用於海水淡化系統的差動式能量回收裝置及方法

2023-10-26 06:09:02

專利名稱：用於海水淡化系統的差動式能量回收裝置及方法
技術領域：
本發明涉及海水淡化領域，具體的說，是涉及反滲透海水淡化系統的一種差動式
能量回收裝置及方法。
背景技術：
海水淡化技術發展的一個重要目標是降低運行成本，在運行成本的構成中能耗所 佔的比重最大，所以降低能耗是降低海水淡化成本最有效的手段。反滲透海水淡化是目前 海水淡化的主流技術之一，反滲透海水淡化過程需消耗大量電能提升進水壓力以克服水的 滲透壓，反滲透膜排出的濃水餘壓高達5. 5 6. 5MPa，按照40%的回收率計算，排放的濃鹽 水中還蘊含約60%的進料水壓力能量，將這一部分能量回收變成進水能量可大幅降低反滲 透海水淡化的能耗，而這一 目的實現有賴於利用能量回收技術。 自70年代以來，隨著反滲透技術應用於海水/苦鹹水淡化，各種形式的能量回收 裝置也相繼出現。能量回收裝置目前有水力透平式能量回收裝置和功交換式能量回收裝置 兩大類。 最早的能量回收裝置是水力透平式，瑞士 Calder. AG公司的Pelton Wheel透平 機和P咖pGinard公司的Francis透平機，效率一般為50% _70 % ，其原理是利用濃鹽水 驅動渦輪轉動，通過軸與泵和電機相連，將能量輸送至進料原海水，過程需要經過"水壓 能——機械能——水壓能"兩步轉換。在上面的基礎上經過改進，出現了一些獨特的設 計，其中具代表性的有丹麥Grundfos公司生產的BMET透平直驅泵和美國PEI公司生產 的HydraulicTurbocharger。兩者均是透平與泵一體化設計， 一根轉軸連接兩個葉輪，全部 封裝在一個殼體中，濃鹽水流過葉輪時衝擊葉片推動葉輪轉動，從而驅動透平軸旋轉。透 平軸直接帶動增壓泵工作輸出機械功，濃水能量轉換成原海水的能量轉換效率可提高至 65 % -80 % 。高壓泵與透平增壓泵兩級串聯完成原海水的壓力提升，通過透平增壓降低高壓 泵所需要的揚程，減少電機動力消耗。但是，由於水力透平式能量回收裝置原理上都要經過 "水壓能——機械能——水壓能"兩步轉換，增加了機械能損耗，因此效率較低。
80年代，出現了一種新的能量回收技術，其工作原理是"功交換"，通過界面或隔 離物，直接把高壓濃鹽水的壓力傳遞給進料海水，過程得到簡化，只需要經過"水壓能—— 水壓能"一步能量轉換，能量回收效率可得到提高。目前反滲透海水淡化工程中應用的功 交換式能量回收裝置主要為轉子式壓力交換器和活塞式閥控壓力交換器兩類，效率可高達 90-97%。 轉子式壓力交換器以美國ERI公司的PX轉子式壓力交換能量回收裝置為代表。 原理是高壓濃鹽水推動圓周開有多個縱向溝槽(類似於多個微型液缸)的無軸陶瓷轉子旋 轉，使多個微型溝槽分別在兩側靜止的配流盤高壓區和低壓區交替轉換切入，進入高壓區 的微型液缸進行能量回收傳遞向外排液，進入低壓區的微型液缸進行原海水補液，PX需配 增壓泵提升初步升壓的原海水進入RO系統，高壓濃鹽水直接與低壓原海水傳遞壓力。 一方 面，由於必須配備增加泵，轉子式壓力交換器成本比較高；另一方面，轉子旋轉尖利剌耳、噪
4音大， 一旦轉子中進入氣泡、雜質等，就非常容易發生損壞，可靠性差， 活塞式閥控壓力交換器以瑞士 Calder. AG公司的DWEER雙功交換能量回收裝置、 德國KSB公司的SalTec DT壓力交換器、德國Siemag Transplan公司的PES壓力交換系統 及Ionics公司的DYPREX動力壓力交換器為代表。原理是採用兩個大直徑液缸，其中一個 液缸中高壓濃水推動活塞將能量傳遞給低壓原海水向外排液，另一個液缸中供料泵壓入低 壓原海水補液並排出低壓濃水，兩液缸在PLC和濃水換向閥的控制下交替排補海水，實現 把濃水能量轉換成原海水能量的回收過程。活塞式閥控壓力交換器需配備增壓泵提升初步 升壓的原海水進入RO系統，增壓泵需要採用耐海水腐蝕的材料製作，並且對密封要求也很 高，目前通過進口方式購買，造價很高。

發明內容
本發明要解決的技術問題是提供一種能夠彌補現有技術的缺陷，回收反滲透海水 淡化高壓濃鹽水餘壓能量的差動式能量回收裝置及方法，用以提升低壓原海水的壓力，完 成兩種高低壓液體之間的能量交換，實現節約能源的目的。 為了解決上述技術問題，本發明的能量回收裝置通過以下的技術方案予以實現
—種用於海水淡化系統的差動式能量回收裝置，包括連接於低壓原水泵出水口的 低壓原水進口、連接於高壓原水泵出水口的高壓原水出口、連接於反滲透裝置高壓濃水出 水口的高壓濃水進口 ，還包括完全相同的內部設置有第一活塞的第一液缸和內部設置有第 二活塞的第二液缸，所述第一活塞將所述第一液缸分割為第一腔體和第二腔體，所述第一 活塞固接有第一活塞杆，所述第二活塞將所述第二液缸分割為第三腔體和第四腔體，所述 第二活塞固接有第二活塞杆； 所述低壓原水進口通過第一進液閥連接所述第一腔體，所述第一腔體通過第一排 液閥連接所述高壓原水出口，所述第二腔體連接於兩位五通換向閥； 所述低壓原水進口通過第二進液閥連接所述第三腔體，所述第三腔體通過第二排
液閥連接所述高壓原水出口，所述第四腔體連接於兩位五通換向閥； 所述兩位五通換向閥連接於高壓濃水進口 ，且連接有低壓濃水排放口 。 作為較為優選的技術方案 所述兩位五通換向閥通過換向閥驅動裝置驅動。 所述換向閥驅動裝置為液壓驅動裝置、氣壓驅動裝置或者電能驅動裝置其中的一 種。 所述換向閥驅動裝置為液壓驅動裝置。 所述反滲透裝置的高壓濃水出口處設置有緩衝器。 所述第一活塞杆和所述第二活塞杆分別安裝有套筒，所述套筒上設置有限位傳感 器。 所述第一活塞杆杆徑為所述第一活塞直徑的25% 40%，所述第二活塞杆杆徑 為所述第二活塞直徑的25% 40%。 所述第一進液閥、第二進液閥、第一排液閥、第二排液閥分別為錐面密封。
本發明的能量回收方法通過以下的技術方案予以實現 —種利用上述裝置實現的用於海水淡化系統的差動式能量回收方法，依次由以下步驟組成 a.換向閥驅動裝置將兩位五通換向閥調至位置一，使第一液缸的第二腔體與高壓 濃水進口聯通，第二液缸的第四腔體與低壓濃水排放口聯通；
b.使低壓原水通入低壓原水泵，進行一次加壓； c. —次加壓後的低壓原水由低壓原水出口分別進入高壓原水泵、第一液缸的第一 腔體和第二液缸的第三腔體； d.進入高壓原水泵的低壓原水通過二次加壓後進入反滲透裝置，排出低壓淡水和 高壓濃水； e.高壓濃水通過兩位五通換向閥進入第一液缸的第二腔體，推動第一活塞及第一 活塞杆運動，將第一腔體中的一次加壓原水加壓排出，並與高壓原水出口的高壓原水匯合 進入反滲透裝置； f.當第一活塞運動到限位位置，通過限位傳感器的反饋，換向閥驅動裝置將兩位 五通換向閥調至位置二，使第一液缸的第二腔體與低壓濃水排放口聯通，第二液缸的第四 腔體與高壓濃水進口聯通； g.高壓濃水通過兩位五通換向閥進入第二液缸的第四腔體，推動第二活塞及第二 活塞杆運動，將第三腔體中的一次加壓原水加壓排出，並與高壓原水出口的高壓原水匯合 進入反滲透裝置，同時第一腔體中的一次加壓原水推動第一活塞及第一活塞杆運動，把第 二腔體內的低壓濃水排出； h.當第二活塞運動到限位位置，通過限位傳感器的反饋，換向閥驅動裝置將兩位 五通換向閥調至位置一； i.高壓濃水通過兩位五通換向閥進入第一液缸的第二腔體，推動第一活塞及第一 活塞杆運動，將第一腔體中的一次加壓原水加壓排出，並與高壓原水出口的高壓原水匯合 進入反滲透裝置，同時第三腔體中的一次加壓原水推動第二活塞及第二活塞杆運動，把第 四腔體內的低壓濃水排出； j.此後循環進行步驟(f)至步驟(i)。
本發明的有益效果是 (1)採用液缸直接增壓原理進行特殊設計，採用一次能量轉換，經過壓力交換後 的高壓海水壓力大於濃鹽水壓力，不需要增壓泵再次增壓，能量轉換效率高，節省了運行成 本，進一步降低了反滲透系統的能耗。 (2)由於活塞固接有具有一定橫截面積的活塞杆，使得液缸內部原海水腔內的壓 強總是大於濃鹽水腔內的壓強，從根本上避免了濃鹽水向原海水的洩漏，解決了進口功交 換能量回收裝置由於濃鹽水向原海水滲漏造成進膜海水鹽度增加而引起脫鹽能耗額外增 高的問題。 (3)採用機電一體化控制技術，控制兩個液缸內活塞移動的同步性，以及活塞移動 與兩位五通換向閥換向的同步性，降低壓力交換由於高低壓轉換而造成的壓力波動，從而 避免"水錘"水擊現象對膜造成的機械損壞，同時提高了能量回收裝置的可靠性，使裝置能 長時期平穩可靠運轉。 (4)設計液壓驅動的兩位五通閥和管式配流閥作為單向閥，且單向閥為錐面密封， 代替高壓氣動閥或電動閥，提高了裝置的平穩性和可靠性，降低了造價。
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(5)在反滲透裝置的高壓濃水出口處安裝有緩衝器，可進一步消減系統的壓力波 動。 (6)在活塞杆上通過套筒設置有傳感器，隨時監測、反饋和調控活塞的運動狀態及 位置，以便對整個裝置進行最優化調試。 (7)在能量回收裝置檢測平臺上進行模擬試驗，測試有關性能參數，在反滲透海水 淡化綜合試驗平臺上進行與高壓泵和反滲透膜的實際耦合試驗，以工程中最常用的一個壓 力容器裝6支海水反滲透膜為基準配置設備，設計回收率40%，匹配的能量回收裝置流量 為120mVd，結果顯示，能量回收效率大於90X。


圖1是本發明差動式能j
圖2是本發明差動式能j
圖3是本發明差動式能j
圖中低壓原水進口——
第一進液閥——4
第一腔體——7
高壓濃水進口——10 閥-12 第四腔體——13
第三腔體——16 第二排液閥——
高壓原水泵——
緩衝器——25
19 -22
l:回收裝置的結構示意i回收方法的位置一狀態l:回收方法的位置二狀態圖。
1高壓原水出口——2 第一活塞杆——5 第一活塞——8
低壓濃水排放口-
第一排液閥——3 第一液缸——6 第二腔體——9 11 兩位五通換向
第二液缸——14 第二活塞杆——17 低壓原水泵——20 反滲透裝置——23 換向閥驅動裝置——26
第二活塞-
—15 第二進液閥——18 原水入口——21 淡水出口——2具體實施例方式
下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的詳細描述 海水淡化系統包括設置有原水入21的低壓原水泵20，所述低壓原水泵20的出水 口通過低壓原水進口 1連接於高壓原水泵22的入水口，所述高壓原水泵22通過高壓原水 出口 2連接在反滲透裝置23上。反滲透裝置23內部通過反滲透膜過濾出高壓濃水，透過 反滲透膜的為淡水，淡水通過淡水出口 24收集。 本發明公開了一種用於海水淡化系統的差動式能量回收裝置，以及利用上述裝置 實現的差動式能量回收方法。 如圖1所示，差動式能量回收裝置包括完全相同且並聯的第一液缸6和第二液缸 14，所述第一液缸6內部設置有第一活塞8，所述第一活塞8將第一液缸6分割為第一腔體 7和第二腔體9，所述第一活塞8連接有第一活塞杆5。同樣的，所述第二液缸14內部設置 有第二活塞15，所述第二活塞15將第二液缸14分割為第三腔體16和第四腔體13，所述第 二活塞15連接有第二活塞杆17。 所述第一活塞杆5桿徑為所述第一活塞8直徑的25% 40% ;同樣地，所述第二 活塞杆17桿徑也為所述第二活塞15直徑的25% 40%，這樣，可以達到增加1. 06 1. 18倍的目的。所述第一活塞杆5和第二活塞杆17還分別安裝有套筒，套筒上設置有限位傳感 器，可以用於向電氣控制系統反饋信號。 所述低壓原水進口 1分別通過第一進液閥4連接於所述第一腔體7，通過第二進液 閥18連接所述第三腔體16。 所述第一液缸6的第一腔體7通過第一排液閥3連接於所述高壓原水泵22的高
壓原水出口 2，所述第一液缸6的第二腔體9連接於兩位五通換向閥12。 所述第二液缸14的第三腔體16通過第二排液閥19連接於所述高壓原水泵22的
高壓原水出口 2，所述第二液缸14的第四腔體13連接於兩位五通換向閥12。 所述兩位五通換向閥12連接於高壓濃水進口 IO，且連接有低壓濃水排放口 11。所
述兩位五通換向閥12通過換向閥驅動裝置26驅動，所述兩位五通換向閥12內部的運動部
件可以是直線運動，也可以是旋轉運動。 所述換向閥驅動裝置26可以是液壓驅動裝置、氣壓驅動裝置或者電能驅動裝置 其中的任意一種，但是優選液壓驅動，液壓驅動的優勢在於，能夠使兩位五通換向閥12內 部運行平穩，同時佔用空間較小。 所述反滲透裝置23的高壓濃水出口 10處還可以設置有緩衝器25，所述緩衝器25 可以進一步消減由於活塞換向瞬間所造成的壓力波動。 上述的第一進液閥4、第二進液閥18、第一排液閥3、第二排液閥19均為單向管式 配流閥，分別為錐面密封，提高密封效果。 所述第一液缸6與第二液缸14的擺放方向與反滲透裝置23平行擺放，可以節省 空間。 下面，以回收方法中的一個中間環節為例對本發明的差動式能量回收方法做具體 描述 如圖2所示，換向閥驅動裝置26將兩位五通換向閥12調至位置一，使第一液缸6 的第二腔體9與高壓濃水進口 IO聯通，第二液缸14的第四腔體13與低壓濃水排放口 11 聯通。 低壓原水由進入原水入口 1進入低壓原水泵18進行一次加壓， 一次加壓後的原水 分兩路， 一路進入第一液缸6的第一腔體7或第二液缸14的第三腔體16，另一路進入高壓 原水泵22。進入高壓原水泵22的一次加壓原水通過二次加壓後進入反滲透裝置23，透過 反滲透膜的為低壓淡水，未透過反滲透膜的水為高壓濃水。 高壓濃水通過經高壓濃水進口 IO通過兩位五通換向閥12，進入第一液缸6的第二 腔體9中，第二腔體9內部的高壓濃水推動第一活塞8及與之剛性連接的第一活塞杆5 — 起向第一活塞杆5伸出的方向運動，把第一腔體7內部的一次加壓原水加壓，並通過第一排 液閥3與高壓原水泵22出來的高壓原水匯合一起進入反滲透膜。所述第一排液閥3與所 述高壓原水泵22出水口的出水流量比例大約是3 : 2。 同時，從低壓原水泵20出來的一次加壓原水通過第二進液閥18部分進入第二液 缸14的第三腔體16中，第三腔體16內部具有一定壓力的原水推動第二活塞15及與之剛 性連接的第二活塞杆17 —起向第二液缸14底部運動，把第四腔體13內部的濃水推出。
如圖3所示，當第一液缸6內部的第一活塞8運動到限位位置，第一活塞杆5套筒 上的限位傳感器發出反饋信號，電氣控制系統通過換向閥驅動裝置26驅動兩位五通換向閥12換向到位置二，使第一液缸6的第二腔體9與低壓濃水排放口 11聯通，第二液缸14 的第四腔體13高壓濃水進口 10聯通。 從反滲透裝置23出來的高壓濃水通過兩位五通換向閥12進入第二液缸14的第 四腔體13中，推動第二活塞15及與之剛性連接的第二活塞杆17 —起向第二活塞杆17伸 出的方向運動，把第三腔體16中的原水加壓，通過第二排液閥19與高壓原水泵22出來的 高壓原水匯合一起進入反滲透膜。 同時從低壓原水泵20出來的一次加壓原水通過第一進液閥4部分進入第一液缸6 的第一腔體7中，第一腔體7內部具有一定壓力的原水推動第一活塞8及與之剛性連接的 第一活塞杆5 —起向第一液缸6底部運動，把第二腔體9內部的濃水推出。
當第二液缸14內部的第二活塞15運動到限位位置，第二活塞杆17套筒上的限位 傳感器發出反饋信號，電氣控制系統控制驅動裝置26動作，把兩位五通換向閥12推回圖1 所示位置一，從而實現第一液缸6與第二液缸14交替工作。 儘管上面結合附圖對本發明的優選實施例進行了描述，但是本發明並不局限於上 述的具體實施方式
，上述的具體實施方式
僅僅是示意性的，並不是限制性的，本領域的普通 技術人員在本發明的啟示下，在不脫離本發明宗旨和權利要求所保護的範圍情況下，還可 以作出很多形式的具體變換，這些均屬於本發明的保護範圍之內。
權利要求
一種用於海水淡化系統的差動式能量回收裝置，包括連接於低壓原水泵出水口的低壓原水進口、連接於高壓原水泵出水口的高壓原水出口、連接於反滲透裝置高壓濃水出水口的高壓濃水進口，其特徵在於，還包括完全相同的內部設置有第一活塞的第一液缸和內部設置有第二活塞的第二液缸，所述第一活塞將所述第一液缸分割為第一腔體和第二腔體，所述第一活塞固接有第一活塞杆，所述第二活塞將所述第二液缸分割為第三腔體和第四腔體，所述第二活塞固接有第二活塞杆；所述低壓原水進口通過第一進液閥連接所述第一腔體，所述第一腔體通過第一排液閥連接所述高壓原水出口，所述第二腔體連接於兩位五通換向閥；所述低壓原水進口通過第二進液閥連接所述第三腔體，所述第三腔體通過第二排液閥連接所述高壓原水出口，所述第四腔體連接於兩位五通換向閥；所述兩位五通換向閥連接於高壓濃水進口，且連接有低壓濃水排放口。
2. 根據權利要求l所述的一種用於海水淡化系統的差動式能量回收裝置，其特徵在 於，所述兩位五通換向閥通過換向閥驅動裝置驅動。
3. 根據權利要求2所述的一種用於海水淡化系統的差動式能量回收裝置，其特徵在 於，所述換向閥驅動裝置為液壓驅動裝置、氣壓驅動裝置或者電能驅動裝置其中的一種。
4. 根據權利要求3所述的一種用於海水淡化系統的差動式能量回收裝置，其特徵在 於，所述換向閥驅動裝置為液壓驅動裝置。
5. 根據權利要求1所述的一種用於海水淡化系統的差動式能量回收裝置，其特徵在 於，所述反滲透裝置的高壓濃水出口處設置有緩衝器。
6. 根據權利要求1所述的一種用於海水淡化系統的差動式能量回收裝置，其特徵在 於，所述第一活塞杆和所述第二活塞杆分別安裝有套筒，所述套筒上設置有限位傳感器。
7. 根據權利要求1所述的一種用於海水淡化系統的差動式能量回收裝置，其特徵在 於，所述第一活塞杆杆徑為所述第一活塞直徑的25% 40%，所述第二活塞杆杆徑為所述 第二活塞直徑的25% 40%。
8. 根據權利要求1所述的一種用於海水淡化系統的差動式能量回收裝置，其特徵在 於，所述第一進液閥、第二進液閥、第一排液閥、第二排液閥分別為錐面密封。
9. 一種利用權力要求1所述裝置實現的用於海水淡化系統的差動式能量回收方法，其 特徵在於，依次由以下步驟組成a. 換向閥驅動裝置將兩位五通換向閥調至位置一，使第一液缸的第二腔體與高壓濃水 進口聯通，第二液缸的第四腔體與低壓濃水排放口聯通；b. 使低壓原水通入低壓原水泵，進行一次加壓；c. 一次加壓後的低壓原水由低壓原水出口分別進入高壓原水泵、第一液缸的第一腔體 和第二液缸的第三腔體；d. 進入高壓原水泵的低壓原水通過二次加壓後進入反滲透裝置，排出低壓淡水和高壓 濃水；e. 高壓濃水通過兩位五通換向閥進入第一液缸的第二腔體，推動第一活塞及第一活塞 杆運動，將第一腔體中的一次加壓原水加壓排出，並與高壓原水出口的高壓原水匯合進入 反滲透裝置；f. 當第一活塞運動到限位位置，通過限位傳感器的反饋，換向閥驅動裝置將兩位五通 換向閥調至位置二，使第一液缸的第二腔體與低壓濃水排放口聯通，第二液缸的第四腔體 與高壓濃水進口聯通；g. 高壓濃水通過兩位五通換向閥進入第二液缸的第四腔體，推動第二活塞及第二活塞 杆運動，將第三腔體中的一次加壓原水加壓排出，並與高壓原水出口的高壓原水匯合進入 反滲透裝置，同時第一腔體中的一次加壓原水推動第一活塞及第一活塞杆運動，把第二腔 體內的低壓濃水排出；h. 當第二活塞運動到限位位置，通過限位傳感器的反饋，換向閥驅動裝置將兩位五通 換向閥調至位置一；i. 高壓濃水通過兩位五通換向閥進入第一液缸的第二腔體，推動第一活塞及第一活塞 杆運動，將第一腔體中的一次加壓原水加壓排出，並與高壓原水出口的高壓原水匯合進入 反滲透裝置，同時第三腔體中的一次加壓原水推動第二活塞及第二活塞杆運動，把第四腔 體內的低壓濃水排出；j.此後循環進行步驟(f)至步驟(i)。
全文摘要
本發明公開了一種用於海水淡化系統的差動式能量回收裝置及方法，裝置包括兩個並聯的液缸，活塞將每個液缸分割為兩個腔體，且活塞固接有活塞杆，低壓原水進口通過進液閥連接兩個左側腔體，左側腔體通過排液閥連接高壓原水出口，兩個右側腔體連接於換向閥，換向閥又連接於高壓濃水進口，且連接有低壓濃水排放口；其方法是使反滲透裝置出來的高壓濃水通過換向閥交替進入兩個液缸的右側腔體，推動左側腔體中的低壓原水增壓進入反滲透裝置。本發明採用液缸直接增壓原理進行特殊設計，採用一次能量轉換，經過壓力交換後的高壓海水壓力大於濃鹽水壓力，不需要增壓泵再次增壓，能量轉換效率高，節省了運行成本，進一步降低了反滲透系統的能耗。
文檔編號F15B21/14GK101782095SQ20101012295
公開日2010年7月21日 申請日期2010年3月12日 優先權日2010年3月12日
發明者初喜章, 李姝娟, 楊守志, 潘獻輝, 王生輝 申請人:國家海洋局天津海水淡化與綜合利用研究所