孫 毅，張曉雨，張希建，張建中，翁曉丹,

(1.浙江工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，浙江 杭州 310014; 2.浙江工業(yè)大學(xué) 海洋研究院，浙江 杭州 310011; 3.中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

小型反滲透海水淡化設(shè)備可有效地解決海島、船舶、游艇等沿海地區(qū)分散式小規(guī)模的海水淡化需求[1]。降低反滲透海水淡化能耗問題是小型海水淡化設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)之一，能量回收技術(shù)通過高壓濃海水的壓力交換實(shí)現(xiàn)能量回收利用，可有效降低能耗[2]。目前常用的正位移式能量回收裝置體積大、成本高，且使用時(shí)需另配置壓力提升泵，不適于應(yīng)用在小型海水淡化裝置。

國(guó)外能量回收裝置技術(shù)研究起步較早，Clark pump是開發(fā)較早的自增壓能量回收裝置，其合理調(diào)節(jié)有桿與無桿腔的容積，增壓海水壓力可達(dá)到反滲透膜工作壓力要求[3]；iSave是目前將能量回收裝置與增壓泵耦合較成功的產(chǎn)品，將能量回收裝置、高壓容積式增壓泵和電機(jī)馬達(dá)集成耦合[4]；德國(guó)KSB公司研發(fā)的SALINO壓力中心，將電機(jī)、高壓泵、增壓泵和能量回收裝置集成設(shè)計(jì)，可滿足中小型反滲透海水淡化裝置系統(tǒng)工作需求[5]。上述國(guó)外產(chǎn)品由于價(jià)格較高，不適宜用于我國(guó)小型海水淡化裝置。

國(guó)內(nèi)Liu等[6]設(shè)計(jì)了一種全旋轉(zhuǎn)閥式能量回收裝置，通過電機(jī)帶動(dòng)曲軸旋轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)增泄壓完成能量回收過程。張瑞等[7]基于動(dòng)網(wǎng)格的方法，對(duì)偏載工況下液壓缸的雙向流固耦合進(jìn)行了分析，建議在液壓缸偏載分析設(shè)計(jì)中采用流固耦合的方法，或適當(dāng)增大穩(wěn)態(tài)分析結(jié)果的安全系數(shù)。吳杏等[8]分析液壓缸脈沖式激振過程，建立了液壓缸兩腔壓力和流量的波動(dòng)方程，得到了液壓缸液腔壓力呈周期性變化。近幾年能量回收裝置一體化設(shè)計(jì)逐漸成為海水淡化工藝研究的熱點(diǎn)[9]，但大部分研究仍處于理論階段，并存在系統(tǒng)流量與壓力波動(dòng)等問題，還未投入商業(yè)化應(yīng)用。

基于雙缸耦合原理介紹了一種集成壓力提升與能量回收技術(shù)的雙缸耦合閥控式能量回收裝置，重點(diǎn)對(duì)能量回收回路和電動(dòng)推桿壓力補(bǔ)償設(shè)計(jì)，通過AMESim仿真驗(yàn)證了經(jīng)壓力提升與耦合后，反滲透膜壓力與流量的穩(wěn)定性。

1 小型反滲透海水淡化工藝

小型反滲透海水淡化裝置工藝流程[10]如圖1所示。裝置正常工作時(shí)，止回閥1打開、止回閥2關(guān)閉，三通閥通向右側(cè)產(chǎn)水箱，原水泵抽取原海水經(jīng)多介質(zhì)過濾器和精密過濾器過濾后分成兩路：一部分原海水進(jìn)入高壓泵，經(jīng)過高壓泵直接加壓流入反滲透膜組件；另一部分原海水進(jìn)入能量回收裝置，經(jīng)過能量回收裝置中高壓濃海水與電動(dòng)推桿壓力交換加壓后，流入反滲透膜組件。反滲透膜組件產(chǎn)出的淡水流入產(chǎn)水箱，未通過反滲透膜的高壓濃海水流入能量回收裝置與原海水進(jìn)行壓力交換，壓力交換后高壓濃海水變?yōu)樾箟簼夂Ｋ鞒鲅b置。

圖1 小型反滲透海水淡化裝置工藝流程

當(dāng)需要清洗反滲透膜時(shí)，調(diào)節(jié)三通閥使其通向加藥箱一側(cè)，打開止回閥2，計(jì)量泵將加入清洗藥物的淡水打入反滲透膜，完成清洗工作。小型反滲透海水淡化裝置配有控制模塊，可對(duì)不同工作模式進(jìn)行切換，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié)反滲透系統(tǒng)各部分工作參數(shù)[11]。

小型海水淡化裝置系統(tǒng)回收率一般較低[12]，參照《陶氏反滲透和納濾膜元件產(chǎn)品與技術(shù)手冊(cè)2016年V2版》，文中所涉及的小型海水淡化裝置的兩支反滲透膜組件串聯(lián)連接，淡水系統(tǒng)回收率為30%，總進(jìn)水量2 600 L/h，淡水產(chǎn)水量780 L/h，高壓海水進(jìn)入反滲透膜組件工作壓力5.0 MPa。根據(jù)納濾膜廠商提供的技術(shù)參數(shù)可知，通過兩段納濾膜元件的壓力損失不超過0.18 MPa[13]，液壓缸內(nèi)高壓濃海水將壓力能傳遞給原海水時(shí)，部分能量轉(zhuǎn)化為原海水的動(dòng)能，期間壓力損失約為0.12 MPa[14]。因此，如小型海水淡化裝置不安裝壓力提升泵的情況下，通過上述分析可知在能量回收裝置環(huán)節(jié)需對(duì)其進(jìn)行約0.3 MPa的壓力提升，小型反滲透海水淡化裝置工藝節(jié)點(diǎn)參數(shù)如圖2所示。

圖2 小型反滲透工藝各節(jié)點(diǎn)的壓力與流量值

2 反滲透雙缸耦合閥控式能量回收裝置

反滲透雙缸耦合閥控式能量回收裝置系統(tǒng)構(gòu)成如圖3所示，與活塞桿連接的電動(dòng)推桿為增壓海水二次增壓提供壓力補(bǔ)充，通過控制電磁換向閥的換向等待時(shí)間，對(duì)兩缸增壓開始與結(jié)束階段壓力進(jìn)行補(bǔ)償耦合，配合剛性彈簧、電磁換向閥等輔助設(shè)備，避免了流入反滲透膜增壓海水壓力與流量的波動(dòng)。

反滲透雙缸耦合閥控式能量回收系統(tǒng)的增壓過程循環(huán)工作周期T可分為三個(gè)時(shí)間階段，即增壓開始充壓耦合階段T1、穩(wěn)定增壓階段T2和增壓結(jié)束充壓耦合階段T3，其中泄壓過程時(shí)間與穩(wěn)定增壓階段T2時(shí)間相同，液壓缸穩(wěn)定工作時(shí)的壓力變化如圖4所示。

圖3 反滲透雙缸耦合閥控式能量回收系統(tǒng)構(gòu)成

圖4 液壓缸耦合工作壓力簡(jiǎn)圖

在增壓開始充壓耦合階段，電磁換向閥閥芯處于右側(cè)，液壓缸1內(nèi)充滿原海水(壓力Psi)，處于底端的活塞受到高壓濃海水壓力與電動(dòng)推桿推力開始做加速運(yùn)動(dòng)，液壓缸1輸出增壓海水壓力Pso與流量逐漸增加；在穩(wěn)定增加階段，液壓缸1中的活塞到達(dá)下端位置傳感器G2時(shí)，所受到的黏性阻力與受到活塞的推力相等，電動(dòng)推桿達(dá)到額定推力，活塞基本以勻速向上運(yùn)動(dòng)，液壓缸1輸出增壓海水壓力Pso與反滲透膜工作壓力P0相等；在增加結(jié)束充壓耦合階段，活塞運(yùn)動(dòng)到上端位置傳感器G1時(shí)換向閥換向，液壓缸1下端自帶排氣裝置由關(guān)閉狀態(tài)變?yōu)殚_啟狀態(tài)(如圖5所示)，此時(shí)換向后活塞下端泄壓海水受自重流出，電動(dòng)推桿將繼續(xù)推動(dòng)活塞向上做減速運(yùn)動(dòng)。

圖5 液壓缸排氣裝置

當(dāng)活塞到達(dá)液壓缸1頂端時(shí)，速度傳感器B1檢測(cè)到活塞桿速度(即活塞)為零，由于電動(dòng)推桿傳動(dòng)形式為滾珠絲杠傳動(dòng)即無自鎖，活塞受原海水壓力Psi與自重開始向下加速運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)快速泄壓。其中在液壓缸1處于增壓開始充壓耦合階段時(shí)，液壓缸2處于增壓結(jié)束充壓耦合階段；液壓缸1處于穩(wěn)定增壓階段時(shí)，液壓缸2處于泄壓階段；液壓缸1處于增壓結(jié)束充壓耦合階段時(shí)，液壓缸2處于增壓開始充壓耦合階段。雙缸循環(huán)協(xié)同工作，不間斷地為原海水增壓。

在電磁換向閥的閥芯完全開啟與關(guān)閉的過程中會(huì)有一段等待時(shí)間，使得雙缸增壓開始與結(jié)束時(shí)的充壓耦合階段的時(shí)間得以延長(zhǎng)，進(jìn)一步減弱了由于活塞沖擊所帶來的壓力與流量的脈沖問題。在反滲透組件與電磁換向閥間的高壓濃海水的管路中，安裝了一個(gè)溢流閥，可及時(shí)溢流出未能全部流過電磁換向閥的高壓濃海水，有效解決了高壓濃海水管路的憋壓?jiǎn)栴}。

3 雙缸壓力耦合與補(bǔ)充過程動(dòng)態(tài)特性

為研究液壓缸耦合階段的壓力特性變化，需建立液壓缸壓力交換過程動(dòng)態(tài)模型[15-16]，對(duì)其不同階段壓力與流量變化進(jìn)行理論分析。壓力補(bǔ)充與耦合過程的受力模型如圖6所示，其中推桿作用在活塞上的推力為FL，活塞和活塞桿折算到活塞上的總質(zhì)量為m，活塞與缸筒內(nèi)部的摩擦力為fm，活塞豎直方向運(yùn)動(dòng)速度為v，電磁換向閥閥芯的位移為xv，液壓缸無桿腔活塞面積為A1，有桿腔活塞面積為A2，增壓海水壓力為Pso，流量為Qso，低壓原海水壓力為Psi，流量為Qsi，高壓濃海水壓力為Pbi，流量為Qbi，泄壓濃海水壓力為Pbo，流量為Qbo。

圖6 液壓缸壓力補(bǔ)充與耦合過程受力模型

3.1 增壓過程壓力補(bǔ)充受力分析

左側(cè)液壓缸1在進(jìn)行增壓過程時(shí)，在增壓開始充壓耦合階段，活塞加速度方向豎直向上，除了圖6中所標(biāo)明的活塞組件受到的摩擦力與重力，還受到向下的流體黏性阻力和慣性力的作用，該過程動(dòng)力方程為：

(1)

式中：g為重力加速度，B為活塞的黏性阻尼系數(shù)。

在穩(wěn)定增壓階段，該階段活塞加速度基本可看作為零，并以最大速度vmax向上運(yùn)動(dòng)，該過程動(dòng)力方程為：

A2Pbi+FL-A1Pso=Bvmax+fm+mg

(2)

在增壓結(jié)束充壓耦合階段，活塞加速度方向豎直向下，因?yàn)樵撾A段有桿腔的泄壓濃海水已流出，不再受高壓濃海水壓力作用，同時(shí)還受到向下的黏性阻力與慣性力的作用，該過程動(dòng)力方程為：

(3)

在忽略液壓缸密封處泄露的情況下，液壓缸1無桿腔增壓海水與有桿腔高壓濃海水流量的連續(xù)性方程[17]為：

(4)

(5)

式中：C0為缸體的內(nèi)漏系數(shù)，βe為水的體積彈性模量，V為液壓缸無桿腔增壓海水有效總體積，Cd為換向閥閥口流量系數(shù)，w為換向閥節(jié)流口面積梯度，ΔP1為高壓濃海水經(jīng)過換向閥時(shí)流體的壓力損失。

3.2 泄壓過程動(dòng)態(tài)受力分析

右側(cè)液壓缸2在進(jìn)行泄壓過程中，泄壓過程開始時(shí)，活塞僅受到原海水的壓力與活塞組件的重力作用，加上圖6中所標(biāo)明的活塞組件受到的摩擦力與重力，還受到向下的流體黏性阻力和慣性力的作用，因此活塞會(huì)先向下經(jīng)歷一段加速運(yùn)動(dòng)，該過程動(dòng)力方程為：

(6)

當(dāng)流體黏性阻力增加到一定值時(shí)，活塞將受力平衡，勻速向下運(yùn)動(dòng)，該過程的動(dòng)力為：

A1Psi-A2Pbo=Bv+fm-mg

(7)

在忽略液壓缸密封處泄露的情況下，液壓缸2無桿腔增壓海水與有桿腔高壓濃海水流量的連續(xù)性方程[17]為：

(8)

(9)

式中：ΔP2為泄壓濃海水經(jīng)過換向閥時(shí)流體的壓力損失。

4 能回裝置的動(dòng)態(tài)耦合過程的仿真分析

4.1 仿真概念模型

利用AMESim中液壓庫和HCD庫建立液壓仿真模型，分別用兩個(gè)水泵來代替能量回收系統(tǒng)兩液壓缸輸入端口的流量源，出口處各加入一個(gè)溢流閥，防止管路流量過大，導(dǎo)致結(jié)果失效。高壓海水入口處與增壓海水出口處各連接一個(gè)節(jié)流減壓閥，用以模擬反滲透膜工作時(shí)的壓力損失[18-21]。兩個(gè)帶限位質(zhì)量塊的液壓缸分別連接一個(gè)推力單元，推力單元與三位四通換向閥利用階段控制信號(hào)源控制，概念模型如圖7所示。

設(shè)置能量回收系統(tǒng)回路的元件參數(shù)，電磁換向閥完全關(guān)閉到完全開啟所用等待時(shí)間為1.4 s，即兩液壓缸壓力耦合時(shí)間T1與T3為0.7 s。原水泵與高壓泵的馬達(dá)轉(zhuǎn)速分別為130.0 r/min和124.8 r/min，其中兩液壓缸的內(nèi)徑100 mm，活塞桿直徑20 mm，增壓海水單向閥的開啟壓力設(shè)置為0.4 MPa，原海水口單向閥的開啟壓力設(shè)為0.04 MPa。

圖7 能量回收系統(tǒng)仿真概念模型

4.2 結(jié)果與分析

運(yùn)行仿真后得到各模塊參數(shù)仿真結(jié)果，在增壓過程液壓缸穩(wěn)定增壓時(shí)，活塞的運(yùn)動(dòng)速度可達(dá)0.172 m/s，其中穩(wěn)定增壓所用時(shí)間T2為3.25 s，液壓缸無桿腔增壓海水壓力變化如圖8所示。

圖8表明，在增壓過程中，增壓海水壓力呈現(xiàn)迅速增加、穩(wěn)定、迅速降低變化過程，在加入電動(dòng)推桿壓力進(jìn)行補(bǔ)償后，液壓缸出口壓力從4.6 MPa提升到目標(biāo)壓力5.0 MPa，單液壓缸壓力提升后的增壓海水壓力能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

圖8 增壓海水壓力變化

圖9 增壓海水壓力耦合過程

圖9表明，在壓力耦合階段，兩液壓缸壓力變化較為平穩(wěn)，其中前0.70 s壓力耦合階段由液壓缸1中高壓濃海水和兩液壓缸推桿與原海水進(jìn)行壓力交換；0.70～3.95 s液壓缸1中的高壓濃海水推桿與原海水進(jìn)行壓力交換；3.95～4.65 s液壓缸2中的高壓濃海水和兩液壓缸推桿與原海水進(jìn)行壓力交換，壓力耦合效果相對(duì)平穩(wěn)。圖10表明，增壓海水流量耦合與壓力耦合過程相似，其耦合過程中不同階段所用時(shí)間也完全相同，穩(wěn)定增壓時(shí)流量為13.0 L/min。

圖10 增壓海水流量耦合過程

圖11 反滲透膜工作壓力與流量

圖11表明，經(jīng)過雙缸壓力補(bǔ)充與耦合后，反滲透膜組件的工作壓力與流量基本保持穩(wěn)定，其流量基本穩(wěn)定在13.0 L/min，壓力穩(wěn)定在5.0 MPa。在壓力耦合階段依然存在微弱的壓力與流量波動(dòng)，在裝置的設(shè)計(jì)中，電動(dòng)推桿與活塞桿間安裝有緩沖彈簧結(jié)構(gòu)，能進(jìn)一步減弱雙缸壓力耦合引起的壓力與流量波動(dòng)。

5 結(jié) 語

基于雙缸壓力耦合原理，設(shè)計(jì)了一種反滲透工藝壓力穩(wěn)定的閥控式能量回收一體化系統(tǒng)，重點(diǎn)分析了液壓缸不同時(shí)間段的壓力耦合過程，根據(jù)流體仿真結(jié)果得到以下結(jié)論：

1)在閥控式能量回收系統(tǒng)中引入電動(dòng)推桿結(jié)構(gòu)，代替壓力提升泵為增壓海水二次增壓補(bǔ)償。通過調(diào)節(jié)換向閥換向等待時(shí)間，對(duì)雙缸增壓過程進(jìn)行壓力耦合控制，提出了一種滿足反滲透膜工作壓力要求，并能有效避免反滲透膜工作壓力與流量波動(dòng)的能量回收一體化方法。

2)設(shè)計(jì)了一套適用于能量回收一體化系統(tǒng)的小型反滲透海水淡化工藝，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和工藝參數(shù)，對(duì)小型反滲透海水淡化系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)壓力與電動(dòng)推桿補(bǔ)償壓力分析計(jì)算，優(yōu)化了反滲透系統(tǒng)工作參數(shù)值。

3)通過AMESim軟件對(duì)能量回收裝置的壓力補(bǔ)充及耦合過程進(jìn)行仿真分析，結(jié)果表明在活塞桿的電動(dòng)推桿補(bǔ)償推力后，增壓海水的壓力可以提升到5.0 MPa的反滲透膜組件目標(biāo)壓力，同時(shí)反滲透膜壓力與流量基本保持穩(wěn)定。