能量回收透平裝置的研究與應用

0透平技術的原理透平是能量回收機械，通過水流作為工作介質進行能量轉換。它基于水流和機器之間的相互作用而工作。透平的工作條件和所用介質不同，因而其結構型式多種多樣，但基本工作原理相似。透平按所用的流體介質不同可分為水輪機、汽輪機、燃氣透平和空氣透平等。其中水輪機是用來將石油、冶金以及海水淡化領域中產生廢高壓液體的液體能轉化為機械能進行回收的各國研究人員一直都在進行對透平的研究及改進的工作，并不斷針對該技術做出創新。當前，隨著我國經濟社會的快速發展和專利制度的逐步完善，廣大企業、科研院所及高校也逐步認識到保護專利權利的重要性，并且通過能量回收透平裝置的專利分析，將有助于更全面地了解關于能量回收透平裝置以及確定今后透平裝置的研究方向。1專利申請的分析下面以度衍專利檢索平臺的數據庫為基礎對透平裝置進行專利分析。在度衍專利檢索平臺的數據庫中，截止2020年5月25日，使用專利名稱“透平”進行檢索，就能夠較為精確地檢索出涉及能量回收透平裝置的專利文獻，檢索結果一共是1656篇專利申請，本文針對檢索出的專利申請進行分析，統計目前我國關于能量回收透平裝置專利的申請情況。1.1國內能量回收透平裝置研究現狀圖1為涉及能量回收透平的歷年專利申請量趨勢圖。由圖1可知，在1998年之前的申請量基本都在10件以下。從1998開始，伴隨著國內經濟、透平相關工業及市場的快速發展，國家對能量利用的重視程度不斷提升，可以看到，申請量是逐步上升的，并于2018年達到年申請量最多，為225件。由此看來，對于能量回收透平裝置的開發和研發仍然是目前的研究熱點。關于2020年申請量沒有增長反而下降，分析認為，這可能是與專利申請公開制度有關，由于2020年的專利申請有部分尚未公開，因此沒有被收錄到數據庫中所導致的。1.2技術主題分類分析依據2018版國際專利分類表1.3主要專利實施情況圖3列出了目前關于透平的專利申請量前10位的申請人，從柱狀圖可以看出，申請量最多的是西安交通大學，為64件，主要集中在2017-2019年，這段時間的申請量占申請總量的79.7%，且涉及的方面較多，其中西安交通大學謝永慧教授團隊申請了40件透平專利。在前10位申請人中，只有西門子公司一家外資企業，申請數量為58件，西門子在對透平進行專利申請年份較早，這說明，國外很早開始了對透平的研究，最早的專利申請是在1994年。數據表明，一方面，雖然我國對透平機械裝置研究起步較晚，但是近年來國內對透平機械的重視程度與日俱增，并且形成了以高校和科研院所為主的科研力量，以相關生產企業為主的研發力量；另一方面，也表明我國對于透平機械的技術創新的不斷加強。2液力/水力透平的專利分析在度衍專利檢索平臺的數據庫中，使用專利名稱/摘要/權利要求“液力透平OR水力透平”進行檢索，截止2020年5月25日，就能夠較為精確地檢索出涉及能量回收透平裝置的專利文獻，檢索結果一共是180篇專利申請，本文將對這180篇專利申請進行專利分析，展示目前我國關于液力/水力透平裝置的專利的申請情況。2.1主要出入產出情況圖4為涉及能量回收水力、液力透平的歷年專利申請量趨勢圖。從圖中可以看出，就不完全統計，在2008年前，申請水力、液力透平方面的相關專利數量很少，但從2010年開始，申請量逐年增加，2017年申請量達到59件。數據表明，在2017年申請的關于水力、液力透平的專利大多為企業申請，這表明，相關企業已經認識到液力透平的市場的快速需求及其能帶來的經濟效應，因而對水力、液力透平的研發力度不斷加大。2018年、2019年的申請量略有下降，但下降幅度較平穩，由于2020年的專利申請有部分尚未公開，因此目前檢索到的公開數量較少。2.2分類號的確定圖5為涉及能量回收透平裝置的技術主題分類號分布圖。由圖5可知，所申請的專利涉及到的分類號主要集中在F01、F03等，并且涉及到了B（作業；運輸）、C（化學；冶金）、E（固定建筑物）、G（物理）以及H（電學）部以下的分類，分類號比較分散，分類號的含義如表1所示，該技術主題涵蓋的內容比較廣泛。2.3主要企業和大學的請量圖6列出了目前關于液力、水力透平的專利申請量主要申請人，從柱狀圖可以看出，申請量最多的是江蘇大學，數量為17件。盡管涉及的企業和高校數量較多，但是申請量大多都在個位數，這表明，雖然我國對液力透平已經開始研究，但是研究力度還不夠。這也說明了我國在水力、液力透平領域的研究工作任重道遠，需要加大投入和研究力度。2.4江蘇大學和蘭州大學在水力/液力透平的專利研究本文著重對主要申請人進行專利分析，表2列出了合肥華升泵閥股份有限公司的專利申請表。合肥華升泵閥股份有限公司作為獨立申請人或合作申請人就水力/液力透平從2009年至2017年共申請了10項專利，其中有4件同時申請了實用新型和發明專利。合肥華升泵閥股份有限公司的專利申請主要涉及到液力透平一體機的自動調節能量裝置、軸向力自平衡轉子組件，并且還申請了兩件液力透平一體機的整機專利。江蘇大學作為獨立申請人或合作申請人就水力/液力透平從2011年至2019年共申請了17項專利，如表3所示。其中有4件同時申請了實用新型和發明專利，其共同申請人有南京藍深制泵集團股份有限公司、合肥華升泵閥股份有限公司。江蘇大學的專利申請主要涉及尾水管水力設計方法、葉輪結構、滑動軸承支承軸和軸向限位、雙螺桿高壓余能回收裝置、測試試驗臺、多目標優化方法、中低比轉速混流泵葉輪的設計方法，軸向力自平衡轉子組件、采用可夫斯基升力定理設計而成立式微型水輪機、適應于高水頭，小流量的工況，且其具有調節機構的液力透平裝置。表4列出了蘭州理工大學的專利申請表。蘭州理工大學作為獨立申請人或合作申請人就水力/液力透平從2012年至2017年共申請了6項專利，其中有5項為發明專利，1項為實用新型專利。主要涉及到氣液兩相介質時液力透平實驗裝置、污水管道內部的液力透平發電裝置、軸流式液力透平裝置、液力透平試驗臺恒轉速控制系統及帶導流葉片的新型透平、無透平一體機的設計方案。2.5軸封及泵輪驅動技術對國內液力/水力透平的專利檢索結果再進行篩檢分析，目前涉及到透平式一體機的專利申請不多，透平式一體機將泵與透平通過同軸的緊湊型一體化設計，應用于液體高壓余能回收，國內開展該類產品的研究不多。當前申報透平式一體機專利的單位主要有合肥華升泵閥有限公司、江蘇大學、江蘇雙達泵業股份有限公司、濱州東瑞機械有限公司這幾家單位，下面就篩檢的國內透平式一體機的專利申請做具體分析。申請號為CN201310244327.9的專利申請采用了液力透平和泵共軸、滑動軸承支承軸、平衡盤進行軸向限位的結構形式，省去了傳統的傳動結構。此外采用透平介質循環冷卻潤滑滑動軸承和平衡盤，省去了傳統機械密封或骨架密封等軸封，實現了無軸封，避免了軸封泄漏問題，而且緊湊了液體透平泵結構，拓展了液力透平泵的用途。申請號為CN201711095324.8的專利申請通過增設分隔部，將透平入口通道分隔為兩部分，分別為流入透平腔室通道和流出通道，同時在流出通道中增設相應的調節閥體。預先設定好的流入透平腔室的流量與排出通道開頭大小關系，在實際工作時，控制系統根據工藝系統反饋的流量信號來調節排出通道的開口大小，實現進入透平腔室中的透平介質流量的自動調節功能。申請號為CN201711095340.7的專利申請在透平端增設了平衡盤，在透平前蓋板和透平后蓋板之間設置有平衡管，轉軸中部開設了過流通道，并且在過流通道入口處設置有防堵塞裝置。在一體機處于正常工況進行運轉時，增壓液體經過濾后通過過流通道流入平衡腔內，推動轉輪向遠離平衡盤的方向運動，以平衡軸向力，同時，增壓液體也從透平前蓋板端面和平衡盤端面的間隙中泄漏，起到潤滑和冷卻兩端面的作用，防止兩個端面之間形成干摩擦。申請號為CN201711095337.5的專利申請將透平殼體和泵殼體整體鑄造成一體式殼體，并將透平出口，透平入口和泵出口整體鑄造并集成在殼體上面。在該一體機中使用軸向力自平衡轉子組件和流量自動調節裝置，并將透平葉輪，驅動轉輪和轉軸做成一體式。申請號為CN201721185329.5的專利申請通過增設了軸承架，并在軸承架上設置軸承壓蓋A、B以及甩油環，在壓蓋A左端和壓蓋B右端設置有油封并在A、B內孔壁面設置有密封槽。在傳動軸上設置有徑向軸承和推力軸承，徑向軸承通過軸承壓蓋A、B鎖緊在傳動軸上，推力軸承則通過鎖緊螺母鎖緊在傳動軸上。這樣在一體機運行時，抵消了軸上的徑向力和軸向力。保證了軸的運行平穩。甩油環隨著透平軸的轉動而轉動，將油腔內的油帶起，達到潤滑的效果，也具有降低軸承架溫度的作用。申請號為CN201710001448.9的專利申請集成了透平，高速電機和泵輪的結構和功能。泵輪和透平葉輪安裝在同一根轉軸上，轉軸固定安裝在高速電機內。在透平進氣口中設有導流板。泵葉輪為帶長短葉片葉輪。在一體機工作時，高速直連電機與能量回收透平段兩大部分協同輔助來驅動泵葉輪工作。3海水淡化綜合能量回收機3.1第一代透平式能量回收裝置按技術發展歷程，透平式能量回收一體機裝置可分為二代，其技術發展路線圖如圖7所示。最早的透平式能量回收裝置雛形的專利記載是專利號US233692A的WaterWheel裝置，隨后用于反滲透海水淡化工程的第一代能量回收裝置在此基礎上逐漸演變而來20世紀80年代初期開始將第一代透平式能量回收裝置用于海水淡化工程應用，在第一代透平式能量回收裝置中，水力透平、高壓泵和電機三者同軸，電機位于高壓泵和透平之間，利用反滲透膜元件的高壓濃鹽水驅動水力透平，將壓力能轉換為機械能，帶動泵旋轉對進料海水加壓，以降低電機的輸入功率，達到節能效果。主要代表產品有PumpGinard公司的法蘭西斯型透平機（FrancisTurbines），瑞士CalderAG公司的佩爾頓裝置（PeltonWheelDevice）、反轉型透平（ReverseRunningTurbine）、卡普蘭型透平（KaplanTurbine）等3.2功交換式能量回收一體機20世紀80年代后期，第二代透平式能量回收裝置出現，第二代一體機采用離心泵和水力透平同軸的集成化緊奏型結構設計。由于高壓泵和透平相互獨立，保證兩者在各自最佳工況運行，不需要額外的能量，也無需冷卻和其他氣動需求，運行過程中高、低壓流體的壓力和流量互不影響，進一步提高了能量回收效率除了透平式能量回收一體機，還有功交換式能量回收裝置，后者在反滲透系統應用中只能滿足液體流量和壓力均良好匹配的工藝環境，限制了其使用場合，且在使用的時候有明顯的壓力波動，還存在廢液和原料液混合的問題，某些功交換式能量回收還需要非常復雜的儀表和控制設計才能良好運行。雖然基于透平式能量回收一體機的工作原理，致使其能量回收效率不如功交換式能量回收裝置，但其結構簡單、操作維護方便、制造成本低、應用范圍廣的特點，在海水淡化工程領域還是占據不可取代的市場地位。3.3國產透平式一體機我國海水淡化透平式能量回收技術基礎薄弱，在水力模型、結構設計、材料選型、加工制造都與國外存在較大的差距，擁有自主知識產權的國產透平式一體機迫在眉睫4透平式能量回收裝置的應用通過上述對透平裝置的具體分析，可以看出，由于早期經濟發展所限以及國外技術壟斷，透平方面的申請仍然是外資公司居多，隨著我國經濟的發展和科技水平的提高