自增压式能量回收装置的开发与效能分析

王 越，高建朋，任亚斐，吴家能，徐世昌

（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；3. 天津化学化工协同创新中心，天津 300072）

自增压式能量回收装置的开发与效能分析

王 越1， 2， 3，高建朋1， 2， 3，任亚斐1， 2， 3，吴家能1， 2， 3，徐世昌1， 2， 3

（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；3. 天津化学化工协同创新中心，天津 300072）

针对中小型海水/苦咸水淡化系统简化工艺、降低能耗的要求，在海水淡化阀控式能量回收装置的基础上，设计开发了一种自增压式能量回收装置.该装置利用差压式水压缸替代阀控式装置中原有的等径压力交换缸，实现能量回收功能和压力提升功能的有机结合.将自增压式能量回收装置与纳滤脱盐系统耦合，在进水水质为苦咸水（1.06%）、操作压力为 2.0 MPa条件下研究分析了自增压式能量回收装置与纳滤脱盐系统的耦合运行特性及对系统节能降耗的贡献.结果表明，自增压式能量回收装置现场运行稳定性良好，能量回收效率为 95.55%，与未配备自增压式能量回收装置的系统相比，节能降耗贡献率达 27.61%，与配备阀控式能量回收装置的系统相比，不仅简化了工艺，而且降低了系统投资和产水能耗.

苦咸水淡化；纳滤；自增压式能量回收装置

膜法海水/苦咸水淡化系统中，脱盐膜组件会产生一定比例（20%～60%）的高压浓水［1-3］，这部分高压浓水如果直接排放会造成较大的能量浪费.采用能量回收装置高效回收利用高压浓水的压力能，是目前国内外普遍采用的节能降耗手段和有效方法［4-5］.现有的能量回收装置主要采用等压式工作原理，装置在应用过程中需与压力提升泵串联使用才能满足系统运行压力要求［4-5］.

鉴于目前市场上可选用的压力提升泵主要针对工业规模的海水淡化工程，因此现有中小型海水或苦咸水淡化系统中基本上都没有配置能量回收装置［6］，造成系统运行能耗成本较高.随着国家海岛开发战略的实施，我国对中小规模海水淡化系统及具有自增压功能的能量回收装置的市场需求将日益迫切.

自增压式能量回收装置（self-boost energy recovery device，SB-ERD）不仅可简化海水淡化工艺流程，还可在一定程度上降低设备的投资成本.国外在这方面的研究起步较早，已经有结构不同的多款产品上市.Clark pump是开发较早的一款产品，其利用高压浓水和中压海水共同作为动力源，来增压低压原料海水达到膜组器的进口压力要求［6-8］.但是该装置活塞换向机构复杂，装置制造和运行维护成本较高. Enercon ERS利用中压海水首先对水压缸中的液压油增压，增压后的液压油再和高压浓水一起将原料海水增压到膜组件进口压力［9-11］.该装置不足之处在于结构较复杂，且容易造成液压油泄漏.iSave是目前将能量回收装置与增压泵耦合较完美的产品，目前市售价格偏高，在附加值较高的膜分离系统中适宜选用［12］.

本文在实验室已有阀控式能量回收装置成功开发和工程应用的基础上［4-5］，结合差压式增压原理，设计开发了兼具能量回收和压力提升功能的自增压式能量回收装置，并将其应用于纳滤（nanofiltration，NF）苦咸水淡化系统，重点考察了自增压式能量回收装置在脱盐系统中的运行特性和节能效果.

1　自增压式能量回收装置工作原理

如图1所示，自增压式能量回收装置主要由3部分组成：切换器、差压式水压缸和止回阀组.切换器是装置的主动部件，止回阀组是装置的从动部件，通过切换器和止回阀组的协同作用，实现高压浓水压力能的连续回收及泄压浓水的连续排放.差压式水压缸是高压浓水与低压原料水进行压力能交换的唯一场所，其采用两段内径不同的缸体连接构成，缸径较大段为浓水缸，缸径较小段为原水缸，具体结构如图2所示.

图1　自增压式能量回收装置结构示意Fig.1 Structure of the SB-ERD

图2　差压式水压缸自增压原理Fig.2　Self boost principle of the pressure-differential hydraulic cylinder

图2中，差压式水压缸由浓水缸和原水缸连接而成，两个水缸内均设置有配合活塞，活塞间通过中心杆连接成一体.当装置进行增压冲程时，高压浓水通过切换器进入浓水缸，推动活塞组向右运动并对低压原水进行增压，增压后的原水由止回阀组排出，实现浓水与原水间的压力能传递.装置的增压比 η1为增压苦咸水压力p1与高压浓水压力p2之比，即

作为能量回收装置核心功能的增压冲程，被增压原水的压力水平主要取决于高压浓水的压力水平，及浓水缸活塞与原水缸活塞间的面积比两个因素.当忽略活塞与缸体间的摩擦阻力及功交换流体的黏滞阻力，并假设活塞组匀速运动的情况下，装置的增压比可等效为浓水缸活塞截面积 A2与原水缸活塞截面积A1之比，即

根据纳滤膜厂商提供的技术参数，海水或苦咸水通过两段纳滤膜元件的压力损失不超过0.18，MPa［13］，加之能量回收装置和系统管路的压力损失约为 0.08，MPa，本脱盐系统本体部分总的压力损失为0.26，MPa.按照2.0，MPa的操作压力计算，自增压式能量回收装置的理论增压比应为 1.15（即2.0/（2.0-0.26））.为保证装置较好的增压效果，本实验水压缸浓水缸与原水缸内径比确定为1.1∶1，对应装置的增压比为1.21（＞1.15）.

2　实验工艺流程

图3为本文采用的自增压式能量回收装置与纳滤苦咸水淡化系统耦合的工艺流程，主要包括 3部分：预处理单元、纳滤脱盐单元和自增压式能量回收装置.纳滤脱盐单元采用一级两段脱盐工艺，一段和二段纳滤膜组件采用 3+2膜壳布置方案，每支膜壳内均装有3支NF90纳滤膜元件.

图3　实验工艺流程Fig.3 Experimental process flowsheet

图3中，原料苦咸水（质量分数为1.06%）经预处理单元处理后分为两股，一股进入高压泵，一股进入自增压式能量回收装置，两股苦咸水分别被增压后，汇合进入纳滤膜单元进行脱盐处理.经纳滤脱盐单元排出的高压浓水进入自增压式能量回收装置，将低压苦咸水增压到纳滤膜组件的进口压力，完成压力交换的泄压浓水直接排出.图4为系统现场运行照片.

图4　自增压式能量回收装置与纳滤系统耦合实物Fig.4 On-site photograph of the nanofiltration system and the integrated SB-ERD

3　系统的运行特性分析

3.1系统运行参数采集与分析

表1为采集到的系统稳定运行参数，由表1可知，该脱盐系统的操作压力为 2.0，MPa，低压苦咸水总流量为3.42，m3/h，系统产水流量为1.96，m3/h，产水收率为 57.31%，需要能量回收装置处理的高压浓水流量为1.46，m3/h.

表1　纳滤脱盐系统参数Tab.1　Parameters of nanofiltration desalination system

由上述参数并结合式（1）可得，本系统中自增压式能量回收装置的增压比为 1.20（≈1.21），利用式（3）计算装置增压过程的压力损失ps仅为0.02，MPa，说明能量回收装置实现了预期的增压效果.

式中：pbi为高压浓水压力，MPa；pso为增压苦咸水压力，MPa.

能量回收装置低压出口流量与低压进口流量比为 1.20（≈1.21），利用式（4）计算装置泄漏量 qs为0.02，m3/h，装置的泄漏率为 1.64%，与本实验室已报道的阀控式能量回收装置的泄漏率［14］（1.7%）基本相等，较好地保障了本自增压式能量回收装置的效率水平.

式中：qs为自增压式能量回收装置的泄漏量，m3/h；qbo为泄压浓水流量，m3/h；qsi为低压苦咸水流量，m3/h.

图5为高压浓水和增压苦咸水压力变化曲线，两条曲线整体保持平稳，但在切换器瞬间换向过程中均存在先向上后向下波动现象，且两条曲线的波动具有周期性、同步性的特点.该实验结果可理解为：切换器开始换向前，高压浓水管路存在瞬时截断及憋压现象，致使高压浓水压力升高.而当切换器开始换向时，高压浓水需要同时对两个水压缸内的低压苦咸水增压，因高压浓水供给流量与被增压缸体容积相差较大，导致高压浓水压力向下波动.尽管高压浓水和增压苦咸水的压力波动为 0.18，MPa，但其持续的时间仅为1～2，s，因此对装置的运行稳定性影响较小.

图5　增压苦咸水与高压浓水压力变化曲线Fig.5　Pressure curves of the pressurized brackish water and high pressure brine streams

图6为低压苦咸水和泄压浓水流量变化曲线，低压苦咸水流量曲线基本为一条平稳直线，而泄压浓水流量曲线呈周期性瞬间向下波动规律.这是由于切换器的特殊设计，使得低压苦咸水的流量能始终保持平稳.泄压浓水流量曲线虽存在瞬间周期性向下波动，但其波动量仅为 0.2，m3/h，对装置的稳定运行几乎无影响.

图6　低压苦咸水与泄压浓水流量变化曲线Fig.6 Flow curves of the low pressure brackish water and depressurized brine streams

3.2自增压式能量回收装置节能效果分析

根据系统测得的自增压式能量回收装置进出口流体的流量和压力指标，利用式（5）［15］计算得到自增压式能量回收装置的效率η3高达95.55%.

式中：3η为能量回收效率；pbo为泄压浓水压力，MPa；psi为低压苦咸水压力，MPa；qbi为高压浓水流量，m3/h；qso为增压苦咸水流量，m3/h.

本实验用纳滤脱盐系统，在耦合自增压式能量回收装置前后，系统需要配置的低压泵和高压泵类型并未发生变化，但耦合能量回收装置后这些泵所需的流量指标及相对应的运行能耗均会发生变化，进而会影响本脱盐系统每吨产水的能耗指标.

表2中，按照式（6）［16-18］计算得到了系统耦合自增压式能量回收装置前后的产水能耗指标.由表可知，纳滤系统配置自增压式能量回收装置后，其产水能耗减小了 0.74，kW，与未耦合自增压式能量回收装置时相比，降幅达 27.61%.这是因为系统主要耗能部件为高压泵和低压泵，当系统耦合自增压式能量回收装置后，低压泵的处理量和扬程不变，高压泵的扬程虽未发生变化，但其处理量降低，因此整个脱盐系统的产水能耗因高压泵能耗的降低而减小.

表2　耦合自增压式能量回收装置前后纳滤脱盐系统产水能耗比较Tab.2 Power consumption of NF desalination system and NF-SB-ERD desalination system

式中：N为泵功率，kW；H为泵扬程，m；η4为泵效率.

在纳滤脱盐系统耦合原阀控式能量回收装置时，能量回收装置出口增压苦咸水仍需要增压泵进一步增压，才能达到膜组件的进口压力，因此在计算耦合原能量回收装置，系统的产水能耗时，同时考虑高压泵、低压泵和增压泵的能耗.

按照式（6）［16-18］，表3分别给出了纳滤系统耦合阀控式能量回收装置及耦合自增压式能量回收装置时的产水能耗结果.由表可知，相比于阀控式能量回收装置，纳滤脱盐系统耦合自增压式能量回收装置后，产水能耗减小了 0.07，kW，较耦合阀控式能量回收装置降低了 3.48%.显示出自增压式能量回收装置在简化系统工艺、降低系统产水能耗及投资成本（可省去增压泵投资）方面的独特优势.

表3　耦合自增压式能量回收装置及耦合阀控式能量回收装置时纳滤脱盐系统产水能耗Tab.3 Power consumption of NF-SB-ERD integration system and NF-piston type ERD system

4　结　语

本文设计了一种新型自增压式能量回收装置，并将其与纳滤苦咸水淡化系统进行了耦合，实现了稳定运行.

自增压式能量回收装置的能量回收效率高达95.55%.与苦咸水纳滤淡化系统耦合后，系统产水能耗较耦合前减小了 27.61%.与耦合阀控式能量回收装置的纳滤脱盐系统相比，自增压式能量回收装置的引入不仅降低了系统产水能耗，而且简化了工艺，降低了系统投资，在中小型膜法苦咸水淡化工程中有较好的推广价值.

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（责任编辑：王晓燕）

Development and Performance Analysis of Self-Boost Energy Recovery Device

Wang Yue1，2，3，Gao Jianpeng1，2，3，Ren Yafei1，2，3，Wu Jianeng1，2，3，Xu Shichang1，2，3
（1.School of Chemical Engineering and Technology，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2.Tianjin Key Laboratory of Membrane Science and Desalination Technology，Tianjin 300072，China；3.Collaborative Innovation Center of Chemical Science and Engineering（Tianjin），Tianjin 300072，China）

In order to simplify the process and reduce energy consumption of the small/middle scale seawater / brackish water desalination system，a self-boost energy recovery device（SB-ERD）was developed on the basis of the piston type energy recovery device.The SB-ERD successfully combined the function of energy recovery and pressure boosting by using the pressure-differential hydraulic cylinders to replace the original equal-diameter pressure-exchanging cylinders.By coupling the SB-ERD with nanofiltration desalination system，under the working pressure of 2.0 MPa and the brackish water salinity of 1.06%，the operating performances of the SB-ERD and the power consumption of the hybrid process were analyzed and evaluated.The experimental results indicate that the device owns a good operation stability and has an energy recovery efficiency of up to 95.55%.Compared with the nanofiltration desalination system without SB-ERD，the energy consumption of the system with SB-ERD is reduced by 27.61%.Compared wtih the system with the piston type ERD，not only the process is simplified，but the system investment and energy consumption are also reduced.

brackish water desalination；nanofiltration；self-boost energy recovery device（SB-ERD）

TQ051

A

0493-2137（2016）08-0797-05

10.11784/tdxbz201503017

2015-03-09；

2015-04-27.

天津市科技兴海计划资助项目（KJXH2012-03）；天津市海洋经济创新发展区域示范项目（CXSF2014-10）.

王 越（1975— ），男，博士，副教授.

王 越，tdwy75@tju.edu.cn.