蔡海濤，胡在定，葉志文，楊 煉，倪小洪，張國順

(1．杭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江杭州310018；2．杭州華達(dá)噴射真空設(shè)備有限公司，浙江 杭州311113)

1 引言

隨著國內(nèi)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，淡水的需求量越來越大，而中國又是一個(gè)淡水資源相對匱乏的國家。隨著國際上海水、苦咸水的淡化技術(shù)越來越成熟，制作淡水的成本越來越低，帶動(dòng)了海水淡化市場的巨大需求。過去由于缺乏自主的技術(shù)，致使我國大規(guī)模海水淡化產(chǎn)業(yè)長期處于國外技術(shù)壟斷的局面。我們近幾年來通過對用于大型低溫多效海水淡化(low-temperature multi-effect distillation，LT-MED)裝置中的真空系統(tǒng)的自主設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用的實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)了該核心裝置國產(chǎn)化，進(jìn)而推動(dòng)我們在大型海水淡化工程中逐步掌握自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，突破了國外大公司在該領(lǐng)域的技術(shù)壟斷。

2 低溫多效海水淡化技術(shù)簡介

低溫多效蒸發(fā)(low-temperature multi-effect distillation，LT-MED)海水淡化技術(shù)是指鹽水的最高蒸發(fā)溫度低于70℃的淡化技術(shù)，其特征是將一系列的水平管噴淋降膜蒸發(fā)器串聯(lián)起來，在真空負(fù)壓的壓力下把一定量的蒸汽輸入，通過多次蒸發(fā)和冷凝，后面1效的蒸發(fā)溫度均低于前面1效，從而得到多倍于蒸汽量蒸餾水的淡化過程。

低溫多效蒸發(fā)的低成本主要?dú)w結(jié)于它靈活的運(yùn)行方式，可以利用各種形式的低位熱源，如柴油發(fā)電機(jī)冷卻水、工業(yè)廢氣、廢熱鍋爐蒸汽等。各國投入商業(yè)運(yùn)行的日產(chǎn)淡水萬噸級以上的大型海水淡化裝置其最主要的運(yùn)行方式是與熱電廠結(jié)合，水電聯(lián)產(chǎn)。與熱電廠有機(jī)結(jié)合，可以充分利用熱電廠余熱和機(jī)組乏汽，有效降低淡水的造水成本，已成為大型海水淡化技術(shù)的發(fā)展方向之一［1］。

與多級閃蒸相比，低溫多效蒸發(fā)的操作溫度低，可以避免或者減緩設(shè)備的腐蝕和結(jié)垢；低溫多效蒸發(fā)的操作彈性很大，負(fù)荷范圍從110%變到40%，皆可以正常操作，而且造水比不會(huì)下降。與反滲透膜法相比，低溫多效蒸發(fā)的海水預(yù)處理簡單，預(yù)處理費(fèi)用低，淡水水質(zhì)高及系統(tǒng)操作安全可靠。

低溫多效蒸發(fā)海水淡化裝置需要真空系統(tǒng)來維持其蒸發(fā)器的正常運(yùn)行真空度，一般選用水蒸汽噴射真空泵來實(shí)現(xiàn)，因?yàn)檫@種以噴射器為關(guān)鍵部件的真空泵結(jié)構(gòu)簡單，沒有轉(zhuǎn)動(dòng)部件，適合長期運(yùn)行。

圖1顯示了在消化吸收了國外先進(jìn)技術(shù)基礎(chǔ)上，華北某發(fā)電設(shè)備有限公司的12 000噸/日低溫多效海水淡化國產(chǎn)化裝置的工藝流程圖。在該裝置中，我方承擔(dān)了真空系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和制造工作。

圖1 6效LT－MED海水淡化裝置及真空系統(tǒng)流程圖

3 低溫多效蒸餾海水淡化裝置真空系統(tǒng)的簡介和設(shè)計(jì)方法

圖1所示的6效低溫多效蒸發(fā)(LT-MED)海水淡化裝置，其真空系統(tǒng)由三部分組成，分別為真空啟動(dòng)機(jī)組、真空工作機(jī)組及可調(diào)式噴射壓縮器。其工作原理分別介紹如下。

真空啟動(dòng)機(jī)組用于海水淡化裝置啟動(dòng)時(shí)快速建立裝置的真空度，最大限度縮短抽氣時(shí)間，使海水淡化裝置快速地進(jìn)入正常工況。真空啟動(dòng)機(jī)組由啟動(dòng)噴射器和消音器組成。

真空工作機(jī)組的作用是維持海水蒸餾工藝所要求的工作真空度。機(jī)組一般采用兩級水蒸氣噴射真空泵，每一級噴射器后設(shè)蒸汽冷凝器。一級噴射器前設(shè)置預(yù)冷凝器，將來自凝汽器中的部分可凝性汽體(主要是水蒸汽)冷凝，減少兩級水蒸汽噴射真空泵的抽氣負(fù)荷，降低其工作蒸汽用量。同時(shí)，為了保證海水淡化工藝在夏季高溫及工作蒸汽波動(dòng)時(shí)的穩(wěn)定性，在一級噴射器的位置上再并聯(lián)一個(gè)輔助噴射器，作為一級噴射器的備用泵，根據(jù)負(fù)荷情況，選擇開啟其中一臺(tái)噴射器，或兩臺(tái)同時(shí)開啟。

可調(diào)式噴射壓縮器(又稱蒸汽熱力壓縮器，thermal vapor compressor，TVC泵)則是節(jié)約蒸汽的關(guān)鍵設(shè)備。其工作原理是噴射壓縮器在工作蒸汽的推動(dòng)下，抽取第四效產(chǎn)生的二次蒸汽作為引射蒸汽。二次蒸汽通過噴射壓縮器的絕熱壓縮，提高其壓力、溫度及熱焓后，與工作蒸汽混合作為加熱蒸汽用，使二次蒸汽在蒸發(fā)器內(nèi)連續(xù)循環(huán)而重復(fù)利用。由于噴射壓縮器抽取了部分低品位的二次蒸汽，致使第一效加熱蒸汽壓力與溫度降低，進(jìn)入后效的加熱蒸汽量也減少，相應(yīng)的換熱量減少，蒸發(fā)器面積減小。隨著出口蒸汽溫度的增加，噴射壓縮器抽取的二次蒸汽的熱量增加，故可以減少外界提供的動(dòng)力蒸汽的量，使得加熱蒸汽量減小，造水比增大。

真空系統(tǒng)工作方法如圖1的流程圖所示，工作時(shí)，先開啟啟動(dòng)噴射器，當(dāng)海水淡化裝置的真空度達(dá)到設(shè)定值時(shí)，關(guān)閉啟動(dòng)噴射器，開啟二級蒸汽噴射機(jī)組，使蒸發(fā)器達(dá)到和保持海水淡化工藝所要求的真空度。隨海水及蒸汽進(jìn)入系統(tǒng)的不凝性氣體從末效后的凝汽器抽出，從而保證從末效到一效的真空度逐級降低，使海水的蒸發(fā)溫度從一效到末效逐級降低，同時(shí)產(chǎn)生虹吸使海水從一效自動(dòng)流到末效后由鹽水泵打出，以達(dá)到節(jié)約能源的目的。

在真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，參照了文獻(xiàn)［2］及相關(guān)專業(yè)文獻(xiàn)作為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)對真空系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算和設(shè)計(jì)，并且采用了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的真空系統(tǒng)工藝計(jì)算軟件(2009SR017881)，以物料平衡和最佳引射系數(shù)為目標(biāo)，對海水淡化真空系統(tǒng)的工藝進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，得出系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)的工藝參數(shù)和工作參數(shù)。

無論是啟動(dòng)噴射器，兩級蒸汽噴射真空泵，還是噴射壓縮器，其關(guān)鍵部件或其本身就是噴射器。噴射器的工作原理:有一定壓強(qiáng)的工作蒸汽通過拉瓦爾噴咀，減壓增速(蒸汽的壓力能轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能)以超音速噴入混合室，與被抽介質(zhì)混合，進(jìn)行能量交換，混合后的氣體入擴(kuò)壓器，減速增壓(動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓力能)從而進(jìn)行排氣。

噴射器的特點(diǎn):無機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，工作不受潤滑、振動(dòng)等條件限制，因此可以制成抽氣能力很大的泵。結(jié)構(gòu)簡單，工作穩(wěn)定可靠，使用壽命長。只要結(jié)構(gòu)材質(zhì)選擇適當(dāng)，可以很好的抽除含有大量水蒸汽、粉塵、易燃、易爆及有腐蝕性的氣體。如用同被抽氣體一樣氣體作為工作介質(zhì)，則系統(tǒng)無污染。工作壓力范圍較寬，多級噴射泵的工作壓力范圍可從大氣壓到0．1Pa，而且可以直排大氣。因此，噴射器作為海水淡化真空系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，是非常重要的。

噴射器作為一種特殊的蒸汽壓縮設(shè)備，其引射系數(shù)是衡量這種設(shè)備工作性能的一個(gè)重要指標(biāo)。在實(shí)際運(yùn)行過程中，引射系數(shù)受多種因素的影響，如壓縮比、工作蒸汽的溫度等，有些參數(shù)的變動(dòng)甚至?xí)?dǎo)致引射系數(shù)的急劇下降，從而極大地影響它的性能。引射系數(shù)的計(jì)算方法很多，但概括起來有以下幾種方法:

經(jīng)典熱力學(xué)法。依據(jù)熱力學(xué)經(jīng)典過程及第一、第二定律，分別研究膨脹、混合和壓縮過程的能量變化，對噴射器的絕熱膨脹和壓縮兩過程的終態(tài)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，并采用經(jīng)驗(yàn)的方法來處理幾個(gè)關(guān)鍵幾何尺寸—噴嘴長度，擴(kuò)散器各直徑和長度。此法繁瑣且諸多假設(shè)，與實(shí)際工控有很大差別，精確性差，計(jì)算結(jié)果的可實(shí)施性無法得到保證。經(jīng)典熱力學(xué)法目前在行業(yè)內(nèi)很少使用。

氣體動(dòng)力函數(shù)法。該方法是建立在氣體動(dòng)力學(xué)理論基礎(chǔ)上的，依據(jù)質(zhì)量守恒，動(dòng)量守恒和能量守恒三大定律，引進(jìn)等熵速度，折算速度，相對溫度，相對壓力，相對密度等動(dòng)力函數(shù)，通過理論推導(dǎo)及適當(dāng)?shù)慕?jīng)驗(yàn)修正建立起來的一種計(jì)算方法。不對噴射器工作過程中的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行孤立分析，而是在噴射器的整個(gè)過程中采用氣體動(dòng)力學(xué)的計(jì)算公式研究噴射器主要特征斷面(例如噴嘴喉部、噴嘴出口、擴(kuò)壓器喉部等)的幾何參數(shù)與氣體動(dòng)力參數(shù)的關(guān)系，探討泵臨界工況的實(shí)質(zhì)，并在計(jì)算公式中引入相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)系數(shù)。該方法對某些特定工況下的泵，計(jì)算誤差較小。但計(jì)算方法仍然相當(dāng)繁瑣，很多情況下計(jì)算結(jié)果與實(shí)踐仍有較大差距。但該方法中通過理論推導(dǎo)得到了極限引射系數(shù)，從而保證了噴射器計(jì)算結(jié)果的可實(shí)施性，噴射器的徑向尺寸完全脫離經(jīng)驗(yàn)化，因此，該計(jì)算方法在高壓縮比蒸汽噴射器設(shè)計(jì)領(lǐng)域中，一直占據(jù)著不可取代的地位。海水淡化真空系統(tǒng)中的可調(diào)式噴射壓縮器的引射系數(shù)就是采用此方法來計(jì)算的。

圖表法，亦稱之為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法。該方法是根據(jù)大量的實(shí)驗(yàn)，歸納出簡易的圖表數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)公式來進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，確定噴射器的各尺寸。該方法簡便易行，但缺乏理論依據(jù)，局限于實(shí)驗(yàn)過的結(jié)構(gòu)和工作范圍，所用的數(shù)據(jù)表格有很大的限制，特別是對高真空度、大抽氣量的泵，其計(jì)算誤差較大。海水淡化真空系統(tǒng)中的啟動(dòng)噴射器，兩級蒸汽噴射真空泵一般采用此方法。

真空啟動(dòng)機(jī)組的抽氣量(即啟動(dòng)噴射器的抽氣量)的計(jì)算方法:

已知啟動(dòng)噴射器對各種氣體的抽氣時(shí)間、被抽氣體容積、抽氣開始和終止時(shí)的壓力的工藝要求時(shí)，其抽氣量可按下式計(jì)算［3］:

式中 G為在p2壓力和溫度t時(shí)，噴射器對分子量為M的氣體的抽氣量，kg/h；T為抽氣時(shí)間；p1、p2分別為抽氣開始和終止時(shí)的壓力；t為被抽氣體的溫度；M為被抽氣體的分子量；A為系統(tǒng)的漏氣量，kg/h；α為由噴射器性能決定的修正系數(shù)，由實(shí)驗(yàn)方法求得?？砂磮D2所示選取。

真空工作機(jī)組中預(yù)冷凝器的計(jì)算方法［4］:

1)已知條件:

t1、p4、Gk(冷凝器入口處非可凝氣體含量)、Gz4(冷凝器入口處可凝性蒸汽含量)。

2)冷卻水耗量W

首先根據(jù)p4查水蒸汽對應(yīng)的飽和溫度ts，求得冷卻水出口溫度t2為:

圖2 修正系數(shù)α

冷卻水耗量W為:

式中通過冷凝器的水蒸汽凝結(jié)量，由下式求得

式中 G’z4為冷凝器出口處可凝性蒸汽的流量。由下式求得

式中 p’4為冷凝器出口處混合物全壓力，由下式求得

p’4=p4－(670 ～1330)Pa(高真空取670 Pa，低真空取1330 Pa)；

p’z4為冷凝器出口處蒸汽分壓(Pa)，即由冷凝器出口處混合物溫度t’4查得的飽和蒸汽壓力。t’4=t1+(1～3)℃；Mk為冷凝器出口處不可凝氣體的分子量。

3)冷凝器直徑D:

當(dāng)蒸汽混合物通過冷凝器的速度為15～20 m/s時(shí)，冷凝器圓筒部分直徑D為

式中 Gzh為進(jìn)入冷凝器的混合物流量，kg/h；V∑h為進(jìn)入冷凝器的混合物的比容，可近似地用p4查得的飽和蒸汽比容代替，單位為m3/kg。

4 真空系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)與工程實(shí)踐

華北某發(fā)電設(shè)備有限公司的12 000噸/日低溫多效海水淡化國產(chǎn)化裝置的真空系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)和選型結(jié)果如下。

4.1 真空啟動(dòng)機(jī)組

4.1.1 主要技術(shù)參數(shù)要求

海水淡化設(shè)備內(nèi)容積:2100 m3

設(shè)計(jì)抽氣蒸汽參數(shù):0．55 MPa．a(chǎn)/320℃

系統(tǒng)形式:單級射汽抽氣器

系統(tǒng)要求:一小時(shí)內(nèi)將海水淡化設(shè)備內(nèi)壓力降至20 kPa．a(chǎn)

排氣要求:汽氣混合物經(jīng)消聲器直排大氣

排氣噪聲:＜85 dB(A)

4.1.2 啟動(dòng)噴射器的選型

根據(jù)上述公式計(jì)算出啟動(dòng)噴射器的抽氣量約為650 kg/h，依此結(jié)果，按圖表法設(shè)計(jì)噴射器即可?；蜻x標(biāo)準(zhǔn)的噴射器，型號(hào)為SJ650－0．02/0．1－0．55，蒸汽消耗量4500 kg/h，即可滿足抽氣要求。設(shè)備材質(zhì)除蒸汽室為碳鋼外，其余為不銹鋼316 L。

4.1.3 消音器的選型

消音器可按入口的蒸汽流量，壓力等參數(shù)，選用小孔噴注型消音器即可。設(shè)備材質(zhì)為不銹鋼316L。

4.2 真空工作機(jī)組

4.2.1 主要技術(shù)參數(shù)

抽氣量:不凝結(jié)氣體量:300 kg/h；混合蒸汽量:650 kg/h

抽氣壓力:10 kPa．a(chǎn)

抽氣溫度:飽和溫度

蒸汽冷凝器冷卻水

冷卻水水源:物料水(海水)

冷卻水最高溫度:43℃ (高負(fù)荷工況)

冷卻水最低水溫:31．9℃ (40%低負(fù)荷工況)

額定冷卻水水量:344 t/h

低冷卻水量:300 t/h

預(yù)冷噴水水源

系統(tǒng)如設(shè)置噴水預(yù)冷系統(tǒng)，冷卻水由成品冷卻器后引用，水質(zhì)條件如下:

含鹽量:＜10 ppm

硬度:0

供水壓力:0．06 ～0．1 MPa

額定工況水溫:＜35℃

冬季最低水溫:10℃

4.2.2 預(yù)冷凝器的設(shè)計(jì)和選型

根據(jù)上述公式和設(shè)計(jì)條件計(jì)算得出，當(dāng)冷卻水溫為35℃時(shí)，冷卻水耗量為31 t/h，冷卻水出口溫度為40℃，冷凝器直徑700 mm。依此可選標(biāo)準(zhǔn)的強(qiáng)制膜噴淋直冷型冷凝器，采用上下兩層強(qiáng)制膜傘狀噴頭，可以兩組噴頭齊開或按負(fù)荷情況開啟其中之一。該型冷凝器結(jié)構(gòu)簡單，易于維護(hù)，氣相阻力小。材質(zhì)采用不銹鋼316 L即可。

另外一些計(jì)算結(jié)果:冷凝器出口處的蒸汽量G’z4為260 kg/h，出口處混合物全壓力p’4為9．3 Kpa，出口處混合物溫度t’4為37℃。可做為兩級蒸汽噴射真空泵的入口設(shè)計(jì)條件。

4.2.3 兩級蒸汽噴射真空泵的設(shè)計(jì)和選型

兩級蒸汽噴射真空泵在行業(yè)內(nèi)已是很成熟的產(chǎn)品，其設(shè)計(jì)的方法在許多文獻(xiàn)中均有介紹，限于篇幅，這里就不做詳細(xì)說明了。

在本案例中，為了保證系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行，其第一級噴射器的設(shè)計(jì)，采用并聯(lián)一臺(tái)輔助噴射器的設(shè)計(jì)方法。抽汽量分別為560 kg/h和400 kg/h，可分別或并列同時(shí)運(yùn)行。

蒸汽冷凝器冷卻水流量基本恒定，為保證最終排氣中蒸汽含量最低，冷凝器供水采用串聯(lián)供水方案，冷卻水先進(jìn)入一級抽氣冷凝器，再進(jìn)入二級抽氣冷凝器的方式。由于冷凝器的冷卻水采用物料水(海水)，因此與物料水接觸的部件材料采用了鈦材。

蒸汽冷凝器疏水采用逐級回流疏水方式，二級冷凝器疏水進(jìn)入第一級冷凝器，第一級冷凝器疏水排入海水淡化設(shè)備成品水系統(tǒng)。二級冷凝器疏水采用疏水器疏水；一級冷凝器疏水采用U形管水封排水至海水淡化設(shè)備。

真空系統(tǒng)設(shè)備露天布置，真空系統(tǒng)設(shè)備布置在低溫多效海水淡化設(shè)備側(cè)面設(shè)備平臺(tái)上，冷凝器布置在4．60 m標(biāo)高平臺(tái)，兩級蒸汽噴射真空泵布置在8．60 m標(biāo)高平臺(tái)。

4.3 實(shí)際運(yùn)行參數(shù)

華北某發(fā)電設(shè)備有限公司的12 000噸/日低溫多效海水淡化國產(chǎn)化裝置的真空系統(tǒng)及各效蒸發(fā)器的主要運(yùn)行參數(shù)如下:

4.3.1 真空啟動(dòng)機(jī)組

設(shè)計(jì)要求抽氣時(shí)間:60 min；排氣噪音＜85 dB(A)。

實(shí)際測試抽氣時(shí)間:50 min；排氣噪音78．5 dB(A)。

4.3.2 真空工作機(jī)組

項(xiàng)目 真空度 工作蒸汽耗量 冷卻水量 預(yù)冷凝器進(jìn)水溫度預(yù)冷凝器出水溫度預(yù)冷凝器水量設(shè)計(jì)要求 10 kPa．a(chǎn) 2 300 kg/h 344 t /h 35℃ 40℃ 31 t/h實(shí)測結(jié)果 9 kPa．a(chǎn) 2080 kg/h 357 t/h 30℃ 35℃ 30 t/h

4.3.3 各效蒸發(fā)器的運(yùn)行參數(shù)(產(chǎn)淡水量13000 t/d時(shí))

項(xiàng)目 一效 二效 三效 四效 五效 六效運(yùn)行溫度(℃)63 60 58 55 44 51運(yùn)行真空度(kPa．a(chǎn))22 17 13 9 15 14

5 結(jié)論

所述案例的真空系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行參數(shù)優(yōu)于設(shè)計(jì)要求；

此套低溫多效海水淡化裝置實(shí)際運(yùn)行時(shí)，最大產(chǎn)淡水量可達(dá)到13 000 t/d；

自主設(shè)計(jì)與制造的真空系統(tǒng)，完全能適用于萬噸級的大型低溫多效海水淡化裝置，為今后更大型的海水淡化裝置真空系統(tǒng)的國產(chǎn)化提供了借鑒。

［1］解利昕等．海水淡化技術(shù)現(xiàn)狀及各種淡化方法評述［J］．化工進(jìn)展，2003年，22(10):1081～1084．

［2］達(dá)道安主編．真空設(shè)計(jì)手冊(第三版)［M］．北京:國防工業(yè)出版社，2004.297～324．

［3］楊乃恒．真空獲得設(shè)備(第二版)［M］．北京:冶金工業(yè)出版社，2001年．161～162．

［4］楊乃恒．真空獲得設(shè)備(第二版)［M］．北京:冶金工業(yè)出版社，2001年．160～161．