電站余熱淡化海水研究

魯海軍，溫 高

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010000）

1 引言

目前熱電站燃料燃燒釋放的熱能，僅有約30%～40%轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽溆酂崮軇t以不同形式排入大氣中，其中凝汽器損失熱量即冷源損失最大，占總熱量的40%以上，且屬于低品位熱能，通常被稱(chēng)作電站余熱。此外，我國(guó)淡水資源總量為2.8×1012m3，盡管居全球第4位，但人均占有量極少，僅為世界人均占有量的25%，屬于世界淡水缺乏國(guó)之一［1，2］。在國(guó)民經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展與淡水資源缺乏矛盾日益突出的今天，海水淡化問(wèn)題受到高度關(guān)注，甚至有學(xué)者提出了“引渤濟(jì)疆”的設(shè)想，其關(guān)鍵技術(shù)之一，就是利用電站余熱淡化海水的技術(shù)。

利用電站余熱淡化海水屬熱法的蒸餾法海水淡化技術(shù)范疇，分為多級(jí)閃蒸、多效蒸餾和壓氣蒸餾。這些技術(shù)在水電聯(lián)產(chǎn)應(yīng)用中，均以低壓蒸汽為熱源，以減少機(jī)組發(fā)電量為代價(jià)，電站余熱利用率低。為提高電站余熱利用率，本文探索了直接利用燃煤電站汽輪機(jī)做功乏汽作為熱源的淡化海水方法，對(duì)其造水比及經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了分析。

2 海水淡化裝置與系統(tǒng)溫度分布

2.1 海水淡化裝置系統(tǒng)

圖1示意了直接利用燃煤電站余熱淡化海水裝置工藝流程，主要由海水加熱系統(tǒng)、閃蒸系統(tǒng)、冷凝系統(tǒng)、淡水輸出系統(tǒng)、取水與排水系統(tǒng)等組成。

（1）加熱系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)預(yù)處理的海水進(jìn)入蒸汽冷凝器換熱后送入凝汽器冷凝汽輪機(jī)乏汽，通過(guò)熱交換升溫后的海水送入閃蒸室。

（2）閃蒸系統(tǒng)。由凝汽器加熱的海水在閃蒸室內(nèi)完成汽化。閃蒸初始階段要求的真空。通過(guò)真空泵來(lái)實(shí)現(xiàn)所需的壓力要求（海水預(yù)熱器內(nèi)達(dá)到同樣的真空），抽到所需真空時(shí)，停用真空泵。在運(yùn)行階段真空要通過(guò)冷凝器內(nèi)由于海水溫度差引起的真空度來(lái)引出蒸汽。

圖1 電站余熱淡化海水流程示意

（3）冷凝系統(tǒng)。來(lái)自閃蒸室的氣體，通過(guò)除霧器，進(jìn)入冷凝器內(nèi)冷凝成淡水，該冷凝依靠的是溫度較低的進(jìn)料海水。

（4）淡水輸出。冷凝器中冷凝的淡水，流入淡水儲(chǔ)箱，通過(guò)淡水泵將其輸出到系統(tǒng)外，供鍋爐補(bǔ)充水和其他用途。

（5）取、排水裝置。通過(guò)預(yù)處理的海水，經(jīng)過(guò)專(zhuān)用的取水泵，將海水送入冷凝器中換熱。從閃蒸室內(nèi)流出的未閃蒸的海水通過(guò)排水泵排入大海。

本裝置所利用的燃煤電站余熱主要用來(lái)加熱進(jìn)料海水，使其溫度升高，提高系統(tǒng)的產(chǎn)水量。

2.2 系統(tǒng)溫度分布

給海水進(jìn)入裝置時(shí)的溫度為T(mén)cw，在海水預(yù)熱器中，被加熱到t1，由于系統(tǒng)補(bǔ)充海水Mf和冷卻水Mcw的來(lái)源相同，因此，系統(tǒng)冷卻水排放溫度與系統(tǒng)補(bǔ)充海水溫度二者相等［3］。流量為（Mf＋Mcw）的海水在流過(guò)海水預(yù)熱器時(shí)，溫度升高為t1，接著由于汽輪機(jī)乏汽放出凝結(jié)熱，海水溫度達(dá)到T0，即系統(tǒng)中最高海水溫度。

為了保持凝汽器中的傳熱溫差，乏汽溫度Ts一定要比T0高。溫度為T(mén)0的海水進(jìn)入閃蒸室內(nèi)閃蒸，溫度降低，同時(shí)，系統(tǒng)的濃鹽水流量減少。

在整個(gè)系統(tǒng)中，溫度可以精確的測(cè)到，而離開(kāi)閃蒸室的海水溫度降低ΔTst，這個(gè)溫度被稱(chēng)為閃蒸溫差，對(duì)于多個(gè)閃蒸室的溫度降低幅度近似相等，該系統(tǒng)的級(jí)間溫差為：

式中，T1為排放鹽水溫度，℃。在閃蒸裝置的設(shè)計(jì)過(guò)程中，閃蒸溫差是一個(gè)非常重要的參數(shù)。凝汽器中海水的溫差為（T0－t1）應(yīng)該等于整個(gè)閃蒸室溫降ΔTst、冷凝器傳熱端差TTDc和熱力學(xué)能的損耗ΔTtoss三者之和：

該裝置單級(jí)閃蒸溫度分布如圖2。

圖2 單級(jí)閃蒸系統(tǒng)溫度分布

3 數(shù)學(xué)模型

3.1 熱量平衡

對(duì)該裝置建立數(shù)學(xué)模型，它包括總質(zhì)量和鹽平衡，傳質(zhì)單元的流量平衡，以及凝汽器和冷凝器能量平衡［4］。總質(zhì)量和鹽平衡如下：

式中，Md為濃鹽水排放量，kg／s；Md為淡水產(chǎn)量，kg／s；Xf為進(jìn)料海水濃度，mg／L；Xb為排放鹽水濃度，mg／L；假設(shè)蒸汽中含鹽量為零。

凝汽器和蒸汽冷凝器的能量平衡分別如下：

式中，Ms為凝汽器排汽量，kg／s；Cp為定壓比熱4.18kJ／（kg·℃）；λs為排汽凝結(jié)潛熱，kJ／kg；λv為閃蒸蒸汽平均汽化潛熱，kJ／kg。

裝置的造水比，定義為系統(tǒng)裝置產(chǎn)生的淡水與加熱蒸汽量的比值，可由方程式（6）和（5）相除得到。造水比的表達(dá)式如下：

式中，PR為系統(tǒng)造水比。

3.2 冷卻海水流量

據(jù)能量守恒定律，關(guān)于冷卻水比流量可以由式（2）、（4）得到：

4 結(jié)果及經(jīng)濟(jì)性分析

通過(guò)分析計(jì)算，得出單級(jí)最高海水溫度與系統(tǒng)造水比和海水冷卻水流量的關(guān)系曲線(xiàn)如圖3、4所示。

圖3 造水比與最高海水溫度的變化曲線(xiàn)

從圖3可以看出，在不同的熱損失情況下，隨著T0的升高，過(guò)熱度增加，熱驅(qū)動(dòng)力就越大，整個(gè)系統(tǒng)的產(chǎn)水能力越強(qiáng)。

圖4 冷卻海水量與最高海水溫度的變化曲線(xiàn)

從圖4可以看出，在一定條件下，該裝置的冷卻海水量隨著最高海水溫度的升高而增加。當(dāng)T0不變時(shí)，給水溫度越低，冷卻海水流量越少。

以某國(guó)產(chǎn)引進(jìn)型300MW機(jī)組為例，假設(shè)機(jī)組正常運(yùn)行背壓15kPa，當(dāng)背壓提高到27kPa時(shí)，分析機(jī)組經(jīng)濟(jì)性。背壓增加后，機(jī)組少發(fā)電4 888.9kW·h，產(chǎn)生淡水632t／h，相當(dāng)于產(chǎn)1t淡水需7.7kW·h（忽略泵功），能耗較少，且利用了約2.3×109kJ／kg低品位熱量，折合標(biāo)準(zhǔn)煤約72t／h，節(jié)約了大量煤炭資源，達(dá)到了節(jié)能的目的。如果將級(jí)數(shù)增加到10級(jí)，其造水比約為3，與單級(jí)相比，造水比提高了約3倍，熱能利用率更加明顯。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)分析，該裝置利用電站大量低品位熱量制造淡水，其能耗較低，而且為熱電站提供了鍋爐補(bǔ)充水以及周邊部分地區(qū)居民飲用水，熱能利用效果較明顯，在未來(lái)海水淡化研究過(guò)程中，將具有很大的現(xiàn)實(shí)意義。

［1］高從堦，陳國(guó)華.海水淡化技術(shù)與工程手冊(cè)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

［2］Adrian Gambier，Essameddin Badreddin.Dynamic modeling of multi－stage flash plant for automatic control and simulation purposes：a survey［J］.Desalination，2004（166）：191～204.

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

［4］Hasan Baig，Mohamed A Antar，Syed M Zubair.Performance evaluation of a once－through MSF distillation system：impact of brine heater fouling［J］.Energy Conversion and Management，2011（52）：1 414～1 425.