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2095-8676 © 2021 Energy China GEDI. Publishing services by Energy Observer Magazine Co.， Ltd. on behalf of Energy China GEDI. This is an open access article under the CC BY-NC license （
https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/ ）.海水淡化是一种从海水中获取淡水的技术，是解决岛屿和沿海地区缺水问题的一个重要手段［1］。目前主要的海水淡化技术包括膜法和蒸馏法，膜法以反渗透（SWRO）为主，蒸馏法以多级闪蒸（MSF）和低温多效蒸发（LT-MED）为主［2］。
由于反渗透法海水淡化技术具有设备投资省、能耗低、建设周期短等优点，目前已成为世界范围内应用最多的海水淡化技术之一［3］。
反渗透法海水淡化系统设计的关键技术在于海水反渗透系统和能量回收装置系统的设计。关于海水反渗透系统设计已有很多相关研究，本文针对能量回收装置系统的设计进行详细阐述，旨在为设计人员提供相关设计指导，提高设计效率。
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在反渗透法海水淡化系统设计中选择能量回收装置时，需要综合考虑多个因素来选取最佳性价比的节能产品，主要包括设备投资、节能效率、可靠性、易维护性、易操作性等［6］。
运行全过程的节能效率是能量回收装置选择中最重要的参数，设计时应对各种能量回收装置进行设计工况下的产水能耗计算分析，并综合考虑设备投资成本、维护成本、操作简便性等其他因素，选取最经济、适用的产品。
单位产水能耗可按下式进行计算：
(（1）) (（2）) 式中：P为单位产水能耗（kW/m3）；Pn为轴功率（kW）；Qc为反渗透产水流量（m3/h）；Q为泵流量（m3/h）；p为泵压力（MPa）；ρ为流体密度（t/m3）；g为重力加速度，取9.8（m/s2）；η1为水泵效率（%）；η2为电机效率（%）；η3为变频器效率（%）。
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PX能量回收装置系统包括PX能量回收装置、变频增压泵。其工作原理是：反渗透提升泵出水分成两路进入反渗透装置：其中一路通过高压泵增压至反渗透的进水压力，其流量稍高于反渗透产水流量；另一路进入PX能量回收装置，通过与反渗透浓水进行直接的水力能量交换，将90%~95%的浓水能量转换为增压泵进水能量，使增压泵进水压力大幅增加至接近反渗透的进水压力，再由增压泵小幅升压至反渗透的进水压力［7-9］。PX能量回收装置的工作原理参见图1。
图 1 PX能量回收装置工作原理图
Figure 1. Working principle of PX energy recovery unit
图1中各流量均有如下关系：
(（3）) 式中：A为单套海水反渗透系统海水进水流量（m3/h）；B为PX装置海水进水流量（m3/h）；C为高压泵流量（m3/h）；D为PX装置海水出水流量（m3/h）；E为单套海水反渗透系统海水进水流量（m3/h）；F为单套海水反渗透系统产水流量（m3/h）；G为PX装置进浓水流量（m3/h）；H为PX装置排放浓水流量（m3/h）。
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反渗透装置参数：产水量、回收率、进水压力和跨膜压差。PX能量回收装置参数：浓水排出压力。高压泵和增压泵参数：泵效率、电机效率。
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PX能量回收装置系统的工艺计算可以通过制造商ERI公司的专用软件进行计算。
PX装置本体能量回收效率可按以下公式计算：
(（4）) 式中：η为能量回收效率（%）；PB为海水进PX装置的压力（MPa）；PD为海水出PX装置的压力（MPa）；PG为浓水进PX装置的压力（MPa）；PH为浓水出PX装置的压力（MPa）；其他符号见之前定义。
值得注意的是，该装置由于采用直接的液体-液体能量传递，反渗透浓水与PX装置的海水进水有一定量的混水，一般为2%~3%，混水将使反渗透装置进水含盐量小幅增加，制水能耗有所增大。反渗透装置进水盐度可根据以下公式进行计算：
(（5）) 混盐率可根据以下经验公式计算：
混盐率≈系统回收率×0.062 4 (（6）) 比如回收率为45%，则混盐率为2.81%。
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1）PX能量回收装置的最高适用压力为8.3 MPa。可根据流量要求并联多个PX能量交换元件。表1列出了PX能量交换元件的型号和流量。
表 1 PX能量交换元件的型号和流量
Table 1.
Model and flow of PX energy exchange element 型号 流量/（m3·h-1） 型号 流量/（m3·h-1） PX-15（PX-15B） 2.3~3.4 PX-120（PX-120B） 20.7~27.3 PX-25（PX-25B） 3.6~5.7 PX-140（PX-140B） 27.3~34.1 PX-40（PX-40B） 5.9~9.1 PX-200 36~45 PX-60（PX-60B） 9.3~13.6 PX-220 41~50 PX-90（PX-90B） 13.9~20.4 — — PX能量交换元件应根据海水淡化装置出力尽量选用大流量型号，以减少并联元件的数量，提高效率。
2）当多台PX装置并联连接时，系统连接方式可以采用Z-flow或U-flow两种方式。Z-flow是PX装置母管进出口在相反方向，U-flow是PX装置母管进出口在相同方向。通常U-flow比Z-flow具有更好的流量分配效果，并且采用U-flow方式，PX装置进水流速可以达到3.7 m/s，从而可以有效的减小进水管径；而采用Z-flow方式，PX装置进水流速为2.1 m/s。
3）为防止气蚀，PX装置浓水排放管应设置浓水节流阀以产生背压，防止气蚀破坏。浓水排放压力最低不小于0.06 MPa，一般按0.1 MPa设计。
4）海水反渗透增压泵应采用变频控制，以稳定反渗透装置的进水流量。
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TURBO涡轮式能量回收装置工作原理是：能量回收装置采用联轴双涡轮的型式，通过反渗透浓水能量对涡轮的推动力，使高压泵出口水流的压力提高到反渗透装置所要求的进水压力。［8］该装置的能量回收效率通常在70%~80%，单台装置流量越大，效率越高。TURBO能量回收装置的工作原理参见图2。
图 2 TURBO能量回收装置工作原理图
Figure 2. Working principle of TURBO energy recovery unit
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反渗透装置参数：产水量、回收率、进水压力和跨膜压差。TURBO能量回收装置参数：能量回收效率。高压泵参数：泵效率、电机效率。
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TURBO能量回收装置的工艺计算可以通过制造商ERI公司的专用软件进行计算。
TURBO能量回收装置的工艺计算也可以根据制造商提供的效率曲线人工计算：
(（7）) (（8）) 式中：
TURBO装置能量回收效率，可以通过图3查得。
图 3 HTC-AT效率曲线
Figure 3. HTC-AT efficiency curve
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1）TURBO涡轮式能量回收装置由于其流量越高，能量回收效率越高的特点，适合用于大型海水淡化系统。其单台设备最大流量可达1 100 m3/h。表2列出了TURBO能量回收装置的型号和流量。
表 2 TURBO能量回收装置的型号和流量
Table 2.
Model and flow of TURBO energy recovery unit 型号 流量/（m3·h-1） 型号 流量/（m3·h-1） HTC-AT 25 4~9 HTC-AT 600 119.2~170.3 HTC-AT 50 9~14.75 HTC-AT 900 170.3~238.4 HTC-AT 75 14.75~20.4 HTC-AT 1200 238.4~340.6 HTC-AT 100 20.4~28.4 HTC-AT 1800 340.6~476.9 HTC-AT 150 28.4~42.7 HTC-AT 2400 476.9~806.2 HTC-AT 225 42.7~59.5 HTC-AT 3600 806.2~953.7 HTC-AT 300 59.5~85.2 HTC-AT 4800 953.7~1 362.5 HTC-AT 450 85.2~119.2 — — 2）与TURBO装置相配合的高压泵，可以采用离心泵或柱塞泵：
当高压泵采用离心泵时，通常在高压泵出口与TURBO装置之间设置一个节流阀。在高压泵启动时，该阀门可以人工调节，从而降低高压泵和电机的启动荷载。
当高压泵采用柱塞泵时，在高压泵出口管路上禁止使用节流阀。高压泵出口与TURBO装置之间应设置减震器。在TURBO装置出水和反渗透装置进水之间的管路上应设安全阀。
3）TURBO装置的低压浓水应背压排放。
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ERT涡轮直联式能量回收装置的工作原理是：能量回收装置装有一台电动机和一个与反渗透高压泵直联的叶轮，通过反渗透装置排出的高压浓水推动能量回收装置的叶轮转动，叶轮又通过直联轴与电动机联合向高压泵输送能量，提供高压泵需要的动力，反渗透装置进水达到所需要的压力。该装置的能量回收效率通常在85%~90%。ERT能量回收装置的工作原理参见图4。
图 4 ERT能量回收装置工作原理图
Figure 4. Working principle of ERT energy recovery unit
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反渗透装置参数：产水量、回收率、进水压力和跨膜压差。ERT能量回收装置参数：能量回收效率。高压泵参数：泵效率、电机效率。
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ERT能量回收装置的工艺计算可以通过制造商CALDER公司的专用软件进行计算。
ERT装置能量转换净压力也可通过下式进行计算：
(（9）) (（10）) 上式中符号见之前定义。
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1）ERT涡轮直联式能量回收装置单台最大流量可达1 200 m3/h。表3列出了ERT能量回收装置的型号和流量。
表 3 ERT能量回收装置的型号和流量
Table 3.
Model and flow of ERT energy recovery unit 型号 最大流量 /（m3·h-1） 型号 最大流量 /（m3·h-1） RO-290-40-20 15 RO-350-80 200 RO-290-40-30 25 RO-310-100 250 RO-290-65 40 RO-350-100 250 RO-310-65 55 RO-310-80-2 330 RO-350-65 80 RO-350-80-2 330 RO-310-70 110 RO-310-100-2 550 RO-350-70 110 RO-350-100-2 650 RO-310-75 150 RO-310-100-4 900 RO-350-75 150 RO-350-100-4 1 200 RO-310-80 200 — — 2）ERT装置应设置浓水排放阀以调节流量并防气蚀。
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1）能量回收装置与高压泵、反渗透装置的相对位置尽量靠近布置，以减少高压不锈钢管道的长度［6］。
2）为防汽蚀，TURBO能量回收装置低压浓水排放管路宜采用倒U型形设计，管道上端高于能量回收装置泵腔，以形成水封。
3）ERT能量回收装置浓水排放管不可以产生背压排放。
4）当能量回收装置噪音不能达标时，应采取隔离降噪措施。
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三种能量回收装置的优、缺点见表4。
表 4 三种能量回收装置的优、缺点
Table 4.
Advantages and disadvantages of the three energy recovery units 型式 优 点 缺点 PX 能量回收效率高，可以达到90%~95%。流量没有限制，可以多个并联；当一个损坏时系统仍可运行。高压泵流量相对TURBO或ERT可减小50%~60%。 设备总投资较高。运行噪音较高。PX元件需要流量平衡和控制，运行控制和保护要求高。启动时间长，技术高。需要增压泵，占地相对较大。PX元件易损坏，维护工作量相对较大。 TUR-BO 设备总投资低。设备占地面积小。高压泵扬程相对PX可降低37%~45%。启动快，运行和维护简单。进水流量越大，能量回收效率越高。 能量回收效率低。 ERT 设备总投资较低。能量回收效率较高。设备占地面积小。运行和维护较简单。 能量回收效率较低。需要浓水流量调节。 -
近十几年来，很多大、中型生产规模的海水淡化系统多以反渗透法海水淡化为首选。能量回收装置作为反渗透法海水淡化系统中的重要节能设备，其系统设计至关重要。
本文从设计原则、工作原理、设计计算、设备配置与选择等方面，对三种最常用的能量回收装置系统设计进行了详细的比较。系统设计比较后得出了三种能量回收装置的优、缺点，供设计人员参考。
Design of Seawater Desalination Energy Recovery Unit System
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摘要:
目的 能量回收装置作为反渗透法海水淡化系统中的重要节能设备，其系统设计至关重要。 方法 从设计原则、工作原理、设计计算、设备配置与选择等方面，对三种最常用的能量回收装置系统设计进行了详细的比较。 结果 系统设计比较后得出了三种能量回收装置的优、缺点，供设计人员选择。 结论 为设计人员提供了具有针对性且有效的设计指导，提高了设计效率。 Abstract:Introduction As an important energy-saving equipment in reverse osmosis seawater desalination system， the system design of energy recovery unit is very important. Method In this paper， from the aspects of design principle， working principle， design calculation， equipment configuration and selection， the three most commonly used energy recovery unit system designs were compared in detail. Result After the system design comparison， the advantages and disadvantages of the three energy recovery units are obtained for designers to choose. Conclusion This paper provides designers with targeted and effective design guidance and improves design efficiency. -
Key words:
- reverse osmosis /
- seawater desalination /
- energy recovery unit /
- system design
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表 1 PX能量交换元件的型号和流量
Tab. 1.
Model and flow of PX energy exchange element 型号 流量/（m3·h-1） 型号 流量/（m3·h-1） PX-15（PX-15B） 2.3~3.4 PX-120（PX-120B） 20.7~27.3 PX-25（PX-25B） 3.6~5.7 PX-140（PX-140B） 27.3~34.1 PX-40（PX-40B） 5.9~9.1 PX-200 36~45 PX-60（PX-60B） 9.3~13.6 PX-220 41~50 PX-90（PX-90B） 13.9~20.4 — — 
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表 2 TURBO能量回收装置的型号和流量
Tab. 2.
Model and flow of TURBO energy recovery unit 型号 流量/（m3·h-1） 型号 流量/（m3·h-1） HTC-AT 25 4~9 HTC-AT 600 119.2~170.3 HTC-AT 50 9~14.75 HTC-AT 900 170.3~238.4 HTC-AT 75 14.75~20.4 HTC-AT 1200 238.4~340.6 HTC-AT 100 20.4~28.4 HTC-AT 1800 340.6~476.9 HTC-AT 150 28.4~42.7 HTC-AT 2400 476.9~806.2 HTC-AT 225 42.7~59.5 HTC-AT 3600 806.2~953.7 HTC-AT 300 59.5~85.2 HTC-AT 4800 953.7~1 362.5 HTC-AT 450 85.2~119.2 — —
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表 3 ERT能量回收装置的型号和流量
Tab. 3.
Model and flow of ERT energy recovery unit 型号 最大流量 /（m3·h-1） 型号 最大流量 /（m3·h-1） RO-290-40-20 15 RO-350-80 200 RO-290-40-30 25 RO-310-100 250 RO-290-65 40 RO-350-100 250 RO-310-65 55 RO-310-80-2 330 RO-350-65 80 RO-350-80-2 330 RO-310-70 110 RO-310-100-2 550 RO-350-70 110 RO-350-100-2 650 RO-310-75 150 RO-310-100-4 900 RO-350-75 150 RO-350-100-4 1 200 RO-310-80 200 — —
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表 4 三种能量回收装置的优、缺点
Tab. 4.
Advantages and disadvantages of the three energy recovery units 型式 优 点 缺点 PX 能量回收效率高，可以达到90%~95%。流量没有限制，可以多个并联；当一个损坏时系统仍可运行。高压泵流量相对TURBO或ERT可减小50%~60%。 设备总投资较高。运行噪音较高。PX元件需要流量平衡和控制，运行控制和保护要求高。启动时间长，技术高。需要增压泵，占地相对较大。PX元件易损坏，维护工作量相对较大。 TUR-BO 设备总投资低。设备占地面积小。高压泵扬程相对PX可降低37%~45%。启动快，运行和维护简单。进水流量越大，能量回收效率越高。 能量回收效率低。 ERT 设备总投资较低。能量回收效率较高。设备占地面积小。运行和维护较简单。 能量回收效率较低。需要浓水流量调节。
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图(4) / 表 (4)
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