CN102627339B - 一种风能直接利用海水淡化系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风能直接利用海水淡化系统及其控制方法，海水淡化系统中，海水预处理设备(3)、压力平衡系统、反渗透装置(4)依次顺序连接；风力机(1)驱动水泵(6)、气体压缩装置(7)；海水预处理设备(3)、气体压缩装置(7)分别经管路与密闭储水容器(8)联通；热交换器(9)与气体压缩装置(7)耦合设置，利用压缩空气过程中产生的热量来加热海水；密闭储水容器(8)与反渗透装置(4)联通；所述控制单元(2)控制所述海水淡化系统的运行是通过控制所述传动系统(5)、设置在所述密闭储水容器(8)上的放气阀(15)、以及所述电磁阀(14)来实现的。本发明的海水淡化系统具有投资省、易操作、效率高、无污染等优点。

Description

一种风能直接利用海水淡化系统及其控制方法

技术领域

本发明属于海水淡化领域，具体是涉及一种风能直接利用海水淡化系统及其控制方法，利用不稳定的风能作为动力源来进行稳定的海水淡化。

背景技术

随着经济持续的发展和人民生活水平的提高，对水量的需求越来越大，对水质的要求越来越高，而水资源的不足，时空分布的不均，加上超限度的开采，无节制的浪费，随意的污染，使本来紧张的水资源供需矛盾更加尖锐。遇到干旱年份，水资源的短缺不仅严重影响正常的工农业生产，也影响到人们的生活。随着经济的发展，人口的增加，缺水面必然会持续增大。同时受全球能源危机和环境恶化的影响，以风能为代表的新能源开发利用受到大多数国家的重视，并纷纷制订了相关的激励政策和措施。受此影响，全球风能开发利用得到迅猛发展。

从长远角度来看，发展海水淡化，不论从经济上，还是从环境上都更加可行。海水淡化水源稳定、清洁，产水成本逐渐降低，已经受到越来越多国家，尤其是干旱缺水国家的重视。事实上，世界范围的普遍缺水已经使海水淡化技术从中东的沙漠地区扩展到全球的主要沿海城市，并形成了海水淡化水的生产销售和海水淡化设备制造两大产业。因此，海水淡化作为开发新水源的一种技术已经确定无疑地成了全世界的必然趋势。然而，海水淡化耗能多，大力发展便宜的可再生能源并用于海水淡化将是解决海水淡化高成本的重要途径。

至今海水淡化方法有蒸馏法、结晶法、电渗析法、反渗透法、离子交换法等等。其中反渗透法海水淡化技术因其能耗低、系统安装维护相对简单等优点，以及反渗透膜元件在材料、结构等方面不断取得突破，反渗透海水淡化技术近几十年来取得了飞跃发展，使得反渗透技术已经成为海水淡化、苦咸水淡化、纯水和超纯水制备最经济的手段，目前已得到了广泛的应用。

反渗透海水淡化技术是用一张只透过水而不能透过盐的半透膜将淡水和盐水隔开，在盐水一侧加一个大于渗透压的压力，盐水中的水就会透过半透膜到淡水处，实现海水淡化。现有的反渗透海水淡化系统是用电能驱动离心泵，在盐水一侧加一个大于渗透压的压力，使盐水中的水透过半透膜到淡水处。这样做的缺点是：消耗了大量的电能，增加了海水淡化的成本。

发明内容

本发明提供了一种风能直接利用海水淡化系统及其控制方法，直接利用风能进行海水淡化，不需要燃烧化石燃料，不产生温室气体及硫化物氮化物等污染气体，同时还有效利用了空气压缩过程中产生的热量对海水进行预热，提高了能源利用率、降低了海水淡化成本，保证淡水输出稳定。

本发明为解决其技术问题所采取的技术方案是：

一种风能直接利用海水淡化系统，包括风力机装置、海水预处理设备、压力平衡系统、反渗透装置和控制系统，其特征在于：

所述海水预处理设备、压力平衡系统、反渗透装置依次顺序连接；

所述压力平衡系统包括水泵、气体压缩装置、密闭储水容器、热交换器、第一溢流阀、溢流节流阀、电磁阀、放气阀，其中：

所述风力机装置的输出轴经传动系统分别与所述水泵和气体压缩装置连接；

所述海水预处理设备经水泵和海水管路I与所述密闭储水容器联通；

所述气体压缩装置通过气体管路III与所述密闭储水容器联通，用以向所述密闭储水容器供给压缩气体；

所述热交换器与所述气体压缩装置耦合设置，其冷侧与海水管路I联通，其热侧与气体管路III联通，利用所述气体压缩装置压缩空气过程中产生的热量来加热海水管路中的海水；

所述密闭储水容器通过海水管路II与所述反渗透装置联通；

海水管路I通过所述第一溢流阀、海水管路II通过所述溢流节流阀分别返至所述海水预处理设备；

所述电磁阀设置在海水管路II上，所述放气阀设置在密闭储水容器上，所述控制系统通过电磁阀来控制海水管路II的开闭；

所述控制系统通过所述放气阀和气体压缩装置联合控制密闭储水系统中压缩空气的压力。

进一步地，所述风力机装置包括至少一个风力机，所述风力机为水平轴或垂直轴风力机。

优选地，所述传动系统包括至少一个变速箱。

进一步地，所述海水管路I还设置有单向阀，所述单向阀和密闭储水容器之间的海水管路I通过第二溢流阀返至所述海水预处理设备。

进一步地，所述海水管路II上还设置有保安过滤器，所述保安过滤器位于所述电磁阀和所述反渗透装置之间。

进一步地，所述控制系统包括控制单元，所述密闭储水容器上设置有液位传感器，所述气体管路III上设置有气体压力传感器，所述海水管路II上设置有液体压力传感器I、液体压力传感器II、流量传感器，所述液体压力传感器I位于所述密闭储水容器和电磁阀之间，所述液体压力传感器II位于所述溢流节流阀和反渗透装置之间，所述控制单元通过采集、分析上述各传感器的信息来控制所述海水淡化系统的运行。

进一步地，所述控制单元控制所述海水淡化系统的运行是通过控制所述传动系统、设置在所述密闭储水容器上的放气阀、以及所述电磁阀来实现的。

根据本发明的另一方面，本发明还提供了一种对上述风能直接利用海水淡化系统的控制方法，其特征在于：

根据反渗透装置的性能特性和对工作压力的要求，预设各压力监测点处的工作压力范围以及设定所述密闭储水容器的上、下警戒水位；

控制单元分别读取液位传感器数据以检测所述密闭储水容器的液位，读取气体压力传感器数据以检测气体压缩装置的工作压力，读取液体压力传感器I数据以检测所述海水管路II的工作压力，读取液体压力传感器II数据以检测所述海水管路II的压力稳定性，读取流量传感器数据以检测工作流量，控制单元根据其读取的各传感器的信息分别控制传动系统、放气阀和电磁阀的开启和关闭；

当所述密闭储水容器的液位处于上、下警戒水位之间以及各压力监测点处的压力处于工作压力范围之内这两个条件同时满足时，开启电磁阀；当上述两个条件任一个不满足时，关闭电磁阀。

本发明的优点及有益效果是：

1、本发明采用风能的直接利用，将风力机从风中获得的机械能通过水泵转换为液体的机械能直接驱动海水淡化设备进行水处理，能量转换过程为机械能-机械能，相对于以风力发电为基础的电力驱动海水淡化，同时由于省去发电部分设备，具有能量转换效率高、结构简单、投资省、维护简单等特点。整个系统在运转工程中不产生任何污染环境的物质，海水淡化设备中主要耗能单元采用自然风供能，是名副其实的环保、节能系统。

2、本发明采用压力平衡系统完全取代高压泵，成功解决风能的不稳定与反渗透装置要求稳定供能的矛盾，同时省去高压泵设备。风力机的输出轴与压力平衡系统的水泵相连，压力平衡系统与水处理过程的前处理和反渗透装置处理相连，压力平衡系统同时具有储水和储能的作用，根据实际风和用户用水的特点，压力平衡系统在给反渗透装置提供合适压力稳定的水流量的同时具有调节削峰平谷的作用。

3、本发明适用范围广，既可与风电场相结合，也可独立建设生产；可以单机组风力机设计也可以多机组合设计；适用风力资源较为丰富的海岛和其他沿海地区，也适用于西北地区等受电力供应局限地区的苦咸水淡化。

附图说明

图1为本发明的风能直接利用海水淡化系统的结构示意图。

图2为本发明的风能直接利用海水淡化系统的控制流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。

如图1所示，本发明的风能直接利用海水淡化系统，由水平轴风力机1、压力平衡系统、海水预处理设备3、反渗透装置4、控制单元2等构成，反渗透装置4通过压力平衡系统连至水平轴风力机1，压力平衡系统中设有变速箱5、水泵6、增压器7、密闭储水大空腔8、热交换器9、单向阀10、第一溢流阀11、第二溢流阀12、溢流节流阀13、电磁阀14、放气阀15、液位传感器16、压力传感器17～19、流量传感器20，保安过滤器21，风力机1输出轴经变速箱5分别与水泵6和增压器7相连，与海水预处理设备3通过管道相连的水泵6，经第I管道、第一溢流阀11、连回海水预处理设备3，经第I管道，热交换器9、单向阀10连至密闭储水大空腔8，与密闭储水大空腔8相连的第II管道经电磁阀14、溢流节流阀13、保安过滤器21连至反渗透装置4，第II管道经电磁阀14、溢流节流阀13中的溢流阀连回海水预处理设备3，密闭储水大空腔8经第二溢流阀12连回海水预处理设备3，与大气相连的增压器7经第III管道与密闭储水大空腔8相连。第III管道上装有压力传感器17，第II管道上电磁阀14前装有压力传感器18，溢流节流阀后装有流量传感装置19和压力传感器20，密闭储水大空腔8装有排气阀15、液压传感器16、经第二溢流阀12连回海水预处理设备3，水处理由海水预处理设备3、反渗透装置4、后处理构成，海水预处理设备3中的水经水泵6加压进入密闭储水大空腔8，经溢流节流阀14进入反渗透装置4进行过滤，进入后处理，供于用户。

本实施例的海水淡化系统中主要包括以下三大部分：

一、水平轴风力机

由于大部分风电场均采用水平轴风力机，且水平轴风力机较垂直轴风力机风能利用效率高，因此本发明采用水平轴风力机，该水平轴风力机采用一套伞齿轮组成的传动机构，将风力机水平轴旋转扭矩转换为垂直轴旋转扭矩，传递到地面。

二、压力平衡系统

如图1所示，水泵6在风力机1的驱动下将海水预处理设备3中已经过前处理的水泵入第I管道，通过热交换器9、单向阀10进入密闭储水大空腔8，第I管道上设有旁路第一溢流阀11，当风力机处于合适的转速之下时，加压水只通过热交换器9、单向阀10进入密闭储水大空腔8，密闭大空腔8中有一定水平面高度范围的储存水，液面高度由液位传感器16检测，液面上侧预先由增压器7充有一定压力的空气，空气压力由压力传感器17测量，增压器7也由风力机1直接驱动，反渗透装置所需压力由空气压力和水深保证，密闭大空腔为具有一定高度和横截面面积的密闭空间，具有一定压力的水经第II管道的电磁阀14、溢流节流阀13进去反渗透装置4。同样，进入反渗透装置4的水压和流量由压力传感器19，流量传感装置20测量。重点说明的是，水由第I管道是均定流入，由于密闭大空腔具有一定的横截面积，可以保证液面高度变化在一定范围内，同时第II管道上装有溢流节流阀，为反渗透装置提供平稳、不间断的流量和合适压力的水流。当风速过高时第II管道中的压力高于设定值，第二溢流阀12和溢流节流阀13中的溢流阀开启，多余的水返回海水预处理设备3，同时第I管道上第一溢流阀11可限制第I管道中的水压，保证管道安全；当风速降低时，第II管道中水压下降，此时由控制系统开启增压器7进行空气加压，以补充由于液面降低造成的第II管道水压下降，液面上侧空气量和压力由增压器7和排气阀15联合控制。当密闭大空腔液面高度超过最大允许高度或者低于最小允许高度时，可以采取风力机变桨，甚至可以切断变速箱5以保证水处理设备安全。整个系统可以采用DCS系统自动控制。

二、控制系统

如图2所示，一种风能直接利用海水淡化系统采用自动控制系统，为保证系统正常工作，根据反渗透装置4的性能特性和对工作压力的要求，系统预设工作压力范围，根据密闭储水大空腔8储水量和横截面积的要求，密闭储水大空腔8中预设液位工作设定范围和警戒水位，其中警戒水位有上警戒水位和下警戒水位。系统在工作中水泵6默认为开启状态，增压器7默认为关闭状态。控制单元2分别读取液位传感器16数据以检测液位高度，读取压力传感器17数据以检测增压器工作压力，读取压力传感器18数据以检测工作压力，读取压力传感器19数据以检测压力稳定性，读取流量传感器20数据以检测工作流量。控制单元2分别控制变速箱5、放气阀15和电磁阀14的开启和关闭。电磁阀14关闭，水泵6向密闭储水大空腔8注水，正常过程中，液压传感器16数据处于工作设定范围内，压力传感器18处于工作压力范围内，此时电磁阀14开始，水处理系统正常工作。需要说明的是，如果步骤1同时接收到两个信号，则判定结果为是，水处理系统正常工作，当判定结果为否时有三种情况：情况I，只接收到压力传感器18侧的信号；情况II，只接收到液压传感器16侧的信号；情况三，均未接收到两侧信号。其中，情况I包括(1)压力传感器18数据低于工作压力范围，(2)压力传感器18数据高于工作压力范围，情况II包括(3)液位传感器16数据低于工作设定范围，(4)液位传感器16数据高于工作设定范围，情况III包括(5)液位传感器16数据低于工作设定范围且压力传感器18数据低于工作压力范围，(6)液位传感器16数据低于工作设定范围且压力传感器18数据高于工作压力范围，(7)液位传感器16数据高于工作设定范围且压力传感器18数据低于工作压力范围，(8)液位传感器16数据高于工作设定范围且压力传感器18数据高于工作压力范围，共八种情况。当步骤1的结果为否并属于情况I时，则控制重新返回直至步骤1为是；否则，进入情况II和情况III的控制，系统通过水泵6，增压器7，电磁阀14和放气阀15的协调控制，直至步骤2同时接收到两侧信号，结果为是，水处理系统正常工作。补充说明，系统中第一溢流阀11，第二溢流阀12以及溢流节流阀13中的溢流阀的开启压力为预先设置，溢流节流阀13的作用为稳压、稳流和系统保护，预设压力略低于工作压力范围的最高值，第一溢流阀11的作用为管道保护和系统保护，预设压力为管道安全承压值，第二溢流阀12的作用为系统保护，预设压力为视情况而定。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的范围之内。

Claims (8)

1.一种风能直接利用海水淡化系统，包括风力机装置、海水预处理设备、压力平衡系统、反渗透装置和控制系统，其特征在于：

所述海水预处理设备、压力平衡系统、反渗透装置依次顺序连接；

所述压力平衡系统包括水泵、气体压缩装置、密闭储水容器、热交换器、第一溢流阀、溢流节流阀、电磁阀、放气阀，其中：

所述风力机装置经传动系统分别与所述水泵和气体压缩装置连接；

所述海水预处理设备经水泵和海水管路Ⅰ与所述密闭储水容器联通；

所述气体压缩装置通过气体管路Ⅲ与所述密闭储水容器联通，用以向所述密闭储水容器供给压缩气体；

所述热交换器与所述气体压缩装置耦合设置，其冷侧与海水管路Ⅰ联通，其热侧与气体管路Ⅲ联通，利用所述气体压缩装置压缩空气过程中产生的热量来加热海水管路中的海水；

所述密闭储水容器通过海水管路Ⅱ与所述反渗透装置联通；

所述海水管路Ⅰ通过所述第一溢流阀、海水管路Ⅱ通过所述溢流节流阀分别返至所述海水预处理设备；

所述电磁阀设置在海水管路Ⅱ上，所述控制系统通过电磁阀来控制海水管路Ⅱ的开闭;

所述放气阀设置在密闭储水容器上，所述控制系统通过放气阀和所述气体压缩装置联合控制密闭储水容器中压缩空气的压力。

2.根据权利要求1所述的海水淡化系统，其特征在于，所述风力机装置包括至少一个风力机，所述风力机为水平轴或垂直轴风力机。

3.根据权利要求1所述的海水淡化系统，其特征在于，所述传动系统包括至少一个变速箱。

4.根据权利要求1至3任一项所述的海水淡化系统，其特征在于，所述海水管路Ⅰ还设置有单向阀，所述单向阀和所述密闭储水容器之间的海水管路Ⅰ通过第二溢流阀返至所述海水预处理设备。

5.根据权利要求1至3任一项所述的海水淡化系统，其特征在于，所述海水管路Ⅱ上还设置有保安过滤器，所述保安过滤器位于所述电磁阀和所述反渗透装置之间。

6.根据权利要求1至3任一项所述的海水淡化系统，其特征在于，所述控制系统包括控制单元，所述密闭储水容器上设置有液位传感器，所述气体管路Ⅲ上设置有气体压力传感器，所述海水管路Ⅱ上设置有液体压力传感器Ⅰ、液体压力传感器Ⅱ、流量传感器，所述液体压力传感器Ⅰ位于所述密闭储水容器和电磁阀之间，所述液体压力传感器Ⅱ位于所述溢流节流阀和反渗透装置之间，所述控制单元通过采集、分析上述各传感器的信息来控制所述海水淡化系统的运行。

7.根据权利要求6所述的海水淡化系统，其特征在于，所述控制单元控制所述海水淡化系统的运行是通过控制所述传动系统、设置在所述密闭储水容器上的放气阀、以及所述电磁阀来实现的。

8.一种对权利要求6或7所述的风能直接利用海水淡化系统进行控制的方法，其特征在于：

根据反渗透装置的性能特性和对工作压力的要求，预设各压力监测点处的工作压力范围以及设定所述密闭储水容器的上、下警戒水位；

控制单元分别读取液位传感器数据以检测所述密闭储水容器的液位，读取气体压力传感器数据以检测气体压缩装置的工作压力，读取液体压力传感器Ⅰ数据以检测所述海水管路Ⅱ的工作压力，读取液体压力传感器Ⅱ数据以检测所述海水管路Ⅱ的压力稳定性，读取流量传感器数据以检测工作流量，控制单元根据其读取的各传感器的信息分别控制传动系统、放气阀和电磁阀的开启和关闭；

当所述密闭储水容器的液位处于上、下警戒水位之间以及各压力监测点处的压力处于工作压力范围之内这两个条件同时满足时，开启电磁阀；当上述两个条件任一个不满足时，关闭电磁阀。

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