CN101985951B - 一种电液换向能量回收装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电液换向能量回收装置，控制简单，压力波动小，它包括电液换向阀、两根压力交换管和四只单向止回阀；每根压力交换管内置一个自由活塞，并将压力交换管分成两个工作腔，分别是被输送液工作腔和废弃液工作腔；本发明具有以下有益效果：由于电液换向阀采用电磁先导阀先导控制，主阀是靠电磁先导阀操纵控制系统管路上的高压废弃液推动的，因此推力可以很大，操作也很方便，换向比较平稳快速，较适合用于高压、大流量的反渗透淡化系统。

Description

一种电液换向能量回收装置

技术领域

本发明涉及一种将压力能从一种流体传递到另一种流体的压力交换装置，尤其是指用于反渗透海水淡化系统的电液换向能量回收装置。

背景技术

反渗透技术属于压力驱动的膜分离技术，其过程操作中采用的半渗透膜有机地将淡水和浓海水隔离开，在高压力的作用下将海水或苦咸水中的淡水进行分离的过程。被分离出的淡水以渗透液的形式流出，剩余的被浓缩的海水或苦咸水以浓盐水的形式被排放。在我国反渗透海水淡化工程中操作压力一般介于5.0～6.8MPa，从膜组器中排放的浓海水的压力仍高达4.8～6.6MPa。如果按照通常40％的水回收率计算，浓海水中约有60％的进料压力能量，具有巨大的回收价值和意义。

基于反渗透海水淡化系统的能量回收装置目前主要有水力涡轮型、差压交换型和等压交换型。这三种设计，其能量交换的主体结构均采用较为复杂的运动部件。此外，水力涡轮型能量回收装置效率偏低，一般能量回收效率在40％～70％之间；差压交换型能量回收装置处理能量偏小，不适合用于大规模系统；等压交换型能量回收装置效率高达94％以上，目前已成为国内外研究和推广的重点。

中国专利ZL98809685.4公布了一种压力交换器，该压力交换器受转子的转速和转子通道的容积的限制，单台PX的处理量较小，其次采用转子通道没有设置实体活塞来进行隔离海水与浓海水的混合，混合段牺牲了转子通道约50％的容积，同时增压后的高压海水含盐度增加，进而提高系统的操作压力；最后流量变化时会影响转子转速，造成系统运行不稳定，而且转子运转过程中发出的大量噪音严重污染了周边环境。

瑞士CALDER AG公司的双压力容器功交换能量回收器(DWEER)，其执行浓海水导向的LinX阀采用油压先导驱动，为此不仅要配置一个独立的油压系统，而且容易漏油，污染海洋环境。

中国专利ZL01130627.0公布了一种反渗透淡化系统阀控余压回收装置。该装置采用4只电磁三通阀来切换高压浓水与低压海水换向，由于电磁三通阀切换速度慢，至少需要并联2套装置交替工作才能满足反渗透系统对压力和流量波动的要求；同时由于海水淡化工况下高低压侧压差很大，首先要有足够大力矩的电磁头才能驱动电磁三通阀，其次电磁三通阀要克服高低压侧不平衡力实现长期稳定运行，这在目前还是一道难题；该装置需要比较复杂的阀控系统，切换瞬间电磁三通阀之间相互间不能形成可靠的机械互锁，极易出现高压泄压现象，进而造成反渗透系统压力和流量出现大的波动，实际应用受到限制。

发明内容

本发明的目的是提供一种电液换向能量回收装置，控制简单，压力波动小。为此，本发明采用以下技术方案：它包括电液换向阀、两根压力交换管和四只单向止回阀；

每根压力交换管内置一个自由活塞，并将压力交换管分成两个工作腔，分别是被输送液工作腔和废弃液工作腔；

所述四只单向止回阀被平分成两组，每组单向阀的一个为用于向被输送液工作腔输送被输送液并防止逆流用单向阀，另一个为高压被输送液从输送液工作腔中压出并防止逆流用单向阀，每组单向阀分别与一个压力交换管的被输送液工作腔相连，所述单向止回阀中方向为压出压力交换管的两只单向止回阀的出口通过管路相连；所述单向止回阀中方向为压入压力交换管的两只单向止回阀的进口通过管路相连；

所述电液换向阀由一个三位四通的电磁先导阀和一个三位四通的主阀构成；

先导阀设有阀杆及供阀杆轴向运动的阀腔，所述阀腔具有第P₁通口、第K₁₀通口、第K₂₀通口、第O₁通口，第P₁通口为高压废弃液进口，第O₁通口为废弃液排放口；先导阀的阀杆的两端分别设有复位弹簧；

所述先导阀设有驱动阀杆轴向运动的电磁铁以及电磁铁的控制机构；

第P₁通口、第K₁₀通口、第K₂₀通口、第O₁₀通口的位置和先导阀阀杆有以下配合关系：先导阀阀杆沿其运动路径具有第一工作位、第二工作位、第一工作位和第二工作位之间的中间工作位；在第一工作位时，第P₁通口和第K₁₀通口接通，第O₁通口和第K₂₀通口接通，在第二工作位时，第P₁通口和第K₂₀通口接通，第O₁通口和第K₁₀通口接通，在中间工作位时，第O₁通口和第K₁₀通口、第K₂₀通口接通；

主阀设有阀杆及供阀杆轴向运动的阀腔，所述阀腔具有第P₂通口、第A通口、第B通口、第O₂通口，所述两根压力交换管的废弃液工作腔分别和第A通口、第B通口接通，第P₂通口为高压废弃液进口，第O₂通口为废弃液排放口；所述主阀的两端设有阀杆驱动腔，所述两端的阀杆驱动腔分别设有控制口，所述控制口分别和先导阀的第K₁₀通口、第K₂控制口接通；主阀的阀杆的两端分别设有复位弹簧；

第P₂通口、第A通口、第B通口、第O₂通口的位置和主阀阀杆有以下配合关系：主阀阀杆沿其运动路径具有第一工作位、第二工作位、第一工作位和第二工作位之间的中间工作位；在第一工作位时，第P₂通口和第A通口接通，第O₂通口和第B通口接通，在第二工作位时，第P₂通口和第B通口接通，第O₂通口和第A通口接通，在中间工作位时，第P₂通口和第A通口、第B通口接通。

由于采用本发明的技术方案，本发明具有以下有益效果：

1.由于电液换向阀采用电磁先导阀先导控制，主阀是靠电磁先导阀操纵控制系统管路上的高压废弃液推动的，因此推力可以很大，操作也很方便，换向比较平稳快速，较适合用于高压、大流量的反渗透淡化系统。

2.由于电液换向阀采用三位四通阀结构，无论是从第一工作位切换到第二工作，还是从第一工作位切换到第二工作，切换瞬间都经过中位，此时第P₂通口和第A通口、第B通口均接通，这样一方面可以使高压废弃液连续输入和高压被输送液连续输出，保证反渗透淡化系统的压力和流量的平稳性，另一方面可以减小两个压力交换管工作切换瞬间的水击现象。

3.由于采用电液换向阀作为废弃液导向阀，可以形成可靠的机械互锁，阀门切换瞬间不会发生“高、低压液体串流”的现象。

4.由于压力交换管被输送液工作腔按规律设置了4只单向止回阀，可以根据压力交换管内压力情况自动启闭，不但可以简化装置控制系统，而且不容易出现故障。

5.在示范工程中经过长时间的运行，装置运行平稳，噪音低，能量回收效率高达95％以上，具有较高实用价值，产生了一定的经济效益和社会效益。

附图说明

图1为本发明在反渗透淡化系统中应用的系统示意图。

图2为本发明的电液换向阀的结构剖视图。

具体实施方式

参照附图。本发明包括电液换向阀、两根压力交换管11、12和四只单向止回阀21、22、23、24；

压力交换管11内设置有自由活塞110，并将其分成两个工作腔，分别是被输送液工作腔111和废弃液工作腔112；压力交换管12内设有自由活塞120，并将其分成两个工作腔，分别是被输送液工作腔121和废弃液工作腔122；

所述四只单向止回阀被平分成两组，单向止回阀21、22为一组与压力交换管11的被输送液工作腔111连通，单向止回阀21和单向止回阀22的方向相反，单向止回阀23、24为一组与压力交换管12的被输送液工作腔121连通，单向止回阀23和单向止回阀24的方向相反，单向止回阀22和24通过管路206相连。

所述电液换向阀由一个三位四通的电磁先导阀3和一个三位四通的主阀4构成；

先导阀3设有阀杆31及供阀杆31轴向运动的阀腔32，所述阀腔具有第P₁通口、第K₁₀通口、第K₂₀通口、第O₁通口，第O₁通口在阀腔处有左右两个进口，在阀腔32上，沿轴向依次为第O₁通口左侧进口、第K₁₀通口、第P₁通口、第K₂₀通口、第O₁通口右侧进口；第P₁通口为高压废弃液进口，第O₁通口为废弃液排放口；先导阀的阀杆的两端分别设有复位弹簧33；

所述先导阀在两端设有驱动阀杆31轴向运动的电磁铁1YA、2YA以及电磁铁的控制机构，使得电磁铁1YA、2YA在控制机构的控制下按一定的时序动作，使阀杆31被电磁铁1YA、2YA循环推动，循环处在第一工作位、第一工作位和第二工作位之间的中间工作位、第二工作位。

在第一工作位时，第P₁通口和第K₁₀通口接通，第O₁通口和第K₂₀通口接通，在第二工作位时，第P₁通口和第K₂₀通口接通，第O₁通口和第K₁₀通口接通，在中间工作位时，第O₁通口和第K₁₀通口、第K₂₀通口接通；

主阀4设有阀杆41及供阀杆轴向运动的阀腔42，所述阀腔具有第P₂通口、第A通口、第B通口、第O₂通口，第O₂通口在阀腔处有左右两个进口，在阀腔42上，沿轴向依次为第O₂通口左侧进口、第B通口、第P₂通口、第A通口、第O₂通口右侧进口；压力交换管11的废弃液工作腔112和第B通口连通，压力交换管12的废弃液工作腔122和第A通口连通，第P₂通口为高压废弃液进口，第O₂通口为废弃液排放口，所述主阀的两端设有阀杆驱动腔Q₁、Q₂，所述两端的阀杆驱动腔Q₁、Q₂分别设有第K₁控制口、第K₂控制口，第K₁控制口和先导阀的第K₁₀通口接通，第K₂控制口和先导阀的第K₂₀通口接通；主阀的阀杆的两端分别设有复位弹簧43；

按照电磁先导阀在不同工作位，主阀的阀杆在其控制下相应地处于不同工作位；主阀阀杆循环处在第一工作位、第一工作位和第二工作位之间的中间工作位、第二工作位。在第一工作位时，第P₂通口和第A通口接通，第O₂通口和第B通口接通，在第二工作位时，第P₂通口和第B通口接通，第O₂通口和第A通口接通，在中间工作位时，第P₂通口和第A通口、第B通口接通。

所述电液换向能量回收装置可采用多套并联使用。

在图1中，标号201为反渗透系统中的膜组器，标号202为反渗透系统中的海水预处理装置，标号

为压力表，标号

为流量计，标号203为反渗透系统中的高压泵，标号204为反渗透系统中的增压泵，标号205为反渗透系统中的压力提升泵。单向止回阀21、23分别为压力交换管11、12的被输送液工作腔的进水单向止回阀，单向止回阀22、24分别为压力交换管11、12的被输送液工作腔的出水单向止回阀，单向止回阀22、24通过管路206相连后与压力提升泵205接通，然后进入膜组器201的进口端，膜组器201的高压废弃液出口与电磁先导阀的第P₁通口和主阀的第P₂通口接通。

所述的电液换向阀是所述能量回收装置唯一主动控制阀，通过控制电磁铁的得失电，使所述能量回收装置进入以下相应的工作状态：

1、电磁铁1YA失电，2YA得电时

电磁先导阀3右位接入回路，即其阀杆31被电磁铁推动轴向运动至第二工作位，第P₁通口和第K₂₀通口接通，第O₁通口和第K₁₀通口接通，高压废弃液经第P₁通口和第K₂₀通口接通流入主阀的第K₂通口，驱动主阀杆左移至处于第二工作位，主阀的右位接入回路，主阀的第P₂通口和第B通口接通，第O₂通口和第A通口接通。此时，高压废弃液进入压力交换管11废弃液工作腔112，单向止回阀21自动关闭，单向止回阀22自动打开，压力交换管11被输送液工作腔111的被输送液在高压废弃液通过自由活塞110的推动下被增压为高压被输送液而输出；同时，单向止回阀24在所述高压被输送液的作用下自动关闭，单向止回阀23在低压被输送液的压力驱动下自动打开，低压被输送液进入压力交换管12被输送液工作腔121，并通过自由活塞120推动压力交换管12废弃液工作腔122中的被交换压力后的废弃液经主阀口O₂向外排放。

在主阀阀杆41移动时，主阀驱动腔Q₁内的液体，按照第K₁控制口、第K₁₀控制口、第O₁通口的路径向外排放。

2、所述电磁铁1YA、2YA都失电时

电磁先导阀3中位接入回路，即其阀杆31在弹簧力的作用下自动处于中间工作位，第O₁通口和第K₁₀通口、第K₂₀通口接通，主阀的第Q₁驱动腔和第Q₂驱动腔内的液体向外零压排放，主阀的阀杆41在弹簧力作用下自动处于中间工作位，第P₂通口和第A通口、第B通口接通。此时，高压废弃液同时进入压力交换管11废弃液工作腔112和压力交换管12废弃液工作腔122，单向止回阀21、单向止回阀23自动关闭，单向止回阀22、单向止回阀24自动打开，压力交换管11的被输送液工作腔111和压力交换管12的被输送液工作腔121的被输送液在高压废弃液通过自由活塞110、自由活塞120的推动下被增压为高压被输送液而输出。

3、电磁铁1YA得电，2YA失电时

电磁先导阀3左位接入回路，即其阀杆31被吸引轴向运动至第一工作位，第P₁通口和第K₁₀通口接通，第O₁通口和第K₂₀通口接通，高压废弃液经第P₁通口和第K₁₀通口接通流入主阀的第K₁通口，驱动主阀杆右移至处于第一工作位，主阀的左位接入回路，主阀的第P₂通口和第A通口接通，第O₂通口和第B通口接通。此时，高压废弃液进入压力交换管12废弃液工作腔122，单向止回阀23自动关闭，单向止回阀24自动打开，压力交换管12被输送液工作腔121的被输送液在高压废弃液通过自由活塞120的推动下被增压为高压被输送液而输出；同时，单向止回阀22在所述高压被输送液的作用下自动关闭，单向止回阀21在低压被输送液的压力驱动下自动打开，低压被输送液进入压力交换管11被输送液工作腔111，并通过自由活塞110推动压力交换管11废弃液工作腔112中的被交换压力后的废弃液经主阀口O₂向外排放。

在主阀阀杆41移动时，主阀驱动腔Q₂内的液体，按照第K₂控制口、第K₂₀控制口、第O₁通口的路径向外排放。

所述电液换向能量回收装置，根据系统流量计算出上述切换时间，确定系统循环频率，由电磁换向阀的所述控制装置执行时序控制，使电磁铁1YA和2YA按照时序动作，使电液换向阀按“中位→左位→中位→右位→中位→左位→……”的切换规律循环动作，完成废弃液余压能量回收再利用。

以上所描述的具体实施方式以以日产淡水1000m³/d，水回收率40％的反渗透海水淡化工程为例，以下结合附图1给本发明做进一步的陈述：

以所述电液换向能量回收装置为能量回收装置，负载处理流量约60～65m³/h，装置循环频率为2次/min。

工作时按以下步骤启动装置：启动电液换向能量回收装置，接着依次打开增压泵204、压力提升泵205，经过1～3分钟低压排气后，启动高压泵203，设备进入正常运行状态。之后的工作过程如下：

进料海水经过增压泵204增压后进入预处理装置202，经过预处理出来的海水分成二路，一路海水(约40％)由高压泵203直接升压到海水淡化额定操作压力；另一路海水(约60％)也即被输送液进入电液换向能量回收装置的被输送液工作腔，经电液换向能量回收装置进行压力交换后，再经压力提升泵205增压至海水淡化额定操作压力，与前一路高压海水汇合后共同作为膜组器的进料。膜组器高压侧的高压浓海水也即高压废弃液进入电液换向能量回收装置压力交换管的废弃液工作腔，与低压海水也即被输送液压力交换后排出系统；透过膜组器的淡水供给用户使用。压力交换过程如前所述循环进行。

表1给出了1000m³/d反渗透海水淡化工程中能量回收装置电液换向阀动作循环表。正常运行时，电磁换向阀的所述控制装置也即PLC自动控制电磁铁从“状态A→状态B₁→状态C→状态B₂→回到状态A，继续循环……”。电液换向阀处于状态B时主阀第P₂通口和第A通口、第B通口接通，该状态持续时间一般应控制在1s以下。

表1：电液换向阀动作循环表

参照图1及表2，表2给出了1000m³/d反渗透海水淡化系统在应用所述能量回收装置后显示在图1中的各点的流量-压力平衡表，通过压力提升泵的流量等于从膜组器中排放出的浓海水流量减去电液换向阀的少量控制用水；通过高压泵的流量等于系统产水流量与电液换向阀的少量控制用水之和。

表2：系统各点流量-压力平衡表

以图1日产淡水1000m³/d，水回收率40％的反渗透海水淡化工程为例，在25℃，给水浓度为35000mg/L，pH＝7条件下，在无能量回收装置情况下，系统本体能耗为6.4kWh/m³，在使用本发明能量回收装置后系统本体能耗为2.4kWh/m³例，预计可以节省能耗与费用如下：

以吨水可节约用电：4.0kWh/m³；电价：0.8元/kWh；开工率：80％计，则每年节电总费用为：

ξ＝1000×365×0.8×4.0×0.8/10000＝93.44(万元/年)

以1000m³/d的海水淡化装置为例，不带能量回收装置的系统高压泵流量需要105m³/h，而带本发明能量回收装置的系统高压泵流量仅需42m³/h，因此采用能量回收装置可以大幅降低海水淡化高压泵的投资，经济效率十分明显。

最后，还需要注意的是，以上仅是本发明的一个实施例子。显然本发明不限于以上例子，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种电液换向能量回收装置，其特征在于它包括电液换向阀、两根压力交换管和四只单向止回阀；

每根压力交换管内置一个自由活塞，并将压力交换管分成两个工作腔，分别是被输送液工作腔和废弃液工作腔；

所述四只单向止回阀被平分成两组，每组单向阀的一个为用于向被输送液工作腔输送被输送液并防止逆流用单向阀，另一个为高压被输送液从被输送液工作腔中压出并防止逆流用单向阀，每组单向阀分别与一个压力交换管的被输送液工作腔相连；

所述单向止回阀中方向为压出压力交换管的两只单向止回阀的出口通过管路相连；所述单向止回阀中方向为压入压力交换管的两只单向止回阀的进口通过管路相连；

所述电液换向阀由一个三位四通的电磁先导阀和一个三位四通的主阀构成；

先导阀设有阀杆及供阀杆轴向运动的阀腔，所述阀腔具有第P₁通口、第K₁₀通口、第K₂₀通口、第O₁通口，第P₁通口为高压废弃液进口，第O₁通口为废弃液排放口；先导阀的阀杆的两端分别设有复位弹簧；

所述先导阀设有驱动阀杆轴向运动的电磁铁以及电磁铁的控制机构；

第P₁通口、第K₁₀通口、第K₂₀通口、第O₁通口的位置和先导阀阀杆有以下配合关系：先导阀阀杆沿其运动路径具有第一工作位、第二工作位、第一工作位和第二工作位之间的中间工作位；在第一工作位时，第P₁通口和第K₁₀通口接通，第O₁通口和第K₂₀通口接通，在第二工作位时，第P₁通口和第K₂₀通口接通，第O₁通口和第K₁₀通口接通，在中间工作位时，第O₁通口和第K₁₀通口、第K₂₀通口接通；

主阀设有阀杆及供阀杆轴向运动的阀腔，所述阀腔具有第P₂通口、第A通口、第B通口、第O₂通口，所述两根压力交换管的废弃液工作腔分别和第A通口、第B通口接通，第P₂通口为高压废弃液进口，第O₂通口为废弃液排放口；所述主阀的两端设有阀杆驱动腔，所述两端的阀杆驱动腔分别设有控制口，所述控制口分别和先导阀的第K₁₀通口、第K₂₀控制口接通；主阀的阀杆的两端分别设有复位弹簧；

第P₂通口、第A通口、第B通口、第O₂通口的位置和主阀阀杆有以下配合关系：主阀阀杆沿其运动路径具有第一工作位、第二工作位、第一工作位和第二工作位之间的中间工作位；在第一工作位时，第P₂通口和第A通口接通，第O₂通口和第B通口接通，在第二工作位时，第P₂通口和第B通口接通，第O₂通口和第A通口接通，在中间工作位时，第P₂通口和第A通口、第B通口接通。

2.如权利要求1所述的一种电液换向能量回收装置，其特征在于所述电液换向能量回收装置可采用多套并联使用。

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