自增压式泵与能量回收一体机试验研究

邱冠华，刘思晗，宋代旺，汪程鹏，王海涛，赵如娟，黄云飞，王生辉

(自然资源部 天津海水淡化与综合利用研究所，天津 300192)

1 前言

反渗透海水淡化技术近年来发展迅速。降低反渗透海水淡化系统的能耗是国际上研究人员关注的重要问题[1]，其方法包括应用能量回收技术 、提高膜性能、简化预处理过程等。其中，能量回收技术可降低反渗透系统能耗40%以上，是最有效的降低能耗的方法[2]。

现有反渗透系统中主要使用两种类型的能量回收装置：功交换式与涡轮式。功交换式能量回收装置主要有两种，一种是通过阀门和活塞来实现其压力交换；另一种是通过高速旋转转子来实现压力交换。功交换式装置拥有高达98%的能量转换效率和平稳的性能曲线，但面对较高的回收率需求，功交换式效果欠佳[3]，且由于体积较大且维护要求高，因此它们不适用于小型反渗透海水淡化系统。另一类涡轮式能量回收装置包含同轴连接的水力涡轮及高压泵，靠涡轮回收余压能转换为机械能，然后再将机械能作用于高压泵端转换为原水液压能，进而达到节能的目的。典型产品诸如PEI公司开发的Hydraulic Turbo Charger[3]。涡轮式能量回收装置的能量转换效率可达60%～80%[4]，且流量越大，效率越高，所以涡轮式能量回收装置通常用于中大规模的反渗透海水淡化。

小型反渗透海水淡化系统(产水量低于10 m3/d)为降低设备成本，通常不配备能量回收装置，导致吨水能耗达10 kW·h/m3[5-6]。文章所述的自增压式泵与能量回收一体机，采用压力交换机制将低压海水加压至反渗透操作压力，同时具备高压泵及能量回收功能，可大幅降低海水淡化能耗与设备成本。

1 自增压式泵与能量回收一体机应用工艺及工作原理

1.1 反渗透系统工艺流程

带自增压式泵与能量回收一体机的反渗透海水淡化系统最基础的工艺流程如图1。主要包括低压泵、自增压式泵与能量回收一体机和反渗透膜。低压泵将海水增压至4×105Pa～8×105Pa，然后自增压式泵与能量回收一体机将低压海水提升至反渗透工作压力。该系统简单，不需要传统反渗透海水淡化系统中独立设置高压泵，只需要一个低压泵提供初始动力即可。

图1 带自增压式一体机的反渗透海水淡化工艺流程Fig.1 Reverse osmosis seawater desalination process with self-pressurizing integrated machine

自增压式泵与能量回收一体机的运转机制如图2。自增压式泵与能量回收一体机的主体由2个活塞、2个活塞缸和一个活塞连杆组成。低压原水和高压浓水对活塞施加作用力，推动活塞运动，并对高压原水加压，排出低压浓水。当活塞移动到终点时，通过换向阀换向，活塞继续向相反方向移动。

图2自增压式一体机工作原理自增压式泵与能量回收一体机中的四部分水如图3。Q代表流量，P代表压力。f、e、c、h、p分别代表低压原水、低压浓海水、高压浓海水、高压原水和产水。

图2 自增压式泵与能量回收一体机原理Fig.2 Principle of self-pressurizing pump and energy recovery integrated machine

图3 自增压式一体机示意图Fig.3 Schematic diagram of self-pressurizing integrated machine

两个活塞由连杆连接，活塞的速度应一致，即：

(1)

其中，Ap是活塞的面积，Ar是活塞杆的截面积。

在反渗透海水淡化系统中，理论回收率Rt：

(2)

根据流量关系得出：

Qp=RtQf=RtQh=Qf-Qc

(3)

结合等式(1)(2)(3)得出：

(4)

当活塞运动时，速度是恒定的。 因此，将作用在活塞上的力相加得出：

∑f=PfAp-Pe(Ap-Ar)+Pc(Ap-Ar)-PhAp=0

(5)

Pf+Pc(1-Rt)=Pe(1-Rt)+Ph

(6)

一体机工作工程中会有部分压力损失，因此考虑压力损失并重新整理等式(6)得出：

Pf=Ph+(1-Rt)(Pe-Pc)+PL

(7)

其中，PL是总压力损失。

有效能量转移效率定义为：

(8)

效率定义为有效输出功率与总输入功率之比。

2 自增压一体机试验方案

2.1 试验平台

自增压式泵与能量回收一体机性能测试流程如图4。整个测试平台由水箱、增压泵、过滤器、高压泵、压力容器、减压阀、自增压式泵与能量回收一体机、压力变送器和流量计组成。试验水温为25 ℃。

图4 自增压式一体机测试平台工艺图Fig.4 Process diagram of self-pressurizing integrated machine test platform

水箱中的水先经增压泵加压，再经预处理过滤器。一部分低压原水由高压泵加压至反渗透工作压力。另一部分低压原水进入自增压式泵与能量回收一体机，经过增压成为高压原水。两部分高压原水进入压力容器后混合，一部分高压原水通过减压阀减压以模拟产水，排回水箱。另一部分高压水通过另一个减压阀减1×105Pa压力，用于模拟随后进入自增压式泵与能量回收一体机的高压浓盐水，并经过能量交换后变成低压浓水排入水箱。

压力变送器精度为±0.1%，流量计精度为±0.5%。

2.2 自增压式泵与能量回收一体机参数

文中自增压式泵与能量回收一体机的参数为：

活塞直径70 mm；活塞杆直径19.05 mm；回收率7.4%，活塞缸长度200 mm，活塞宽度30 mm。

2.3 测试步骤

自增压式泵与能量回收一体机在以下15个测试点进行了测试：

进水流量：4 m3/d、8 m3/d、12 m3/d、16 m3/d、20 m3/d。高压原水压力：4.5×106Pa、5.5×106Pa、6.5×106Pa。 通过调节减压阀将压力差(高压原水和高压浓水之间的压差)设置为105Pa。

每次调整后，在自增压式泵与能量回收一体机稳定运行时记录数据，每次记录持续5 min。数据在测试期间取平均值。

3 结果分析

3.1 试验结果

试验结果见表1。

表1 自增压式泵与能量回收一体机试验数据Tab.1 Test data of self-pressurizing pump and energy recovery integrated machine

表1测试结果表明自增压式泵与能量回收一体机具有高压泵功能，可将低压原水从5×105Pa～8×105Pa加压到4.5×106Pa～6.5×106Pa。 而且自增压式泵与能量回收一体机的有效能量转换效率在很宽的流量和压力范围内效率都非常出色(超过92%)。 如此出色的效率，将带来良好的能耗表现。

3.2 压力损失

设备运行时不可避免地会产生压力损失，如管道中流体的流动阻力和止回阀块的流动阻力。流量越大，流阻损失越大。

可以通过等式(7)计算压力损失。该机的理论回收率为Rt=0.074。可假定低压浓盐水压力Pe为0.1×105Pa，这在反渗透海水淡化系统中很常见。

则压力损失与原水流量的平方的关系如图5。

图5 压力损失与原水流量平方的关系Fig.5 Relationship between pressure loss and square of raw water flow

从图5中可以看出，压力损失与进水流量的平方成正相关，这主要是由于水的流动阻力与流量和流量的平方成正比比例关系。

3.3 效率

效率由等式(8)计算。由于自增压式泵与能量回收一体机有活塞密封设计，没有原水和浓盐水的混合问题。 因此，可以假设Qh=Qf和Qc=Qe。

高压原水的压力与一体机效率的关系如图6。

图6 自增压式一体机的效率与高压原水压力的关系Fig.6 Relationship between efficiency of self-pressurizing integrated machine and high pressure raw water pressure

可以看出，当原水流量一定时，效率随着高压原水压力的增加而增加。

结合等式 (3)、(7) 和 (8) 得出：

(9)

当流量一定时，压力损失不随高压原水的压力而变化，可视为一个常数。Rt和Pe也是常数。因此，由式(10)可知，当原水流量恒定时，效率随着高压原水压力Ph的增加而增加，但增加幅度逐渐减小。

(10)

自增压式泵与能量回收一体机有效能量转换效率与原水流量之间的关系如图7。

图7 自增压式一体机的效率与原水流量的关系Fig.7 Relationship between the effect of self-pressurizing integrated machine and raw water flow

如3.2所述，压力损失随着原水流量的增加而增加。由式(10)可知，当高压原水的压力一定时，效率随着压力损失的增加而降低。因此，当高压原水的压力一定时，效率会随着原水流量的增加而降低。

4 结论

文章对适用于小型反渗透海水淡化的自增压式泵与能量回收一体机进行了理论与试验研究。配备该自增压式泵与能量回收一体机的小型反渗透海水淡化系统的结构比常规系统更加简单。该系统不需要配备传统的高压泵，并表现出非常高的效率，可大大降低设备成本和运行成本。理论分析和试验研究表明，压力损失与原水流量的平方成正比例关系。有效能量转换效率随着高压原水压力的增加而增加，随着原水流量的增加而降低。因此，在设计配备自增压式泵与能量回收一体机的小型反渗透海水淡化系统时，设计者应尽量使自增压式泵与能量回收一体机处于较低流量和较高工作压力的工况下。但是，也没有必要一昧追求最低的流量和最高的压力，因为自增压式泵与能量回收一体机的有效能量转换效率可以在很宽的流量和压力范围内保持在92%以上，性能表现非常优异。