泵-马达式能量回收技术在海水淡化工程中的应用进展

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(1.燕山大学 河北省重型机械流体动力传输与控制实验室，河北 秦皇岛 066004；2.燕山大学 先进锻压成形技术与科学教育部重点实验室，河北 秦皇岛 066004；3.河北农业大学 海洋学院，河北 秦皇岛 066003)

引言

反渗透海水淡化(Seawater Reverse Osmosis Desa-lination,SWRO)技术因设备简单、效率高、占地小、操作方便、无相变、无需热源、能耗少、适应性强等显著特点[1]，是目前海水淡化领域应用最为广泛的主流技术之一[2]。在SWRO系统中，如果直接废弃余压盐水，将带来不低于10 kWh/m3的能耗，因此回收废弃盐水余压能是SWRO工程大幅降低运行能耗和产水成本极为重要的环节。目前大、中规模海水淡化系统广泛应用能量回收装置，能耗由13 kWh/m3降低为2 kWh/m3[3]，但在传统的小型系统中一般无能量回收装置，在盐水处理线浪费了近90%的系统输入能量[4]，致使其比能耗高、效率低。近年来小型SWRO系统在海岛、海礁、旅游度假区、海洋石油平台、移动集装箱、军舰、科学考察船、工程打捞船、远洋货船、远洋捕捞船、驻岛部队、野战部队和应急准备等领域应用越来越广泛。建设成本低、能耗小、效率高、流动性强和灵活性好的小型SWRO系统已成为海水淡化工程领域未来重要的发展趋势之一。因此，研发与小型SWRO系统配套的高效能量回收装置，对于海水淡化工程具有重要的科学意义和研究价值。

人们针对此类能量回收装置进行了大量研究工作，结果表明小尺寸涡轮机效率低下，风险损失与制造成本高，在小型系统中应用不切实际[5]；而大规模淡化系统中所常用的正位移式装置(回收效率高达92%以上)，如美国ERI公司开发的PX装置一旦以小尺寸制造也将出现易污染的问题[6]，况且除PX外，大多数正位移式能量回收机构都包含高压阀门，它们需要精确定时运行以确保水流顺畅。将这种精确性与浓海水的耐腐蚀性相结合是非常具有挑战性的，许多设计概念在实践中都失败了[7-8]；而专为小型海水淡化系统设计的流体驱动系统Clark Pump，适用范围又太小，一般应用于日产水量少于2.3 m3的淡化系统[3]，最高日产水量也少于10 m3[9]。但泵-马达式能量回收装置因总成简单、成本低、脉动小、盐海水无混合和维护方便等特点，证明适合小型海水淡化系统。

由于尚缺少相关文献对泵-马达式能量回收技术进行详尽地描述与总结，因此本研究首先对其基本工作原理和重要性能参数指标进行了介绍；其次，综述了此类装置的国内外研究现状和进展，并指出当前研究尚存在的局限性与不足；最后，从提高能量转换效率、集成化程度、运行稳定性三个方面，给出了泵-马达式能量回收技术发展新趋势和关键科学问题。

1 泵-马达式能量回收技术

1.1 基本工作原理

泵-马达式能量回收技术采用泵-马达同轴设计，利用海水液压马达回收废弃盐水余压能并转换为转矩输出传递给转轴，从而减少来自电机的输出转矩和输出功率，由此达到节能降耗的目的，其工作原理如图1所示。

图1 泵-马达式能量回收技术工作原理

考虑液压泵能量转换过程中的损失时，根据能量守恒定律，有：

2πTpnpηVpηmp×10-3=qhs(phs-pls)

(1)

式中，Tp为泵的实际驱动转矩，N·m；np为泵轴转速，r/min；ηVp为泵的容积效率；ηmp为泵的机械效率；phs为高压海水出口压力，MPa；pls为低压海水进口压力，MPa；qhs为高压海水出口流量，L/min，可表示为：

qhs=VpnpηVp×10-3

(2)

式中，Vp为泵的理论排量，mL/r。

将式(2)带入式(1)可得：

(3)

考虑液压马达能量转换过程中的损失时，根据能量守恒定律，有：

2πTmnm×10-3=qhb(phb-plb)ηVmηmm

(4)

式中，Tm为马达实际输出转矩，N·m；nm为马达输出转速，r/min；ηVm为马达的容积效率；ηmm为马达的机械效率；phb为余压盐水进口压力，MPa；plb为低压盐水出口压力，MPa；qhb为余压盐水进口流量，L/min，可表示为：

(5)

将式(5)带入式(4)可得:

(6)

式中,Vm为马达的理论排量，mL/r。

当np=nm时，电机的输出转矩Tom与Tp，Tm存在以下关系：

Tp=Tom+Tm

(7)

由(7)可知，泵轴实际所需转矩Tp由Tom和Tm共同决定。当Tp由Tm优先供给时可有效回收余压盐水能量；而当Tp不能由Tm优先供给时则能量回收功能失效。

1.2 重要性能参数

1) 液压能转换效率HETE

泵-马达式能量回收系统的液压能转换效率HETE定义为[10]：

(8)

式中，pop为泵的实际输出功率，kW；pdim为电机的输入功率，kW；pim为马达的实际输入功率，kW。

2) 水回收率η

系统的水回收率η定义为[3，11-12]：

(9)

qp=qhs-qhb

(10)

式中，qp为淡水产水流量，L/min。

将式(2)、式(5)、式(10)带入式(9)，可得：

(11)

3) 有效能量转换效率E

有效能量转换效率E能反应出能量回收装置的有效能量转换能力，是衡量余压能量回收装置的主要性能和体现出反渗透系统价值的重要指标[13-15]。泵-马达式能量回收系统中液压马达作为能量回收装置，有效能量转换效率E即为马达总效率ηm。

4) 比能耗SEC

系统比能耗可表示为[16]：

(12)

式中，Em为电机所消耗的能量。

2 国内外研究进展

2.1 轴向柱塞泵-轴向柱塞马达(APP-APM)

近年来，随着水液压轴向柱塞泵和马达性能不断提高，泵-马达式能量回收技术迅猛发展，其在SWRO系统中得到越来越广泛的应用，目前市场上APP-APM型能量回收系统主要有两大类：Danfoss SWPE系统和KSB SALINO Pressure Center。

(1) Danfoss SWPE系统是一款适用于小型SWRO系统(淡水产量0.1～1.5 m3/h)的带有能量回收装置的高压套泵，是世界上最小的能量回收系统。该设备由一台APP和一台APP反转作APM直连在同轴电机两侧，无需皮带和齿轮箱，运行简图如图2所示[17]。

图2 SWPE运行简图

(2) KSB SALINO Pressure Center是一款专门应用于工业、船舶、酒店、度假村和近海的中小型SWRO系统(产水量高达250 m3/d少于1000 m3/d)。世界上第一个将淡化系统四个主要组成部分：高压泵、能量回收装置、增压泵和电动机，替换为一个尺寸紧凑的单元(0.75 m2)，所有组件都没有使用任何管道连接，节省空间，装置结构如图3所示[18]。SALINO Pressure Center的投资和维护费用较低，经济、高效且易于操作。与无能量回收的系统相比，可节省多达75%的能量。能量回收率视海水水质而定，在24%和47%之间。据报道，第一个单元已经在红海附近使用，但遗憾的是没有资料描述其实际运行信息[19]。

图3 SALINO Pressure Center

1996年，威尔士Dulas有限公司展示了使用Danfoss APM作为海水反渗透能量回收装置，盐水余压能通过皮带轮和齿形橡胶带返回给柱塞泵的轴，这将使原系统13 kWh/m3的比能耗减至约5.6 kWh/m3，是PV-RO背景下的一个巨大进步[5,20-21]。1999年，Dulas试验台运送到CREST重新投入使用，试验中出现了效率略有降低以及腐蚀问题，比能耗由先前5.6 kWh/m3略微增加至6.4 kWh/m3[7]。2002年，KUNCZYNSKI在其PV-RO长期示范工程中广泛应用APM，证实了APM作为能量回收装置长期可靠无需维护[6,21]。

2005年挪威Balder水技术公司DRABLOS使用Danfoss APP作为高压泵，通过一种传动装置A/S(即双V形皮带传动系统，为由电机驱动的中央皮带轮所驱动)对四种不同型号配置的Danfoss APP和APM进行组合集成，保证转速同步，并进行测试，以获得产水率、回收率和比能耗，组合覆盖产水量8～23 m3/d，回收率31%～46%，比能耗3～4.8 kWh/m3不等。结果表明，该系统应用于小型海水淡化厂，在强调低能耗情况下能够保持平稳运行，并且得到小型淡化系统合适的回收率跨度在25%～37%，这是因为回收率越低能耗越高，但高回收率对于小系统也不实际，如果回收率达到46%，则需要加入阻垢剂[22]。

2007年，美国能源回收公司MACHARG针对泵-马达式技术进行了分析和试验研究，证实了基于该技术的实验装置具有较好的工作性能和节能效果，能有效应用于小型SWRO系统，将无能量回收系统时8 kWh/m3的比能耗降到2.1～4.8 kWh/m3，并发现在较低的操作压力下，回收能量的可用性、泵-马达装置中的水力损失相关效率较低，马达的优势将减弱，为确定最佳工况条件提供了指导意见[3]。

2008年丹麦Danfoss公司VALBJØRN探讨了适用于小型SWRO系统的能量回收装置，Danfoss APP-APM适用产水量为1～100 m3/d的范围，并验证了其可行性和经济性，对于固定排量的非优化APM来说，总效率约为70%～75%，且APP-APM能量回收系统符合工业设计标准，最小使用寿命长达8000 h，这也有助于降低用户使用成本，还根据由反渗透膜产品差异所导致的调整回收盐水流量要求，研发了一种APP和变量APM集成的能量回收装置，提高了原装置的工作性能[23]。

2010年韩国机械研究所能源部KIM等[24]研制了一种带有能量回收功能的一体化柱塞泵-马达装置，是小型SWRO能量回收系统未来重要的发展方向，装置结构如图4所示。并基于旋转斜盘式驱动原理搭建小型反渗透系统，进行此类功能集成的一体化装置原理可行性试验，结果发现通过使用液压马达，可回收泵的耗能为53%～60%，水回收率接近27%～28%，此外，还比较了电机转速和进料温度等对泵功率消耗和电机功率的影响[25]。

2013年上海大学张国贤对三种斜盘泵-马达式能量交换装置特点进行了比较，并对产品延伸应用进行了展望，阐述了一体化装置不仅能够高效应用于小型SWRO能量回收系统，而且可作为斜盘式双排量串联泵应用于液压系统，具有一机多用的好处，装置结构如图5所示[26]。

图4 泵-马达一体化压力能回收装置

图5 斜盘泵-马达式能量交换装置结构示意图

2015年希腊雅典农业大学DIMITRIOU等对配套Clark Pump和Danfoss APP-APM能量回收的海水淡化系统进行了能耗比较，通过实验测试发现这两个淡化系统在部分负荷下运行均比额定工况下(Clark SWRO为0.55 MPa，Danfoss SWRO为0.67 MPa)比能耗降低16%；Clark SWRO在0.44 MPa膜入口压力下比能耗最小，为5.7 kWh/m3；Danfoss SWRO的比能耗在0.59 MPa 膜入口压力下最小，为4 kWh/m3；配套APP-APM的海水淡化系统比能耗更低[16]。

2.2 其他形式装置

卢勇等用叶片泵和叶片马达替代柱塞泵和柱塞马达结构，研发了一种集成的能量回收装置，制造实验样机，样机采用插装式结构，如图6所示。通过实验研究了不同工况下集成装置的液压性能和系统能耗。结果表明，此种集成装置可以降低能源成本，简化系统结构，水回收率由泵单元和叶片马达单元的容积效率和排量决定，容积效率的提高是装置具有高效能的主要因素，但该装置还处于研究阶段尚未实现产品化[11-12]。

图6 叶片泵-马达集成装置结构

综上所述，根据二十几年来泵-马达式能量回收系统的研究情况，发现由最先的皮带、皮带轮和齿轮箱传动，发展成泵、电机和马达直连的形式，其结构、体积、重量以及能量回收效率都有很大的改善。此外，发现人们研究的重点大多集中于通过实验来验证泵-马达式能量回收技术原理可行性，应用于小型反渗透海水淡化系统的有效性以及降低系统能耗的经济性，主要从能量转换效率、水回收率、比能耗等性能指标对不同工况下系统性能进行研究，但都缺少具体的工作原理说明以及实际工程应用数据。也有部分研究创新了泵-马达式能量回收装置新结构，将泵-马达功能进行了集成，不再需要使用连接设备，提高装置集成度和缩短能量传递路径，进一步减小了装置的体积和提高了能量转换效率，但是，由于缺乏核心技术理论指导，大多尚处于设计概念阶段，并未制造样机进行相应的系统工作性能研究。

3 发展趋势和关键科学问题

总之，几十年来的研究证明，泵-马达式能量回收技术满足小型淡化系统的使用要求，并能够有效降低系统能耗，是解决小型反渗透淡化系统无能量回收装置、高能耗的重要途径，但由于存在中间能量转换环节，能量回收效率较低，制约了它在实际工程应用中的进一步发展；此外，泵-马达同轴连接，甚至是共轴结构，所带来的流量压力脉动，运行稳定性也是泵-马达式能量回收技术面临的主要难题。因此，必须进一步完善泵-马达式能量回收技术的基础理论和关键技术，研发出高效能、高可靠性的泵-马达式能量回收系统。目前亟待解决的科学问题总结如下：

(1) 电机和能量回收马达同轴硬联复合驱动控制系统最优工作点的转矩分配问题；

(2) 电机和能量回收马达同轴硬联复合驱动控制系统的转速稳定性问题；

(3) 泵、马达共轴结构的一体化集成装置轴系机液耦合动力学问题。

4 结论

本研究在详细阐述泵-马达式能量回收系统的国内外现状和进展基础上，描述了其工作原理和重要性能参数指标，得出此系统满足小型反渗透淡化系统使用要求的结论，但当前研究尚存在局限性与不足，因此，综合考虑能量转换效率、集成化程度、运行稳定性三个方面，给出了泵-马达式能量回收技术未来发展趋势和关键科学问题，为进一步改进泵-马达式能量回收系统提供指导性方向和建议，对解决无能量回收装置的小型反渗透淡化系统高能耗和应用受限的问题，具有重要意义。