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海水、苦鹽水淡化的研究與開發(fā)歷經(jīng)將近50年的發(fā)展，先后形成了電滲析法、反滲透法以及蒸餾法脫鹽裝置．自20世紀(jì)70年代初以來(lái)，反滲透海水淡化技術(shù)因其投資低、建設(shè)周期短等優(yōu)點(diǎn)，已逐漸成為海水淡化領(lǐng)域的主流技術(shù)．據(jù)國(guó)際脫鹽協(xié)會(huì)(IDA)統(tǒng)計(jì)，2015年—2016年，反滲透海水淡化技術(shù)的市場(chǎng)占有率已高達(dá)75%以上，占據(jù)絕對(duì)主導(dǎo)地位．然而，對(duì)于海水淡化，能耗是直接決定成本高低的關(guān)鍵，有效解決反滲透海水淡化裝置的能耗問題，也正是突破反滲透海水淡化技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵．
反滲透需要在5．0～8．0MPa的高壓下運(yùn)行，而從膜組件中排放出的濃鹽水幾乎具有相同的壓力．因此，有效回收利用濃鹽水中的余壓能是降低反滲透海水淡化成本的關(guān)鍵技術(shù)之一．目前，已知有關(guān)余壓能回收裝置的主要應(yīng)用方式為液力透平式和正位移式．其中，液力透平式主要采用軸封結(jié)構(gòu)，摩擦阻力大，降低了能量轉(zhuǎn)換效率;而正位移式結(jié)構(gòu)則容易造成流體間的混合．所以，有必要研究一種能量轉(zhuǎn)換效率高且能實(shí)現(xiàn)流體間零泄漏的余壓能回收裝置．
1余壓能磁力耦合泵裝置的研制
1．1裝置設(shè)計(jì)思路
在反滲透淡化系統(tǒng)用于海水淡化時(shí)，從膜組件中排放出來(lái)的鹽水壓力高達(dá)4．5～6．5MPa，如果這部分高壓鹽水通過(guò)減壓閥直接排放，按照40%的系統(tǒng)回收率計(jì)算，將有大約60%的余壓能被白白浪費(fèi)掉［3］．因此，針對(duì)反滲透海水淡化過(guò)程中出現(xiàn)的大量余壓能被浪費(fèi)的現(xiàn)象，裝置的設(shè)計(jì)思路如下所示:
1)利用管網(wǎng)中流體的富裕壓差，驅(qū)動(dòng)軸流式葉輪帶動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，將嵌有圓形陣列磁鐵的轉(zhuǎn)子動(dòng)能轉(zhuǎn)化為磁場(chǎng)能;
2)耦合轉(zhuǎn)子感應(yīng)轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)能，通過(guò)轉(zhuǎn)軸驅(qū)動(dòng)泵輸送流體;
3)開發(fā)小型的余壓能磁力耦合泵，并進(jìn)行原理性試驗(yàn)測(cè)試．
1．2裝置結(jié)構(gòu)及其工作原理
根據(jù)研制思路，新型余壓能磁力耦合泵裝置的工作原理及爆炸結(jié)構(gòu)圖如圖1所示．為詳細(xì)說(shuō)明裝置的工作原理，對(duì)軸流透平結(jié)構(gòu)進(jìn)行半剖，對(duì)離心泵結(jié)構(gòu)去掉前蓋板進(jìn)行顯示．
從圖1中可以看出，余壓能磁力耦合泵結(jié)構(gòu)主要由離心高壓泵、軸流式透平和密封裝置三部分組成．其工作原理為:排放出的高壓鹽水從軸流透平進(jìn)口流進(jìn)，從軸流透平出口流出，驅(qū)動(dòng)連接在轉(zhuǎn)軸上的軸流式葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)軸流透平轉(zhuǎn)子部件轉(zhuǎn)動(dòng)，使得磁通量改變，磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn);離心泵轉(zhuǎn)子通過(guò)密封裝置，感應(yīng)磁通量改變，進(jìn)而轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)方向與磁場(chǎng)轉(zhuǎn)動(dòng)方向相同，從而通過(guò)轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)離心泵葉輪做功，將給水從離心泵進(jìn)口引入，通過(guò)離心泵出口提高到較高的壓頭，實(shí)現(xiàn)余壓能的回收利用．
若忽略余壓能磁力耦合泵裝置在運(yùn)行過(guò)程中的壓力損失，該裝置應(yīng)滿足以下兩個(gè)公式［4］:
Ph=Pf+Pc(1－Ｒ)(1)
式中:Ph為高壓原海水壓力，MPa;Pf為原海水壓力，MPa;Pc為高壓濃海水壓力，MPa;Ｒ為給水進(jìn)口與排水進(jìn)口口徑之比．
Qh=Qf=Qc/(1－Ｒ)(2)
式中:Qh為高壓原海水流量，(m/h);Qf為原海水流量，(m3/h);Q為高壓濃海水流量，(m3/h)．
1．3裝置特點(diǎn)及其關(guān)鍵技術(shù)
1)裝置功率輸出部件采用軸流透平，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩小，易于啟動(dòng)，能深層次回收管網(wǎng)中的流體余壓能;
2)裝置功率輸入部件采用離心式葉輪高壓泵，運(yùn)輸效率高、性能可靠、流量均勻、易于調(diào)節(jié)，能夠高效抽送定量流體到較高的壓頭供海水淡化等工序［5］．
3)裝置功率轉(zhuǎn)化部件采用密封裝置，軸流透平的轉(zhuǎn)子部件與離心泵的轉(zhuǎn)子部件通過(guò)采用哈氏合金的密封裝置進(jìn)行磁力耦合，不需要采用傳統(tǒng)的軸封結(jié)構(gòu)，減小了摩擦阻力，提高了能量轉(zhuǎn)化效率，并確保了兩種流體間為靜密封，不相互混合，實(shí)現(xiàn)零泄露．
4)新型余壓能磁力耦合泵裝置吸收了液力透平式和正位移式兩種余壓能回收裝置的優(yōu)點(diǎn)，并解決了軸封結(jié)構(gòu)以及混流的問題．裝置直接由高壓鹽水驅(qū)動(dòng)而無(wú)需附加能量，裝拆、檢修方便，能量傳遞效率高，規(guī)模效應(yīng)明顯，適合在大流量下工作［6］．
5)裝置成本低，維護(hù)、維修方便，將其應(yīng)用于反滲透膜海水淡化領(lǐng)域，可有效降低海水淡化成本．傳統(tǒng)反滲透膜海水淡化成本在4．16～5．59元/噸之間，其中電力成本所占比例為40%左右，其次是折舊和維護(hù)成本，均占22%［7］．在不考慮壓力損失的情況下，采用余壓能磁力耦合泵反滲透膜海水淡化可有效降低電力成本及維護(hù)成本，淡化成本約為1．8元/噸，可有效降低成本56%．
2余壓能磁力耦合泵系統(tǒng)的構(gòu)建
2．1余壓能磁力耦合泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
如圖2所示為應(yīng)用了余壓能磁力耦合泵裝置的反滲透海水淡化工藝流程簡(jiǎn)圖．該工藝系統(tǒng)主要包括水池、磁力耦合泵和半透膜海水淡化裝置三大部分．
工藝流程:濃海水池中的高壓鹽水流經(jīng)磁力耦合泵裝置的軸流透平結(jié)構(gòu)，使裝置成功回收余壓能．原海水池中的低壓原水經(jīng)過(guò)沉淀、過(guò)濾后，一部分經(jīng)增壓泵增壓到半透膜所需要的實(shí)際操作壓力;另一部分經(jīng)余壓能磁力耦合泵裝置的離心葉輪高壓泵結(jié)構(gòu)完成能量交換而成為高壓原水，兩部分高壓原水混合后輸出至半透膜海水淡化裝置．完成反滲透過(guò)程后，高壓濃鹽水流入濃海水池，產(chǎn)出的淡水則流入淡水池．綜上，即為一簡(jiǎn)易的反滲透海水淡化工藝流程．余壓能磁力耦合泵系統(tǒng)的確定根據(jù)工藝流程，確定余壓能磁力耦合泵系統(tǒng)如圖3所示．余壓能磁力耦合泵系統(tǒng)由余壓能磁力耦合泵、排水進(jìn)口和出口、給水進(jìn)口和出口、排水調(diào)節(jié)閥門和給水調(diào)節(jié)閥門組成．根據(jù)能量守恒，當(dāng)排水通過(guò)余壓能磁力耦合泵，驅(qū)動(dòng)給水提升到較高壓頭后，即可實(shí)現(xiàn)余壓能的回收，從而進(jìn)行反滲透海水淡化．
3裝置原理性試驗(yàn)測(cè)試及驗(yàn)證
3．1試驗(yàn)測(cè)試目標(biāo)
對(duì)已加工的軸流式透平進(jìn)行原理性的試驗(yàn)測(cè)試，主要測(cè)試軸流透平的余壓回收功率．如圖4所示為軸流透平的結(jié)構(gòu)實(shí)物圖．
余壓能磁力耦合泵裝置的軸流透平結(jié)構(gòu)主要由進(jìn)口、出口，葉輪和三通部件組成．為了測(cè)試軸流透平的輸出功率，故增加了定子線圈，將軸流透平的輸出功率轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏骱碗妷簻y(cè)試．通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果，可確定余壓能磁力耦合泵裝置是否能有效回收余壓能．
3.2試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果
對(duì)軸流透平進(jìn)行了模擬管路余壓狀態(tài)下的試驗(yàn)測(cè)試，測(cè)試樣機(jī)主要由軸流透平、循環(huán)水箱，循環(huán)水泵和附屬管路組成，測(cè)試結(jié)果如圖5所示．
試驗(yàn)測(cè)試主要為電壓測(cè)試、電流測(cè)試和驅(qū)動(dòng)LED單元燈試驗(yàn)測(cè)試．試驗(yàn)過(guò)程中所用水泵的壓頭為22m，流量為30m3/h，模擬排水管路的余壓和流量．通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果可以看出，模擬狀態(tài)下，軸流透平成功驅(qū)動(dòng)LED單元燈發(fā)光，其中，電壓測(cè)試為35．2V，功率為12．6W，實(shí)現(xiàn)了管路余壓能的回收．
4結(jié)論
1)本文通過(guò)分析現(xiàn)有反滲透海水淡化系統(tǒng)中
余壓能回收裝置存在的不足，設(shè)計(jì)了一種新型余壓能磁力耦合泵裝置．
2)余壓能磁力耦合泵裝置的功率輸出部件的軸流透平轉(zhuǎn)子與功率輸入部件的離心泵轉(zhuǎn)子通過(guò)采用哈氏合金的密封裝置進(jìn)行磁力耦合，不需要采用軸封，減小了摩擦阻力，提高了能量轉(zhuǎn)化效率，并實(shí)現(xiàn)了零泄露．
3)余壓能磁力耦合泵裝置成本低，維護(hù)、維修方便，將其應(yīng)用于反滲透膜海水淡化領(lǐng)域，海水淡化成本僅為1．8元/噸，相對(duì)于傳統(tǒng)反滲透膜海水淡化成本，可有效降低成本56%．
4)對(duì)余壓能磁力耦合泵裝置的功率輸出部件軸流透平進(jìn)行了模擬管路余壓狀態(tài)下的試驗(yàn)測(cè)試，模擬狀態(tài)軸流透平成功驅(qū)動(dòng)LED單元燈發(fā)光，電壓測(cè)試為35．2V，功率為12．6W，實(shí)現(xiàn)余壓能回收．
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