工业中液体压力能回收技术综述

placement , PD) 。
正位移原理直接利用高压流体增压低压流体,
高低压流体只需一个自由活塞分隔, 甚至可直接接
触, 利用结构上的设计避免高低压流体的掺混, 这种
设计可实现∃ 压力能 %压力能&的一次转换过程。
根据高低压流体分隔情况, 主要分为三种, 即活
塞式、旋转直接接触式和阀控直接接触式。
1. 1. 2 一体式设计 一体式设计也可称为新型液力透平, 80 年代中
后期应用逐渐广泛, 泵叶轮与透平在一个壳体中以 # 519 #
轴相连同步工作, 装置设计紧凑!6∀, 这一设计尽可能 减少了中间传动轴的机械能损失。其特点是可以独 立的工作, 脱离了要与高压泵轴与电机轴连接的束 缚!7∀, 装拆容易且维修方便, 而且对于压力和流量的 波动适应性很好, 其能量回收效率基本稳定在 60% 左右, 但不适合在处理量低于10 m3/ h的小流量下工 作, 故其小型化困难。ห้องสมุดไป่ตู้
1. 1. 3 液力透平压力能回收方案 液力透平技术中, 按照回收能量的形式, 分为两
种方案!10∀: 方案一: 利用高压废铜液所携带的动能驱动水
轮发电机组发电, 实现动能 ∋ 机械能 ∋ 电能的转化。 方案二: 利用高压废铜液所携带的动能驱动涡
轮机, 把动能转化为机械能, 涡轮机的输出轴与高压 铜泵的输入轴相连接, 助推电机带动铜泵, 从而实现 动能 ∋ 机械能的转化。
图 6 活塞式能量回收系统设计特点
活塞式能量回收系统采用两个压力容器交替工 作, 以降低进流高压流体的流量和压力的波动, 故其 对于压力与处理量有较好的适应性, 但处理量较其 它类型小, 该技术开发应用较早, 技术比较成熟, 目
我国工业由于技术及管理等原因, 能源利用率远 远低于许多发达国家, 不仅造成能源的浪费, 成本的 提高, 而且间接增加了环境污染。节约能源符合可持 续发展思想, 早已成为国内相关领域研究的热点。
石油、化工许多生产工艺流程中, 有许多工序的 高压流体通过减压阀将其减压 到所需的一定 的低 压, 或者排放的废气流体仍具有较高的压力, 在减压 和排放的过程中, 大量的流体机械能转化为热能散 失在环境中。
摘 要: 工业中减压过程会造成大量的高压流体的压力能损失, 如果这部分能量能够得到回收 利用, 每年可以节省可观的成本, 并获得良好的效益。本文以液体压力能回收为出发点, 对该领域 各种压力能回收技术和装置进行研究、分析和比较, 并对未来压力能回收技术的发展趋势和应用前 景进行了展望。
关键词: 高压流体; 流体压力能; 能量回收 中图分类号: TQ028 8 文献标识码: A 文章编号: 1002- 6339 ( 2005) 06- 0518- 04
活塞式能量回收系统由 Willard Childs & Dr. Ali Dabiri 提出。从图 6 中可以看出, 活塞式能量回收系 统的结构非常简单, 高压流体通过活塞的传递作用 为低压流体加压, 同时活塞还可有效防止高低压流 体的混流。若忽略活塞的摩擦, 理论上能量传递效 率可达 100% , 实际上可达 90% !12∀。
HPB 与 HTC 都是一体式设计的液力透平。HTC (Hydraulic Turbocharger ) 专 用于 海水反 渗透 淡化 系 统, 其构造简单且容易安装, HTC 的设计值得注意的 是提高了效率、耐腐蚀性和稳定性, 售价与同类产品 相比低 30% 。HTC 通过提高流体流道设计和 全面 利用计算机数字控制制造技术减少成本的设计令人 称道!8∀。其应用较早, 设计成熟, 故而广泛应用于几 乎所有压力能回收领域, 但由于压力能转化过程中 需要两次能量转换, 造成多余的能量损失。故而, 用 高压流体直接冲击透平叶片, 通过轴功直接驱动加 压泵工作。能 量回收效率较分 体式设计有一 定提 高。HPB( Hydraulic Pressure Boosting) , 其基本原理与 HTC 类似, 不同的是 HPB 专用于反渗透海水淡化系 统。
Review on Technology of Liquid Pressure Energy Utilization
JU Mao- wei, CHANG Yu- qing, ZHOU Yi- hui ( Dept. of Chemical Engineering and Mechanics, Dalian Univ. of Technology, Dalian 116012, China)
佩尔顿型和反转泵代表了分体式设计液力透平 的基本原理和特点, 由于在压力能回收过程中须经 过两次能量转换, 这直接导致能量的多余损失, 使分 体式设计的液力透平技术回收效率低下, 特别是反 转泵的回收效率 仅为 30% 左右。其工作原理见图 3!5∀。
图 3 Pelton 或 Francis 涡轮机能量传递示意图
美国菲利浦斯石油公司认为, 几乎任何需要用 调节阀或减压阀减压的工艺物料都可供能量回收之
收稿日期 2005- 09- 12 修订稿日期 2005- 09- 26 作者简介: 鞠茂伟( 1981~ ) , 男, 硕士研究生。
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用。在合成氨工业中, 铜氨液需由13 MPa节流减压 至0. 4 MPa!1∀, 氨 合 成 系 统 分 离 出 来 的 液 氨 是 从 32 MPa靠减压阀将其降压至1. 6 MPa; 在尿素的生产 过程中, 尿素熔融液和氨基甲酸氨液, 需由20 MPa节 流减压至1. 7 MPa, 进行分离后循环!2∀; 在聚乙烯的 生产过程中, 聚 乙烯熔 融液 和乙烯 气混 合物 需由 280 MPa节流减 压至0. 4 MPa进行分 离后循环; 化肥 厂脱碳流程中, 从 CO2 吸收塔出来的碳酸丙烯酯富 液, 从1. 65 MPa减压至0. 5 MPa; 反渗透海水淡化系 统中, 排放出的废弃浓盐水的压力为5. 5~ 6. 0 MPa。 在相关领域国内外都已进行了长期的研究, 已提出 比较成熟的技术并开发了相应的产品投入市场。
表 1 流体压力能回收技术分类情况
按原理分类 按设计分类
代表产品 反转泵
液力透平
分体式设计
佩尔顿透平 法兰西斯泵
流体压力能 回收技术
一体式设计
卡普兰 HTC、HPB DWEER、
活塞式
自由活塞式液
正位移技术
压能量回收机
旋转直接接触式
PX
阀控直接接触式 Aqualyng、PES
1. 1 液力透平
液力透平是压力能回收领域最早研究开发的技
术, 设计成熟而且应用广泛, 几乎所有压力能回收领
域都有液力透平技术的应用。
1. 1. 1 分体式设计
分体式设计的液力透平于 70 年代末期进入市
场, 能 量 回 收 效 率 较 低, 有 反 转 泵 型 ( REVERSE
PUMP) 、法 兰 西 斯 泵 型 ( FRANCIS ) 、卡 普 兰 型 ( KAPLAX) 和佩尔顿型( PELTON) !3∀。
Abstract:A lot of liquid pressure energy loses in decompression process in the industry. If this part of energy can be recycled, the considerable operat ing cost can be saved and higher eff iciency can be obtained. This pa per focuses on the technology and equipment of liquid pressure energy recovery and gives analysis and compari son of different types of technologies. Moreover, the future development and application of this technology is also discussed. Key words: high- pressure fluid pressure; liquid pressure energy; energy recovery
本文中研究国内外现有的能量回收技术, 并分 析优缺点, 展望该领域发展前景。
1 压力能回收设备基本原理
压力能回收技术形式各有不同, 从工作原理上
分为液力透平和正位移两类。这两种压力能回收技
术广泛应用在能量回收领域。
第一类为液力透平( hydraulic turbine) , 有时也称
为离心技术 ( centrifugal technology) 。液 力透平为 旋
正位移技术( positive displacement, PD) 纷杂, 但 回收能量的基本原理相同, 原理如图 5。
图 5 WE 或 PE 能量传递示意图
正位移技术可直接将高压流体的压力能用于进 料海水的增压, 不需要经过转化成轴功这一过程, 即 ∃ 压力能 %压力能&, 从而减少中间转换的损失, 能量 转换效率高达 91% ~ 96% 。与液力透 平某些方案 将回收的压力能用于发电相比, 正位移技术均为直 接将高压流体压力能直接转化为低压流体压力能。 正位移原理技术受开发时间和技术所限, 使用范围 尚不如液力透平广。新型正位移技术带来可观的经 济效益, 并有效减少能源的浪费, 我国也已将∃ 新型 高效余压回收装置的研发&列为∃ 十五& 重点攻关项 目, 目前该项目相关方面的研究正在进行中!11∀。 1. 2. 1 活塞式技术
HTC 和 HPB 技术与反转泵等分体式液 力透平 相比, 减少了中间的机械能损失, 提高了能量回收效 率, 但由于原理上的不足, 没有解决需要机械能中介 的情况, 仍需两次能量转换, 该技术在现有基础上进 一步提高效率的空间已经非常有限!9∀。图 4 为 HTC 原理示意图。
图 4 HTC 示意图
佩尔顿型是一种设计成熟的压力能回收设备。
叶轮是唯一的旋转部件, 工作安全可靠, 而且其工作
效率受高压流体的压力和流量的影响小。图 1 中可
以看到, 其叶轮形式复杂, 机械加工难度较大, 佩尔
顿型将压力能转 换为旋转机械能的效率高达 80%
~ 88% , 但由于必须将旋转机械能转换回压力能, 这
导致实际转换 效率为 63% ~ 76% 。目 前佩尔顿型 国内有的厂家已经拥有了开发、生产高效叶轮的能 力。
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上述两种方案各有利弊: 方案一并网发电系统 不受场地的限制, 也不受其他设备的约束, 能量利用 机动灵活, 但增加了能量损失, 且设备投入大; 方案 二回收利用压差能的效率高, 减少发电与并网的能 量损失, 但受场地的约束, 由于铜泵需要经常停机维 修而导致能量回收装置的停机等待。 1. 2 正位移技术
第 23 卷, 总第 134 期 2005 年 11 月, 第 6 期
节能技术 ENERGY CONSERVAT ION TECHNOLOGY
Vol. 23, Sum. No. 134 Nov. 2005, No. 6
工业中液体压力能回收技术综述
鞠茂伟, 常宇清, 周一卉 ( 大连理工大学 化工机械系, 辽宁 大连 116012)
图 1 佩尔顿 型叶轮
图 2 径向叶片涡轮与反转泵叶轮比较图
反转泵中叶片离心泵反转运行, 故名, 其结构简 单, 成本较低, 设计成熟, 但对流量要求比较严格, 流 量过大过小时, 回收效率将大幅降低, 甚至出现无回 收情况。该技术目前仍有广泛的应用, 但由于技术 落后导致回收效 率低下, 将逐步被其他技 术取代。 国外开发的一种径向叶片涡轮液力透平!4∀( 见图 2) 用于取代反转泵型, 主要在叶轮上进行改进, 在保证 可靠性的情况下, 提高了回收效率。
转式能量回收机, 其结构与离心泵相似但作用与泵
相反。液力透平能量回收过程是通过透平将高压流
体的压力能转化为轴功, 再利用轴功驱动泵使流过
泵的低压流体增压, 即∃ 压力能 %轴功 % 压力能&。
液力透平根据结构上设计的不同, 又分为泵叶
轮与透平一体的设计和分体的设计, 即一体式设计
和分体式设计。
第二 类为 正 位 移 原 理回 收 技 术 ( positive dis