反渗透海水淡化能量回收装置的研究现状及展望

反渗透海水淡化能量回收装置的研究现

状及展望

摘要：本研究介绍了反渗透海水淡化能量回收装置的分类和工作原理，并重点综述了国内外的研究成果和进展，最后结合国内外研究现状分析总结了我国反渗透海水淡化能量回收装置的发展方向。

关键词：反渗透海水淡化；能量回收装置；研究

1 分类和工作原理

反渗透海水淡化能量回收装置按照其工作原理主要可分为液力透平式、正位移式和泵-马达式3种类型，见表1。

透平是将流体工质中蕴有的能量转换成机械功的机器，又称涡轮或涡轮机。透平是英文turbine的音译,源于拉丁文turbo一词,意为旋转物体。透平的工作条件和所用工质不同，所以它的结构型式多种多样，但基本工作原理相似。透平的最主要的部件是一个旋转元件,即转子,或称叶轮，它安装在透平轴上，具有沿圆周均匀排列的叶片。流体所具有的能量在流动中，经过喷管时转换成动能，流过叶轮时流体冲击叶片，推动叶轮转动，从而驱动透平轴旋转。透平轴直接或经传动机构带动其他机械，输出机械功。透平机械的工质可以是气体，如蒸汽、燃气、空气和其他气体或混合气体，也可以是液体，如水、油或其他液体。以水为工质的透平称为水轮机;以蒸汽为工质的透平称为汽轮机；以燃气为工质的透平称为燃气透平。

表1 反渗透海水淡化能量回收装置优缺点比较

图1第一代与第二代回收装置的原理

基于“功交换”原理的正位移式第三代能量回收装置利用流体的不可压缩性可直接实现高压盐水和低压海水间的能量传递。系统工作时，低压海水在能量回收装置中先由高压盐水直接增压，再经过增压泵的二次增压后进入反渗透膜组件产出淡水。上述过程是通过降低高压泵的流量来减少系统能耗。由于其能量回收过程只需要经过“水压能-水压能”的一步转换，能量回收效率通常能达到90%以上，目前已占据反渗透海水淡化市场的主导地位，但仍存在系统集成度较低、投资成本高、需配备增压装置和盐/海水掺混等技术缺陷。正位移式能量回收装置根据其核心部件结构形式的不同又可分为阀控式和旋转式。

2 液力透平式能量回收装置

20世纪80年代初期，为降低反渗透海水淡化工程的能耗和运行成本，第一代能量回收装置开始应用于SWRO系统，代表性产品有弗朗西斯透平(Francis turbine)和佩尔顿透平(Pelton turbine)。

3 正位移式能量回收装置

3.1 阀控式能量回收装置

1) 国外研究进展

美国DESAL公司研发的DWEER(Dual Work Exchanger Energy Recovery)于1990年实现商业化，是最早应用于反渗透海水淡化工程的正位移式能量回收装置。该装置的主要部件包括单向阀和控制阀、2个水压缸。高压盐水经控制阀进入其

中1个水压缸，将压力能传递给低压海水，完成增压过程；低压海水经单向阀进

入另1个水压缸，推动低压盐水排出，完成泄放过程。水压缸内设置有活塞，将

盐水和海水隔开，有效减少了流体掺混。1998年，LinX阀的诞生使DWEER的性

能迎来了质的飞跃。LinX阀是一种多通道的控制阀，替代了原有的4个二通阀，

不仅简化了系统，还加快了阀门的切换速度，这极大地改善了DWEER的性能和可

靠性。

2) 国内研究进展

天津大学从2000年开始致力于海水淡化能量回收技术的研究，率先在国内

建成阀控能量回收装置平台，并对其工作特性、控制系统和流量压力的稳定性等

方面进行了大量研究。2005年，设计制造了我国首套日产千吨级的阀控式能量回

收装置并进行了现场示范运行，能量回收效率为93%～95%,压力波动仅有0.2 MPa, 具有较好的工程应用价值。

3.2 旋转式能量回收装置

1) 国外研究进展

美国ERI公司设计生产的PX(Pressure Exchanger)是旋转式能量回收装置的

典型代表，于1997年进行商业化应用。PX装置由陶瓷转子、套筒和端盖构成，

转子上开设有12个轴向流道，在高压流体的驱动下自由平衡旋转，从而完成流

体间的能量交换。不同于DWEER的是，PX通过直接接触的方式回收压力能，并没

有利用活塞来隔离流体。PX主要经历了4个发展阶段，见表2，2009年推出了第

四代产品PX-300,该产品的配流机构采用了改进的氧化铝陶瓷部件，1个旋转周

期可完成2次能量交换过程，单机处理量达到68 m3/h, 能量回收效率高达

97.2%,且在降低内部流体掺混度和工作噪声方面有所改善。CAMERON公司等给出

了使用PX装置的海水淡化系统中半透膜前的高压海水的盐度计算公式，当淡水

回收率为40%时，膜前高压海水的盐度增加2.5%,相当于运行压力提高0.13 MPa。

表2PX系列产品参数

2) 国内研究进展

大连理工自2004年以来，对旋转式能量回收装置的理论和试验研究展开了积极探索；截至2010年，设计加工了电机外驱型和流体自驱型两种能量回收装置，建立小型SWRO实验平台并进行了包括端面密封特性、流体掺混特性和能量回收效率在内的综合实验研究工作，其中，流体自驱型能量回收装置,在实验条件下转子转速超过1000 r/min, 能量回收效率为76%,流体掺混率低于5%。利用二维数值模拟的方法分析了影响液柱活塞形成和运动的主要因素及其影响规律；以提高孔道容积效率为目标，探索了流量、转子转速和转子几何结构的最佳匹配关系。然而，二维数值模拟只适用于轴对称模型，不能完全描述孔道中流体的径

向流动。为此，在2011年提出了一种三维数值模拟方法研究了流体掺混的形成

过程和影响因素。

5 结论

在我国水资源短缺问题日益加剧的形势下，进行高效率、集成式能量回收装

置的技术攻关，研制出具有自主知识产权的反渗透海水淡化用能量回收一体化装

置更是迫在眉睫。目前，我国反渗透海水淡化产业与发达国家相比还有一定差距，使用的能量回收装置大多依赖进口。因此，加强海水淡化能量回收装置的基础研

究并突破相关技术瓶颈，实现我国反渗透海水淡化技术的快速发展，是缓解我国

淡水资源匮乏的战略选择，对于促进我国经济社会可持续发展具有重要的现实价

值和战略意义。

参考文献

[1] 黄鹏飞，王小军，张寅，等.我国海水淡化现状与开发方案研究[J].盐

科学与化工，2020,49(8):6-10.