透平式能量回收一體反滲透海水淡化裝置運(yùn)行能耗分析

透平式能量回收一體反滲透海水淡化裝置運(yùn)行能耗分析

0透平式當(dāng)前氣運(yùn)穩(wěn)定特性液力透平建成的海水凈化技術(shù)是目前最成功的海水凈化技術(shù)，可以應(yīng)用于沿海地區(qū)、島嶼、海上和其他地方。標(biāo)準(zhǔn)海水的含鹽量約為35000mg/L，需用泵將原海水加壓至6.0MPa左右，才能達(dá)到反滲透海水淡化過(guò)程設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)海水淡化。未作任何節(jié)能處理的該類(lèi)系統(tǒng)中，加壓泵的能耗可占系統(tǒng)總能耗的70%左右從運(yùn)行原理看，液力透平可對(duì)工藝流程中排出的高壓濃海水進(jìn)行再利用，目前已成為一種在反滲透法海水淡化技術(shù)中因地制宜的能量回收手段一般地，液力透平可按種類(lèi)分為反轉(zhuǎn)式和沖動(dòng)式反滲透海水淡化能量回收一體機(jī)作為應(yīng)用場(chǎng)景較為特殊的流體機(jī)械裝置，其流動(dòng)機(jī)理及研發(fā)理論均較為匱乏。對(duì)于透平式能量回收一體機(jī)，其能量回收效率與其中兩個(gè)核心動(dòng)力部件——透平（反轉(zhuǎn)式離心泵）和泵均相關(guān)。該類(lèi)機(jī)型與抽水蓄能機(jī)組中常用的水泵水輪機(jī)的相似之處在于：為同時(shí)滿足透平和泵的功能，都需將二者的水力設(shè)計(jì)相互耦合；全特性區(qū)的流動(dòng)都非常復(fù)雜本文在介紹反滲透海水淡化技術(shù)及能量回收一體機(jī)工作原理基礎(chǔ)上，對(duì)透平式能量回收一體機(jī)的透平端和泵端分別進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，探討了一體機(jī)透平側(cè)和泵側(cè)各自在不同運(yùn)行條件下的水力性能和流動(dòng)特性，為此類(lèi)流體機(jī)械的水力設(shè)計(jì)和研發(fā)提供理論依據(jù)。1海水處理技術(shù)和能量回收1.1機(jī)離子及有機(jī)小分子物質(zhì)的分離和測(cè)定反滲透（reverseosmosis,RO）是利用半透膜使溶液中的小分子物質(zhì)、離子和溶劑分離的一種膜過(guò)程，能有效去除水中的無(wú)機(jī)離子及0～12nm的有機(jī)小分子物質(zhì)。反滲透技術(shù)廣泛應(yīng)用于海水淡化，苦咸水淡化，電子、制藥工業(yè)中超純水的制造，電廠鍋爐給水、制冷機(jī)循環(huán)用水的生產(chǎn)，各種廢水的處理及再生回用，醫(yī)藥工業(yè)、食品飲料工業(yè)中低分子物質(zhì)水溶液的濃縮和有機(jī)物質(zhì)的回收等在進(jìn)行反滲透海水淡化的過(guò)程中，需耗能以提升進(jìn)料海水壓力克服滲透壓完成海水淡化，無(wú)能量回收措施的反滲透海水淡化裝置的能耗約為8～10kW·h/m1.2安裝能量回收裝置后的工藝流程透平式能量回收一體機(jī)的核心部件由透平端、泵端及主軸組成。在未安裝能量回收裝置之前，反滲透海水淡化的工藝過(guò)程是，經(jīng)過(guò)高壓泵加壓后的原海水進(jìn)入膜組件，部分原海水通過(guò)反滲透膜以淡水形式產(chǎn)出，另一部分高壓濃海水經(jīng)泄壓直接排放。安裝能量回收裝置之后的工藝流程如圖1所示，高壓濃海水由入口進(jìn)入一體機(jī)透平側(cè)，沖擊透平轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)帶動(dòng)同軸的泵葉輪旋轉(zhuǎn)，高壓濃海水?dāng)y帶的能量經(jīng)過(guò)“壓力能→機(jī)械能→壓力能”轉(zhuǎn)化之后傳遞給由一體機(jī)泵側(cè)入口進(jìn)入的低壓原海水，而濃海水由透平出口以常壓排出，由一體機(jī)泵側(cè)進(jìn)一步增壓后的原海水進(jìn)入膜組件。能量回收一體機(jī)內(nèi)的流動(dòng)過(guò)程如圖2(a）所示，圖2(b）為運(yùn)行于三沙市的反滲透海水淡化裝置及一體機(jī)。2計(jì)算模型和網(wǎng)格的劃分2.1透平和泵系統(tǒng)原理以圖2(b）運(yùn)行于三沙島反滲透式海水淡化裝置中的透平式能量回收一體機(jī)為研究對(duì)象，其透平端的三維全流道如圖3(a）所示。透平工作時(shí)，高壓濃海水作為反滲透海水淡化的副產(chǎn)品，從蝸殼入口流入，流經(jīng)透平轉(zhuǎn)輪做功后，從引流管排出。泵端的三維全流道如圖3(b）所示，原海水經(jīng)一加壓泵后，流入一體機(jī)的泵端再次加壓后流入反滲透膜組件中進(jìn)行淡化。透平式能量回收一體機(jī)的透平和泵通過(guò)主軸直聯(lián)（見(jiàn)圖3(c）），透平直接為泵提供進(jìn)一步加壓的動(dòng)力。一體機(jī)在系統(tǒng)中運(yùn)行時(shí)無(wú)任何外加電機(jī)等設(shè)備調(diào)控轉(zhuǎn)速，因此透平和泵在運(yùn)行過(guò)程中的轉(zhuǎn)速非常高，一般可達(dá)20000r/min以上。研究對(duì)象一體機(jī)的高壓透平端為典型的離心泵反轉(zhuǎn)做透平，無(wú)導(dǎo)葉，轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)為8，是二維直葉片型式，透平端的比轉(zhuǎn)速n泵端為典型的離心式水泵，泵葉輪的葉片數(shù)為8，也為二維的直葉片型式，泵端的比轉(zhuǎn)速n2.2參數(shù)設(shè)置和邊界條件采用不可壓縮流體的連續(xù)方程和雷諾平均的N-S方程模擬透平側(cè)和泵側(cè)內(nèi)的三維流動(dòng)，定常計(jì)算的湍流模型選擇SSTk-uf077模型。數(shù)值計(jì)算中，透平側(cè)入口邊界設(shè)置在蝸殼進(jìn)口面，根據(jù)水頭大小給定總壓的進(jìn)口條件；透平側(cè)出口設(shè)置在尾水錐管出口處，初始按平均靜壓為零給定邊界條件；計(jì)算域中的壁面和過(guò)流部件中所有固定壁面均設(shè)置為無(wú)滑移面。泵側(cè)入口設(shè)定在泵進(jìn)口段的進(jìn)口面，按各工況的質(zhì)量流量設(shè)定進(jìn)口條件；泵側(cè)出口設(shè)置在蝸殼出口面，初始按平均靜壓為零設(shè)定邊界條件；計(jì)算域中的壁面和過(guò)流部件中所有固定壁面均設(shè)定為無(wú)滑移面。交界面采用滑移網(wǎng)格模型來(lái)模擬動(dòng)靜域流場(chǎng)，交界面兩側(cè)的網(wǎng)格結(jié)點(diǎn)并不一定相互重合，在交界面處保證速度分量等物理參數(shù)一致，同時(shí)保證積分后壓力和流量一致。由于本文分別探討透平側(cè)和泵側(cè)各自的水力性能和流動(dòng)特性，所以對(duì)工況點(diǎn)的選擇暫不涉及兩者的耦合運(yùn)行。在裝置額定轉(zhuǎn)速下，對(duì)透平側(cè)分別選取0.8H2.3網(wǎng)格數(shù)量及網(wǎng)格預(yù)測(cè)透平側(cè)的數(shù)值計(jì)算域分為蝸殼、轉(zhuǎn)輪和尾水管三部分；泵側(cè)數(shù)值計(jì)算域分為進(jìn)口段、葉輪和蝸殼三部分，均采用六面體單元進(jìn)行空間離散化處理。由于模型網(wǎng)格質(zhì)量對(duì)數(shù)值結(jié)果有重要影響，因此對(duì)兩計(jì)算模型都進(jìn)行了網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證如圖4所示，在某一較低水頭的偏工況下，選取網(wǎng)格總數(shù)分別為150、300、450、600、750萬(wàn)的透平側(cè)模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，得到透平側(cè)水力效率與網(wǎng)格數(shù)的關(guān)系曲線；在某一低流量的偏工況下，選取網(wǎng)格總數(shù)分別為100、150、300、450、600萬(wàn)的泵側(cè)模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，得到泵側(cè)水力效率與網(wǎng)格數(shù)的關(guān)系曲線。結(jié)果顯示，預(yù)測(cè)的透平側(cè)水力效率在模型網(wǎng)格數(shù)為450萬(wàn)后的波動(dòng)基本趨于一致，兼顧考慮數(shù)值計(jì)算的資源和結(jié)果的準(zhǔn)確性，選擇網(wǎng)格總數(shù)為450萬(wàn)左右的模型進(jìn)行透平側(cè)后續(xù)數(shù)值計(jì)算；預(yù)測(cè)的泵側(cè)水力效率在模型網(wǎng)格數(shù)為300萬(wàn)后的變化較小，基于與透平側(cè)模型選擇相同的考慮，選擇網(wǎng)格總數(shù)為300萬(wàn)左右的模型進(jìn)行泵側(cè)后續(xù)數(shù)值計(jì)算。透平側(cè)整體的網(wǎng)格和其中轉(zhuǎn)輪部件的網(wǎng)格情況如圖5所示，不同計(jì)算域的網(wǎng)格數(shù)為：蝸殼域193萬(wàn)，轉(zhuǎn)輪域204萬(wàn)，出水管74萬(wàn)，共計(jì)471萬(wàn)。泵側(cè)整體的網(wǎng)格和其中葉輪部件的網(wǎng)格情況如圖6所示，不同計(jì)算域的網(wǎng)格數(shù)為：進(jìn)口段19萬(wàn)，葉輪域163萬(wàn)，蝸殼域112萬(wàn)，共計(jì)294萬(wàn)。3數(shù)值計(jì)算結(jié)果和分析3.1水力損失統(tǒng)計(jì)分析通過(guò)CFD數(shù)值計(jì)算，可分別計(jì)算出透平和泵側(cè)各自的水力效率η。對(duì)透平側(cè)和泵側(cè)，各自的外特性性能參數(shù)計(jì)算公式分別如下：透平側(cè)水力效率計(jì)算公式：泵側(cè)水力效率計(jì)算公式：一體機(jī)能量回收效率的計(jì)算公式：式中：扭矩對(duì)于透平側(cè)，內(nèi)部各計(jì)算域的水力損失百分?jǐn)?shù)與透平水力效率之和為100%。蝸殼域和出口管中的水力損失分別按流體介質(zhì)在該域進(jìn)、出口的總壓變化量與透平側(cè)整體的進(jìn)、出口總壓變化量之比來(lái)給定；特別地，對(duì)于包含做功部件的轉(zhuǎn)輪域，其域內(nèi)水力損失還須在此基礎(chǔ)上減去透平的水力效率部分來(lái)確定。對(duì)于泵側(cè)，也是按上述求解原理確定各計(jì)算域內(nèi)的水力損失。圖7(b）為不同水頭下，透平側(cè)內(nèi)各域的水力損失量化分布。透平側(cè)水力損失集中發(fā)生在轉(zhuǎn)輪域；不同水頭下，該域內(nèi)絕對(duì)水力損失為9%～11%，占總損失的約60%，在額定水頭附近最小；蝸殼所占的水力損失其次，隨水頭增加從4%增至6%；出水管中的水力損失占比最小，隨水頭的增大而減小，從3%左右逐漸減至2%。圖8(a）中為數(shù)值計(jì)算預(yù)測(cè)的泵側(cè)水力性能參數(shù)和各部件的水力損失，圖中橫坐標(biāo)為無(wú)量綱流量。隨著泵過(guò)流量從0.6Q圖8(b）為不同流量下，泵側(cè)內(nèi)各域的水力損失分布。低流量工況下，泵側(cè)水力損失集中發(fā)生在葉輪和蝸殼域內(nèi)。葉輪域的流量-水力損失曲線呈倒拋物線形，隨流量升高，域內(nèi)水力損失由0.6Q結(jié)果顯示，在各自的額定工況下，透平側(cè)水力效率η3.2h透平出口管集中布置選取透平側(cè)在0.8H圖9為三個(gè)工況下透平轉(zhuǎn)輪中間截面的流速與流線分布圖。在0.8H在1.2H圖10是0.8H透平的出口管為帶有一定錐度的直錐管，沿流動(dòng)方向過(guò)流面積逐漸增大，能回收部分動(dòng)能，其水力損失在域內(nèi)最小，但也較明顯。由流線圖可見(jiàn)，0.8H3.3q蝸殼域內(nèi)的三維流態(tài)分析選取泵側(cè)在0.6Q圖12為流量不同的三個(gè)工況下泵整體流道內(nèi)的三維流線圖，顏色刻度表征流速的大小。由圖12(a)～(c）可見(jiàn)，流量由0.6Q蝸殼域內(nèi)的三維流線結(jié)果顯示，小流量工況下的流線更為順暢，僅在蝸殼隔舌后的出口管內(nèi)存在低速區(qū)和漩渦流（見(jiàn)圖12(a））。在設(shè)計(jì)流量工況點(diǎn)，蝸殼內(nèi)的流線沿周向相對(duì)分布均勻，但流線形態(tài)在隔舌前后區(qū)域變得復(fù)雜，且出口管內(nèi)流線間的速度差變得更為明顯（見(jiàn)圖12(b））。在大流量工況下的流態(tài)惡化更為明顯。由圖12(c）可見(jiàn)，在1.4Q4透平式能量回收一體機(jī)運(yùn)行工況本文通過(guò)數(shù)值方法對(duì)透平式能量回收一體機(jī)的水力性能參數(shù)與流動(dòng)特性進(jìn)行了計(jì)算分析，并與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證。一體機(jī)在耦合運(yùn)行工況下，數(shù)值計(jì)算的整體效率結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)較吻合。當(dāng)一體機(jī)透平側(cè)工作水頭在(0.8～1.2)H當(dāng)一體機(jī)泵側(cè)的工作流量在(0.6～1.4)Q綜上，在裝置的實(shí)際運(yùn)行中，為保持較高的一體機(jī)整體能量回收效率，須同時(shí)保證透平側(cè)和泵側(cè)的運(yùn)行工況均在各自的最優(yōu)效率工況點(diǎn)附近。后續(xù)研究工作可以針對(duì)透平式能量回收一體機(jī)泵側(cè)、透平側(cè)的耦合