海水、苦鹽水淡化的研究與開發歷經將近50年的發展，先后形成了電滲析法、反滲透法以及蒸餾法脫鹽裝置．自20世紀70年代初以來，反滲透海水淡化技術因其投資低、建設周期短等優點，已逐漸成為海水淡化領域的主流技術．據國際脫鹽協會(IDA)統計，2015年—2016年，反滲透海水淡化技術的市場占有率已高達75%以上，占據絕對主導地位．然而，對于海水淡化，能耗是直接決定成本高低的關鍵，有效解決反滲透海水淡化裝置的能耗問題，也正是突破反滲透海水淡化技術發展的關鍵．
反滲透需要在5．0～8．0MPa的高壓下運行，而從膜組件中排放出的濃鹽水幾乎具有相同的壓力．因此，有效回收利用濃鹽水中的余壓能是降低反滲透海水淡化成本的關鍵技術之一．目前，已知有關余壓能回收裝置的主要應用方式為液力透平式和正位移式．其中，液力透平式主要采用軸封結構，摩擦阻力大，降低了能量轉換效率;而正位移式結構則容易造成流體間的混合．所以，有必要研究一種能量轉換效率高且能實現流體間零泄漏的余壓能回收裝置．

1余壓能磁力耦合泵裝置的研制
1．1裝置設計思路
在反滲透淡化系統用于海水淡化時，從膜組件中排放出來的鹽水壓力高達4．5～6．5MPa，如果這部分高壓鹽水通過減壓閥直接排放，按照40%的系統回收率計算，將有大約60%的余壓能被白白浪費掉［3］．因此，針對反滲透海水淡化過程中出現的大量余壓能被浪費的現象，裝置的設計思路如下所示:
1)利用管網中流體的富裕壓差，驅動軸流式葉輪帶動轉子轉動，將嵌有圓形陣列磁鐵的轉子動能轉化為磁場能;
2)耦合轉子感應轉子的磁場能，通過轉軸驅動泵輸送流體;
3)開發小型的余壓能磁力耦合泵，并進行原理性試驗測試．
1．2裝置結構及其工作原理
根據研制思路，新型余壓能磁力耦合泵裝置的工作原理及爆炸結構圖如圖1所示．為詳細說明裝置的工作原理，對軸流透平結構進行半剖，對離心泵結構去掉前蓋板進行顯示．
 
從圖1中可以看出，余壓能磁力耦合泵結構主要由離心高壓泵、軸流式透平和密封裝置三部分組成．其工作原理為:排放出的高壓鹽水從軸流透平進口流進，從軸流透平出口流出，驅動連接在轉軸上的軸流式葉輪轉動，進而帶動軸流透平轉子部件轉動，使得磁通量改變，磁場旋轉;離心泵轉子通過密封裝置，感應磁通量改變，進而轉動，轉動方向與磁場轉動方向相同，從而通過轉軸帶動離心泵葉輪做功，將給水從離心泵進口引入，通過離心泵出口提高到較高的壓頭，實現余壓能的回收利用．
若忽略余壓能磁力耦合泵裝置在運行過程中的壓力損失，該裝置應滿足以下兩個公式［4］:
Ph=Pf+Pc(1－Ｒ)(1)
式中:Ph為高壓原海水壓力，MPa;Pf為原海水壓力，MPa;Pc為高壓濃海水壓力，MPa;Ｒ為給水進口與排水進口口徑之比．
Qh=Qf=Qc/(1－Ｒ)(2)
式中:Qh為高壓原海水流量，(m/h);Qf為原海水流量，(m3/h);Q為高壓濃海水流量，(m3/h)．
1．3裝置特點及其關鍵技術
1)裝置功率輸出部件采用軸流透平，啟動轉矩小，易于啟動，能深層次回收管網中的流體余壓能;
2)裝置功率輸入部件采用離心式葉輪高壓泵，運輸效率高、性能可靠、流量均勻、易于調節，能夠高效抽送定量流體到較高的壓頭供海水淡化等工序［5］．
3)裝置功率轉化部件采用密封裝置，軸流透平的轉子部件與離心泵的轉子部件通過采用哈氏合金的密封裝置進行磁力耦合，不需要采用傳統的軸封結構，減小了摩擦阻力，提高了能量轉化效率，并確保了兩種流體間為靜密封，不相互混合，實現零泄露．
4)新型余壓能磁力耦合泵裝置吸收了液力透平式和正位移式兩種余壓能回收裝置的優點，并解決了軸封結構以及混流的問題．裝置直接由高壓鹽水驅動而無需附加能量，裝拆、檢修方便，能量傳遞效率高，規模效應明顯，適合在大流量下工作［6］．
5)裝置成本低，維護、維修方便，將其應用于反滲透膜海水淡化領域，可有效降低海水淡化成本．傳統反滲透膜海水淡化成本在4．16～5．59元/噸之間，其中電力成本所占比例為40%左右，其次是折舊和維護成本，均占22%［7］．在不考慮壓力損失的情況下，采用余壓能磁力耦合泵反滲透膜海水淡化可有效降低電力成本及維護成本，淡化成本約為1．8元/噸，可有效降低成本56%．

2余壓能磁力耦合泵系統的構建
2．1余壓能磁力耦合泵系統的設計
 
如圖2所示為應用了余壓能磁力耦合泵裝置的反滲透海水淡化工藝流程簡圖．該工藝系統主要包括水池、磁力耦合泵和半透膜海水淡化裝置三大部分．
工藝流程:濃海水池中的高壓鹽水流經磁力耦合泵裝置的軸流透平結構，使裝置成功回收余壓能．原海水池中的低壓原水經過沉淀、過濾后，一部分經增壓泵增壓到半透膜所需要的實際操作壓力;另一部分經余壓能磁力耦合泵裝置的離心葉輪高壓泵結構完成能量交換而成為高壓原水，兩部分高壓原水混合后輸出至半透膜海水淡化裝置．完成反滲透過程后，高壓濃鹽水流入濃海水池，產出的淡水則流入淡水池．綜上，即為一簡易的反滲透海水淡化工藝流程．余壓能磁力耦合泵系統的確定根據工藝流程，確定余壓能磁力耦合泵系統如圖3所示．余壓能磁力耦合泵系統由余壓能磁力耦合泵、排水進口和出口、給水進口和出口、排水調節閥門和給水調節閥門組成．根據能量守恒，當排水通過余壓能磁力耦合泵，驅動給水提升到較高壓頭后，即可實現余壓能的回收，從而進行反滲透海水淡化．
 
3裝置原理性試驗測試及驗證
3．1試驗測試目標
對已加工的軸流式透平進行原理性的試驗測試，主要測試軸流透平的余壓回收功率．如圖4所示為軸流透平的結構實物圖．
 
余壓能磁力耦合泵裝置的軸流透平結構主要由進口、出口，葉輪和三通部件組成．為了測試軸流透平的輸出功率，故增加了定子線圈，將軸流透平的輸出功率轉變為電流和電壓測試．通過試驗結果，可確定余壓能磁力耦合泵裝置是否能有效回收余壓能．
3.2試驗過程及結果
對軸流透平進行了模擬管路余壓狀態下的試驗測試，測試樣機主要由軸流透平、循環水箱，循環水泵和附屬管路組成，測試結果如圖5所示．
 
試驗測試主要為電壓測試、電流測試和驅動LED單元燈試驗測試．試驗過程中所用水泵的壓頭為22m，流量為30m3/h，模擬排水管路的余壓和流量．通過試驗結果可以看出，模擬狀態下，軸流透平成功驅動LED單元燈發光，其中，電壓測試為35．2V，功率為12．6W，實現了管路余壓能的回收．

4結論
1)本文通過分析現有反滲透海水淡化系統中
余壓能回收裝置存在的不足，設計了一種新型余壓能磁力耦合泵裝置．
2)余壓能磁力耦合泵裝置的功率輸出部件的軸流透平轉子與功率輸入部件的離心泵轉子通過采用哈氏合金的密封裝置進行磁力耦合，不需要采用軸封，減小了摩擦阻力，提高了能量轉化效率，并實現了零泄露．
3)余壓能磁力耦合泵裝置成本低，維護、維修方便，將其應用于反滲透膜海水淡化領域，海水淡化成本僅為1．8元/噸，相對于傳統反滲透膜海水淡化成本，可有效降低成本56%．
4)對余壓能磁力耦合泵裝置的功率輸出部件軸流透平進行了模擬管路余壓狀態下的試驗測試，模擬狀態軸流透平成功驅動LED單元燈發光，電壓測試為35．2V，功率為12．6W，實現余壓能回收．