低溫多效蒸餾海水淡化與熱力發電廠聯產方式選擇

馬露露，代勇，許家琪，王運春

低溫多效蒸餾海水淡化與熱力發電廠聯產方式選擇

馬露露1，代勇2，許家琪3，王運春2

（1.北控水務集團有限公司，北京100124；2.華電電力科學研究院，浙江杭州310030；3.北京燃氣能源發展有限公司，北京100000）

低溫多效蒸餾海水淡化是現有熱法海水淡化中能耗最低的工藝。從熱力發電廠供熱方式及低溫多效蒸餾供熱需求考慮，提出了三種可行的聯產工藝方式，包括“汽機抽汽—蒸汽壓縮—低溫蒸餾”、“汽機抽汽-蒸汽發生-低溫蒸餾”和“汽機乏汽-低溫蒸餾”。然后以300MW級發電機組與單機12500t/d低溫多效蒸餾裝置配合為例，參考熱電聯產供熱-發電熱耗分配方法，對三種聯產方式進行了能耗分析，反映了不同聯產方式時淡化成本的區別。

低溫多效蒸餾；熱水電聯產；成本分析

0 引言

隨著經濟社會的快速發展，水資源的供應越來越緊張，已成為制約我國眾多地區可持續發展的主要因素。我國水資源總量占世界總水資源量的百分之六，居全球第六位，但平均水資源人均擁有量僅為世界人均年擁有量的四分之一，被列入世界嚴重缺水國家。面對著占全世界儲水總量近97%的大海，淡化海水正是解決這些問題最好的途徑。

現階段比較成熟的海水淡化方法有熱法和膜法兩種，但都存在能耗較高的問題，在我國還未能大規模應用。其中，熱法海水淡化主要是利用蒸汽加熱海水蒸發冷凝以獲取淡水的工藝方法，蒸汽能耗決定了淡化的成本，這種方法在中東等能源供應比較充足的得到了充分的應用。

在供熱工程中，通過熱電聯產實現能源梯級利用，是節能降耗的主要方式之一。參考傳統的熱電聯產模式，完全可以與熱力發電廠配合進行“熱-水-電”聯產，從而實現能源的高效利用，降低淡化成本。在現有熱法海水淡化工藝中，低溫多效蒸餾能耗最低，主要消耗壓力不大于0.4MPa（a）的低壓蒸汽，具備適用更低品質蒸汽的條件，也有更大的成本降低空間。

1 低溫多效蒸餾海水淡化工藝

1.1 流程概述

低溫多效蒸餾（MED）是最高蒸發溫度小于70℃的海水淡化技術，工藝流程如圖1所示，蒸汽通入真空狀態的蒸發器，海水噴淋在蒸發器內換熱管束表面，將管內蒸汽冷凝，部分海水蒸發，產生的二次蒸汽進入下一級（一級稱為一效）管內進行同樣的換熱過程，最后將蒸汽冷凝所得蒸餾水收集得到高純度的產品淡水，通過多次的蒸發與冷凝過程，得到數倍于加熱蒸汽量的產品水。[2]

圖1 低溫多效蒸餾工藝流程示意

1.2 低溫多效蒸餾工藝優點

低溫多效蒸餾工藝的主要優點包括如下五點：

（1）傳熱過程以蒸發與冷凝為主，相變釋放的大量潛熱使得在相同溫度范圍內換熱面積最少；

（2）海水在較低溫度下蒸發，裝置結垢現象被明顯抑制；

（3）通過能量的梯級利用，將能耗將至最低；

（4）對進料海水要求很低，只需簡單的過濾即可進行淡化；

（5）由蒸汽冷凝所得產品水水質很高，含鹽量小于5mg/L。

1.3 蒸汽熱壓縮配套低溫多效蒸餾

低溫多效蒸餾熱源為溫度小于70℃的飽和蒸汽，通常利用蒸汽熱壓縮（TVC）方式獲得，即用0.4MPa（a）的高壓蒸汽在蒸汽熱壓縮器中吸入末效或中間效蒸發器產生的部分低壓二次蒸汽，將其提升壓力和溫度后作為一效蒸發器的加熱蒸汽，達到低壓蒸汽重復利用的目的，流程如圖2所示。它可利用高壓蒸汽的能量，避免了工作蒸汽直接減溫減壓造成的蒸汽能量損失。其結構簡單，操作方便，可得到比直接減溫減壓多得多的加熱蒸汽量，從而提高系統的熱效率，降低造水成本。

2 低溫多效蒸餾與熱力發電廠聯產方式

與傳統熱電聯產類似，低溫蒸餾與熱電廠結合，可以采用汽輪機抽汽、排汽形成不同聯產方式，可以在保留原有熱電聯產的基礎上形成“熱水電”三聯產，也可以僅實現發電與海水淡化的“水電”聯產，本文暫只考慮水電聯產方式。由于海水淡化工藝參數要求不同于供熱工程，因此在供汽方案上也有所區別，可行的水電聯產方案包括以下三種：“汽機抽汽-蒸汽壓縮-低溫蒸餾”、“汽機抽汽-蒸汽發生—低溫蒸餾”和“汽機乏汽-低溫蒸餾”。

2.1 “汽機抽汽-蒸汽壓縮-低溫蒸餾”方式（TVC-MED）

由抽凝式機組的調節抽汽向外供汽，蒸汽壓力一般選0.4MPa（a），該抽汽通過蒸汽熱壓縮器（TVC），將蒸發器內自身產生的負壓二次蒸汽噴射壓縮后，形成滿足工藝參數要求的蒸汽，送入蒸發器首效，作為熱源推動多效蒸餾的進行[3]，工藝流程如圖3所示。

圖2 蒸汽熱壓縮配套低溫多效蒸餾流程示意

圖3 TVC-MED方式流程示意

圖4 VG-MED方式流程示意

2.2 “汽機抽汽-蒸汽發生-低溫蒸餾”方式（VG-MED）

調節抽凝式機組的壓力為0.1～0.2MPa（a）的低壓抽汽，作為蒸汽發生器（VG）的一次蒸汽，蒸發除鹽水產生滿足工藝參數要求的蒸汽，進入蒸發器首效，作為熱源推動多效蒸餾的進行，流程如圖4所示。

2.3 “汽機乏汽-低溫蒸餾”方式（MED）

提高凝汽真空度排汽，將壓力為0.03～0.035MPa（a）的乏蒸汽直接送入蒸發器首效，作為熱源推動多效蒸餾的進行，流程如圖5所示。

3 不同聯產方式經濟性比較

水電聯產實際上通過將部分可以用作發電的蒸汽供熱，以生產淡化海水，因此可以參考熱電聯產供熱-發電熱耗分配方法，將聯產發電損失折算至蒸汽成本，從而推算出單位產水成本，并以此對不同聯產方式的經濟性進行比較[1，4，5]。

本文以300MW帶一級再熱發電機組與單機12500t/d產量低溫多效蒸餾海水淡化裝置配合為例，對不同聯產方式的能耗進行分析，并估算產水的蒸汽成本。考慮到熱電聯產熱耗不同分配方法的依據或人為規定性有所不同，在分配合理性上各自存在一定局限性，為盡可能使水電聯產成本分析合理，本文分別用熱量法、實際焓降法和做功能力損失法對蒸汽成本進行計算，并對計算結果進行比較分析。

3.1 熱量法

參見圖3，熱量法中，用于熱電廠發電及向海水淡化供熱的總熱耗量Qtp是新蒸汽D0和再熱蒸汽Dr帶入發電—低溫蒸餾系統的總熱量，低溫蒸餾耗熱量是聯產蒸汽Dh帶入的熱量，因海水淡化造成的發電損失ΔPe定義為，假定總耗熱量全部用于發電Pe，其中低溫蒸餾耗熱量所占比例能產生的發電量，即：

式中ΔPe—因海水淡化造成的發電損失，kW；

Pe—發電功率，kW；

Dh—聯產抽汽流量，kg/s；

D0—新蒸汽流量，kg/s；

Dr—再熱蒸汽流量，kg/s；

hh—聯產蒸汽比焓，kJ/kg；

hh′—蒸發器冷凝水比焓，kJ/kg；

h0—新蒸汽比焓，kJ/kg；

圖5 MED方式流程示意

hfw—給水比焓，kJ/kg；

hr—熱段再熱蒸汽比焓，kJ/kg；

hr′—冷段再熱蒸汽比焓，kJ/kg。

3.2 等效焓降法

參見圖4，等效焓降法中，用于熱電廠發電的總熱耗量是新蒸汽D0和再熱蒸汽Dr在系統中的總焓降，因海水淡化造成的發電損失ΔPe定義為，由于聯產蒸汽Dh焓降不足所損失的發電量，即：式中hc—汽輪機排汽比焓，kJ/kg。

3.3 做功能力損失法

參見圖5，做功能力損失中，用于熱電廠發電蒸汽總的做功能力是新蒸汽D0和再熱蒸汽Dr帶入系統的總海水淡化造成的發電損失ΔPe定義為，由于聯產蒸汽Dh帶出損所能產生的發電量，即：

式中hen—環境溫度下水的比焓，kJ/kg；

Ten—環境溫度，K；

sh—聯產抽汽比熵，kJ/kg·K；

sen—環境溫度下水的比熵，kJ/kg·K；

s0—新蒸汽比熵，kJ/kg·K。

通過以上方法，可計算出不同聯產方式時單位聯產蒸汽量的發電損失，按當地上網電價（以0.44元/kWh計）核算出電損費，再除以各自聯產方式時的造水比（單位蒸汽能產生的淡水量），即可計算出單位產水造成的發電損失費用，針對不同聯產方式的具體計算結果如表1所示，計算參數詳見附錄。

可以看出，與熱電聯產供熱價格不統一類似，不同方法計算蒸汽成本也不同。事實上熱量法對聯產供熱的規定實質上是分產供熱，因此熱電聯產的經濟效益全部分攤到了發電方面，而等效焓降法中聯產汽流沒有冷源損失的經濟效益全歸于供熱方面，做功能力損失法是相對折衷的分攤方法，因此計算結果有較明顯差別[6]。但可以得出，“汽機乏汽-低溫蒸餾”是成本最低的方式。

表1 300MW發電與12500t/d低溫多效蒸餾聯合產水電損元/t

3.4 聯產方式選擇建議

根據上述計算結果看，低溫多效蒸餾海水淡化與熱力發電廠聯產結合的最經濟方式是“汽機乏汽-低溫蒸餾”。

在這種方式下，采用大型發電機組與海水淡化裝置聯產時，如上文所述的300MW機組級，其排汽量約600t/h，可以配置4臺常規的25000t/d低溫多效蒸餾裝置或接近規模裝置，在技術上完全可行；如配套單機海水淡化裝置，可配置100000t/d產量的低溫多效蒸餾裝置，其效率將更高，但大規模裝機海水淡化裝置技術還未成熟，正是海水淡化技術下一步發展的重點。

如果選用小型機組，例如25MW機組和12500t/d低溫多效蒸餾海水淡化裝置配合，雖然發電及供熱效率有所降低，但設備、管道制造都屬于常規范圍，并且排汽全部用于海水淡化，可以節省凝汽器的設置費用，而且因為使用品質較低的蒸汽，機組效率對供熱成本的影響并不明顯，計算結果見表2，因此實際上也完全可以應用。

表2 25MW發電與12500t/d低溫多效蒸餾聯合產水電損

4 結語

水資源的供應緊張已成為制約經濟發展的主要因素，海水淡化正是解決這些問題最好的途徑。可行的“熱-水-電”聯產工藝方式有三種：“汽機抽汽-蒸汽壓縮-低溫蒸餾”、“汽機抽汽-蒸汽發生-低溫蒸餾”和“汽機乏汽-低溫蒸餾”，用熱量法、實際焓降法和做功能力損失法分別對三種聯產方式的蒸汽成本進行核算，可以得出，“汽機乏汽-低溫蒸餾”是最經濟的方式。

在這種方式下，進行大型發電機組與海水淡化裝置聯產，如采用發電機組配套多套常規海水淡化裝置在技術上完全可行，如發電機組配套大規模海水淡化裝機，現有技術還未成熟，正是海水淡化技術下一步發展的重點。如果選用小型機組，雖然發電及供熱效率有所降低，但設備、管道制造都屬于常規范圍，還可以節省凝汽器的設置費用，而且因為使用品質較低的蒸汽，機組效率對供熱成本的影響并不明顯，實際上也完全可以應用。

[1]鄭體寬.熱力發電廠[M].北京：中國電力出版社，2001.

[2]高從堦，陳國華.海水淡化技術與工程手冊[M].北京：化學工業出版社，2004.

[3]沈勝強，孫甜悅，劉曉華，等.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，2010，9（2）：144～148.

[4]郭家寶.熱電聯產機組燃料成本分攤和節能效益評價方法探討[J].中國電力，2003，36（3）：78～80.

[5]李慧君，池冉，范偉，等.熱電成本分攤之乏熱分配法的研究[J].華北電力大學學報，2008，35（1）：67～70.

[6]王加漩，楊勇平.我國熱價設計理論方法的研究[J].北京動力經濟學院學報，1994，11（4）：68～74.

Choices of Cogeneration Mode in Thermal Power Plant with LT-MED Sea Water Desalination

MA Lu-lu1，DAI Yong2，XU Jia-qi3，WANG Yun-chun2
（1.Beijing Enterprises Water Group Limited，Beijing 100124，China；2.Huadian Electric Power Science Research Institute，Hangzhou 310030，China；3.Beijing Gas Energy Development Co.，Ltd，Beijing 100000，China）

Low temperature-multi effect distillation（LT-MED）seawater desalination is the existing thermal desalination process in the lowest energy consumption.This article from the heating mode in thermal power plant and low temperature multi effect distillation heating demand，proposed three kinds of feasible coproduction process mode，including the“TVC–MED”，“Vapor Generation–MED”and“MED”.Then an example of 300MW class turbine generator units and single 12500t/d LT-MED device matched reference cogeneration heating and power allocation method for heat consumption，the energy consumption of three generation modes are analysed，reflecting the water cost difference of different cogeneration mode.

LT-MED；heat-water and power cogeneration；cost analysis

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2015.01.007

TM611

B

2095-3429（2015）01-0030-04

2014-09-16

修回日期：2015-01-06

馬露露（1984-），男，新疆烏魯木齊人，本科，工程師，主要從事熱法海水淡化工作。