能量回收装置是反渗透海水淡化系统的关键装置之一，对大幅降低系统运行能耗和淡化系统建设成本至关重要。我国已建成投产或正在兴建的反渗透海水淡化工程绝大部分都采用从国外进口的能量回收装置，价格十分昂贵，约占工程总投资的10～15%。反渗透海水淡化能量回收成套技术及工程化应用研究,是我国目前发展反渗透海水淡化产业迫切需要攻克的难题之一，开发出具有自主知识产权的国产能量回收装置，逐步打破国外产品的垄断，形成完整的反渗透海水淡化产业链，已成为我国反渗透海水淡化产业发展的关键。

图1 海水淡化流程图

   随着反渗透技术开始用于海水/苦咸水淡化，各种形式的能量回收装置也相继出现，目前反渗透海水淡化工程中应用的能量回收装置主要为转子式压力交换和活塞式阀控压力交换两类，其有效能量转换效率可高达90%以上，进一步优化能量回收装置关键部件设计，开展集成设计及工程应用研究，制造出适用于千吨级反渗透海水淡化的工程样机被北京市科委确定为重大课题之一。北钢联对反渗透海水淡化能量回收技术研究多年，对关键技术的研究已有一定积累，所以被市科委列为重点合作企业。

图2 PX海水淡化能量回收应用工艺示意图

   为成功的研制能量回收成套设备，北钢联及相关专家对美国ERI的PX转子式、瑞士Calder.AG的DWEER功交换、德国KSB的SalTec DT等各类能量回收装置做了广泛调研，综合市场主要产品的技术优点，北钢联提出了采用双压力交换缸实现反渗透高压浓水与低压原水能量交换的工艺思路，并规划出将样机进行工程化应用的实现方案。

图3 DWEER能量回收应用工艺示意图

关键技术、实现路线 

1、工艺设计

   反渗透能量回收装置的三大核心技术点是：有效能量回收效率高、压力稳定、混合率低。

针对反渗透能量回收装置的应用要求，采用双压力交换缸实现反渗透高压浓水与低压原水的能量交换；采用实体活塞作为压力交换界面，降低浓海水与原海水之间的混合；采用线性往复换向阀结合单向阀组合实现双缸交替工作和排水；整机的流道设计采用Fluent CFD计算软件，实现压力损失最小、有效能量转换效率最高，使用ANSYS软件进行力学分析，完成工艺设计。 

2、关键部件的设计

①压力交换缸

   采用力学计算的方法，分析能量交换缸应力交替变化的情况，并计算、设计，试验采用玻璃钢缠绕纤维或采用玻璃钢缠绕纤维金属加强的方式替代金属材料制造能量交换缸缸壁的可行性，在保证装置安全运行的前提下，降低能量回收装置的制造成本。

②线性往复换向阀

   针对液线性往复换向阀的研究成果，采用流体模拟及应力分析的方法，对线性往复换向阀的流体流动情况、压力变化，以及阀芯、阀体受力情况进行分析，改进线性往复换向阀的机械设计、优化流道设计，保证换向动作的灵敏性和可靠性，保证压力交换缸工作平稳切换、系统稳定运行。

③密封设计

   采用盐雾加速腐蚀试验模拟动密封的使用环境以及使用非线性有限元分析方法进行仿真分析动密封的使用情况，优选动密封材料和密封方式，优化动密封设计，确保动密封系统的可靠性。

④防腐性能

   海水腐蚀性高，水流经过的各种设备材料均需有优异的防腐性能，广泛采用耐腐蚀非金属材料是解决防腐的一个重要途径；盐雾腐蚀主要是对设备的外观有极大的影响，可通过对设备的表面进行刷涂防腐材料保护，对设备连接处等容易腐蚀的部位采用灌注环氧树脂等耐腐蚀材料的办法使该部位与海水隔绝从而达到防腐效果。 

3、压力消减技术研究及设计

针对高压部分和低压部分压力波动的不同原因，对于高压部分采用优化线性往复换向阀的设计，并使用外置的蓄能器进一步对压力波动进行消减；对于低压部分，通过改进进水流道设计以及采用新型材料等方法实现压力波动的消减。

图4 双缸式能量回收示意图

4、自控系统设计

   使用机电一体化控制方案。利用PLC控制技术，针对反渗透系统启停机和故障报警响应等对能量回收装置的协调控制要求，编写控制程序，实现反渗透海水淡化系统自动运行控制，智能化程度高，无须人工干预，确保系统的稳定运行和能耗平衡。

5、性能模拟试验平台及工厂化性能检验

   为确保研制风险降到最低，北钢联团队搭建了能量回收性能试验平台，模拟能量回收装置真实使用环境，对能量回收装置进行工厂性能试验，对装置的整体性能、设备寿命、运动部件、密封泄漏等进行了测试，为工程化应用奠定基础。

6、工程化应用

   经过试验平台的测试，在不影响设备正常生产的前提下，进一步将反渗透海水淡化能量回收装置投入至千吨级海水淡化工程进行试生产。在实际应用中对能量回收装置的能量回收率、水压的波动范围、设备的密封情况以及设备的整体性能等参数进行了实战检验，确保了反渗透海水淡化能量回收装置的高效稳定。 

7、万吨级工程多级并联方案研发

作为我国首部独立研发的反渗透海水淡化能量回收装置，其外形以及连接部件均带有一定的试验性，可根据实际需要进行改进，更大程度上满足了现有反渗透海水淡化设备的升级改造，多级并联方案均具可行性，在万吨级项目的应用上更具有市场竞争力。多级并联的能量回收装置既可实现单机自动控制，还能整体协调运动，通过中控统一管理。

   目前我国的能量回收装置大多仍依赖于进口，已在国内形成垄断，因此，它们价格昂贵，供货周期长，维修更换所需的零配件也需从国外进口，严重制约我国海水淡化产业的发展。该装置的正式应用，标志着我国反渗透海水淡化装置关键部件的全部国产化，对推动我国反渗透海水淡化技术的进步，降低我国海水淡化工程建设的投资，提高我国海水淡化装备制造的能力具有重要意义。在未来，能量回收装置呈现出单机容量大型化的发展趋势，多套装置并联组合运行与控制也将是今后研究的重点，在能量回收装置中使用的低压膜分离技术（如工业反渗透、纳滤软化等）将得到广泛的推广应用，并有可能扩展到化工（如合成氨）等工业领域上。