劉恒娟

上海市城市科技學(xué)校,上海 201601

隨著人類向海洋的探索和利用，人們對(duì)淡水的需求從陸地轉(zhuǎn)向了大海。由于淡水資源日益短缺，通過(guò)海水淡化而獲得淡水資源的需求越來(lái)越迫切[1]。海水淡化是將海水中的鹽分和雜質(zhì)除去后可以達(dá)到飲用水、工業(yè)用水標(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)過(guò)程[2]。海水淡化裝置在現(xiàn)代科技領(lǐng)域中有著廣泛的研究?jī)r(jià)值。

目前在以反滲透為主流的海水淡化裝置中，使用能量回收裝置能有效回收廢棄高壓海水中的能量，從而使耗電量大大降低[3]。能量回收裝置可分為透平式能量回收裝置[4]與功交換式能量回收裝置[5]，但這些裝置的效率最高只能達(dá)到90%[6]，且國(guó)內(nèi)外對(duì)此類裝置的設(shè)計(jì)通過(guò)經(jīng)驗(yàn)和人工計(jì)算來(lái)完成。

為了進(jìn)一步降低海水淡化裝置的噸水功耗和提高能量回收效率，文中闡述了一套反滲透海水淡化裝置，其采用了功交換式能量回收裝置中的差壓式能量回收泵，使得噸水功耗降低至3.78 kWh 以下，能量回收效率達(dá)到92.7%左右，并首次采用AMESim 軟件對(duì)裝置進(jìn)行仿真，驗(yàn)證了理論研究。

1 差壓式海水淡化裝置

1.1 裝置的組成

該海水淡化裝置主要由海水泵、前處理過(guò)濾器（金屬濾芯過(guò)濾器、活性炭過(guò)濾器與保安過(guò)濾器）、能量回收泵組件（差壓式能量回收泵、控制閥和單向閥）、反滲透膜組件[7]、產(chǎn)水水箱及沖洗水泵等組成，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。海水泵采用3DS6 太陽(yáng)能水泵，功耗低。

圖1 差壓式海水淡化裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of the differential pressure desalination device

圖2 差壓式海水淡化裝置原理圖Fig.2 Schematic of the differential pressure desalination device

1.2 裝置的工作原理

海水經(jīng)海水泵提升至裝置內(nèi)，經(jīng)30 μ金屬濾芯過(guò)濾器、10 μ活性炭過(guò)濾器以及精度為5 μ的保安過(guò)濾器等進(jìn)行前處理過(guò)濾。然后通過(guò)能量回收泵組件進(jìn)行增壓，增壓后的海水一部分透過(guò)反滲透膜組件成為淡水，剩余部分則變成高壓濃海水重新回到能量回收泵中。最后在能量回收泵中，高壓濃海水將其壓力傳遞給進(jìn)料低壓海水后排出（圖2）。

1.3 差壓式能量回收泵增壓原理

差壓式能量回收泵的工作原理如圖3 所示。能量回收泵上端是一個(gè)控制閥，下端是類似于兩只活塞缸并聯(lián)的結(jié)構(gòu)。高壓廢棄海水通過(guò)能量回收泵將壓力傳遞給低壓海水使其變成高壓海水，自身變成低壓廢棄海水排出。

圖3 差壓式能量回收泵增壓的工作原理圖Fig.3 Working schematic of pressurization of differential pressure energy recovery pump

圖4 差壓式能量回收泵活塞向左運(yùn)動(dòng)的示意圖Fig.4 Sketch map of piston movement to the left of differential pressure energy recovery pump

差壓式能量回收泵的活塞向左運(yùn)動(dòng)的示意圖如圖4 所示。兩只并聯(lián)活塞缸所隔成的四個(gè)腔體由左至右分別為增壓腔、回收腔、排放腔和進(jìn)料腔。右端的低壓海水進(jìn)入到能量回收泵右端的進(jìn)料腔中，其壓力為海水泵壓力，在上端控制閥的作用下，與其相鄰的腔為排放腔，其壓力近似為0。

從上式可以看出，增壓腔原有的低壓海水被增壓，活塞缸與活塞桿面積之比即為增壓比。

2 系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算

2.1 反滲透工藝參數(shù)計(jì)算

假設(shè)用標(biāo)準(zhǔn)海水（含鹽量35000 mg/L）經(jīng)傳統(tǒng)過(guò)濾方式，污染指數(shù)SDI<5，25 ℃，產(chǎn)水量為2.08 t/d、水回收率為8.3%，3 年工作壽命，表征反滲透膜污染情況的流量因子為0.85，采用陶氏膜專用設(shè)計(jì)ROSA 軟件進(jìn)行計(jì)算，得到進(jìn)水流量為24.10 t/d（1 t/h），反滲透膜前壓力為36.8 bar，濃水壓力為36.6 bar，濃水流量為22.01 t/d（0.917 t/h）。

表1 節(jié)能海水淡化裝置的主要電子產(chǎn)品常值功率表Table 1 Constant power meter for main electronic products of energy-saving desalination device

2.2 揚(yáng)程計(jì)算

在計(jì)算海水泵揚(yáng)程時(shí)，需要考慮能量回收泵增壓機(jī)理所必須的揚(yáng)程和閥門、膜殼與管道的流阻所損失的揚(yáng)程?？傆?jì)損失的揚(yáng)程約為26.23 m，則該系統(tǒng)中需要56.83 m 揚(yáng)程的海水泵。選用在該流量下最高揚(yáng)程為70 m 的3DS6 太陽(yáng)能水泵，除能夠保證正常使用要求外，在流體通道內(nèi)存在一定程度的堵塞時(shí)也能正常工作[8]。

2.3 系統(tǒng)功耗計(jì)算

在保證揚(yáng)程與流量情況下，還須保證功耗滿足使用要求。當(dāng)揚(yáng)程為60 m、流量為1 t/h 時(shí)，所用海水泵功率小于305 W。而對(duì)于噸水功耗不超出4 度電來(lái)說(shuō)，裝置最大功率不能超過(guò)333 W，因此使用該水泵情況下，其它產(chǎn)品至少可以有28 W 以上的功率。

2.4 能量回收效率計(jì)算

3 系統(tǒng)仿真

通過(guò)AMESim 軟件進(jìn)行仿真，使用定量泵來(lái)模擬3DS6 太陽(yáng)能水泵，用流阻來(lái)模擬反滲透膜及膜殼，用兩只獨(dú)立的液壓缸作為能量回收泵，用P 型三位四通閥作為能量回收泵控制閥?？刂七壿嬐ㄟ^(guò)相關(guān)控制元件實(shí)現(xiàn)。

設(shè)置仿真參數(shù)如下：

● 3DS6 太陽(yáng)能水泵流量為17.1 L/min。

● 液壓缸行程為300 mm，缸徑為125 mm，軸徑為36 mm。

● 膜殼與反滲透膜流阻為0.9 bar。

● 產(chǎn)水流阻設(shè)為在1.39 L/min 下36.8 bar。

● 蓄壓器容積為1 L，預(yù)充壓力為6 bar。

仿真結(jié)果如下：

圖5 海水淡化裝置系統(tǒng)仿真圖Fig.5 Simulation of desalination system

圖6 系統(tǒng)仿真結(jié)果Fig.6 System simulation results

200 s 后滲透膜前壓力=37.8 bar，原水壓力=5.76 bar，濃水壓力=37.6 bar，濃水流量=15.71 L/min，產(chǎn)水流量=1.39 L/min。由仿真波形數(shù)據(jù)可得：能量回收效率=(37.8-5.76)×17.1/(37.6×15.71)≈92.75% (5)對(duì)比式(4)和式(5)，理論分析計(jì)算所得的能量回收效率與仿真結(jié)果基本一致。

4 結(jié)論

闡述了一套使用差壓式能量回收泵的節(jié)能反滲透海水淡化裝置，其功耗小于3.78 kWh，能量回收率達(dá)92.7%左右，進(jìn)一步提升了我國(guó)海水淡化技術(shù)的水平，滿足了我國(guó)在該領(lǐng)域的巨大需求[9,10]。