低溫多效海水淡化造水比影響因素研究

趙潔蓮 韓延民

浙江海鹽力源環(huán)?？萍脊煞萦邢薰?/p>

0 研究背景

低溫多效海水淡化技術(shù)是通過一定量的蒸汽輸入，將海水在低于90kPa的真空環(huán)境下經(jīng)過多次蒸發(fā)和冷凝，保持后一效的蒸發(fā)溫度均低于前一效，從而獲得多倍于蒸汽量淡水的海水脫鹽過程[1]。造水比是表征海水淡化系統(tǒng)中淡水總產(chǎn)量與其所消耗的蒸汽量之比值,是衡量其熱力性能和經(jīng)濟(jì)性能的最重要的參數(shù)。基于此技術(shù)的海水淡化系統(tǒng)具有較高的造水比，在實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)中已得到廣泛應(yīng)用。目前利用電廠、化工廠或低溫核反應(yīng)堆提供的低品位蒸汽，尤其是利用低品位余廢熱水的大中型海水淡化系統(tǒng)越來越多。為節(jié)約能源，降低生產(chǎn)成本，造水比作為該類系統(tǒng)的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)其影響因素及提升方法的研究日益被重視。

孫小軍[2]等人研究低溫多效海水淡化裝置中物料水溫度、海水濃縮倍數(shù)以及效間溫差等因素對(duì)造水比的影響，發(fā)現(xiàn)對(duì)于效數(shù)較少的多效海水淡化裝置,宜選擇平流進(jìn)料,當(dāng)效數(shù)多時(shí),可考慮采用逆流進(jìn)料或逆流與平流相結(jié)合的混流進(jìn)料方式。隨著海水濃縮倍數(shù)提高,造水比相應(yīng)增大。逆流進(jìn)料效間溫差越小,造水比越高,而平流進(jìn)料和順流進(jìn)料則可采用較大的效間溫差。馬學(xué)虎[3]等通過實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)地研究了不同海水進(jìn)料量及首效蒸汽溫度對(duì)造水比、濃縮比和產(chǎn)品水質(zhì)等關(guān)鍵參數(shù)的影響，認(rèn)為首效蒸汽溫度提高，濃縮比先減少后增加，但影響不明顯，而首效溫度固定條件下，濃縮比隨著進(jìn)料量的增大而減少，造水比隨著進(jìn)料量的增大而增大。根據(jù)對(duì)北疆電廠實(shí)際工程的監(jiān)測(cè)[4]，找出影響造水比的四個(gè)主要因素，分別是效體真空度、換熱效果、降膜冷凝器出口海水溫度以及熱力壓縮機(jī)（TVC）。通過綜合治理,節(jié)能達(dá)到了預(yù)期效果。通過仿真[5],系統(tǒng)分析諸如物料水溫度對(duì)造水比的影響，以“7+2平流工藝”為研究對(duì)象，分析不同位置的預(yù)熱器、不同換熱端差溫度、不同熱源對(duì)裝置造水比的影響?？傊?，對(duì)造水比的影響除了受系統(tǒng)本身物料參數(shù)的影響，還與其工藝進(jìn)料方式密切相關(guān)。

結(jié)合實(shí)際工程應(yīng)用條件，本文以“分段平流”進(jìn)料方式的低溫多效海水淡化系統(tǒng)為研究對(duì)象，重點(diǎn)考慮因冬、夏季節(jié)性變化而造成的進(jìn)料海水溫度變化對(duì)造水比的影響，研究在相同熱源供應(yīng)及進(jìn)料海水工況下，不同進(jìn)料海水流量和溫度變化條件下對(duì)造水比的影響，對(duì)比相同冷卻水排放量條件下，不同的效間溫差對(duì)造水比的影響。研究結(jié)果將為該類海水淡化系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)及工程調(diào)試提供有益指導(dǎo)。

1 分析模型及條件

本文以典型的低溫多效海水淡化系統(tǒng)為研究對(duì)象，技術(shù)方案：以利用電廠余廢熱水為熱源，首先在閃蒸室內(nèi)通過閃蒸蒸發(fā)產(chǎn)生動(dòng)力蒸汽，然后依次進(jìn)入各效室蒸發(fā)噴淋海水，海水蒸汽經(jīng)過冷凝以后成為產(chǎn)品水，各效噴淋海水蒸發(fā)濃縮后形成濃鹽水排出（見圖1）。工藝流程采用“分段平流”進(jìn)料方式，并在各段之間設(shè)置回?zé)崞?凝結(jié)水冷卻器調(diào)節(jié)噴淋海水的溫度。水冷卻器在冷卻產(chǎn)品水的同時(shí)可提升部分進(jìn)料海水的溫度。通過控制位于冷凝器前冷卻水的排放量調(diào)節(jié)進(jìn)料海水的溫度和流量，通過控制冷卻水的排放量調(diào)節(jié)總噴淋海水的流量，分段形成各效室的噴淋海水。

圖1 低溫多效海水淡化系統(tǒng)示意圖

2 模型分析方法

2.1 閃蒸室的熱質(zhì)平衡方程

低溫多效海水淡化利用閃蒸室可使余廢熱水在低壓下產(chǎn)生蒸汽（模型見圖2），產(chǎn)生的蒸汽量 Ms可由飽和蒸汽的焓 hs與熱水進(jìn)出口的焓 hm等參數(shù)計(jì)算，見圖2中式（1）～式（5）。

2.2 各效蒸發(fā)器內(nèi)熱質(zhì)平衡方程

海水淡化裝置第一效蒸發(fā)器的動(dòng)力蒸汽為閃蒸室產(chǎn)生的蒸汽，蒸汽經(jīng)冷凝后形成首效凝結(jié)水排出裝置，見圖3。海水換熱后產(chǎn)生的蒸汽量可由方程（6）求得。第二效至最后一效的蒸汽為前一效產(chǎn)生的海水蒸汽，冷凝后生成產(chǎn)品水，見圖4。各效室內(nèi)產(chǎn)生的蒸汽量可由方程（9）表示。式中的Tv,i表示各效室的蒸發(fā)溫度；Td,i表示各效室產(chǎn)品水的溫度；Cp,i表示海水的比熱容，是海水溫度Tb,i與海水鹽度Xb,i的函數(shù)；λv,i為蒸汽在Tv,i的汽化潛熱；TBPE,i為海水沸點(diǎn)溫升，亦是海水溫度Tb,i與海水鹽度Xb,i的函數(shù)。

圖2 閃蒸室模型

圖3 第一效蒸發(fā)器模型

2.3 冷凝器

進(jìn)料海水進(jìn)入冷凝器后在升溫的同時(shí)，將第六效的海水蒸汽冷凝成產(chǎn)品水。海水離開冷凝器后，部分作為噴淋海水進(jìn)入各效，其余作為冷卻水排放?？倗娏芎Ｋ臏囟瓤捎煞匠蹋?6）計(jì)算，總噴淋海水的量見圖5中方程（19）。

2.4 回?zé)崞?/h3>

如圖6所示回?zé)崞魇峭ㄟ^抽取第4效室中的部分海水蒸汽d4z在回?zé)崞髦欣淠?，以提升?,4效的進(jìn)料海水的溫度。噴淋海水溫升的計(jì)算公式如圖6中方程（21）所示。

其他如凝結(jié)水冷凝器和產(chǎn)品水冷凝器的模型也與回?zé)崞髂Ｐ皖愃啤１狙芯磕Ｐ鸵员?中的參數(shù)為初始條件，對(duì)不同工況條件下造水比影響因素進(jìn)行分析。

圖4 第2效至最后一效蒸發(fā)器模型

圖5 冷凝器模型

圖6 回?zé)崞髂Ｐ?/p>

表1 低溫多效海水淡化分析模型初始條件

3 結(jié)果分析

1)相同的進(jìn)料海水流量，不同進(jìn)料海水溫度對(duì)造水比的影響

考慮海水溫度在冬夏不同季節(jié)的變化對(duì)造水比的影響。根據(jù)分析結(jié)果，在相同工況下，若進(jìn)入冷凝器前的進(jìn)料海水在夏季溫度為27℃，冬季為5℃，海水淡化系統(tǒng)的造水比分別為5．3和4．3，即隨著進(jìn)料溫度的提升，造水比也隨之增加。在本案例中，作為“分段平流”的進(jìn)料方式，每段所包含的兩效之間的進(jìn)料溫度線雖看似平行，數(shù)值結(jié)果顯示，3-4效進(jìn)料溫度與1-2效進(jìn)料溫度之間的差值在縮小，即表明當(dāng)逐步提高了進(jìn)料海水溫度后，同步提升了噴淋海水在進(jìn)入各效室后作為進(jìn)料的溫度，從而縮小了其在各效室內(nèi)蒸發(fā)的溫差，有利于提高蒸發(fā)量。如圖7所示。

圖7 不同進(jìn)料海水溫度條件下的影響分析

2)相同進(jìn)料海水溫度，不同進(jìn)料海水流量對(duì)造水比的影響

當(dāng)進(jìn)料海水的溫度相對(duì)固定的條件下，考慮不同的進(jìn)料海水流量對(duì)造水比的影響。根據(jù)分析結(jié)果可以看出，隨著進(jìn)料海水流量的增加，造水比逐步下降，如圖8（a）所示。原因是當(dāng)相同溫度的進(jìn)料海水以不同流量進(jìn)入冷凝器時(shí)，由于冷凝器的換熱量有限，當(dāng)進(jìn)料海水流量大時(shí)，造成噴淋海水和冷卻水排放的溫度降低，如圖8（b）所示。進(jìn)料海水流量增大后，將使得冷卻水排水量減少，同時(shí)使冷卻水排水溫度升高。

圖8 不同進(jìn)料海水流量條件下的影響分析

3)不同效間溫差對(duì)造水比的影響

如圖9（a）所示，隨著效間溫差的增大，造水比逐步增加。根據(jù)不同效間溫差各效室的蒸發(fā)溫度情況，如圖9(b)所示，效間溫差為2℃時(shí)，每效的進(jìn)料溫度與其效室蒸發(fā)溫度相差很大，導(dǎo)致噴淋海水在進(jìn)料溫度下需要經(jīng)過降膜繼續(xù)加熱后才蒸發(fā)，因此產(chǎn)生的蒸汽量小。隨著各效室的蒸發(fā)溫度逐步接近其相應(yīng)的進(jìn)料溫度時(shí)，噴淋液在進(jìn)入效室后只需少部分的熱量即可蒸發(fā)，因此提高了系統(tǒng)蒸發(fā)量。為進(jìn)一步提升噴淋蒸發(fā)效果，可在效間溫差設(shè)定后，通過調(diào)節(jié)噴淋海水進(jìn)料溫度，使其每效接近相應(yīng)的蒸發(fā)溫度，以獲取最佳的蒸發(fā)量。

圖9 不同效間溫差條件下的影響分析

4)冷卻水排放對(duì)熱系統(tǒng)熱利用的影響

以“分段平流”進(jìn)料方式的低溫多效海水淡化系統(tǒng)，其每段間可以通過回?zé)崞骰蚰鋮s器來調(diào)節(jié)進(jìn)料海水的噴淋溫度，因此對(duì)于初始進(jìn)料海水的溫度控制十分重要。在引入海水量固定條件下，隨著冷卻水的排放量增加，將導(dǎo)致進(jìn)料海水的減少，如圖10(b)所示，從而使進(jìn)料海水經(jīng)過冷凝器后的進(jìn)料溫度升高，造水比由5．5升高到5．8。同時(shí)經(jīng)冷凝器后的冷卻水排放量由3 134．5t/h減少到1 854．2t/h，冷卻水排放熱量由83．4MW減少至58．2MW。即高品位的熱排放量減少，從而提高了系統(tǒng)的整體熱利用效率。

圖10 冷卻水排放量的影響

通過本案例分析，在保證噴淋海水充足的條件下，可確定最佳的各效室噴淋海水的進(jìn)料溫度、冷卻水的排放量，以保證系統(tǒng)達(dá)到最佳的造水比。

4 結(jié)論

造水比是反映低溫多效海水淡化經(jīng)濟(jì)性的一個(gè)重要評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過對(duì)其影響因素的分析以尋求提高系統(tǒng)熱效率的最佳應(yīng)用途徑有一定的指導(dǎo)意義。通過對(duì)實(shí)際工程中應(yīng)用的“分段平流”進(jìn)料方式的海水淡化系統(tǒng)進(jìn)行熱性能分析，發(fā)現(xiàn)通過對(duì)以下熱力過程的優(yōu)化控制，將有利于提升系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性能。

1)根據(jù)熱源閃蒸蒸汽的熱功率和溫度，選取合適的效間溫差。對(duì)本案例中的“分段平流”進(jìn)料方式，可以采用6效蒸發(fā)、效間溫差為4℃左右；

2)效間溫差確定后，各效室的噴淋海水進(jìn)料溫度可通過回?zé)峄虺槠确绞綉?yīng)控制在稍高于其相應(yīng)的蒸發(fā)溫度，以獲得最大程度的蒸發(fā)量；

3)通過海水引入量及冷卻水排放量來控制進(jìn)料海水的流量，在滿足噴淋海水總需求的條件下，盡量減少冷卻水的排量，或把冷卻水中的熱量通過熱回收的形式重新利用，以提高整體系統(tǒng)的熱利用效率。