内燃机直驱反渗透装置的工艺优势及工业设计应用

潘春佑,李 露,薛喜东,冯 涛,潘莫霖,李 炎

(自然资源部 天津海水淡化与综合利用研究所,天津 300192)

随着我国经济以及国民生产力的大幅提高,国家开始提倡高效与节能。正如当下盛行的新能源汽车,既可以将产能过剩的“电”通过蓄电存储的方式将电能保存下来减少浪费,又可以减少石油消耗,实现资源的高效利用[1-6]。

1 柴油驱动应急海水淡化装置不同工艺能量模拟及优化分析

柴油驱动应急海水淡化装置具有灵活、高适应性、便于维修组装等特点,经常应用在岛屿或偏远地区的前期开发,其常见的工艺见图1。为简化说明,泵指反渗透海水淡化的高压泵,不包括其他辅助水泵。将柴油发电机、泵、膜组件的能量转化拆分出如下步骤:

图1 传统工艺能量传递流程

(1)柴油的化学能转化为机械能W。

(2)机械能转化为电能,常规能量转化率设为η1(η1<1)。

(3)电能再通过泵的电机转化为机械能,常规能量转化率设为η2(η2<1)。

(4)泵供给RO系统的总能量设为W1,W1=W×η1×η2。

通过步骤分析,发现泵在工作时只需要机械能驱动,而泵之前的电能与机械能转化是该工艺中造成能量流失的原因。如果将电能与机械能转化的步骤省去,直接由柴油机产生的机械能供给泵,则可以避免η1和η2对泵能量衰减,简化工艺见图2。将图2的能量转化拆分出如下步骤:

图2 简化工艺的能量传递流程

(1)柴油的化学能转化为机械能W。

(2)机械能通过变速箱匹配给泵,常规能量转化率设为η3(η3<1)。

(3)泵供给RO系统的总能量设为W2,W2=W×η3。

由于同类能量在传递的过程中比异类能量转化率高(常规变速箱能量转换效率不低于85%),所以正常情况下的η3>η1且η3>η2。通过对比可发现,图2比图1工艺在泵供给RO系统的总能量上有优势:W3=W1×η3>W2=W1×η1×η2。

参照图2的工艺,其内燃发动机跟汽车发动机原理相似,都可以通过配置变速箱实现不同转速,以适应高压泵的工况。实现工艺上的融合突破。通常情况下柴油发电机的能效转换是较低的(低于50%),由于燃油燃烧后,会有大量热能被释放出来,其气体携带的热能总和比机械能更高,所以将内燃机废气所携带的热能再次利用将会大幅提升装置能效。见图3,将内燃发动机余热废气经过余热锅炉与蒸馏淡化系统,可再次增加淡水产出。

图3 内燃机废热蒸馏淡化工艺简图

2 柴油驱动应急海水淡化装置工艺展望

上述工艺分析及优化是站在能量的层面拓展的,在未来行业的发展中还可以针对各个环节的某个工作过程或设备的驱动电机进行技术革新,提高整体性能,并大胆尝试跨界技术及新产品的引入。比如传统的泵可以替换成稀土永磁电机驱动,因为这种电机具有低机械损耗的特点,类似于磁悬浮技术,大幅提高装置效能。当然这种装置在一些特定环境中,比如颠簸(船只)和高盐雾环境中,其性能的稳定性、使用寿命、耐腐蚀性等因素,都是有待革新的方向。

为实现上述工艺,拟将在新设计路线应用工业设计中的交互式设计。将内燃机发动机、发电机、反渗透淡化、蒸馏淡化在一个装置中融合,实现技术与技术的互补,提高整体装置的能效。经过计算验证了该工艺的合理性,已具备落地的条件。在此技术上,可以运用工业设计路线,展开新装置的设计工作。

3 柴油驱动应急海水淡化装置的工业设计技术应用

因上述拟定的设计工艺皆由燃料驱动,所以该海水淡化装置在理论上是可以实现车载、舰载动能连用。既可以提升装置的机动性,又可以同源工作,一机多能。这正是工业设计中融合创新思路的体现。

根据设计思路可进行设备选型并开展三维模型的建立。该装置主要设备包括:箱式载体、柴油机、原水泵、高压泵、RO膜组件、保安过滤、加药箱、原水罐、产水罐、热交换装置、蒸馏淡化装置、电器仪表、钢架、车架等。具体布置原则如下:

(1)将轻质元器件、电子仪表、人机操作台放在中上层,减少因湿潮、溅射、渗漏而故障,造成装置不能正常工作。

(2)将较重元器件安置在下层,增加装置的稳定性。

(3)将阀门开关类元件集中在人机互动界面。再根据使用频次、重要性、操作流程等因素合理排列,即方便操作又可以提升操作效率。

(4)因经常维修和调试,将发电机、加药箱等放置在装置的最外侧,可以实现便捷操作。

通过上述三维建模,充分考虑到管路走向、安装、维修、人机操作等因素,同时实现合理的模块划分及管路排列,辅助提升人机舒适性、安全性、高效性。

当三维模型建立完毕,在加工阶段可通过模拟光影、材质、色彩等渲染因素来提升装置的视觉冲击力。

4 结论

由于水质、温度、湿度、光照等不同环境因素和工况资源限制,海水淡化装置采用的工艺路线是有差异的。应急海水淡化装置经常应用在高湿度高盐雾环境下,因为电子元器件容易受到腐蚀而氧化脆化而导致效率下降或故障,电机驱动的装置需要更高的保护条件(主要依靠密封、防腐)。柴油发动机驱动海水淡化装置的工艺不仅因电气设备少而可靠性高,而且相对柴油发电机驱动海水淡化装置的工艺具有更高的效率,所以机车、舰艇联动时更加适合,具有广阔的推广前景。