变负荷调节装置及海水淡化系统与方法与流程

本发明涉及海水淡化技术领域，尤其是涉及一种变负荷调节装置及海水淡化系统与方法。

背景技术：

淡水是人类生活、工业生产不可缺少的基本资源。在许多缺乏淡水的沿海、岛屿等地区，海水淡化技术已经广泛应用，目前在全世界有超过3亿人在使用海水淡化水。海水淡化是消耗大量能源的技术，使用太阳能、风能等清洁能源为海水淡化系统供能对于在远离电网等常规能源的场合很有意义。太阳能、风能等清洁能源具有不稳定的特性，常规的海水淡化系统需要稳定的电源，对电源的波动性比较敏感，当外部能源输入发生波动时，常规海水淡化系统无法适应清洁能源变负荷的要求，系统频繁停机、运行参数无法适应性调节实现最大限度利用能源。

此外，能耗已经成为制约海水淡化技术发展的重要因素之一。在反渗透海水淡化系统中，能耗指标主要取决于高压泵、增压泵等，其中高压泵是主要耗能设备，所以高压泵的运行效率是影响海水淡化系统制水成本的主要因素之一。当外部能源输入低于高压泵的运行功率时，高压泵的转速降低，反渗透系统的产水量下降，当外部能源输入降低到不能维持反渗透系统正常运行时，反渗透系统便会关闭。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种变负荷调节装置及海水淡化系统，以解决现有的海水淡化系统存在的能耗高、能源输入波动条件下能源利用率低的技术问题。

本发明的目的还在于提供一种海水淡化方法，以解决现有的海水淡化方法存在的能耗高、能源输入波动条件下能源利用率低的技术问题。

基于上述第一目的，一方面，本发明提供了一种变负荷调节装置，包括水压轴向柱塞泵、能量回收装置、变频器、双轴伸电机和控制装置，所述控制装置与所述变频器电连接，所述变频器与所述双轴伸电机电连接，用于调节所述双轴伸电机的转速；所述双轴伸电机的主轴伸端通过联轴器与所述水压轴向柱塞泵的传动轴相连接，所述双轴伸电机的次轴伸端与所述能量回收装置的水力能输出端相连接；所述控制装置与所述水压轴向柱塞泵电连接，用于控制所述水压轴向柱塞泵的排量。

基于上述第一目的，另一方面，本发明还提供了一种海水淡化系统，所述海水淡化系统包括原水水箱、给水泵、预处理装置、反渗透膜组和所述的变负荷调节装置，所述原水水箱与所述给水泵的进水口相连通，所述给水泵的出水口与所述预处理装置的输入端相连通，所述预处理装置的输出端与所述水压轴向柱塞泵的进水口相连通，所述水压轴向柱塞泵的出水口与所述反渗透膜组的进水口相连通，所述反渗透膜组的浓水出口与所述能量回收装置的高压浓水入口相连通。

进一步地，所述预处理装置包括一个多介质过滤器和多个精密过滤器。

进一步地，所述预处理装置为中空纤维超滤装置。

进一步地，还包括紫外杀菌设备，所述紫外杀菌设备的入口与所述反渗透膜组的产水出口相连通。

进一步地，所述水压轴向柱塞泵的进水口设置有进水流量计，所述进水流量计与所述控制装置电连接。

进一步地，所述反渗透膜组的产水出口设置有出水流量计，所述出水流量计与所述控制装置电连接。

进一步地，所述能量回收装置的低压浓水出口设置有能量回收流量计，所述能量回收流量计与所述控制装置电连接。

进一步地，所述反渗透膜组的进水口、所述反渗透膜组的浓水出口与所述能量回收装置的低压浓水出口均设置有压力表；所述压力表分别与所述控制装置电连接。

基于上述第二目的，本发明提供了一种海水淡化方法，包括以下步骤：

(1)原水水箱中的原海水经过给水泵进入预处理装置，预处理后的原海水经过水压轴向柱塞泵进入反渗透膜组；

(2)所述反渗透膜组对原海水进行脱盐处理，紫外杀菌设备对从所述反渗透膜组的产水出口流出的淡水进行杀菌处理；变负荷调节装置将从所述反渗透膜组的浓水出口流出的高压浓水的水力能传递给原海水，同时排放低压浓水；

(3)所述变负荷调节装置调节所述反渗透膜组所需的压力及回收率。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明提供的一种变负荷调节装置，包括水压轴向柱塞泵、能量回收装置、变频器、双轴伸电机和控制装置，所述控制装置与所述变频器电连接，所述变频器与所述双轴伸电机电连接，用于调节所述双轴伸电机的转速；所述双轴伸电机的主轴伸端通过联轴器与所述水压轴向柱塞泵的传动轴相连接，所述双轴伸电机的次轴伸端与所述能量回收装置的水力能输出端相连接；所述控制装置与所述水压轴向柱塞泵电连接，用于控制所述水压轴向柱塞泵的排量。本发明提供的变负荷调节装置，可以在外部能源输入发生波动时，通过控制装置向变频器输出频率指令，变频器依指令调节双轴伸电机的转速，从而同时调节水压轴向柱塞泵和所述能量回收装置的转速；同时，控制装置向水压轴向柱塞泵输出排量指令，适应性地调节水压轴向柱塞泵的排量，改变系统的回收率，从而使反渗透膜组在安全并且优化的回收率下运行。在低能源输入时，通过变频器降低双轴伸电机的转速，使水压轴向柱塞泵的转速和能量回收装置的转速同时降低，并且适当增加水压轴向柱塞泵的排量，提高系统的回收率，以提升系统的压力和产水量，避免系统因压力不足以达到渗透压而关停；在高能量输入时，通过变频器提高双轴伸电机的转速，使水压轴向柱塞泵的转速和能量回收装置的转速同时提高，并且适当减小水压轴向柱塞泵的排量，适当调低回收率，降低系统压力，避免压力过高而损坏反渗透膜组。因此，本发明提供的变负荷调节装置，能够在降低系统能耗的基础上，提升系统对外部能源输入波动性的适应能力与持续工作能力。

本发明提供的海水淡化系统，包括原水水箱、给水泵、预处理装置、反渗透膜组和如权利要求1所述的变负荷调节装置，所述原水水箱与所述给水泵的进水口相连通，所述给水泵的出水口与所述预处理装置的输入端相连通，所述预处理装置的输出端与所述水压轴向柱塞泵的进水口相连通，所述水压轴向柱塞泵的出水口与所述反渗透膜组的进水口相连通，所述反渗透膜组的浓水出口与所述能量回收装置的高压浓水入口相连通。通过设置变负荷调节装置，在外部能源输入发生波动时，能够在调节双轴伸电机的转速的同时，适应性地调节水压轴向柱塞泵的排量，改变系统的回收率，使反渗透膜组在安全且优化的回收率下运行。在低能源输入时，控制装置通过变频器降低双轴伸电机的转速，使水压轴向柱塞泵的转速和能量回收装置的转速同时降低，并且适当增加水压轴向柱塞泵的排量，提高系统的回收率，以提升系统的压力和产水量，避免系统因压力不足以达到渗透压而关停；在高能量输入时，适当调低回收率，降低系统压力，避免压力过高而损坏反渗透膜组。此外，本发明提供的海水淡化系统，通过设置变负荷调节装置，并引入了能量回收装置，能够在降低系统能耗的基础上，提升系统对外部能源输入波动性的适应能力与持续工作能力。

本发明提供的一种海水淡化方法，包括以下步骤：

(1)原水水箱中的原海水经过给水泵进入预处理装置，预处理后的原海水经过水压轴向柱塞泵进入反渗透膜组；

(2)所述反渗透膜组对原海水进行脱盐处理，紫外杀菌设备对从所述反渗透膜组的产水出口流出的淡水进行杀菌处理；变负荷调节装置将从所述反渗透膜组的浓水出口流出的高压浓水的水力能传递给原海水，同时排放低压浓水；

(3)所述变负荷调节装置调节所述反渗透膜组所需的压力及回收率。

本发明提供的一种海水淡化方法，在系统运行过程中，控制装置向变频器输出频率指令，变频器依指令调节双轴伸电机的转速，从而同时调节水压轴向柱塞泵和所述能量回收装置的转速；同时，控制装置向水压轴向柱塞泵输出排量指令，从而调节水压轴向柱塞泵的排量。

当外部能源输入低于所述水压轴向柱塞泵的运行功率时，所述控制装置通过所述变频器降低所述双轴伸电机的转速，使所述水压轴向柱塞泵的转速和所述能量回收装置的转速同时降低，并且通过增加所述水压轴向柱塞泵的排量，提高系统的回收率，以提升系统的压力和产水量；

当外部能源输入高于所述水压轴向柱塞泵的运行功率时，所述控制装置通过所述变频器提高所述双轴伸电机的转速，使所述水压轴向柱塞泵的转速和所述能量回收装置的转速同时提高，并且通过减小所述水压轴向柱塞泵的排量，降低系统的回收率，以降低系统的压力和产水量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一提供的变负荷调节装置的结构示意图；

图2为本发明实施例二提供的海水淡化系统的结构示意图。

附图标记：

101-水压轴向柱塞泵； 102-能量回收装置； 103-变频器；

104-双轴伸电机； 105-原水水箱； 106-给水泵；

107-预处理装置； 108-反渗透膜组； 109-控制装置；

110-紫外杀菌设备； 111-进水流量计； 112-出水流量计；

113-能量回收流量计； 114-压力表。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面通过具体的实施例子并结合附图对本发明做进一步的详细描述。

实施例一

图1为本发明实施例一提供的变负荷调节装置的结构示意图。参见图1所示，本实施例提供了一种变负荷调节装置，包括水压轴向柱塞泵101、能量回收装置102、变频器103、双轴伸电机104和控制装置109，控制装置109与变频器103电连接，变频器103与双轴伸电机104电连接，用于调节双轴伸电机104的转速；双轴伸电机104的主轴伸端通过联轴器与水压轴向柱塞泵101的传动轴相连接，双轴伸电机104的次轴伸端与能量回收装置102的水力能输出端相连接；控制装置109与水压轴向柱塞泵101电连接，用于控制水压轴向柱塞泵101的排量。本实施例采用现有的水压轴向柱塞泵101，具有斜盘，通过改变斜盘倾角的大小就能够对水压轴向柱塞泵101泵的排量进行调节。能量回收装置102是用来回收反渗透海水淡化系统中的浓盐水的水力能，并将其转变成反渗透膜的进水水力能的装置。现有的能量回收装置包括水力透平式、柱塞马达式能量回收装置和功交换式能量回收装置。

作为优选，本实施例提供的能量回收装置可以采用现有的水力透平式能量回收装置，其中，水力能输出端为叶轮转轴，叶轮转轴与双轴伸电机104的次轴伸端相连接，叶轮转轴旋转，能够带动双轴伸电机104的次轴伸端和主轴伸端同时旋转，从而带动水压轴向柱塞泵101的传动轴旋转，实现了回收浓盐水的水力能同时降低电机电能输出的目的。

作为优选，本实施例提供的能量回收装置也可以采用现有的柱塞马达式能量回收装置，其中，水力能输出端为缸体转轴，缸体转轴与双轴伸电机104的次轴伸端相连接，缸体转轴旋转，能够带动双轴伸电机104的次轴伸端和主轴伸端同时旋转，从而带动水压轴向柱塞泵101的传动轴旋转，实现了回收浓盐水的水力能同时降低电机电能输出的目的。

本实施例提供的变负荷调节装置，可以在外部能源输入发生波动时，通过控制装置109向变频器103输出频率指令，变频器103依指令调节双轴伸电机104的转速，从而同时调节水压轴向柱塞泵101和能量回收装置102的转速；同时，控制装置109向水压轴向柱塞泵101输出排量指令，适应性地调节水压轴向柱塞泵101的排量，改变系统的回收率，从而使反渗透膜组在安全并且优化的回收率下运行。在低能源输入时，通过变频器103降低双轴伸电机104的转速，使水压轴向柱塞泵101的转速和能量回收装置102的转速同时降低，并且适当增加水压轴向柱塞泵101的排量，提高系统的回收率，以提升系统的压力和产水量，避免系统因压力不足以达到渗透压而关停；在高能源输入时，通过变频器103提高双轴伸电机104的转速，使水压轴向柱塞泵101的转速和能量回收装置102的转速同时提高，并且适当减小水压轴向柱塞泵101的排量，适当调低回收率，以降低系统压力，避免压力过高而损坏反渗透膜组。因此，本发明通过设置变负荷调节装置，能够在降低系统能耗的基础上，提升系统对外部能源输入波动性的适应能力与持续工作能力。

需要说明的是，本发明提供的实施例一的可选方案中，能量回收装置102不仅局限于上述两种形式，也可以根据海水淡化系统的实际处理能力选择其他形式的能量回收装置102，用以实现降低系统能耗、提升系统对外部能源输入波动性的适应能力的功能；对于其他形式的能量回收装置102本实施例一不再一一具体赘述。

实施例二

图2为本发明实施例二提供的海水淡化系统的结构示意图。参见图2所示，本实施例提供了一种海水淡化系统，包括原水水箱105、给水泵106、预处理装置107、反渗透膜组108和变负荷调节装置，其中，变负荷调节装置采用实施例一提供的变负荷调节装置。原水水箱105与给水泵106的进水口相连通，给水泵106的出水口与预处理装置107的输入端相连通，预处理装置107能够去除原海水中的胶体、悬浮物和细菌等杂质，预处理装置107的输出端与水压柱塞泵101的进水口相连通，水压柱塞泵101的出水口与反渗透膜组108的进水口相连通，反渗透膜组108的浓水出口与能量回收装置102的高压浓水入口相连通。其中，反渗透膜组108可以采用现有的卷式膜元件，具有较高的脱盐效果，保证在减负荷状态下的出水水质。此外，反渗透膜组的数量也可以根据海水淡化系统的实际处理能力进行选择。

本实施例提供的海水淡化系统，通过设置变负荷调节装置，在外部能源输入发生波动时，能够在调节双轴伸电机104的转速的同时，适应性地调节水压轴向柱塞泵101的排量，改变系统的回收率，使反渗透膜组108在安全且优化的回收率下运行。在低能源输入时，控制装置109通过变频器103降低双轴伸电机104的转速，使水压轴向柱塞泵101的转速和能量回收装置102的转速同时降低，并且适当增加水压轴向柱塞泵101的排量，提高系统的回收率，以提升系统的压力和产水量，避免系统因压力不足以达到渗透压而关停；在高能量输入时，适当调低回收率，降低系统压力，避免压力过高而损坏反渗透膜组108。此外，本发明提供的海水淡化系统，通过设置变负荷调节装置，并引入了能量回收装置102，能够在降低系统能耗的基础上，提升系统对外部能源输入波动性的适应能力与持续工作能力。

在本实施例的可选方案中，预处理装置107包括一个多介质过滤器和多个精密过滤器。多介质过滤器是利用一种或几种过滤介质，在一定的压力下使浊度较高的水通过一定厚度的粒状或非粒材料，从而有效除去悬浮杂质使水澄清的装置，常用的滤料有石英砂，无烟煤，锰砂等。本实施例的多介质过滤器可以采用现有的石英砂过滤器，石英砂过滤器具有过滤速度快、处理流量大、截污容量大等优点。

精密过滤器的筒体外壳一般采用不锈钢材质制造，内部采用PP熔喷、线烧、折叠、钛滤芯、活性炭滤芯等管状滤芯作为过滤元件，精密过滤器的过滤精度高，滤芯孔径均匀，过滤阻力小，通量大、截污能力强，滤芯材料洁净度高，对过滤介质无污染。

该可选方案中，预处理装置107采用多介质过滤器与精密过滤器的组合，能够有效去除原海水中的泥砂、悬浮物、胶体等杂质和藻类等生物，降低对反渗透膜元件的机械损伤及污染，并且能够保证产水的水质达标。

在本实施例的另一可选方案中，预处理装置107为中空纤维超滤装置。预处理装置107采用现有的中空纤维超滤装置，能够去除原海水中的菌体、胶体、颗粒物等杂质，为反渗透膜组108提供符合进水水质要求的水源。

本实施例提供的海水淡化系统，还包括紫外杀菌设备110，紫外杀菌设备110的入口与反渗透膜组108的产水出口相连通。

本实施例采用的紫外杀菌设备110为现有的紫外杀菌设备，通过设置紫外杀菌设备110，能够对从反渗透膜组108的产水出口流出的淡水进行杀菌处理，保证淡水的质量。

本实施例提供的水压轴向柱塞泵101的进水口设置有进水流量计111，反渗透膜组108的产水出口设置有出水流量计112；进水流量计111与出水流量计112分别与控制装置109电连接。

在外部能源输入发生波动时，调节双轴伸电机104的转速，同时，适应性地调节水压轴向柱塞泵101的排量，改变系统的回收率，使反渗透膜组108在安全并且优化的回收率下运行。通过设置进水流量计111和出水流量计112，可以根据进水流量计111和出水流量计112所测得的流量，计算出系统的回收率，根据计算得到的回收率，进一步调节水压轴向柱塞泵101的排量，直到回收率满足系统要求为止。

本实施例提供的能量回收装置102的低压浓水出口设置有能量回收流量计113，能量回收流量计113与控制装置109电连接。通过设置能量回收流量计113，可以得到低压浓水的流量，进而可以计算出反渗透膜组108的浓水出口的高压浓水的流量，从而能够进一步对水压轴向柱塞泵101的排量进行适应性调节，以保证反渗透膜组108在安全并且优化的回收率下运行。

本实施例提供的反渗透膜组108的进水口、反渗透膜组108的浓水出口与能量回收装置102的低压浓水出口均设置有压力表114；压力表114分别与控制装置109电连接。

通过设置压力表114，能够得知反渗透膜组108的进水口的压力、反渗透膜组108的浓水出口的压力与能量回收装置102的低压浓水出口的压力，从而对系统压力进行实时监控和调节，保证系统能够持续高效地运行。

实施例三

本发明实施例三提供的一种海水淡化方法，是利用实施例二提供的海水淡化系统的海水淡化方法，包括以下步骤：

(1)原水水箱105中的原海水经过给水泵106进入预处理装置107，预处理装置107能够去除原海水中的胶体、悬浮物、细菌等杂质，预处理后的原海水经过水压轴向柱塞泵101进入反渗透膜组108；

(2)反渗透膜组108对原海水进行脱盐处理，紫外杀菌设备110对从反渗透膜组108的产水出口流出的淡水进行杀菌处理；变负荷调节装置将从反渗透膜组的浓水出口流出的高压浓水的水力能传递给原海水，同时排放低压浓水；

(3)变负荷调节装置调节反渗透膜组108所需的压力及回收率。

本实施例提供的海水淡化方法，在系统运行过程中，控制装置109根据外部能源输入情况，向变频器103输出频率指令，变频器103依指令调节双轴伸电机104的转速，从而同时调节水压轴向柱塞泵101和能量回收装置102的转速；同时，控制装置109向水压轴向柱塞泵101输出排量指令，从而调节水压轴向柱塞泵101的排量。

当外部能源输入低于水压轴向柱塞泵101的运行功率时，控制装置109通过变频器103降低双轴伸电机104的转速，使水压轴向柱塞泵101的转速和能量回收装置102的转速同时降低，并且通过减小能量回收装置102的排量或增加水压轴向柱塞泵101的排量，提高系统的回收率，以提升系统的压力和产水量；

当外部能源输入高于水压轴向柱塞泵101的运行功率时，控制装置109通过变频器103提高双轴伸电机104的转速，使水压轴向柱塞泵101的转速和能量回收装置102的转速同时提高，并且通过增加能量回收装置102的排量或减小水压轴向柱塞泵101的排量，降低系统的回收率，以降低系统的压力和产水量。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。