膜法海水淡化加压与能量回收一体化装置设计说明书.doc

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1、 膜法海水淡化加压与能量回收一体化装置主要内容简介本装置是基于如下现实,即膜法海水淡化能量回收装置经过几十年的发展,由水力透平机方式向功交换式发展,回收效率已经由60%提升到95%以上,且核心技术已基本为国外企业所控制。如果系统没有结构性的改变,能量回收装置的成本降低和效率提高已经接近顶点,其差异性仅3-5%。因此,将高压泵、增压泵和能量回收装置作为一个整体系统来考量,能提高整个系统的效率5-15%,降低系统总造价30%以上,是我国膜法海水淡化技术自主创新,赶超国际先进水平的关键和发展方向。本方案是要研发和制造出一种自主创新、自主制造的低成本、高效和高可靠性的反渗透膜法海水淡化系统中集成高压与

2、增压泵功能的高效能量回收装置SM-2500,即单台机组日产水2500吨,建立相应的测试平台,对该机组进行调试和不断改进与优化,以达到工业化应用的标准;并以该机组为单元,设计出日产10000吨淡水的系统解决方案。本方案将通过一对海水活塞缸同时完成高压海水泵、增压泵及能量回收装置的三大功能,采用液压驱动来补充海水淡化所需能量,采用液-液交换实现压力能的回收。该方案的关键创新点在于,用液压加压技术(泵效90%)替代离心加压技术(泵效80%),并和能量回收装置共用缸体设备,由此带来整体能效的提高和成本的降低。本集成加压功能的高效能量回收装置,装置与目前国外最先进的高压海水泵+压力交换能量回收装置+增压

3、泵的海水淡化系统相比,具有如下特点: 1、加压及能量回收系统的成本降低20%以上,日产2500吨水的设备价格低于200万元。 2、海水反渗透单元的电耗降低10%以上,达到吨水电耗2.0-2.5kwh,达到或超过国际先进水平。 3、系统可靠性提高,维修成本低。 4、系统适应性强,负荷调节灵活。由此可带来两大优势,一是该系统能和风能、太阳能等不稳定的能源供应相结合;二是可降低白天负荷,大量使用夜间低谷电,调节整个电网运行效率。 用海水淡化中淡水储存来吸收不稳定的风能、太阳能等新能源或者调节电网负荷,不但能大幅度降低海水淡化的用电成本,提高整个电网运行的能源使用效率,还能促进新能源技术的应用。 该方

4、案目前已申报了中国实用新型、发明专利及国际PCT发明专利,已完成日产1000吨淡水样机SM-1000的试制,并已投入北京中关村海水淡化示范工程中使用。该自主创新技术的研发成功和产业化,将打破国外对海水淡化核心技术的垄断,降低海水淡化的成本,有效解决我国北方淡水资源供给难题,可为我国经济持续发展助一臂之力。二、与本课题相关的工作基础2.1 北京赛诺水务科技公司: 是一家专业从事水处理的高科技企业,多年来,在我国海水淡化、污水处理等领域,承担了大量工程项目,在系统集成、工程承包、海水淡化厂的建设方面案列众多,经验丰富。 北京赛诺水务科技有限公司科技有限公司引领了中国海水淡化工程技术的发展。 201

5、1年底,北京市正式启动了“中关村新能源海水淡化技术创新示范项目”,北京赛诺水务科技有限公司作为此示范项目的总负责方,组织实施此海淡示范项目的实施。 2012年,北京市正式成立了“中关村新能源海水淡化产业技术创新联盟”,北京赛诺水务科技有限公司得到市政府和联盟中各成员单位的认可,成为联盟的秘书长单位,负责联盟的日常工作。 2012年9月,北京赛诺水务科技有限公司负责,在北京生产基地建立了一套海水淡化加压和能量回收一体化装置及海水反渗透膜装置的测试系统,采取循环运行的方式,可以对已经开发生产出的海水淡化加压和能量回收一体化装置、双相不锈钢材料、海水反渗透膜及装置、海水泵、海水及淡水的存储设备等核心

6、国产化设备及材料进行工业化的应用试验和测试。 北京赛美环能科技有限公司已经完成了海水淡化的关键设备之一:“海水加压和能量回收一体化装置”的研发、设计和制造,第一台样机已完成生产测试;第一台1000t/d工业化应用测试装置SM-1000型已完成生产制造,于2012年10月进入到系统测试阶段。 北京赛诺水务科技有限公司在提供海水淡化系统解决方案并开展工程服务方面具有丰富的经验和业绩: 是中国唯一一家既有丰富的膜法海水淡化工程经验,又有热法海水淡化工程业绩的公司; 在中国建立了第一个千吨级(1998年大连长海县)、第一个万吨级(2005年华能玉环发电厂)、第一个采用PX220高效能量回收装置(200

7、3年中石油大连石化)、第一个采用UF做大规模海水预处理(华能玉环)等示范性的海水淡化项目;2.2 北京赛美环能科技公司: 是一家专业从事节能技术开发的高科技公司,特别是在流体能量回收技术领域进行了多年的探索研究,对机械技术、液压技术、控制技术和软件开发技术积累了丰富的经验。 2012年7月,赛美环能科技研发出自主知识产权的集成高压与增压技术的高效能量回收装置的功能样机SM-1000,即单台日产1000吨淡水的机组。自主制造出采用双向不锈钢的高压水缸组,单向阀、液压泵站、液压缸组、液压控制阀组和水控制阀以及系统控制器,并自主开发出相应的控制软件,实现了高压加压、增压功能和能量回收功能,验证了该技

8、术方案的原理和功能的可行性,并于7月中旬,接受了北京市领导和市科委、中关村领导的现场考察。 2012年10月,北京赛美环能科技在功能样机的基础上,进一步研发出SM-1000的工程样机,大大降低了系统冲击和振动。样机实物照片如下图: 2012年8-11月,赛诺水务与北京赛美环能科技共同研制成功SM-1000日产1000吨淡水的海水淡化实验示范系统,系统正在调试过程中,已经取得了大量实验数据和相关的工程实践经验。 该系统配备的反渗透膜组如下图所示: 该系统经过初步调试,已经能够顺利产水,该集成加压功能的能量回收系统成本低于100万元,电功率设计为95.5kw,(主泵90KW,副泵5.5KW)相当于

9、吨水电耗约2.3kwh。 赛诺水务长期从事海水淡化处理方面的工作,先后承担了包括浙江玉环电厂一期2万吨膜法海水淡化项目等多个海淡工程,具有丰富的海水淡化系统工程的设计、集成和调试经验。 三、技术方案3.1 背景和依据海水淡化是解决全球淡水资源匮乏的一种方法。我国北方缺水现象严重,对经济发展形成严重制约。海水淡化常用的有热法和膜法两种。其中膜法逐步成为主流。该技术包含三大核心部件:反渗透膜、高压泵和能量回收装置。高压泵将原海水压力提升到5-7Mpa,使其中40%左右的淡水透过反渗透膜,而余下的60%左右的浓盐水仍然具有6Mpa左右的压力势能,需要通过能量回收系统将其传递到原海水中,以减少总的能量

10、消耗。当前国内海水淡化存在两大瓶颈,一是核心技术和设备基本依赖进口,初始投资成本高昂;二是海水淡化的能耗高,平均每吨水电耗达3.5-5度电,综合淡化水成本在5-8元/吨,如何自主创新、自主制造高压泵与能量回收装置,将其国产化,降低投资成本与能耗,是该技术的关键。 今年以来,国家把海水淡化提升为国家战略,出台了一系列政策加以扶持,根据十二五规划,未来5年,我国将增加至少200万吨淡水/日的产能,所需该设备的市场价值达到百亿元,其中70%必须是国产设备。最近,科技部和国家发改委联合发布了海水淡化科技专项规划,把膜法海水淡化中的高压泵、能量回收装置作为研发和产业化重点。3.1.1 膜法海水淡化原理海

11、水淡化是解决全球淡水资源匮乏的一种方法,常用的有热法和膜法两种。其中,采用反渗透膜的膜法海水淡化技术因其成本低、耗能少而得到广泛应用,并逐步成为主流。该技术包含三大核心部件:反渗透膜、高压泵和能量回收装置。高压泵将原海水压力提升到5-7Mpa,使其中40%左右的淡水透过反渗透膜,而余下的60%左右的浓盐水仍然具有4-6Mpa左右的压力势能,需要通过能量回收系统将其传递到原海水中,以减少总的能量消耗。3.1.2 海水淡化厂主要设备 下图为上世纪末建设的国外两个典型的海水淡化厂的图片:1)沙特阿拉伯,15万吨/日海水淡化厂2)西班牙,巴塞卢拉25万吨/日海水淡化厂:图片中的黄色部件即为采用美国ER

12、I公司生产的PX系列能量回收装置3.1.3膜法海水淡化的成本分析我国水资源的成本在南北方差别较大,在北京,主要通过地表水和开采地下水来供给工业与民用,由于城市的快速扩张,缺水严重,地表水有限,故不得不过量开采地下水,导致地下水位的逐年下降,带来气候、环境及地面沉降等一系列问题。地下水的开采成本,如果不计水资源的费用,大约在3-4元之间。为解决北京及北方水资源匮乏的问题,国家建设了投资巨大的南水北调工程,估计南水北调到北京的吨水成本在8-10元。而海水淡化的吨水成本如能控制在6-8元之间,则对北京而言,就具有了市场竞争力。因此,海水淡化技术发展的一个重要目标,是降低吨水成本,包括设备投资成本和运

13、行成本,根据国内外海水淡化工程的统计分析,膜法海水淡化法的吨水总成本中,营运成本约占57%,建设成本约占43%。如下图所示:A、建设成本分析在建设成本中,主要包括如下几个方面:1、土建工程:20%,包括厂房建设,取水工程,供电工程等2、预处理工程:15%,包括蓄水池、沉淀池、灭活、初滤、超滤等系统3、膜工程:25%,反渗透膜组4、机电工程:40%,包括高压泵组,增压泵组,能量回收装置,控制阀及管道工程等。其中,能量回收装置的投资成本占总投资成本的10-15%,高压泵及增压泵投资成本占总投资成本的15-20%,二者之和约占设备成本的1/3以上。B、营运成本分析营运成本因各国的具体国情不同而不同。

14、比如人工费用,中国相对较低。电费,各国也不相同,我国的电力价格又相对较高。美国的电价在每度电6-8美分,相当于人民币0.4-0.55元,而我国工业用电的价格平均在0.8元以上。但低谷电价仅为0.35元左右。下图仅为国外统计平均的结果,仅作为参考:由图可见,电能消耗占营运成本的41%,在我国,占比可能还要高一些。在海水淡化厂中,反渗透膜技术所消耗的电能(主要是提升泵、高压泵/增压泵的电耗)则占总电耗的2/3以上,其余1/3则是由预处理、照明等辅助设施所消耗的。目前该法所产淡水的吨耗总电量在3-4kwh,如果以平均每度电0.5元计算,电费为2-2.5元,其中,反渗透部分的平均电耗在2.5-3.2k

15、wh之间。如图所示,海水淡化吨水成本中,有将近一半是电费。而在现有膜技术水平下,膜的工作压力设定在6Mpa,吨水理论能耗Emgh6MJ1.67kwh,也就是说,现在投入运行的国际上较为先进的反渗透系统,吨水电耗为2.8kwh以上, 则总效率仅有55-60%。 如果能让电机效率达到90%、高压水泵效率80%、增压泵效率78%,能量回收效率92%,管道及阀及膜组的阻力损失95%的设备效能水平下,总效率能达到65%的话,则吨水耗电量应当在2.6kwh左右,如果系统的综合效率能达到70%,则吨水耗电量降到2.4kwh,和目前的2.8kwh相比,尚有20%左右的节能空间。下图为过去30年间,全球反渗透技

16、术进步带来的能耗降低的结果:通过以上分析,可以得出如下结论:1)膜法海水淡化技术的关键问题是降低成本,包括投资成本和营运成本2)降低机电设备,即高压泵和能量回收设备的成本可以降低投资成本3)降低高压泵及增压泵的电耗,提高能量回收系统的效率,对降低营运成本影响显著。3.1.4 国外进展情况自70年代以来,随着反渗透海水淡化技术的广泛应用,各种形式的能量回收装置也相继出现。 目前海水淡化用的能量回收装置,有两种:一种是基于水力透平机原理,高压浓盐水推动透平机旋转,进而将原海水加压,无需配流控制,无需增压泵,流量稳定连续;但需要进行浓海水压力势能-轴转动机械能-原海水压力势能的两次转换,回收效率偏低

17、,比如瑞士Calder AG公司的Pelton Wheel透平机和Pump Ginard公司的Francis透平机,一般只能达到50%-70%,已逐步被淘汰。上世纪末,该技术经过一系列的优化和改进,出现了一些独特的设计,其中最具代表性的有丹麦Grundfos公司生产的BMET透平直驱泵和美国PEI公司生产的Hydraulic Turbocharger,两者均是透平与高压泵一体化设计,一根轴连接两个叶轮,全部封装在一个壳体中,浓盐水流过叶轮时冲击叶轮带动叶轮旋转,从而驱动透平轴旋转,直接带动高压泵工作,以减少电动机的功耗,效率可提高5-10%,达到65%-80%,但依然较低。BMET及Turbo

18、charger的结构组成如下图所示:另一种是上世纪80年代出现的基于功交换原理,也可以说是压力交换原理的能量回收技术,即在圆柱形缸体中,通过配流机构,高压浓盐水直接将压力势能传递给原海水中,其传递效率很高,能量回收效率可达95%以上。根据其配流方式不同又可细分为固定缸体有活塞的阀配流结构和旋转缸体端面配流无活塞结构。1)旋转缸体端面配流无活塞结构:以美国ERI公司的PX系列转子式压力交换能量回收装置为代表原理是高压浓盐水推动圆周开有多个纵向沟槽(类似于多个微型液压缸的无轴陶瓷转子旋转。结构简单但会有2-5%的掺混,需要独立的增压泵,会降低总体效率;其设计难度和制造难度都比较高,特别是如何在不同

19、环境参数下的广谱适应性。如下图所示:2)固定缸体有活塞的阀配流结构:其原理是,两个或以上的大直径液压缸,其中一个液缸中,高压浓盐水推动活塞将能量传递给低压原海水向外排液,另一个液缸中提升泵压入低压原海水补液并排出低压浓盐水,两液缸在PLC和水换向阀的控制下,交替补排海水,实现把浓水能量传递给原海水能量的回收过程。控制机构较复杂,可以无需再设置增压泵,效率可更高。其中以瑞士Calder AG公司的 Dweer 双功交换能量回收装置、德国KSB公司的SalTec DT压力交换器,德国Siemag Transplan公司的PES压力交换系统及Ionics公司的DYPREX等压力交换器,Aqualyn

20、g阿科凌公司的塔式能量回收装置Recuperator等。特别是采用重叠技术Overlap技术的LinX 阀控技术实现稳定流量的方法得到实用化进展。国内外的相关专利都基于以上几种技术解决方案。下图为国外能量回收装置的发展状况图:下图为各种能量回收系统的性能及结构特征的对比:3.1.5 国内进展情况我国膜法海水淡化技术及其应用相对较晚,自上世纪90年代才开始起步,具体应用情况如下图所示:由表可见,我国海水淡化能量回收装置基本依赖进口但我国科技工作者并未观望,而在不断消化吸收国外技术的基础上,不断探索新的技术方案,并在实验室进行了大量研究探索,有的还在实际工程中进行了模拟运行,取得了大量经验和运行数

21、据,为下阶段的自主创新打下了良好的基础。国内从事海水淡化能量回收装置研究的单位有:中科院广州能源所,天津大学,杭州水处理中心和天津海水淡化研究所等四家单位,研发方向均为双液压缸功交换式能量回收装置,但也各有特色:广州能源所研发的试验样机为带活塞杆的双液压缸功交换式能量回收装置,专利号为200510035328.8,使用电磁阀进行高低压水的切换,并用蓄能器稳定压力,实验表明,稳定压力的效果不错。天津大学的双液压缸功交换式能量回收装置,使用多个气动阀进行高低压水的切换,由PLC控制阀门的动作,在1000M3/天的反渗透海水淡化试验台上进行了实验,取得了一定的成功,并申请了专利,专利号2005100

22、14295.9杭州水处理中心设计的液压缸功交换式能量回收装置,两台液压缸通过活塞杆定位,并固定在一条直线上,该装置也申请了发明专利,专利号200510050117.1.2010年,该所承担浙江省科技项目、国家科技支撑计划项目中,做了进一步的提高,采用三支自由活塞压力交换单元和水压控制插装阀结构,有效解决了液压缸方式固有的压力和流量波动以及高低压浓盐水之间的串流问题,HVCPX-1000的能量回收效率高达96%。该单位目前正在开发一种基于旋转缸体端面配流结构的能量回收装置,也取得了很大进展。天津海水淡化研究所自主研发出一台具备升压功能的差动式反渗透能量回收装置,流量可达18M3/d,在反渗透海水

23、淡化试验台上进行了系统实验,通过168H的不间断运行测试表明,装置运行稳定,有效能量回收效率90%,压力波动0.2Mpa,已申请发明专利一项,实用新型专利两项,专利号分别为201010122952.2,201020129553,201020129553.4. 该技术方案的一个显著特点是,系统无需设置增压泵,减少了管道连接和系统造价。下图为该所专利的附图结论:膜法海水淡化能量回收装置经过几十年的发展,已经由水力透平机方式向功交换式发展,回收效率由60%提升到90%以上,在结构上,采用差动式或者串联式省去增压泵,进一步简化系统,提高效率成为新的发展趋势。但也应该看到,如果系统没有结构性的改变,能量

24、回收装置的成本降低和效率提高已经接近顶点,其差异仅几个百分点。3.1.6 高压泵技术目前海水淡化用的高压泵有两种,一种是活塞式,采用曲柄连杆机构将电机转动的动力转换为活塞在圆柱形缸体内的直线运动,给海水加压;该结构效率较高,泵效可达80%以上,但流量不够稳定,压力波动明显,采用阀控,受限于曲柄连杆的长度导致换向频率高,振动、噪声大,控制阀与密封件的故障率较高,只适合于中小流量。中小排量的高压泵都是从高压清洗机演变而来,小泵泵速高达500-600rpm,导致噪声偏高,有的高达100Db,远超过国家标准95Db。另一种是离心式水泵,通过多级转子旋转产生的离心力来提升水压,流量大而稳定,无需阀控,但

25、效率较低,泵效通常低于80%,平均在75%左右。海水淡化中高压泵的主要生产厂家有Wheatley Gaso公司的三柱塞泵T600-7和五柱塞泵Q7600LAplex,美国,柱塞泵ROUnion Pump,多级离心泵Cat Pumps,三柱塞泵152R100Groundfos,丹麦,高压增压组合泵BME, BMETDP Pump,多级离心泵Afton Pumps,多级离心泵KSB,多级离心泵Sulzer,多级离心泵由于海水的强腐蚀性和低粘度特征,两种泵的支撑及过流部件均需要高品质的耐腐蚀耐磨材料,如铜合金、双相钢甚至陶瓷材料,造价都非常高。在某海水淡化工程中我国购买的进口高压泵,110M3/h,

26、价格高达100万人民币,当量于10万/吨产水量/日。3.2关键技术、技术路线鉴于以上分析,膜法海水淡化反渗透系统中,国际上现有能量回收技术效率已经达到很高的水平,国内研发的重点是如何把国外的技术进行引进消化和再创新,而主要发展方向是如何进一步降低成本,提高使用寿命等工程制造方面的研究和优化。本方案则是从系统学的观点,研究如何来提高包括高压泵、增压泵和能量回收的整个反渗透机电系统的效率。如前所述,该系统的综合效率还不到55%,如果能找到一种方法,将系统的综合效率提高15%到70%以上,则总的电耗还可以降低20%,达到吨水电耗2.2-2.5kwh,这将使反渗透膜法海水淡化技术的大幅度提升,为大规模

27、市场化推广应用打下基础。因此,必须引入一种新的技术解决方案,该方案的升压和增压效率要高于现有离心泵或者柱塞泵,并且应当和能量回收技术完美的结合。3.2.1 技术原理本技术方案提供一种低成本、高效和高可靠性的反渗透膜法海水淡化加压与增压一体化的能量回收装置。本方案装置是由两个单出轴的液压缸、两个单出轴的海水缸、四个海水单向阀、一个进程液压动力单元和进程控制阀、一个回程液压动力单元和回程控制阀、一个海水能量回收控制阀、一个水压蓄能器,一个系统控制器所组成;通过一对海水活塞缸同时完成高压海水泵、能量回收及增压装置的三大功能,采用液压驱动来补充海水淡化所需能量,采用液-液交换实现压力能的回收。其系统工

28、作原理如下图所示: 膜法海水淡化加压与能量回收一体化技术方法,由单出杆活塞式海水缸的活塞杆与单出杆活塞式液压缸相连接,组成两个或两个以上交替运行的工作联合体;液压缸活塞杆相对液压缸缸体伸出时为进程,缩回时为回程;在液压缸驱动海水缸往返运动的过程中,海水缸的一活塞腔在进程时接入从反渗透膜组输出的高压浓盐水,在回程时排出;海水缸的另一活塞腔在回程时吸入原海水,在进程时对原海水加压输出;由此,通过液压缸高压液压驱动力和高压浓盐水的压力相互叠加对原海水进行加压,并将加压后的高压原海水通过水压蓄能器和/或恒流量控制连续稳定地输出给反渗透膜组。 在本方案的一较佳实施方式中,所述海水缸与液压缸的连接方式为,

29、海水缸的活塞杆与液压缸的活塞杆相连接;或为海水缸的活塞杆与液压缸的缸体相连接,如将液压缸嵌入海水缸的活塞中。 根据上述方法,本方案提出一种膜法海水淡化加压与能量回收一体化装置,所述加压与能量回收一体化装置包括有第一液压缸、第二液压缸和第一海水缸、第二海水缸,所述第一液压缸、第二液压缸、第一海水缸、第二海水缸均为单出杆活塞缸;所述第一液压缸与第一海水缸的活塞杆相连接,构成第一工作联合体;所述第二液压缸与第二海水缸的活塞杆相连接,构成第二工作联合体;所述第一液压缸和第二液压缸的无杆腔通过一进程方向控制阀连接于一进程液压动力单元;所述第一液压缸和第二液压缸的有杆腔通过一回程方向控制阀连接于一回程液压

30、动力单元;所述第一海水缸和第二海水缸的有杆腔通过一能量回收方向控制阀连接于高压浓盐水管路或低压浓盐水管路;所述第一海水缸和第二海水缸的无杆腔分别通过止入单向阀连接于高压原海水管路,又分别通过一止出单向阀连接于原海水管路;在高压原海水管路中设有水压蓄能器;所述加压与能量回收一体化装置还包括系统控制单元,该系统控制单元至少由控制器、设置在液压回路中的液压压力传感器和设置在高压原海水管路中的水压压力传感器、以及设置在活塞杆往返行程中的多个活塞位置传感器组成;该控制单元根据系统负荷要求、活塞杆位置传感器给出的位置信号和各压力传感器信号来控制进程方向控制阀、回程方向控制阀以及能量回收方向控制阀的切换与协

31、调;进程方向控制阀与回程方向控制阀联合协调动作,以控制第一工作联合体和第二工作联合体处于液压缸活塞杆相对缸体向外伸出的进程和液压缸活塞杆相对缸体向内缩回的回程的交叉和交替运动状态;能量回收方向控制阀控制处于进程的海水缸能量回收腔与高压浓盐水管路接通,处于回程的海水缸能量回收腔与低压浓盐水管路接通;由控制器控制进程液压动力单元与回程液压动力单元输出的压力和流量,从而实现给定的淡水制水量。 在海水淡化系统中,经过预处理的含盐量较低的进入淡化系统的海水为原海水,经过加压后形成高压原海水,一部分经过反渗透膜组后成为低压淡水,余下的则成为高压浓盐水,经过能量回收释放压力能后成为低压浓盐水被排出。 两个单

32、出轴的液压缸1和2,均由缸体、活塞及活塞杆所组成,每个液压缸由活塞分割成为无活塞杆的进程腔与有活塞杆的回程腔,进程腔通过进程控制阀接进程液压动力单元,回程腔通过回程控制阀接入回程液压动力单元; 两个单出轴的海水活塞缸3和4,均由缸体、活塞及活塞杆所组成,每个海水缸由活塞分割成为无活塞杆的加压腔与有活塞杆的能量回收腔,能量回收腔的截面面积与加压腔的截面面积之比1-k,k为海水淡化反渗透膜系统的淡水回收率,在当前的反渗透膜技术水平下,k约为30-50%;每个加压腔通过两个单向阀分别接低压和高压原海水,其中一个实现从低压原海水供水管路到加压腔的单向导通,另一个实现从加压腔到反渗透膜组的高压原海水管路

33、的单向导通;能量回收腔通过能量回收控制阀接高压或低压浓盐水; 液压缸1的活塞杆与海水活塞缸3的活塞杆通过连接器连接构成联合体A,液压缸2的活塞杆与海水活塞缸4的活塞杆通过连接器连接构成联合体B; 液压缸进程腔的截面面积与海水缸加压腔截面面积之比ko x k x Ps/Ph,其中,Ps为满足反渗透膜正常工作所需的压力,Ph为液压动力单元的输出油压,ko为一个略大于1的比例系数,以弥补系统中的各种压力损失、摩擦阻力损失和泄漏等因素造成的能耗; 进程控制阀、回程控制阀联合动作,控制联合体A和B处于液压缸活塞杆向外伸出的进程和液压缸活塞杆向内缩回的回程的交叉和交替运动状态;能量回收控制阀控制处于进程的

34、海水缸能量回收腔与高压浓盐水接通,处于回程的海水缸能量回收腔与系统浓盐水排放口接通; 水压蓄能器,接入通往反渗透膜组的高压原海水管路中,减少进入反渗透膜组的海水压力及流量的波动;该水压蓄能器优选为抗海水腐蚀的皮囊式蓄能器。 系统控制单元ECU,由控制器,液压及水压压力传感器、活塞位置传感器等所组成,该控制单元根据系统负荷要求、活塞杆位置传感器给出的位置信号和各压力传感器信号来控制进程控制阀、回程控制阀以及能量回收控制阀的切换与协调,以及控制进程与回程液压动力单元输出的压力与流量从而实现给定的淡水制水量。 所述液压缸带有机械或电控缓冲装置,以减少换向时的冲击。 所述海水缸是由缸体、活塞及活塞杆是

35、由耐海水腐蚀的材料制成,缸体优选为双相不锈钢、玻璃钢复合材料管材等,活塞及活塞杆则优选为双向不锈钢、耐腐蚀的铜合金材料等。 所述进程液压动力单元由原动机、高压液压泵和辅助装置所组成,给液压缸提供高压液压动力油源,驱动活塞杆作向外伸出的进程运动;进程液压动力单元的原动机可以是电动机、内燃机,也可以是其他形式的动力装置; 所述进程控制阀是一个二位或三位四通电磁或电液控制液压方向阀,阀的P口和T口分别接进程液压动力单元输出油口和回油口,A口和B口分别接两个液压缸的进程腔,驱动两液压缸交叉进入进程状态;该阀可以是滑阀,旋转阀,也可以是由多个插装阀构成的逻辑控制阀组;该阀还可带换向缓冲调节功能和中位过渡

36、机能,以减少换向冲击和流量波动。 所述回程液压动力单元由原动机、低压液压泵和辅助装置所组成;给液压缸提供低压液压动力油源,驱动活塞杆作向内缩回的回程运动;回程液压动力单元的原动机可以是电动机、内燃机,也可以是其他形式的动力装置,甚至可以和进程液压动力单元的原动机共享; 所述回程控制阀是一个二位或三位四通电磁或电液控制的液压方向阀,阀的P口和T口分别接回程液压动力单元输出油口和回油口,A口和B口分别接两个液压缸的回程腔,驱动两液压缸交叉进入回程状态;该阀可以是滑阀,旋转阀,也可以是由多个插装阀构成的逻辑控制阀组;该阀还可带缓冲调节功能和中位过渡机能,以减少换向冲击和流量波动。 所述液压动力单元中

37、的辅助装置包括液压油箱、冷却器、过滤器、可调压力的电控溢流阀、液压蓄能器、压力传感器/压力表、温度传感器/温度表、液位传感器/液位指示表、链接管路和阀门等; 所述能量回收控制阀是一个二位或三位四通由电磁或电液控制和驱动的海水分配阀,阀的P口和T口分别接反渗透膜组输出的高压浓盐水口和系统浓盐水排放口,A口和B口分别接两个海水缸的能量回收腔,该阀控制处于进程的海水缸能量回收腔与高压浓盐水接通,处于回程的海水缸能量回收腔与系统浓盐水排放口接通;该阀可以是由电机或者液压缸驱动的滑阀,旋转阀,也可以是由多个插装阀构成的逻辑阀组;该阀还可带缓冲调节功能和中位过渡机能,以减少换向冲击和流量波动。 所述系统控

38、制单元由电子控制装置、压力传感器、位置传感器等构成,其工作原理如下: 系统控制单元根据系统负荷需求调节进程液压动力单元的输出压力和流量,输出的高压液压油通过进程控制阀进入联合体A中液压油缸的进程腔,进程液压缸活塞杆向海水缸的活塞杆及活塞施压;同时,高压浓盐水通过能量回收控制阀进入联合体A海水缸的能量回收腔,也向海水缸活塞施压,高压液压驱动力和高压浓盐水的压力相叠加后一同驱动联合体A的海水缸活塞移动,将海水缸加压腔中的低压原海水升压,通过单向阀挤入高压原海水回路,进入反渗透膜组;在此过程中,联合体A完成将低压原海水加压的高压泵作用和将高压浓盐水中的能量回收的作用; 与此同时,回程液压动力单元输出

39、的低压液压油通过回程控制阀进入联合体B中液压缸的回油腔,由系统控制单元调节回程液压动力单元的压力和流量,驱动联合体B液压缸活塞快速回位,在排出液压缸进程腔内已经做功后的液压油的同时,带动联合体B海水缸的活塞移动,使加压腔通过单向阀吸入原海水,能量回收腔通过能量回收控制阀排出已经做功后的浓盐水,并在联合体A中液压缸活塞到达工作终点前即已回到联合体B液压缸的起点,然后由系统控制单元发出指令使回程控制阀、进程控制阀以及能量回收控制阀开始切换,实现联合体A和联合体B的工作机制互换,由此循环往复,完成海水淡化中的加压与能量回收的工作。 由于在切换过程中,系统处于失压状态,导致进入反渗透膜组的高压原海水的

40、流量及压力的大幅波动,容易对管道和模组造成疲劳损坏,虽然通过水压蓄能器可将压力波动控制在一定幅度内,本发明中还通过设置各阀的中位过渡机能和系统控制单元中的恒流量控制模式进一步降低高压原海水的流量压力波动: 在该系统中的进程控制阀、回程控制阀及能量回收控制阀均设置中位过渡机能,并通过调节回程控制动力系统使得液压缸的回程速度高于进程速度,这样,进程控制阀在切换过程中可将高压液压油同时配送给联合体A和B的液压缸进程腔,并使得进入联合体A进程腔的流量逐步减少,联合体B进程腔的流量则逐步增加,能量回收控制阀使得进入联合体A的能量回收缸的高压浓盐水流量逐步减少,进入联合体B的能量回收缸的高压浓盐水流量则逐

41、步增加,这样就使得在联合体A的海水加压缸流出的高压原海水流量逐步减少的同时,联合体B海水加压缸输出的高压原海水流量则逐步增加,联合体A和B的加压腔流出的高压原海水流量之和为常量,实现高压原海水的连续稳定输出给反渗透膜组;在联合体A的液压缸的工作行程到达终点时,由系统控制单元发出指令使回程控制阀、进程控制阀和能量回收控制阀完成切换。由此循环往复,完成海水淡化中的恒流量加压与能量回收的工作。 3.2.2方案有益效果分析 本方案与目前最先进的高压海水泵+压力交换能量回收装置+增压泵的海水淡化系统相比,在结构上可以看作是保留了压力交换能量回收装置中的水缸,且让其同时承担全部原海水的加压工作,用高压液压

42、泵+液压缸的液压系统替代高压海水泵+海水增压泵的系统。 由此产生的有益效果是:1、 系统成本大幅度降低: 液压系统所用的高压泵、油缸、控制阀等,均是由钢或铸铁制成,且已经是大批量工业化生产的成熟产品,价格低廉。一台为日产1000吨淡水配套的高压液压泵的价格,国产为3万元以内,进口德国的也就是6万元以内,而高压海水泵则需要使用既耐腐蚀又耐磨的贵重金属,如双相不锈钢、铝青铜、陶瓷材料等,加工难度大,材料价格高。一台为日产1000吨淡水配套的高压海水泵,其价格起码在60万元以上,有的报价甚至高达100万元。同等功率的传统高压海水泵系统是本液压加压系统成本的数倍;同时,由于加压与能量回收功能的高度集成

43、,节省了传统系统中大量的连接管道和阀门,管道工程和材料成本也大为降低;同时也节省了占地面积,减少包括厂房在内的基础设施建设成本。 以我们已经完成的工程样机SM-1000的成本来对比分析: 1)液压泵组:8万元(含两台电机90Kw+5.5kw, 液压柱塞泵两台) 2)控制阀组:5万元(4个单向阀,一个水方向阀,一个液压控制阀块) 3)液压缸组:2万元 4)双向不锈钢水缸组:33万元 5)电控系统:电控柜+控制系统软硬件5万元 6)水压蓄能器:1个,2万元 7)液压油箱/连接管路/支撑结构等辅助装置:5万元 小计:约60万元/台而同等产水量的传统高压泵+增压泵+能量回收系统的设备造价在120万元以

44、上,是本方案所提供的系统价格的2倍以上。2、 系统效率得到10%的提升: 如前所述,本方案的系统中,能量回收系统与先进的阀控活塞式压力交换系统原理是一样的,效率也相同,可达95%以上;但在高压泵部分,目前驱动电机的效率在90-92%,高压海水泵和增压泵的泵效在80%左右,阀门及管路系统效率98%,系统综合效率仅为0.9x0.8x0.98x0.9565%,吨水电耗在2.7-3.0kwh之间; 在本方案的系统中,电机效率不变,为90-92%,高压液压泵如高压轴向柱塞泵的泵效则在90%以上,液压缸的效率通常为98%,由于海水缸两腔内的压力基本平衡,海水加压及能量回收过程的容积效率和机械效率都很高,也

45、在98%左右,阀控、及液压油路系统的压力损失(2-3%),系统总效率可达70%以上,吨水电耗在2.4-2.6kwh,至少能达到国际先进水平,甚至还可降低电耗10-15%,即降低运营成本。3、 系统可靠性提高: 本方案中省去了故障率较高、寿命较短的高压海水泵,而液压系统则相对比较成熟,故障率低,在负荷相对平稳的海水淡化系统中,寿命也会比较长。如本系统和效率相对较高的柱塞式高压海水泵系统相比,由于机械式柱塞泵流量波动明显,且活塞的行程有限,为了获得较大的海水流量,就必须使活塞高速往复运动,300-500rpm,导致水压冲击、振动和噪声都比较大,运动部件磨损快,阀组及密封部件容易失效等。相比之下,本

46、系统的高压海水缸行程长,往复频率可降低到柱塞泵的十几分之一,加上水压蓄能器的稳压和特殊的过渡过程控制,使高压海水的流量接近常量,冲击振动要小得多,自然其故障率减少,系统本身的使用寿命增加,模组的寿命也相应增加。更为重要的是,由于液压系统所特有的安全保护和缓冲机制,可以保护包括膜组在内的整个系统免受误操作等意外事件造成高压冲击引起的破坏。4、 维修成本低: 高压海水泵的泵体泵芯在海水的腐蚀冲刷磨损之后,只能更换,而液压泵的泵芯则可以修复;其次,在结构设计中,考虑了高压缸和水缸的密封件作为易损件的更换便利性,在对膜组定期进行反冲洗的时候,就可进行系统的维护,使维修成本大大降低。5、 系统适应性强,

47、负荷调节灵活。 如进程液压泵采用变量泵,其排量变量范围可以从20%到100%,由此可以在很宽的负荷范围内进行调节,且效率变化不大,这是其他海水淡化系统所难以达到的,因为无论离心泵还是柱塞泵,其输出流量是不变的,只能用关停部分机组来进行负荷调节,每天要完成一次起停控制,工作量太大。由此可带来两大优势,一是该系统能和风能、太阳能等不稳定的能源供应相结合,促进新能源的应用;二是可大量使用夜间低谷电,降低白天负荷,即用海水淡化中淡水储存来调节电网负荷,淡水储存的成本很低;就目前工业用电的价格而言,白天电价各地有所不同,平均在1元左右,而晚上的低谷电价则在0.35元左右,是白天的1/3,这样,不但能大幅

48、度降低海水淡化的用电成本,同时也能提高整个电网运行的能源使用效率。3.3 多台联机控制技术 在处理规模为10000m3/d的海水淡化系统中,如果采用日产1000吨的能量回收装置来构成整个系统,就有多种配置方法。比如采用2-3台大流量高压泵和增压泵组成泵系统,能量回收采用10个单机1000吨/日的装置进行并联的方法,这种方法对转子式结构的能量回收系统较适合,相对容易实现联机控制。但对于活塞式的系统,就要考虑多缸组的协调配合,相对要困难些。也可以采用1台高压泵+1台增压泵+1套能量回收装置的小机组并联方案,但由于小泵的效率低于大泵,成本也会提高,但相对独立,联机控制管理容易一些。 传统的高压泵加增压泵和能量回收装置的起停控制相对比较复杂,特别是无活塞旋转转子或者固定缸体的能量回收系统,对水流的流量压力及其分布比较敏感,通常采