程百花 ，王 越 ，许恩乐 ，孙扬平 ，徐世昌 ，王世昌

（1天津大学化工学院化学工程研究所，天津 300072；2天津市膜科学与海水淡化技术重点实验室，天津 300072）

海水淡化作为解决淡水资源短缺问题的主要手段[1-3]，近几年先后被列入国家多项规划和重要文件，成为最具发展前景的战略性新兴产业之一[4]。作为海水淡化市场的主流技术之一，由于反渗透海水淡化（seawater reverse osmosis，SWRO）具有工程造价及运行成本低等特点[3，5]，已占据全球海水淡化市场份额的60%以上[5-6]。能量回收装置（energy recovery device，ERD）是实现SWRO系统低成本运行的关键设备之一[7-9]。

正位移式能量回收装置主要包括旋转式和阀控式两种，均通过高压盐水直接增压原料海水的方式回收压力能，能量回收效率高达90%以上[10-12]。旋转式能量回收装置（rotary energy recovery device，RERD）与阀控式能量回收装置相比，在实现装置增压和泄压过程连续切换及减小安装空间[7]等方面具有显著优势，成为国内外研究和工程推广的重点。目前国外已有旋转式能量回收装置产品（如PX型）进入市场，并已工程应用多年。而国内在此方面的研究起步较晚，至今仍处于技术开发和样机试制阶段[10]。

目前，国内开发的旋转式能量回收装置较多采用外电机驱动的形式。本文作者课题组在已有工作基础上，结合反渗透海水淡化工艺需求，对自主设计的电机驱动式RERD装置的启动方式进行了研究，测试分析了装置在变工况下的动密封性能，并对装置的连续运行稳定性进行了考核。

1 工作原理及实验装置

1.1 工作原理

图1给出了旋转式能量回收装置的工作原理示意图。装置主要由转子、左端盘和右端盘三部分构成。转子上均布有多个轴向贯通的孔道，是高压盐水和低压原料海水进行压力交换的唯一场所。转子两侧的端盘不仅对进出装置的高低压流体有富集和引导作用，还可实现高压流体与低压流体间的密封隔离。装置运转过程中，转子上一组孔道首先进入高压区，此时高压盐水通过左端盘进入该组孔道，对已冲注其内的低压海水进行增压并推动增压后的海水从右端盘排出，此为增压过程。与此同时，另一组转子孔道与低压区贯通，低压海水通过右端盘进入此组孔道，并推动泄压后的盐水从左端盘排出，此为泄压过程。通过转子的连续旋转运动，转子孔道交替经过高压区-密封区-低压区，实现流体的连续压力交换过程。

图1 RERD工作原理示意图

1.2 工艺流程及试验样机

图2是本试验的工艺流程图，相当于反渗透海水淡化系统的仿真工艺流程，并使用截止阀模拟实际工程中反渗透膜组件的压力损失。试验过程中利用自来水代替海水和盐水作为测试介质。如图2所示，高压盐水由增压泵和高压泵共同供给，从接口1进入装置；低压海水由低压泵供给并通过接口3进入装置，两股流体在转子内进行压力交换。获得压力能的低压海水以增压海水的形式由接口4排出，泄压盐水则由接口2排放。图中高压泵主要是维持系统的高压环境，补充装置因泄漏而损失的流量。图3为与图2相对应的装置试验现场，装置外筒体所有接口尺寸均为DN40 mm系列。

图2 试验工艺流程图

图3 旋转式能量回收装置试验现场

图4 转子三维结构图

图5 端盘三维结构图

图4给出了装置的转子结构示意图，其外径尺寸为DN150 mm系列，该转子通过键连接由电动机驱动。图5是对称设置有集液槽的端盘，此种创新性设计使得转子在与端盘端面进行动配合工作过程中轴向受力更均匀，从而保证装置在运行中的动平衡性能。通过在不锈钢转子端面喷涂陶瓷，及在端盘内侧端面上镶嵌耐腐蚀、耐磨损但硬度相对较低的有机聚醚醚酮（PEEK）薄片的方式，以提高装置的实用性。

2 试验结果与讨论

2.1 装置启动方式

由于装置采用外电机驱动，装置的启动运行不仅包括操作压力的升高，还涉及转子工作转速的提升。两者升高到额定值（额定操作压力为6.0 MPa、额定转速为500 r/min）的先后顺序对装置的启动稳定性，特别是转动扭矩具有显著的影响。

2.1.1 装置启动过程中的扭矩变化

图6给出了装置在不同工作转速下，升高系统操作压力至6.0 MPa过程中装置转动扭矩的变化曲线。从图6中可以看出，当工作转速一定时，随着操作压力的升高，装置的转动扭矩呈增大趋势，且在较高转速条件下，装置转动扭矩在压力升高过程中的变化幅度趋于平缓；当操作压力一定时，装置的工作转速越大，对应的转动扭矩反而越小。说明高转速运行有利于装置转动扭矩的显著降低。

图6 驱动扭矩随操作压力的变化曲线

由图6还可知，当系统操作压力为6.0 MPa时，装置在500 r/min运行时的转动扭矩最小。实现这一操作目标有两种模式，其一将装置的工作转速首先增至额定转速，之后再提升系统操作压力至6.0 MPa，此模式中装置需要的最大转动扭矩为17.28 N·m（对应图中A点位置）；其二在较低工作转速条件下先提升系统的操作压力至6.0 MPa，之后再增加装置的转速至最大值，此模式中装置需要的最大转动扭矩高达31.68 N·m（对应图中B点）。因此，从装置电机配置功率和装置启动运行稳定性来看，采用先增加装置工作转速至额定值，再进行系统升压操作是较理想和节能的启动模式。

2.1.2 装置启动过程中的压力和流量变化

在第2.1.1节所确定的较佳启动方式下，考察了装置处理量为8.0 m3/h及阶梯式升压过程中，高压盐水的压力和流量随时间的变化规律，如图7所示。从图7中可以看出，在高压盐水压力阶梯式增加过程中，高压盐水的流量基本保持不变，说明在此启动模式下升压过程对装置高压入口流体流动稳定性影响较小。

图7 启动过程中高压盐水压力和流量变化曲线

图8 泄漏量随操作压力的变化曲线

2.2 装置动密封性能测试

装置运行过程中，转子与两端盘之间构成的动配合“平面摩擦副”内存在微小间隙，将致使装置内部存在一定的泄漏量。图8给出了转子工作转速为500 r/min、处理量为8.0 m3/h时，装置泄漏量随系统操作压力的变化规律。

从图8中可见，随着操作压力的升高，装置的泄漏量呈增大趋势，这是因为当转子与端盘端面间隙一定时，随着操作压力的升高，间隙内高压区与低压区之间的压差也随之增大，从而加重了高压流体向低压流体的泄漏趋势。从图8中还可知，当操作压力大于2.5 MPa时，装置的泄漏量增幅逐渐减小并趋于平稳，最大值为0.58 m3/h（额定压力时），这是因为泄漏液体在转子与端盘配合端面间的流动实际上属于“微间隙”（微米级）流动，较大的流通阻力限制了泄漏量的进一步增加。

图9给出了操作压力为6.0 MPa、处理量为8.0 m3/h时，装置泄漏量随转子转速的变化规律。由图9可知，随着转子转速的增加，装置泄漏量呈现出轻微减小的趋势。这可能是因为随着转子转速的增大，端面微间隙内形成的液膜的稳定性有所提高，从而使得泄漏量减小。

图9 泄漏量随转子转速的变化曲线

2.3 运行稳定性考核

在转子转速为500 r/min、操作压力为6.0 MPa、处理量为8.0 m3/h时，对装置连续运行稳定性进行了考核。试验共进行了5天，每天连续运行12 h。图10和图11分别给出了装置在12 h稳定运行过程中的高压盐水、低压海水、增压海水及泄压盐水流量和压力的变化曲线。

从图10可以看出，进出装置的4股流体的流量基本呈水平直线，说明装置运行稳定性良好。但值得关注的是，相比于高压盐水和低压海水的流量曲线，增压海水流量偏低，而泄压盐水流量偏高。高压盐水与增压海水流量间的差异主要是因为有部分高压盐水被泄漏，这部分泄漏的盐水随同泄压盐水被排出，从而造成泄压盐水流量明显高于低压海水流量。

与图10相似，图11中4股流体的压力曲线也呈近似水平直线的变化趋势。图中增压海水的压力接近高压盐水的压力，说明高压盐水的压力能被高效的传递给了低压海水。结合图10和图11中所给出的装置实时流量和压力值，按照能量回收效率计算公式[式（1）][10，13]，计算得到该装置在稳定运行时的平均效率约为93%，具有较高的工程实用价值。

图10 装置稳定运行时流量变化曲线

图11 装置稳定运行时压力变化曲线

3 结论

（1）采用“先增加转速至额定值再升高系统操作压力”的启动方式，可提高旋转式能量回收装置的启动稳定性并有效降低装置的驱动扭矩。

（2）在系统升压初期，高压盐水压力对装置泄漏量的负面影响较大，转子转速的增加对降低泄漏量有一定的贡献作用。

（3）在处理量为8.0 m3/h及操作压力为6.0 MPa时装置的连续运行稳定性良好，最大泄漏量为0.58 m3/h，能量回收效率为93%。

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