船舶熱力蒸汽壓縮海水淡化裝置性能分析

韓 冰，李艷霞，武洪強，劉中良

(北京工業大學北京市傳熱與能源利用重點實驗室，北京 100124）

船舶熱力蒸汽壓縮海水淡化裝置性能分析

韓 冰，李艷霞，武洪強，劉中良

(北京工業大學北京市傳熱與能源利用重點實驗室，北京 100124）

介紹船舶熱力蒸汽壓縮海水淡化裝置的工作過程，建立應用降膜蒸發技術的并流熱力蒸汽壓縮多效蒸發海水淡化系統數學模型，并給出相應解法。以一個淡水產量為110 kg/h的四效并流熱力蒸汽壓縮海水淡化裝置為例，計算分析加熱蒸汽溫度和效數對裝置性能的影響。結果表明:加熱蒸汽溫度提高時系統性能系數下降，傳熱面積和冷卻水流量減少;效數增加時，系統性能系數提高，冷卻水流量減少，裝置傳熱面積增加。

熱力蒸汽壓縮;海水淡化;性能分析

0 引言

船舶作為海上獨立作業單元，遠離基地執行任務時，船員和設備都需要消耗大量淡水。因此，大中型船舶都裝備海水淡化裝置，以提供船員和設備用淡水，保證船舶的續航能力。目前船舶海水淡化裝置主要形式有蒸發式、多級閃蒸式、反滲透式和電滲析式。從使用范圍看，主要以蒸發式為主，尤其對于蒸汽供應方便、產品水水質要求高的蒸汽動力船舶，都采用蒸發式海水淡化裝置［1］。與直接蒸汽加熱式海水淡化裝置相比，熱力蒸汽壓縮海水淡化裝置由于有效利用了蒸發器內二次蒸汽的潛熱，效率顯著提高，能耗大幅下降［2］，且蒸汽噴射器本身無運動部件，可靠性高，更加適應船舶海水淡化設備低能耗、重量輕、體積小、可靠性高的要求，具有更加廣闊的應用前景。

為提高裝置的效率，蒸發式海水淡化裝置的蒸發器內部通常采用降膜蒸發技術以提高其傳熱系數。V.N.Slesarenko和 A.D.Al－ Ansari等［3－4］對降膜蒸發技術應用于海水淡化進行實驗研究及分析。實驗結果表明:采用降膜蒸發技術進行海水淡化比傳統浸管式蒸發換熱效率顯著提高。韓旭［5］對多效蒸發海水淡化系統的順流流程和并流流程進行了對比分析。結果表明:在相同的運行條件下，順流流程的造水比要小于并流流程，各蒸發器、冷凝器換熱面積大于并流流程。因此，在安全運行的前提條件下，應盡量采用并流流程，以達到多效蒸發海水淡化系統熱力性能的最優化。

本文在對熱力蒸汽壓縮海水淡化裝置工作過程分析的基礎上，建立應用降膜蒸發技術的并流熱力蒸汽壓縮 (PF－MEE－TVC）海水淡化系統數學模型，并以一個淡水產量為110 kg/h的四效并流熱力蒸汽壓縮海水淡化裝置為例，計算分析裝置性能隨加熱蒸汽溫度和效數的變化規律，計算結果可以為船舶熱力蒸汽壓縮海水淡化裝置的設計、運行提供參考依據。

1 熱力蒸汽壓縮海水淡化裝置工作過程

熱力蒸汽壓縮海水淡化裝置主要由降膜蒸發器，熱力壓縮機 (即蒸汽噴射器）和冷凝器組成［6］，如圖1所示。

圖1 熱力蒸汽壓縮并聯多效蒸發海水淡化系統Fig.1 Parallel-flowmultiple-effect evaporation desalination system combined with thermal vapor compression

裝置工作過程為質量流量Qmf+Qmcw，含鹽量Xcw，溫度Tcw的待處理海水進入冷凝器，被末效降膜蒸發器產生的二次蒸汽中的一部分 (質量流量QmDn－Qmev，壓力pvn，溫度Tvn）預熱，溫度由Tcw升高到Tf，預熱海水的二次蒸汽冷凝水作為產品水收集。被預熱后海水的一部分 (質量流量Qmcw）作為冷卻水排出系統，剩余部分 (質量流量Qmf）作為海水給水同時進入各效降膜蒸發器進行蒸發。由船舶蒸汽動力設備提供的工作蒸汽 (質量流量Qmm，壓力pm，溫度Tm）通過熱力壓縮機引射末效降膜蒸發器產生的二次蒸汽的剩余部分 (質量流量Qmev），混合壓縮成為熱力壓縮機出口的壓縮蒸汽 (質量流量Qms，壓力ps，溫度Ts），該壓縮蒸汽進入第1效降膜蒸發器作為加熱蒸汽蒸發海水。假設進入第1效降膜蒸發器的海水給水的質量流量為Qmf1，進入第2效降膜蒸發器的海水給水的質量流量為Qmf2，以此類推，進入第n效降膜蒸發器的海水給水的質量流量為Qmfn。進入各效的海水給水的含鹽量和溫度都相同，均為Xf和Tf。海水蒸發產生的蒸汽稱為二次蒸汽，第1效海水蒸發產生的二次蒸汽 (質量流量QmD1，壓力pv1，溫度Tv1）進入第2效降膜蒸發器作為加熱蒸汽，以后各效以此類推，前一效產生的二次蒸汽進入后一效作為加熱蒸汽。

在每一效的降膜蒸發器中，海水給水 (質量流量Qmfi，含鹽量Xf，溫度Tf，第i效降膜蒸發器，i=1，2，…，n）被蒸汽加熱蒸發，產生一定量的二次蒸汽 (質量流量QmDi，壓力pvi，溫度Tvi，第i效降膜蒸發器，i=1，2，…n），未蒸發的海水作為濃縮液 (質量流量QmBi，含鹽量Xbi，溫度Ti，第i效降膜蒸發器，i=1，2，…，n）排出降膜蒸發器。相應的，除第1效以外其他各效降膜蒸發器中的加熱蒸汽冷凝為相同質量和溫度的冷凝水作為產品水收集，第1效降膜蒸發器的加熱蒸汽冷凝水作為補充水返回船舶蒸汽動力設備。末效降膜蒸發器之前的其他各效產生的二次蒸汽進入下一效作為加熱蒸汽，最后一效降膜蒸發器 (第n效）產生的二次蒸汽分為2部分:一部分進入冷凝器中預熱待處理海水，剩余部分被工作蒸汽卷吸進入熱力壓縮機，與之混合提升壓力后成為熱力壓縮機出口的壓縮蒸汽。在熱力壓縮機中，工作蒸汽提速降壓，當壓力降低到卷吸蒸汽壓力pvn時，卷吸蒸汽進入，二者混合壓縮后成為壓縮蒸汽進入第1效降膜蒸發器作為加熱蒸汽。

2 數學模型

PF－MEE－TVC海水淡化系統的數學模型主要包括各效降膜蒸發器、冷凝器以及熱力壓縮機的數學模型。

本數學模型建立在以下假設條件的基礎上:

1）假設各效降膜蒸發器和冷凝器的傳熱面積足夠，降膜蒸發器中蒸發海水的加熱蒸汽以及冷凝器中預熱海水的蒸汽全部冷凝為水;

2）忽略蒸汽冷凝壓力損失;

3）忽略降膜蒸發器中除沫器和運輸管路的蒸汽壓力損失;

4）假設各效蒸發器的傳熱面積相等;

5）海水的比熱取定值。

2.1 降膜蒸發器數學模型

第1效降膜蒸發器中由于加熱蒸汽來源及冷凝水走向與其余各效有所不同，因此第1效降膜蒸發器的數學模型單獨列出，剩余第2效至第n效降膜蒸發器模型統一給出。

2.1.1 第1效降膜蒸發器數學模型

降膜蒸發器的數學模型包括物料平衡方程 (質量守恒方程和鹽分平衡方程）、能量守恒方程和傳熱方程［7］。第1效降膜蒸器數學模型如圖2所示。在第1效降膜蒸發器中，加熱蒸汽蒸發海水后，被海水冷凝成相同質量和溫度的冷凝水 (質量流量Qms，溫度Ts），這部分冷凝水返回船舶蒸汽動力設備。

圖2 第1效降膜蒸發器數學模型示意圖Fig.2 Schematic diagram ofmathematicalmodel for the first effect

式中:λs為壓縮蒸汽在溫度TS及壓力pS下的汽化潛熱，kJ/kg;λv1為第1效降膜蒸發器海水蒸發產生的二次蒸汽在溫度Tv1及壓力pV1下的汽化潛熱，kJ/kg;Φ1為第1效降膜蒸發器傳熱量，kJ;Cp為海水比熱容，kJ/(kg.℃）;k1為第1效降膜蒸發器的傳熱系數，kJ/(m2.℃）;A1為其傳熱面積，m2;Δtm1為其對數平均溫差，℃。其他符號意義同上。

2.1.2 第2效至第n效降膜蒸發器數學模型

第2效至第n效降膜蒸發器的工作過程類似(見圖3），其數學模型可以統一表示成以下形式［8］:

以上方程中i=2，3，…，n，符號意義、單位與第2.1.1節相同。

圖3 第2效至第n效降膜蒸發器數學模型示意圖Fig.3 Schematic diagram ofmathematicalmodel for the second to n effect

2.2 冷凝器數學模型

冷凝器數學模型中只包括能量守恒方程和傳熱方程［9］，如圖4所示。

圖4 冷凝器數學模型示意圖Fig.4 Schematic diagram ofmathematicalmodel for the condenser

2.3 熱力壓縮機數學模型

如前所述，由船舶蒸汽動力設備提供的工作蒸汽進入熱力壓縮機中提速降壓，當壓力降低到引射蒸汽壓力pvn時，卷吸蒸汽進入，二者混合壓縮后成為壓縮蒸汽進入第1效降膜蒸發器作為加熱蒸汽。如圖5所示，熱力壓縮機數學模型主要包括質量守恒方程、熱力壓縮機卷吸系數和壓縮比公式。

圖5 熱力壓縮機數學模型示意圖Fig.5 Schematic diagram ofmathematicalmodel for the thermal vapor compressor

2.4 解法

前面給出的PF－MEE－TVC海水淡化系統的數學模型是非線性的，因此需要使用迭代方法解出系統各參數值。迭代解法開始首先定義以下參數:系統淡水產量Qmd;系統效數n;待處理海水溫度Tcw和海水給水溫度Tf;進入第1效降膜蒸發器作為加熱蒸汽的熱力壓縮機出口壓縮蒸汽的溫度Ts;末效降膜蒸發器出口蒸汽的溫度Tvn;熱力壓縮機進口工作蒸汽壓力pm;第1效降膜蒸發器傳熱系數k1(其后各效降膜蒸發器傳熱系數按第1效傳熱系數的5%遞減），冷凝器傳熱系數kc;待處理海水的初始含鹽量Xf和最終濃縮液的含鹽量Xbn。

以上各參數確定后，再假設各效的傳熱負荷Φ1=Φ2=…=Φn相等，傳熱面積A1=A2=…=An相等，計算出各效的出口蒸汽溫度 Tvi，蒸汽流量QmDi，濃縮液流量QmBi，含鹽量Xbi及各效降膜蒸發器的傳熱面積Ai(i=2，3…n）。如果

重新進行迭代計算，直到達到規定的迭代精度時迭代結束［10］。在以上計算的基礎上再進行冷凝器和熱力壓縮機的設計計算以及系統性能參數 (包括系統性能系數 PR，比傳熱面積 AS及比冷卻水流量Qmcw，s）的計算，從而完成整個系統的性能計算。

3 加熱蒸汽溫度、效數對裝置性能的影響

根據前面給出的數學模型和解法，以1個淡水產量為110 kg/h的四效并流熱力蒸汽壓縮海水淡化裝置為例，計算分析裝置性能隨加熱蒸汽溫度和效數的變化規律，該裝置的初始參數如表1所示。

表1 四效并流熱力蒸汽壓縮海水淡化裝置初始參數Tab.1 The first part of initial parameters of four effects PF－MEE－TVC desalination system

3.1 加熱蒸汽溫度對裝置性能的影響

維持系統其他參數不變，計算加熱蒸汽溫度Ts從55℃變化至75℃時的裝置性能參數，計算結果如圖6～圖8所示。

圖6 加熱蒸汽溫度對系統性能系數的影響Fig.6 Influence of the heating steam temperature on performance ratio

從圖6可看出，隨著加熱蒸汽溫度Ts的提高，熱力蒸汽壓縮海水淡化裝置的性能系數PR下降。PF－MEE－TVC系統的性能系數PR(Performance Ratio）定義為系統的淡水產量Qmd與所需的外部蒸汽源工作蒸汽量Qmm的比［11］，因此，加熱蒸汽溫度提高時裝置性能系數下降意味著產品水單位能耗的增加和制水成本的提高。

圖7 加熱蒸汽溫度對系統比傳熱面積的影響Fig.7 Influence of the heating steam temperature on specific heat transfer area

從圖7可看出，隨著加熱蒸汽溫度Ts的提高，裝置的比傳熱面積sA急劇下降。比傳熱面積sA定義為系統的總傳熱面積A(包括各效降膜蒸發器的傳熱面積Ai和冷凝器的傳熱面積Ac）與系統的淡水產量 Qmd 的比值［12］，

系統的比傳熱面積越大，生產同樣產量的淡水所需設備的總傳熱面積就越大，設備的總投資就越大。加熱蒸汽溫度升高提升了裝置的傳熱效率，在淡水產量不變的前提下，裝置的總傳熱面積和比傳熱面積減少，節省設備投資。

圖8 加熱蒸汽溫度對系統比冷卻水流率的影響Fig.8 Influence of the heating steam temperature on specific flow rate of cooling water

從圖8可看出，隨著加熱蒸汽溫度的提高，裝置的比冷卻水流率減小。系統的比冷卻水流率sQmcw，定義為系統的冷卻水流量Qmcw與系統淡水產量Qmd的比值。因此，加熱蒸汽溫度提高時系統比冷卻水流率下降意味著生產單位淡水所需的冷卻水量減少，即泵功減少，運行費用降低。

綜上所述，加熱蒸汽溫度提高降低了熱力蒸汽壓縮海水淡化裝置的性能系數，增加了產品水的單位能耗和制水成本。但由于加熱蒸汽溫度提高導致的裝置傳熱面積減少和冷卻水流率降低又減少了設備投資和運行費用，因此，加熱蒸汽溫度選取應綜合考慮船舶海水淡化裝置能耗、設備投資和運行費用，做最優設計。

3.2 效數對系統性能的影響

接下來討論影響熱力蒸汽壓縮海水淡化裝置性能的另一個重要參數——系統效數。在加熱蒸汽溫度Ts為75℃，其他參數不變的情況下，改變效數，分別取n=4，6，8，10進行計算，分析效數對PF－MEE－TVC系統性能的影響，計算結果如圖9～圖11所示。

從圖9～圖11可看出，隨著效數n的增加，系統的性能系數PR增大，產品水單位能耗減少;比冷卻水流率sQmcw，下降，水泵功耗減小，運行費用降低;比傳熱面積sA增大，設備投資增加。

圖9 效數對系統性能系數的影響Fig.9 Influence of the effect number on performance ratio

圖10 效數對系統比冷卻水流率的影響Fig.10 Influence of the effect number on specific flow rate of cooling water

圖11 效數對系統比傳熱面積的影響Fig.11 Influence of the effect number on specific heat transfer area

雖然由于船舶海水淡化裝置重量和體積的限制通常采用單效蒸發，但由上述分析可知:增加熱力蒸汽壓縮海水淡化裝置的效數可以有效降低產品水單位能耗和制水成本，減少冷卻水流量，降低運行費用，所付出的代價只是設備投資的有限增加。因此，適當增加船舶熱力蒸汽壓縮海水淡化裝置的效數以降低其系統能耗和運行費用是一種值得嘗試的技術方法。

4 結語

本文詳細介紹了船舶熱力蒸汽壓縮海水淡化裝置的工作過程，建立了應用降膜蒸發技術的并流熱力蒸汽壓縮多效蒸發海水淡化系統數學模型，并給出了相應解法。以1個淡水產量為110 kg/h的四效并流熱力蒸汽壓縮海水淡化裝置為例，計算分析了效數和加熱蒸汽溫度對裝置性能的影響，得出以下結論:

1）加熱蒸汽溫度提高增加了熱力蒸汽壓縮海水淡化裝置的能耗和制水成本，但相應裝置傳熱面積減少和冷卻水流率降低又減少了設備投資和運行費用，因此加熱蒸汽溫度選取應綜合考慮船舶海水淡化裝置能耗、設備投資和運行費用，做最優設計。

2）增加效數可以有效降低海水淡化裝置的能耗和制水成本，減少冷卻水流量，降低運行費用，所付出的代價只是設備投資的有限增加。因此，適當增加裝置效數是降低船舶熱力蒸汽壓縮海水淡化裝置能耗和運行費用的一種值得嘗試的技術方法。

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Performance analysis ofmarine thermal vapor compression seawater desalination systems

HAN Bing，LIYan-xia，WU Hong-qiang，LIU Zhong-liang
(Beijing Municipal Key Laboratory of Heat Transfer and Energy Conversion，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China）

Marine thermal vapor compression seawater desalination system is introduced by its configuration，process and advantages.The completemathematicalmodel for process simulation is developed.A four-effect-parallel-flow thermal vapor compression desalination system with a distillate product flow rate of 110 kg/h is calculated to analysis the influences of the heating steam temperature and number of effects on the system performance.Results show that there is a increase of performance ratio at lower heating steam temperature，but this may result in sharp increase in heat transfer area and specific flow rate of cooling water.Themost efficient way to increase the performance ratio，reduce the energy consumption and lower the operation cost is to usemore effects.

thermal vapor compression;seawater desalination;performance analysis

TQ028

A

1672－7649(2014）04－0072－06

10.3404/j.issn.1672－7649.2014.04.014

2014－01－10;

2014－03－14

北京市科學技術委員會科技促進節能減排技術創新與應用示范基金資助項目(Z11110905890000）

韓冰(1978－），女，博士研究生，主要從事多效蒸發海水淡化技術研究。