潘春佑,李 露,薛喜東,馮 濤,潘莫霖,李 炎

(自然資源部 天津海水淡化與綜合利用研究所,天津 300192)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)以及國(guó)民生產(chǎn)力的大幅提高,國(guó)家開(kāi)始提倡高效與節(jié)能。正如當(dāng)下盛行的新能源汽車(chē),既可以將產(chǎn)能過(guò)剩的“電”通過(guò)蓄電存儲(chǔ)的方式將電能保存下來(lái)減少浪費(fèi),又可以減少石油消耗,實(shí)現(xiàn)資源的高效利用[1-6]。

1 柴油驅(qū)動(dòng)應(yīng)急海水淡化裝置不同工藝能量模擬及優(yōu)化分析

柴油驅(qū)動(dòng)應(yīng)急海水淡化裝置具有靈活、高適應(yīng)性、便于維修組裝等特點(diǎn),經(jīng)常應(yīng)用在島嶼或偏遠(yuǎn)地區(qū)的前期開(kāi)發(fā),其常見(jiàn)的工藝見(jiàn)圖1。為簡(jiǎn)化說(shuō)明,泵指反滲透海水淡化的高壓泵,不包括其他輔助水泵。將柴油發(fā)電機(jī)、泵、膜組件的能量轉(zhuǎn)化拆分出如下步驟:

圖1 傳統(tǒng)工藝能量傳遞流程

(1)柴油的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能W。

(2)機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能,常規(guī)能量轉(zhuǎn)化率設(shè)為η1(η1<1)。

(3)電能再通過(guò)泵的電機(jī)轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,常規(guī)能量轉(zhuǎn)化率設(shè)為η2(η2<1)。

(4)泵供給RO系統(tǒng)的總能量設(shè)為W1,W1=W×η1×η2。

通過(guò)步驟分析,發(fā)現(xiàn)泵在工作時(shí)只需要機(jī)械能驅(qū)動(dòng),而泵之前的電能與機(jī)械能轉(zhuǎn)化是該工藝中造成能量流失的原因。如果將電能與機(jī)械能轉(zhuǎn)化的步驟省去,直接由柴油機(jī)產(chǎn)生的機(jī)械能供給泵,則可以避免η1和η2對(duì)泵能量衰減,簡(jiǎn)化工藝見(jiàn)圖2。將圖2的能量轉(zhuǎn)化拆分出如下步驟:

圖2 簡(jiǎn)化工藝的能量傳遞流程

(1)柴油的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能W。

(2)機(jī)械能通過(guò)變速箱匹配給泵,常規(guī)能量轉(zhuǎn)化率設(shè)為η3(η3<1)。

(3)泵供給RO系統(tǒng)的總能量設(shè)為W2,W2=W×η3。

由于同類(lèi)能量在傳遞的過(guò)程中比異類(lèi)能量轉(zhuǎn)化率高(常規(guī)變速箱能量轉(zhuǎn)換效率不低于85%),所以正常情況下的η3>η1且η3>η2。通過(guò)對(duì)比可發(fā)現(xiàn),圖2比圖1工藝在泵供給RO系統(tǒng)的總能量上有優(yōu)勢(shì):W3=W1×η3>W2=W1×η1×η2。

參照?qǐng)D2的工藝,其內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)跟汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)原理相似,都可以通過(guò)配置變速箱實(shí)現(xiàn)不同轉(zhuǎn)速,以適應(yīng)高壓泵的工況。實(shí)現(xiàn)工藝上的融合突破。通常情況下柴油發(fā)電機(jī)的能效轉(zhuǎn)換是較低的(低于50%),由于燃油燃燒后,會(huì)有大量熱能被釋放出來(lái),其氣體攜帶的熱能總和比機(jī)械能更高,所以將內(nèi)燃機(jī)廢氣所攜帶的熱能再次利用將會(huì)大幅提升裝置能效。見(jiàn)圖3,將內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)余熱廢氣經(jīng)過(guò)余熱鍋爐與蒸餾淡化系統(tǒng),可再次增加淡水產(chǎn)出。

圖3 內(nèi)燃機(jī)廢熱蒸餾淡化工藝簡(jiǎn)圖

2 柴油驅(qū)動(dòng)應(yīng)急海水淡化裝置工藝展望

上述工藝分析及優(yōu)化是站在能量的層面拓展的,在未來(lái)行業(yè)的發(fā)展中還可以針對(duì)各個(gè)環(huán)節(jié)的某個(gè)工作過(guò)程或設(shè)備的驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行技術(shù)革新,提高整體性能,并大膽嘗試跨界技術(shù)及新產(chǎn)品的引入。比如傳統(tǒng)的泵可以替換成稀土永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng),因?yàn)檫@種電機(jī)具有低機(jī)械損耗的特點(diǎn),類(lèi)似于磁懸浮技術(shù),大幅提高裝置效能。當(dāng)然這種裝置在一些特定環(huán)境中,比如顛簸(船只)和高鹽霧環(huán)境中,其性能的穩(wěn)定性、使用壽命、耐腐蝕性等因素,都是有待革新的方向。

為實(shí)現(xiàn)上述工藝,擬將在新設(shè)計(jì)路線(xiàn)應(yīng)用工業(yè)設(shè)計(jì)中的交互式設(shè)計(jì)。將內(nèi)燃機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、反滲透淡化、蒸餾淡化在一個(gè)裝置中融合,實(shí)現(xiàn)技術(shù)與技術(shù)的互補(bǔ),提高整體裝置的能效。經(jīng)過(guò)計(jì)算驗(yàn)證了該工藝的合理性,已具備落地的條件。在此技術(shù)上,可以運(yùn)用工業(yè)設(shè)計(jì)路線(xiàn),展開(kāi)新裝置的設(shè)計(jì)工作。

3 柴油驅(qū)動(dòng)應(yīng)急海水淡化裝置的工業(yè)設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用

因上述擬定的設(shè)計(jì)工藝皆由燃料驅(qū)動(dòng),所以該海水淡化裝置在理論上是可以實(shí)現(xiàn)車(chē)載、艦載動(dòng)能連用。既可以提升裝置的機(jī)動(dòng)性,又可以同源工作,一機(jī)多能。這正是工業(yè)設(shè)計(jì)中融合創(chuàng)新思路的體現(xiàn)。

根據(jù)設(shè)計(jì)思路可進(jìn)行設(shè)備選型并開(kāi)展三維模型的建立。該裝置主要設(shè)備包括:箱式載體、柴油機(jī)、原水泵、高壓泵、RO膜組件、保安過(guò)濾、加藥箱、原水罐、產(chǎn)水罐、熱交換裝置、蒸餾淡化裝置、電器儀表、鋼架、車(chē)架等。具體布置原則如下:

(1)將輕質(zhì)元器件、電子儀表、人機(jī)操作臺(tái)放在中上層,減少因濕潮、濺射、滲漏而故障,造成裝置不能正常工作。

(2)將較重元器件安置在下層,增加裝置的穩(wěn)定性。

(3)將閥門(mén)開(kāi)關(guān)類(lèi)元件集中在人機(jī)互動(dòng)界面。再根據(jù)使用頻次、重要性、操作流程等因素合理排列,即方便操作又可以提升操作效率。

(4)因經(jīng)常維修和調(diào)試,將發(fā)電機(jī)、加藥箱等放置在裝置的最外側(cè),可以實(shí)現(xiàn)便捷操作。

通過(guò)上述三維建模,充分考慮到管路走向、安裝、維修、人機(jī)操作等因素,同時(shí)實(shí)現(xiàn)合理的模塊劃分及管路排列,輔助提升人機(jī)舒適性、安全性、高效性。

當(dāng)三維模型建立完畢,在加工階段可通過(guò)模擬光影、材質(zhì)、色彩等渲染因素來(lái)提升裝置的視覺(jué)沖擊力。

4 結(jié)論

由于水質(zhì)、溫度、濕度、光照等不同環(huán)境因素和工況資源限制,海水淡化裝置采用的工藝路線(xiàn)是有差異的。應(yīng)急海水淡化裝置經(jīng)常應(yīng)用在高濕度高鹽霧環(huán)境下,因?yàn)殡娮釉骷菀资艿礁g而氧化脆化而導(dǎo)致效率下降或故障,電機(jī)驅(qū)動(dòng)的裝置需要更高的保護(hù)條件(主要依靠密封、防腐)。柴油發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)海水淡化裝置的工藝不僅因電氣設(shè)備少而可靠性高,而且相對(duì)柴油發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)海水淡化裝置的工藝具有更高的效率,所以機(jī)車(chē)、艦艇聯(lián)動(dòng)時(shí)更加適合,具有廣闊的推廣前景。