姜曉霞

（哈爾濱汽輪機(jī)廠輔機(jī)工程有限公司，哈爾濱 150090）

1 引言

我國(guó)屬于太陽(yáng)能資源儲(chǔ)量豐富的國(guó)家之一，年日照時(shí)數(shù)大于2000h的地區(qū)面積約占全國(guó)總面積的2/3 以上。其中，有條件發(fā)展太陽(yáng)能電站的沙漠和戈壁面積約為30 萬(wàn)平方公里，占我國(guó)沙漠總面積的23%，積極開發(fā)利用太陽(yáng)能資源是解決我國(guó)能源問題以及環(huán)境問題的最有效的措施。

對(duì)于水資源，我國(guó)人均占有水量只居世界的第108位，相當(dāng)于世界人均水平的1/4。缺水城市占全國(guó)城市的2/3，被列為世界上13個(gè)貧水國(guó)之一。發(fā)展海水淡化技術(shù)，向海洋索取淡水已成為現(xiàn)代社會(huì)的當(dāng)務(wù)之急。利用太陽(yáng)能海水淡化不僅緩解了能源壓力，環(huán)境危機(jī)，也緩解了地區(qū)性缺水問題。對(duì)緩解當(dāng)代水資源短缺、供需矛盾日趨突出和環(huán)境污染日益嚴(yán)重等系列重大問題具有深遠(yuǎn)的戰(zhàn)略意義。

2 太陽(yáng)能海水淡化簡(jiǎn)介

隨著太陽(yáng)能熱利用技術(shù)以及海水淡化技術(shù)的不斷成熟，目前世界上海水淡化應(yīng)用最廣泛的方法有蒸餾法、膜法和電滲析法等。其中蒸餾法包括多效蒸發(fā)（MED）、閃蒸（flash）。膜法包括反滲透（RO）法以及膜法蒸餾（MD）。而這些方法都可以利用太陽(yáng)能作為其驅(qū)動(dòng)能源。其中膜法與電滲析大多與光伏利用結(jié)合，蒸餾法與光熱利用相結(jié)合。

現(xiàn)有淡化技術(shù)中，蒸餾淡化技術(shù)最成熟、運(yùn)行安全性高、適用范圍廣、單機(jī)規(guī)模大。

國(guó)外太陽(yáng)能海水淡化技術(shù)已有較長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展，過去二三十年內(nèi)，建造了大量的太陽(yáng)能海水淡化系統(tǒng)，其中部分至今仍在運(yùn)行。然而，由于國(guó)內(nèi)相對(duì)落后的太陽(yáng)能利用技術(shù)，以太陽(yáng)能作為能源，尤其使用聚光集熱方法的太陽(yáng)能海水淡化系統(tǒng)尚無(wú)應(yīng)用，需加大研究力度。

3 太陽(yáng)能海水淡化系統(tǒng)技術(shù)方案

太陽(yáng)能自身的特點(diǎn)是可收集能量的不連續(xù)性。而太陽(yáng)能海水淡化系統(tǒng)要保證淡化島的連續(xù)運(yùn)行，淡化島部分不能隨著太陽(yáng)的起落而每日起停，所以要解決收集不到太陽(yáng)能時(shí)段系統(tǒng)輸入能量的途徑問題。一種方式是采用蓄熱裝置，沒有太陽(yáng)時(shí)利用蓄熱裝置供汽驅(qū)動(dòng)淡化島。這種方式對(duì)于蓄熱部分設(shè)計(jì)要求較高，根據(jù)地區(qū)性氣候確定蓄熱時(shí)間。如果蓄熱時(shí)間太短，連續(xù)陰雨天就要停下淡化島；如果蓄熱時(shí)間太長(zhǎng)則蓄熱部分投資太大，系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性不好。而且熔鹽系統(tǒng)需要較高的保溫要求，系統(tǒng)復(fù)雜。另一種方式是采用鍋爐與太陽(yáng)能結(jié)合的形式來保證淡化島的連續(xù)運(yùn)行。該系統(tǒng)受天氣變化波動(dòng)較小，能保持系統(tǒng)和設(shè)備的穩(wěn)定性，保證下游用水的穩(wěn)定性，而且不存在系統(tǒng)熔鹽防凝問題，系統(tǒng)簡(jiǎn)練，易于控制。根據(jù)上述分析，設(shè)計(jì)系統(tǒng)為太陽(yáng)能槽式集熱+燃?xì)忮仩t+MED 海水淡化的系統(tǒng)方案。

采用太陽(yáng)能與燃?xì)忮仩t共同產(chǎn)生蒸汽驅(qū)動(dòng)低溫多效海水淡化系統(tǒng)。在陰天或者晚上燃?xì)忮仩t100%負(fù)荷工作，晴好的白天燃?xì)忮仩t變工況運(yùn)行，太陽(yáng)能系統(tǒng)參與補(bǔ)汽，保證進(jìn)入海水淡化系統(tǒng)的主蒸汽量保持一致。維持整個(gè)海水淡化系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)采用槽式太陽(yáng)能系統(tǒng)，導(dǎo)熱油在集熱管中吸取太陽(yáng)能后經(jīng)過油水換熱器（蒸發(fā)器）產(chǎn)生出海水淡化系統(tǒng)所需參數(shù)的主蒸汽。

本方案太陽(yáng)島部分采用槽式太陽(yáng)能集熱工藝，采用國(guó)外高科技集熱管材，對(duì)太陽(yáng)能的吸收率可達(dá)到96%。采用6m 開口，利用二次反射集熱技術(shù)，充分采集太陽(yáng)能［2］，導(dǎo)熱油在集熱管內(nèi)吸收太陽(yáng)能后在蒸發(fā)器內(nèi)與水發(fā)生熱量交換，產(chǎn)生海水淡化系統(tǒng)所需條件的蒸汽。設(shè)計(jì)擬采用45t/h的補(bǔ)汽量。與燃?xì)忮仩t一起保證整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

圖1 太陽(yáng)能槽式集熱+燃?xì)忮仩t+MED 海水淡化系統(tǒng)方案

海水淡化系統(tǒng)采用低溫多效蒸餾系統(tǒng)（MED-TVC），單機(jī)出力不低于10000t/d，產(chǎn)品淡水的水質(zhì)TDS 不大于5mg/L。裝置年利用率大于98%，出力可在額定出力的40%～110%的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。

3.1 低溫多效蒸餾海水淡化系統(tǒng)方案

低溫多效蒸餾海水淡化系統(tǒng)主要由蒸發(fā)器、冷凝器和閃蒸罐組成?？紤]到經(jīng)濟(jì)和實(shí)際運(yùn)行因素，常在蒸發(fā)器前加入預(yù)熱器來預(yù)熱海水，并在淡化系統(tǒng)內(nèi)加設(shè)蒸汽壓縮機(jī)（TVC）。

圖2 自主研發(fā)程序界面

低溫多效蒸餾海水淡化系統(tǒng)的熱力系統(tǒng)采用我公司自主研發(fā)程序計(jì)算。該程序經(jīng)過兩年的研發(fā)，已做過多次項(xiàng)目方案驗(yàn)證，結(jié)果真實(shí)可靠?？勺鳛镸ED 系統(tǒng)熱力設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)計(jì)算軟件［3］。

MED 海水淡化裝置蒸發(fā)器效數(shù)直接與裝置的造水比相關(guān)，每增加一效，其造水比大幅增加，因此，增加效數(shù)是提高M(jìn)ED 海水淡化裝置造水比的直接途徑。造水比增加，系統(tǒng)運(yùn)行收益會(huì)增加，然而增加效數(shù)會(huì)直接導(dǎo)致系統(tǒng)初投資額的增加。為了確保系統(tǒng)的收益，必須對(duì)造水比和系統(tǒng)初投資進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

設(shè)計(jì)結(jié)果如表1 所示。

表1 海水淡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)果

3.2 系統(tǒng)換熱設(shè)備設(shè)計(jì)

太陽(yáng)能海水淡化系統(tǒng)采用由73.5%的二苯醚和26.5%的聯(lián)苯組成的混合物作為換熱介質(zhì)。該介質(zhì)具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，最高油膜溫度可達(dá)400℃；具有較低的蒸汽壓；液相粘度較低系統(tǒng)阻力可相對(duì)減低；安全性較好，在正常使用的情況下幾乎不存在發(fā)生爆炸的危險(xiǎn)；對(duì)設(shè)備無(wú)腐蝕。介質(zhì)在太陽(yáng)能場(chǎng)溫度使用范圍控制在293℃～393℃之間。

利用HTRI進(jìn)行系統(tǒng)換熱設(shè)備的計(jì)算。系統(tǒng)水汽側(cè)參數(shù)已知（回水采用第一效凝結(jié)水），由熱力計(jì)算確定油側(cè)相關(guān)參數(shù)。換熱系統(tǒng)采用預(yù)熱器-蒸發(fā)器-過熱器單列形式。換熱器均采用管殼式換熱器。

表2 換熱器設(shè)計(jì)條件

表3 換熱器設(shè)計(jì)結(jié)果

3.3 集熱場(chǎng)設(shè)計(jì)方案

聚光系統(tǒng)是系統(tǒng)的核心，由槽式拋物面反光鏡跟蹤裝置構(gòu)成。跟蹤方式通常采用一維跟蹤，有南北、東西布置方式。

由28個(gè)反射鏡面（RP）和3個(gè)吸熱管（HCE）組成太陽(yáng)能集收元件（SCE），由12個(gè)SCE 連接構(gòu)成太陽(yáng)能集收組合（SCA），4個(gè)SCA 組成一個(gè)回路（LOOP），回路的集合構(gòu)成太陽(yáng)集熱場(chǎng)區(qū)（SOF）。

鏡場(chǎng)中擬采用47個(gè)回路，其中每個(gè)回路長(zhǎng)約600m，每個(gè)回路包含有1344 塊拋物面反射鏡，144個(gè)集熱管，4個(gè)鏡場(chǎng)驅(qū)動(dòng)裝置（追日系統(tǒng)），系統(tǒng)總占地面積141 英畝。

太陽(yáng)能集熱器組合（SCA）包括：鏡面、背架、集熱管、跟蹤系統(tǒng)（包括：驅(qū)動(dòng)、控制和傳感器）。

4 太陽(yáng)能海水淡化系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性分析與系統(tǒng)優(yōu)化

太陽(yáng)能光熱系統(tǒng)和海水淡化系統(tǒng)的成本分為建造成本和運(yùn)行成本兩個(gè)部分，而蒸汽參數(shù)是連接兩個(gè)系統(tǒng)成本的中間橋梁。對(duì)于太陽(yáng)能光熱系統(tǒng)，蒸汽參數(shù)的提升意味著初期建造成本和運(yùn)行成本都會(huì)相應(yīng)的提升，而相反的，對(duì)于海水淡化系統(tǒng)來說，綜合成本反而是呈下降趨勢(shì)的［4］。太陽(yáng)能海水淡化系統(tǒng)作為一個(gè)整體系統(tǒng)，其經(jīng)濟(jì)性在很大程度上都取決于系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的選擇。在系統(tǒng)的熱力設(shè)計(jì)階段，太陽(yáng)能光熱系統(tǒng)和海水淡化熱力系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)需要相互匹配，形成最具經(jīng)濟(jì)性的最為優(yōu)化的一個(gè)組合。

圖3 優(yōu)化設(shè)計(jì)流程

5 結(jié)論

太陽(yáng)能海水淡化系統(tǒng)是綠色循環(huán)系統(tǒng)，系統(tǒng)耗用能源為清潔能源，海水淡化系統(tǒng)產(chǎn)生的淡化水用途主要有三個(gè)方面：（1）工業(yè)用水。產(chǎn)生淡水可以為工業(yè)用戶提供使用水；（2）民用。海水淡化系統(tǒng)產(chǎn)生淡水水質(zhì)可直接飲用或者直接作為耕地用水，改善沿海鹽堿地環(huán)境，改善農(nóng)耕；（3）可以提供太陽(yáng)島清洗等用水。而淡化導(dǎo)致的濃鹽水供給下游鹽場(chǎng)，作為制鹽原料。這樣可以減少鹽場(chǎng)投入。

本方案集節(jié)能、減排、新能源、開源、降耗于一身，為新式能源利用模式提供技術(shù)保證。哈汽公司具備太陽(yáng)能海水淡化系統(tǒng)的熱力設(shè)計(jì)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)的能力，希望以后可以為整個(gè)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展做出積極的貢獻(xiàn)。

［1］趙奎文，劉業(yè)鳳.潮汐能太陽(yáng)能多效蒸餾海水淡化裝置的模擬與測(cè)試［J］.制冷技術(shù)，2008（2）：17-21.

［2］熊亞選，等.槽式太陽(yáng)能聚光集熱技術(shù)［J］.太陽(yáng)能，2009（6）：21-26.

［3］楊洛鵬，沈勝?gòu)?qiáng).低溫多效蒸發(fā)海水淡化系統(tǒng)熱力分析［J］.化學(xué)工程，2006，34（11）：20-24.

［4］王世昌.海水淡化工程［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.