海水淡化能量回收装置专利最新动态文档格式.docx

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转子式压力交换器以美国ERI公司的PX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（类似于多个微型液缸）的无轴陶瓷转子旋转。

活塞式阀控压力交换器以瑞士Calder.AG公司的DWEER双功交换能量回收装置、德国KSB公司的SalTecDT压力交换器、德国SiemagTransplan公司的PES压力交换系统及Ionics公司的DYPREX动力压力交换器为代表。

原理是采用两个大直径液缸，其中一个液缸中高压浓水推动活塞将能量传递给低压原海水向外排液，另一个液缸中供料泵压入低压原海水补液并排出低压浓水，两液缸在PLC和浓水换向阀的控制下交替排补海水，实现把浓水能量转换成原海水能量的回收过程。

目前，这两种能量回收装置主要靠国外进口，造价比较高。

　　以下介绍近年来海水淡化能量回收装置的相关专利技术，供企业、研究机构及相关人员参考。

　　方案1

　　[技术目的]：

提供一种可简化反渗透流程，运行可靠、效率高，并且制造成本低的反渗透海水淡化系统用联合活塞自增压能量回收泵。

　　[技术方案]：

该反渗透海水淡化系统用联合活塞自增压能量回收泵包括两个液压缸、连接件、高压换向阀4低压换向阀、两个封头、活塞杆、两个活塞、多个螺栓及螺母；

其中两个液压缸的一端分别连接在连接件的两个侧面上:

连接件的中心沿轴向贯通形成有一个活塞杆导向孔，活塞杆导向孔的外侧沿轴向贯通形成有一个高压换向阀阀腔和一个低压换向阀阀腔，而连接件的外部边缘则沿径向形成有两个分别与高压换向阀阀腔和低压换向阀阀腔相连通的高压盐水孔和泄压盐水孔；

两个封头分别设置在两个液压缸的外端，并且每个封头上形成有两个呈直角形且连通液压缸内外部的液流孔；

多个螺栓贯穿两个封头及连接件的外部边缘而设置在两个液压缸的外部，并且两端用螺母固定:

活塞杆贯穿设置在连接件上的活塞杆导向孔内:

两个具有联合加压作用的活塞分别连接在活塞杆的两端，并且外径分别与两个液压缸的内径相同；

而高压换向阀和低压换向阀则分别安装在高压换向阀阀腔和低压换向阀阀腔的内部，并且其上形成有能够分别与高压换向阀阀腔和低压换向阀阀腔相连通的孔。

　　[技术效果]：

该能量回收泵是利用低压海水的压力能和高压浓盐水的压力能一起来驱使活塞运动，直接将原料海水的压力提升至反渗透膜器入口操作压力。

由于该能量回收泵用于反渗透海水淡化系统时只需配备一台具有中低输出压头的原料海水泵来驱动，无需专门设置增压泵和高压泵，所以系统的能耗和设备投资都较低。

另外，本装置的能量回收率高达90％以上，并且设备成本低，因此利于在中小型反渗透海水淡化系统中推广使用。

　　方案2

提供一种能够弥补现有技术的缺陷，回收反渗透海水淡化高压浓盐水余压能量的差动式能量回收装置及方法，用以提升低压原海水的压力，完成两种高低压液体之间的能量交换，实现节约能源的目的。

该海水淡化系统的差动式能量回收装置，包括连接于低压原水泵出水口的低压原水进口、连接于高压原水泵出水口的高压原水出口、连接于反渗透装置高压浓水出水口的高压浓水进口，还包括完全相同的内部设置有第一活塞的第一液缸和内部设置有第二活塞的第二液缸，所述第一活塞将所述第一液缸分割为第一腔体和第二腔体，所述第一活塞固接有第一活塞杆，所述第二活塞将所述第二液缸分割为第三腔体和第四腔体，所述第二活塞固接有第二活塞杆。

该海水淡化系统的差动式能量回收装置采用液缸直接增压原理进行特殊设计，采用一次能量转换，经过压力交换后的高压海水压力大于浓盐水压力，不需要增压泵再次增压，能量转换效率高，节省了运行成本，进一步降低了反渗透系统的能耗。

　　方案3

提供一种结构简单、浓水能量回收效率较高的反渗透浓水能量回收装置及车载海水淡化装置。

该反渗透浓水能量回收装置，包括原水端、浓水端，所述原水端设有原水进口和原水出口，所述浓水端设有浓水进口和浓水出口。

所述原水端与浓水端之间设有无轴转子，所述无轴转子沿轴向开有多个孔道，所述原水端与浓水端之间通过所述多个孔道相遇。

该反渗透浓水能量回收装置采用直接接触正位移技术，高、低压流体在孔道中交换能量，并依靠转子的连续转动实现系统的连续运行。

能量回收装置与高压泵并联使用，在相同产水量的情况下通过减少高压泵的流量来降低能耗。

能够提高浓水能量回收效率，降低海水淡化系统整体运行费用。

我国研制出海水淡化能量回收装置

经过两年多的不断改进和持续攻关，一种具有升压功能的新型反渗透淡化用能量回收装置近日在国家海洋局天津海水淡化与综合利用研究所研制成功。

它的研究成功标志着我国有了自主知识产权的海水淡化能量回收装置，将结束我国海水淡化能量回收设备依靠进口的历史，有力地推动我国海水淡化产业化的发展。

据了解，能量回收设备、反渗透膜和高压泵并称为反渗透海水淡化技术三大关键设备。

能量回收技术的发展更是近年来反渗透海水淡化成本不断降低的重要原因，对反渗透淡化技术的产业化具有非常大的促进作用。

在国际上，此类能量回收技术属于高端技术，目前仅被少数几个发达国家所掌握。

在我国反渗透膜、高压泵均已有自主研发产品问世，而能量回收装置虽然也有高校、研究所在进行研究，但由于一些关键技术没有解决，尚未成功研制出可以工程应用的定型产品，国内反渗透海水淡化工程所用的能量回收设备全部依靠进口。

该所研制的能量回收装置采用功交换原理，包括能量交换缸、两位五通换相阀、配流阀、蓄能器、自控系统等5个主要部分。

通过巧妙的设计及实验验证，解决了将原水通过能量回收设备直接升压至所需压力、五通换相阀精确换相、消除输出压力波动等关键技术。

实验表明：

新研制出的该能量回收设备平均有效能量回收效率达到96.3%，输出压力波动仅为±

0.1兆帕，各项运行指标均达到同类产品的先进水平，而制造成本不足同类进口产品价格的一半。

目前该所已试制出了一台样机，经严格测试，各项指标均达到要求后，安装在该所质检中心反渗透膜性能检测平台上。

能量回收样机的投入使用，使检测平台的高压泵所配电机负荷从37千瓦降低到5千瓦，不但节约了检测平台的制造成本，降低了检测平台能耗，也大大降低了设备噪音，使实验室具有较好的工作环境。

目前，该所检测平台已经承担了多次反渗透海水膜检测任务，在膜检测的过程中，能量回收设备运行稳定，表现出了良好的工作性能，为膜测试工作提供了良好的技术设备保障。

信息来源《中国海洋报》

反渗透海水淡化能量回收技术的发展及应用

作者：

潘献辉时间：

2010-12-01

活塞式阀控压力交换器：

活塞式阀控压力交换器以瑞士Calder．AG公司的DWEER双功交换能量回收装置、德国KSB公司的SalTecDT压力交换器、德国SiemagTransplan公司的PES压力交换系统及Ionics公司的DYPREX动力压力交换器为代表[3、4]。

原理是采用两个大直径液缸，其中一个液缸中高压浓水推动活塞将能量传递给低压原海水向外排液，另一个液缸中供料泵压入低压原海水补液并排出低压浓水，两液缸在PLC和浓水换向阀的控制下交替排补海水，实现了浓水能量转换成原海水能量的回收过程。

活塞式阀控压力交换器需配备增压泵以使初步升压的原海水进入RO系统，由活塞隔离浓水和原海水，能量回收效率一般高于92％。

DWEER能量回收装置见图4。

国内的研究状况

国内对能量回收装置的研究起步较晚，进行反渗透用能量回收装置研究的主要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4家单位，研发方向均为双液压缸功交换式能量回收装置。

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：

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。

试验表明，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／d的反渗透海水淡化试验平台上进行了试验，取得了一定效果[5、6]，并申请了专利（专利号：

200510014295．9）。

杭州水处理中心设计的能量回收装置主要由双液压缸、止回阀和四通功能阀组成，两台液压缸通过活塞杆定位，并固定在一条直线上。

装置设计申请了发明专利（专利号：

200510050117．1）。

天津海水淡化研究所自主研发了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／h。

在反渗透海水淡化试验平台上进行了系统试验，通过168h的连续不间断运转测试表明：

装置运行稳定，有效能量回收率>

90％，压力波动<

0．2MPa。

已申请发明专利1项、实用新型专利2项（专利号分别为201010122952．2、201020129553．4、201020129553．4）。

上述几家单位的研究成果虽然还没有在海水淡化工程中得到推广应用，但工业化发展及应用前景良好。

能量回收装置性能比较及发展趋势

几种国外能量回收装置的性能对比见表1。

表1中前两种为水力透平式，用于与高压泵串联安装，通过降低高压泵所需的扬程达到节能的目的，不需要增压泵和自动阀门，但效率较低，特别是低流量时效率更低；

后三种为功交换式，用于与高压泵并联安装，通过减小高压泵所需的流量达到节能的目的，需要配置增压泵，在很宽的流量范围内均能达到较高的效率。

功交换式能量回收装置由于具有较高的能量回收效率，能更有效地降低反渗透海水淡化系统能耗的优势，已成为国内外研究和开发的热点，其产品市场占有率也呈逐年快速增长的发展趋势。

能量回收装置在国内的应用

国外能量回收装置在我国海水淡化工程中的应用情况见表2。

表2中除PX为功交换式能量回收装置外，其他均为水力透平式能量回收装置。

从发展趋势来看，前几年水力透平式应用较多，但近几年功交换式能量回收装置特别是PX在建成的海水淡化工程中已被普遍采用。

SWRO能量回收装置主要有水力透平式和功交换式两大类。

水力透平式用于与高压泵串联安装，通过降低高压泵所需扬程达到节能的目的，不需要增压泵和自动阀门，单机流量大，但效率较低，特别是低流量时效率更低；

功交换式用于与高压泵并联安装，通过减小高压泵所需流量达到节能的目的，一般需要配置增压泵，单机流量较小，可并联使用，在很宽的流量范围内均能达到较高的效率。

功交换式能量回收装置由于具有较高的能量回收效率，已经逐渐成为海水淡化行业中研究和开发的热点，其产品市场占有率也呈逐年快速增长的发展趋势，近年来国内海水淡化工程大多采用美国ERI公司的PX能量回收装置。

我国在SWRO能量回收技术方面的研发起步较晚，发展比较迟缓，装置形式较单一，大都局限于双液压缸功交换式，整体水平同国际先进技术还有很大的差距，但工业化发展及应用前景较好。

随着我国淡水资源的日益缺乏，反渗透海水淡化工程必将大力发展，因而研究开发具有自主知识产权的能量回收装置具有深远的意义。

海水淡化技术发展的一个重要目标是降低运行成本，在运行成本的构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。

反渗透海水淡化（SWRO）是目前海水淡化的主流技术之一，反渗透海水淡化过程需消耗大量电能提升进水压力以克服水的渗透压，反渗透膜排出的浓水余压高达5．5～6．5MPa，按照40％的回收率计算，排放的浓盐水中还蕴含约60％的进料水压力能量，将这一部分能量回收变成进水能量可大幅降低反渗透海水淡化的能耗，而这一目标的实现有赖于能量回收技术的利用。

通过能量回收装置的应用大幅降低了淡化水的生产成本，促进了反渗透淡化技术的推广和应用，并使之成为最具竞争力和发展速度最快的海水淡化技术。

因此，能量回收与反渗透膜和高压泵并列成为反渗透海水淡化系统中的三大关键技术。

国外SWRO能量回收技术的发展

20世纪70年代，随着反渗透技术开始用于海水／苦咸水的淡化，各种形式的能量回收装置也相继出现。

能量回收装置总体上分为两类，即水力透平式和功交换式。

水力透平式能量回收装置

最早的能量回收装置是水力透平式，瑞士Calder．AG公司的PehonWheel透平机和PumpGinard公司的Francis透平机，效率一般为50％～70％。

其原理是利用浓盐水驱动涡轮转动，通过轴与泵和电机相连，将能量输送至进料原海水，过程需要经过“水压能→机械能→水压能”两步转换[1]。

水力透平机与高压给水泵电机同轴连接，一般是高压给水泵双出轴两侧分置电机和透平机，也可以是电机双出轴两侧分置水泵和透平机。

透平机作电机的第二驱动助推电机，通过减小电机转矩，降低电机动力消耗。

在上述基础上经过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HydraulicTurbocharger。

两者均是透平机与泵一体化设计，一根转轴连接两个叶轮，全部封装在一个壳体中，浓盐水流过叶轮时通过冲击叶片而推动叶轮转动，从而驱动透平轴旋转。

透平轴直接带动增压泵工作输出机械功，浓水能量转换成原海水能量的转换效率可提高至65％～80％。

高压泵与透平机增压泵两级串联完成原海水的压力提升，通过透平增压降低高压泵所需扬程，减少电机动力消耗。

所不同的是BMET的透平增压泵与高压泵是一个整机，其中透平增压泵位于高压泵的进口（见图1）；

而Turbocharger是一个单独的装置，安装在高压泵的出口（见图2）。

功交换式能量回收装置

20世纪80年代出现了一种新的能量回收技术，其工作原理是“功交换”，通过界面或隔离物，直接把高压浓盐水的压力传递给进料海水，过程得到简化，只需要经过“水压能→水压能”的一步能量转换，能量回收效率得以提高。

1975年功交换器第一次应用在SWRO上，由于压力和流量的瞬变，致使阀寿命很短，使用不久就停止了服务。

20世纪80年代中期大型功交换器商业化开发停止，其主要原因是当时SWRO装置规模相对较小，功交换器造价高，可靠性差。

1985年，在加勒比海地区开始出现“建造–拥有–运行”（BOO）式的SWRO合同，由于加勒比海地区能源成本高，越来越多的反渗透海水淡化装置开始使用功交换器。

该地区1990年—2000年建造的9个淡化装置中共安装了17个大容量功交换器，每个装置的流量都超过1000m3／d[2]。

目前反渗透海水淡化工程中应用的功交换式能量回收装置主要为转子式压力交换器和活塞式阀控压力交换器两类，能量回收效率高达90％～97％。

转子式压力交换器：

以美国ERI公司的PX转子式压力交换能量回收装置（见图3）为代表，原理是高压浓盐水推动圆周开有多个纵向沟槽（类似于多个微型液缸）的无轴陶瓷转子旋转，使多个微型沟槽分别在两侧静止的配流盘高压区和低压区交替转换切入，进入高压区的微型液缸进行能量回收传递向外排液，进入低压区的微型液缸进行原海水补液，PX需配增压泵以使初步升压的原海水进入RO系统。

高压浓盐水与低压原海水直接传递压力，水在多个微型液缸中的停留时间很短，两种液体由一段封闭的“液体活塞”分开，能量回收效率较高，浓水能量至原海水液体能量的转换效率>

92％。