吴云奇，吴水波，刘筱昱，李 露，闫玉莲，赵河立

(国家海洋局天津海水淡化与综合利用研究所，天津 300192)

海水淡化作为解决水资源短缺的一个重要途径，特别是小型反渗透系统可有效解决海岛、船舶、游艇等沿海地区分散式小规模的海水淡化需求[1]。小型海水淡化装置一般为间歇运行方式，且体积小、重量轻、投资少、可移动，故其市场需求广泛，发展潜力巨大。

目前，限制小型反渗透海水淡化装置发展的主要因素是能耗较高。大型反渗透海水淡化装置吨水能耗已经降至3.8～4.5 kW·h[2]；而因小型系统的能量回收装置短缺，其吨水能耗仍高达9～12 kW·h[3]。因此，研制具有能量回收功能的小型反渗透淡化机显得尤为重要。

本文利用自增压正位移泵的蓄能增压原理，研制出具有自增压与能量回收功能的自增压正位移泵，采用提升水泵与自增压泵的组合，实现了反渗透系统的高压给水与能量回收两项功能。通过系统的相关试验过程，证明了该工艺方案的实际可行。

1 自增压正位移泵工作原理

本研究研制的自增压泵属于正位移泵，结构及工作原理如图1所示。自增压正位移泵采用两个带活塞的反向液缸，共享一根通过中心块的活塞杆，通过中间法兰联结成一个整体。中间法兰上安装有先导阀，先导阀由活塞触发换向，并控制主换向阀换向，进而控制两个液缸交替进行吸排海水，即活塞驱动着控制阀，使液缸在驱动和加压之间相互转化。

图1 自增压正位移泵原理图Fig.1 Schematic Diagram of Self-Pressurized Positive Displacement Pump

该装置在功交换式能量回收原理的基础上，采用循环增压的方式，重复利用进入自增压正位移泵的原水压力，使泵出水提升至反渗透所需的工作压力。其具体运行流程如下：原海水通过进料泵获得一个较小的压力，这部分原海水与反渗透膜产生的带压浓海水共同推动活塞给另一个液缸内的海水加压，使其达到反渗透膜的工作压力并产出淡水；当活塞到达缸体某位置时触动先导阀，活塞向反方向移动，这个过程在瞬间逆转，从而实现装置连续运行。

2 小型淡化系统工艺设计

为验证自增压正位移泵的性能，开展基于此泵的小型海水淡化装置工艺方案和集成优化研究。装置以标准海水作为原水进行设计，具体设计参数如表1所示。

表1 自增压正位移泵小型淡化装置设计参数

注:①TDS表示总溶解性固体含量

根据设计参数确定小型淡化装置的工艺流程后，进行材料及主体设备选择，装置架体、管路管件定型连接方式设计，集成控制方案设计，制造出的小型淡化装置样机实物如图2所示。该工艺采用模块化设计，具有能量回收效率高、连续运行安静、便于安装、不需要润滑等优点。

图2 自增压正位移泵小型淡化机实物图Fig.2 Physical Photo of Small-Scale Desalinator with Self-Pressurized Positive Displacement Pump

3 小型淡化系统样机性能测试

为验证自增压正位移泵和小型淡化机的性能，在实验室中对其进行性能测试。主要测试自增压正位移泵的能量回收效率，以及自增压正位移泵小型淡化机在设计能力下能否稳定运行，各参数运行情况能否达到设计要求。

性能测试试验的流程如图3所示，以人工配制的海水作为原水，反渗透膜产生的淡水与自增压正位移泵排出的低压浓盐水混合后返回原水箱，从而保证试验的连续进行。

图3 自增压正位移泵小型淡化机性能测试试验流程简图Fig.3 Performance Test Flow Chart of Small-Scale Desalinator with Self-Pressurized Positive Displacement Pump

3.1 自增压正位移泵效率测试

一般而言，自增压泵内部密封会出现渗漏现象，且先导阀换向也会导致小部分供水消耗，此外活塞与缸筒和换向阀芯与阀体之间也存在摩擦的机械损失。设自增压正位移泵的压力损失为f，如式(1)。

f=ΔPgAp=PfgAp+Pcg(Ap-Ar)-

PhgAp-Peg(Ap-Ar)

(1)

其中：△P—压强损失，MPa；

Ph—高压出水压强，MPa；

Pe—低压浓水压强，MPa；

Pf—低压原水压强，MPa；

Pc—高压浓水压强，MPa；

Ap—液压活塞面积，m2；

Ar—液压活塞杆面积，m2。

定义自增压正位移泵回收率R为液压活塞两端流量差与低压原水流量之比，如式(2)。

(2)

其中：Qf—低压原水流量，m3/s；

Qc—高压浓水流量，m3/s；

v—液压活塞移动速度，m/s。

则式(1)可简化为式(3)。

ΔP=Pf+Pcg(1-R)-Ph-Peg(1-R)

(3)

自增压正位移泵的机械效率是衡量其性能的一项重要指标，可表示为自增压正位移泵的有效净输入能量占净输入能量的比值，设效率为η，如式(4)。

(4)

其中：Ef—低压原水能量，kJ；

Ee—低压浓水能量，kJ；

△E—能量损失，kJ；

s—液压活塞位移，m。

将式(3)代入式(4)得到效率的计算，如式(5)。

(5)

本试验中，自增压正位移泵液缸活塞直径为100 mm，活塞杆直径为25 mm，不同提升泵频率条件下自增压正位移泵效率测试试验数据如表2所示。

由表2可知:当提升泵频率为35 Hz时，自增压正位移泵样机效率的平均值为91.6%；当提升泵频率为40 Hz时，自增压正位移泵样机效率的平均值为91.4%；当提升泵频率为45 Hz时，自增压正位移泵样机效率的平均值为90.8%。试验数据表明，研发的自增压正位移泵效率较高，能够有效回收浓水压力。

表2 自增压正位移泵效率测试试验结果

对于使用能量回收装置的海水淡化系统，能量回收装置输出的高压给水必须满足反渗透膜组件对压力波动的要求。试验结果表明，自增压正位移泵样机的高压出水压力波动范围为±0.10 MPa，压力波动较小，说明样机运行性能稳定，可满足反渗透膜的使用要求。

3.2 自增压正位移泵小型淡化机性能测试

3.2.1 脱盐率及产水量变化情况

本试验配制两种不同含盐量的人工海水作为原水(TDS分别为32 g/L和38 g/L)，其他试验条件如下：进水温度为25 ℃，进水流量为1.9 m3/h，反渗透系统设计回收率为12%。试验结果表明，在10 h连续运行过程中，自增压正位移泵小型淡化机的产水量和回收率较为稳定，平均产水量为0.22 m3/h(5.28 m3/d)，平均回收率为12.15%，可见小型淡化机的产水量和回收率均能满足设计要求。试验测得两种进水TDS条件下的产水TDS如图4所示。

图4 自增压正位移泵小型淡化机产水TDS变化情况Fig.4 Variation of Water Production TDS for Small-Scale Desalinatorwith Self-Pressurized Positive Displacement Pump

进水TDS为32 g/L的条件下，自增压正位移泵小淡化机产水TDS约为220 mg/L；进水TDS为38 g/L的条件下，自增压正位移泵小淡化机产水TDS约为260 mg/L。试验结果表明，在不同进水TDS条件下，自增压正位移泵小型淡化机产水TDS均小于500 mg/L，满足小型淡化机设计要求。

3.2.2 运行能耗分析

为验证本套小型淡化装置在设计能力下的运行能耗情况，需要对装置的运行总电耗、吨水电耗进行测试分析，由于不同环境下取水电耗差别较大，本处电耗分析不包括原水泵电耗。试验测试条件如表3所示。

表3 自增压正位移泵小型淡化机运行能耗测试条件

试验结果如图5所示，经过10 h连续运行，自增压正位移泵小型淡化机性能稳定，装置平均每小时电耗保持在0.92 kW·h左右，平均吨水电耗保持在4.12 kW·h /m3左右，低于郑增建[4]研制的产水规模为1.12 m3/h带能量回收的小型反渗透海水淡化装置吨水能耗(6.66 kW·h/m3)，与Dimitriou等[5]测试的带丹弗斯能量回收装置的小型反渗透海水淡化装置吨水能耗(4 kW·h/m3)相当。

图5 自增压正位移泵小型淡化机总电耗及吨水电耗情况Fig.5 Total and Per Ton of Water Power Consumption of Small-Scale Desalinator with Self-Pressurized Positive Displacement Pump

4 小结

(1)通过研究自增压正位移泵蓄能增压原理，解决流道切换控制阀结构、高压动密材料选择和泵体结构优化等问题，成功研发制造了一种适用于小型反渗透海水淡化系统的自增压能量回收高压泵，泵的能量回收效率高达90%。

(2)开展自增压正位移泵小型淡化装置工艺方案和集成优化研究，制造的样机运行性能稳定，产水量及产水TDS均满足设计要求，平均吨水能耗为4.12 kW·h /m3，远低于无能量回收的小型海水淡化装置吨水能耗(9～12 kW·h /m3)。

(3)与其他小型海水淡化装置相比，自增压正位移泵小型海水淡化装置具有以下优点：能量回收效率高、节省能源；系统工艺流程简单、集成化程度高，体积和重量较小；运行安静、全自动操作、便于安装、不需要润滑等。

[1]高从堦,周勇,刘立芬,等.反渗透海水淡化技术现状和展望[J].海洋技术学报,2016,35(1)：1-14.

[2]GHALAVAND Y,HATAMIPOUR M S,RAHIMI A,et al.A review on energy consumption of desalination processes[J].Desalination and Water Treatment,2014,54(6):1-16.

[3]KIM Y C,HAM Y,PARK S,et al.Energy recovery through a water-hydraulic motor in a small scale RO desalination system[J].Desalination and Water Treatment,2010,15(1-3):172-177.

[4]郑增建.小型反渗透海水淡化系统的设计及试验研究[D].浙江：浙江工业大学，2016.

[5]DIMITRIOU E,MOHAMED ES,KARAVAS C,et al.Experimental comparison of the performance of two reverse osmosis desalination units equipped with different energy recovery devices[J].Desalination and Water Treatment,2015,55(11):3019-3026.