差压式海水淡化装置的节能研究

2020-11-02刘恒娟

山东农业大学学报（自然科学版） 2020年5期

刘恒娟

上海市城市科技学校,上海 201601

随着人类向海洋的探索和利用，人们对淡水的需求从陆地转向了大海。由于淡水资源日益短缺，通过海水淡化而获得淡水资源的需求越来越迫切[1]。海水淡化是将海水中的盐分和杂质除去后可以达到饮用水、工业用水标准的一个过程[2]。海水淡化装置在现代科技领域中有着广泛的研究价值。

目前在以反渗透为主流的海水淡化装置中，使用能量回收装置能有效回收废弃高压海水中的能量，从而使耗电量大大降低[3]。能量回收装置可分为透平式能量回收装置[4]与功交换式能量回收装置[5]，但这些装置的效率最高只能达到90%[6]，且国内外对此类装置的设计通过经验和人工计算来完成。

为了进一步降低海水淡化装置的吨水功耗和提高能量回收效率，文中阐述了一套反渗透海水淡化装置，其采用了功交换式能量回收装置中的差压式能量回收泵，使得吨水功耗降低至3.78 kWh 以下，能量回收效率达到92.7%左右，并首次采用AMESim 软件对装置进行仿真，验证了理论研究。

1 差压式海水淡化装置

1.1 装置的组成

该海水淡化装置主要由海水泵、前处理过滤器（金属滤芯过滤器、活性炭过滤器与保安过滤器）、能量回收泵组件（差压式能量回收泵、控制阀和单向阀）、反渗透膜组件[7]、产水水箱及冲洗水泵等组成，其结构如图1 所示。海水泵采用3DS6 太阳能水泵，功耗低。

图1 差压式海水淡化装置结构图Fig.1 Structure diagram of the differential pressure desalination device

图2 差压式海水淡化装置原理图Fig.2 Schematic of the differential pressure desalination device

1.2 装置的工作原理

海水经海水泵提升至装置内，经30 μ金属滤芯过滤器、10 μ活性炭过滤器以及精度为5 μ的保安过滤器等进行前处理过滤。然后通过能量回收泵组件进行增压，增压后的海水一部分透过反渗透膜组件成为淡水，剩余部分则变成高压浓海水重新回到能量回收泵中。最后在能量回收泵中，高压浓海水将其压力传递给进料低压海水后排出（图2）。

1.3 差压式能量回收泵增压原理

差压式能量回收泵的工作原理如图3 所示。能量回收泵上端是一个控制阀，下端是类似于两只活塞缸并联的结构。高压废弃海水通过能量回收泵将压力传递给低压海水使其变成高压海水，自身变成低压废弃海水排出。

图3 差压式能量回收泵增压的工作原理图Fig.3 Working schematic of pressurization of differential pressure energy recovery pump

图4 差压式能量回收泵活塞向左运动的示意图Fig.4 Sketch map of piston movement to the left of differential pressure energy recovery pump

差压式能量回收泵的活塞向左运动的示意图如图4 所示。两只并联活塞缸所隔成的四个腔体由左至右分别为增压腔、回收腔、排放腔和进料腔。右端的低压海水进入到能量回收泵右端的进料腔中，其压力为海水泵压力，在上端控制阀的作用下，与其相邻的腔为排放腔，其压力近似为0。

从上式可以看出，增压腔原有的低压海水被增压，活塞缸与活塞杆面积之比即为增压比。

2 系统参数计算

2.1 反渗透工艺参数计算

假设用标准海水（含盐量35000 mg/L）经传统过滤方式，污染指数SDI<5，25 ℃，产水量为2.08 t/d、水回收率为8.3%，3 年工作寿命，表征反渗透膜污染情况的流量因子为0.85，采用陶氏膜专用设计ROSA 软件进行计算，得到进水流量为24.10 t/d（1 t/h），反渗透膜前压力为36.8 bar，浓水压力为36.6 bar，浓水流量为22.01 t/d（0.917 t/h）。

表1 节能海水淡化装置的主要电子产品常值功率表Table 1 Constant power meter for main electronic products of energy-saving desalination device

2.2 扬程计算

在计算海水泵扬程时，需要考虑能量回收泵增压机理所必须的扬程和阀门、膜壳与管道的流阻所损失的扬程。总计损失的扬程约为26.23 m，则该系统中需要56.83 m 扬程的海水泵。选用在该流量下最高扬程为70 m 的3DS6 太阳能水泵，除能够保证正常使用要求外，在流体通道内存在一定程度的堵塞时也能正常工作[8]。

2.3 系统功耗计算

在保证扬程与流量情况下，还须保证功耗满足使用要求。当扬程为60 m、流量为1 t/h 时，所用海水泵功率小于305 W。而对于吨水功耗不超出4 度电来说，装置最大功率不能超过333 W，因此使用该水泵情况下，其它产品至少可以有28 W 以上的功率。

2.4 能量回收效率计算

3 系统仿真

通过AMESim 软件进行仿真，使用定量泵来模拟3DS6 太阳能水泵，用流阻来模拟反渗透膜及膜壳，用两只独立的液压缸作为能量回收泵，用P 型三位四通阀作为能量回收泵控制阀。控制逻辑通过相关控制元件实现。

设置仿真参数如下：

● 3DS6 太阳能水泵流量为17.1 L/min。

● 液压缸行程为300 mm，缸径为125 mm，轴径为36 mm。

● 膜壳与反渗透膜流阻为0.9 bar。

● 产水流阻设为在1.39 L/min 下36.8 bar。

● 蓄压器容积为1 L，预充压力为6 bar。

仿真结果如下：

图5 海水淡化装置系统仿真图Fig.5 Simulation of desalination system

图6 系统仿真结果Fig.6 System simulation results

200 s 后渗透膜前压力=37.8 bar，原水压力=5.76 bar，浓水压力=37.6 bar，浓水流量=15.71 L/min，产水流量=1.39 L/min。由仿真波形数据可得：能量回收效率=(37.8-5.76)×17.1/(37.6×15.71)≈92.75% (5)对比式(4)和式(5)，理论分析计算所得的能量回收效率与仿真结果基本一致。