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)濟性能的最重要的參數(shù)?；诖思夹g的海水淡化系統(tǒng)具有較高的造水比，在實際的工業(yè)生產(chǎn)中已得到廣泛應用。目前利用電廠、化工廠或低溫核反應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)的重要評價指標，對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造水比的影響，發(fā)現(xiàn)對于效數(shù)較少的多效海水淡化裝置,宜選擇平流進料,當效數(shù)多時,可考慮采用逆流進料或逆流與平流相結合的混流進料方式。隨著海水濃縮倍數(shù)提高,造水比相應增大。逆流進料效間溫差越小,造水比越高,而平流進料和順流進料則可采用較大的效間溫差。馬學虎[3]等通過實驗系統(tǒng)地研究了不同海水進料量及首效蒸汽溫度對造水比、濃縮比和產(chǎn)品水質(zhì)等關鍵參數(shù)的影響，認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，濃縮比隨著進料量的增大而減少，造水比隨著進料量的增大而增大。根據(jù)對北疆電廠實際工程的監(jiān)測[4]，找出影響造水比的四個主要因素，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（TVC）。通過綜合治理,節(jié)能達到了預期效果。通過仿真[5],系統(tǒng)分析諸如物料水溫度對造水比的影響，以“7+2平流工藝”為研究對象，分析不同位置的預熱器、不同換熱端差溫度、不同熱源對裝置造水比的影響?？傊?，對造水比的影響除了受系統(tǒng)本身物料參數(shù)的影響，還與其工藝進料方式密切相關。

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

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)為研究對象，技術方案：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)生動力蒸汽，然后依次進入各效室蒸發(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”進料方式，并在各段之間設置回熱器/凝結水冷卻器調(diào)節(jié)噴淋海水的溫度。水冷卻器在冷卻產(chǎn)品水的同時可提升部分進料海水的溫度。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與熱水進出口的焓 hm等參數(shù)計算，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

進料海水進入冷凝器后在升溫的同時，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）計算，總噴淋海水的量見圖5中方程（19）。

2.4 回熱器

如圖6所示回熱器是通過抽取第4效室中的部分海水蒸汽d4z在回熱器中冷凝，以提升第3,4效的進料海水的溫度。噴淋海水溫升的計算公式如圖6中方程（21）所示。

其他如凝結水冷凝器和產(chǎn)品水冷凝器的模型也與回熱器模型類似。本研究模型以表1中的參數(shù)為初始條件，對不同工況條件下造水比影響因素進行分析。

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 回熱器模型

表1 低溫多效海水淡化分析模型初始條件

3 結果分析

1)相同的進料海水流量，不同進料海水溫度對造水比的影響

考慮海水溫度在冬夏不同季節(jié)的變化對造水比的影響。根據(jù)分析結果，在相同工況下，若進入冷凝器前的進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”的進料方式，每段所包含的兩效之間的進料溫度線雖看似平行，數(shù)值結果顯示，3-4效進料溫度與1-2效進料溫度之間的差值在縮小，即表明當逐步提高了進料海水溫度后，同步提升了噴淋海水在進入各效室后作為進料的溫度，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 不同進料海水溫度條件下的影響分析

2)相同進料海水溫度，不同進料海水流量對造水比的影響

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

圖8 不同進料海水流量條件下的影響分析

3)不同效間溫差對造水比的影響

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，每效的進料溫度與其效室蒸發(fā)溫度相差很大，導致噴淋海水在進料溫度下需要經(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的進料溫度時，噴淋液在進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。為進一步提升噴淋蒸發(fā)效果，可在效間溫差設定后，通過調(diào)節(jié)噴淋海水進料溫度，使其每效接近相應的蒸發(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)冷卻水排放對熱系統(tǒng)熱利用的影響

以“分段平流”進料方式的低溫多效海水淡化系統(tǒng)，其每段間可以通過回熱器或凝水冷卻器來調(diào)節(jié)進料海水的噴淋溫度，因此對于初始進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，將導致進料海水的減少，如圖10(b)所示，從而使進料海水經(jīng)過冷凝器后的進料溫度升高，造水比由5．5升高到5．8。同時經(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料溫度、冷卻水的排放量，以保證系統(tǒng)達到最佳的造水比。

4 結論

造水比是反映低溫多效海水淡化經(jīng)濟性的一個重要評價指標，通過對其影響因素的分析以尋求提高系統(tǒng)熱效率的最佳應用途徑有一定的指導意義。通過對實際工程中應用的“分段平流”進料方式的海水淡化系統(tǒng)進行熱性能分析，發(fā)現(xiàn)通過對以下熱力過程的優(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。對本案例中的“分段平流”進料方式，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料溫度可通過回熱或抽汽等方式應控制在稍高于其相應的蒸發(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。