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工业减压中高压流体能量回收的研究 由于技术和管理的原因，中国的工业能源利用率远低于发达国家。这不仅导致了能源浪费和环境恶化，而且间接增加了环境。节约能源符合可持续发展思想,早已成为国内相关领域研究的热点。 石油、化工许多生产工艺流程中,有许多工序的高压流体通过减压阀将其减压到所需的一定的低压,或者排放的废气流体仍具有较高的压力,在减压和排放的过程中,大量的流体机械能转化为热能散失在环境中。 美国菲利浦斯石油公司认为,几乎任何需要用调节阀或减压阀减压的工艺物料都可供能量回收之用。在合成氨工业中,铜氨液需由13 MPa节流减压至0.4 MPa,氨合成系统分离出来的液氨是从32 MPa靠减压阀将其降压至1.6 MPa;在尿素的生产过程中,尿素熔融液和氨基甲酸氨液,需由20 MPa节流减压至1.7 MPa,进行分离后循环;在聚乙烯的生产过程中,聚乙烯熔融液和乙烯气混合物需由280 MPa节流减压至0.4 MPa进行分离后循环;化肥厂脱碳流程中,从CO2吸收塔出来的碳酸丙烯酯富液,从1.65 MPa减压至0.5 MPa;反渗透海水淡化系统中,排放出的废弃浓盐水的压力为5.5～6.0 MPa。在相关领域国内外都已进行了长期的研究,已提出比较成熟的技术并开发了相应的产品投入市场。 本文中研究国内外现有的能量回收技术,并分析优缺点,展望该领域发展前景。 1 液力透平回收技术 压力能回收技术形式各有不同,从工作原理上分为液力透平和正位移两类。这两种压力能回收技术广泛应用在能量回收领域。 第一类为液力透平(hydraulic turbine),有时也称为离心技术(centrifugal technology)。液力透平为旋转式能量回收机,其结构与离心泵相似但作用与泵相反。液力透平能量回收过程是通过透平将高压流体的压力能转化为轴功,再利用轴功驱动泵使流过泵的低压流体增压,即“压力能→轴功→压力能”。 液力透平根据结构上设计的不同,又分为泵叶轮与透平一体的设计和分体的设计,即一体式设计和分体式设计。 第二类为正位移原理回收技术(positive displacement, PD)。 正位移原理直接利用高压流体增压低压流体,高低压流体只需一个自由活塞分隔,甚至可直接接触,利用结构上的设计避免高低压流体的掺混,这种设计可实现“压力能→压力能”的一次转换过程。 根据高低压流体分隔情况,主要分为三种,即活塞式、旋转直接接触式和阀控直接接触式。 1.1 液体层渗透性 液力透平是压力能回收领域最早研究开发的技术,设计成熟而且应用广泛,几乎所有压力能回收领域都有液力透平技术的应用。 1.1.1 旋转机械能转换叶轮 分体式设计的液力透平于70年代末期进入市场,能量回收效率较低,有反转泵型(REVERSE PUMP)、法兰西斯泵型(FRANCIS)、卡普兰型(KAPLAX)和佩尔顿型(PELTON)。 佩尔顿型是一种设计成熟的压力能回收设备。叶轮是唯一的旋转部件,工作安全可靠,而且其工作效率受高压流体的压力和流量的影响小。图1中可以看到,其叶轮形式复杂,机械加工难度较大,佩尔顿型将压力能转换为旋转机械能的效率高达80%～88%,但由于必须将旋转机械能转换回压力能,这导致实际转换效率为63%～76%。目前佩尔顿型国内有的厂家已经拥有了开发、生产高效叶轮的能力。 反转泵中叶片离心泵反转运行,故名,其结构简单,成本较低,设计成熟,但对流量要求比较严格,流量过大过小时,回收效率将大幅降低,甚至出现无回收情况。该技术目前仍有广泛的应用,但由于技术落后导致回收效率低下,将逐步被其他技术取代。国外开发的一种径向叶片涡轮液力透平(见图2)用于取代反转泵型,主要在叶轮上进行改进,在保证可靠性的情况下,提高了回收效率。 佩尔顿型和反转泵代表了分体式设计液力透平的基本原理和特点,由于在压力能回收过程中须经过两次能量转换,这直接导致能量的多余损失,使分体式设计的液力透平技术回收效率低下,特别是反转泵的回收效率仅为30%左右。其工作原理见图3。 1.1.2 膜法水处理技术与hpb技术的比较 一体式设计也可称为新型液力透平,80年代中后期应用逐渐广泛,泵叶轮与透平在一个壳体中以轴相连同步工作,装置设计紧凑,这一设计尽可能减少了中间传动轴的机械能损失。其特点是可以独立的工作,脱离了要与高压泵轴与电机轴连接的束缚,装拆容易且维修方便,而且对于压力和流量的波动适应性很好,其能量回收效率基本稳定在60%左右,但不适合在处理量低于10 m3/h的小流量下工作,故其小型化困难。 HPB与HTC都是一体式设计的液力透平。HTC(Hydraulic Turbocharger)专用于海水反渗透淡化系统,其构造简单且容易安装,HTC的设计值得注意的是提高了效率、耐腐蚀性和稳定性,售价与同类产品相比低30%。HTC