海水、苦盐水淡化的研究与开发历经将近50年的发展，先后形成了电渗析法、反渗透法以及蒸馏法脱盐装置．自20世纪70年代初以来，反渗透海水淡化技术因其投资低、建设周期短等优点，已逐渐成为海水淡化领域的主流技术．据国际脱盐协会(IDA)统计，2015年—2016年，反渗透海水淡化技术的市场占有率已高达75%以上，占据绝对主导地位．然而，对于海水淡化，能耗是直接决定成本高低的关键，有效解决反渗透海水淡化装置的能耗问题，也正是突破反渗透海水淡化技术发展的关键．
反渗透需要在5．0～8．0MPa的高压下运行，而从膜组件中排放出的浓盐水几乎具有相同的压力．因此，有效回收利用浓盐水中的余压能是降低反渗透海水淡化成本的关键技术之一．目前，已知有关余压能回收装置的主要应用方式为液力透平式和正位移式．其中，液力透平式主要采用轴封结构，摩擦阻力大，降低了能量转换效率;而正位移式结构则容易造成流体间的混合．所以，有必要研究一种能量转换效率高且能实现流体间零泄漏的余压能回收装置．

1余压能磁力耦合泵装置的研制
1．1装置设计思路
在反渗透淡化系统用于海水淡化时，从膜组件中排放出来的盐水压力高达4．5～6．5MPa，如果这部分高压盐水通过减压阀直接排放，按照40%的系统回收率计算，将有大约60%的余压能被白白浪费掉［3］．因此，针对反渗透海水淡化过程中出现的大量余压能被浪费的现象，装置的设计思路如下所示:
1)利用管网中流体的富裕压差，驱动轴流式叶轮带动转子转动，将嵌有圆形阵列磁铁的转子动能转化为磁场能;
2)耦合转子感应转子的磁场能，通过转轴驱动泵输送流体;
3)开发小型的余压能磁力耦合泵，并进行原理性试验测试．
1．2装置结构及其工作原理
根据研制思路，新型余压能磁力耦合泵装置的工作原理及爆炸结构图如图1所示．为详细说明装置的工作原理，对轴流透平结构进行半剖，对离心泵结构去掉前盖板进行显示．
 
从图1中可以看出，余压能磁力耦合泵结构主要由离心高压泵、轴流式透平和密封装置三部分组成．其工作原理为:排放出的高压盐水从轴流透平进口流进，从轴流透平出口流出，驱动连接在转轴上的轴流式叶轮转动，进而带动轴流透平转子部件转动，使得磁通量改变，磁场旋转;离心泵转子通过密封装置，感应磁通量改变，进而转动，转动方向与磁场转动方向相同，从而通过转轴带动离心泵叶轮做功，将给水从离心泵进口引入，通过离心泵出口提高到较高的压头，实现余压能的回收利用．
若忽略余压能磁力耦合泵装置在运行过程中的压力损失，该装置应满足以下两个公式［4］:
Ph=Pf+Pc(1－Ｒ)(1)
式中:Ph为高压原海水压力，MPa;Pf为原海水压力，MPa;Pc为高压浓海水压力，MPa;Ｒ为给水进口与排水进口口径之比．
Qh=Qf=Qc/(1－Ｒ)(2)
式中:Qh为高压原海水流量，(m/h);Qf为原海水流量，(m3/h);Q为高压浓海水流量，(m3/h)．
1．3装置特点及其关键技术
1)装置功率输出部件采用轴流透平，启动转矩小，易于启动，能深层次回收管网中的流体余压能;
2)装置功率输入部件采用离心式叶轮高压泵，运输效率高、性能可靠、流量均匀、易于调节，能够高效抽送定量流体到较高的压头供海水淡化等工序［5］．
3)装置功率转化部件采用密封装置，轴流透平的转子部件与离心泵的转子部件通过采用哈氏合金的密封装置进行磁力耦合，不需要采用传统的轴封结构，减小了摩擦阻力，提高了能量转化效率，并确保了两种流体间为静密封，不相互混合，实现零泄露．
4)新型余压能磁力耦合泵装置吸收了液力透平式和正位移式两种余压能回收装置的优点，并解决了轴封结构以及混流的问题．装置直接由高压盐水驱动而无需附加能量，装拆、检修方便，能量传递效率高，规模效应明显，适合在大流量下工作［6］．
5)装置成本低，维护、维修方便，将其应用于反渗透膜海水淡化领域，可有效降低海水淡化成本．传统反渗透膜海水淡化成本在4．16～5．59元/吨之间，其中电力成本所占比例为40%左右，其次是折旧和维护成本，均占22%［7］．在不考虑压力损失的情况下，采用余压能磁力耦合泵反渗透膜海水淡化可有效降低电力成本及维护成本，淡化成本约为1．8元/吨，可有效降低成本56%．

2余压能磁力耦合泵系统的构建
2．1余压能磁力耦合泵系统的设计
 
如图2所示为应用了余压能磁力耦合泵装置的反渗透海水淡化工艺流程简图．该工艺系统主要包括水池、磁力耦合泵和半透膜海水淡化装置三大部分．
工艺流程:浓海水池中的高压盐水流经磁力耦合泵装置的轴流透平结构，使装置成功回收余压能．原海水池中的低压原水经过沉淀、过滤后，一部分经增压泵增压到半透膜所需要的实际操作压力;另一部分经余压能磁力耦合泵装置的离心叶轮高压泵结构完成能量交换而成为高压原水，两部分高压原水混合后输出至半透膜海水淡化装置．完成反渗透过程后，高压浓盐水流入浓海水池，产出的淡水则流入淡水池．综上，即为一简易的反渗透海水淡化工艺流程．余压能磁力耦合泵系统的确定根据工艺流程，确定余压能磁力耦合泵系统如图3所示．余压能磁力耦合泵系统由余压能磁力耦合泵、排水进口和出口、给水进口和出口、排水调节阀门和给水调节阀门组成．根据能量守恒，当排水通过余压能磁力耦合泵，驱动给水提升到较高压头后，即可实现余压能的回收，从而进行反渗透海水淡化．
 
3装置原理性试验测试及验证
3．1试验测试目标
对已加工的轴流式透平进行原理性的试验测试，主要测试轴流透平的余压回收功率．如图4所示为轴流透平的结构实物图．
 
余压能磁力耦合泵装置的轴流透平结构主要由进口、出口，叶轮和三通部件组成．为了测试轴流透平的输出功率，故增加了定子线圈，将轴流透平的输出功率转变为电流和电压测试．通过试验结果，可确定余压能磁力耦合泵装置是否能有效回收余压能．
3.2试验过程及结果
对轴流透平进行了模拟管路余压状态下的试验测试，测试样机主要由轴流透平、循环水箱，循环水泵和附属管路组成，测试结果如图5所示．
 
试验测试主要为电压测试、电流测试和驱动LED单元灯试验测试．试验过程中所用水泵的压头为22m，流量为30m3/h，模拟排水管路的余压和流量．通过试验结果可以看出，模拟状态下，轴流透平成功驱动LED单元灯发光，其中，电压测试为35．2V，功率为12．6W，实现了管路余压能的回收．

4结论
1)本文通过分析现有反渗透海水淡化系统中
余压能回收装置存在的不足，设计了一种新型余压能磁力耦合泵装置．
2)余压能磁力耦合泵装置的功率输出部件的轴流透平转子与功率输入部件的离心泵转子通过采用哈氏合金的密封装置进行磁力耦合，不需要采用轴封，减小了摩擦阻力，提高了能量转化效率，并实现了零泄露．
3)余压能磁力耦合泵装置成本低，维护、维修方便，将其应用于反渗透膜海水淡化领域，海水淡化成本仅为1．8元/吨，相对于传统反渗透膜海水淡化成本，可有效降低成本56%．
4)对余压能磁力耦合泵装置的功率输出部件轴流透平进行了模拟管路余压状态下的试验测试，模拟状态轴流透平成功驱动LED单元灯发光，电压测试为35．2V，功率为12．6W，实现余压能回收．

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