低溫多效海水淡化用汽模式優(yōu)化與實(shí)踐

郭 朋,王鐵民

（首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限公司，河北唐山 063200）

1 概述

某沿海鋼鐵企業(yè)建設(shè)有低溫多效海水淡化設(shè)施，海水淡化裝置技術(shù)領(lǐng)先，運(yùn)行相對(duì)較為平穩(wěn)，成為國內(nèi)海水淡化裝置的標(biāo)桿。該企業(yè)提出的“水電共生”和“熱膜耦合”理念得到了同行業(yè)的廣泛認(rèn)可。該企業(yè)共有低溫多效海水裝置四套（U1、U2、U3、U4），其中兩套（U1、U2）采用“水電共生”的運(yùn)行模式，制水成本相對(duì)較低；另外兩套蒸發(fā)器（U3、U4）用汽模式主要為“25 MW 發(fā)電機(jī)組抽汽+管網(wǎng)蒸汽”。U3、U4由于汽源和用戶較多，導(dǎo)致汽源整體穩(wěn)定性較差，對(duì)產(chǎn)水量和產(chǎn)水品質(zhì)都有較大的影響，同時(shí)汽源壓力較高（0.65～0.8 MPa）需減溫減壓后（0.38～0.42 MPa）才能進(jìn)入蒸發(fā)器，未實(shí)現(xiàn)蒸汽梯次利用，故制水成本高于U1、U2。

2 現(xiàn)運(yùn)行模式分析

2.1 “水電共生”運(yùn)行模式

該公司充分利用低溫多效海水淡化對(duì)汽源溫度要求較低的特點(diǎn)，研制了前置發(fā)電海水淡化技術(shù)。利用鋼鐵廠產(chǎn)生的富裕煤氣建設(shè)有兩套130 t/h 中溫中壓鍋爐，兩臺(tái)鍋爐的主汽主要供給兩套25 MW 發(fā)電機(jī)組使用，發(fā)電后的乏汽直接供給低溫多效海水淡化裝置（U1、U2）制備淡水，實(shí)現(xiàn)了蒸汽的高效和梯次利用，全系統(tǒng)熱效率提升至82%。同時(shí)進(jìn)入蒸發(fā)器的乏汽凝結(jié)成冷凝水再通過管道輸送回兩套130 t/h 鍋爐，作為鍋爐主要補(bǔ)水源，實(shí)現(xiàn)了水資源的循環(huán)利用。詳細(xì)流程見圖1。

2.2 “管網(wǎng)蒸汽+抽汽”運(yùn)行模式

該公司U3、U4蒸發(fā)器的汽源主要為“25 MW 發(fā)電機(jī)組抽汽+管網(wǎng)蒸汽”，25 MW 發(fā)電機(jī)組抽汽相對(duì)穩(wěn)定，管網(wǎng)蒸汽波動(dòng)較大，導(dǎo)致蒸發(fā)器產(chǎn)水量下降且易造成蒸發(fā)器內(nèi)部結(jié)垢。同時(shí)在該公司二期工程投產(chǎn)后，原有蒸汽平衡被打破，蒸汽由較為富裕轉(zhuǎn)向較為匱乏，該公司地處北方冬季蒸汽缺口會(huì)繼續(xù)增加。

圖1 “水電共生”流程

3 用汽模式優(yōu)化分析

該公司技術(shù)人員通過對(duì)現(xiàn)場查看，U3、U4 蒸發(fā)器與該公司兩座300 MW 發(fā)電機(jī)組僅相隔300 m，如果將300 MW 發(fā)電機(jī)組五段抽汽（0.4～0.42 MPa）引入海水淡化區(qū)域并作為U3、U4 的主要汽源，將會(huì)從根本上解決該公司蒸汽平衡問題，同時(shí)優(yōu)化蒸汽使用梯次關(guān)系，直接降低U3、U4 蒸發(fā)器制水成本?，F(xiàn)根據(jù)現(xiàn)場情況對(duì)U3、U4 蒸發(fā)器用汽模式進(jìn)行“fluent建?！比鐖D2。

圖2 fluent建模

將熱電300 MW 機(jī)組五抽蒸汽入口設(shè)置為“0”，S2蒸汽管網(wǎng)入口分別設(shè)置為“1”和“2”，25 MW 發(fā)電機(jī)組抽汽入口分別設(shè)置為“3”和“4”，按現(xiàn)場實(shí)際情況設(shè)置如下調(diào)整模式。

3.1 僅300 MW機(jī)組五抽和25 MW機(jī)組進(jìn)汽

邊界條件設(shè)置：

僅考慮300 MW 和25 MW 進(jìn)汽，無S2 進(jìn)汽。入口0 為300 MW 機(jī)組抽汽，設(shè)置為速度入口，具體參數(shù)為：壓力0.42 MPa，溫度250 ℃(523 K)，流速4.4 m/s。

蒸汽參數(shù)設(shè)置為：

定壓比熱：2.0593 kJ/(kg·℃）;

動(dòng)力粘度：ETA=18.16E-6 kg/(m.s);

導(dǎo)熱系數(shù)：RAMD=38.9766E-3 W/(m.℃);

密度：1.6801 kg/m3。

入口1 為S2 支線1，流量設(shè)置0 m3/h；入口2 為S2 支線2,流量設(shè)置0 m3/h；入口3 為25 MW 機(jī)組抽汽，設(shè)置為速度入口，具體參數(shù)為：壓力0.6 MPa，溫度250 ℃流速12.48 m/s；入口4 為25 MW 機(jī)組抽汽2，設(shè)置為速度入口，具體參數(shù)為：壓力0.6 MPa，溫度250 ℃流速12.48 m/s。

蒸汽參數(shù)設(shè)置為：

定壓比熱：2.1030 kJ/(kg·℃）;

動(dòng)力粘度：ETA=18.12E-6 kg/(m.s);

導(dǎo)熱系數(shù)：RAMD=39.4419E-3 W/(m.℃);

密度：2.53872 kg/m3;

出口設(shè)置為壓力出口：0.38 MPa，260 ℃。

得出如下結(jié)論：管道中壓力分布基本均勻，沒有很大的壓差；溫度基本在250 ℃左右；較大速度在25 MW機(jī)組抽氣入口和海淡用汽出口處，能夠達(dá)到15 m/s左右，滿足U3、U4用汽要求。

3.2 調(diào)整300 MW 機(jī)組五抽進(jìn)汽量，增加S2 蒸汽管網(wǎng)入口1進(jìn)汽

根據(jù)現(xiàn)場情況，調(diào)整300 MW 進(jìn)汽為50 t/h(3.4 m/s)，S2 蒸汽管網(wǎng)入口1 進(jìn)汽14 t/h，S2 蒸汽管網(wǎng)入口2 無進(jìn)汽，溫度170 ℃(443 K），25 MW 進(jìn)汽仍分別為25 t/h。其他設(shè)置條件不變。

得出如下結(jié)論：整體管道內(nèi)的壓力波動(dòng)不大，均在0.38 MPa左右，沒有大幅度壓力變化。溫度由于S2 蒸汽管網(wǎng)入口1 加入，管道后部的溫度有所降低。速度在管道后部比較均勻，速度最大處出現(xiàn)在25 MW 進(jìn)氣口附近，最高在16 m/s 左右，滿足U3、U4用汽要求。

3.3 調(diào)整300 MW 機(jī)組五抽進(jìn)汽量，增加S2 蒸汽管網(wǎng)入口2進(jìn)汽

根據(jù)現(xiàn)場情況，調(diào)整300 MW 進(jìn)汽為50 t/h(3.4 m/s)，S2 蒸汽管網(wǎng)入口1 無進(jìn)汽，S2 蒸汽管網(wǎng)入口2 進(jìn)汽14 t/h，溫度170 ℃(443 K），25 MW 進(jìn)汽仍分別為25 t/h。其他設(shè)置條件不變。

得出如下結(jié)論：整體管道內(nèi)的壓力波動(dòng)不大，均在0.38 MPa左右，沒有大幅度壓力變化。溫度由于S2 蒸汽管網(wǎng)入口2 加入，管道后部的溫度有所降低。速度在管道后部比較均勻，速度最大處出現(xiàn)在25 MW 進(jìn)汽口附近，最高在16 m/s 左右，滿足U3、U4用汽要求。

綜上所述。U3、U4蒸發(fā)器具備倒運(yùn)用汽模式條件，將用汽模式由“管網(wǎng)蒸汽+25 MW 機(jī)組抽汽”改為“300 MW 五段抽汽+25 MW 機(jī)組抽汽”，同時(shí)保證S2蒸汽管道熱備狀態(tài)，以便于出現(xiàn)故障后及時(shí)對(duì)汽源進(jìn)行切換。

3.4 調(diào)整用汽模式后蒸汽穩(wěn)定性及產(chǎn)水量分析

汽源倒運(yùn)后通過3個(gè)月對(duì)U3、U4蒸汽穩(wěn)定性和產(chǎn)水量進(jìn)行對(duì)比分析，得出如下結(jié)論：（1）在蒸發(fā)器滿負(fù)荷的情況下，蒸汽消耗量幾乎持平（如圖3）；（2）汽源倒運(yùn)后,U3、U4 蒸發(fā)器入口壓力降低的同時(shí)，蒸汽壓力穩(wěn)定性提高（如圖4）；（3）汽源穩(wěn)定后蒸發(fā)器產(chǎn)水量呈上升趨勢(shì)（如圖5）。

圖3 調(diào)整前后管網(wǎng)蒸汽和熱電五抽用量對(duì)比

圖4 U3、U4蒸發(fā)器調(diào)整前、后入口蒸汽壓力變化對(duì)比

圖5 調(diào)整前后U3、U4蒸發(fā)器日產(chǎn)水量對(duì)比

3.5 U3、U4蒸發(fā)器制水成本分析

汽源倒運(yùn)后蒸汽總體消耗量未有明顯變化（詳見圖3），但是原來S2 蒸汽價(jià)格100 元/m3，調(diào)整為熱電五段抽汽價(jià)格約為60 元/m3，按照U3、U4 蒸發(fā)器每天消耗1800 m3管網(wǎng)蒸汽計(jì)算每天節(jié)約能源成本7.2 萬元，折合降低制水成本3 元/m3（按U3、U4 蒸發(fā)器每天產(chǎn)水2.4萬m3計(jì)算）。

4 用汽模式探索

為了更好的利用鋼鐵廠低溫余熱資源，該公司遠(yuǎn)期規(guī)劃以低溫多效海水淡化為載體，以海水淡化生產(chǎn)的除鹽水為換熱介質(zhì)貫穿始終，除鹽水先于高爐沖渣水進(jìn)行換熱，溫度升高后再與熱風(fēng)爐、燃?xì)忮仩t等高溫?zé)煔膺M(jìn)行換熱，除鹽水溫度進(jìn)一步提高，經(jīng)過兩次換熱的除鹽水在海水淡化區(qū)域經(jīng)過閃蒸產(chǎn)生低溫多效蒸餾海水淡化所需要的低壓蒸汽，充分利用鋼廠余熱的同時(shí)進(jìn)一步降低海水淡化的制水成本。主要流程見圖6。

5 結(jié)語

低溫多效海水淡化技術(shù)已在沿海地區(qū)廣泛應(yīng)用，但是制水成本差異較大。我們只有根據(jù)自己企業(yè)的生產(chǎn)運(yùn)行模式找到合適的汽源，將余能余熱盡可能的回收并作為低溫多效海水淡化的汽源，這樣企業(yè)才能取得顯著的經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和社會(huì)效益，在激烈的競爭中立于不敗之地。

圖6 低品質(zhì)熱源利用流程