具有能量回收的脱盐系统以及相关的泵、阀和控制器的制造方法

具有能量回收的脱盐系统以及相关的泵、阀和控制器的制造方法
【专利摘要】本发明提供一种具有能量回收特征的流体泵送系统，其可以用于将给水提供给逆向渗透单元。系统包括调节三个液压泵的输出的电子控制单元。每个液压泵驱动汽缸中的活塞的运动。活塞将高压给水的大体恒定流动集中地输送到逆向渗透单元。浓缩液阀体将浓缩液从逆向渗透单元引导到活塞的后侧以减小液压泵所需的功。电子控制器协调液压泵的输出与阀组件的致动。活塞的运动部分地由反馈环控制以检验液压泵是否正在产生期望输出。浓缩液阀体设计成当活塞的速度减小时开始闭合。在关联的活塞不应移动时的停留时期期间，在等待时间之后浓缩液阀体移动。活塞和汽缸设计成面向暴露于海水和RO盐水。
【专利说明】具有能量回收的脱盐系统以及相关的泵、阀和控制器【技术领域】
[0001]本公开总体上涉及脱盐，并且涉及从加压流体回收能量。描述系统和方法，其具有提供流体的高压流动的一组正排量泵，将流体的一部分返回到正排量泵的阀，以及用于操作正排量泵和阀的电子控制器。
【背景技术】
[0002]世界上的许多区域没有足够的淡水供应，但是它们能够获得海水。除了其它方法以外，海水可以使用逆向渗透进行脱盐。为了通过逆向渗透(RO)脱盐海水，给水必须被加压到给水的渗透压力之上。给水在该过程期间变得浓缩，并且它的渗透压力增加。海水逆向渗透(SWRO)的典型给水压力在50-70巴(bar)的范围内。
[0003]给定高给水压力，能量成本(典型地呈耗电量的形式)是SWRO工厂的运营成本的最大部分。通过各种改进，由SWRO产生的每个单位的水所使用的能量的用量随着时间减小。例如，高压多级涡轮机泵变得更高效，达到大约70%的额定效率。功率回收涡轮机现在用于回收离开RO模块的浓缩盐水流动中的一些能量。回收率已被优化以平衡预处理和泵送给水的成本(其随着回收率的增加而减小)和产生脱盐水的成本(其随着回收率的增加而增加)。尽管有这些改进，能量成本仍然是脱盐水的成本的重要部分。
[0004]能量消耗也干扰采用RO膜技术的进步。RO膜技术的进步包括能够在70巴之上操作并且具有55%或更多的回收率的膜元件。理论上，更高的回收率将允许减小的资本成本和减小的原给水流动。减小原给水的流动会随之产生预处理和给水泵送的节省，并且减小由回收海水导致的环境损害。然而，如上所述，当给水浓缩时它的渗透压力增加。随着回收率增加，给水浓度、渗透压力和能量消耗也增加。打破该循环的关键是回收更多包含在离开RO模块的盐水中的能量。盐水的压力也随着渗透压力增加。因此，在高回收过程中有更多的能量包含在盐水中。如果该包含能量的更大百分比可以被回收，则将存在能量消耗的直接减小，以及由于最佳回收率`的增加引起的进一步减小的可能性。
[0005]尽管随着时间逐渐改善，但是基于涡轮机的泵和能量回收装置在它们的能量效率上被限制。基于涡轮机的技术被使用，原因在于它们熟悉并且容易使用以产生通过SWRO工厂的恒定流量和压力。采用不同方法，Childs等人在名称为“集成泵送和/或能量回收系统(Integrated Pumping and/or Energy Recovery System)，，的美国专利第 6，017，200 号中描述一种基于活塞的泵送和能量回收系统。该系统使用由液压泵驱动的活塞以将加压给水提供给RO膜模块。活塞的前面将给水驱动到RO模块。活塞的后面接收来自RO模块的盐水。作用于活塞的后面的盐水的压力减小液压泵移动活塞所需的功率。
[0006]在Childs等人的系统中，“能量回收”阀在前进冲程允许盐水进入活塞的后面。附加的排出阀在返回冲程允许进入盐水离开活塞。能量回收和排出阀由也操作液压泵的控制单元控制。控制单元同步阀的运动和活塞的运动。由于活塞往复移动，它必须加速和减速并且因此固有地产生给水的非均匀流量和压力。然而，当使用一组活塞时，它们的输出可以被同步以产生波动但近似恒定的、组合输出压力。尽管遭遇各种实际困难，但是Childs等人的系统具有高效地产生给水的高压流动的潜力。

【发明内容】

[0007]本公开描述一种具有从加压流体流回收能量的泵送系统和方法。该泵送系统和方法例如可以用于将给水提供给逆向渗透(RO)系统并且从离开RO系统的盐水回收能量。系统和方法具有一组基于活塞的泵，将盐水返回到泵的阀，以及用于操作泵和阀的电子控制器。系统和方法大体类似于上述Childs等人的系统。然而，对泵、阀、控制单元、阀相对于泵的运动的定时以及对作为整体的系统和方法已进行改进。
[0008]在美国专利第6，017，200号中所述的系统中，液压泵用于驱动活塞杆。活塞杆又驱动汽缸中的活塞以将给水加压，并且导致给水流动到RO膜。液压泵的输出由控制单元控制。由于活塞杆(由液压泵驱动)机械耦合到活塞，因此电子控制单元在任何指定时间确定活塞的速度。电子控制单元编程有表示随着时间的活塞的期望速度的速度分布。控制单元指示液压泵产生旨在导致活塞遵循速度分布的输出。控制单元从指示在不同时间点的连接杆的位置的传感器接收关于活塞是否实际上遵循速度分布的反馈。该控制环为控制单元提供一定的能力以通过修改液压泵的输出校正活塞的速度的误差。
[0009]在本说明书所述的系统和方法中，提供附加传感器以指示液压泵的输出。控制单元使用关于液压泵的输出的信息确定液压泵是否实际上提供在该时间期望的输出，并且如果需要则校正液压泵的输出。该控制环的增加并入从来自传感器的指示液压泵的输出的测量信息，允许控制单元导致活塞更精确地遵循期望速度分布。
[0010]美国专利第6，017，200号中所述的能量回收和排出阀通过螺线管在打开和闭合状态之间移动，所述螺线管又由控制单元操作。在关联的活塞不应移动时的短暂停留时期期间这些阀移动。在本说明书所述的系统和方法中，使用响应于通过它们的流量的变化的阀。特别地，当通过它们的流量减小时阀朝着闭合位置移动。以该方式，闭合阀所需的运动的至少一部分在停留时期之前自动地发生。
[0011]机械地，阀具有活塞，所述活塞抵靠阀体的内部的下游阀座闭合。活塞的面具有两个有效表面区域，例如中心区域和外环。流动通过阀的水围绕活塞通过。外环位于阀体中的弯曲部的上游，导致流动水的压头损失。由于该压头损失，当水流动通过阀时活塞的中心区域上的静压力小于外环上的静压力。活塞的后部连接到下游静压力。因此，当水流动通过阀时，活塞由随着水的流量增加的力朝着打开位置推动。弹簧可以用于朝着闭合位置偏压活塞。在高流量下，相对于阀体中的下游压力，外环上的附加压力克服弹簧并且保持阀打开。然而，当流量减小时，外环上的附加压力减小并且阀能够朝着闭合位置移动。
[0012]下面也描述其它改进。例如，给水驱动活塞可以在接收给送海水和废RO盐水的缸内操作。给水和盐水是腐蚀性的并且导致活塞和汽缸之间的摩擦。活塞和汽缸使用耐腐蚀和低摩擦材料制造，并且在需要时允许维护。
[0013]对于另一例子，下述过程中的停留时间包括阀移动之前的等待时期。该等待时期允许根据它的速度分布而完全停止的给水驱动活塞延迟。等待时期因此将当水仍然正在流动通过阀时阀移动的可能性最小化。
[0014]特征单独地或在与上面或在接下来的详细描述中所述的特征中的一个或多个的组合中，允许系统更可靠地操作或产生更近似恒定的输出压力。【专利附图】

【附图说明】
[0015]图1是与逆向渗透系统组合的流体泵送和能量回收系统的示意图。
[0016]图2是在图1的系统中使用的液压泵的一部分的示意性横截面图。
[0017]图3是在图1的系统中使用的水汽缸的横截面示意图。
[0018]图4是在图1的系统中使用的给水阀的横截面示意图。
[0019]图5是在图1的系统中使用的能量回收阀(或者称为浓缩阀)的横截面示意图。
[0020]图6是在图1的系统中使用的控制单元的内和外反馈环的示意图。
[0021]图7是在操作图1的系统中使用的速度对时间的分布。
【具体实施方式】
[0022]如图1中所示，系统10包括给水源110，三个液压泵12，用于每个液压泵12的水作动缸(water cylinder) 200，RO膜单元216，以及控制单元100。系统10类似于美国专利第6，017，200号中所述的系统，上述专利通过引用被合并，但是也将在下面描述。
[0023]在来自控制单元100的指令下，每个液压泵12控制单独的活塞杆14的运动。活塞杆14机械地耦合到容纳在水作动缸200内的两个双作用活塞224、226 (未在图1中显示)。如下面将进一步所述，每个液压泵12的液压输出导致活塞杆14移动。由于机械耦合，活塞杆14的运动导致两个双作用活塞224、226与活塞杆14的运动联合地移动。活塞杆14和两个双作用活塞224、226可以统称为往复组件300。为了清楚起见，本公开将描述单泵和往复组件的特征，但是应当理解这类似地描述系统中的所有液压泵和往复组件的特征。
[0024]包括海水源、苦咸水源等的给水源110由给水供应管线254、256(显示为图1中的长虚线)连接到并且将给水供应到水作动缸200。
[0025]系统10也包括高压给水供应管线262、264以将来自水作动缸200的高压给水引导到R0膜单元216 (显示为图1中的粗实线)。
[0026]RO膜单元216产生作为脱盐水的一定体积的渗透液，所述脱盐水由渗透液管线217引导以用于脱盐过滤产品的预期使用。过程216也产生一定体积的高压浓缩液。高压浓缩液由管线218、219从过程216引导回到水作动缸200 (显示为图1中的虚线)。
[0027]水作动缸也包括低压浓缩液出口，如下面进一步所述，所述低压浓缩液出口连接到低压浓缩液排出管线250、252，取决于总系统的详情，所述低压浓缩液排出管线将低压浓缩液引导到废物流或再循环流(显示为图1中的细实线)。
[0028]大致来看，在该系统内有四个不同的液体静压力。第一压力Pl是将给水从源110通过管线254、256供应到水作动缸200的压力。Pl可以由各种已知的泵提供。明显高于Pl的第二压力P2是施加到从水作动缸200通过管线262、264到达RO膜单元216的给水的压力。如下所述，P2由水作动缸200的双作用活塞224、226提供。第三压力P3是当浓缩流体离开RO膜单元216经由管线218、219返回到水作动缸200时浓缩流体的液体静压力。P3略小于P2，原因是能量中的一些用于将脱盐水驱动到RO膜单元216之外，进入渗透液管线217中。第四压力P4是当浓缩液离开水作动缸200经由管线250、252到达废物或再循环流时浓缩液的压力。P4小于P3。
[0029]例如，Pl基本上在5到IOOpsi的范围内；P2在600到IOOOpsi的范围内；P3在500到950psi的范围内;并且P4为I到50psi。
[0030]液压泵
[0031]在控制单元100的控制下，泵12将期望速度分布给予活塞杆14。液压泵12包括将旋转能量转化为液压流体的流动的旋转能量源。所以，液压泵12在控制单元100的命令下产生液压输出，如下面在本说明书中进一步所述，所述液压输出可以从最大液压输出到零液压输出到相反方向上的最大液压输出变动。泵12的液压输出转化为活塞杆14的往复位移。
[0032]活塞杆14位于液压缸18的内部。管线26附连在液压缸的一个端部并且管线28附连在液压缸18的另一端部。管线26和28将泵12的液压输出引导到位于液压缸的内部的活塞20的任一侧。活塞杆14可以连接到活塞20的一个面并且另一杆30 (在图6中显示)可以连接到活塞的相对面。替代地，活塞杆14可以延伸通过活塞20的两个面。
[0033]如图2中所示,液压泵12包括将旋转能量给予驱动轴60的电机(未显示)。驱动轴60以恒定的每分转数转动。驱动轴例如由花键或齿条和小齿轮布置可操作地连接到在活塞孔腔内容纳多个轴向活塞64的筒62。活塞64的每一个终止于球中，靴状件66在所述球上摇摆并且靴状件在每个活塞球处自由枢转以及旋转。靴状件66支承在推力板68 (有时被本领域的技术人员称为螺变板)上，所述推力板又支承在斜盘板(swash plate) 70上，所述斜盘板显示为与轴60的轴线成角度。斜盘板70不旋转，但是在来自控制单元100的指示下，斜盘板70可以围绕垂直于轴60的轴线的轴线倾斜。
[0034]当驱动轴60旋转时，推力板68、筒62和每个活塞64围绕驱动轴60旋转。当活塞围绕驱动轴60旋转时，它们遵循斜盘板70的角度。遵循斜盘板70的角度导致活塞关节运动进出筒62中的孔腔，由此移位液压流体并且影响泵12的液压输出。在该情况下，泵12的液压输出指的是泵12内的活塞64的冲程幅度和管线26和28内的液压流体的流动。
[0035]斜盘板70的角度确定液压泵的液压输出。例如，如果斜盘板角定位在由图2中的符号(第一)标示的第一位置时，液压流体将被泵送到管线28中并且从管线26排出，这导致图1的液压缸活塞28在第一方向上移动。当凸轮角大致垂直于驱动轴60的轴线时，在图2中的位置N处，没有活塞64相对于筒62的关节运动并且没有液压流体进出管线26和28的位移，泵12的液压输出为零并且单元处于中立。当凸轮角变为第二位置(第二)时，管线28变为排出管线并且管线26是入口管线，由此导致图1的活塞20在与第一方向相反的第二方向上移动。
[0036]随着控制单元100命令斜盘板70的角度从中心的一侧通过中立到达另一侧，来自液压泵12的液压输出可以从在一个方向上的最大值平滑地通过零变为在相反方向上的最大值。
[0037]水作动缸
[0038]如图3中所示，水作动缸200在形状上为大体管状，具有两个端板204、206和在端板之间延伸的侧壁208。水作动缸200也包括将水作动缸200的内部孔腔分成两个活塞室220和222的中间板203和205。在每个活塞室220和222内有往复、双作用活塞224和226，每个活塞限定给水工作室228、234和浓缩液工作室230、232。双作用活塞224、226由连接杆278机械地耦合，所述连接杆延伸通过中间板203、205两者中的开孔。连接杆278也延伸到水作动缸之外、通过端板206内的轴承和密封组件209使得没有压力或流体跨过端板206从给水工作室234泄漏。
[0039]给水工作室228由端板204的内表面、侧壁208的内表面和活塞224的前面236(也称为给水面)限定。给水工作室234由端板206的内表面、侧壁208的内表面和活塞226的前面237 (也称为给水面)限定。给水室228、234均具有给水通路端口 212、213以提供跨过给水工作室228、234的侧壁208的流体连通，从而例如允许给水的进和出。
[0040]浓缩液工作室230由中间板203的内表面、侧壁208的内表面和活塞224的后面238 (也称为浓缩液面)限定。浓缩液工作室232由中间板205的内表面、侧壁208的内表面和活塞226的后面240 (也称为浓缩液面)限定。给水面236、237与活塞的后面238、240相对地定位。浓缩液工作室230、232均具有浓缩液通路端口 242、244以提供跨过浓缩液工作室230、232的侧壁208的流体连通，从而例如允许浓缩液的入口和出口。
[0041]双作用活塞224、226包括在双作用活塞224、226的周边和侧壁208之间的一个或多个密封件280以防止给水工作室228、234和浓缩液工作室230、232之间的流体的运动使得没有跨过双作用活塞224、226的流体连通。一个或多个密封件280具有足够的弹性以耐受由给水工作室228、234和相应的浓缩液工作室230、232内的不同液体静压力导致的在活塞224、226两侧的差压。
[0042]如上所述，双作用活塞224和226由连接杆278机械地耦合。连接杆278也机械地耦合到活塞杆14使得两个双作用活塞224和226与活塞杆14联合地移动。如上所述，活塞杆14、连接杆278和双作用活塞224和226统称为往复组件300。
[0043]如下面的本说明书中所述，包括双作用活塞224、226在水作动缸200内的实际冲程距离的往复组件300的运动可以变化。所以，给水工作室228、234的体积和浓缩液工作室230、232的体积也可以由双作用活塞224、226的横截面面积乘以往复组件300的冲程的开始和结束时的双作用活塞224、226的差分位置被限定。
[0044]脱盐过程
[0045]RO膜单元216是包括选择性可透膜(未显示)的逆向渗透过滤过程。给水在压力P2下进入RO膜单元216的一个端部并且一定体积的渗透液(脱盐水)穿过选择性可透膜进入渗透液管线217。有效地，RO膜单元216从初始体积的给水去除一定体积的渗透液。这对剩余给水具有两个主要影响:(i)这导致进入高压浓缩液管线218、219并且最终进入浓缩液工作室230和232的水的总体积的减小，该差异被称为回收率；以及(ii)高压浓缩液更浓缩并且因此比本质上具有腐蚀性的给水更具有腐蚀性。
[0046]比率套筒
[0047]为了补偿回收率，比率套筒282围绕连接杆278放置在双作用活塞224、226的后面238、240之间。也称为比率杆的比率套筒282具有比连接杆278大的直径并且与给水工作室228、234的体积相比，这减小浓缩液工作室230、232的工作体积。例如，如果RO膜单元216的回收率为30%，则比率套筒282的直径使得泵送到浓缩液工作室230、232之外的浓缩液的体积比泵送到给水工作室228、232之外的给水的体积小30%。
[0048]如图3中所示，套筒282是往复组件300的一部分并且套筒282移动通过两个中间板203、205。为了防止浓缩液工作室230、232之间的流体或压力的连通，比率套筒密封组件284定位在侧壁208的内表面处、在开孔处以提供抵靠比率套筒282的外表面的一个或多个密封件286。[0049]耐腐蚀、低摩擦材料
[0050]如上所述，水作动缸200和往复组件300的各表面与腐蚀性和含盐给水直接接触。此外，水作动缸200的各其它表面与高腐蚀性、高压浓缩液接触。往复组件300在给水和高压浓缩液内移动并且该运动是克服与水作动缸200的接触表面的高度摩擦。所以，水作动缸200和往复组件300的各表面用耐受给水和高压浓缩液的腐蚀性质的特定材料制造。在水作动缸200和往复组件300之间的接触表面之间使用的密封件具有很低的表面轮廓或其它性质使得在密封件和密封表面之间有低摩擦系数。
[0051]例如，水作动缸200的侧壁208和连接杆278由超级奥氏体材料、例如AL6XN、2205双相不锈钢、2507超级双相不锈钢、254SM0不锈钢或玻璃纤维制造。在双作用活塞224、226两侧的差压(即，P2和P3之间的差异)相比于其它活塞泵系统较小。该低差压是由于浓缩液工作室230、232内的加压浓缩液作用于双作用活塞224、226的后面238、240。横跨双作用活塞224、226的该较低差压允许使用比超级奥氏体材料更轻、更便宜的耐腐蚀材料。例如，双作用活塞224、226可以由耐腐蚀聚合物、例如聚甲醛制造。
[0052]为了提供聚合物双作用活塞224、225的进一步支撑，由超级奥氏体材料制造的支撑板241可以定位在给水面236、237上以帮助将双作用活塞224、226固定到连接杆278。支撑板241也帮助横越双作用活塞224、226分散物理负荷，当往复组件300移动时这减小挠曲。往复组件300由连接杆278上的高扭矩螺母保持在较高张力，所述高扭矩螺母通过将超级奥氏体和陶瓷材料(如下所述)保持作为一个连续组件而保持该高张力。该高张力帮助减轻聚合物材料内的压缩变形或蠕变，这可以导致跨往复组件300的张力的松弛。
[0053]端板204、206也可以由聚合物、例如聚甲醛制造。聚合物端板204、206还由附加端板204’、206’支撑，所述附加端板由更刚性材料、例如SS316不锈钢制造，其设在端板204、206的外表面上，如图3中所示。
[0054]中间板203、205相比于端板204、206受到较小物理力，原因是比率套筒282的更
大直径占据浓缩液工作室230、232的更大量的工作表面区域。
[0055]连接杆287可以包括由具有耐腐蚀性质并且具有低表面轮廓的材料、例如陶瓷制造的套筒211。轴承和密封组件209由聚合物、例如聚甲醛或聚醚酰亚胺制造，并且包括填料箱，使得陶瓷套筒211与轴承和密封组件209之间的摩擦最小化。陶瓷套筒209可以在等于往复组件300将移动的最大距离的连接杆287的长度上延伸。
[0056]比率套筒282也通过中间板203、205的比率套筒密封适配器284和密封件286移动，并且它由具有耐腐蚀性质并且具有低表面轮廓的材料、例如陶瓷制造。
[0057]在活塞的周边处的密封件286由适合于产生最低的与比率套筒282的摩擦系数的材料、例如聚四氟乙烯制造。
[0058]比率套筒密封组件284由合适的聚合物、例如聚甲醛或聚醚酰亚胺制造。比率套筒密封组件284可以由多个部件、例如n+1个制造，其中η表示使用的密封件286的数量。比率套筒密封组件284的单独部件围绕比率套筒密封组件的内径延伸。当组装时，多个部件具有彼此之间的侧连接(未显示)以将部件可去除地固定在一起，单独的密封件286固定在其间。如果需要维护，比率套筒密封组件284的多个部件便于接近其中的密封件286，并且还允许接近比率套筒282。在附加的可选特征中，比率套筒密封组件284可以从侧壁208延伸不同距离以适应比率套筒282的不同外径。例如，如果无论什么原因RO膜单元216的回收率变化，则浓缩液工作室230、232的体积可以因此通过不同外径的比率套筒282的使用进行调节。
[0059]在可选特征中，连接杆278包括间隔器279，所述间隔器定位在陶瓷套筒211的一个端部和位于双作用活塞226的给水表面237上的支撑板241之间。间隔器279由如上所述的类似超级奥氏体材料制造，并且间隔器279帮助稳定陶瓷套筒211、连接杆278、支撑板241和双作用活塞226的机械耦合。
[0060]在另一可选特征中，比率套筒282包括由耐腐蚀聚合物、例如聚甲醛或聚醚酰亚胺制造的比率间隔器283。比率间隔器283定位在比率套筒282和双作用活塞224、226的后面238、240之间的比率套筒282的每个端部处。比率间隔器283从给水面238朝着比率套筒282的中心延伸以减小在比率套筒282中使用的陶瓷的量并且因此减小比率套筒282的总重量，这对于减小移动往复组件300所需的能量的大小是重要的。然而，比率套筒282将在比率间隔器283之间延伸足够的长度以保证比率套筒282是在往复组件300的运动期间密封件286抵靠其形成密封的唯一表面。
[0061]在另一可选特征中，轴承和密封组件209可以是环绕连接杆287并且沿着连接杆287远离给水工作室234 (未显示)延伸的一系列密封件。最靠近给水工作室234的密封件受到由给水导致的最大量的润滑，然而，该密封件具有轴承和密封组件209的最低压缩。相比之下，最远离给水工作室234的密封件具有最低润滑和最高压缩。材料的选择、顺序、密封件几何形状和可能的弹簧加强可以延长轴承和密封组件209的寿命。
[0062]在另一可选特征中，密封件286可以是具有斜切的端部的密封材料的条带(未显示)。该特征的目的是众所周知由聚四氟乙烯制造的密封件286将随着时间磨损，偏斜边缘允许密封件随着时间自密封以减小与保持抵靠陶瓷比率套筒282的流体和压力密封关联的维护负担。
[0063]在另一可选特征中，双作用活塞224、226的周边和侧壁208之间的一个或多个密封件280也可以由聚四氟乙烯制造。
[0064]在另一可选特征中，存在由比率套筒282的内表面和连接杆278的外表面限定的中空腔。在比率套筒282的一个端部处的未显示端口提供浓缩液工作室230、232和中空腔之间的流体连通。中空腔减小在比率套筒282中使用的陶瓷的量，减小往复组件300的总重量并且因此减小执行移动往复组件300所需的液压泵12的做功量。
[0065]给水阀纟目件
[0066]如图3中所示，活塞室220、222包括调节给水通过给水通路端口 212、213流动到给水工作室228、234的给水阀组件258、260。例如，当期望将给水供应到给水工作室228时，给水阀组件258对管线254打开使得给水可以从源110、通过管线254并且经由给水通路端口 212流动到给水工作室228中。如果给水阀组件258对管线254闭合，则没有给水将流动到给水工作室228中。为了将给水供应到给水工作室234，给水阀组件260可以对管线256打开使得给水从源110、通过管线256经由给水通路端口 213流动到工作室234。如果给水阀组件260对管线256闭合则没有给水将流动到给水工作室234中。
[0067]为了给水离开给水工作室228、234，给水阀组件258、260对管线254、256闭合并且对管线262、264打开。
[0068]给水阀组件258、260两者包括相同的特征和功能。所以，本公开将仅仅描述给水阀组件258的特征；然而，应当理解该描述类似地描述给水阀组件260的特征。给水阀组件258可以包括入口端302、中心室304、连接部306和出口端308。入口端302连接到给水管线254。给水阀组件258经由与中心室304流体连通的连接部306连接到给水通路端口212。出口端308连接到高压给水供应管线262。
[0069]给水阀组件258也包括第一压力止回阀308和第二压力止回阀310。第一压力止回阀308定位在入口端302和中心室304之间。第二压力止回阀310定位在中心室304和出口端308之间。压力止回阀308、310两者大体上包括相同的特征和功能，所以本公开将描述第一压力止回阀308并且应当理解该描述包括第二压力止回阀310。
[0070]第一压力止回阀308包括阀活塞312和阀座314。阀活塞312在闭合位置和打开位置之间致动，在所述闭合位置阀活塞312与阀座314直接接触，在所述打开位置阀活塞312不与阀座314直接接触。阀活塞312响应跨过阀活塞312作用的差动(differential)液体静压力或物理力、例如偏压力的较大者而在这两个位置之间致动。阀座314包括远离阀座314延伸、终止于延伸板318中的延伸杆316。弹簧320、例如圆柱形压缩弹簧定位在延伸板318和阀座314之间并且弹簧320提供偏压力以物理地引先导阀活塞312抵靠阀座314并且进入闭合位置。当给水从源316输送时，弹簧316的偏压力略大于管线254和260中的给水的液体静压力(PD。当阀活塞312处于闭合位置时，在阀活塞312和阀座314的接触表面之间没有流体连通。当例如由于差动液体静压力大于弹簧320的偏压力而阀活塞312从阀座314移位时，在阀活塞312和阀座314之间产生流体路径。
[0071]在可选特征中，给水阀组件258可以基本上由具有耐腐蚀性质的聚合物、例如聚甲醛或聚醚酰亚胺制造。端部302、308包括由刚性、但不必耐腐蚀的材料制造的外部支撑板316。另外，弹簧320由奥氏体材料、例如镍铬合金或超级合金制造。
[0072]在附加的可选特征中，给水通路端口 212、213是多个端口，每个端口具有单独的给水阀组件258、260。
[0073]浓缩液阀体
[0074]如图5中所示，水作动缸200也包括两个浓缩液阀体400、401，或者称为能量回收阀。浓缩液阀体400、401定位在管线218、219和浓缩液通路端口 242、244与相应的浓缩液工作室230、232和管线250、252之间(参见图1)。除了如上所述的浓缩液工作室和高压浓缩液管线之间的特定连接以外，浓缩液阀体400和401的特定特征和功能是相同的。所以本公开将描述浓缩液阀体400并且应当理解该描述包括浓缩液阀体401。
[0075]如图5中所示，浓缩液阀体400包括浓缩液流动控制阀402、502以控制浓缩液流动进入和离开浓缩液工作室230。浓缩液阀体400具有与高压浓缩液管线218流体连通的第一端404，也称为高压输入端。浓缩液阀体400也具有与低压排出管线250流体连通的第二端406，也称为低压输出端。在两端之间有中心室414，所述中心室通过侧壁208经由浓缩液通路端口 242与浓缩液工作室230流体连通。
[0076]浓缩液阀体400包括浓缩液流动控制阀402、502。浓缩液流动控制阀402、502也称为入口阀402和出口阀502。入口阀402定位在浓缩液阀体400的第一端404和中心室414之间。出口阀502位于中心室414和第二端406之间。
[0077]入口阀402包括歧管板427、入口阀座418和入口阀活塞416。歧管板427定位在第一端404和中心室414之间。歧管板427延伸横越浓缩液阀体400的内表面并且包括高压端口 430以提供第一端404和高压室432之间的流体连通。高压室432位于歧管板427和入口阀座418之间。入口阀座418位于歧管板427和中心室414之间。入口阀座418包括中心开孔或一系列开孔使得当入口阀活塞416从入口阀座418移位时，如下面进一步所述，流体可以从高压室432、经过入口阀座418流动到中心室414中。
[0078]入口阀活塞416位于歧管板427和入口阀座418之间。入口阀活塞416具有面朝歧管板427的第一表面419和面朝入口阀座418的第二表面421。第二表面421包括建立两个有效表面区域(中心区域423和外环425)的阶梯形区域417。当第二表面421就座在入口阀座418时，如下面进一步所述，中心区域423与入口阀座418直接接触而外环425从入口阀座418凹陷。
[0079]歧管板427包括歧管板延伸部434，所述歧管板延伸部将入口阀活塞416的运动限制到在单平面中在打开位置和闭合位置之间致动。歧管板延伸部434远离歧管板434朝着中心室414延伸。歧管板延伸部434围绕入口阀活塞416延伸，由此将入口阀活塞416的运动限制到朝着或远离歧管板427并且由此朝着或远离入口阀座418移动。
[0080]高压室432由浓缩液阀体400的内表面、歧管板427、歧管板延伸部434和至少部分地由入口阀活塞416限定，如下面将进一步所述。经由高压端口 430，歧管板427使入口阀活塞416的第一表面419与从第一端404进入浓缩液阀体400的高压浓缩流体流动隔离。
[0081]可选地，入口弹簧429、例如压缩弹簧可以定位在歧管板427和入口阀活塞416的第一表面419之间并且与它们接触。入口弹簧429提供朝着入口阀座418引导入口阀活塞416的物理偏压力。
[0082]入口阀活塞416在歧管板延伸部434的限制内可移动以将入口阀活塞416的第二表面421定位成与入口阀座418直接接触，这被称为闭合位置。当入口阀402处于闭合位置时，在入口阀活塞416和入口阀座418之间没有流体连通并且因此在第一端404和中心室414之间没有流体连通。此外，当阀活塞416处于闭合位置时它作用于限定高压室432 (如图5中所示)。当入口阀活塞416处于闭合位置时，第一端404和中心室414之间的入口流体路径终止于高压室432中。
[0083]入口阀活塞416也可移动以将第二表面421定位成远离入口阀座418，这被称为打开位置。当入口阀活塞416处于打开位置时，入口流体流动路径在入口阀活塞416和入口阀座418之间打开。该入口流体流动路径提供从第一端404到中心室414并且最终进入浓缩液工作室230的流体连通。当入口阀活塞416处于打开位置时它仅仅部分地作用为限定高压室432，原因是入口流体路径在入口阀活塞416和入口阀座418之间而打开。当入口阀活塞416处于打开位置时，第一端404和中心室之间的入口流体路径通过高压室432。
[0084]入口阀402包括响应来自控制单元100的指令的入口阀致动器420。来自控制单元100的指令导致入口阀活塞416在打开位置和闭合位置之间致动。
[0085]入口阀致动器420包括响应来自控制单元100的电信号的螺线管。基于从控制单元100接收的电信号，螺线管450可以激励，由此将空气压缩器452连接到空气管线454。空气管线454连接到先导阀体456的一个端部。螺线管450也可以去激励，由此将空气管线454连接到螺线管阀450的排气端口(未显示)。先导阀体456包括先导阀活塞458，所述先导阀活塞具有面对加压空气管线454的一个活塞面。先导阀活塞458也具有连接到先导阀杆460的相对活塞面。先导阀杆460延伸远离先导阀活塞458。先导阀杆460远离先导阀活塞458延伸通过先导阀室462。先导阀杆460可以在先导阀室462内移动而不在其中产生任何压力或流体密封。
[0086]三个独立通道从先导阀室462分叉:第一先导室464 ;第二先导室466 ;和第三先导室468。第一先导室464连接到第一端404以提供第一端404和先导阀室462之间的流体连通。第二先导室466连接在先导阀室462和入口阀活塞416的第一表面419之间。第二先导室466可以延伸通过歧管板427以提供入口阀活塞416的第一表面419和先导阀室462之间的流体连通。第三先导室468连接在先导阀室462和中心室414之间，提供其间的流体连通。
[0087]先导阀室462也包括先导球阀470、入口先导球阀座472和出口球阀座474。先导球阀470可以在入口位置和出口位置之间移动。当先导球阀470就座在入口先导球阀座472时，这被称为入口位置。当先导球阀470就座在出口先导球阀座474中时，这被称为出口位置。在图5中，先导球阀470显示为处于出口位置。
[0088]当先导球阀470处于入口位置时，在第一先导室464和第二先导室466之间没有流体连通。当先导球阀470处于入口位置时在第二先导室466和第三先导室468之间有流体连通。
[0089]当先导球阀470处于出口位置时，在第一先导室464和第二先导室466之间有流体连通。当先导球阀470处于出口位置时，流体路径从第一端404、通过第一先导室464和第二先导室466到达入口阀活塞416的第一表面419而打开。沿着该流体路径的加压浓缩液导致入口阀活塞416移动到与入口阀座418直接接触，处于闭合位置。
[0090]出口阀502位于浓缩液阀体400内，在第二端406和中心室414之间。出口阀502包括歧管板527、出口阀座518和出口阀活塞516。歧管板527定位在第二端406和中心室414之间。歧管板527延伸跨过浓缩液阀体400的内表面并且包括提供中心室414和压力室532之间的流体连通的流动端口 530。压力室532位于歧管板527和出口阀座518之间。出口阀座518位于歧管板527和第二端406之间。出口阀座518在横截面上小于出口阀活塞516。出口阀座518包括中心开孔或一系列开孔使得当出口阀活塞516从出口阀座518移位时，如下面进一步所述，流体可以朝着第二端406从高压室532流动经过入口阀座518。
[0091]出口阀活塞516位于歧管板527和出口阀座418之间。出口阀活塞516具有面朝歧管板527的第一表面519和面朝出口阀座518的第二表面521。第二表面521包括建立两个有效表面区域(中心区域523和外环525)的阶梯形区域517。当第二表面521就座在出口阀座518中时，如下面进一步所述，中心区域523与出口阀座518直接接触而外环525从出口阀座518凹陷。
[0092]出口阀活塞516的运动由歧管板延伸部534限制到在单平面中在打开位置和闭合位置之间致动。歧管板延伸部534远离歧管板534朝着第二端406延伸并且歧管板延伸部534围绕出口阀活塞516延伸。歧管板延伸部534将出口阀活塞516的运动限制到朝着或远离歧管板527并且由此朝着或远离出口阀座518移动。
[0093]压力室532由浓缩液阀体400的内表面、歧管板527、歧管板延伸部534和至少部分地由出口阀活塞516限定，如下面进一步所述。歧管板527使出口阀活塞516的第一表面519与中心室414内的浓缩流体流动隔离。
[0094]可选地，出口弹簧529、例如圆柱形压缩弹簧可以放置成与歧管板527和出口阀活塞516的第一表面521接触。出口弹簧529提供朝着出口阀座518驱动出口阀活塞516的物理偏压力。
[0095]出口阀活塞516在歧管板延伸部534的限制内可移动以将出口阀活塞516的第二表面521定位成与出口阀座518直接接触，这被称为闭合位置。当出口阀274处于闭合位置时，在出口阀活塞516和出口阀座518之间没有流体连通。当出口活塞516处于闭合位置时，在中心室414和第二端406之间没有流体连通。当出口阀活塞516处于闭合位置时它作用为限定压力室532 (如图5中所示)。所以，当出口阀活塞516处于闭合位置时，中心室414和第二端406之间的出口流体路径终止于压力室532中。
[0096]出口阀活塞516可移动以将第二表面521定位成远离出口阀座518，这被称为打开位置。当出口阀活塞516处于打开位置时，出口流体流动路径在出口阀活塞516和出口阀座518之间建立。该出口流体流动路径提供中心室414到第二端406并且最终到用于废物或再循环的管线250的流体连通。当出口阀活塞516处于打开位置时它部分地用于限定压力室532，原因是出口流体路径现在在出口阀活塞516和出口阀座518之间打开并且压力室532与第二端406流体连通。所以，当出口阀活塞516处于打开位置时，中心室414之间的出口流体路径通过压力室532。
[0097]出口阀502包括响应来自控制单元100的指令的出口阀致动器520。来自控制单元100的指令导致出口阀活塞516在打开位置和闭合位置之间致动。
[0098]出口阀致动器520包括响应来自控制单元100的电信号的螺线管550。基于从控制单元100接收的电信号，螺线管550可以激励，由此将空气压缩器552连接到空气管线554。空气管线554连接到出口先导阀体556的一个端部。螺线管550也可以去激励，由此将空气管线554连接到螺线管阀550的排气端口(未显示)。出口先导阀体556包括出口先导阀活塞558，所述出口先导阀活塞具有面对加压空气管线554的一个活塞面。先导阀活塞558也具有连接到出口先导阀杆560的相对活塞面。出口先导阀杆560延伸远离出口先导阀活塞558。出口先导阀杆560远离出口先导阀活塞558延伸通过出口先导阀室562。出口先导阀杆560可以在出口先导阀室562内移动而不在其中产生任何压力或流体密封。
[0099]三个独立通道从出口先导阀室562分叉:第一出口先导室568 ;第二出口先导室566 ;和第三出口先导室564。
[0100]第一出口先导室568连接到在先导阀室562和中心室414之间，提供其间的流体连通。第二出口先导室566连接在和出口阀活塞516的第一表面519之间。第二出口先导室566可以延伸通过歧管板527。第二出口先导室566建立出口阀活塞516的第一表面519和出口先导阀室562之间的流体连通。第三出口先导室564连接在第二端406和出口先导阀室562之间以建立其间的流体连通。
[0101]先导阀室562也包括出口先导球阀570、入口先导球阀座572和出口球阀座574。出口先导球阀570可以就座在入口先导球阀座572，称为入口位置。出口先导球阀570也可以就座在出口先导球阀座574，称为出口位置。
[0102]当出口先导球阀570处于入口位置时，在中心室414和出口阀活塞516的第一表面519之间有流体连通。当出口先导球阀570处于入口位置时，在第二先导室566和第三出口先导室564之间没有流体连通并且出口阀活塞516处于闭合位置。
[0103]当出口先导球阀570处于出口位置时，在中心室414和第二出口先导室566或第三出口先导室564中的任意一个之间没有流体连通。当出口先导球阀570处于出口位置时流体连通在第二出口先导室566和第三出口先导室564之间建立。当出口先导球阀570处于出口位置时，出口阀活塞516处于打开位置。当出口阀活塞516处于打开位置时提供从中心室414通过排出流动端口 530和压力室532到达第二端406的出口流体通道。
[0104]在浓缩液阀体400的可选特征中，浓缩液阀体400可以基本上由具有耐腐蚀性质的聚合物、例如聚甲醛或聚醚酰亚胺制造。端部404、406可以包括由刚性耐腐蚀材料、例如SS316不锈钢制造的外部支撑板316。另外，入口弹簧429和出口弹簧529可以由奥氏体材料、例如镍铬合金或超级合金制造。入口阀活塞416和出口阀活塞516由具有耐腐蚀性质的聚合物、例如聚甲醛或聚醚酰亚胺制造。入口阀座418和出口阀座518可以由奥氏体材料、例如AL6XN不锈钢制造。
[0105]在浓缩液阀体400的附加可选特征中，压力室532包括卸压系统600。卸压系统600包括出口卸压阀602和出口卸压室604。出口卸压阀602定位在压力室532和出口端406之间，如图5中所示。出口卸压室604提供压力室532和出口端406之间的流体连通。出口卸压阀602可以是当压力室532内的压力增加超过设定点、例如500至IOOOpsi时将致动的任何类型的已知卸压阀。出口卸压阀602的致动将允许从压力室532到出口端406的流体连通。
[0106]在附加的可选特征中，先导阀体456、556包括弹簧(未显示)，所述弹簧提供偏压力以物理地引导先导阀活塞458、558远离先导球阀470、570。先导阀杆460、560在该偏压力下将类似地移动远离先导球阀。该弹簧的偏压力低于由管线454、554输送的空气压力、例如lOOpsi，使得只有当没有空气压力输送到活塞面时该弹簧将物理地移动先导阀活塞458,558ο
[0107]控制单元
[0108]控制单元100是基于多处理器的计算系统，其具有执行控制代码和程序以控制和监视系统10的一个或多个处理器或微处理器、微型计算机和现场可编程门阵列。控制单元100控制和监视液压泵12的液压输出。控制单元100也控制和监视来自内反馈环108和外反馈环120的关于往复组件300的位置的信息。
[0109]控制单元100执行各种程序以控制液压泵12的液压输出并且由此根据定时协议130 (也称为速度分布)调节往复组件300的速度和位置。定时协议130是存储在控制单元100的非易失性存储器中的一系列算法。控制单元100也基于定时协议130将输出命令发送到液压泵12以改变斜盘板70的角，这调节液压泵12的液压输出。
[0110]定时协议(timing protocol) 130包括两个特征，第一特征通过组件序列(assembly sequence) 132限定往复组件300的期望位置。定时协议130的第二特征通过由阀序列134限定的序列协调浓缩液阀体400、401的打开和闭合。组件序列132和阀序列134由控制单元100协调以保证每个往复组件300的运动与其它往复组件300的运动协调，从而保证高压给水的恒定流动输送到脱盐过程316。此外，组件序列132和阀序列134由控制单元100协调以保证正确的浓缩液阀体400、401适当地致动以允许高压浓缩液在正确的时间流动进出浓缩液工作室230和232，从而保证往复组件300的运动中的能量回收的最大效率。
[0111]根据组件序列132，控制单元100调节液压泵12的液压输出并且由此调节往复组件300的位置。
[0112]为了帮助在组件序列132的参数内移动往复组件300，控制单元100接收来自内反馈环108和外反馈环120的信息，如图6中所示。内反馈环108包括间接感测液压泵12的液压输出的速率和方向的传感器112。可选地，当使用以恒定旋转速度操作的液压传输时传感器112可以测量斜盘板70的角度。从这一点来说，传感器112可以是测量斜盘板70和液压泵12的输入轴60之间的角度的旋转电位计。传感器112使用本领域中已知的任何合适的传感器实现以通过电子信号、例如电压、电流等的变化将被检测角度信息提供给控制单元100。
[0113]当接收来自传感器112的角度信息时，控制单元100确定液压泵12的所需液压输出以保证往复组件300根据组件序列132移动。
[0114]例如，控制单元100接收来自内反馈环的角度信息并通过与组件序列132速度分布算法比较来确定斜盘板70是否处于正确的角度位置以在指定时帧内提供正确的液压输出。例如，如果液压泵12的液压输出是错误的，错误表示液压泵12的液压输出提供太多或太少的液压输出来匹配组件序列132，则斜盘板70的角可以改变(倾斜或下倾)以校正液压泵12的液压输出。斜盘板70的角和液压泵12的液压输出之间的关系被校准并且保存在控制单元100的存储器中。
[0115]控制单元100也接收来自外反馈环120的信息。外反馈环120包括在图6中示意性地显示为传感器122的第二传感器，所述第二传感器直接或间接感测活塞杆14的位置并且由此感测往复组件300的位置。例如，传感器122是将关于活塞杆14的位置的位置信息提供给控制单元100的位置传感器。如图6中所示，位置传感器122可以邻近杆30定位，所述杆30连接到活塞杆14并且从液压缸18的后端延伸。然而，该定位仅仅是示例性的，因而位置传感器122可以定位在沿着杆14、往复组件300或别处的任何位置。位置传感器可以使用本领域中已知的任何合适的线性、位置传感器，例如线性可变差动变压器传感器来实现，从而通过电子信号例如电压、电流等的变化将活塞杆14的实际线性位置提供给控制单元100。
[0116]协调讨稈
[0117]在操作中，系统10通过使用控制单元100协调往复组件300的运动与浓缩液阀体400,401的致动获得最高能量效率并且避免压力积累。
[0118]由传感器122提供的外反馈环120的位置信息被引导到控制单元100。定期地、例如每0.1到10ms、更具体地每I到2ms提供位置信息，并且控制单元100比较该实际位置信息(称为实际位置值)与由组件序列132确定的往复组件300的理想位置值152。控制单元100使用减法器156从理想位置值152减去实际位置值150以产生第一差值155。乘法器157将第一差值155乘以增益系数Kal54以产生第一乘值159。增益系数Kal54由初始校准和对准程序确定以保证系统的适当功能性而不会有往复组件位置的过度超调或欠调。当前位置值150也由电子控制单元100存储并且它与来自前Ims样本的往复组件300的先前位置值158比较。使用减法器160，控制单元100从先前位置158减去当前位置150，并在控制单元100已知Ims样本窗口(sample window)的情况下,计算实际速度值162。减法器164减去当前理想位置值152和前Ims的理想位置值168以计算理想速度值170。减法器172从理想速度值170减去实际速度值162以生成第二差值174。乘法器178将差值174乘以增益系数Kvl76以产生第二乘值180。增益系数Κν176由初始校准和对准程序确定以保证系统的适当功能性而不会有过度超调或欠调。第一乘值159和第二乘值180由加法器182求和以生成和值184。和值184可以是正的或负的。如果和值184是正的，则控制单元100将发送斜盘板命令186到液压泵12以导致斜盘板70的角度变化，从而使得液压泵12的液压输出导致往复组件300在第一方向上移动。如果和值184是负的，则副控制器190将发送斜盘板命令186，所述斜盘板命令导致斜盘板70的角度变化，从而使得液压泵12的液压输出变化，这又导致往复组件300在第二方向上移动。
[0119]来自传感器112的斜盘板角度信息将关于液压泵12的液压输出的信息提供给控制单元100的副控制器190。控制单元100使用该角度信息加快斜盘板70移动到由控制单元100输出命令186确定的位置。该内控制环108提供斜盘板70的运动的更大加速以增加液压泵12对来自控制单元100的命令的响应性。
[0120]每个往复组件300以闭环方式操作液压泵12。所以，可以通过液压泵12的液压输出的精确控制来控制往复组件300的运动(即，加速、恒速和减速)以再现组件序列132。
[0121]在图7中显示示例性组件序列132，其中示出往复组件泵送周期的I秒例子。小点划线700表示第一往复组件300随着时间的速度。虚线702表示第二往复组件300’随着时间的速度。实线704表示第三往复组件300”随着时间的速度。
[0122]关注第一往复组件300，在时间IOms处，第一往复组件300’处于完全延伸位置，在第一方向上移动的终点。泵周期开始于在第二方向上的冲程，在此期间往复组件300在时间周期Tl下从休止(零速度)线性地加速到速度(-V)例如-6in/sec。然后，在时间周期T2(恒速期)下当往复组件300继续它在第二方向上的冲程时保持速度-V。当往复组件300接近在第二方向上的冲程的终点时，减速期Τ3开始，在此期间往复组件300从速度-V减速到零。一旦往复组件300停止，在第二方向上移动结束时，它在短停留时间Τ4下保持停止。短停留时间Τ4可以持续例如200ms。当往复组件300开始在第一方向上的冲程时，往复组件300在时间周期T5下在第一方向上线性地加速到速度(V)例如6in/sec。在时间周期T6(恒速期)下当往复组件300继续它的返回冲程时然后保持速度V。当往复组件300接近该冲程的终点时，减速期T7开始，在此期间往复组件300从速度V减速到零。一旦往复组件300停止，在返回冲程结束时，它在第二短停留时间T8下保持停止。
[0123]如上所述，往复组件300的运动由控制单元100所提供的信号确定以根据组件序列132移动三个单独的往复组件300、300’和300”，从而生成到达RO膜单元216的给水的高压和恒定输送，其由线706表示，所述线是三个往复组件的绝对速度和。为了以恒定速率提供这样的高压力，三个往复组件300、300’和300”彼此异相120度。
[0124]为了便于给水和浓缩液流动通过水作动缸200的各室，给水阀组件258、260和浓缩液阀体400、401的致动与往复组件300的运动协调。
[0125]在可选特征中，系统10包括3个以上液压泵12、水作动缸200和3个以上往复组件300。如果X表示往复组件的数量，则360/X是往复组件300彼此异相的度数。例如，如果有12个液压泵、12个水作动缸200和12个往复组件300，则往复组件300的运动将彼此异相30度(360/12)以提供到达RO膜单元216的高压给水的恒定输送。
[0126]给水阀
[0127]当往复组件300在第一方向上移动时，给水工作室228将在体积上减小。为了防止压力的积累，室228内的给水必须通过给水阀组件258的致动而经出口 212排出。当给水工作室228的体积减小时，其中的压力增加，给水阀组件258的中心室304内的压力也增力口。压力的该增加将导致第一压力止回阀308闭合，原因是中心室内的压力为P2，P2大于作用于活塞312的入口侧的压力P1。这导致第一压力止回阀308的闭合并且保证阻止给水回流到管线254中。给水阀组件258的中心室304内的压力的增加将导致第二压力止回阀310打开。跨过阀活塞312的面的差压由中心室304中的P2和出口端308处的较低压力导致。该差压克服弹簧316的偏压力，使得阀活塞312从阀座314移位并且来自给水工作室228的内部的流体可以离开、通过中心室304、通过第二压力止回阀、离开出口 314并且沿着管线262到达RO膜单元216，基本上保持P2的压力。
[0128]当给水通过往复组件300在第一方向上的运动从给水工作室228排出时，给水工作室234的体积增加。这导致给水阀组件260的中心室304内的压力减小。给水工作室234内的压力的该减小也发生在中心室304中。该减小压力导致第一压力止回阀312移动到打开位置，原因是中心室304和入口端302之间的差压克服弹簧312的偏压力。当弹簧320的偏压力由差压克服时，阀活塞312从阀座314移位，这产生流动路径以便给水从源216进入室234。
[0129]浓缩液流动控制阀
[0130]高压浓缩液可以经由入口 404周期性地进入阀体400，这被称为入口相位。高压浓缩液进入阀体427并且围绕歧管板427流动并且进入高压室432。在入口相位的开始，入口阀活塞416处于闭合位置并且先导球阀470处于出口位置。高压浓缩液流动到高压室432中作用于入口阀活塞416的外环425。中心室414和第二先导室466中的液体静压力将由于先导球阀470移动到入口位置而平衡。所以作用于入口阀活塞416的第一表面419的液体静压力与中心室414内的液体静压力相同。在入口相位的开始，中心室414内的液体静压力低于高压室432内的高压浓缩液的液体静压力。所以，作用于外环425的液体静压力大于作用于入口阀活塞416的第一表面419的压力。该差压导致入口阀活塞416移动到打开位置。
[0131]当高压浓缩液流动通过入口阀座418的区域时，可以发生紊流，导致压头损失。由于该压头损失，即使当入口阀活塞416处于打开位置时，中心室414内的液体静压力也小于高压室432内的液体静压力。外环425由于从中心区域423凹陷，定位在压头损失的至少大部分的上游。所以，作用于外环425的压力保持大于中心室414内的压力。此外，作用于外环的液体静压力大于入口弹簧429的物理偏压力。高压浓缩液从高压室432流动到中心室414中允许入口阀活塞416保持打开。
[0132]在入口相位期间，控制单元100将电信号发送到浓缩液阀体400、401的电子控制致动器420、520。如上所述，入口致动器420和出口致动器520两者响应来自电子控制单元100的电信号，例如电压、电流等的变化。响应来自控制单元100的指令，浓缩液阀体400致动，例如先导球阀470和出口先导球阀570的位置可以从出口位置变为入口位置。
[0133]在入口相位期间控制单元100将电信号发送到入口阀致动器420。入口阀致动器420致动螺线管450以导致入口空气压缩器452作用于先导阀活塞458。作用于先导阀活塞458的空气压力导致先导阀杆460将先导球阀470引导到入口位置。
[0134]第二先导室466内的高压浓缩液的液体静力和入口弹簧429的物理偏压力两者作用于入口阀活塞416的第一表面419。当先导球阀470处于入口位置时,第二先导室466与先导阀室466和第三先导室468流体连通。该流体连通允许第二先导室466内的任何浓缩流体流动到中心室414。
[0135]先导球阀470的运动使得作用于第一表面419的液体静力与中心室414内的静压力平衡。
[0136]在入口相位期间，出口阀活塞516处于闭合位置，这引导进入中心室414的高压浓缩液将通路端口 242。
[0137]在入口相位期间，高压浓缩液将流动通过中心室414以进入第一出口先导室568和出口先导阀室542并且将出口球阀570引导到就座在入口导球座572中，处于入口位置。在入口相位期间，控制单元100减小作用于出口先导阀活塞558的压力。所以，出口先导阀杆560不作用于出口先导球阀570，抵抗出口先导阀室542内的高压浓缩液。
[0138]当出口球阀570处于入口位置时，在第三先导室568和第二出口先导室566之间有流体连通，从而使得高压浓缩液从中心室414流动到第二出口先导室566中以作用于出口阀活塞516的第一表面519。在入口相位期间，高压浓缩液也围绕歧管板527流动，通过流动端口 530并且进入压力室532中。在第一表面519和出口环529处的高压浓缩液的组合压力大于在出口环525处的高压缩浓缩液的力，且出口阀活塞516在闭合位置。如上所述，如果出口阀活塞516处于闭合位置，则在压力室532和浓缩液阀体400的出口端之间不提供流体连通。
[0139]周期性地，阀体400可以经历出口相位。在出口相位期间在入口 404处进入阀体400的高压浓缩液的流动是少量至没有的。此外，有流体从端口 242流动到中心室414中。在高压室432内少量或没有的高压浓缩液的流动允许入口阀活塞416移动到闭合位置。
[0140]在出口相位期间，出口阀活塞516可以以类似于入口相位期间的入口阀活塞416的方式打开。浓缩液从中心室流动到压力室532中将作用于出口阀活塞516的外环。浓缩液的该流动具有比出口 406内的压力和作用于第一表面519的液体静压力高的液体静压力。所以，出口阀活塞516移动到打开位置。类似地，浓缩液流动通过出口阀座518的区域将受到压头损失。外环525定位在压头损失的至少大部分的上游，允许出口阀活塞在浓缩液从中心室414到出口 406的恒定流动期间保持打开。
[0141]在出口相位期间，控制单元100可以发送电信号以允许浓缩液从中心室414排出或离开。
[0142]在来自控制单元100的指令下，空气压缩器450不通过管线454提供任何空气压力以作用于入口先导阀活塞458并且先导球阀470被引导到出口位置。当先导球阀470处于出口位置时，在第一先导室464和第二先导室466之间有流体连通。当入口阀活塞416处于闭合位置时在高压室432和中心室414之间没有流体连通并且没有高压浓缩液从入口端404流动到中心室414中。
[0143]在出口相位期间，控制单元100导致出口致动器520将压力提供给出口先导阀活塞538的面，这导致出口先导阀杆560将出口先导球阀570物理地引导到出口先导阀座574中，处于出口位置。当浓缩液离开端口 242并且经由第三先导室564作用于出口先导球阀570时，将出口先导球阀570引导到出口位置的出口先导阀杆560的物理力大于浓缩液的液体静压力。当出口先导球阀570处于出口位置时，第二出口先导室566与第三出口先导室564流体连通。作用于出口阀活塞516的外环525的压力室532内的浓缩液的液体静压力大于作用于第一表面519的力的总量,出口阀活塞516从出口阀座518移位并且离开浓缩液工作室232的浓缩液从中心室414流动到浓缩液阀体400的出口端406。
[0144]当往复组件300在与第一方向相反的第二方向上移动时，给水阀体258、260和浓缩液阀体400、401的致动必须反转。原因在于给水阀体258将响应压力的变化致动以允许给水从源110流动到给水工作室228中，并且给水阀体260将致动以允许给水离开给水工作室232。
[0145]在往复组件300在第二方向上的运动期间，浓缩液工作室230的体积减小并且控制单元100将导致浓缩液阀体400致动到排出模式，如上文中所述。此外，浓缩液工作室232的体积增加并且电控制单元100将导致浓缩液阀体401致动到入口模式，如上文中所述。
[0146]通过往复组件300、300’和300”的运动的协调，高压给水(P2)的恒定流动被输送到RO膜单元216。此外，通过高压浓缩液(P3)协调输送到浓缩液工作室230、232，高压浓缩液的能量可以帮助往复组件300的运动并且由此减小液压泵12的所需功。例如，高压浓缩液流动到浓缩液工作室230中，通过作用于双作用活塞224的后面238来帮助往复组件300在第一方向上的运动，这将提供能量以帮助往复组件300的运动。类似地，在往复组件300在第二方向上的运动期间，通过高压浓缩液作用于双作用活塞226的浓缩液面240，帮助将高压浓缩液引入浓缩液工作室232中。
[0147]组件序列132与阀序列134的协调可以发生，使得在被称为同时活塞闭合的停留时期期间，浓缩液阀体400、401两者的入口活塞416和出口活塞516两者同时闭合。
[0148]从往复组件300停止移动、即具有零速度并且进入停留时期时起，控制单元100可以通过组件序列132与阀序列134的协调有效地计时例如50或X/3毫秒(参见图7中的线700的T4和T8)。如果停留时期设置为Xms长，则电子控制器将从停留时期开始起计时X/3ms或(X/3-致动时间)从停留时期开始起。在第一 X/3ms的终点，电子控制单元将发送电子信号以导致同时活塞闭合时期持续第二 X/3ms的持续时间。在第二 X/3ms之后，控制单元100发送电子信号以将阀活塞从同时活塞闭合转变到入口或出口模式。在第三和最后X/3ms时期的终点，控制单元100将发送电子信号以增加液压泵12的液压输出使得往复组件300视情况在第一或第二方向上从零速度加速。
[0149]在这样的特征中，停留时期可以持续例如200到500ms之间。在该停留时期期间，在停留时期的大致中间66到166ms时入口活塞416和出口活塞516同时闭合。该同时活塞闭合的50到IOOms可以减小任何有害压力积累并且允许控制单元100更紧密地使往复组件300的实际位置与组件分布相匹配。在停留时间的中间的同时活塞闭合允许浓缩液阀体400、401响应来自控制单元100的信号所耗费的实际时间。例如，阀可以耗费25至50ms从打开位置实际致动到闭合位置，反之亦然，这被称为“致动时间”。此外，入口和出口活塞416、516两者的同时活塞闭合防止任何高压浓缩液被错误引导。例如，如果浓缩液阀体400即将进入入口相位，并且当入口活塞416打开时出口活塞516打开，则高压浓缩液中的一些可以被错误引导横越中心室414并且直接进入出口端406。高压浓缩液的这样的错误引导将损害系统的能量回收效率。
[0150]在附加的可选特征中，停留时间的长度可以在200到300ms之间，且同时活塞闭合的时期为大约66到100ms。[0151]在附加的可选特征中，同时活塞闭合的时期发生在停留时期开始之前ms，例如在往复组件300获得零速度之前100到500ms。该特征的目的是在系统内建立相对少量压力，以补偿可能由于使用各种聚合物材料而发生的膨胀效应，使用所述聚合物材料是出于它们的耐腐蚀和低摩擦性质而不是硬性或刚性性质。
[0152]在附加的可选特征中，包括一个或多个压力传感器(未显示)的故障安全系统可以包括在系统中以检测系统内的压力的变化。例如，故障安全系统可以包括位于浓缩液阀体400,401的中心室414中的压力系统，并且经由这些传感器，故障安全系统将来自中心室414的压力信息提供给控制单元100。压力信息可以整合到定时协议130中。在这样的可选特征的一个例子中，电子控制器100将遵照组件序列132和阀序列134的结合，除非故障安全向控制单元100警示检测到相对于定时协议130的异常压力。在这样的例子中，控制单元100可以暂停组件序列132，使得往复组件300不离开停留时期并且进一步造成检测压力异常。替代地，电子控制系统100可以改变阀序列132，因此有更长、更短或没有同时活塞闭合的时期。控制单元100可以定期地、例如每Ims询问故障安全系统以确定异常压力信号是保持还是消失并且然后适当地响应。
[0153]在附加的可选特征中，控制单元100可以在致动浓缩液阀体400、401之前定期地询问故障安全系统。例如，控制单元100可以通过外反馈环120保证往复组件300不移动，并且因此处在停留时期中。然而，控制单元100也必须验证在即将进入同时活塞闭合的相位的浓缩液阀体400、401的中心室414中实际检测到最小压力。
[0154]在前面的描述中，为了解释，阐述许多细节以便提高实施例的透彻理解。然而，本领域的技术人员将显而易见不需要这些具体细节。在其它情况下，公知的电结构和电路以方块图形式显示以便不影响理解。例如，未提供关于本说明书中所述的实施例是否作为软件例程、硬件电路、固件或它们的组合实现的具体细节。
[0155]本公开的实施例可以表示为存储在机器可读介质(也称为计算机可读介质、处理器可读介质或具有在其中体现的计算机可读程序代码的计算机可使用介质)中的计算机程序产品。机器可读介质可以是任何合适的有形、非临时性介质，包括磁、光或电存储介质，包括软磁盘、光盘只读存储器(CD-ROM)、存储设备(易失性或非易失性)或类似存储机构。机器可读介质可以包含各种指令集、代码序列、配置信息或其它数据，当执行时，其导致处理器执行根据本公开的实施例的方法中的步骤。本领域的普通技术人员将领会执行所述实施方式所需的其它指令和操作也可以存储在机器可读介质上。存储在机器可读介质上的指令可以由处理器或其它合适的处理设备执行，并且可以与电路接口以执行所述任务。
[0156]该书面描述使用例子来公开包括最佳模式的本发明以使本领域的任何技术人员能够实施本发明，包括制造和使用任何装置或系统并且执行任何包含的方法。本发明的专利范围由权利要求限定，并且可以包括本领域的技术人员想到的其它例子。
【权利要求】
1.一种装置，所述装置包括: a)膜系统，所述膜系统具有给水入口和盐水出口； b)泵，所述泵包括连接到汽缸中的活塞的活塞杆，所述活塞具有前面和后面，所述泵适合于相对所述活塞的前面将给水加压并且导致给水流动到所述膜系统的给水入口 ； c)管路，所述管路将所述膜系统的盐水出口连接到所述活塞的后面； d)在所述管路中的阀； e)连接到所述活塞杆的液压泵； f )连接到所述液压泵的控制器； g)传感器，所述传感器连接到所述控制器并且适合于将指示所述液压泵的输出的信号发送到所述控制器。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述控制器编程有所述活塞随着时间的速度的期望分布并且根据所述分布指示所述液压泵移动所述活塞。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述控制器编程为处理指示所述液压泵的输出的信号，确定所述输出是否与所述分布或指令一致，并且改变所述指令以导致所述活塞更密切地遵循所述分布。
4.根据权利要求1所 述的装置，其特征在于，所述装置还包括第二传感器，所述第二传感器连接到所述控制器并且适合于将指示所述活塞杆的位置的第二信号发送到所述控制器，其中所述控制器编程为处理指示所述活塞杆的位置的第二信号，确定所述活塞的位置或速度是否与所述分布一致，并且改变所述指令以导致所述活塞更密切地遵循所述分布。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述控制器连接到所述阀，所述控制器编程有所述活塞随着时间的速度的期望分布，所述分布包括所述活塞不打算移动的停留时期，并且所述控制器编程为在所述停留时期期间移动所述阀。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述控制器编程为延迟所述阀的运动的开始，直到停留时期开始之后。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述阀具有阀活塞，所述阀活塞抵靠阀体内侧的下游阀座闭合，所述阀活塞的面具有中心区域，当所述阀闭合时所述中心区域接触所述阀座，所述阀活塞的面还具有外环，所述外环相对于所述中心区域凹陷，并且所述活塞的后部可以在所述阀座的下游连接到所述阀体。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述活塞朝着闭合位置偏压。
9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述活塞和汽缸使用耐腐蚀材料和低摩擦材料制造。
10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述液压泵包括斜盘板并且所述信号指示所述斜盘板的角度。
11.一种方法，所述方法包括以下步骤: a)提供水泵，所述水泵包括在汽缸中的活塞，所述活塞连接到活塞杆； b)提供液压泵，所述液压泵连接到所述活塞杆，以使得来自所述液压泵的流体流动输出导致所述活塞移动； c)将所述水泵连接到膜系统，以使得所述活塞的运动导致给水流动到所述膜系统； d)指示所述液压泵产生流体流动输出，所述流体流动输出被预测根据随着时间的速度的预定分布导致活塞泵移动； e)产生与所述液压泵的实际流体流动输出相关的信号； f)将所述信号与所述分布相比较； g)修改所述指令以导致所述活塞更密切地遵循所述分布。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述方法还包括使用在所述膜系统中产生的盐水的压力帮助所述活塞移动以导致给水流动的步骤。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤:提供阀，所述阀配置成选择性地将盐水连接到所述活塞；以及当所述分布指示所述活塞应当在向前方向上移动时指示所述阀打开，并且当所述分布指示所述活塞应当在相反方向上移动时指示所述阀闭合。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述分布包括所述活塞不打算移动的停留时期，并且其中在所述停留时期期间指示所述阀打开或闭合。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，在停留时期期间打开或闭合阀的指令相对于所述停留时期的开始延迟。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述速度分布包括朝着停留时期活塞速度减小，并且所述阀配置成当通过所述阀的水的流量减小时朝着闭合位置移动。
17.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述液压泵包括斜盘板并且与所述液压泵的实际流体流动输出相关的信号是指示所述斜盘板的角度的信号。
18.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤:产生与所述活塞的位置相关的第二信号 ，将所述第二信号与所述分布相比较，以及修改所述指令以导致所述活塞更密切地遵循所述分布。
【文档编号】B01D61/10GK103827492SQ201280047713
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2012年9月17日 优先权日:2011年9月30日
【发明者】M.D.德阿特奈, W.D.蔡尔兹, G.J.范德卢普, M.J.康诺尔 申请人:通用电气公司