CN104495983A - 抽水蓄能式风能直接驱动海水淡化集成系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抽水蓄能式风能直接驱动海水淡化集成系统，它包括海水淡化单元、抽水蓄能单元、蓄水池、能量转换装置、预处理池以及相关的管道。预处理池分别与抽水蓄能单元和海水淡化单元的进水管连接；抽水蓄能单元的出水管与蓄水池连通；蓄水池、能量转换装置与海水淡化单元之间进行耦合设置；能量转换装置的回水管与预处理池连通。本发明中海水淡化单元由风力机提供的机械能和水力透平提供的机械能共同驱动保证了稳定的淡水输出，并且抽水蓄能单元和海水淡化单元可以根据实际情况进行合理搭配。本发明具有结构简单、能量转换效率高、稳定性好、可靠性好、操作简单，投资和运行成本低、适应范围广等特点，适用于建设大型风能海水淡化工程。

Description

抽水蓄能式风能直接驱动海水淡化集成系统

技术领域

本发明属于海水或苦咸水淡化技术领域，特别是涉及一种抽水蓄能式风能直接驱动海水淡化集成系统。

背景技术

海水或苦咸水淡化是解决淡水资源短缺问题的有效的战略途径，大力发展廉价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。海上和海岛的风能资源十分丰富，具有风速大、相对稳定的特点，因此风能是海水淡化的重要能源选择。目前风能海水淡化主要有两种途径：(1)风电海水淡化（分离式）；(2)风力直接驱动海水淡化(耦合式)。由于风力发电技术的进步，风电海水淡化（分离式）得到比较广泛的应用，但仍需有效解决蓄电变频的环节。风力直接驱动海水淡化（耦合式）由于省略“机械能→电能→机械能”转换过程，能量利用效率更高，系统结构也得到简化。只是利用风力机的旋转动能直接驱动反渗透泵或蒸汽压缩单元时，风能的波动性影响泵的流量或压缩机的稳定性，因此需要采用相关的调节装置比如蓄水池、抽水蓄能系统、飞轮储能系统、压力平衡系统、液压传动系统等来平衡或消除风能变化的影响。荷兰Delft大学建造了风能直接驱动海水淡化装置，并从试验上证实了风能直接驱动反渗透海水淡化的技术可行性，该系统不需要任何能量储存装置，并稳定运行超过7000h，但需要进一步试验检验变负荷运行时膜组件的老化问题；中国科学院等单位和余立群等个人设计了风能直接驱动的反渗透海水淡化装置。但是以上提及的装置都是独立运行的系统，每套装置都设置了调节装置及其控制系统，比较适用于小型化单独运行的模式，并不适合于建设大型海水淡化工程。由于大型海水淡化工程往往需要几十台乃至几百台风力机组同时运行，若每个风力海水淡化单元都有自身的储能装置和控制系统，则整个系统将比较复杂，其操作性和可靠性也比较差。基于上述分析，大型海水淡化工程还需解决能量系统及其控制环节的集成和优化问题，才能使整个系统结构简洁，操作简单，稳定性好，淡化成本低廉，真正适用于建设大规模低成本的大型海水淡化厂。

发明内容

    本发明的目的在于提供一种结构简单、能量转换效率高、操作方便、稳定性好的抽水蓄能式风能直接驱动海水淡化集成系统。

本发明的目的是通过下述的技术方案加以实现的：

一种抽水蓄能式风能直接驱动海水淡化集成系统，它包括海水淡化单元、抽水蓄能单元、蓄水池、能量转换装置、预处理池以及相关的管道。预处理池分别与抽水蓄能单元和海水淡化单元的进水管连接；抽水蓄能单元的出水管与蓄水池连通；蓄水池、能量转换装置与海水淡化单元之间进行耦合设置；能量转换装置的回水管与预处理池连通。

所述的海水淡化单元包括风力机、增速器、高压调速泵、反渗透装置、升压调速泵、溢流管、顺序阀。所述的风力机通过增速器与高压调速泵同轴连接，所述的高压调速泵的海水进口通过管道与升压调速泵的海水出口连接，高压调速泵的海水出口通过管道与反渗透装置的海水进口连接；所述的升压调速泵与能量转换装置同轴连接，升压调速泵的海水进口通过管道与预处理池连通；在高压调速泵与反渗透装置之间的管道上设置溢流管；所述的溢流管与蓄水池连通并在该管道上设置顺序阀。

所述的抽水蓄能单元包括风力机、液力耦合器、低压大流量泵、单向阀。所述的风力机通过液力耦合器与低压大流量泵同轴连接；所述的低压大流量泵的海水进口通过管道与预处理池连通，低压大流量泵的海水出口通过管道与蓄水池连通，并在该管道上设有单向阀。

所述的蓄水池为敞口容器，蓄水池的底部设有多条出水管，每条出水管的开口皆设有喷嘴和调节阀门。

所述的能量转换装置包括水力透平、变速箱、水槽。所述的水力透平处于水槽的正上方位置和蓄水池的喷嘴的正前方位置，水力透平通过变速箱与海水淡化单元的升压调速泵同轴连接；所述的水槽通过管道与预处理池连通。

采用上述方案后，本发明具有以下几个特点：

一、能量转换效率高。本发明的海水淡化单元采用风力机直接驱动反渗透泵进行海水淡化，能量转换过程简单，与风电海水淡化技术相比，省略了机械能转换为电能的中间环节，能量转换效率得到提高。

二、稳定性好。本发明的抽水蓄能单元将部分风力机提供的机械能转换为海水的势能储存在蓄水池内，再利用能量转换装置的水力透平将部分海水的势能重新转换为机械能传递给海水淡化单元。当低风速时，海水淡化单元由风力机提供的机械能和水力透平提供的机械能共同驱动，成功解决了风能的随机性以及波动性引起的反渗透装置供能不稳定性的问题，保证了海水淡化单元在大部分情况下担负基本负荷正常运行，从而使整个系统保持较高的效率并得到稳定的淡水输出。

三、结构简单。首先本发明与风电海水淡化技术相比，省去了发电环节的部分设备，结构比较简单。其次本发明的海水淡化单元不用设置自身的储能装置及其控制系统，而是由多个海水淡化单元共用同一蓄水池即可达到稳定供能的目的，因此本发明的集成系统与相同容量下由独立运行装置按阵列布置构成的组合式系统相比，本系统的整体结构更为简单，投资和建设费用降低。

四、适应范围广、可靠性好。本发明的抽水蓄能单元和海水淡化单元可以根据实际情况选择合理搭配，不仅可以满足几十台乃至几百台风力机组同时运行的大型海水淡化工程，而且可以在较大范围内满足不同地域的风能资源特点。另外本发明由一套简单的控制系统即可有效控制整个集成系统的正常运行，而且海水淡化单元不用频繁启停，延长了膜组件的寿命，因此本发明具有操作简单，可靠性好，运行和维护费用低的特点。

综上所述，本发明具有结构简单、能量转换效率高、稳定性好、可靠性好、操作简单，投资和运行成本低、适应范围广等特点，适用于建设大型风能海水淡化工程，可被广泛应用于海水淡化领域中。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明是一种抽水蓄能式风能海水淡化集成系统，它包括海水淡化单元1、抽水蓄能单元2、蓄水池3、能量转换装置4、预处理池5以及相关的管道。预处理池5分别与抽水蓄能单元2和海水淡化单元1的进水管连接；抽水蓄能单元2的出水管与蓄水池3连通；蓄水池3、能量转换装置4与海水淡化单元1之间进行耦合设置；能量转换装置4的回水管与预处理池5连通。

所述的海水淡化单元1包括风力机11、增速器12、高压调速泵13、反渗透装置14、升压调速泵15、溢流管16、顺序阀17。海水淡化单元1可有多个，在本实施例中采用两个海水淡化单元1。所述的风力机11通过增速器12与高压调速泵13同轴连接，所述的高压调速泵13的海水进口通过管道与升压调速泵15的海水出口连接，高压调速泵13的海水出口通过管道与反渗透装置14的海水进口连接；所述的升压调速泵15与能量转换装置4同轴连接，升压调速泵15的海水进口通过管道与预处理池5连通；在高压调速泵13与反渗透装置14之间的管道上设置溢流管16；所述的溢流管16与蓄水池3连通并在该管道上设置顺序阀17。

所述的抽水蓄能单元2包括风力机21、液力耦合器22、低压大流量泵23、单向阀24。抽水蓄能单元2可有多个，在本实施例中采用一个抽水蓄能单元2。所述的风力机21通过液力耦合器22与低压大流量泵23同轴连接；所述的低压大流量泵23的海水进口通过管道与预处理池5连通，低压大流量泵23的海水出口通过管道与蓄水池3连通，并在该管道上设有单向阀24。

所述的蓄水池3为敞口容器，蓄水池3可有多个，在本实施例中采用一个蓄水池3。蓄水池3的底部设有两条出水管31，每条出水管31的开口皆设有喷嘴32和调节阀门33。

所述的能量转换装置4包括水力透平41、变速箱42、水槽43。能量转换装置4可有多个，在本实施例中采用两个能量转换装置4。所述的水力透平41处于水槽43的正上方位置和蓄水池3的喷嘴32的正前方位置，水力透平41通过变速箱42与海水淡化单元1的升压调速泵15同轴连接；所述的水槽43通过管道与预处理池5连通。

本发明的工作原理：

如图1所示，抽水蓄能单元的风力机捕获风的动能输出旋转机械能，该机械能经由液力耦合器后驱动低压大流量泵运行，低压大流量泵从预处理池抽取海水并输送至蓄水池内，使得蓄水池内水位升高，此时流量泵的做功转换为蓄水池内海水的势能。蓄水池内的海水由调节阀门控制流量从蓄水池底部的喷嘴射出，驱动能量转换装置的水力透平做功，海水的势能转换为水力透平的旋转机械能，该机械能经由变速箱后驱动海水淡化单元的升压调速泵运行，升压调速泵从预处理池抽取海水输送至高压调速泵的海水进口，同时提高了高压调速泵进口的海水压力，与此同时，海水淡化单元的风力机捕获风的动能输出旋转机械能，该机械能经由增速器后驱动高压调速泵运行，高压调速泵进一步提高海水的压力并输送至反渗透装置工作从而得到稳定的淡水输出。当风速足够高时，蓄水池的调节阀门关闭，升压调速泵停止运行，反渗透装置完全由风力机独自驱动，若高压调速泵的出口压力高于反渗透装置的操作压力，则顺序阀自动开启溢流一些海水进入蓄水池内从而释放多余的压力，从而使反渗透装置的操作压力保持恒定。

以上所述，仅为本发明的一个实施例而已，并且各管路的布置可有多种方式，故不能以此限定本发明实施的范围，即依本发明申请专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明专利涵盖的范围内。

Claims (4)

1.一种抽水蓄能式风能直接驱动海水淡化集成系统，其特征在于：它包括海水淡化单元、抽水蓄能单元、蓄水池、能量转换装置、预处理池以及相关的管道，预处理池分别与抽水蓄能单元和海水淡化单元的进水管连接；抽水蓄能单元的出水管与蓄水池连通；蓄水池、能量转换装置与海水淡化单元之间进行耦合设置；能量转换装置的回水管与预处理池连通，所述的海水淡化单元包括风力机、增速器、高压调速泵、反渗透装置、升压调速泵、溢流管、顺序阀,所述的风力机通过增速器与高压调速泵同轴连接，所述的高压调速泵的海水进口通过管道与升压调速泵的海水出口连接，高压调速泵的海水出口通过管道与反渗透装置的海水进口连接；所述的升压调速泵与能量转换装置同轴连接，升压调速泵的海水进口通过管道与预处理池连通；在高压调速泵与反渗透装置之间的管道上设置溢流管；所述的溢流管与蓄水池连通并在该管道上设置顺序阀。

2.根据权利要求1所述的抽水蓄能式风能直接驱动海水淡化集成系统，其特征在于：所述的抽水蓄能单元包括风力机、液力耦合器、低压大流量泵、单向阀,所述的风力机通过液力耦合器与低压大流量泵同轴连接；所述的低压大流量泵的海水进口通过管道与预处理池连通，低压大流量泵的海水出口通过管道与蓄水池连通，并在该管道上设有单向阀。

3.根据权利要求1所述的抽水蓄能式风能直接驱动海水淡化集成系统，其特征在于：所述的蓄水池为敞口容器，蓄水池的底部设有多条出水管，每条出水管的开口皆设有喷嘴和调节阀门。

4.根据权利要求1所述的抽水蓄能式风能直接驱动海水淡化集成系统，其特征在于：所述的能量转换装置包括水力透平、变速箱、水槽所述的水力透平处于水槽的正上方位置和蓄水池的喷嘴的正前方位置，水力透平通过变速箱与海水淡化单元的升压调速泵同轴连接；所述的水槽通过管道与预处理池连通。