CN110980880A - 一种潮汐驱动高压海水淡化系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种潮汐驱动高压海水淡化系统，属于海水淡化技术领域，包括海水淡化管，海水淡化管通过双向输水管与外海和海水蓄水池分别相连，海水淡化管通过淡水出水管与淡水输水管相连，在潮汐驱动下，海水由外海或海水蓄水池进入双向输水管，经过海水淡化管产生淡水由淡水出水管汇入淡水输水管，生成淡化海水。本发明有效使用潮水的潮差产生的势能，无需其他能量驱动，装置便可以平稳正常运作；在运行过程中，不会受到极端天气和波浪的侵蚀，能保证长期平稳运行，大大提高了装置的使用效率，实现海水淡化系统的最大化利用；使得增压装置更容易控制和设计，由于气体具有压缩性，通过对整个装置内空气的压缩，实现海水淡化。

Description

一种潮汐驱动高压海水淡化系统

技术领域

本发明属于海水淡化技术领域，具体涉及一种潮汐驱动高压海水淡化系统。

背景技术

中国的淡水资源短缺，统计数据显示，即便是在有南水北调工程两条各长约100公里的线路，每年输送250亿立方米长江水至中国北方的情况下，到2030年，中国沿海地区淡水资源缺口还将达到214亿立方米。在中国的669座大型城市中，至少有400座城市面临淡水资源的匮乏。因此，海水淡化项目受到广泛关注。

潮汐能是滨海地区蕴藏的巨大的稳定可再生能源，在涨潮过程中，汹涌而来的海水使海水的水位升高，把海水的巨大动能转化为势能，在落潮过程中，海水奔腾而去，水位逐渐降低。尽管潮汐很复杂，但对于任何地方的潮汐都可以进行准确预报。

目前，潮汐能的主要利用方式是发电，并且潮差在3m以上且地理条件合适时才有实际应用价值。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于提供一种潮汐驱动高压海水淡化系统，该海水淡化系统可以利用潮汐能驱动淡化海水，具有转化率高、无污染的特点。

技术方案：为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

利用潮汐能的驱动，可以在反渗透膜的附近形成高压环境，采用反渗透技术可以实现海水的淡化，从而缓解淡水资源短缺的现状。

一种潮汐驱动高压海水淡化系统，设置在外海与海岸相接之处，包括海水淡化管，所述的海水淡化管通过双向输水管与外海和海水蓄水池分别相连，海水淡化管通过淡水出水管与淡水输水管相连，在潮汐驱动下，海水由外海或海水蓄水池进入双向输水管，经过海水淡化管产生淡水由淡水出水管汇入淡水输水管，生成淡化海水。

进一步地，在所述的双向输水管的头部接触空气的地方设置固定的进气管，空气可以由进气管进入系统，在水流的驱动下，压缩形成高压气。

进一步地，所述的双向输水管、海水淡化管、淡水出水管埋设在地面以下；所述的淡水输水管埋设在地面以下或地面以上。

进一步地，所述的双向输水管根数按照下式计算：

其中，V为海水蓄水池的蓄水体积，n为双向输水管根数，Q为单根双向输水管道流量，t循环周期，为以6h计算常规半日潮海岸，以12h计算常规常规全日潮海岸，计算时将所有变量换算到国际单位，长度变量的单位为m，时间变量的单位为s。

进一步地，在所述的双向输水管上设置止水阀，在外海和海水蓄水池在潮汐驱动下形成水位差；并当水位差达到当日或半日最大时，即涨潮最高潮位和落潮最低潮位，打开止水阀使海水能够进入并通过双向输水管，当外海和海水蓄水池内的水位差保持一致时关闭止水阀。

进一步地，在所述的海水淡化管管内设置有增压装置和反渗透淡化装置；所述的海水淡化管的两端与双向输水管焊接连接，淡水出水管伸入到海水淡化管的内部，与反渗透淡化装置连接。

进一步地，所述的淡水出水管和淡水输水管连接呈梳齿形；所述的淡水出水管的管径小于淡水输水管的管径。

进一步地，所述的进气管架设在双向输水管上端，通过连接部件安装保持固定，上端连接空气，上端高程高于高潮位，下端设置在双向输水管的管径渐变处。

有益效果：与现有技术相比，本发明的一种潮汐驱动高压海水淡化系统：

1)利用潮汐能代替传统的电力实现海水的淡化，实现清洁能源的利用，防止在制备淡水的过程中产生污染物，破坏生态环境。海水淡化不仅工艺复杂，而且需要消耗大量能源，大大增加了海水淡化的成本。本装置可以有效使用潮水的潮差产生的势能，无需其他能量驱动，装置便可以平稳正常运作；

2)本装置的主体埋设在地下，所以受地形影响较小，任何有潮差的沿海均可以建设这套系统，用于海水的淡化；在运行过程中，不会受到极端天气和波浪的侵蚀，能保证长期平稳运行；

3)本系统采用双向的设置，无论是涨潮还是落潮，装置都可以运作实现海水的淡化，大大提高了装置的使用效率；

4)利用多组管道实现海水淡化。在实际运作过程中，可以开启和关闭一组或多组管道，以符合不同时段不同状况的潮差，通过对运作方案的合理规划能提高海水淡化的运作效率。潮差越大，需要开启的管道数就越多；而潮差越小，需要开启的管道数就越少；通过开启或关闭输水管阀门，实现不同工况下海水的流速都能控制在有效的范围以内，实现海水淡化系统的最大化利用；

5)本系统设计的进气管，使得增压装置更容易控制和设计。由于气体具有压缩性，通过对整个装置内空气的压缩，实现海水淡化。

附图说明

图1是潮汐驱动高压海水淡化系统的布置示意图；

图2是潮汐驱动高压海水淡化系统的结构透视示意图；

图3是垂直下流管两相流形成机理示意图；

附图标记为：1-外海，2-海水蓄水池，3-双向输水管，4-海水淡化管，5-淡水出水管，6-淡水输水管，7-止水阀，8-增压装置，9-反渗透淡化装置，10-进气管。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作更进一步的说明。

在垂直下水管中发生的液气能量转换过程作为两相流问题进行研究。试验测试了潮差为2m～6m工况，都达到了良好的产生高压气效果。对于垂直下水管，当潮汐能海岸水流量足够大时，管道的上部形成一个液封，管道内部形成一个封闭的空间。如图3所示，矩形的进水槽、直径渐变的管道和垂直下水管用胶水密闭连接，进水槽内为进气管以及进气管周围固定装置。

一维的垂直下水管道流中的水颗粒运动与一维的水平管道流不同。在一维水平管中，所有的水颗粒都有着相同的流动速度，没有解体的倾向，因为水颗粒在管道沿线运动的过程中没有重力加速度。然而，在垂直下水管中，所有的水颗粒都受到重力的影响。在垂直下水管的不同位置的每一单位体积水的流速都不同。流体在相对位置较低的管道部位会产生更高的流速，且流速随着流动路程的增加而增加，上下水体彼此分开。当水体彼此分离时，在封闭空间内会产生了一个负的压力。为了平衡这种不平衡力，填充流便开始倾向于进入断裂主流的间隙中，直到达到两个部分之间的压力平衡。

在这一部位上面是气相，下面是液气混合相。相比之下，在管道的其他部分的上下两面，均为液气混合相。当设备被激活的初始时刻，在垂直下水管道中会产生一个液气相的非均相流场，气相与液相间断性的向下流动，引起管道间断性的振动。当设备被激活一段时间以后，垂直下水管中非均匀的两相流逐步发展，形成了稳定均匀的两相流形式，两相流体在下水管中持续流动，无明显间断。流体在垂直下水管中下落一定距离后，每单位空气承受着来自上方两相流柱体的越来越大的压力，最终在管道末端形成高压气体。

能量转换效率η是能量转换设备的可用能量输出与能量输入的比率。能量转换的效率＝被有效利用的能量/消耗总能量×100％。目前，仍然没有被广泛采用的液气能之间的能源转换效率的定义，本文对η作简单的推导。能量转换效率η在数学上定义为：

式中的潮汐能可根据潮汐能海岸落差按照下式计算：

E_liquid＝mgΔh (2)；

其中，m是低水头水的质量，g是由于重力引起的当地加速度。

增压装置是根据帕斯卡定理工作的，空气驱动腔内的大活塞通过活塞杆与气体增压腔内的小活塞相连,这样利用两活塞之间的面积差比就可以实现对增压腔内的气体进行增压的目的。反渗透是目前最精密的液体过滤技术，反渗透膜对溶解性的盐等无机分子和分子量大于100的有机物起截留作用，另一方面，水分子可以自由的透过反渗透膜，典型的可溶性盐的脱除率为>95～99％。当进水为海水时，操作压力为69bar(1,000psi)。试验研究表明，海水通过双向输水管3后，能产生52～69kPa的压力，通过增压装置将压力提高到69bar。

如图1-2所示，一种潮汐驱动高压海水淡化系统，包含外海1、海水蓄水池2、双向输水管3、海水淡化管4、淡水出水管5、淡水输水管6、止水阀7、增压装置8、反渗透淡化装置9、进气管10。双向输水管3连接在海水淡化管4两端，分别连接外海1和海水蓄水池2。在潮汐驱动下，海水由外海1或海水蓄水池2进入双向输水管3，经过海水淡化管4产生淡水由淡水出水管5汇入淡水输水管6，生成淡化海水。在双向输水管3的头部接触空气的地方设置固定的进气管10，空气可以由进气管10进入系统，在水流的驱动下，压缩形成高压气。双向输水管3、海水淡化管4、淡水出水管5埋设在地面以下。根据实际需要，淡水输水管6可在地面以上，也可埋入地面以下。根据当地潮差的大小和地形布置，合理设计双向输水管3的数量和直径，以实现最佳的海水淡化率。合理的选择潮汐能海岸、设计系统对提高工程的效益至关重要。但是在实际工程设计中，不能单独考虑能量转换效率这一个因素，应结合工程的建设成本和目的需求，合理设计系统的各个细节，以达到高效节能的目的，因此给出如下建议：选择合理直径的管道，应首先对当地潮汐能海岸的流量进行观测。只要获得潮汐能海岸的落差以及流量数据，合理设计液气能转换系统的各个组成部分，就能大大提高本装置的效率。根据潮汐能海岸的水文特征，可以按照表1.1的要求，并以经济性为目的，合理选择双向输水管3直径；在实际工程中，若更换管道的材质，仍可以按照试验所得的结果进行设计。更换管道的材质对能量转换效率无影响。

表1.1双向输水管3径取值表

单根双向输水管流量(m<sup>3</sup>/h)	≥150	≥200	≥300
				双向输水管3直径(mm)	≤160	≤200	≤250

空气由进气管10进入系统，可以有效减少管道内部的负压侵蚀，提高整个装置的耐久性。并且由于空气具有良好的压缩性，在潮差的驱动下，海水能够压缩空气成高压气，通过实现对空气的压缩，提高反渗透淡化装置9内部的压力，产生更多的淡水。当进水为海水时，操作压力为69bar(1,000psi)。试验研究表明，海水通过双向输水管3后，能产生52～69kPa的压力，通过增压装置将压力提高到69bar。

海水蓄水池2为天然洼地或人工开挖。也可对天然洼地进行改良，使其底高程略低于低潮位，岸坡顶部略高于高潮位。海水蓄水池2的面积越大，即海水蓄水池2的蓄水体积越大，可实现的淡水转化越多，但实际海水蓄水池2的面积实际上还受到如地形、经济效益、政策等诸多因素的影响，应综合考虑确定。双向输水管3根数按照下式计算：

V为海水蓄水池2的蓄水体积，n为双向输水管3根数，Q为单根双向输水管道流量，t循环周期，为以6h计算常规半日潮海岸，以12h计算常规常规全日潮海岸，计算时将所有变量换算到国际单位，长度变量的单位为m，时间变量的单位为s。

双向输水管3上设置止水阀7，在外海1和海水蓄水池2在潮汐驱动下形成水位差，一般潮汐海岸的潮差为2～6m，并当水位差达到当日或半日最大时，即涨潮最高潮位和落潮最低潮位，打开止水阀7使海水能够进入并通过双向输水管3，当外海1和海水蓄水池2内的水位差保持一致时关闭止水阀7。双向输水管3的管径上端口处稍大，双向输水管3的其余部位为直径相同的圆管，在上端口与圆管中间有直径渐变段。双向输水管3上端口设置过滤装置，防止鱼类和浮游动植物进入系统。双向输水管3上端部浸没在海水中，其高程设置在低潮位附近。双向输水管3内部水气作用剧烈，因此，需要采用强度高的材质作为管壁。

双向输水管3内海水的流动方向是双向的，可以由外海1流入海水蓄水池2，也可以由海水蓄水池2流入外海1。

海水淡化管4管内设置有增压装置8和反渗透淡化装置9。海水淡化管4的两端与双向输水管3焊接连接，淡水出水管5伸入到海水淡化管4的内部，与反渗透淡化装置9连接。海水淡化管4需要有较好的气密性和水密性，且能承受较大的内外压力。海水淡化管4尽量选用零污染的无毒材料，即使海水淡化管4破裂，也不会对附近的土壤和滨海水体造成危害。

增压装置8能压缩由高压空气和海水组成的气液混合物，并将混合物压入反渗透淡化装置9，实现海水淡化。增压装置8的目的是把水压到反渗透膜的工作压强，大约50psi以上。通过高压使水分子从膜的一侧移动到另一侧，淡化海水从淡水出水管5排出，产生的废水与多余的海水混合，一起从另一端双向输水管3排出。反渗透过程简单，能耗低。反渗透膜使用一段时间后会出现堵塞，因此需要定期清洗更换，以确保淡水的转化率。

海水淡化管4的埋深应越大越好，有利于提高海水的淡化率。埋深越大，海水淡化管4内部的压力越大，海水更容易通过反渗透膜，从而形成更多体积的淡化水。虽然更大埋深的海水淡化管4更适合于工程应用，但由于出水管埋在地下，如果海水淡化管4较深，成本将会随着埋深的增大而增加，后期维护难度加大。因此，在工程应用之前，双向输水管3长度的选定必须仔细斟酌，需综合考虑地质条件、施工成本、施工难度等因素。

淡水出水管5和淡水输水管6连接呈梳齿形。淡水出水管5的管径小于淡水输水管6的管径，淡水出水管5的直径由生成淡化海水的量决定，根据表1.2选择淡水出水管5的直径，淡水输水管6的管径由淡水出水管5的管径和淡水出水管5的数量共同决定。所有生成的淡化海水均通过淡水出水管5汇入淡水输水管6，并通过淡水输水管6转而运输到其他地区进行进一步的处理。

表1.2淡水出水管5的直径

口径(mm)	流量(m<sup>3</sup>/小时)
		15	1.5
20	2.5
		25	3.5
32	5
		40	10
50	15
		65	18
80	30
		100	50
150	120
		200	250
250	320
		300	450
400	650
		500	875
600	1260
		700	1715

所有的止水阀7需要由机械系统统一操作控制，同时开启或关闭。

进气管10架设在双向输水管3上端，通过连接部件安装保持固定，上端连接空气，上端高程高于高潮位，下端设置在双向输水管3的管径渐变处。进气管10由单管或多管组成，使用强度较高的PVC管或混凝土管均可。通过对当地历史潮位的查阅，选取合适长度的进气管10以满足上端高程高于高潮位且下端设置在双向输水管3的管径渐变处的要求。进气管10的管径不宜太大也不宜太小，管径的设置为双向输水管3的管径的进气管10％到40％均可。安装进气管10的连接部件不影响海水和空气进入装置，且具有一定的抗腐蚀性。

双向输水管3、海水淡化管4、淡水出水管5、淡水输水管6、止水阀7需进行抗腐蚀处理，并在结构外侧布置抗撞防震的保护设施。双向输水管3、海水淡化管4、淡水出水管5、淡水输水管6、止水阀7可以采用电化学保护的金属管，也可采用防腐蚀处理的混凝土管。

该海水淡化系统的工作过程是：

当外海1处于高潮位附近时，同步打开全部止水阀7，外海1中的海水迅速涌入双向输水管3，并通过进气管10卷入大量空气，空气与海水的混合物在双向输水管3内剧烈掺混并在重力作用下向下运动，越往下压力越高，在海水淡化管4中的压力达到最大值。空气与海水的混合物在增压装置8中的压力进一步增大，达到能透过反渗透淡化装置9中反渗透膜的压力值。通过高压使水分子从膜的一侧移动到另一侧，淡化海水从淡水出水管5排出，并在淡水输水管6内汇聚，产生的废水与多余的海水混合，一起从另一端双向输水管3排出。当外海1和海水蓄水池2内的水位持平时，同步关闭全部止水阀7。当外海1处于低潮位附近时，同步打开全部止水阀7，水流往反方向运动。当外海1和海水蓄水池2内的水位持平时，同步关闭全部止水阀7。反渗透膜使用一段时间后会出现堵塞，当产水量下降、进水与浓水间的压降增加、膜脱除率明显变化(增加或降低)，表明进水流道堵塞，因此需要定期清洗更换。膜的使用寿命取决于膜的化学稳定性、元件的物理稳定性、可清洗性、进水水源、预处理、清洗频率、操作管理水平等。根据经济分析通常为5年以上。

Claims (8)

1.一种潮汐驱动高压海水淡化系统，设置在外海(1)与海岸相接之处，其特征在于：包括海水淡化管(4)，所述的海水淡化管(4)通过双向输水管(3)与外海(1)和海水蓄水池(2)分别相连，海水淡化管(4)通过淡水出水管(5)与淡水输水管(6)相连，在潮汐驱动下，海水由外海(1)或海水蓄水池(2)进入双向输水管(3)，经过海水淡化管(4)产生淡水由淡水出水管(5)汇入淡水输水管(6)，生成淡化海水。

2.根据权利要求1所述的一种潮汐驱动高压海水淡化系统，其特征在于：在所述的双向输水管(3)的头部接触空气的地方设置固定的进气管(10)，空气可以由进气管(10)进入系统，在水流的驱动下，压缩形成高压气。

3.根据权利要求1所述的一种潮汐驱动高压海水淡化系统，其特征在于：所述的双向输水管(3)、海水淡化管(4)、淡水出水管(5)埋设在地面以下；所述的淡水输水管(6)埋设在地面以下或地面以上。

4.根据权利要求1所述的一种潮汐驱动高压海水淡化系统，其特征在于：所述的双向输水管(3)根数按照下式计算：

其中，V为海水蓄水池(2)的蓄水体积，n为双向输水管(3)根数，Q为单根双向输水管道流量，t循环周期，为以6h计算常规半日潮海岸，以12h计算常规常规全日潮海岸，计算时将所有变量换算到国际单位，长度变量的单位为m，时间变量的单位为s。

5.根据权利要求1所述的一种潮汐驱动高压海水淡化系统，其特征在于：在所述的双向输水管(3)上设置止水阀(7)，在外海(1)和海水蓄水池(2)在潮汐驱动下形成水位差；并当水位差达到当日或半日最大时，即涨潮最高潮位和落潮最低潮位，打开止水阀(7)使海水能够进入并通过双向输水管(3)，当外海(1)和海水蓄水池(2)内的水位差保持一致时关闭止水阀(7)。

6.根据权利要求1所述的一种潮汐驱动高压海水淡化系统，其特征在于：在所述的海水淡化管(4)管内设置有增压装置(8)和反渗透淡化装置(9)；所述的海水淡化管(4)的两端与双向输水管(3)焊接连接，淡水出水管(5)伸入到海水淡化管(4)的内部，与反渗透淡化装置(9)连接。

7.根据权利要求1所述的一种潮汐驱动高压海水淡化系统，其特征在于：所述的淡水出水管(5)和淡水输水管(6)连接呈梳齿形；所述的淡水出水管(5)的管径小于淡水输水管(6)的管径。

8.根据权利要求2所述的一种潮汐驱动高压海水淡化系统，其特征在于：所述的进气管(10)架设在双向输水管(3)上端，通过连接部件安装保持固定，上端连接空气，上端高程高于高潮位，下端设置在双向输水管(3)的管径渐变处。

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