[发明专利]具有能量回收和有关泵、阀和控制器的脱盐系统

说明书

技术领域

本发明是根据美国内政部垦务局授予的援助协议No. 1425-5-FC-81-20410在政府支持下完成的。

本公开大体涉及用于从加压流体回收能量的阀系统。

背景技术

世界上许多地区都没有充分的淡水供应，但它们能够获得海水，在其它过程之中，可使用反渗透来使海水脱盐。为了通过反渗透(RO)使海水脱盐，必须将给水加压到给水的渗透压力之上。给水在此过程期间成为浓缩物，并且其渗透压力提高。用于海水反渗透(SWRO)的典型给水压力在50-70巴的范围中。

假如给水压力高，则能量成本(典型地呈电消耗的形式)是SWRO设备的运行成本的最大部分。通过各种改进，SWRO产生的每单位水所使用的能量的量随着时间的推移降低。例如，高压多级涡轮泵变得更高效，达到大约70%的标称效率。功率回收涡轮现在用来回收离开RO模块的浓缩盐水流中的能量中的一些。已经优化了回收速率，以使预处理和泵送给水的成本(随着回收速率提高而降低)与产生脱盐水的成本(随着回收速率提高而提高)平衡。不管这些改进，能量成本仍然是脱盐水成本的显著部分。

能量消耗还干扰在RO薄膜技术中采用的进步。RO薄膜技术的进步包括能够在70巴以上运行且具有55%或更高的回收速率的薄膜元件。理论上，较高的回收速率将允许降低资金成本和减少未经加工的给水流。减少未经加工的给水流进而将产生预处理和给水泵送的节约，以及减小提取海水所引起的环境损坏。但是，如上面提到的，当给水被浓缩时，其渗透压力提高。随着回收速率提高，给水浓缩、渗透压力和能量消耗也增加。打破该循环的关键在于回收埋藏在离开RO模块的盐水中的更多能量。盐水的压力还随渗透压力提高。因此，高回收过程的盐水中埋藏着更多能量。如果可回收较大百分比的该埋藏能量，则能量消耗将直接下降，以及可能进一步下降，因为最佳回收速率提高。

不管随着时间的推移的逐步改进，基于涡轮的泵和能量回收装置在它们的能量效率上受到限制。使用基于涡轮的技术，因为它们是常见的，并且易于用来产生穿过SWRO设备的恒定流率和压力。采用不同的方法，Childs等人在名称为“integrated Pumping and/or Energy Recovery System(整体泵送和/或能量回收系统)”的美国专利No. 6，017，200中描述了基于活塞的泵送和能量回收系统。该系统使用由液压泵驱动的活塞来向RO薄膜模块提供加压给水。活塞的前面将给水驱动到RO模块。活塞的后面接收来自RO模块的盐水。作用在活塞的后面上的盐水的压力降低液压泵移动活塞所需的功率。

在Childs等人的系统中，“能量回收”阀容许盐水在前向冲程进入活塞的后面。额外的排出阀允许进入的盐水在后向冲程离开活塞。能量回收和排出阀由控制单元控制，该控制单元还运行液压泵。控制单元使阀的移动与活塞的移动同步。因为活塞往复，所以其必须加速和减速，并且因此内在地产生给水的不一致的流率和压力。但是，当使用一组活塞时，它们的输出可同步，以产生有波动但几乎恒定的联合输出压力。虽然经受各种实际困难，但Childs等人的系统具有高效地产生高压给水流的潜力。

发明内容

本公开描述一种用以提供加压流体流的阀系统。阀系统可用于泵送系统和过程，例如，为了向反渗透(RO)系统提供给水，以及从离开RO系统的盐水中回收能量。系统和过程具有用以使盐水返回到泵的一组基于活塞的泵、阀，以及用于运行泵和阀的电子控制器。系统和过程大体类似于上面描述的Childs等人的系统。

在美国专利No. 6,017,200中描述的能量回收和排出阀通过螺线管在开启和闭合状态之间移动，该螺线管进而由控制单元运行。在本文描述的设备中，使用阀，该阀响应于穿过它们的流率的变化。特别地，当穿过阀的流率减小时，阀朝闭合位置移动。