非直接接觸式流體能量回收技術(shù)的節(jié)能機(jī)理

非直接接觸式流體能量回收技術(shù)的節(jié)能機(jī)理

0能量回收技術(shù)隨著世界淡水資源的日益匱乏，海洋凈化業(yè)的發(fā)展是各國的共同趨勢，也是朝陽國家競購的兩類企業(yè)。作為海水淡化主導(dǎo)技術(shù)的反滲透法,已經(jīng)在各個缺水國家達(dá)到了比較廣泛的工程應(yīng)用,并取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。但是系統(tǒng)中的能量回收技術(shù),由于發(fā)展緩慢,在我國還是制約海水淡化成本的一大瓶頸。通常,在反滲透海水淡化(SWRO)系統(tǒng)中反滲透膜的操作壓力為5.8～8.0MPa,從膜器中排放的廢濃鹽水的壓力高達(dá)5.5～6.0MPa。如果按照通常40%的回收率計(jì)算,濃鹽水中約有60%的進(jìn)料壓力能量,具有巨大的回收價值和意義。1swro系統(tǒng)的主要能量回收技術(shù)按照工作原理,流體能量回收技術(shù)主要分為流體非直接接觸式和流體直接接觸式兩大類。1.1機(jī)械能中介式技術(shù)在非直接接觸式流體能量回收裝置中,高低壓流體需要借助葉輪和軸來傳遞能量,即以機(jī)械能作為流體能量傳遞的中間環(huán)節(jié),故又稱為機(jī)械能中介式技術(shù)。能量的轉(zhuǎn)換過程為壓力能—機(jī)械能(軸功)—壓力能。采用流體非直接接觸式技術(shù)的典型裝置類型有逆轉(zhuǎn)泵型(FrancisPump)、佩爾頓型(PeltonWheel)葉輪和水力透平(TurboCharger)等。這種技術(shù)的節(jié)能機(jī)理是在回收高壓流體中的壓力能的同時減少高壓泵的提升壓力差來降低系統(tǒng)的能耗。1.1.1透平透平泵和順軸機(jī)冷壓機(jī)聯(lián)合能量回收裝置在高效循環(huán)技術(shù)中的應(yīng)用逆轉(zhuǎn)泵和佩爾頓葉輪裝置的原理類似,屬于外力驅(qū)動泵式裝置,即其加壓泵由外電機(jī)驅(qū)動,通過軸傳遞的能量為輔助形式。這類裝置可以成為第一類流體非直接接觸式裝置。高壓廢流體驅(qū)動透平中的葉輪,通過傳動軸與泵連接,為新鮮低壓流體加壓,做功后的高壓廢液流體喪失能量后排出。圖1為該類裝置的能量傳遞示意圖。這類能量回收技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是裝置結(jié)構(gòu)簡單,便于操作和維護(hù),設(shè)計(jì)方法成熟,設(shè)備造價一般也不是很高。但由于流體的壓力能是先轉(zhuǎn)化為機(jī)械能后再轉(zhuǎn)化為流體壓力能,中間存在機(jī)械能傳遞,使得能量損耗大,因此這類裝置的能量回收效率都不是很高。對于逆轉(zhuǎn)泵,一般只能達(dá)到30%左右。逆轉(zhuǎn)泵的效率還受到高壓廢流體流量的限制,在流量高于最佳工況10%時,回收效率下降50%;在流量低于最佳工況40%時,則無回收能量的功能,能量回收裝置反為耗能裝置。但由于逆轉(zhuǎn)泵設(shè)計(jì)成熟,成本低,因此在工業(yè)領(lǐng)域有較廣泛的應(yīng)用。由美國太平洋泵業(yè)公司開發(fā)的徑向葉片渦輪液力透平比起逆轉(zhuǎn)泵有較好的效率,在石油化工行業(yè)也有一定的應(yīng)用前景。佩爾頓葉輪機(jī)雖然工作效率受高壓廢流體的壓力和流量的影響較小,旋轉(zhuǎn)部件少,工作也更加安全可靠,效率也相對高一些,但其葉輪設(shè)計(jì)復(fù)雜,機(jī)械加工難度比較大。其工作特性和葉輪形式之間的關(guān)系還有待進(jìn)一步研究,但近年來迅速發(fā)展的計(jì)算幾何、CCD三維緊密測繪技術(shù)以及許多商業(yè)流體力學(xué)模擬軟件的問世,極大地推動了人們對佩爾頓葉輪研究的深入。1.1.2采用高壓流體回收系統(tǒng)水力透平(HydraulicTurbo)的廣泛應(yīng)用是在上世紀(jì)80年代后期,這類裝置可以稱為第二類流體非直接接觸式裝置。圖2為該類裝置的能量傳遞示意圖。這類裝置與逆轉(zhuǎn)泵及佩爾頓葉輪機(jī)型的最大區(qū)別在于其透平葉輪和泵體葉輪安裝在同一殼體中,用高壓濃鹽水直接沖擊透平葉片,通過軸功直接驅(qū)動加壓泵工作,并盡可能減少中間傳動軸的機(jī)械能損失。從高壓流體回收后的能量作為唯一的驅(qū)動力驅(qū)動泵的工作。由于這類裝置集成了泵葉輪和透平,因而可以完全獨(dú)立地工作,脫離了要與高壓泵或電機(jī)軸相聯(lián)的束縛,使得裝置設(shè)計(jì)緊湊,拆裝容易,檢修方便。研究表明,這種裝置對流體壓力、流量的波動適應(yīng)性較好,在較寬的范圍內(nèi)能量回收效率能維持在60%左右,但是在進(jìn)料水處理量低于10m3/h的小流量下工作效率驟降為30%左右,因而非常適合在大流量下工作,規(guī)模效率明顯,小型化困難,而且價格也較昂貴。上述幾種流體非直接接觸式流體壓力能回收技術(shù)在大型反滲透海水淡化裝置中都有很廣泛的應(yīng)用,并有很好的經(jīng)濟(jì)效益,淡化成本明顯降低。如西班牙CanaryIslands海水淡化廠,通過使用水力透平,整套海水淡化系統(tǒng)的能耗成本下降了40%。雖然流體非直接接觸式能量回收裝置技術(shù)比較成熟,但由于原理上的不足,即必須先將壓力能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能后再轉(zhuǎn)化為壓力能,在轉(zhuǎn)化過程中不可避免地存在能量損失,因此在現(xiàn)有基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高效率的空間已經(jīng)非常有限。1.2采用能量轉(zhuǎn)換回收技術(shù)由于機(jī)械能中介式的壓力能回收技術(shù)受到能量多次轉(zhuǎn)換的影響,回收效率的提高受到限制,人們開始研制更高效率的回收裝置。近年來,一種新的壓力能回收技術(shù)——直接接觸正位移技術(shù)得到了非常迅速的發(fā)展,在眾多相關(guān)工業(yè)領(lǐng)域得到了較為廣泛的應(yīng)用。這種技術(shù)的節(jié)能機(jī)理是在產(chǎn)量不變的情況下減少通過高壓泵的流量的方式來降低系統(tǒng)的能耗。它使高低壓流體直接交換壓力能,而不需要機(jī)械輔助裝置,又稱為正位移技術(shù)。能量的轉(zhuǎn)換過程為壓力能—壓力能。如果忽略裝備中的摩擦和泄漏,裝置的效率理論上可以達(dá)到100%,實(shí)際效率亦可達(dá)到80%～90%。正是這種高回收效率,使其成為目前國內(nèi)外許多研究學(xué)者研究、開發(fā)的熱點(diǎn)。按照運(yùn)動部件的類型,這類裝置可分活塞式功交換器(WorkerExchange)和旋轉(zhuǎn)式壓力交換器(PressureExchange)兩種。1.2.1海水淡化系統(tǒng)的功交換器節(jié)能與比較活塞式功交換器(WorkerExchange)自身的結(jié)構(gòu)非常簡單,圖3為其結(jié)構(gòu)原理圖。高壓流體通過活塞為低壓流體加壓,同時活塞還可有效防止高低壓流體的混流,且活塞本身的阻力很小,使通過其傳遞的壓力能損失很小,傳遞效率接近100%。在國外,已經(jīng)有很多大型的海水淡化系統(tǒng)采用這種技術(shù)進(jìn)行能量回收,其最低電耗僅為2.4kWh/m3,相對于國內(nèi)已有的海水淡化系統(tǒng)5～6kWh/m3的電耗,其優(yōu)勢相當(dāng)明顯。以產(chǎn)量1000m3/d,WE98%的轉(zhuǎn)換效率,Turbo60%(2500m3/d流量下)的轉(zhuǎn)換效率計(jì)算,在不考慮其他因素的情況下,分別在沒有能量回收裝置以及采用WE和水力透平進(jìn)行能量回收三種情況下的能耗對比如表1。由表1可見,在相同工況下,采用功交換器的反滲透海水淡化裝置的能耗明顯低于采用水力透平的反滲透海水淡化裝置。這說明前者的工作效率明顯高于后者。由于功交換器必須有兩個以上的功交換器單元配合使用才能保證過程的連續(xù)性,因此功交換器都配合有比較復(fù)雜的液壓控制和換向控制系統(tǒng)。新研發(fā)的LinX控制閥代替了高壓進(jìn)口側(cè)的控制閥原來的8個控制閥,改善了可靠性,減少了維護(hù)需要程序,系統(tǒng)如圖4所示。1.2.2能量回收裝置旋轉(zhuǎn)式壓力交換器(PressureExchange)主要部件是一個無軸的轉(zhuǎn)子,沿軸向開有數(shù)個孔道,高低壓流體在孔道中交換能量,并依靠轉(zhuǎn)子的連續(xù)轉(zhuǎn)動實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的連續(xù)運(yùn)行。由于轉(zhuǎn)子是連續(xù)運(yùn)行,其流量比活塞式的功交換器大。同時,旋轉(zhuǎn)式壓力交換器消除了復(fù)雜的控制閥路以及相關(guān)的同步機(jī)制,而且對介質(zhì)成分的要求不高,如含固體顆粒的物料,因?yàn)殡s質(zhì)會損傷活塞內(nèi)壁而不適用于功交換器中,但完全可以利用旋轉(zhuǎn)式壓力交換器來回收流體能量。因此,旋轉(zhuǎn)式壓力交換器是目前回收效率最高、工況適應(yīng)性最好的能量回收裝置,也是目前研究、開發(fā)的熱點(diǎn)。圖5為壓力交換原理圖。在反滲透海水淡化系統(tǒng)中,從膜具中出來的高壓濃鹽水與低壓進(jìn)料海水在轉(zhuǎn)子的軸向流道中直接接觸傳遞能量,圓柱形陶瓷轉(zhuǎn)子受到高低壓流體的切向沖力在端蓋之間的套筒中自動平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動,從而實(shí)現(xiàn)連續(xù)利用高壓濃鹽水增壓進(jìn)料海水以及利用進(jìn)料海水排放泄壓濃鹽水的過程,而不需要消耗額外動力。轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)動過程中靠少量高壓海水在套筒中形成的靜壓系統(tǒng)來潤滑。圖6給出了使用壓力交換器作為能量回收裝置的反滲透海水淡化系統(tǒng)流程圖。以制淡率40%計(jì)算,即A點(diǎn)進(jìn)流量為100單位(m3/s)海水,從I點(diǎn)生成40單位的淡水,則流程中各點(diǎn)的流量和壓力參數(shù)見表2。由表2可以看出,通過使用PE,從反滲透膜出來的濃鹽水的壓力能絕大部分都傳遞給了與之流量差不多的通過PE的低壓海水,從而能量回收效率比較高。由于高低壓流體在轉(zhuǎn)子流道中是直接接觸交換能量,因此必定存在一定量的摻混。研究表明,由于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速很高(一般為1200～1500r/min),在恒定的流量和轉(zhuǎn)速下,高低壓介質(zhì)的接觸時間非常短,摻混率只有1%～2%,一般不會超過3%。且對轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的提高影響并不明顯。轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速、摻混率、摻混域長度和運(yùn)動速度與高低壓總流量之間的關(guān)系圖見圖7,橫坐標(biāo)為高低壓流量之和。這類裝置以美國ERI公司生產(chǎn)的PX裝置為典型代表。PX目前主要用于反滲透海水淡化系統(tǒng),回收效率一般可以達(dá)到90%以上。目前,國內(nèi)許多反滲透海水淡化工廠都采用PX能量回收裝置,系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,能耗明顯降低,取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益。對于產(chǎn)量規(guī)模大的SWRO系統(tǒng),一般采用多臺裝置并聯(lián)使用。如山東榮成市日產(chǎn)10000t海水淡化示范工程,一級反滲透系統(tǒng)由12套PX構(gòu)成,總能耗為3.54kWh/m3,低于5.5kWh/m3的國家標(biāo)準(zhǔn)能耗值;中油大連石化分公司的日產(chǎn)5000t的大型反滲透海水淡化工廠,一級反滲透系統(tǒng)由6套PX構(gòu)成,總能耗低于5.04kWh/m3。2壓力能回收裝置的現(xiàn)狀SWRO系統(tǒng)中的流體能量回收利用技術(shù)有著良好的前景。表3總結(jié)了各種流體能量回收技術(shù)裝置的性能和狀況,從中可以看出,采用正位移原理技術(shù)的裝置效率大大地高于機(jī)械能中介式的裝置,且結(jié)構(gòu)簡單,操作方便,能在短期內(nèi)收回投資,已經(jīng)逐漸成為海水淡化行業(yè)中新的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。特別是旋轉(zhuǎn)式壓力交換器是目前效率最高、效果最好的壓力