技术原理及工艺路线

高压泵是反渗透海水淡化中提供动力的关键设备，在反渗透海水淡化系统中，高压泵约占系统运行费用的35%，是影响产品水成本的主要因素之一。能量回收装置的研发及应用有效降低了反渗透系统运行电力消耗40%以上，从而间接降低了碳排放量，达到了环保的目的。此外，除了应用于反渗透海水淡化系统，部分能量回收装置在合适的工艺条件下还适用于农业灌溉、城市供水、航空航天、核电站、舰船、石油化工、水力发电等各类涉及水利系统的领域。下面针对全工况范围覆盖的三种反渗透海水淡化泵与能量回收一体机技术的原理、应用的典型工艺、技术特点及关键设备进行介绍。                  （1）自增压能量回收技术                  自增压能量回收一体机，其结构和工作原理如图1、2所示。自增压能量回收一体机主要由缸体、活塞组、连杆和换向阀等组成，两个活塞由连杆连接，活塞在圆柱形缸体内往复运动，中压海水推动活塞向右运行，对右侧进入的原海水进行增压，运行结束，通过换向阀换向，活塞向左运行，对左侧进入的原海水进行增压，上述两个过程交替有规律进行，可以实现能量回收过程的稳定运行。自增压能量回收一体机的能量回收效率可以达到92％以上，适用于日产10吨以下的小型海水淡化系统。          

图1 自增压能量回收一体机

图2 自增压能量回收一体机工作原理
其典型的工艺流程如图3所示，采用“保安过滤+一级反渗透”的处理工艺，自增压式一体机具备增压功能，无需单独配备高压泵，只需要低扬程的原水泵即可满足反渗透工艺需求。且因其水处理量小，整套工艺的规格小、集成度高，通常集成于海水淡化机中被应用于舰船等淡水需求量较小的场合。    

图3 自增压能量回收一体机应用工艺及其海水淡化工程样机
（2）柱塞式能量回收技术                  柱塞式增压泵能量回收一体机的工艺流程如图4所示，其结构（如图5所示）包括依次同轴连接的电机、增压装置及能量回收装置，增压装置为离心泵，电机与离心泵之间同轴连接，能量回收装置通过水力自驱转动，离心能量回收装置内部及二者之间均设有相通的流道，能量回收装置与离心泵之间设有加压海水进口，离心泵出水口即为连通膜组件的高压海水出口，能量回收装置包括与其内部流道相通的高压浓水进口和低压浓水出口，高压浓水将低压海水加压之后通过离心泵提供给膜组件，高压浓水泄压后经低压浓水出口排出。能量回收装置包括转子套筒，转子套筒内设有转子增压器，转子增压器内设有多道围绕转子中心均匀布置的转子流道。转子套筒距离离心泵较近的一端连接有端盖一，端盖一与离心泵连接，高压海水流道沿轴向设在端盖一内，低压海水进口设在端盖一的周向一侧。转子套筒距离离心泵较远的一端连接有端盖二，高压浓水进口设在端盖二的周向一侧，低压浓水出口设在端盖二的周向另一侧。          

图4 柱塞式增压泵能量回收一体机及其工艺流程图（200-1000m³/d）

1电机，2离心泵，3端盖一，3-1高压海水流道，4环压块一，5转子套筒，6环压块二，7端盖二，8支架，9转子，10支撑座。

图5 柱塞式增压泵能量回收一体机结构（200-1000m³/d）

柱塞式高压泵能量回收一体机的工艺如图6所示，其相比增压泵能量回收一体机少了一台高压泵，但同时水处理量的范围也有明显降低。装置结构如图7所示，包含柱塞泵端以及柱塞马达端，皆为轴向柱塞泵的结构形式且两端转子同轴连接。高压盐水驱动装置马达端转子转动后变为泄压盐水，转化的轴功作用于泵端，为低压海水增压转化为高压海水提供动力。      

图6 柱塞式高压泵能量回收一体机及其工艺流程图（20-240m³/d）

1前置斜盘，2泵端弹簧，3能量回收端弹簧，4后置斜盘，5能量回收端套筒，6外盖板，7中间盖板，8泵端外壳，9泵端盖，10泵端柱塞，11泵端柱塞底座，12能量回收端外壳，13能量回收端柱塞，14能量回收端柱塞底座，15能量回收端盖，16泵轴，17传动块，18能量回收轴，19泵端套筒

图7 柱塞式高压泵能量回收一体机结构图（20-240m³/d）

图8 柱塞式高压泵能量回收系统整体工艺结构（20-240m³/d）
（3）透平式能量回收技术（4）透平式能量回收一体机，其结构如图8（1）所示，通过将水力透平与高压泵、电机等一体化耦合运行，利用反渗透膜元件的高压浓盐水驱动水力透平，将压力能转换为机械能，带动泵旋转对进料海水加压，降低电机的输入功率，达到节能效果。透平式能量回收一体机的反渗透海水淡化系统的典型工艺流程如图8（2）所示，一体机泵端进口设置增压泵使海水获得较高的进口压力，经一体机泵端继续增压后进入反渗透膜，海水经脱盐处理转化为部分淡水，剩余部分转化为盐浓度更高的浓排水进入一体机中。由于浓排水仍然具有较高的压力，因此可以驱动一体机透平端叶轮转动产生带动泵端叶轮的机械能，浓排水泄压后可作为无害废水排放或进入下一级反渗透系统。

图8 透平式能量回收一体机及其工艺流程图

图9 500吨/天透平式能量回收系统整体工艺结构（不含前处理）

技术适应性分析

对于应用能量回收技术的反渗透海水淡化系统，多应用于淡水资源匮乏的地区以及海洋舰船、平台等淡水资源运输困难的场合。不同的能量回收装置适用于不同的反渗透海水淡化规模，如使用自增压式能量回收技术的海水淡化机，日产水量一般为10吨以下，可于远洋舰船船载使用，为船员提供基本的淡水保障；使用柱塞式能量回收一体机的海水淡化系统日产水量一般为20-1000吨，可为距离大陆偏远的海岛居民提供淡水，满足上千人的基本生活需要，或者为局部水质较差（如苦咸水）的地区水质起到改善作用；使用透平式能量回收一体机的大型甚至超大型海水淡化系统，日产水量随规模的不同可达500-20000吨甚至更高，可设立海水淡化厂，作为地区性淡水增量为居民供水。                  以上能量回收装置对预处理工艺具有不同的要求，且海水淡化系统的工艺设计受不同地区海水水质的影响，设计方案也会有偏差。需综合考虑当地的温度、海水含盐量、浊度等因素。此外，还需要考虑电力的影响，在缺乏供电的条件下，需要综合考虑对太阳能、风能等多能耦合的可再生能源合理利用，以及必要时使用应急发电设备保证对电力的供给。

技术稳定性分析

可以保持稳定。需先保证对不同产水规模的反渗透设备匹配了合适的能量回收装置，此外反渗透海水淡化系统在设计前需充分对当地海水水质进行充分调研，在此基础上进行反渗透系统设计可降低对此类环境参数的敏感程度，保证不同季节不同温度条件下不同回收率能满足应季的供水需求。                  技术参数的干扰方面，对于使用风光再生多能耦合的海水淡化反渗透系统，存在风光互补储能稳定性的问题，通过优化控制策略，合理控制模块、供能及储能模块、海水淡化模块、数据采集与存储模块等技术手段可以有效解决。

技术安全性分析

该技术不存在产生二次污染、易燃易爆高毒性物质泄露等环境、安全事故的风险。整套反渗透工艺需要保证上游电力资源不间断供给，对于电力资源得不到保证的条件下，可考虑多能耦合的海水淡化反渗透系统，利用风光等可再生能源保证电力的供给。对于沿海淡水无法供给的地区，海水淡化是最佳选择，其中反渗透海水淡化技术也最为成熟。此外，我国多个省市把海水淡化水并入城市供水管网，有效缓解了局部地区用水压力，海水淡化随着技术的改进已经完全被市场接受。