2018, Vol. 35
2. 天津市膜科学与海水淡化技术重点实验室, 天津 300072
2. Tianjin Key Laboratory of Membrane Science and Desalination Technology, Tianjin 300072, China
作为一种高效率的海水脱盐技术，反渗透海水淡化已经成为当前解决淡水资源短缺问题的现实有效的选择[1-5]。等压式能量回收装置的迅速发展和运用是反渗透海水淡化技术得以广泛应用的关键因素之一[6-7]。目前，等压式能量回收装置主要有2种形式：阀控式能量回收装置(如DWEER型装置[8])和旋转式能量回收装置(如PX型装置[9-10])。旋转式能量回收装置(RERD)由于具有能量回收效率高，处理量灵活，安装体积小等优点，目前已经成为应用最广泛的产品类型之一[9]。
我国对于反渗透海水淡化系统中的能量回收装置的研究起步较晚，国内已建和在建的大型反渗透海水淡化工程中的能量回收装置仍主要依赖进口，实现能量回收装置的国产化开发已成为我国海水淡化产业发展的重要目标[11]。天津大学从2005年开始对旋转式能量回收装置进行研究和探索，包括利用CFD模拟方法对转子内部流体力学特性和流体混合进行研究[12-13]及开发新的旋转式能量回收装置，并对其性能进行评价[14-16]。但是值得关注的是，上述研究工作基本上都是建立在反渗透海水淡化仿真系统平台上进行的，虽然能有效反映能量回收装置的主要性能指标，但从装置工程推广的角度看，在真实的SWRO系统中进行装置的示范应用和测试更具说服力。
为了在真实的SWRO系统中评测RERD装置的工作性能和运行稳定性，本研究建立了一套完整的反渗透海水淡化系统，重新设计了一套新的RERD。装置的设计处理量为15.0 m3/h，采用分体式结构，使得装置在安装和拆卸过程中更加方便，装置内转子和端盘间的端面间隙也易实现精确控制和调节。同时，平面端盘磨损后，只需要进行重新磨平，对装置的端盘和转子间的总间隙不会产生影响。本研究采用PEEK平面端盘-不锈钢316 L转子摩擦副配对方式，在装置上、下端盘与转子间总间隙为0.04 mm条件下，对新设计的RERD与反渗透海水淡化系统的耦合运行性能进行了测试分析，并对装置的运行稳定性进行了评价。
1 RERD结构设计RERD结构主要包括端盘、转子和套筒3个部件。上、下端盘与转子配对形成了装置的1对摩擦副。转子内置在套筒中，上、下端盘端面与套筒的端面保持水平。
1.1 端盘端盘设计中比较重要的是集液槽结构的设计，2个端盘与转子“接触”的面上设有盘形集液槽以扩大进流面积。端盘的材料采用的是PEEK(聚醚醚酮)，在转速不超过1 000 r/min时其摩擦系数随着转速的升高而下降，是一种比较理想的摩擦副材料。图 1为端盘的结构示意图。
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| 图 1 外驱旋转式能量回收装置端盘结构 Figure 1 End cover structure of the RERD |
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转子设计中比较重要的是转子的孔道大小和转子的进流长度L。
本研究在设计新的RERD转子时，对该装置转子的进流长度L进行了理论核算。在装置的处理量为15 m3/h，转子的转速500 r/min情况下，设定转子孔道直径为0.03 m。最终转子的理论进流长度L的核算结果为L=0.11 m。此外，转子的材质采用的是不锈钢316 L。图 2为转子的结构示意图。
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| 图 2 转子三维结构示意图 Figure 2 Three-Dimensional structure of the rotor |
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套筒对装置的上端盘和下端盘起主要支撑作用，套筒的高度也是决定转子与端盘间隙的主控因素。本装置设计中套筒和转子2个端面间的总间隙为0.04 mm。图 3为套筒的三维结构示意图。
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| 图 3 套筒三维结构示意图 Figure 3 Three-Dimensional structure of the sleeve |
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建立了一套完整的反渗透海水淡化系统试验平台，为新设计的RERD性能测试和装置的稳定性运行提供了良好的试验条件。图 4为反渗透海水淡化系统试验平台工艺流程图。
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| 图 4 反渗透海水淡化系统试验平台工艺流程 Figure 4 The experiment platform of SWRO system |
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从图 4可以看出，首先，低压原料海水由给水泵从原水箱中抽出，经过滤器过滤后分别输送给高压泵和RERD。经高压泵升压后的高压海水与经过RERD和增压泵加压后的增压海水汇合后共同作为RO膜的进料。在高压泵出口管道中设置有旁路阀，用于调节高压泵出口海水的压力大小。高压泵的进出口连接管道上分别安装有低压保护(PSL)和高压保护仪(PSH)，防止高压泵入口压力过低及出口压力过高带来的安全问题。在反渗透海水淡化系统及RERD进出口的主要管路上分别设置有压力变送器和流量变送器，实现对RERD运行指标的全面监控。此外，通过在RERD的高压进口与高压出口管路、低压进口与低压出口管路上分别安装有差压变送器PDH和PDL，用来分别监测流经RERD的高压流体和低压流体的压力损失。旋转式能量回收装置与反渗透海水淡化系统耦合试验现场如图 5所示。
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| 图 5 旋转式能量回收装置与反渗透海水淡化系统耦合试验现场 Figure 5 The experiment field of RERD coupled with SWRO system |
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控制转子与上下端盘之间的配合间隙为0.04 mm，在保持RERD各股流体流通及装置静态不旋转的前提下，进行静态打压试验，通过检测高压盐水的流量与增压海水的流量之间的差别，测试装置在静态条件下的泄漏量指标。图 6是装置的处理量为13 m3/h，系统操作压力由0.11 MPa逐渐升高到6.0 MPa时，装置的静态泄漏量随操作压力的变化曲线。其中装置的泄漏量按公式(1)计算。
| $ {Q_{\rm{L}}}={Q_{{\rm{bi}}}} - {Q_{{\rm{so}}}} $ | (1) |
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| 图 6 装置静态泄漏量随反渗透膜的操作压力的变化曲线 Figure 6 Static leakage of the device with the change of operating pressure of the SWRO membrane |
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从图 6中可以看出，装置的静态泄漏量随着反渗透膜的操作压力的升高而逐渐增大，当操作压力为6.0 MPa时，装置的静态泄漏量仅为0.105 m3/h，这说明装置在静态打压下密封性能良好。
3.1.2 装置的动态泄漏量试验在保持装置的处理量13 m3/h，转子的转速为500 r/min的条件下，阶梯升高压力进行装置的动态密封性能测试。图 7描述了不同的反渗透膜操作压力下对应的装置泄漏量和能量回收效率变化曲线。试验从0.12 MPa逐渐升高到6.0 MPa，装置在电机的额定扭矩下可以正常工作。装置的能量回收效率按公式(2)计算。
| $ \eta = \frac{{{P_{{\rm{so}}}} \times {Q_{{\rm{so}}}} + {P_{{\rm{bo}}}} \times {Q_{{\rm{bo}}}}}}{{{P_{{\rm{si}}}} \times {Q_{{\rm{si}}}} + {P_{{\rm{bi}}}} \times {Q_{{\rm{bi}}}}}} $ | (2) |
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| 图 7 装置泄漏量和能量回收效率随反渗透膜操作压力的变化曲线 Figure 7 Variations of the leakage and energy recovery efficiency with the change of operating pressure of the SWRO membrane |
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从图 7曲线中可以看出，RERD在动态运行条件下，其泄漏量随着操作压力的升高而不断地增大。增大的趋势是当操作压力低于4.0 MPa时，先快速增加，后趋于平缓增加。分析的原因是RERD中转子和端盘之间的密封方式采用的是间隙密封，在操作压力较低时，由于转子的自重，转子与下端盘接触、转子与上端盘之间的端面间隙为0.04 mm，装置的泄漏量随着操作压力的增加而增加。当装置的操作压力不断增大时，转子将处于悬浮状态，转子与下端盘分离，与上端盘之间的间隙不断地减小，导致装置的泄漏量虽然仍不断增加但是趋势逐渐变缓。当操作压力达到4.0 MPa以后，装置的泄漏量又迅速地增加。分析的原因是：装置的泄漏量是由高、低压集液槽之间的压力差推动的，当操作压力升高时，高低压流体间的压力差也将增大，装置的泄漏量也随着变大。从图 7中还可以看出，装置能量回收效率呈先快速增大后趋于平稳的变化趋势。装置的能量回收效率在操作压力为2.0 MPa时即达到了90.01%。当操作压力为6.0 MPa时，装置的泄漏量为0.57 m3/h，对应装置的能量回收效率为91.2%。分析的原因可能是：装置的能量回收效率受两个因素的影响：泄漏量和操作压力。在操作压力低于2.0 MPa时，装置的能量回收效率主要由操作压力所决定的，装置的泄漏量影响较小。因此装置的效率呈快速增长趋势。继续升高压力，装置的泄漏量增大到一定数值，装置的能量回收效率此时由泄漏量和操作压力共同决定，两者对能量回收效率的的影响结果相当。所以在操作压力达到2.0 MPa以后，装置的能量回收效率基本可以保持在91.2%。
3.2 RERD与反渗透系统耦合运行稳定性测试为了探究装置的运行稳定性能，对RERD和反渗透系统耦合进行了稳定性运行试验。试验完成了不同装置处理量下的耦合稳定性运行测试。装置的处理量从9 m3/h依次增加到16 m3/h。装置稳定性运行总时间为240 min。其中RERD的处理量为16 m3/h时，装置运行了40 min。本研究对该工况下装置的性能进行了评价。
保持RERD的处理量为16 m3/h，转子转速为500 r/min，反渗透膜的操作压力达到6.0 MPa条件下，进行反渗透系统和RERD耦合的稳定性运行试验。测试进、出能量回收装置4股流体的流量、压力变化以及高压流体与低压流体的压力损失，并计算了装置的能量回收效率。
图 8描述了进、出装置的4股流体的流量波动随着装置运行时间的变化曲线。从图 8中可以看出：低压海水的流量基本保持16.0~16.2 m3/h，泄压盐水的流量基本保持为16.6 m3/h。高压盐水的流量基本保持在16.0 m3/h，增压海水的流量变化幅度较小。增压海水是通过高压盐水对低压海水进行增压后得到的，增压海水的流量基本保持在15.4 m3/h。这4股流体整体上均没有明显的波动。这说明在该工况下，高压盐水和低压海水的流量具有良好的匹配性，装置在整个运行过程中具有良好的稳定性能。
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| 图 8 装置4股流量随着装置连续运行时间变化的曲线 Figure 8 Flow variations of four flows during the long-time operation |
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图 9是进、出能量回收装置4股流体对应的压力波动曲线。从图 9中可以看出，高压盐水的压力基本保持在5.98 MPa，增压海水的压力基本保持在5.89 MPa，其波动规律与高压盐水的基本一致，整体上无明显地波动。低压海水的压力始终保持在0.137 MPa，泄压盐水的压力始终保持在0.019 MPa，其压力没有明显的波动，整体上比较稳定。
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| 图 9 高低压流体的压力波动曲线 Figure 9 Pressure variations of the high and low pressure flows during the long-term operation |
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图 10描述了高、低压流体的压力损失随装置连续运行的变化曲线。高、低压流体的压力损失波动幅度很小。这说明RERD成功地回收了高压盐水的压力能，且装置在整个运行过程中具有良好的稳定性能。
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| 图 10 高、低压流体的压力损失随着装置连续运行的变化曲线 Figure 10 Differential pressure of high and lowpressure flows during the long-term operation |
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图 11给出了在此工况下，对应上述时间段内装置的能量回收效率波动曲线。从图 11中可以看出，装置的能量回收效率基本保持在92.5%，说明装置的运行比较稳定。相比于同条件的装置处理量为13 m3/h时装置的能量回收效率为91.2%来说，装置的能量回收效率有了进一步地提高。因此，要想进一步的提高装置的能量回收效率，可以通过增大装置的处理量来实现。
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| 图 11 稳定性运行中能量回收效率波动曲线 Figure 11 Variations of the energy recovery efficiency during the long-term operation |
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1) 新设计加工完成的RERD装置运用到真实的反渗透海水淡化系统中，测试其装置的性能，在静态装置泄漏量试验中，装置的密封性能良好。在操作压力达到6.0 MPa时，装置的静态泄漏量仅为0.105 m3/h。
2) 在操作压力为6.0 MPa，装置的处理量为13 m3/h，装置的转子转速为500 r/min，装置的动态泄漏量为0.57 m3/h时，对应装置的能量回收效率为91.2%。
3) 在装置的操作压力达到6.0 MPa，装置的处理量为16 m3/h，转子转速为500 r/min时，对装置进行了稳定性运行试验。系统的稳定性良好，进出RERD 4股流体的流量和压力波动较小，能量回收效率平均能达到92.5%。
符号说明：
PTdH—高压流体的压力损失，MPa；
PTdL—低压流体的压力损失，MPa；
Pbi—高压浓盐水的压力，MPa；
Pbo—泄压浓盐水的压力，MPa；
Psi—低压海水的压力，MPa；
Pso—增压海水的压力，MPa；
P2—反渗透膜的操作压力，MPa；
Qbi—高压浓盐水的流量，m3·h-1；
Qbo—泄压浓盐水的流量，m3·h-1；
Qsi—低压海水的流量，m3·h-1；
Qso—增压海水的流量，m3·h-1；
QL—装置的泄漏量，m3·h-1；
η—装置的能量回收效率。
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