研究推荐 | 反渗透海水淡化能量回收装置的研究现状及展望

研究背景

我国是联合国认定的全球13个人均淡水资源最贫乏的国家之一，人均淡水资源量仅为世界平均值的1/4。随着城市化和现代化进程的不断推进，淡水资源短缺已成为制约国民经济建设和社会发展的重要因素。采用市场化程度较高的海水淡化技术实现水资源的开源增量，是缓解我国水资源危机的关键举措。“《中国制造2025》重点领域技术路线图”和《关于发展海洋经济-加快建设海洋强国工作情况的报告》已明确提出将海水淡化产业融入国家重大战略，形成一批具有国际竞争力的优势产品。反渗透海水淡化（Seawater Reverse Osmosis Desalination，SWRO）技术利用电能驱动高压泵从海水中分离出淡水，整个过程不发生相变、工艺简单、结构紧凑、比能耗低，已成为世界上应用最广泛、最有竞争力的海水淡化手段。作为SWRO系统的核心元件之一，能量回收装置的作用是回收未透过反渗透膜组件的高压盐水用于做功，进而大幅度降低系统的产水能耗和投资成本。据统计，安装有能量回收装置的SWRO系统最大可降低约60%的能耗。本研究介绍了反渗透海水淡化能量回收装置的分类和工作原理，并重点综述了国内外的研究成果和进展，最后结合国内外研究现状分析总结了我国反渗透海水淡化能量回收装置的发展方向。

研究成果

能量回收装置对于反渗透海水淡化工程意义非凡，美国、德国、丹麦和瑞士等国家在20世纪70年代便着手研究，并开发出众多商业化产品。中国虽然在这方面起步较晚，自90年代才逐步开展该领域的研究工作，但也取得了一系列可观的成就。本研究将反渗透海水淡化能量回收装置分为液力透平式、正位移式和泵-马达式3种类型，并从工作原理、结构特征和应用场合等方面对国内外研究现状进行论述。

反渗透海水淡化能量回收装置主要经历了3个发展阶段，最早被应用的第一、二代能量回收装置均采用液力透平工作原理，经历“水压能-机械能-水压能”的两步能量转化过程，能量回收效率较低。第三代正位移式能量回收装置基于“功交换”原理，经过“水压能-水压能”的一步转换即可实现高压盐水和低压海水间的能量传递，能量回收效率可达90%以上，却存在过度依赖阀组和流体掺混等问题。泵-马达式能量回收装置将海水液压泵和马达集成于一体，是海水淡化系统中能量回收技术较为理想的解决方案，且能量只经过“水压能-机械能”的一步转换，对于减小反渗透海水淡化系统的体积、能耗和投资成本具有重要意义。各类能量回收装置运行原理如图1所示。

图1 各类能量回收装置运行原理图

第一代能量回收装置的代表性产品有美国Pump Ginard公司研发的Francis turbine（如图2a所示）和瑞士Calder AG公司设计的Pelton turbine。之后，为提高液力透平式能量回收装置的工作效率，以HTC（Hydraulic Turbocharge）（如图2b所示）和HPB（Hydrualic Pressure Booster）为代表的第二代能量回收装置逐渐进入市场并实现商品化开发。

图2 液力透平式能量回收装置

正位移式能量回收装置根据其核心部件结构型式的不同又可分为阀控式和旋转式。美国DesalCo Ltd公司研发的DWEER是阀控式能量回收装置的典型代表，此外还有德国KSB公司的SalTec DT系统、杭州水处理中心的水压阀控式能量回收装置HVCPX-1000、北京工业大学的FRV-ERD等等。旋转式能量回收装置中应用最多、规模最大的当属美国ERI公司设计生产的Pressure Exchanger，其中PX-300的单机处理量可达68 m³/h，能量回收效率高达97.2%。另外，国内天津大学、大连理工大学、浙江大学、北京工业大学等多家单位也研制出了多种旋转式能量回收装置样机，如图3所示。

图3 国内外正位移式能量回收装置

在小型化和集成化海水淡化系统技术需求的牵引下，泵-马达式能量回收装置成为了研究热点。此类装置最显著的特点就是无需增压泵、集成度高，适用于水处理工厂、海洋船舶、海上移动平台等场所的小型SWRO系统。主要有丹麦Danfoss公司开发的SWPE、德国KSB公司的SALINO Pressure Center等国外产品，以及天津海水淡化与综合利用研究所、浙江大学、燕山大学、西安交通大学等多家国内单位设计的结构方案和研制的试验样机，如图4所示。北京工业大学在国家自然科学基金项目的资助下，以降低泵马达式能量回收装置的能耗为牵引，正在开展无滑靴式反渗透海水淡化泵马达能量回收一体化单元的研究。

图4 国内外泵-马达式能量回收装置

课题的总结和展望

最早出现的液力透平式能量回收装置已逐渐淘汰，而目前占据市场主流地位的正位移式能量回收装置也存在技术缺陷。经过近四十年的发展，泵-马达式能量回收装置应运而生，其集成化设计和降低工作能耗将是未来的重要研究方向。

随着海洋资源的加速开发与利用，海水淡化工程、海上工程平台以及船舶、潜水器等工程和装备得到迅速发展，反渗透海水淡化能量回收技术在该领域拥有大量需求和广阔的应用前景。加强海水淡化能量回收装置的基础研究并突破相关技术瓶颈，实现我国反渗透海水淡化技术的快速发展，是缓解我国淡水资源匮乏的战略选择，对于促进我国经济社会可持续发展具有重要的现实价值和战略意义。

研究团队

北京工业大学新型流体传动与控制研究中心，于2009年在聂松林教授的带领下成立，现有教授1人，副教授/副研究员3人，讲师2人，博士后2人，在读博士4人，在读硕士17人。北京工业大学新型流体传动与控制研究中心是北京工业大学机械工程与应用电子学院重要组成部分。团队主要研究纯水液压元件及系统的基础理论、反渗透海水淡化能量回收技术、高级氧化水处理技术、电液伺服控制、液压系统污染控制、水下智能机电液装备等。中心注重产-学-研-用，在科技部、国家基金委及“211工程”项目等的资助下，建成水液压传动综合研发平台，先后与海军装备研究院、中船重工集团、航天科技集团、航天科工集团、北京卫星制造厂、中国海洋大学等单位建立了长期紧密的合作关系，已成为机械电子工程北京市重点建设学科的核心团队和服务北京优秀团队。近五年来，中心先后承担国家863计划项目3项、国家重大专项课题1项、国家自然科学基金12项（9项面上，3项青年）、国防科技攻关项目4项、其他省部级及企业横向协作项目多项，科研经费总计逾3000万元；在国内外重要学术刊物上发表学术论文230余篇（其中SCI收录或源刊发表90余篇，EI收录或源刊发表30余篇，ISTP收录10余篇）。

团队负责人

聂松林，工学博士/博士后，北京工业大学教授，博士生导师，新型流体传动与控制研究中心主任。一直从事水压传动及其基础技术研究、电液控制工程等研究工作。

2007年入选“教育部新世纪优秀人才计划”，2009年入选北京市特聘教授，2010年入选“新世纪百千万人才工程（北京）市级人选”，2012年入选北京市长城学者。

中国机械工程学会高级会员，中国机械工程学会流体传动与控制分会委员、液压专业委员。

目前担任国家自然科学基金面上/重点项目、国家重点研发计划、国家973计划、国家863计划海洋领域以及科技部其他领域重大专项等的会评和函评专家。近年来，主持国家自然科学基金（面上项目）7项、国家863计划（含军口）项目3项、国家科技重大专项专题项目1项、总装及海装预研项目2项、国防科技攻关项目5项以及其他省部级项目多项，其中参加的“九五”国防科技攻关项目“海水液压动力系统”，经国防科工委和教育部组织鉴定为“国内首创，达到国际先进水平”，并获得2004年度国防科技进步二等奖。在国内外重要学术刊物上发表或接受学术论文150余篇（其中SCI收录80余篇，EI收录30余篇），发明专利授权50余项，实用新型20余项。2005年8月，作为副主编，编写普通高等教育“十五”国家级规划教材《液压元件与系统》。

部分主要团队成员

尹方龙，工学博士/博士后，副研究员，硕士生导师。主要研究方向：水液压元件及系统的基础理论，反渗透海水淡化能量回收技术，智能机电液一体化装备。

中国机械工程学会高级会员，中国机械工程学会流体传动与控制分会青年工作委员，中国海洋学会海洋技术装备专业委员，国家自然科学基金通讯评议专家。

《液压与气动》期刊第一届青年编委，Ocean Engineering、Ceramics International、Tribology Letters、Surface Topography: Metrology and Properties、英国机械工程师学会期刊IMechE等国际期刊评阅人，《北京航空航天大学学报》、《机电工程》、《液压与气动》（2018-2020年优秀审稿人）等学术期刊审稿专家。

主持国家自然科学基金（面上和青年项目各1项）、中国博士后科学基金、北京市自然科学基金、北京市教委科技计划项目和国防科研项目多项，作为项目骨干参与并完成了国家863计划项目、国家自然科学基金、海装预研项目、国防科技攻关项目等多项纵向课题以及多项横向课题的研究。

以第一/通讯作者发表学术论文20余篇，其中SCI检索13篇（含TOP期刊论文4篇），EI检索5篇，获得国家发明专利10余项，实用新型专利5项，软件著作权4项。获得2020年度中国机械工程学会优秀论文奖，《液压与气动》杂志第一届优秀论文二等奖。中国机械行业卓越工程师教育联盟第三届“恒星杯”毕业设计大赛优秀指导教师。

纪辉，女，工学博士/博士后，副教授，硕士生导师。主要围绕水液压传动技术、SED协同自激振荡空化有机污水处理技术、液压系统污染控制不确定性优化理论等开展相关研究。中国机械工程学会高级会员，中国机械工程学会流体传动与控制分会青年工作委员，国家自然科学基金通讯评议专家，《机电工程》、Smart Materials and Structures、Journal of Aerospace Engineering、Journal of Intelligent Material Systems and Structures等期刊审稿人。近年来先后主持了国家自然科学基金、国家重点研发计划军口项目、北京市自然科学基金、北京市教委科技计划项目、中国博士后科学基金、北京市博士后基金及多项军工项目。目前在国内外重要学术期刊发表论文30余篇，申请国家发明专利10余项。

马仲海，男，工学博士/博士后，讲师，硕士生导师。2015年、2019年分别获北京航空航天大学工学学士、工学博士学位（导师：王少萍教授）。主要围绕机电系统健康管理，液压元件可靠性试验以及智能装备伺服控制开展相关研究。中国机械工程学会高级会员。目前主持国家自然科学基金、北京市博士后基金、北京市教委科技计划项目各一项，以第一作者身份发表论文10篇，其中SCI检索5篇。授权发明专利3项。