紀(jì)運(yùn)廣，劉 璐，劉永強(qiáng)，薛樹(shù)旗，楊守志

(1. 河北科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 石家莊 050000；2. 石家莊海闊捷能科技有限公司，河北 石家莊 050000)

0 引 言

船舶在遠(yuǎn)航任務(wù)中，人員、設(shè)備都需要消耗大量淡水，在船舶中加裝海水淡化裝置是解決船用淡水這一問(wèn)題有效途徑。海水淡化的主流技術(shù)主要有多效蒸發(fā)（MED）、多級(jí)閃蒸（MSF）和反滲透（SWRO）[1]3種。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界淡化市場(chǎng)(含苦咸水淡化)中，反滲透法占88%[2]。就我國(guó)而言，相對(duì)于一次性投入較高且能源消耗較大的MED、MSF淡化方法，SWRO海水淡化具有更高的經(jīng)濟(jì)效益。船用小型系統(tǒng)一般不配備能量回收裝置，造水能耗普遍過(guò)高。

1 傳統(tǒng)船用反滲透海水淡化系統(tǒng)工藝流程

海水由供水泵抽水進(jìn)入預(yù)處理系統(tǒng)，去除掉地表海水中存在的雜質(zhì)，確保反滲透海水淡化系統(tǒng)能長(zhǎng)期穩(wěn)定地運(yùn)行，經(jīng)預(yù)處理后的海水水質(zhì)應(yīng)達(dá)到反滲透膜元件的進(jìn)水水質(zhì)要求[3]。過(guò)濾后的低壓海水進(jìn)入高壓泵加壓進(jìn)入反滲透膜組件。高壓海水在反滲透膜的處理下，一部分原水透過(guò)膜形成淡水，而膜的另一側(cè)的高壓濃水通過(guò)泄壓閥排放（見(jiàn)圖1）。

圖 1 傳統(tǒng)船用反滲透海水淡化工藝Fig. 1 Traditional reverse osmosis seawater desalination process

2 傳統(tǒng)船用反滲透海水淡化系統(tǒng)的缺陷

2.1 功耗過(guò)高

按照通常40%的水回收率計(jì)算，傳統(tǒng)工藝中濃海水中約有60%的進(jìn)料壓力能量，具有巨大的回收價(jià)值和意義[4]。由于船舶空間有限，船用反滲透海水淡化系統(tǒng)多為小型系統(tǒng)，傳統(tǒng)小型系統(tǒng)無(wú)能量回收裝置[5]。反滲透高壓泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)配置功率大，能耗普遍高，增加船舶的電力負(fù)荷。

2.2 噪聲過(guò)大

國(guó)內(nèi)外中小型船用反滲透裝置的高壓泵，基本屬于柱塞泵或隔膜泵，自身存在噪聲大問(wèn)題。再加上艦船上空間狹小，噪聲經(jīng)過(guò)反射與疊加，嚴(yán)重影響操作人員的工作狀態(tài)和身心健康。

3 帶能量回收裝置的反滲透海水淡化工藝

目前海水淡化系統(tǒng)中的能量回收裝置可分為水力透平式和功交換式2種。水力透平式效率較低，特別是低流量時(shí)效率更低，故不適合用于小型的船用海水淡化設(shè)備中。功交換式能量回收裝置分為活塞閥控壓力交換器和轉(zhuǎn)子式壓力交換器2種[6]。

在功交換式能量回收的海水淡化工藝中：膜組件的進(jìn)水一部分由高壓泵提供，流量等于膜組件的產(chǎn)水量，一部分由能量回收裝置提供，流量約等于高壓濃海水流量。高壓泵在經(jīng)過(guò)膜組件時(shí)有一定的壓降（0.05～0.2 MPa），因此，從能量回收裝置流出的海水壓力達(dá)不到膜組件的進(jìn)水壓力要求，故需要增加增壓泵，使得經(jīng)能量回收裝置加壓的原海水達(dá)到膜要求壓力。其工藝流程如圖2所示。

圖 2 帶能量回收裝置的海水淡化工藝Fig. 2 Seawater desalination process with energy recovery device

4 傳統(tǒng)船舶反滲透海水淡化能量回收裝置的弊端

系統(tǒng)組成包括各種過(guò)濾器、供水泵、高壓泵、增壓泵以及閥門以及各種儀表，整體占用空間較大。控制系統(tǒng)復(fù)雜、自動(dòng)化程度低、可操作性差；現(xiàn)有的高壓泵、增壓泵和能量回收裝置噪聲大。所以此種工藝控制模式反滲透海水淡化系統(tǒng)適用于中型和大型陸用反滲透海水淡化廠使用，對(duì)于船舶用反滲透海水淡化裝置并不適用。

5 新型船用海水淡化系統(tǒng)工藝方法研究

該系統(tǒng)的工藝過(guò)程為海水經(jīng)供水泵供壓流經(jīng)濾網(wǎng)、100 μm濾芯、10 μm濾芯去除海水中的懸浮物和固體顆粒。過(guò)濾后的原水由中壓供水泵加壓進(jìn)入三合一循環(huán)泵，該裝置采用2個(gè)帶活塞的反向液壓缸，共享一根通過(guò)中心的單桿?；钊?qū)動(dòng)著控制閥，使液壓缸在驅(qū)動(dòng)和加壓之間相互轉(zhuǎn)化。裝置在功交換式能量回收原理的基礎(chǔ)上，采用濃水循環(huán)增壓的方式設(shè)計(jì)，將膜排放的高壓濃水壓力直接傳遞給原水，使原水壓力提升至反滲透所需的工作壓力。原水透膜脫鹽形成淡水，而膜的另一側(cè)的高壓濃水進(jìn)入能量回收裝置繼續(xù)對(duì)原水加壓。其工藝流程如圖3所示。

圖 3 新型船用海水淡化工藝流程Fig. 3 New seawater desalination process with energy recovery device

6 三合一循環(huán)泵的工作原理

三合一循環(huán)泵是系統(tǒng)的核心部分，主要由液壓缸、活塞、兩位四通換向閥、單向閥以及先導(dǎo)閥構(gòu)成。2個(gè)活塞共用1根單桿將2個(gè)液壓缸分為4個(gè)腔室。兩側(cè)的2個(gè)腔室（1#、4#腔）為原水腔，中間的2個(gè)腔室（2#、3#腔）為高壓濃水腔。

如圖4所示，當(dāng)高壓濃海水從反滲透膜組件中排出時(shí)由兩位四通換向閥進(jìn)入左側(cè)液壓缸一個(gè)的高壓濃水腔，高壓濃水具有較高的壓力，一般為5.5～6.5 MPa，可推動(dòng)活塞對(duì)相鄰的原水腔里的低壓原水加壓，進(jìn)行能量交換，增壓后的高壓原水由單向閥流出進(jìn)入膜組件完成反滲透過(guò)程。此時(shí)左側(cè)液壓缸完成的是能量交換對(duì)原水增壓的過(guò)程。而同時(shí)右側(cè)液壓缸進(jìn)行的是原水進(jìn)腔、濃水排放的過(guò)程，由中壓供料泵加壓使原水經(jīng)單向閥進(jìn)入右側(cè)液壓缸的原水腔（4#腔），由于此時(shí)高壓原水的壓力大于中壓原水，單向閥2和3處于反向截止?fàn)顟B(tài)，故中壓原水只能進(jìn)入左側(cè)的原水腔中，推動(dòng)活塞向左運(yùn)動(dòng)將右側(cè)濃水腔（3#腔）中的濃水泄壓由濃水排放口排放出去，左右2個(gè)液壓缸的動(dòng)作同時(shí)進(jìn)行，左側(cè)高壓原水和右側(cè)的中壓原水分別同時(shí)進(jìn)入相應(yīng)的腔體共同推動(dòng)活塞組件向左運(yùn)動(dòng)，共同把能量傳遞給原水，并且將低壓的濃水排放。

當(dāng)活塞運(yùn)動(dòng)到最左側(cè)時(shí)，如圖5所示，觸碰先導(dǎo)閥閥針，先導(dǎo)閥被活塞推動(dòng)到左側(cè)進(jìn)行換向，此時(shí)一小部分的原水隨著先導(dǎo)閥的換向被引入到兩位四通換向閥的另一側(cè)的空腔里，推動(dòng)閥芯進(jìn)行換向，換向閥換向后，高壓濃水被引入右側(cè)的液壓缸的濃水腔，單向閥1和4反向截止，中壓原水經(jīng)單向閥3進(jìn)入左側(cè)的原水腔中，與高壓濃水一起推動(dòng)活塞組件向右運(yùn)動(dòng)，將能量傳遞給右側(cè)的原水，并且將低壓濃水進(jìn)行排放。通過(guò)活塞碰撞先導(dǎo)閥針對(duì)先導(dǎo)閥進(jìn)行換向，引導(dǎo)原水推動(dòng)換向閥閥芯進(jìn)行換向，高壓濃水和中壓原水可持續(xù)將能量傳遞給原料海水。

圖 4 三合一循環(huán)泵工作原理（1）Fig. 4 Three-in-one circulating pump work principle (1)

圖 5 三合一循環(huán)泵工作原理（2）Fig. 5 Three-in-one circulating pump work principle (2)

7 壓力及流量的確定

在理想壓力條件下，濃水排放口的壓力忽略不計(jì)，則裝置滿足：

圖 6 裝置壓力分布情況Fig. 6 Pressure distribution in the cylinder

裝置流量滿足：

便可以能滿足反滲透膜的工作流量，不需要另外添加高壓泵補(bǔ)充流量。

圖 7 裝置流量分布情況Fig. 7 Flowrate distribution in the cylinder

綜上所述，整個(gè)工藝系統(tǒng)中三合一循環(huán)泵不僅能回收高壓濃水中的能量，而且起到增壓和補(bǔ)充流量的作用，是集高壓泵、增壓泵和能量回收功能于一體的設(shè)備，減小了整個(gè)工藝流程的復(fù)雜程度。

8 中壓供料泵的選擇

中壓供料泵的選擇也是一個(gè)關(guān)鍵性問(wèn)題。首先效率是決定性因素，偶爾海水中會(huì)伴有泥沙，所以泵的兼容性和耐受性也很重要。柱塞泵在壓力較低的情況下其效率會(huì)低很多，而離心泵在所有壓力和流量范圍內(nèi)其效率都小于40%。綜合效率、兼容性、耐受性和控制回收率等多方面因素最終選擇單螺桿泵作為中壓供料泵。它可以在流量較小時(shí)依然達(dá)到較高的效率，它相對(duì)于其他泵具有下列諸多優(yōu)點(diǎn)：1）能輸送高固體含量的介質(zhì)；2）流量均勻壓力穩(wěn)定，低轉(zhuǎn)速時(shí)更為明顯；3）流量與泵的轉(zhuǎn)速成正比，因而具有良好的變量調(diào)節(jié)性；4）體積小，重量輕，噪聲低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維修方便。

9 性能實(shí)驗(yàn)

設(shè)計(jì)研發(fā)1臺(tái)1 m3/h三合一循環(huán)泵樣機(jī)（見(jiàn)圖8），搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)測(cè)試其壓力、流量等參數(shù)，計(jì)算其能量回收效率和噸產(chǎn)水能耗。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要由中壓供料泵、多介質(zhì)過(guò)濾器、三合一循環(huán)泵、反滲透膜和儲(chǔ)水箱等海水淡化工藝必須設(shè)備組成。在三合一循環(huán)泵的進(jìn)出口配有壓力表和流量計(jì)。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖9所示。

實(shí)驗(yàn)介質(zhì)采用32 000 ppm模擬鹽水，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程維持溫度在25℃±5℃。反滲透膜的回收率為10%。唯一的耗電設(shè)備中壓供料泵采用變頻器控制。調(diào)節(jié)中壓供料泵的頻率改變進(jìn)口壓力，記錄三合一循環(huán)泵各進(jìn)出口壓力流量變化，計(jì)算其能量回收效率。數(shù)據(jù)如表1所示。

圖 8 1 m3/h三合一循環(huán)泵樣機(jī)Fig. 8 Prototype of 1 m3/h circulating pump

圖 9 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖Fig. 9 Experimental system diagram

表 1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄Tab. 1 Experimental data record

表1中，F(xiàn)為中壓供料泵的頻率，Hz；為高壓原海水壓力，MPa；為原海水壓力，MPa；為高壓濃海水壓力，MPa；為高壓原海水流量，m3/h；為原海水流量，m3/h；qc為高壓濃海水流量，m3/h；E為三合一循環(huán)泵的能量回收效率，%。

中壓供料泵需要提供的壓力范圍大概為0.7～1.0 MPa，噸水能耗可實(shí)現(xiàn)3.2 kWh，三合一循環(huán)泵的能量回收效率可達(dá)到90%以上。

10 新型船用反滲透海水淡化工藝與傳統(tǒng)船用海水淡化工藝比較

10.1 功耗低

整個(gè)海水淡化工藝系統(tǒng)中加裝了能量回收裝置，工藝中原水增壓主要靠高壓濃水的能量傳遞以及一小部分的中壓原水能量傳遞，可有效回收利用反滲透膜中的高壓濃水的能量，相對(duì)于傳統(tǒng)海水淡化工藝僅依靠高壓泵對(duì)原水進(jìn)行加壓使其滿足反滲透的工作壓力，新型工藝大大降低了設(shè)備運(yùn)行的功耗。

10.2 操作簡(jiǎn)單

新型海水淡化工藝反滲透過(guò)程中僅需要一個(gè)中壓供料泵便可以維持整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，可實(shí)現(xiàn)一鍵啟停，采變壓力-恒產(chǎn)水率新型工藝控制模式，回收率相對(duì)固定，不需要調(diào)整濃水的排放壓力；控制簡(jiǎn)捷，海水鹽度、溫度變化以及膜結(jié)垢時(shí)，反滲透壓力可自動(dòng)適應(yīng)調(diào)整。系統(tǒng)組成簡(jiǎn)單，安全可靠，易于控制，更適用于船舶上使用。

10.3 噪聲低

從各種液壓泵的供液原理可知，在液壓泵吸液和壓液循環(huán)中，會(huì)產(chǎn)生周期性的壓力和流量變化而形成流量和壓力脈動(dòng)，這種壓力和流量脈動(dòng)將引起液壓系統(tǒng)及設(shè)備產(chǎn)生振動(dòng)發(fā)出噪聲。反滲透海水淡化工程中高壓泵主要是往復(fù)式柱塞泵和多級(jí)離心泵，經(jīng)過(guò)大量實(shí)踐證明，柱塞泵和離心泵的壓力脈動(dòng)較大，所產(chǎn)生的噪聲也較高。而本文中所設(shè)計(jì)的容積式能量回收裝置的流量和壓力脈動(dòng)頻率（工作頻率）為：

式中：q為高壓濃海水的流量；V為壓力交換缸的容積，；n為壓力交換缸的數(shù)量。

其流量和壓力脈動(dòng)頻率相對(duì)于一般的往復(fù)式柱塞泵和多級(jí)離心泵較低，所以系統(tǒng)及設(shè)備產(chǎn)生的振動(dòng)較小。本文介紹的新型反滲透海水淡化工藝中僅需1臺(tái)中壓供料泵，且選配的是單螺桿泵，螺桿泵是無(wú)需配流器流量脈動(dòng)率幾乎為0的容積泵,可謂是本質(zhì)安靜型低噪聲液壓泵。所以新型反滲透海水淡化工藝中的三合一循環(huán)泵和中壓供料泵的總噪聲比傳統(tǒng)工藝（高壓泵、增壓泵和能量回收裝置組合）的噪聲要低得多。

10.4 設(shè)備占地面積小

新型反滲透海水淡化工藝其本身設(shè)備數(shù)量相對(duì)傳統(tǒng)工藝設(shè)備數(shù)量較少，占地面積較小。三合一循環(huán)泵是本工藝中最為復(fù)雜的設(shè)備，考慮到體積和復(fù)雜程度問(wèn)題，故將其進(jìn)行集成化設(shè)計(jì)。將換向閥、先導(dǎo)閥和單向閥集成到液壓閥塊中，對(duì)液壓閥塊的流道和閥芯進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。實(shí)現(xiàn)了平穩(wěn)的切換，并有效降低了換向時(shí)的壓力波動(dòng)。這樣保證了裝置的體積得到大幅縮減，整個(gè)工藝設(shè)備的占地面積進(jìn)一步縮小。

11 應(yīng)用前景

本文提出的變壓力-恒產(chǎn)水率新型工藝解決了遠(yuǎn)洋船舶淡水補(bǔ)給難題，提高了船舶遠(yuǎn)洋續(xù)航能力；減小了船用動(dòng)力配裝功率，節(jié)約了能源消耗和造船成本；簡(jiǎn)化了海水淡化裝置泵機(jī)及其控制系統(tǒng)配置，提高了可靠性和易操作性。此技術(shù)可推廣應(yīng)用于民用遠(yuǎn)洋運(yùn)輸船舶、海上作業(yè)平臺(tái)、海上執(zhí)法救援船舶和遠(yuǎn)洋作業(yè)漁船等，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

12 結(jié) 語(yǔ)

新工藝采用一種變壓力-恒產(chǎn)水率新型工藝控制模式，該工藝控制模式與目前常規(guī)反滲透海水淡化流程恒壓力-變產(chǎn)水率工藝控制模式相比較，系統(tǒng)組成簡(jiǎn)單，安全可靠，易于控制。在新型反滲透海水淡化工藝中采用集高壓泵、增壓泵和能量回收裝置為一體的三合一循環(huán)泵，充分利用反滲透膜排出的高壓濃海水的余壓能量，高效率地把高壓進(jìn)料海水壓入反滲透膜組件，且三合一循環(huán)泵還具有體積小、噪聲低等突出優(yōu)點(diǎn)，可滿足船舶海水淡化設(shè)備小型化、節(jié)能化的要求。

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