海濱電廠低溫多效蒸餾海水淡化的工藝設(shè)計

張 贏

(廣東省電力設(shè)計研究院，廣東 廣州 510663)

海濱電廠低溫多效蒸餾海水淡化的工藝設(shè)計

張 贏

(廣東省電力設(shè)計研究院，廣東 廣州 510663)

針對海濱電廠低溫多效蒸餾海水淡化系統(tǒng)(MED)變工況運行的特點，本文結(jié)合一個日產(chǎn)12000t淡水的工程實例，對MED的工藝系統(tǒng)、設(shè)計條件、設(shè)備配置進行了詳細說明，闡述了MED工藝設(shè)計時應(yīng)滿足其不同工況的要求，并提出了一些設(shè)計原則。

海濱電廠；低溫多效蒸餾海水；變工況；工藝設(shè)計。

1 MED工作原理和設(shè)計條件

1.1 工作原理

MED是把一系列的水平管噴淋降膜蒸發(fā)器串聯(lián)起來，成為多效蒸發(fā)器，將一定量的蒸汽輸入蒸發(fā)器內(nèi)部的水平管，同時海水由噴淋系統(tǒng)沿各效蒸發(fā)器的頂排管以薄膜形式向下自由流動，使得水平管的內(nèi)外壁發(fā)生蒸汽的冷凝和海水的蒸發(fā)，再收集冷凝后的淡水，并將生成的蒸汽引入后一效蒸發(fā)器水平管中再次進行蒸汽的冷凝和海水的蒸發(fā)，由于后一效的蒸發(fā)溫度均低于前一效，通過多次的蒸發(fā)和冷凝，從而得到多倍于原始蒸汽量的淡水[1]。

1.2 設(shè)計條件

1.2.1 海水要求

MED所取的海水一部分用于進多效蒸發(fā)器，稱為物料水；另一部分用于冷卻，稱為冷卻水。

MED對于海水的水質(zhì)條件相比反滲透膜法寬松很多，除了總懸浮固體量≤50mg/L、余氯≤0.1mg/L外，其他基本無特別要求。寬松的進水水質(zhì)要求也表明了MED對于不同海域、不同海水水質(zhì)具有很好的適應(yīng)性，應(yīng)用范圍廣泛。

通常情況下，海濱電廠所需海水可直接通過取水泵或循環(huán)水泵獲得，由于所取海水部分應(yīng)用于冷卻，因此一般不宜采用電廠的循環(huán)水排水作為MED水源，但北方電廠由于循環(huán)水排水溫度不高，可考慮使用，從而降低投資。

針對MED的進水條件，預處理采用一般的混凝、過濾，配合加藥就可以達到要求了[2]，原海水能夠直接滿足要求的甚至可以不設(shè)置海水預處理系統(tǒng)，能大大的減少投資。

1.2.2 蒸汽要求

M E D通過蒸汽來驅(qū)動，很低的壓力(0.2ata～0.5ata)就可以進行工作，如果壓力大于2ata，那么就可以配備蒸汽噴射壓縮器(TVC)來提高熱效率。

對于應(yīng)用MED的海濱電廠而言，若電廠為新建，MED啟動用蒸汽可來自啟動鍋爐，正常運行時來自機組汽輪機抽汽；若電廠為擴建，那么MED啟動用蒸汽可來自前期機組汽輪機抽汽，正常運行時來自前期或擴建機組的汽輪機抽汽均可。

1.2.3 壓縮空氣要求

壓縮空氣主要用于MED裝置的氣動閥門，供氣壓力0.4MPa～0.75MPa，溫度＜50℃，可由電廠空壓機供給。

1.2.4 產(chǎn)水水質(zhì)及應(yīng)用

盡管MED具備寬松的海水進水水質(zhì)條件，但并不影響其產(chǎn)水水質(zhì)，相反，其低于5mg/L的產(chǎn)水含鹽量相比反滲透膜法、甚至閃蒸都具備一定的優(yōu)勢。

MED產(chǎn)水pH值基本呈中性，具有一定的硬度，水體具有較好的緩沖性能，對于鋼管的腐蝕小，不用對水質(zhì)進行調(diào)節(jié)。

基于上述優(yōu)點，MED產(chǎn)水在電廠可作為消防用水、生活用水、飲用水、鍋爐補給水處理水源等，需注意的是，由于MED第一效凝結(jié)水是由所進蒸汽冷凝而成，若所用蒸汽來源于汽輪機抽汽，那么一般含有氨，這種情況下，第一效的凝結(jié)水不應(yīng)用于飲用水。

2 MED設(shè)備配置及設(shè)計原則

應(yīng)用于海濱電廠的MED，其蒸汽基本來自汽輪機抽汽，由于抽汽壓力較高，普遍配備TVC裝置。另外，針對發(fā)電廠負荷的變化所引起的淡水用量的變化，MED可以通過調(diào)整蒸汽用量來改變出力，調(diào)節(jié)范圍達40%～110%[3]，加之海水的溫度和用量也是有變化的，電廠實際運行中對淡水的需求量也是有變化的，因此，整個MED是變工況的系統(tǒng)。

表1為國產(chǎn)某日產(chǎn)淡水量12000t的TVCMED系統(tǒng)的整體設(shè)計參數(shù)，以該套濱海電廠MED系統(tǒng)為例，展開論述。

表1 國產(chǎn)某產(chǎn)水12000t/d TVC－MED系統(tǒng)整體設(shè)計參數(shù)

2.1 MED主設(shè)備

MED主設(shè)備包括蒸發(fā)器、蒸汽噴射壓縮器(TVC)、凝汽器和射汽抽氣器。

2.1.1 蒸發(fā)器

蒸發(fā)器是海水淡化裝置的主要換熱設(shè)備，采用管內(nèi)凝結(jié)和管外降膜蒸發(fā)的換熱型式。組成部分為：蒸發(fā)器殼體、換熱管束、海水噴淋系統(tǒng)、汽水分離器、水蒸氣通道、前水室及水封裝置、后水室及水封裝置、淡水聯(lián)接管、鹽水聯(lián)接管、不凝氣抽出口等。每一效設(shè)有檢修人孔，某些效之間會留有中間段作為檢修空間。

表2所列為該套MED蒸發(fā)器的額定工作參數(shù)。

表2 蒸發(fā)器額定工作參數(shù)

蒸發(fā)器外殼采用碳鋼涂層，并設(shè)置犧牲陽極保護；上三排換熱管束采用鈦管，其余采用鋁合金或銅合金換熱管，這是由于銅、鋁合金管道雖然換熱性能高、造價低，但是若裝配于蒸發(fā)器上部，會受到噴淋海水帶來的沖刷腐蝕，因此，上部管束用鈦管替代。

內(nèi)部構(gòu)件中，汽水分離器通常采用絲網(wǎng)除霧器；水封采用彎管，高度值根據(jù)前后效的設(shè)計壓力差來確定；汽水隔板及加強件結(jié)構(gòu)形式應(yīng)有利于蒸汽均勻流動，不產(chǎn)生渦流及局部過大的汽速；噴淋系統(tǒng)應(yīng)采用大口噴嘴，防止堵塞。

此外，每一效安裝觀察窗，以便觀察海水的噴淋情況和頂部管排的狀況，或在冷卻運行中檢查和確認噴淋系統(tǒng)是否堵塞或工作異常。為保證設(shè)備本體的安全，嚴防超壓破壞設(shè)備結(jié)構(gòu)，還需設(shè)置防爆門。

蒸發(fā)器的殼體、支座、管板等需要根據(jù)MED不同運行工況，特別是最不利工況(包括滿水工況)，并結(jié)合當?shù)氐臍夂驐l件、地震條件，進行各類強度和穩(wěn)定性計算。

2.1.2 蒸汽壓縮噴射器(TVC)

TVC利用動力蒸汽的富余壓力抽取蒸發(fā)器后效的低壓蒸汽，經(jīng)混合壓縮，提高低壓蒸汽壓力和溫度，形成滿足工藝要求的蒸汽，輸回至蒸發(fā)器第一效前，作為第一效的加熱蒸汽。此舉減少了汽輪機組的抽汽量，同時減少了末效蒸發(fā)器后的冷凝器的負荷，降低了冷端損失，提高了熱效率[4]。

由于汽輪機抽汽的溫度較高(300℃左右)，因此，往往在TVC的前后設(shè)置噴水減溫器，調(diào)節(jié)進氣溫度。

表3所列為該套MED 蒸汽壓縮噴射器(TVC)的額定工作參數(shù)。

表3 TVC額定工作參數(shù)

TVC的設(shè)計應(yīng)遵循MED不同運行工況下的熱質(zhì)平衡，確立其主要工況下的設(shè)計參數(shù)，并結(jié)合制造廠提供的參數(shù)值，進行修正。

2.1.3 凝汽器

凝汽器為強制循環(huán)表面式，設(shè)置在蒸發(fā)器末端，用于冷凝末效海水蒸發(fā)產(chǎn)生的二次蒸汽，同時預熱物料水。

表4所列為該套MED凝汽器的額定工作參數(shù)。

表4 凝汽器額定工作參數(shù)

凝汽器換熱管采用鈦管，管板和隔板材質(zhì)選用不銹鋼316L。

設(shè)計時，凝汽器結(jié)構(gòu)應(yīng)有足夠的強度和剛度，能夠在MED不同運行工況和雪載、風載及地震力等各種外部條件的危險組合條件下工作；并應(yīng)考慮熱膨脹和檢修荷載。

2.1.4 射汽抽氣器

MED蒸發(fā)器工作在負壓真空狀態(tài)，設(shè)備密封不嚴密會有空氣漏入，海水中溶解的不凝結(jié)氣體也會隨物料水進入蒸發(fā)器。如果不及時將不凝結(jié)氣體排出，會造成蒸發(fā)器壓力提高，溫度偏離設(shè)計工況；不凝結(jié)氣體的富集還將影響換熱效率，制水達不到設(shè)計值。為使海水淡化設(shè)備工作正常，設(shè)置抽真空設(shè)備將蒸發(fā)器內(nèi)不凝結(jié)氣體排出。

射汽抽氣器用于MED啟動和運行時抽真空用，一般設(shè)置1臺啟動射汽抽氣器和多級射器抽汽器。啟動用射器抽汽器用于MED啟動階段快速達到真空度要求；正常運行采用多級射器抽汽器(也可為一級)，用于將運行產(chǎn)水的不凝汽抽出，維持正常運行的真空度要求。

表5所列為該套MED射汽抽汽器的工作參數(shù)。

表4 凝汽器額定工作參數(shù)

射器抽汽器的工作參數(shù)應(yīng)根據(jù)MED的蒸汽參數(shù)、設(shè)備空氣容量、真空度要求以及抽汽時間要求來共同確定。

2.2 MED輔助設(shè)備

MED輔助設(shè)備主要包括水泵、換熱器、加藥設(shè)備、調(diào)節(jié)閥。

2.2.1 水泵

水泵主要有五種：

物料水泵：用于將海水升壓，進入各效蒸發(fā)器噴淋系統(tǒng)。

凝結(jié)水泵：用于將第一效的冷凝水升壓，便于輸送到用水點或水箱，并可提供TVC后噴水減溫器的減溫用水。

成品水泵：用于將逐效匯流而成的成品淡水升壓，便于輸送到用水點或水箱。

鹽水排放泵：用于將逐效匯流而成的鹽水(濃縮后的海水)升壓，便于輸送到排放點。

減溫水泵：將凝結(jié)水泵出口的部分凝結(jié)水再升壓，用于TVC前噴水減溫器的減溫用水。

水泵一般采用臥式離心泵或臥式雙吸中開泵，物料水泵和鹽水排放泵由于流量大，電機功率往往超過200kW，需要6kV電源。

由于MED是變工況系統(tǒng)，水泵的流量應(yīng)按照其最大流量工況進行設(shè)計，但為了保證海水噴淋系統(tǒng)的一致、穩(wěn)定性，進蒸發(fā)器的物料水流量始終是恒定的，即物料水泵的流量是恒定的。

水泵的揚程應(yīng)按下列要求確定：

⑴物料水泵揚程根據(jù)物料水管道的布置、蒸發(fā)器的高度來計算、應(yīng)保證物料水到達蒸發(fā)器各效噴淋系統(tǒng)時有0.5bar左右的壓力余量，因此，設(shè)計中，應(yīng)詳細計算管段、管件、設(shè)備的壓力損失，反推得出水泵揚程；

⑵凝結(jié)水泵、成品水泵、鹽水排放泵的揚程應(yīng)根據(jù)各用水點或者排水點的壓力要求，結(jié)合管道的布置來確定；

⑶減溫水升壓泵應(yīng)根據(jù)凝結(jié)水泵的揚程、TVC減溫水噴射器的要求，結(jié)合蒸汽溫度以及管道布置來確定。

2.2.2 換熱器

MED的運行總的來說是一個熱質(zhì)傳遞的過程，輸入蒸汽和海水，輸出淡水和鹽水。

根據(jù)熱質(zhì)傳遞的平衡原理，MED系統(tǒng)得到的淡水和鹽水溫度都比較高，對于用水和排水是不利甚至是不合要求的，因此，MED系統(tǒng)需設(shè)置換熱器，大體有四類：

海水預熱器：利用鹽水來加熱物料水，使之滿足進凝汽器的水溫要求，提高換熱效果，同時冷卻部分鹽水。

物料水回熱加熱器：利用第一效凝結(jié)水來加熱物料水泵出口的海水，提高進蒸發(fā)器的物料水溫度，同時首次冷卻凝結(jié)水。

凝結(jié)水冷卻器：利用海水來二次冷卻凝結(jié)水，使得凝結(jié)水的水溫滿足用水點或者后續(xù)處理工藝系統(tǒng)的要求。

成品水冷卻器：利用海水來冷卻成品水，使得凝結(jié)水的水溫滿足用水點或者后續(xù)處理工藝系統(tǒng)的要求。

換熱器用于提高熱效率和保證產(chǎn)水溫度，一般采用熱交換效率較高、占地較小的板片結(jié)構(gòu)。換熱板采用鈦板，兩側(cè)介質(zhì)采用逆向流動，以增加換熱效果，進出口采用同側(cè)布置。

MED換熱器也是在變工況下工作的，應(yīng)按照最不利工況條件進行設(shè)計，并保證其換熱效果。具體應(yīng)根據(jù)不同工況下的冷卻水、被冷卻水的熱力參數(shù)(溫度、壓力、焓值)，加之換熱器的具體型式來進行計算。

2.2.3 加藥設(shè)備

MED一般設(shè)置加消泡劑裝置、加阻垢劑裝置和酸洗裝置。

⑴加消泡劑裝置

在溫度較高或雨后，海水表面易產(chǎn)生泡沫，帶有泡沫的海水噴淋到蒸發(fā)管表面會影響熱交換，因此需要在物料水中加入消泡劑來降低海水的表面張力，防止和減少泡沫的產(chǎn)生。

⑵加阻垢劑裝置

MED運行過程必須對物料水連續(xù)投加阻垢劑，以降低蒸發(fā)器換熱管結(jié)垢速率。對鹽水的最高溫度的規(guī)定也是為了保證能夠通過添加阻垢劑來控制結(jié)垢問題。

⑶酸洗裝置

當MED產(chǎn)水量出現(xiàn)下降、定期檢查時發(fā)現(xiàn)有結(jié)垢等情況出現(xiàn)時，應(yīng)進行酸洗。酸洗液可由鹽酸、檸檬酸來進行配制。

加酸裝置可固定設(shè)置或臨時設(shè)置，通過鹽水泵加入到物料水系統(tǒng)，經(jīng)噴淋系統(tǒng)進入蒸發(fā)器和凝汽器，進行酸洗，在正常的操作條件下，MED裝置每年只需進行一次酸洗。

加藥系統(tǒng)的藥品濃度、添加量應(yīng)根據(jù)海水水質(zhì)，并參照相似工程確定其推薦值，最終應(yīng)以系統(tǒng)調(diào)試、運行情況確定。

2.2.4 調(diào)節(jié)閥

MED變工況運行以及部分自動化控制都是依靠調(diào)節(jié)閥來進行的，因此，調(diào)節(jié)閥的選擇是非常重要的，下述列舉的是MED常配備的調(diào)節(jié)閥：

⑴海水預熱器海水旁路流量調(diào)節(jié)閥

⑵海水預熱器鹽水旁路流量調(diào)節(jié)閥

⑶成品水冷卻器海水排放流量調(diào)節(jié)閥

⑷凝汽器后海水排放流量調(diào)節(jié)閥

⑸物料水流量調(diào)節(jié)閥

⑹凝結(jié)水泵流量調(diào)節(jié)閥

⑺成品水泵流量調(diào)節(jié)閥

⑻鹽水排放泵流量調(diào)節(jié)閥

⑼TVC入口蒸汽減溫水流量調(diào)節(jié)閥

由于MED工況的改變并不要求一定在瞬間內(nèi)完成，因此調(diào)節(jié)閥執(zhí)行機構(gòu)采用氣動或電動均可；調(diào)節(jié)閥類型視工程情況和用戶要求而定，通常為了降低造價，采用調(diào)節(jié)型蝶閥。

調(diào)節(jié)閥的流量范圍根據(jù)不同工況來確定，應(yīng)保證調(diào)節(jié)閥在其最小流量和最大流量間處于很好的線性關(guān)系；需按最大流量和進出口最小壓差計算Cv值或Kv值，然后根據(jù)閥門制造廠提供的Cv值或Kv值性能曲線來進行調(diào)節(jié)閥的選擇。

3 結(jié)論

MED由于其寬泛的進水條件和優(yōu)良而穩(wěn)定的產(chǎn)水水質(zhì)在海濱電廠中越來越多的被采用，實際運行中其工況是經(jīng)常變化的，工藝設(shè)計時，應(yīng)依據(jù)淡水產(chǎn)量、海水溫度等條件建立多種典型的MED工況模型，包括最不利的工況模型，并通過計算得到不同工況下的設(shè)計參數(shù)。

主設(shè)備(蒸發(fā)器、TVC、凝汽器、射汽抽氣器)應(yīng)根據(jù)所建立的各種典型工況，特別是最不利工況的參數(shù)來進行選型和匹配，并保證設(shè)備能在MED工況改變的過程中很好的與之契合。

輔助設(shè)備(水泵、換熱器、加藥裝置、調(diào)節(jié)閥)應(yīng)在主設(shè)備參數(shù)確定之后，根據(jù)所建立的各類典型工況，特別是最不利工況的參數(shù)來進行選型和匹配。

各類設(shè)備的材質(zhì)需要根據(jù)所接觸的介質(zhì)來選定，主設(shè)備的強度還要根據(jù)各種典型工況和外部環(huán)境條件通過計算確定。

[1]馬樂農(nóng)．低溫多效海水淡化裝置技術(shù)在電廠的應(yīng)用[J]．河北電力技術(shù)，2005，(24)5．

[2]張建麗．低溫多效海水淡化系統(tǒng)預處理工藝在黃驊電廠的應(yīng)用[J]．電力設(shè)備，2008，(9)．

[3]孫小軍，劉克威，龐毅，何彩燕.國產(chǎn)萬噸級低溫多效海水淡化技術(shù)應(yīng)用[J].水處理技術(shù)，2010， (36)1．

[4]沈勝強，孫甜悅，劉曉華，楊洛鵬．TVC 在MED海水淡化裝置中的作用和性能分析[J]．熱科學與技術(shù)，010，(9)2．

Technical Design on Low-Temperature Multi-Effect Distillation (MED) in Seaside Power Plant

ZHANG Ying
(Guangdong Electric Power Design Institute, Guangzhou 510663, China)

Low-temperature multi-effect distillation(MED) in seaside power plant is always on unsteady state operation conditions. Combining with an engineering project of which fresh water daily output is 12000t, this article expounds the technical system, design conditions, equipments con fi guration of MED; points out that the technical design on MED should meet the demands of different operation conditions, And gives some design principles.

seaside power plant; MED; unsteady state; technical design.

TM621

B

1671-9913(2011)02-0039-05

2011-02-21

張贏(1981- )，男，漢族，浙江上虞人，工程師，碩士，