往复切换式阀控能量回收装置变负荷运行试验

徐世昌，路乃元，王 越，宋代旺，刘 辉，王世昌

(1. 天津大学化工学院，天津 300072；2. 天津市膜科学与海水淡化技术重点实验室，天津 300072)

往复切换式阀控能量回收装置变负荷运行试验

徐世昌1,2，路乃元1,2，王 越1,2，宋代旺1,2，刘 辉1,2，王世昌1,2

(1. 天津大学化工学院，天津 300072；2. 天津市膜科学与海水淡化技术重点实验室，天津 300072)

能量回收装置是反渗透海水淡化工程中最为重要的节能降耗设备．设计开发了一种新型往复切换式阀控能量回收装置，对其在工业操作压力条件下的变处理负荷运行特性进行了试验研究，并分析了切换器的换位时间对装置运行稳定性的影响规律．试验结果表明：在操作压力6.0,MPa、处理负荷22～32,m3/h条件下，往复切换式阀控能量回收装置运行稳定性良好，能量回收效率高达97.92%；切换器的换位时间对装置压力波动时长及幅度有轻微的影响，对流量稳定性几乎无影响．

反渗透海水淡化；能量回收装置；往复式切换器；运行稳定性

反渗透脱盐技术是国内外海水淡化工程中主流应用技术之一．该技术在实施过程中，为克服反渗透膜组件内的海水渗透压及提高反渗透膜的分离效率，原料海水通常需利用高压泵将其加压至5.5～8.0,MPa的操作压力范围．高压原料海水经反渗透膜分离后，一部分作为淡化产品水供给用户，另一部分被浓缩的海水则以高压盐水的形式被排出系统．由于高压盐水不但具有较高的剩余水压(＞5.0,MPa)，并且占据了高达55%～60%的膜系统给水负荷，因此高效回收利用高压盐水中的压力能，对于大幅降低反渗透海水淡化工程运行成本和产水能耗至关重要[1-3]．

采用能量回收装置高效回收利用高压盐水中的余压能已成为海水淡化工程领域节能降耗的主要技术手段．能量回收装置按照工作原理的不同，可分为水力透平式[4-5]和正位移式[6-7]两种产品类型．正位移式能量回收装置采用高压盐水直接增压原料海水的压力能传递方式，较水力透平式的“压力能-轴功-压力能”两步转换具有更高的能量转换效率(90%～95%)，成为国内外研究开发和市场推广的重点产品[8-11]．

阀控能量回收装置作为正位移式能量回收装置主流型式之一，国外已有多款产品(如DWEER型[12]和SalTec DT型[13])实现工程化应用或正在进行商业化推广．这些产品在技术上均采用较严格的微间隙动配合的方式，实现能量回收装置换向阀(切换器)中高压盐水与泄压盐水间的有效隔离及循环进流切换．该结构型式一方面会增加设备加工制造难度和成本；另一方面微小的动配合间隙对海水水质要求较高，一旦有杂质进入，将使得换向阀受损或卡死，影响装置的使用寿命及工程运行安全．

笔者针对现有能量回收装置产品存在的不足，设计开发了一种全新的往复切换式阀控能量回收装置，该装置采用结构相对简单的往复运动端面密封方式，无需苛刻的配合间隙及给水水质要求，可普遍适用于反渗透海水淡化及纳滤水软化工程．

1 装置基本构成及工作原理

图1为往复切换式阀控能量回收装置(fluidswitcher energy recovery device，FS-ERD)的基本构成，主要包括往复式切换器(换向阀)、水压缸(DN150×6,000,mm)及止回阀组(DN65)3部分．往复式切换器是阀控能量回收装置的主动控制部件，其通过同轴连接的4块阀板与阀体间的平面密封作用实现高压盐水与泄压盐水的规律性输入输出与流向切换[14]．水压缸主要用来提供高压盐水与原料海水进行压力交换的场所，也是影响装置压力交换稳定性及运行周期的主要因素．止回阀组是该装置的从动控制部件，将配合往复式切换器引导低压海水与增压海水单向进入与排出水压缸．

图1 往复切换式阀控能量回收装置基本构成Fig.1 Basic components of FS-ERD

往复切换式阀控能量回收装置工作过程中包括增压冲程和泄压冲程2个环节．当切换器处于前进工作位时，经膜组件分离后的高压盐水通过切换器上的高压盐水进口及流通孔2进入2号水压缸，推动水压缸内的活塞向止回阀组端运动并对低压海水做功，增压后的海水由止回阀组排出，此为增压冲程；与此同时，低压海水通过止回阀组进入1号水压缸，推动水压缸内的活塞向切换器端运动并将泄压盐水排出，此为泄压冲程．当1号、2号水压缸中的泄压和增压冲程结束后，切换器在油缸的驱动下切换至后退工作位，此后1号水压缸内进行增压冲程，2号水压缸内则进行泄压冲程．需要指出的是1号水压缸与2号水压缸的增压冲程在交替切换过程中，需保持时间上的连续性，即当其中一只水压缸的增压冲程未完全结束时另一只水压缸中的增压冲程已经开始，如此实现能量回收装置压力交换过程的连续性．

图2给出了阀控能量回收装置与反渗透海水(seawater reverse osmosis，SWRO)淡化工程的耦合工艺．图中，通过阀控能量回收装置获得能量提升的增压海水，在其与高压泵出水汇合并进入反渗透膜组件之前，还需经过增压泵的进一步加压(约0.2～0.5,MPa)，以弥补高压盐水在流经反渗透膜组件及进行压力交换过程中的少量压头损失．依照图2中的工艺流程，笔者建立了反渗透海水淡化仿真试验平台(见图3)，利用截止阀来模拟海水淡化工程中反渗透膜组件的压力损失，并使用自来水代替海水作为测试介质．本文重点考察了设计负荷为30,m3/h的往复切换式阀控能量回收装置，在变负荷及变换位时间工况下的运行特性和效率．

图2 阀控能量回收装置与反渗透工程耦合工艺Fig.2 Flow diagram of the SWRO-ERD system

图3 往复切换式阀控能量回收装置试验现场Fig.3 Field test of the FS-ERD

2 变处理负荷时装置的运行特性

试验研究了操作压力6.0,MPa、切换器的换位时间为1.2,s时，不同处理负荷对往复切换式阀控能量回收装置流体力学特性的影响规律，并分析评价了装置的能量回收效率．

2.1 处理负荷为32,m3/h

图4(a)为装置处理负荷32,m3/h时，进入能量回收装置的高压盐水流量Qbi及压力pbi随时间的变化曲线．图中高压盐水流量曲线基本为一条水平直线，而该直线事实上由2只水压缸中交替进行的增压过程叠加而成，说明该能量回收装置运行及换位过程具有很好的稳定性．图中高压盐水的压力曲线总体保持在6.0,MPa的稳定水平，但存在轻微周期性向下波动的规律．该波动是由于切换器在1.2,s的换位时间内高压盐水总流量虽保持恒定，但存在瞬间同时增压2只水压缸的现象所致．这种轻微的压力波动对装置的整体运行稳定性影响较小．

图4 处理负荷为32,m3/h时能量回收装置流量和压力变化曲线Fig.4 Flow rate and pressure variations of the FS-ERD under the capacity of 32,m3/h

图4 (b)为增压海水流量Qso及压力pso随时间的变化曲线．由于高压盐水是加压增压海水并将其排出水压缸的唯一动力源，因此增压海水的流量和压力与图4(a)中高压盐水的曲线总体上保持一致，显示出较好的同步变化规律．往复切换式阀控能量回收装置与本课题组之前开发的旋转式阀控能量回收装置[15]相比，高压盐水及增压海水的流量和压力曲线的稳定性得到了显著的提高．

2.2 处理负荷为27,m3/h

图5为装置处理负荷27,m3/h时，高压盐水及增压海水的流量和压力随时间的变化曲线．如图5所示，高压盐水、增压海水流量及压力波动曲线与装置处理负荷32,m3/h的工况在宏观上保持了一致性，即两股高压流体的流量整体上呈水平直线变化趋势，而相应的压力则在装置前进与后退工作位转换的瞬间存在轻微的向下波动的规律．所不同的是，当装置处理负荷由32,m3/h降低到27,m3/h时，进出能量回收装置的高压盐水及增压海水的压力波动频率略有降低．这是由于装置处理负荷减小后，水压缸内活塞的运动速率相应降低，从而延长了装置的工作周期．

图5 处理负荷为27,m3/h时能量回收装置流量和压力变化曲线Fig.5Flow rate and pressure variations of the FS-ERD under the capacity of 27,m3/h

2.3 处理负荷为22,m3/h

图6为装置处理负荷22,m3/h时，高压盐水与增压海水的流量及压力变化特性．与图4和图5相比，尽管装置的处理负荷有较大程度的降低，但装置的运行特性规律完全相同．这一方面说明笔者研制的阀控能量回收装置具有较好的运行稳定性，另一方面也证明该装置具有较大的负荷操作弹性，对反渗透海水淡化工程产能调节运行需求也具有很好的适应性.

图6 处理负荷为22,m3/h时能量回收装置流量和压力变化曲线Fig.6 Flow rate and pressure variations of the FS-ERD under the capacity of 22,m3/h

能量回收装置效率的计算式[16]为

式中：Qsi、psi及Qso、pso分别代表原料海水和增压海水的流量(m3/h)及压力(MPa)；Qbi、pbi及Qbo、pbo分别代表高压盐水和泄压盐水的流量(m3/h)及压力(MPa)．

按照式(1)，本文对往复切换式阀控能量回收装置在稳定运行工况下的能量回收效率进行了评价分析．结果表明，装置在操作压力6.0,MPa及变处理负荷运行时，平均效率高达97.92%，达到或超过国外产品技术水平[17]，具有很好的工程应用价值．

3 变换位时间时装置的运行特性

由本文第2节的讨论分析可知，无论是高压盐水还是增压海水的压力曲线，在阀控能量回收装置工作位转换的瞬间，均存在轻微周期性向下波动的规律，且波动时长及波动幅度均与切换器的换位时间有关.基于此，本节重点考察了操作压力6.0,MPa、处理负荷为25,m3/h时，换位时间(1.2,s、1.4,s及1.6,s)对装置运行特性的影响规律．

图7 给出了处理负荷为25,m3/h及切换器的换位时间为1.2,s时，阀控能量回收装置切换器换位时间与压力波动时长的对应关系．图中两股流体的压力曲线基本稳定在6.0,MPa，在切换器换位时所出现的瞬间周期性压力波动的时长(图中所示“t”)正好与装置的换位时间相一致．当装置的换位时间分别为1.4,s和1.6,s时，得到了与1.2,s时相同的变化规律．说明流体压力波动的时长主要取决于切换器的换位时间大小．

图7 切换器换位时间与压力波动时长的对应关系Fig.7Relevant relations between the switching time and the duration of pressure fluctuations

表1给出了3种不同换位时间时，进出阀控能量回收装置的高压盐水及增压海水压力的最大波幅.结果表明：当切换器换位时间一定时，高压盐水与增压海水的最大波动幅度基本一致；而当切换器的换位时间增加时，所对应的高压盐水及增压海水的最大压力波动幅度也呈增大趋势，但幅度较小．基于上述分析，往复切换式阀控能量回收装置的换位时间应尽可能控制在较短的时间内，以降低换位过程对装置运行稳定性的影响

表1 换位时间与压力波动幅度的关系Tab.1Relations between the switching time and the amplitude of pressure fluctuations

4 结 论

(1) 设计开发了一种新型的往复切换式阀控能量回收装置，通过前进工作位与后退工作位之间的交替切换，实现压力交换过程的连续性和稳定性．

(2) 对阀控能量回收装置在较大负荷变化条件下的运行特性进行了考察，得到基本相同的装置特性规律和高达97.92%的能量回收效率，说明该类型装置具有较好的负荷操作弹性和综合效能．

(3) 分析比较了切换器不同换位时间时阀控能量回收装置流体压力的波动特性，表明换位时间对压力波动时长及波动幅度都有直接的影响．

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（责任编辑：田 军）

Performance Tests on Reciprocating Fluid-Switcher Energy Recovery Device Under Variable Operating Capacities

Xu Shichang1,2，Lu Naiyuan1,2，Wang Yue1,2，Song Daiwang1,2，Liu Hui1,2，Wang Shichang1,2
(1. School of Chemical Engineering and Technology，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2. Tianjin Key Laboratory of Membrane Science and Desalination Technology，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

Energy recovery device(ERD)is of great importance in reducing the power consumption in seawater reverse osmosis(SWRO)desalination process. In this article，an innovative type of reciprocating fluid-switcher energy recovery device(FS-ERD)was introduced and developed. Performances of the FS-ERD under variable operating capacities and fixed working pressure were experimentally tested and evaluated. Also，effects of the device’s switching time on the operating stability were analyzed. Results show that the developed device presents good operational stability，with a favourable energy transfer efficiency of about 97.92% at the operating pressure of 6.0,MPa and under the capacity ranging from 22,m3/h to 32,m3/h. Besides，effects of the device’s switching time on the duration and amplitude of pressure fluctuations were detected but slight，while its effects on the flow rate can be ignored.

seawater reverse osmosis desalination；energy recovery device(ERD)；reciprocating fluid-switcher；operational stability

TQ051

A

0493-2137(2014)07-0630-05

10.11784/tdxbz201301031

2013-01-15；

2013-04-16.

天津市科技支撑计划重点资助项目(10ZCKFSH02100)；天津市科技兴海计划资助项目(KJXH2012-03).

徐世昌（1966— ），男，副研究员，xushichang@sina.com.

王 越，tdwy75@tju.edu.cn.