真空沸騰式海水淡化裝置工作原理及常見故障分析

關長輝

摘 要：文章通過對船用真空沸騰式海水淡化裝置工作原理的介紹，總結船上日常工作中常見的故障，分析故障產生的原因，從實際船舶設備管理的角度找出預防、消除、減輕故障的途徑，為船員日常維護保養提供一定理論依據。

關鍵詞：真空沸騰；海水淡化；故障分析；理論依據

1 研究意義

船舶在海上航行每天需要消耗大量的淡水以滿足船上人員和動力裝置要求。遠洋船舶為增加貨物裝載量，減少購買淡水的費用，不宜攜帶大量淡水，通常采用海水淡化裝置（俗稱“造水機”）生產淡水。通常含鹽量小于1000mg/L即可定義為淡水，但是，船舶設備對淡水含鹽量要求較高，要求最高的是船用鍋爐的爐水，所以，船舶海水淡化裝置對所造淡水的含鹽量作為標準。我國船用鍋爐淡水標準規定補給蒸餾水的含鹽量應該小于10mg/L。船用海水淡化裝置通常分為真空閃發式和真空沸騰式兩種，由于真空閃發式造水機效率較低，淡水含鹽量較高，所以已經被主流船舶淘汰，現階段船上使用最多的是真空沸騰式海水淡水裝置。由于維護保養不當或者設備部件老化，真空沸騰式海水淡化裝置在實際運行中會出現一些故障，其中比較典型的故障有三種：真空度不足；產水量過低；產水含鹽量過高。本文以造水機工作原理為切入點，系統性的分析常見故障，找到故障根源，總結消除或減輕故障的方法對于船舶的成本控制有著重要的意義。

2 工作原理

2.1 基本原理

真空沸騰式海水淡化裝置基本工作原理是將海水加熱使其沸騰汽化形成蒸汽，然后將蒸汽冷凝成蒸餾水，這種蒸餾水中幾乎不含鹽，最后利用凝水泵將蒸餾水泵送至淡水艙。整個過程中單位時間海水的供給量被稱為供水量W0，產生的淡水量被稱為產水量W，排除鹽水量被稱為排污量WB，供水量與產水量之比叫做給水倍率W/W。維持水位穩定的條件是W0=W+WB。其工作原理可以分解為四個主要過程：蒸餾過程；冷凝過程；排水過程；排鹽過程。

2.2 蒸餾過程

常壓下水的飽和溫度是100℃。出于能源回收再利用的目的，造水機在實際工作時所使用的加熱源是缸套冷卻水（70℃-80℃）。常壓下缸套冷卻水無法使海水汽化，所以根據飽和溫度隨著環境壓力的降低而降低的原理，需要對裝置進行抽真空處理，通常裝置真空度應該保持在90%-94%，這時候對用的蒸發溫度為45℃-35℃。這種情況下即可利用缸套冷卻水將海水加熱汽化產生蒸汽。抽真空利用的是噴射泵（圖1中12），噴射泵的工作水由海水泵供給（圖1中10）。缸套冷卻水冷卻主機后通過閥28進入到蒸發器（圖1中32）。海水在蒸發器中吸收缸套冷卻水的熱量形成真空-低溫蒸發產生生氣。如果主機沒有投入運行可以用鍋爐產生的蒸汽加熱淡水，用淡水作為蒸餾熱源，切不可用蒸汽作為熱源直接加熱蒸發器，因為如果換熱溫差過大會增加蒸發器換熱面結垢的可能性。蒸餾過程既對柴油機余熱的再利用也對缸套冷卻水進行了冷卻。

2.3 冷凝過程

在蒸發器中形成的蒸汽向上流動通過汽水分離器，將其中攜帶的鹽水分離出去，蒸汽繼續向上流至冷凝器（圖1中9），凝結成蒸餾水，冷凝介質是海水。這個過程中二次蒸汽被冷凝成蒸餾水，蒸餾水被凝水泵排至淡水柜，二次蒸汽中的不凝氣體被噴設備排除，保證系統維持一定的真空度。

2.4 排水過程

在冷凝器中蒸汽被冷卻成蒸餾水，蒸餾水通過凝水泵（圖1中16）排送至淡水柜。排送淡水的管路上安裝了鹽度計（圖1中19）。鹽度計有叫鹽度電極，通過監測淡水的導電性確定淡水的含鹽量。當淡水含鹽量超過設定值時，鹽度計會給控制箱（圖1中18）發送電信號，控制箱會控制回流電磁閥（圖1中20）開啟，使鹽度達不到要求的淡水重新進入蒸發器蒸發脫鹽。在一些系統中鹽度不達標的淡水也可以被直接排送至艙底。

2.5 排鹽過程

蒸發后殘留的濃鹽水以及在汽水分離器中被分離出的鹽水被排鹽泵（圖1中11）排出舷外。如果鹽水不能及時排出將會影響系統真空度和淡水含鹽量。

3 常見故障分析

3.1 真空度不足

3.1.1 故障原因

真空度是決定蒸發溫度，影響產水量的重要因素。真空沸騰式海水淡化裝置起動初期真空度是靠真空泵抽出裝置中空氣實現的。淡正常工作時，真空度主要靠真空泵、排鹽泵、冷凝器和凝水泵的共同作用來維持。冷凝器應及時將蒸發器中產生的二次蒸汽冷凝成蒸餾水，真空泵應將蒸發過程中揮發出來的不可凝結氣體排出裝置，排鹽泵應及時排出濃鹽水，凝水泵應及時將蒸餾水排出。所以，要保證系統具有良好的真空度必須保證：裝置具有良好氣密性；真空泵油足夠的抽真空能力冷凝能力要與蒸發能力相適應；排水能力要與冷凝能力相適應。工作過程中如果真空度過低則會導致蒸發溫度高，二次蒸汽產量低，淡水產量低。如果真空度過高則蒸發溫度過低，蒸發過程過于劇烈，導致二次蒸汽中含水量增加，進而導致淡水含鹽量增加；蒸發溫度低還會導致蒸發器換熱面溫差太大，增加了換熱面結垢的可能性。

3.1.2 解決途徑

根據裝置真空度不足的故障原因管理過程中應該關注裝置密封性能。檢查氣密性時可先關閉系統與外界相連的閥門，起動噴射泵將系統真空度抽至93%，停泵后1小時內真空度下降超過10%則表明氣密性不符合要求。這是可以通過對密封處加大預緊力的方法來解決。如果氣密性仍然達不到標準，則需要更換密封膠條。如果氣密性達標真空度依然達不到要求，可以試著加大冷卻水量，檢查凝水泵流量計，確認凝水泵是否正常工作。加大噴射泵海水壓力，提高噴射泵抽氣能力。如果上述方法都不能使真空度達到標準，那么有可能是冷凝器換熱面結垢、臟堵，導致冷凝能力下降。所以整個檢修的流程是：增大冷卻水量；檢查噴射泵工況；檢查凝水泵工況；檢查裝置氣密性；檢查冷凝器換熱面。

3.2 產水量過低

3.2.1 故障原因

真空沸騰式海水淡化裝置的產水量即是產生二次蒸汽的量。導致二次蒸汽量減少的主要原因包括：真空度不足，導致飽和溫度升高；加熱水溫度不足或者加熱水流量不足，導致換熱量減少；給水量不足，完全蒸發仍然達不到產水量要求；給水量過大，熱量被鹽水帶走；蒸發器換熱面臟堵；凝水回流電磁閥關閉不嚴，導致凝水流回蒸發器或者被排到艙底。

3.2.2 解決途徑

如果發現產水量過低檢修流程是：檢查給水量是否過多或者過低；檢查缸套冷卻水溫度、流量；檢查回流電磁閥是否正常；檢查裝置氣密性；拆開蒸發器檢查換熱面是否出現結垢、臟堵等問題。

3.3 產水含鹽量過高

3.3.1 故障原因

我國船用鍋爐淡水標準規定補給蒸餾水的含鹽量應該小于10mg/L。含鹽量越大，難溶鹽的含量就越大，生成的水垢就越多。硫酸鈣在濃縮率（鹽水含鹽量/海水含鹽量）達到1.5時開始析出，達到3將大量析出，所以要嚴格控制蒸餾水的含鹽量。含鹽量主要和二次蒸汽攜帶的鹽水量以及鹽水的含鹽量有關。導致含鹽量過高的主要原因是：裝置負荷（蒸發量）過大，沸騰劇烈；蒸發器水位太高；鹽水含鹽量大；冷凝器漏泄，冷卻海水漏入凝水側。

3.3.2 解決途徑

根據影響蒸餾水含鹽量的原因分析，實際工作過程中解決途徑是：減小加熱水流量或稍開真空破壞閥；減小給水量；保證足夠的排鹽量和給水倍率；檢修冷凝器。

參考文獻

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