海水淡化技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要目標(biāo)是降低運(yùn)行成本，在運(yùn)行成本的構(gòu)成中能耗所占的比重最大，降低能耗是降低海水淡化成本最有效的手段。反滲透海水淡化(SWRO)是目前海水淡化的主流技術(shù)之一，反滲透海水淡化過(guò)程需消耗大量電能提升進(jìn)水壓力以克服水的滲透壓，反滲透膜排出的濃水余壓高達(dá)5．5～6．5 MPa，按照40％的回收率計(jì)算，排放的濃鹽水中還蘊(yùn)含約60％的進(jìn)料水壓力能量，將這一部分能量回收變成進(jìn)水能量可大幅降低反滲透海水淡化的能耗，而這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)有賴于能量回收技術(shù)的利用。

通過(guò)能量回收裝置的應(yīng)用大幅降低了淡化水的生產(chǎn)成本，促進(jìn)了反滲透淡化技術(shù)的推廣和應(yīng)用，并使之成為最具競(jìng)爭(zhēng)力和發(fā)展速度最快的海水淡化技術(shù)。因此，能量回收與反滲透膜和高壓泵并列成為反滲透海水淡化系統(tǒng)中的三大關(guān)鍵技術(shù)。

國(guó)外SWRO能量回收技術(shù)的發(fā)展

20世紀(jì)70年代，隨著反滲透技術(shù)開(kāi)始用于海水／苦咸水的淡化，各種形式的能量回收裝置也相繼出現(xiàn)。能量回收裝置總體上分為兩類，即水力透平式和功交換式。

水力透平式能量回收裝置

最早的能量回收裝置是水力透平式，瑞士Calder．AG公司的Pehon Wheel透平機(jī)和Pump Ginard公司的Francis透平機(jī)，效率一般為50％～70％。其原理是利用濃鹽水驅(qū)動(dòng)渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)軸與泵和電機(jī)相連，將能量輸送至進(jìn)料原海水，過(guò)程需要經(jīng)過(guò)“水壓能→機(jī)械能→水壓能”兩步轉(zhuǎn)換[1]。

水力透平機(jī)與高壓給水泵電機(jī)同軸連接，一般是高壓給水泵雙出軸兩側(cè)分置電機(jī)和透平機(jī)，也可以是電機(jī)雙出軸兩側(cè)分置水泵和透平機(jī)。透平機(jī)作電機(jī)的第二驅(qū)動(dòng)助推電機(jī)，通過(guò)減小電機(jī)轉(zhuǎn)矩，降低電機(jī)動(dòng)力消耗。

在上述基礎(chǔ)上經(jīng)過(guò)改進(jìn)出現(xiàn)了一些獨(dú)特的設(shè)計(jì)，其中最具代表性的有丹麥Grundfos公司生產(chǎn)的BMET透平直驅(qū)泵和美國(guó)PEI公司生產(chǎn)的Hydraulic Turbo charger。兩者均是透平機(jī)與泵一體化設(shè)計(jì)，一根轉(zhuǎn)軸連接兩個(gè)葉輪，全部封裝在一個(gè)殼體中，濃鹽水流過(guò)葉輪時(shí)通過(guò)沖擊葉片而推動(dòng)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)透平軸旋轉(zhuǎn)。透平軸直接帶動(dòng)增壓泵工作輸出機(jī)械功，濃水能量轉(zhuǎn)換成原海水能量的轉(zhuǎn)換效率可提高至65％～80％。

高壓泵與透平機(jī)增壓泵兩級(jí)串聯(lián)完成原海水的壓力提升，通過(guò)透平增壓降低高壓泵所需揚(yáng)程，減少電機(jī)動(dòng)力消耗。所不同的是BMET的透平增壓泵與高壓泵是一個(gè)整機(jī)，其中透平增壓泵位于高壓泵的進(jìn)口(見(jiàn)圖1)；而Turbo charger是一個(gè)單獨(dú)的裝置，安裝在高壓泵的出口(見(jiàn)圖2)。

功交換式能量回收裝置

20世紀(jì)80年代出現(xiàn)了一種新的能量回收技術(shù)，其工作原理是“功交換”，通過(guò)界面或隔離物，直接把高壓濃鹽水的壓力傳遞給進(jìn)料海水，過(guò)程得到簡(jiǎn)化，只需要經(jīng)過(guò)“水壓能→水壓能”的一步能量轉(zhuǎn)換，能量回收效率得以提高。

1975年功交換器第一次應(yīng)用在SWRO上，由于壓力和流量的瞬變，致使閥壽命很短，使用不久就停止了服務(wù)。20世紀(jì)80年代中期大型功交換器商業(yè)化開(kāi)發(fā)停止，其主要原因是當(dāng)時(shí)SWRO裝置規(guī)模相對(duì)較小，功交換器造價(jià)高，可靠性差。

1985年，在加勒比海地區(qū)開(kāi)始出現(xiàn)“建造–擁有–運(yùn)行”(BOO)式的SWRO合同，由于加勒比海地區(qū)能源成本高，越來(lái)越多的反滲透海水淡化裝置開(kāi)始使用功交換器。該地區(qū)1990年—2000年建造的9個(gè)淡化裝置中共安裝了17個(gè)大容量功交換器，每個(gè)裝置的流量都超過(guò)1000 m3／d[2]。目前反滲透海水淡化工程中應(yīng)用的功交換式能量回收裝置主要為轉(zhuǎn)子式壓力交換器和活塞式閥控壓力交換器兩類，能量回收效率高達(dá)90％～97％。

轉(zhuǎn)子式壓力交換器：以美國(guó)ERI公司的PX轉(zhuǎn)子式壓力交換能量回收裝置(見(jiàn)圖3)為代表，原理是高壓濃鹽水推動(dòng)圓周開(kāi)有多個(gè)縱向溝槽(類似于多個(gè)微型液缸)的無(wú)軸陶瓷轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，使多個(gè)微型溝槽分別在兩側(cè)靜止的配流盤高壓區(qū)和低壓區(qū)交替轉(zhuǎn)換切入，進(jìn)入高壓區(qū)的微型液缸進(jìn)行能量回收傳遞向外排液，進(jìn)入低壓區(qū)的微型液缸進(jìn)行原海水補(bǔ)液，PX需配增壓泵以使初步升壓的原海水進(jìn)入RO系統(tǒng)。

高壓濃鹽水與低壓原海水直接傳遞壓力，水在多個(gè)微型液缸中的停留時(shí)間很短，兩種液體由一段封閉的“液體活塞”分開(kāi)，能量回收效率較高，濃水能量至原海水液體能量的轉(zhuǎn)換效率>92％。

活塞式閥控壓力交換器：活塞式閥控壓力交換器以瑞士Calder．AG公司的DWEER雙功交換能量回收裝置、德國(guó)KSB公司的SalTec DT壓力交換器、德國(guó)Siemag Transplan公司的PES壓力交換系統(tǒng)及Ionics公司的DYPREX動(dòng)力壓力交換器為代表[3、4]。原理是采用兩個(gè)大直徑液缸，其中一個(gè)液缸中高壓濃水推動(dòng)活塞將能量傳遞給低壓原海水向外排液，另一個(gè)液缸中供料泵壓入低壓原海水補(bǔ)液并排出低壓濃水，兩液缸在PLC和濃水換向閥的控制下交替排補(bǔ)海水，實(shí)現(xiàn)了濃水能量轉(zhuǎn)換成原海水能量的回收過(guò)程。

活塞式閥控壓力交換器需配備增壓泵以使初步升壓的原海水進(jìn)入RO系統(tǒng)，由活塞隔離濃水和原海水，能量回收效率一般高于92％。DWEER能量回收裝置見(jiàn)圖4。

國(guó)內(nèi)的研究狀況

國(guó)內(nèi)對(duì)能量回收裝置的研究起步較晚，進(jìn)行反滲透用能量回收裝置研究的主要有中科院廣州能源所、天津大學(xué)、杭州水處理中心和天津海水淡化研究所等4家單位，研發(fā)方向均為雙液壓缸功交換式能量回收裝置。

廣州能源所研發(fā)的試驗(yàn)樣機(jī)為帶活塞桿的雙液壓缸功交換式能量回收裝置(專利號(hào)：200510035328．8)，使用電磁閥進(jìn)行高、低壓水的切換，并用蓄能器穩(wěn)定壓力。試驗(yàn)表明，穩(wěn)定壓力的效果不錯(cuò)。

天津大學(xué)的雙液壓缸功交換式能量回收裝置使用多個(gè)氣動(dòng)閥進(jìn)行高、低壓水的切換，由PLC控制閥門的動(dòng)作，在1000 m3／d的反滲透海水淡化試驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行了試驗(yàn)，取得了一定效果[5、6]，并申請(qǐng)了專利(專利號(hào)：200510014295．9)。

杭州水處理中心設(shè)計(jì)的能量回收裝置主要由雙液壓缸、止回閥和四通功能閥組成，兩臺(tái)液壓缸通過(guò)活塞桿定位，并固定在一條直線上。裝置設(shè)計(jì)申請(qǐng)了發(fā)明專利(專利號(hào)：200510050117．1)。

天津海水淡化研究所自主研發(fā)了一臺(tái)具備升壓功能的差動(dòng)式反滲透能量回收裝置，流量可達(dá)18 m3／h。在反滲透海水淡化試驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行了系統(tǒng)試驗(yàn)，通過(guò)168 h的連續(xù)不間斷運(yùn)轉(zhuǎn)測(cè)試表明：裝置運(yùn)行穩(wěn)定，有效能量回收率>90％，壓力波動(dòng)<0．2 MPa。已申請(qǐng)發(fā)明專利1項(xiàng)、實(shí)用新型專利2項(xiàng)(專利號(hào)分別為201010122952．2、201020129553．4、2010201 29553．4)。

上述幾家單位的研究成果雖然還沒(méi)有在海水淡化工程中得到推廣應(yīng)用，但工業(yè)化發(fā)展及應(yīng)用前景良好。

能量回收裝置性能比較及發(fā)展趨勢(shì)

幾種國(guó)外能量回收裝置的性能對(duì)比見(jiàn)表1。

表1中前兩種為水力透平式，用于與高壓泵串聯(lián)安裝，通過(guò)降低高壓泵所需的揚(yáng)程達(dá)到節(jié)能的目的，不需要增壓泵和自動(dòng)閥門，但效率較低，特別是低流量時(shí)效率更低；后三種為功交換式，用于與高壓泵并聯(lián)安裝，通過(guò)減小高壓泵所需的流量達(dá)到節(jié)能的目的，需要配置增壓泵，在很寬的流量范圍內(nèi)均能達(dá)到較高的效率。

功交換式能量回收裝置由于具有較高的能量回收效率，能更有效地降低反滲透海水淡化系統(tǒng)能耗的優(yōu)勢(shì)，已成為國(guó)內(nèi)外研究和開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)，其產(chǎn)品市場(chǎng)占有率也呈逐年快速增長(zhǎng)的發(fā)展趨勢(shì)。

能量回收裝置在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用

國(guó)外能量回收裝置在我國(guó)海水淡化工程中的應(yīng)用情況見(jiàn)表2。

表2中除PX為功交換式能量回收裝置外，其他均為水力透平式能量回收裝置。從發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，前幾年水力透平式應(yīng)用較多，但近幾年功交換式能量回收裝置特別是PX在建成的海水淡化工程中已被普遍采用。

SWRO能量回收裝置主要有水力透平式和功交換式兩大類。水力透平式用于與高壓泵串聯(lián)安裝，通過(guò)降低高壓泵所需揚(yáng)程達(dá)到節(jié)能的目的，不需要增壓泵和自動(dòng)閥門，單機(jī)流量大，但效率較低，特別是低流量時(shí)效率更低；功交換式用于與高壓泵并聯(lián)安裝，通過(guò)減小高壓泵所需流量達(dá)到節(jié)能的目的，一般需要配置增壓泵，單機(jī)流量較小，可并聯(lián)使用，在很寬的流量范圍內(nèi)均能達(dá)到較高的效率。

功交換式能量回收裝置由于具有較高的能量回收效率，已經(jīng)逐漸成為海水淡化行業(yè)中研究和開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)，其產(chǎn)品市場(chǎng)占有率也呈逐年快速增長(zhǎng)的發(fā)展趨勢(shì)，近年來(lái)國(guó)內(nèi)海水淡化工程大多采用美國(guó)ERI公司的PX能量回收裝置。

我國(guó)在SWRO能量回收技術(shù)方面的研發(fā)起步較晚，發(fā)展比較遲緩，裝置形式較單一，大都局限于雙液壓缸功交換式，整體水平同國(guó)際先進(jìn)技術(shù)還有很大的差距，但工業(yè)化發(fā)展及應(yīng)用前景較好。隨著我國(guó)淡水資源的日益缺乏，反滲透海水淡化工程必將大力發(fā)展，因而研究開(kāi)發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的能量回收裝置具有深遠(yuǎn)的意義。

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