CN105800734B - 新能源高效柱塞泵海水淡化装置系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种新能源高效柱塞泵海水淡化装置系统，属于海水淡化技术领域。该新能源高效柱塞泵海水淡化装置系统包括风机、液体柱塞增压装置和海水淡化处理装置；所述风机用于为液体柱塞增压装置提供能量，所述液体柱塞增压装置用于为海水淡化处理装置中低压新鲜海水增压。由于海水淡化处理装置与能量回收装置集成一体，并安装在风机的塔体内，大幅减少了占地面积，提高高压浓海水的能量回收利用率，且机构更加优化，减少了成本和故障率，由于采用风机和备用的非并网多能源协同供电装置，即可以100％风能进行海水淡化，也可以风、光、网协同供电。综合利用了清洁能源，减少了对电网的依赖，节约了能源，保护了环境。
Description
技术领域
本发明涉及一种新能源高效柱塞泵海水淡化装置系统，属于海水淡化技术领域。
背景技术
海水淡化技术发展的一个重要目标是降低运行成本，在运行成本的构成中能耗所占的比重最大，所以降低能耗是降低海水淡化成本最有效的手段。反渗透海水淡化是目前海水淡化的主流技术之一，反渗透海水淡化过程需消耗大量电能提升进水压力以克服水的渗透压，反渗透膜排出的浓水余压高达5 MPa ，排放的浓盐水中还蕴含约60%的进料水压力能量，将这一部分能量回收变成进水能量可大幅降低反渗透海水淡化的能耗，而这一目的实现有赖于利用能量回收技术。
自70年代以来，随着反渗透技术应用于海水／苦咸水淡化，各种形式的能量回收装置也相继出现。能量回收装置目前有水力透平式能量回收装置和功交换式能量回收装置两大类。最早的能量回收装置是水力透平式，瑞士Calder.AG公司的Pelton Wheel透平机和PumpGinard公司的Francis透平机，效率一般为 50%-70%，其原理是利用浓盐水驱动涡轮转动，通过轴与泵和电机相连，将能量输送至进料原海水，过程需要经过“水压能一机械能一水压能”两步转换。在上面的基础上经过改进，出现了一些独特的设计，其中具代表性的有丹麦Grundfos公司生产的BMET透平直驱泵和美国PEI公司生产的HydraulicTurbochargera两者均是透平与泵一体化设计，一根转轴连接两个叶轮，全部封装在一个壳体中，浓盐水流过叶轮时冲击叶片推动叶轮转动，从而驱动透平轴旋转。透平轴直接带动增压泵工作输出机械功，浓水能量转换成原海水的能量转换效率可提高至65% -80% 。高压泵与透平增压泵两级串联完成原海水的压力提升，通过透平增压降低高压泵所需要的扬程，减少电机动力消耗。但是，由于水力透平式能量回收装置原理上都要经过“水压能-机械能-水压能”两步转换，增加了机械能损耗，因此效率较低。
80年代，出现了一种新的能量回收技术，其工作原理是“功交换”，通过界面或隔离物，直接把高压浓盐水的压力传递给进料海水，过程得到简化，只需要经过“水压能一水压能”一步能量转换，能量回收效率可得到提高。目前反渗透海水淡化工程中应用的功交换式能量回收装置主要为转子式压力交换器和活塞式阀控压力交换器两类，效率可高达 90-97% 。
目前我国南海的开发利用已经提上日程，海水淡化项目就是其中的重点工程之一，但是由于南海岛礁众多，分布零散，九段线疆域内面积达二百多万平方公里，但是岛礁面积加起来仅十三平方公里，由于岛礁面积限制，而现有海水淡化系统需要的占地面积大，岛礁很难满足需要。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，针对现有技术中海水淡化系统占地面积大，能量回收和高压泵为分离单元，使得系统结构不紧凑，制造难度大，成本高的问题，提出一种将海水的反渗透淡化和能量回收集成为一体并集成到风机的塔体内从而大幅减少占地面积且有效降低成本的新能源高效柱塞泵海水淡化装置系统。
本发明为解决上述技术问题提出的技术方案是：一种新能源高效柱塞泵海水淡化装置系统，包括风机、液体柱塞增压装置、海水淡化处理装置和液缸控制装置（28），所述风机（26）包括叶轮（30）、转轴（29）和塔体（31），所述塔体（31）下端设有低压新鲜海水进口（32）和低压浓海水出口（33）；所述液体柱塞增压装置、海水淡化处理装置和液缸控制装置（28）均安装在所述塔体内，所述海水淡化处理装置包括第一液缸（5）、第二液缸（6）和RO膜组（22），所述第一液缸（5）内设有第一活塞（5-1），所述第一活塞（5-1）固接有第一活塞杆（5-2），所述第一活塞（5-1）将第一液缸（5）内部分为第一腔体（11）和第二腔体（2），所述第二液缸（6）内设有第二活塞（6-1），所述第二活塞（6-1）固接有第二活塞杆（6-2），所述第二活塞（6-1）将第二液缸（6）分为第三腔体（12）和第四腔体（4），所述低压新鲜海水进口（32）通过第一进液单向阀（1）和第二进液单向阀（3）分别与第二腔体（2）和第四腔体（4）连通；所述第二腔体（2）和第四腔体（4）分别通过第一排液单向阀（7）和第二排液单向阀（8）与所述RO膜组（22）连通；所述RO膜组（22）的高压浓海水出口通过第三排液单向阀（9）和第四排液单向阀（10）分别与第一腔体（11）和第三腔体（12）连通；所述第一腔体（11）和第三腔体（12）分别通过第五单向排液阀（13）和第六排液单向阀（14）与低压浓海水出口（33）连通；
使用时，当第一液缸（5）向RO膜组（22）供新鲜海水时，所述液缸控制装置控制RO膜组（22）排出的高压浓海水进入第一腔体（11），高压浓海水和第一活塞（5-1）共同压缩已进入到第二腔体（2）内的低压新鲜海水，与此同时，第二液缸(6)的第四腔体(4)补充低压新鲜海水，第三腔体(12)排出低压浓海水；当第二液缸向RO膜组(22)供新鲜海水时，所述液缸控制装置控制RO膜组(22)排出的高压浓海水进入第三腔体(12)，高压浓海水与第二活塞(6-1)共同压缩已进入到第四腔体（4）内的低压新鲜海水，与此同时，第一液缸(5)的第二腔体(2)补充低压新鲜海水，第一腔体(11)排出低压浓海水。
上述技术方案的改进是：所述液体柱塞增压装置包括第一液压泵(24)、第二液压泵(25)、第一液压缸(15)和第二液压缸(16)，所述第一活塞杆(5-2)的另一端固接有第一副活塞(5-3)，所述第一副活塞(5-3)将第一液压缸(15)分为第一进程腔(19)和第一回程腔(17)，所述第二活塞杆（6-2）的另一端固接有第二副活塞（6-3），所述第二副活塞（6-3）将第二液压缸（16）分为第二进程腔（20）和第二回程腔（18），所述第一液压泵（24）分别与第一回程腔（17）和第二回程腔（18）连通，所述第二液压泵（25）分别与第一进程腔（19）和第二进程腔（20）连通；所述转轴（29）用于为第一液压泵（24）和第二液压泵（25）提供动力。
上述技术方案的改进是：所述海水淡化处理装置还包括缓冲罐（21），所述缓冲罐（21）设置于RO膜组（22）之前，用于缓冲即将进入RO膜组（22）的高压新鲜海水。
上述技术方案的改进是：还包括发电机（27）和控制系统保障蓄电装置（27a），所述转轴（29）与发电机（27）连接，所述控制系统保障蓄电装置（27a）与所述电机（27）连接用于为液缸控制装置供电。
上述技术方案的改进是：还包括备用能量供给装置，所述备用能量供给装置由电动机（34）和非并网多能源协同供电装置（35），所述非并网多能源协同供电装置（35）用于为所述电动机（34）供电，所述电动机（34）用于驱动第一液压泵（24）和第二液压泵（25）。
上述技术方案的改进是：所述非并网多能源协同供电装置（35）包括电网（36）、太阳能（37）、生物质能（38）和潮汐能（39）。
本发明采用上述技术方案的有益效果是：1）由于将海水的反渗透淡化和能量回收集成为一体并集成到风机的塔体内，大大减少了占地面积，符合南海岛礁的现有环境特征，便于应用；2）由于高压浓海水直接进入第一腔体和第三腔体，用于压缩第二腔体和第四腔体中的低压新鲜海水，直接利用了高压浓海水中的能量，能量回收利用率提高；3）由于海水淡化处理装置与能量回收装置集成一体，缩短了中间步骤，较少高压浓海水的能量损失，提高了能量回收利用率，且机构更加简单，减少了成本；4）由于海水淡化处理装置中设置了缓冲罐，减少了高压新鲜海水对RO膜组的冲击，防止RO膜组损坏，延长了使用寿命；5）由于采用风机直接提供机械能，利用了清洁能源，减少了对电网的依赖，保护了环境；6）由于配备了备用能量供给装置，使得系统运行更稳定，可以防备各种因为供能不足而停产的情况；7）由于备用能量供给装置采用了非并网多能源协同供电装置，综合利用了清洁能源，减少了对电网的依赖，节约了能源，保护了环境。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步说明：
图1是本发明实施例新能源高效柱塞泵海水淡化装置系统的结构示意图。
图2是风机的结构示意图。
图3是备用能量供给装置的结构示意图。
图中标号示意如下：1-第一进液单向阀；2-第二腔体；3-第二进液单向阀；4-第四腔体；5-第一液缸；5-1-第一活塞；5-2-第一活塞杆；5-3-第一副活塞；6-第二液缸；6-1-第二活塞；6-2-第二活塞杆；6-3-第二副活塞；7-第一排液单向阀；8-第二排液单向阀；9-第三排液单向阀；10-第四排液单向阀；11-第一腔体；12-第三腔体；13-第五单向排液阀；14-第六排液单向阀；15-第一液压缸；16-第二液压缸；17-第一回程腔；18-第二回程腔；19-第一进程腔；20-第二进程腔；21-缓冲罐；22-RO膜组；23-淡水收集装置；24-第一液压泵；25-第二液压泵；26-风机；27-发电机；27a-控制系统保障蓄电装置；28-液缸控制装置；29-转轴；30-叶轮；31-塔体；32-低压新鲜海水进口；33-低压浓海水出口；34-电动机；35-非并网多能源协同供电装置；36-电网；37-太阳能；38-生物质能；39-潮汐能。
具体实施方式
实施例
如图1所示，本实施例的新能源高效柱塞泵海水淡化装置系统，包括风机、液体柱塞增压装置、海水淡化处理装置和液缸控制装置28；风机用于为液体柱塞增压装置提供能量，液体柱塞增压装置用于为海水淡化处理装置中低压新鲜海水增压；
风机26包括叶轮30、转轴29和塔体31，塔体31下端设有低压新鲜海水进口32和低压浓海水出口33；海水淡化处理装置安装在塔体31内。海水淡化处理装置包括第一液缸5、第二液缸6和RO膜组22，第一液缸5内设有第一活塞5-1，第一活塞5-1固接有第一活塞杆5-2，第一活塞5-1将第一液缸5内部分为第一腔体11和第二腔体2，第二液缸6内设有第二活塞6-1，第二活塞6-1固接有第二活塞杆6-2，第二活塞6-1将第二液缸6分为第三腔体12和第四腔体4，低压新鲜海水进口32通过第一进液单向阀1和第二进液单向阀3分别与第二腔体2和第四腔体4连通；第二腔体2和第四腔体4分别通过第一排液单向阀7和第二排液单向阀8与RO膜组22连通；RO膜组22的高压浓海水出口通过第三排液单向阀9和第四排液单向阀10分别与第一腔体11和第三腔体12连通；第一腔体11和第三腔体12分别通过第五单向排液阀13和第六排液单向阀14与低压浓海水出口33连通，海水淡化处理装置还包括缓冲罐21，缓冲罐21设置于RO膜组22之前，用于缓冲即将进入RO膜组22的高压新鲜海水。
液体柱塞增压装置包括第一液压泵24、第二液压泵25、第一液压缸15和第二液压缸16。第一液压泵24、第二液压泵25同轴装配。第一活塞杆5-2的另一端固接有第一副活塞5-3，第一副活塞5-3将第一液压缸15分为第一进程腔19和第一回程腔17，第二活塞杆6-2的另一端固接有第二副活塞6-3，第二副活塞6-3将第二液压缸16分为第二进程腔20和第二回程腔18，第一液压泵24分别与第一回程腔17和第二回程腔18连通，第二液压泵25分别与第一进程腔19和第二进程腔20连通；转轴29用于为第一液压泵24和第二液压泵25提供动力。
该新能源高效柱塞泵海水淡化装置系统工作时，第一液压缸15和第二液压缸16采用差动式配合。
当第一液缸5向RO膜组供给新鲜海水时，第一副活塞5-3进程，液缸控制装置28控制第二液压泵25输出的高压油进入第一进程腔19，第一回程腔17中高压油排出；与此同时，第一液压泵24输出的高压油进入第二回程腔18，第二进程腔20中的高压油排出。第一副活塞5-3通过第一活塞杆5-2推动第一活塞5-1，液缸控制装置控制RO膜组排出的高压浓海水通过第三排液单向阀9进入第一腔体11，高压浓海水和第一活塞5-1共同压缩已进入到第二腔体2内的低压新鲜海水形成高压新鲜海水，高压新鲜海水通过第一排液单向阀7进入缓冲罐21缓冲后通过RO膜组22，进行淡化，产生的淡水进入淡水收集装置23；与此同时，第二副活塞6-3被推动带动第二活塞杆6-2进而带动第二活塞6-1运动，第三腔体12内的低压浓海水通过第六排液单向阀14排出，第四腔体4容积增大形成负压并抽取低压新鲜海水进入。
当第二液缸向RO膜组供给新鲜海水时，第一副活塞5-3和第二副活塞6-3运动方式对换，第二副活塞6-3进程，液缸控制装置28控制第二液压泵25输出的高压油进入第二进程腔20，第二回程腔18中高压油排出；与此同时，第一液压泵24输出的高压油进入第一回程腔17，第一进程腔19中的高压油排出。第二副活塞6-3通过第二活塞杆6-2推动第二活塞6-1，液缸控制装置控制RO膜组排出的高压浓海水通过第四排液单向阀10进入第三腔体12，高压浓海水与第二活塞6-1共同压缩已进入到第四腔体4内的低压新鲜海水形成高压新鲜海水，高压新鲜海水通过第二排液单向阀8进入缓冲罐21缓冲后通过RO膜组22，进行淡化，产生的淡水进入淡水收集装置23；与此同时，第一副活塞5-3被推动带动第一活塞杆5-2进而带动第一活塞5-1运动，第一腔体11内的低压浓海水通过第五单向排液阀13排出，第二腔体2容积增大形成负压并抽取低压新鲜海水进入。
如此反复上述双向过程。
该新能源高效柱塞泵海水淡化装置系统还包括发电机27和控制系统保障蓄电装置27a，转轴29与发电机27连接，控制系统保障蓄电装置27a与发电机27连接，用于为液缸控制装置供电，并且控制系统保障蓄电装置27a还可以储存电量，当风力过小发电机发电不足时，控制系统保障蓄电装置27a可以为液缸控制装置正常供电。
当风力过小，风机不能稳定输出机械能时，该新能源高效柱塞泵海水淡化装置系统还配有备用能量供给装置，备用能量供给装置由电动机34和非并网多能源协同供电装置35，非并网多能源协同供电装置35用于为电动机34供电，电动机34用于驱动第一液压泵24和第二液压泵25，电动机34与风机26通过离合器切换，使用电动机34时，发电机27不工作，由控制系统保障蓄电装置27a使用储存的电能为液缸控制装置正常供电。
非并网多能源协同供电装置35包括电网36、太阳能37、生物质能38和潮汐能39。由于生物质能38的输出较为稳定，受环境影响小，在非并网多能源协同供电装置35中比重固定。白天阳光充足，太阳能36并入非并网多能源协同供电装置35一起供电，夜晚当潮汐能39充足，代替太阳能37并入非并网多能源协同供电装置35一起供电，当太阳能37、生物质能38和潮汐能39共同供电都不能满足供电需要时，电网36并入非并网多能源协同供电装置35协同供电。
本发明不局限于上述实施例，本实施例的海水淡化处理装置只是一组，可以根据产量需要，设置多组海水淡化装置。凡采用等同替换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。
Claims (6)
1.一种新能源高效柱塞泵海水淡化装置系统，包括风机、液体柱塞增压装置、海水淡化处理装置和液缸控制装置（28），其特征在于:所述风机（26）包括叶轮（30）、转轴（29）和塔体（31），所述塔体（31）下端设有低压新鲜海水进口（32）和低压浓海水出口（33）；所述液体柱塞增压装置、海水淡化处理装置和液缸控制装置（28）均安装在所述塔体内，所述海水淡化处理装置包括第一液缸（5）、第二液缸（6）和RO膜组（22），所述第一液缸（5）内设有第一活塞（5-1），所述第一活塞（5-1）固接有第一活塞杆（5-2），所述第一活塞（5-1）将第一液缸（5）内部分为第一腔体（11）和第二腔体（2），所述第二液缸（6）内设有第二活塞（6-1），所述第二活塞（6-1）固接有第二活塞杆（6-2），所述第二活塞（6-1）将第二液缸（6）分为第三腔体（12）和第四腔体（4），所述低压新鲜海水进口（32）通过第一进液单向阀（1）和第二进液单向阀（3）分别与第二腔体（2）和第四腔体（4）连通；所述第二腔体（2）和第四腔体（4）分别通过第一排液单向阀（7）和第二排液单向阀（8）与所述RO膜组（22）连通；所述RO膜组（22）的高压浓海水出口通过第三排液单向阀（9）和第四排液单向阀（10）分别与第一腔体（11）和第三腔体（12）连通；所述第一腔体（11）和第三腔体（12）分别通过第五单向排液阀（13）和第六排液单向阀（14）与低压浓海水出口（33）连通；
使用时，当第一液缸（5）向RO膜组（22）供新鲜海水时，所述液缸控制装置控制RO膜组（22）排出的高压浓海水进入第一腔体（11），高压浓海水和第一活塞（5-1）共同压缩已进入到第二腔体（2）内的压新鲜海水，与此同时，第二液缸(6)的第四腔体(4)补充低压新鲜海水，第三腔体(12)排出低压浓海水；当第二液缸向RO膜组(22)供新鲜海水时，所述液缸控制装置控制RO膜组(22)排出的高压浓海水进入第三腔体(12)，高压浓海水与第二活塞(6-1)共同压缩已进入到第四腔体（4）内的低压新鲜海水，与此同时，第一液缸(5)的第二腔体(2)补充低压新鲜海水，第一腔体(11)排出低压浓海水。
2.根据权利要求1所述的新能源高效柱塞泵海水淡化装置系统，其特征在于:所述液体柱塞增压装置包括第一液压泵(24)、第二液压泵(25)、第一液压缸(15)和第二液压缸(16)，所述第一活塞杆(5-2)的另一端固接有第一副活塞(5-3)，所述第一副活塞(5-3)将第一液压缸(15)分为第一进程腔(19)和第一回程腔(17)，所述第二活塞杆（6-2）的另一端固接有第二副活塞（6-3），所述第二副活塞（6-3）将第二液压缸（16）分为第二进程腔（20）和第二回程腔（18），所述第一液压泵（24）分别与第一回程腔（17）和第二回程腔（18）连通，所述第二液压泵（25）分别与第一进程腔（19）和第二进程腔（20）连通；所述转轴（29）用于为第一液压泵（24）和第二液压泵（25）提供动力。
3.根据权利要求2所述的新能源高效柱塞泵海水淡化装置系统，其特征在于: 所述海水淡化处理装置还包括缓冲罐（21），所述缓冲罐（21）设置于RO膜组（22）之前，用于缓冲即将进入RO膜组（22）的高压新鲜海水。
4.根据权利要求3所述的新能源高效柱塞泵海水淡化装置系统，其特征在于:还包括发电机（27）和控制系统保障蓄电装置（27a），所述转轴（29）与发电机（27）连接，所述控制系统保障蓄电装置（27a）与所述电机（27）连接用于为液缸控制装置供电。
5.根据权利要求4所述的新能源高效柱塞泵海水淡化装置系统，其特征在于:还包括备用能量供给装置，所述备用能量供给装置由电动机（34）和非并网多能源协同供电装置（35），所述非并网多能源协同供电装置（35）用于为所述电动机（34）供电，所述电动机（34）用于驱动第一液压泵（24）和第二液压泵（25）。
6.根据权利要求5所述的新能源高效柱塞泵海水淡化装置系统，其特征在于:所述非并网多能源协同供电装置（35）包括电网（36）、太阳能（37）、生物质能（38）和潮汐能（39）。
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