一种水锤泵增压的潮汐聚能反渗透海水淡化系统和方法与流程

本发明涉及一种水锤泵增压的潮汐聚能反渗透海水淡化系统和方法，是一种利用水锤泵将潮汐能聚集、增压，进行低压反渗透海水淡化的系统和方法，是一种无需燃料和电能的绿色环保海水淡化系统和方法。

背景技术：

早期的传统海水淡化技术，通常使用蒸馏法，使用太阳能、化石能源或电能分离海水中的水和盐分。尽管太阳能蒸馏法十分环保，但效率过低，无法进行工业化生产。而使用化石能源或电能所消耗的能量十分巨大，不但加剧了能源危机，碳排放也增加了全球环境的承载力。海水淡化的反渗透技术改变了传统的海水淡化能源消耗巨大的问题，使能源消耗大幅度降低，但反渗透所需要的压力还是来自于电能，最终还是部分来自于化石能源，对环境还有一定的影响。解决这一问题的根本途径之一是利用现有的储量巨大的海洋清洁能源，如波浪能、潮汐能等，为海水淡化提供驱动水盐分离的源动力。现有的为反渗透海水淡化提供驱动力的方式主要还是通过波能发电或潮汐发电的形式。这种形式通过能量转换，效率受到影响，其系统相对复杂，容易出现故障，影响海水淡化的稳定输出。

技术实现要素：

为了克服现有技术存在的问题，本发明提出了一种水锤泵增压的潮汐聚能反渗透海水淡化系统和方法。所述的系统和方法利用潮汐的低水头直接驱动不用油、不用电的水锤泵，利用水锤泵所产生的高压为反渗透提供驱动水盐分离的源动力，实现清洁环保的海水淡化。

本发明的目的是这样实现的：一种水锤泵增压的潮汐聚能反渗透海水淡化系统，包括：收集潮汐的上库，所述上库通过安装有控制阀的管路与安装在尾水箱中的至少一台水锤泵的动力水管连接，所述的水锤泵的出水管与低压反渗透海水淡化器连接，所述的尾水箱的侧墙靠近底部的位置设置向外海开启的止回阀。

进一步的，所述的上库的迎潮面向内倾斜0-30度。

进一步的，所述的上库至少有一面与潮水接触的侧墙，所述与潮水接触的侧墙上沿竖直方向设置至少两个向库内开启的止回阀。

进一步的，所述的上库的顶部高程高于高潮位0.5米，底部高程为低潮位。

进一步的，所述的连接上库与水锤泵动力水管的管路为与水锤泵个数相同的直管，所述的控制阀设置在各个直管上。

进一步的，所述的连接上库与水锤泵动力水管的管路为一根带有与水锤泵个数相同分支的分支管，所述的控制阀设置在各个分支上。

进一步的，所述的尾水箱的顶部高程高于高潮位0.5m，底部高程低于最低潮位0.5~1.0m。

进一步的，所述的水锤泵的泄水阀在尾水箱的最低水面以下0.2m。

进一步的，所述的低压反渗透海水淡化器的尾水管与尾水箱连接。

一种使用上述系统的水锤泵增压的潮汐聚能反渗透海水淡化方法，所述方法的步骤如下：

收集潮汐能量的步骤：在涨潮过程中，使海水进入上库，聚集为具有位能的水体，尾水箱的止回阀关闭，阻止海水进入尾水箱，使上库和尾水箱维持较大的水位差；

增压的步骤：利用上库中水体的位能通过水锤泵产生带有压力的水体，水锤泵产生的尾水排出在尾水箱中；

海水淡化的步骤：利用带有压力的水体，通过海水淡化器进行增压海水淡化；

排出尾水的步骤：在落潮过程中，尾水箱的止回阀开启，将尾水箱中的水排入大海。

本发明产生的有益效果是：本发明利用水锤泵这种高效率、宽工作域、适应性强的自动泵水设备，产生1.5~2.0mpa的高压水，进行低压反渗透海水淡化。利用水锤泵将潮汐所具有的不稳定低落差水能转化为稳态高压水能，作为低压反渗透海水淡化技术的源动力。本发明直接将潮汐的低水头能量转化为海水淡化的能量，减少了能量转换环节，提高了能量转换效率。水锤泵是一种成熟的抽水装置，制造简单、使用可靠，制造和使用维护成本很低。本发明不使用化石燃料和其他二次能源，是一种清洁环保的海水淡化技术。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明的实施例一所述系统的结构立面图；

图2是本发明的实施例一所述系统的结构平面图；

图3是本发明的实施例二所述的倾斜侧墙的上库示意图；

图4是本发明的实施例三所述的安装有两个止回阀的侧墙的上库示意图；

图5是本发明实施例六所述的分支管的结构示意图。

具体实施方式

实施例一：

本实施例是一种水锤泵增压的潮汐聚能反渗透海水淡化系统，如图1、2所示。本实施例包括：收集潮汐的上库1，所述上库通过安装有控制阀2的管路3与安装在尾水箱4中的至少一台水锤泵5的动力水管501连接，所述的水锤泵的出水管502与低压反渗透海水淡化器6连接，所述的尾水箱的侧墙靠近底部的位置设置向外海开启的止回阀401。

所述的上库是一个顶部开口的水池，水平截面形状可以是圆形、矩形或其他形状，如设计初期水平截面尺寸为15m×15m的正方形水池。上库的上口水平高度根据最高潮位（图1中a所示）确定，如果在水池的侧壁上设置带有止回阀的取水口，则水池的上口一般需高于高潮位0.5m，如果侧壁上没有取水口，而是利用水池的上口取水，则上口的水平高度应略低于高潮位。上库的底高程为低潮位，图1中b所示。

上库侧壁的迎浪面，即面向潮水的一面为便于潮水爬升，可以设计为倾斜面，如果侧壁上安装了止回阀，则侧壁应当是竖直的。

上库的侧壁上设置带有止回阀的取水口可以是一个，也可以是多个带有止回阀的取水口，各个取水口沿竖直方向，间隔0.5~1.0m排列，以对应不同的潮位高度。

止回阀可以采用旋启式，向水箱内方向旋转开启，如图1所示。当外海潮位高于上库水位时，两侧的压差推动止回阀开启，水由外海进入上库；当外海潮位低于上库水位时，止回阀处于关闭状态，海水保留在上库内。因此，无论外海潮位如何变化，上库只允许水进入，不容许水流出，其水位也就维持在每个涨潮期的最高潮位或略低于最高潮位，这样，就实现高潮位时的聚能目的。

动力水管是连接上库和水锤泵的钢质或铁质管道，它的长度为最大潮差的6~12倍。需要注意的是，动力水管不能采用pe、pvc等其他材质的管道。在动力水管的进口侧，需要安装控制阀，以控制水锤泵的启动和停止。控制阀可以采用采用蝶阀或球阀。

当设置多台水锤泵时，上库与水锤泵连接的管路可以设置一条，也可以设置多条。设置一条管路使，可以使用分支管将一条管路分为多条管路与各个水锤泵的动力水管连接。设置多条管路时，将多条管路直接与上库连接。

水锤泵是安装在尾水箱内的，可安装多台水锤泵，如安装2台相同的水锤泵，1用1备。水锤泵在上库和尾水箱水位差在0.5~10m的范围内时，均能正常工作，具有较宽的工作域。在出口处可产生并维持稳定的1.5~2.0mpa高压，用于低压反渗透海水淡化。

尾水箱也是一个顶部开口的水箱或水池。水箱的水平截面形状可以是圆形、矩形等，如采用水平截面形状为15m长，15m宽的正方形水池。

尾水箱的顶高程需高于最高潮位0.5m，尾水箱的底高程低于最低潮位0.5~1.0m，其衡量的标准是需保证水锤泵安装后，泄水阀在水面以下0.2m。尾水箱的排水口安装在一面侧墙上，排水口设置止回阀，向外海方向开启。当外海潮位高于尾水箱的水位时，止回阀在外海水压力的作用下处于关闭状态，水不能进入尾水箱；当外海潮位较低，接近低潮位时，止回阀开启，水由尾水箱进入海域。尾水箱止回阀的配置，保证了该水箱的水，只能流出，不能流入，这样尾水箱的水位，也就是水锤泵泄水阀上侧的水压力，基本保持低潮位。

通过上库和尾水箱的止回阀的控制，使上库与尾水箱形成水位差，这个水位差就是驱动水锤泵运行的微水能，这个水位差始终接近高潮位和低潮位的潮差。例如：水锤泵可以采用dn100水锤泵，该型水锤泵的需水量约200m³/d，设计的上库平面面积为225m²；在约12h的涨落潮周期中，聚能水箱的水位降低的幅度不超过0.5m。而尾水箱的水位基本保持低潮位。

每台水锤泵配置一条出水管，并安装控制阀门，阀门可选择球阀或蝶阀。多台水锤泵可以使用汇水管，将多个水锤泵的出水管合并为一条主干管，并配置控制阀门。出水管的水，就是水锤泵增压后的高压水，其压力能够达到1.5~2.0mpa，甚至更高。这个压力已经满足低压反渗透海水淡化的要求了。

出水管的水，由低压反渗透海水淡化装置进行淡化，获得生产需要的淡水资源。而尾水则通过尾水管进入尾水箱，最终回到外海。

低压反渗透海水淡化装置排出的尾水可以直接排入尾水箱中，也可以排入专门的水池中。在一些情况下，尾水箱的形体大小受到现场地形的限制，不能设计得足够大，不足以收纳水锤泵和低压反渗透海水淡化装置同时排出的尾水，就要另设尾水池，以保障尾水箱中保障水锤泵正常工作的水位差。

低压反渗透海水淡化器是一种成熟的还是淡化设施，需要有一定压力的海水才能进行海水淡化过程。传统的增加方式则采用电力或燃油发动机带动水泵产生压力。本实施例使用的水锤泵提供了反渗透所需要的海水压力，实现的不用油、不用电，利用潮汐进行海水淡化。

实施例二：

本实施例是实施例一的改进，是实施例一关于上库的细化。本实施例所述的上库的迎潮面101向内倾斜0~30度，如图3所示。

如果海域的潮位随季节的波动较小，上库无需采用止回阀，其结构为一个固定水箱。靠近海洋侧边墙的高度略低于正常潮位，涨潮时水就可以进入上库，落潮时，不会流出上库，实现了蓄能的目的；边墙的倾斜的角度θ可以是0~30°，见图3，过大会增加上库的土方工程量。

实施例三：

本实施例是实施例一的改进，是实施例一关于上库的细化。本实施例所述的上库至少有一面与潮水接触的侧墙，所述与潮水接触的侧墙上沿竖直方向设置至少两个向库内开启的止回阀，如图4所示。

图4中的上库设置从上到下设置了两个止回阀102、103，当潮水更高时可以设置更多的止回阀。

实施例四：

本实施例是实施例三的改进，是实施例三关于上库的细化。本实施例所述的上库的顶部高程高于高潮位0.5米，底部高程为低潮位。

由于上库的侧墙上安装止回阀，上库的侧墙可以高于高潮位，使上库中的水位相对稳定，减小波浪。

实施例五：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于管路的细化。本实施例所述的连接上库与水锤泵动力水管的管路为与水锤泵个数相同的直管，所述的控制阀设置在各个直管上，如图2所示。

图2中显示两个水锤泵，上库连接了两根管路分别与两个水锤泵的动力水管连接。

实施例六：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于管路的细化。本实施例所述的连接上库与水锤泵动力水管的管路为一根带有与水锤泵个数相同分支的分支管301，所述的控制阀设置在各个分支上，如图5所示。

图5是两个水锤泵共用1管路的布置。在靠近水锤泵位置处，利用三通管将管路连接的动力水管分为两个支管，每个支管上安装一个控制阀，后面连接水锤泵。该布置形式可以减少动力水管的使用量。

实施例七：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于尾水箱的细化。本实施例所述的尾水箱的顶部高程高于高潮位0.5m，底部高程低于最低潮位0.5~1.0m。

尾水箱的顶部高程高于高潮位是避免潮水进入尾水箱，尾水箱的底部低于低潮位是为了水锤泵的泄水阀低于低潮位，以提高水锤泵的效率。

实施例八：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于尾水箱的细化。本实施例所述的水锤泵的泄水阀在尾水箱的最低水面以下0.2m。

为使水锤泵高效运行，可以使用水锤泵的泄水阀与尾水箱中的水面平齐，但不能过低，太低则增加土木工程造价。

实施例九：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于尾水箱的细化。本实施例所述的低压反渗透海水淡化器的尾水管701与尾水箱连接，如图1、2所示。

海水淡化的部分水体，作为尾水排出，可以直接排入大海，但在涨潮的情况下，尾水无法排出，因此，可以将尾水排入尾水箱中。

实施例十：

本实施例是一种使用上述实施例所述系统的水锤泵增压的潮汐聚能反渗透海水淡化方法。本实施例所述方法的主要思路是：使用水锤泵为反渗透海水淡化加压，进行海水淡化。所述方法不用油、不用电，是一种清洁环保的海水淡化技术，利用水锤泵将潮汐所具有的不稳定低落差水能转化为稳态高压水能，作为低压反渗透海水淡化技术的源动力。所述方法集成了上库和尾水箱的水位落差自控功能和水锤泵宽工作域高效增压功能，耦合了一级能量捕捉和一级能量转换设备，没有经过电能或热能的二级能量转化，是一种潮汐能直驱式海水淡化技术。从能量利用效率和经济性角度考虑，这种没有二级能量转化的海水淡化技术的能量利用效率更高，制造成本低。

所述方法的步骤如下：

收集潮汐能量的步骤：在涨潮过程中，使海水进入上库，聚集为具有位能的水体，尾水箱的止回阀关闭，阻止海水进入尾水箱，使上库和尾水箱维持较大的水位差。

增压的步骤：利用上库中水体的位能通过水锤泵产生带有压力的水体，水锤泵产生的尾水排出在尾水箱中。

海水淡化的步骤：利用带有压力的水体，通过海水淡化器进行增压海水淡化。

排出尾水的步骤：在落潮过程中，尾水箱的止回阀开启，将尾水箱中的水排入大海。

最后应说明的是，以上仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳布置方案对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案（比如上库的形式、水锤泵的形式等）进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。