CN103112927B

CN103112927B - 以压缩空气为动力的变送系统、海水淡化处理方法与系统

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Publication number: CN103112927B
Application number: CN201310071857.8A
Authority: CN
Inventors: 陈大千
Original assignee: Individual
Current assignee: SHANGHAI MEIPENG ZHENGJUE CLEAN ENERGY TECHNOLOGY Co.,Ltd.; Zhoushan Meipeng Water Treatment Co ltd
Priority date: 2013-03-06
Filing date: 2013-03-06
Publication date: 2015-04-15
Anticipated expiration: 2033-03-06
Also published as: CN103112927A

Abstract

本发明涉及以压缩空气为动力的变送系统、海水淡化处理方法与系统，其中海水淡化系统包括高压气体发送系统，用于供应高压气体；气液变送系统，包括两气液变送罐，每个气液变送罐配置有可开启/关闭的进气阀、排气阀、进水阀和排水阀；海水补给系统，用于向所述气液变送罐补充海水；控制系统使其中的第一气液变送罐接收所述高压气体并利用高压气体排出海水的同时，其中的第二气液变送罐排放其内部的所述高压气体并接收所述海水补给系统供应的海水，或者相反；以及反渗透膜海水淡化系统，利用所述气液变送罐在高压气体作用下排出的海水进行反渗透法海水淡化，所述高压气体的压力至少为反渗透膜海水淡化系统的渗透压力。

Description

以压缩空气为动力的变送系统、海水淡化处理方法与系统

技术领域

本发明涉及一种海水淡化/水处理的方法和系统，尤其涉及反渗透海水淡化/水处理的方法和系统。

背景技术

在水处理或海水淡化技术中，反渗透法以其设备简单、易于维护和设备模块化的优点已迅速占领市场，反渗透法不仅适用于海水淡化,也适合于苦咸水淡化。反渗透膜分离的特点是它的“广谱”分离,即它不但可以脱除水中的各种离子,而且可以脱除比离子大的微粒,如大部分的有机物、胶体、病毒、细菌、悬浮物等,故反渗透分离法又有广谱分离法之称。

由于在反渗透过程的推动力是压力,过程中没有发生相变化,反渗透膜仅起着“筛分”的作用,因此反渗透分离过程所需能耗相对较低。在现有海水和苦咸水淡化的方法中，反渗透法是最节能的，生产同等质量的淡水，其能源消耗仅为蒸馏法的1/40。因此，从1974年以来，世界上的发达国家均将反渗透法作为海水淡化的主流研究方向。据报道，目前反渗透法海水淡化处理的市场占有率高达40％左右，具有广泛的应用前景。

在目前传统的反渗透水处理装置中，均采用高压水泵来产生反渗透作用所必须的高压推动力，以保持高压水流的连续运行。

在反渗透运行中，由于渗透膜的阻力作用，水流的速度十分缓慢，流量很小，因此水泵几乎始终处于“闷车”状态下运行，消耗大量的能量，但由于流量小，因此有用功很少，效率极其低下。尽管反渗透法与其他海水淡化的方法相比是最节能的，但生产单位淡水的耗电量还是十分巨大的，在大型海水淡化工程中，每吨水的耗电量约为3kwh，而中小型的海水淡化装置的耗电量则高达6kwh，以一台产量为每天产淡水150吨的小型海水淡化处理设备为例：海水淡化系统采用高压水泵产生压力，所需水泵功率合计50kw以上，每吨淡水消耗功率高达7kwh/t。

由于上述传统海水淡化方法需要消耗大量的电能，因而限制了海水淡化产业的发展，难以通过海水淡化的方法缓解日益紧张的淡水危机。

发明内容

本发明的目的在于提供一种以压缩空气为动力的变送海水淡化处理方法与系统，旨在减少海水淡化的能量消耗。

以压缩空气为动力的气液变送海水淡化方法，其包括：

步骤a，将空气加压存储入储气罐；

步骤b，将储气罐的气体再加压成压力不低于反渗透膜渗透压力的高压气体；

步骤c，设置能进行排气进水或者进气排水的两个气液变送罐，所述进气排水是指允许所述高压气体进入相应变送罐并将变送罐内部的海水排出，所述排气进水是指排放相应变送罐内部的气体压力以容许变送罐外部的海水在变送罐内外压差作用下进入到变送罐内，使两个气液变送罐处于这样的状态，其中的第一气液变送罐进气排水的同时，其中的第二气液变送罐排气进水，或者第二气液变送罐进气排水的同时，第一气液变送罐排气进水；以及

步骤d，不断循环步骤c，将气液变送罐排出的海水传送到反渗透装置输入海水，进行淡化。

所述的气液变送海水淡化方法，其中，将所述气液变送罐浸没在海水之中，以使气液变送罐在海水的静压力作用下自动完成进水的过程。

所述的气液变送海水淡化方法，其中，将所述气液变送罐设置在陆地上，利用水泵提供的海水完成进水过程。

以压缩空气为动力的气液变送海水淡化系统包括

高压气体发送系统，用于供应高压气体；

气液变送系统，包括两气液变送罐，每个气液变送罐配置有可开启/关闭的进气阀、排气阀、进水阀和排水阀；

海水补给系统，用于向所述气液变送罐补充海水；

控制系统，与各进气阀、排气阀、进水阀和排水阀耦接，以使两气液变送罐其中的第一气液变送罐接收所述高压气体并利用高压气体排出海水的同时，其中的第二气液变送罐排放其内部的所述高压气体并接收所述海水补给系统供应的海水，或者第二气液变送罐接收所述高压气体并利用高压气体排出海水的同时，第一气液变送罐排放其内部的所述高压气体并接收所述海水补给系统供应的海水；以及

反渗透膜海水淡化系统，利用所述气液变送罐在高压气体作用下排出的海水进行反渗透法海水淡化，所述高压气体的压力至少为反渗透膜海水淡化系统的渗透压力。

所述的气液变送海水淡化系统，其中，所述高压气体发送系统包括空气机、储气罐以及增压泵，空气机将空气加压输入储气罐，储气罐中的空气通过管路进入到增压泵，由增压泵加压为高压气体。

所述的气液变送海水淡化系统，其中，两气液变送罐的进气阀由一个三通阀提供。

所述的气液变送海水淡化系统，其中，两气液变送罐的排气阀由一个三通阀提供。

所述的气液变送海水淡化系统，其中，两气液变送罐配置的进气阀、排气阀、进水阀和排水阀由一个四通阀提供。

所述的气液变送海水淡化系统，其中，两气液变送罐配置的进气阀、排气阀、进水阀和排水阀为独立的阀门，各阀门的开启或闭合动作分别由控制系统的程序实现。

所述的气液变送海水淡化系统，其中，该气液变送海水淡化系统包括多级所述气液变送系统，各级气液变送系统分别独立耦接反渗透膜海水淡化系统以使各自排出海水至各自耦接的反渗透膜海水淡化系统进行淡化，后一级气液变送系统的气液变送罐以前一级气液变送系统对应的反渗透膜海水淡化系统排出的浓水为作为海水进行补充。

所述的气液变送海水淡化系统，其中，所述气液变送系统的气液变送罐浸没在海水之中，所述海水补给系统包括海中设置的过滤装置。

所述的气液变送海水淡化系统，其中，所述气液变送系统安装在陆地上，所述海水补给系统包括向气液变送罐提供海水的水泵。

所述的气液变送海水淡化系统，其中，所述气液变送罐中所述高压气体和海水之间的相互作用是通过直接接触或者由活塞或者气囊传递压力实现。

所述的气液变送海水淡化系统，其中，所述气液变送罐中安装有液位传感器，将液位信息发送到控制系统，当液面超过上限位时控制排气阀门关闭，当液面低于下限位时，控制进气阀门关闭；气液变送罐至反渗透膜海水淡化系统的出水管道中安置有流量传感器，将水液的流量信息发送到控制系统，根据用水流量的变化控制各进、排气阀门的开关频率，当流量为零时，使各排气阀门关闭。

以压缩空气为动力的气液变送系统包括

高压气体发送系统，用于供应高压气体；

海水补给系统，用于向所述气液变送罐补充海水；以及

控制系统，与各进气阀、排气阀、进水阀和排水阀耦接，以使两气液变送罐其中的第一气液变送罐接收所述高压气体并利用高压气体排出海水的同时，其中的第二气液变送罐排放其内部的所述高压气体并接收所述海水补给系统供应的海水，或者第二气液变送罐接收所述高压气体并利用高压气体排出海水的同时，第一气液变送罐排放其内部的所述高压气体并接收所述海水补给系统供应的海水。

在海水淡化处理或水处理的应用实例中，气液变送系统的输出端与水处理系统的前端（进水端）连接，替代传统系统中的高压水泵，向水处理系统提供连续、稳定的高压待处理原水，而系统消耗的能源则比水泵系统大幅度降低，获得显著的节能效果。

本发明的前述目的、特征以及技术效果将在后面结合附图说明和具体实施方式进行详细的描述。

附图说明

图1是深水安装气液变送法反渗透海水淡化处理系统示意图（自动进水）。

图2是隔板式气液变送装置的结构和运行原理图（A罐加压B罐进水）。

图3是隔板式气液变送装置结构和运行原理图（B罐加压A罐进水）。

图4是水泵在泵水工况下的运行原理示意图。

图5-a是水泵在超扬程工况下的运行原理图。

图5-b是气液变送系统在超扬程工况下的运行原理图。

图6是水泵在用作提高水压和低流量状态下的运行原理图。

图7是三通阀同步控制两个密闭罐进气阀、排气阀结构示意图。

图8是四通阀同步控制两个密闭罐进气阀、排气阀结构示意图。

图8a是四通阀控制A罐进气加压、B罐排气卸压（柱塞杆向右移）状态图。

图8b是四通阀控制A罐排气卸压、B罐进气加压（柱塞杆向左移）状态图。

图9是陆上安装气液变送法反渗透海水淡化处理系统图（水泵供水）。

图10无杆活塞结构的密封罐示意图。

图11气囊结构的密封罐示意图。

图12多级气液变送系统海水淡化系统示意图。

图13球形密封罐示意图。

具体实施方式

在后述实施例中，后述海水淡化系统或方法并非要将本发明的应用领域限定为海水的淡化处理，还适合其他流体的淡化处理，例如对苦咸水的处理，只要适合于反渗透膜的水处理都是本发明可应用的范围，当然，以压缩空气为动力的气液变送系统不限于水处理，可以其他任意合适的领域。后述实施例中提及的“海水”不限于大海里的水，可以是其他相似流体为其等同物。

在描述本发明的实施例之前，对气液变送系统输送高压水比水泵输送高压水的节能原理进行简要说明。

1、气液变送系统与水泵传送高压水的工作原理对比

图4是水泵的工作原理图，

根据离心泵的效率计算公式：N＝Q×H/102×η，

可推算出水泵效率η＝Q×H/102×N

式中：N：水泵轴功率

Q：水泵输送流量

H：水泵输送扬程

η：水泵输送效率

由上式可见，在水泵功率、扬程不变的情况下，水泵输出流量与水泵效率成正比，也就是说：在输出流量正常的情况下，水泵能够达到标准规定的效率；但在水泵输出流量减少的非正常情况下工作（如图6所示），水泵效率将随流量的下降而下降。

在反渗透法水处理系统中，水泵被用于提高水压之用，而流量则大幅度下降，相当于图6所示的工作状态。以淡水产量为150吨/天的海水淡化装置为例，水泵功率为50kw，将反渗透膜前端的水压提升到60kg/cm²以上，但原水流量仅为20吨/小时，远低于水泵正常工作流量，导致水泵处于低效率状态下运行。

图5a是水泵工作的极限情况：设水泵的扬程是L，如果水管的高度超过L，则水泵即使满负荷运行，水柱也只能停留在L的高度，不能溢出管口，由于流量为零，所以不产生有效作功，但此时水泵仍必须保持正常运行才能使水柱维持在L的高度，一旦关闭水泵，水柱立即回落，因此，在该状态下，水泵的效率几乎为零。

图5b是气液变送系统的工作原理图，开启空压机，在空气的压力作用下，水柱可上升到L的高度，保持压力不变，则水不能溢出管口，由于没有流量，所以不产生有效作功，但此时空气压力与水柱重量平衡，能使水柱维持在L的高度，即使关闭气泵，水柱也不会回落，因此，在该状态下，气液变送系统的能耗几乎为零，可见气液变送系统在小流量状态下工作不会影响系统的效率。

在气液变送系统中，原水的压力由压缩空气提供，仅在初始状态时消耗能量提高空气压力，达到平衡后即不再消耗能量，而整个运行过程是在封闭环境中进行，不会产生气体的泄漏，故气体的消耗与液体的流量相当，系统所需动力仅需补充气体流量的消耗，因此，整个系统的耗能可大幅度下降。

仍以每天产淡水150吨的小型海水淡化处理设备为例：系统中原水要求的压力为60kg/cm²，流量为20吨/小时，在本发明的气液变送装置中，仅需压力为60kg/cm²、流量为20M³/小时的压缩空气即可实现，而符合上述流量和压力要求的压缩空气仅需功率为7.5kw的动力，可使每吨淡水的耗能降低到2kwh/t。从而产生了大幅度的节能效果。

2、气液变送系统连续变送高压水的工作原理

如图5b所示，气液变送必须在封闭的容器中才能实现，而封闭容器的容积是有限的，当容器中的水全部排出后，系统中的高压水流就会中断，而反渗透装置如果不能获得压力稳定的高压原水，将导致水处理系统不能正常工作，即使节能效果再好也无法投入实际应用。因此，实现高压原水的连续运行是气液变送系统的技术关键。

目前采用的高压水泵供水技术，虽然能耗高，但却完善的解决了高压原水连续运送的问题，这是现有水处理系统广泛采用水泵的主要原因。

本发明后述的实施例中利用一组管道、阀门以及阀门控制系统，将两个或两个以上的气液密闭罐体（也称气液变送罐）有机的联系在一个系统之中，通过对各阀门的有序控制使各密闭罐体中的充气送水（或进气排水）和排气补水（或者进水排气）运行交替进行的方法，即可实现高压水流的稳定、连续传送，使气液变送系统在海水淡化和水处理系统中得到应用成为可能，也使海水淡化工程大幅度节能成为可能，具有显著的社会经济效益。

在图1所示的实施例中，以压缩空气为动力的气液变送海水淡化系统的一个系统单元由以下部分构成。

1、高压气体发送系统：

如图1所示，系统的气源来自空气，通过空气机28将空气加压进入储气罐（或压力罐）1，将低压（8公斤/cm²左右）压缩空气2贮存于压力罐1中。通过总控阀门3进入增压泵（或者增压装置）34，按反渗透膜处理的需要将空气压力高到60公斤/cm²（或以上），高压空气通过管道与各气液变送罐的进气阀连接。气液变送罐A的进气阀4、气液变送罐B的进气阀7与进气总管36并联连接，如果气液变送罐的数量为两个以上，则其他气液变送罐的进气阀也与进气总管36并联联接。

2、气液变送系统

如图1、图2、图3、图7、图8、图9、图10、图11、图13所示，气液变送系统由两个或两个以上的气液变送系统构成（罐系统22、29等），每个气液变送系统包括密闭气液罐体A、B（即气液变送罐）以及分别安装在罐体上的进气阀（4、7）、排气阀（5、6）、排气总阀30、进水阀（18、15）、排水阀（16、17）、安装在高压气液罐体内的液位传感器（31、32）、安装在出水管中的流量传感器33以及安装在出水端的出水总阀12。

3、反渗透膜海水淡化或水处理系统

如图1所示，海水淡化或水处理系统由反渗透处理系统8构成。

4、海水或原水补给系统

如图1所示，气液变送罐A、B安装在水下一定深度，并由过滤网20进行过滤。当排气阀（5、6）、排气总阀30打开时，由于深水压力的作用，海水通过进水阀（18、15）自动进入气液变送罐，完成系统给水。

如图1、图9所示，气液变送罐A、B安装在陆地上，则由水泵抽水，通过预处理器后向气液变送罐A、B供水，当排气阀5、6、排气总阀30打开时，由于水泵压力的作用，海水通过进水阀18、15进入气液变送罐，完成系统给水。

5、阀门开关控制系统

如图1～13所示，气液变送系统的运行是通过PLC控制系统35对安装在各气液变送罐上的进、排气阀门的开、关状态的有序控制来实现的。PLC控制系统35也可以是其他系统，例如为工业计算机，或者单片机构成的嵌入式系统。

液位传感器31、32和流量传感器33将系统的液位信号和流量信号发送到PLC控制器35，PLC控制器35根据设定的程序发出各阀门的开关控制信号，进气阀4、 7、排气阀5、6和进气总阀3、排气总阀30可以是电磁阀、气动阀或机电阀，作为控制系统的执行机构，按程序有序的改变各自的开闭状态，实现高压水液的连续、稳定输出。

具体运行原理

1、气液变送系统的运行原理

结合图1～13，本发明的所述的气液变送法反渗透海水淡化方法包括多个步骤，该步骤将以进气阀门和排气阀门开关状态的变化周期为周期重复进行。

如图1所示，系统的气源来自空气，通过空气机28将低压（8～10公斤/cm²）压缩空气2贮存于压力罐1中。通过总控阀门3进入增压泵34。根据增压泵的增压比（例：增压比为1:10），输出端的空气压力将增大到80～100公斤/cm²（或以上）。

如图1、图2、图3所示，进气阀4、进气阀7并联于进气总管36。通过PLC控制器的分别控制（或通过三通阀、多通阀的组合控制），可实现进气阀4、进气阀7的开关状态永远保持相反，即：如果进气阀7开启，则进气阀4必定关闭，反之亦然，如果进气阀4开启，则进气阀7必定关闭。

与此同时，排气阀5与排气阀6也通过PLC控制器的分别控制（或三通阀、多通阀的组合控制）与对应的进气阀保持反向的开闭状态，即：如果进气阀7开启，则相应的排气阀6必定关闭，反之亦然，如果进气阀4开启，则相应的排气阀5必定关闭，保证了在同一罐体上，进、排气动作的有序进行。

如图1、图2、图3所示，气液变送罐的进水阀门（18、15）和出水阀门（16、17）都是单向阀。其中进水阀门（18、15）的阀瓣（或球）向罐内开启，向罐外闭合，而出水阀门（16、17）的阀瓣（或球）则向罐外开启，向罐内闭合。因此在加压状态下，密闭罐A、B中的高压水只能从出水阀门流出，而不能从进水阀流出；同样，在排气卸压状态下，密闭罐A、B呈低压状态，出水管37中的高压水水也不能通过出水阀回流到密闭罐中，而密闭罐外的水压高于罐内压力，海水可以从进水阀中进入密封罐，完成密封罐的补水流程。

具体操作流程和步骤

以下是气液变送系统在控制器的作用下，通过A、B两个密闭罐排水、补水周期性交替运行，达到向出水总管连续变送高压水流的操作步骤：

第一周期：A罐输出高压水、B罐补给海水

具体操作：A罐的进气阀门4处于开启状态，由于PLC控制器的控制（或三通阀、多通阀的联动）作用，此时A罐排气阀门5必定关闭，则A罐内处于高压状态，根据上述单向阀的工作原理，A罐中的水在高压气体的压力作用下，只能从A罐出水阀17排出，进入出水总管37,而不能通过A罐进水阀18排出。由于A罐具有一定的容积，因此高压水的输出将持续一段时间t，该持续时间t与A罐的容积成正比，与流量成反比。

即：t_A＝V_A/Q

式中：t_A是输出高压水的持续时间

V_A是密闭罐A的容积

Q是高压水输出的流量

在A罐的进气阀门4开启的同时，由于PLC控制器的控制（或三通阀、多通阀的组合控制）作用，B罐的进气阀7必定关闭、排气阀6必定开启，则B罐处于排气卸压状态。根据上述单向阀的工作原理，出水总管37中的高压水不能通过B罐的出水阀16回流到B罐中。此时，B罐外的海水压力大于罐内压力而自动通过B罐的进水阀门15进入B罐中，完成B罐补给水的操作。

由于B罐具有一定的容积，因此B罐的排气卸压需持续一段时间t_B1，海水进入B罐也将持续一段时间t_B2，B罐补给海水的总时间t_B是排气时间与进水时间之和，即：t_B＝t_B1＋t_B2。

进水时间t_B与B罐的容积成正比，与进入B罐的流量成反比。

即：t_B＝V_B/Q

式中：t_B是低压海水进入B罐补给水的持续时间

V_B是密闭罐A、B的容积

Q是低压海水进入B罐的流量

由于A、B两罐的排水与补水工况是交替进行的，因此必须使高压水排出A罐的时间与海水进入B罐进行补水的时间保持一致，A罐的容积与B罐的容积必须相同，适当设置进水阀门15、18以及排气阀门5、6的直径，可使A罐的排水流量与B罐的进水流量与保持一致，从而使得A、B罐排水和进水的操作可交替进行。

第二周期：B罐输出高压水、A罐补给海水

具体操作：第一周期完成后，PLC控制器自动切换A、B罐进气阀门的开闭状态。A罐的进气阀门4由开启状态改变为关闭状态，而B罐的进气阀门7则同步由关闭状态改变为开启状态。

由于PLC控制器的控制（或三通阀、多通阀的联动）作用，此时B罐排气阀门6必定关闭，则B罐内处于高压状态，根据上述单向阀的工作原理，B罐中的水在高压气体的压力作用下，只能从B罐出水阀16排出，进入出水总管37，而不能通过B罐进水阀15排出。

在B罐的进气阀门7开启的同时，由于PLC控制器的控制（或三通阀、多通阀的组合控制）作用，A罐的进气阀4必定关闭、排气阀5必定开启，则A罐处于排气卸压状态。根据上述单向阀的工作原理，出水总管37中的高压水不能通过A罐的出水阀17回流到A罐中。此时，A罐外的海水压力大于罐内压力而自动通过A罐进水阀门18进入A罐中，完成A罐补给水的操作。

由于从第一周期A罐排水转化为第二周期的B罐排水是通过PLC控制器同步自动完成的，因此出水总管中的压力不会发送变化。

第三周期

在PLC控制器的控制作用下，系统又重复第一周期的进气、排水、排气、进水操作。

第四周期

重复第二周期的操作。

在以后的运动周期中，周而复始不断的循环，即可实现系统的气液变送，在出水总管中产生连续、稳定的高压水流，供后续的海水淡化（或水处理）装置进行淡化（或净化）处理之用。

上述进气阀（4、7）与排气阀（5、6）开关状态的同步有序切换，从而保证了两个气液变送罐永远处于交替工作的状态，即：如果A罐进气加压供水工作，则B罐必定排气进水，反之亦然。

2、气液变送系统的节能效果计算

（1）以高压水泵产生高压水的海水淡化系统的能耗计算：

以一台产量为每天产淡水150吨的小型海水淡化处理设备为例：海水淡化系统采用高压水泵产生高压水流。反渗透装置进水端的压力为60kg/cm²，得水率为30％，故待处理的高压海水流量为：

Q＝150吨/0.3/(24×60)＝0.35吨/分钟，

根据厂方公布的数据，该系统所需高压水泵功率为50kw，因此每吨淡水消耗功率为：50kw×24h/150吨＝8kwh/吨。

（2）以气液变送系统产生高压水的海水淡化系统能耗计算：

同样，仍以一台产量为每天产淡水150吨的小型海水淡化处理设备为例：采用气液变送系统产生60kg/cm²的高压水流。反渗透装置的得水率仍为30％，故待处理的高压海水流量为：

Q＝150吨/0.3/24×60＝0.35吨/分钟，折合体积单位：

Q＝0.35m³/分钟

根据本发明气液变送系统的工作原理：在密闭系统中，推送液体的流量与消耗空气的流量相当，故本系统所需消耗的高压空气流量为：

Q＝0.35m³/分钟。

如图1所示，高压空气是由低压空气压缩机28通过增压泵34增压后获得的。选择增压比为1：10的增压泵即可获得压力为80kg/cm²、流量为0.35m³/分钟的高压空气即可驱动气液变速器工作，而与该增压泵配套的低压空压机28电机功率仅为7.5kw，因此采用该系统的消耗功率为：

7.5kw×24h/150t＝1.2kwh/吨

PLC计算机控制系统和驱动各阀门动作的执行机构所耗电力很小，按0.8kwh/t，则系统总能耗约为2kwh/吨。

（3）高压水泵系统与气液变送系统的能耗对比计算

按上式计算，高压水泵系统的海水淡化能耗为8kwh/吨，而气液变送系统的能耗为2kwh/吨，故节能效果为：8kwh/2kwh％＝400％

（4）进气阀、排气阀开关状态控制周期计算

如上所述，A罐、B罐进气阀4、7和排气阀5、6的开关状态是由PLC控制系统（或三通阀、多通阀的组合控制）来实现的。开关状态的切换时间周期t与总供水管的流量Q成反比，与A罐、B罐的容量V成正比，即：

t＝V/Q

式中：t为开关状态变化一次所需的时间（秒）

V为A罐、B罐的容积（升）

Q为出水总管的流量（升/秒）

仍以产量为每天150吨淡水的海水淡化系统为例:

出水管流量Q＝0.35m³/分钟＝6升/秒

假设A、B罐的容积取180升，则开关一次的时间周期为：

t＝V/Q＝180升/6升/秒＝30秒

即：受PLC控制系统操作，阀门开关状态切换一次的时间为30秒钟。系统阀门有足够的时间响应该数量级的操作。

（5）异常工作状态下的保护系统

保护系统由安置在A罐中的位置传感器31、B罐中的位置传感器32、出水总管中的流量传感器33、总进气阀门3和总排气阀门30构成。其动作原理如下：

在正常情况下，A罐B罐中的水位应在上限位传感器和下限位传感器之间变动，出水总管中的流量变化也应保持在一定的范围之内。在该正常情况下，系统由PLC控制系统按一定的时序和周期控制进排气阀门的开关状态，保证系统正常运行。

但无论由于任何原因，出现以下情况，即属于非正常运行：

1）A罐B罐中的水位高于上限位传感器、低于下限位传感器

2）出水总管37中的流量变化范围超过设定的范围

上述状态将通过位置传感器32、31和流量传感器33发送到PLC控制系统，PLC控制器将发出指令使总排气阀门30和总进气阀门3关闭，由于总进、排气阀门关闭，则A罐、B罐即立刻停止气液变送的运行，等待检修处理，而不至于产生向出水管排气或从排气管泄水的非正常情况。

（6）气液变送装置的进水系统

根据不同使用条件和要求，气液变送装置的进水系统可包含以下不同方法：

1）如图1所示，气液变送装置安装在距海面一定深度的位置，外有过滤网20对海水进行初步过滤。当A罐23、B罐29交替处于排气卸压状态时，罐内压力降到1大气压，海水在深水压作用下，交替从进水阀门18、15进入A罐、B罐，完成海水补给流程。该方法可省去蓄水池或低压水泵，海水自动补给，具有明显的节能效果，但进水压力将受波浪、潮汐等海面水文状态影响，进水压力波动度较大，采用该方法时系统应增加稳压装置。

2）如图9所示，气液变送装置安装在岸上固定位置或舰船舱内，用低压水泵从海中抽水，通过海水预处理器50后与气液变送装置的进水阀门18、15连接，以低水压（如2～3kg/cm²）向系统供水。当A罐23、B罐29交替处于排气卸压状态时，罐内压力下降，当罐内压力下降到低于水泵输送压力时，进水阀门18、 15自动打开，海水交替进入A罐、B罐，完成海水补给流程。该方法可避免海面水文状态对系统的影响，进水压力可根据需要调节，压力稳定。由于在该方案中，需用水泵为系统给水，水泵功率约7kw，因此节能效果略低于方案1。但因在该方案中，水泵的作用在于输送水源，而不作增压之用，故水泵在正常效率的特性区域内工作，所需电机功率和耗能均比高压水泵系统低得多。仍以日产淡水150吨的系统为例，水泵输出的压力为3～5kg/cm²，流量为0.35m³/分钟，所需功率为7kw，加上产生压缩空气的7.5kw，整体功率为15kw，与高压水泵系统相比较，所耗能量下降50/15＝333％，故仍有显著的节能效果。

（7）进排气阀门的不同结构设计

如上所述，本发明提供的气液变送法是通过对进气阀4、7，排气阀5、6的开启与闭合状态的有序控制来实现的。进、排气阀开关状态的控制可根据需要通过不同的方法和装置来实现，主要包括以下方法：

1）独立阀门分别控制法

如图1所示，进气阀门4、进气阀门7、排气阀门5、排气阀门6是互相独立的阀门（可以是电磁阀、气动阀、机电阀等），PLC控制系统分别与各阀门的执行机构连接，各阀门接受PLC的指令改变各自的开关状态，各阀门的动作速度和变化周期由计算机程序控制。

2）三通组合阀门联动控制法

如图7所示，由于系统要求A罐进气阀门4与B罐进气阀门7的开关状态必须保持反向，因此可采用一个三通阀门来替代进气阀门4和进气阀门7，三通阀已从结构上保证两个输出端的开关状态反向，故可简化PLC控制器的控制程序。

同样，由于系统要求A罐排气阀门5与B罐排气阀门6的开关状态必须保持反向，因此也可采用一个三通阀门来替代排气阀门5和排气阀门6，三通阀已从结构上保证两个输出端的开关状态反向，故可简化PLC控制器的控制程序。

而两组三通阀的开关动作仍由PLC控制系统按程序控制，保证使同一个罐上的进气阀、排气阀呈反向的开关状态（即：当A罐进气阀4开启时，A罐排气阀5处于关闭状态：当B罐进气阀7开启时，B罐排气阀6处于关闭状态）

3）四通组合阀门联动控制法

如图8所示，由于在正常工作的情况下，安装在A罐、B罐上各进气阀、排气阀的开关状态的逻辑关系是固定不变的，因此可以制成如图8a所示的四通阀 60，阀体60-1上有8个孔，两两相对（k1－k5、k2－k6、k3－k7、k4－k8），相对两通孔的畅通或阻塞状态由柱塞杆上的缺口位置控制，当相对两孔与柱塞杆60-2的缺口部分与相对时，该组孔畅通，相当于阀门开启状态，当相对两孔与柱塞杆60-2非缺口部分相对时，该组孔阻塞，相当于阀门关闭状态，

孔k1与进气总管连接，孔k5与A罐进气管连接，孔k1－孔k5相当于A罐进气阀4

孔k4与进气总管连接，孔k8与B罐进气管连接，孔k4－孔k8相当于B罐进气阀7

孔k2与排气总管连接，孔k6与A罐排气管连接，孔k2－孔k6相当于A罐排气阀5

孔k3与排气总管连接，孔k7与B罐排气管连接，孔k3－孔k7相当于B罐排气阀6

柱塞杆60-2可由电磁元件60-3（或气动元件、机电元件）驱动，在阀体60-1的柱塞孔内左右移动，实现各阀孔开通、闭合状态同步切换的操作，

第一周期：如图8a所示，PLC控制系统驱动阻塞杆60-2移至R侧，此时A罐进气阀开通、排气阀闭合，A罐处于加压排水状态；同时B罐进气阀闭合、排气阀开通，B罐处于卸压补水状态。

第二周期：如图8b所示，PLC控制系统驱动阻塞杆60-2移至L侧，此时A罐进气阀闭合、排气阀开通，A罐切换为卸压补水状态；同时B罐进气阀开通、排气阀闭合，B罐切换为卸压补水状态。

第三周期：在PLC控制系统的作用下，柱塞杆又重复第一周期的运行，切换A罐、B罐的运行状态。

在PLC控制系统的驱动作用下，柱塞杆60-2不断作周而复始的往复运动，即可驱动气液变送系统连续、稳定的向海水淡化处理系统输送高压海水。

（8）气液变送密闭罐的不同结构

根据不同需要和加工要求，气液变送系统中的密封罐A、B可设计为不同的结构形式：

1）如图1、图13所示，密封罐A、密封罐B可以是两个独立的罐体，其形状可以是球体、圆柱体或其他形状

2）如图2、图3所示，密封罐A、密封罐B可以由一个罐体加中隔板21 分隔而成，罐体的形状可以是球体、圆柱体或其他形状

3）如果处理工艺中需要将高压空气与水分隔开来，则密封罐A、密封罐B可以采用无杆活塞气缸的结构，如图10所示，高压空气不直接与水接触，通过无杆活塞向水施加压力，产生高压水的工作原理不变，同样可以向出水总管输出高压水；排气卸压时，活塞空气侧的压力降低，海水压力大于罐内空气压力，可将活塞向空气侧推移，海水从进水阀进入罐体，完成补水操作，

4）如果处理工艺中需要将高压空气与水分隔开来，则密封罐A、密封罐B还可以采用带有气囊结构的罐体，如图11所示，高压空气不直接与水接触，通过气囊向水施加压力，产生高压水的工作原理不变，同样可以向出水总管输出高压水；排气卸压时，气囊空气侧的压力降低，海水压力大于罐内空气压力，可将气囊向空气侧推移，海水从进水阀进入罐体，完成补水操作，

3、多级气液变送系统的串联运行

如图12所示，本发明涉及的多级气液变送系统并可串联运行，以上一级反渗透处理系统62排放的次高浓度海水65作为原料，进入下一级气液变送装置67，在第二级增压泵66的作用下，将次高浓度盐水输入下一级反渗透膜68进行第二级海水淡化处理。二级反渗透膜68在输出二级淡水69的同时，又排放出浓度更高的二级高浓度盐水70，如有需要，还可串联第三级或更多级的气液变送系统进行多级反渗透海水淡化处理，最大限度地提高排出盐水的浓度后再输入蒸发罐，通过蒸发处理即可形成结晶盐回收。从而实现无排放的反渗透海水淡化处理。

由于反渗透膜的出水能力、效率与待处理原水的浓度密切相关，当待处理原水的浓度增加时，需提高原水的输入压力才能处理出淡水，浓度越高、需要的压力愈大。例如：当待处理原水为通常海水25时，所需输入水压约为50～60kg/cm²，当输入原水为次高浓度海水65时，所需输入水压约为100～120kg/cm²，当输入原水为二级高浓度海水70时，所需输入水压约为180～200kg/cm²。目前，虽有能够承受高压的反渗透膜供应，但在采用传统的高压水泵的系统中，提高进水压力将大幅度增加能耗，而且，压力愈高能耗上升速度愈快。因此目前几乎所有的反渗透海水淡化处理系统（包括大型、中型、小型系统）均无法采用多级反渗透处理系统串联处理的运行方式，而是直接将浓盐水65经过压力回收后排入下水道或近海之中，对附近海域造成浓盐水污染，严重破坏了近海的生态平衡，甚至造成海岸农田的盐硷化，限制了海水淡化工程的发展。

但如采用本发明提供的气液变送系统，则能方便、节能的实现多级反渗透海水淡化系统串联运行，其基本原理如下：

如图12所示，第二级增压泵66的进气管与第一级增压泵61的输出端连接，当第二级增压泵66的输入气压为60kg/cm²时，第二级增压泵66的增压比只需1：2，即可方便的获得120kg/cm²的气压。同时，二级气液变送系统67的进水管与一级反渗透装置62的浓盐水排放口65连接，则二级气液变送器67的输出水压即可达到120kg/cm²。

由于反渗透处理系统的得水率为30％，故进入二级处理的水（次浓盐水65）的流量与进入一级处理的水（即：海水11）的流量相比减少了30％，故二级处理系统的能耗也比一级处理的能耗减少30％（在气液变送系统中，气体的消耗与其输送水的流量成正比，流量下降30％，故气体消耗也降低30％，能量消耗也降低30％）。同理，如进行第三级处理，其能耗也依次递减。

仍以上述日产150吨淡水的系统为例，如图12所示，二级气液变送系统的串联运行时，与一级处理系统相比较，能耗仅增加70％。进行一级海水淡化处理的每天用电量为300kwh，获得淡水150吨（按流量500吨/天、得水率30％计算）。进行二级淡化处理的每天用电量为300kwh×70％＝210kwh，获得淡水90吨（按流量450吨/天、得水率20％计算）。则每天总体用电量510kwh、获得淡水总量240吨，单位能耗为：510kwh/240吨＝2.2kwh/t，与气液变送系统一级淡化处理的能耗2kwh/t相比基本持平、略有上升，但与高压水泵系统的一级反渗透处理能耗8kwh/t相比，仍具有350％以上的节能效果。

从上述分析计算可见，本发明提出的气液变送法具有显著的节能效果，使多级反渗透处理串联运行的大规模应用成为可能。

气液变送海水淡化系统的应用实例

1、用作海上移动淡水供应站

如图1所示，本发明所涉及的气液变送装置可安装在距海面一定深度的位置，海水在深水压作用下，自动完成海水补给。无需蓄水池及低压水泵供水，只需小功率空压机即可驱动系统运行，因此适合安装在海上浮动平台，与波浪能、潮汐能采集装置连接，或与风能采集装置连接，利用自然能源产生压缩空气，即可驱动反渗透海水淡化系统工作，在海面浮动平台上（或无人岛上）源源不断地产生淡水，成为海上移动淡水供应站（或海岛淡水供应站），在无需通过内陆供电、供水的情况下，即可利用自然能源解决无人岛的淡水供应问题，有利于无人岛的开发利用和边防哨所建设。

2、用作船舰的淡水供应装置

如图9所示，本发明涉及的气液变送装置也可安装在舰船舱中，用低压水泵抽取海水后向本系统供水，即可通过反渗透法产生淡水。与传统高压水泵法海水淡化处理系统相比较，本系统所需功率及能耗减少3倍以上，特别适合舰船的要求，可广泛应用于各类船舰。

3、用于无污染高效节能海水淡化工程

如图12所示，本发明涉及的多级气液变送系统并可串联运行，以上一级反渗透处理系统62排放的次高浓度海水65作为原料，进入下一级气液变送装置67，在第二级增压泵66的作用下，将次高浓度盐水输入下一级反渗透膜68进行第二级海水淡化处理。二级反渗透膜68在输出二级淡水69的同时，又排放出浓度更高的二级高浓度盐水70，如有需要，还可串联第三级或更多级的气液变送系统进行多级反渗透海水淡化处理，最大限度地提高排出盐水的浓度后，再与蒸发装置连接，高压高浓度通过喷嘴输入蒸发罐，通过蒸发处理即可形成结晶盐回收。从而实现无排放的反渗透海水淡化处理。

采用本发明提出的多级气液变送串联运行法海水淡化处理，可在能耗低于传统反渗透法的前提下，提高淡水产量，回收结晶海盐，实现无污染海水淡化处理，大幅度提高直接经济效益和社会效益，

4、在其他水处理系统中广泛应用

与海水淡化处理相同，凡涉及采用高压水泵进行反渗透法水处理的系统均存在水泵大量能耗的问题，例如：污水处理、饮用水处理、锅炉水处理等。

本发明提供的气液变送系统可作为一个独立的高压水供应模块，简单方便地替代水处理系统中的高压水泵动力系统，在不改变既有水处理工艺和出水质量的条件下降低设备装机功率，并大幅度降低用电量，具有显著的节能效果。

Claims

1.以压缩空气为动力的气液变送海水淡化系统，其特征在于，包括

高压气体发送系统，用于供应高压气体；

海水补给系统，用于向所述气液变送罐补充海水；

反渗透膜海水淡化系统，利用所述气液变送罐在高压气体作用下排出的海水进行反渗透法海水淡化，所述气液变送罐中所述高压气体和海水之间的相互作用是通过直接接触或者由活塞传递压力实现，所述高压气体的压力至少为反渗透膜海水淡化系统的渗透压力；

该气液变送海水淡化系统包括多级所述气液变送系统，各级气液变送系统分别独立耦接反渗透膜海水淡化系统以使各自排出海水至各自耦接的反渗透膜海水淡化系统进行淡化，后一级气液变送系统的气液变送罐以前一级气液变送系统对应的反渗透膜海水淡化系统排出的浓水为作为海水进行补充；各级所述气液变送系统的高压气体由增压泵增压，并且各级所述气液变送系统对应的增压泵串联。

2.如权利要求1所述的气液变送海水淡化系统，其特征在于，两气液变送罐配置的进气阀、排气阀、进水阀和排水阀为独立的阀门，或三通阀门或四通阀门，各阀门的动作分别由控制系统的程序实现。

3.如权利要求1所述的气液变送海水淡化系统，其特征在于，所述气液变送系统的气液变送罐浸没在海水之中，所述海水补给系统包括海中设置的过滤装置。

4.如权利要求1所述的气液变送海水淡化系统，其特征在于，所述气液变送系统安装在陆地上，所述海水补给系统包括向气液变送罐提供海水的水泵。

5.如权利要求1所述的气液变送海水淡化系统，其特征在于，所述气液变送罐中安装有液位传感器，将液位信息发送到控制系统，当液面超过上限位时控制排气阀门关闭，当液面低于下限位时，控制进气阀门关闭；气液变送罐至反渗透膜海水淡化系统的出水管道中安置有流量传感器，将水液的流量信息发送到控制系统，根据用水流量的变化控制各进、排气阀门的开关频率，当流量为零时，使各排气阀门关闭。