低溫多效海水淡化用汽模式優化與實踐

郭 朋,王鐵民

（首鋼京唐鋼鐵聯合有限公司，河北唐山 063200）

1 概述

某沿海鋼鐵企業建設有低溫多效海水淡化設施，海水淡化裝置技術領先，運行相對較為平穩，成為國內海水淡化裝置的標桿。該企業提出的“水電共生”和“熱膜耦合”理念得到了同行業的廣泛認可。該企業共有低溫多效海水裝置四套（U1、U2、U3、U4），其中兩套（U1、U2）采用“水電共生”的運行模式，制水成本相對較低；另外兩套蒸發器（U3、U4）用汽模式主要為“25 MW 發電機組抽汽+管網蒸汽”。U3、U4由于汽源和用戶較多，導致汽源整體穩定性較差，對產水量和產水品質都有較大的影響，同時汽源壓力較高（0.65～0.8 MPa）需減溫減壓后（0.38～0.42 MPa）才能進入蒸發器，未實現蒸汽梯次利用，故制水成本高于U1、U2。

2 現運行模式分析

2.1 “水電共生”運行模式

該公司充分利用低溫多效海水淡化對汽源溫度要求較低的特點，研制了前置發電海水淡化技術。利用鋼鐵廠產生的富裕煤氣建設有兩套130 t/h 中溫中壓鍋爐，兩臺鍋爐的主汽主要供給兩套25 MW 發電機組使用，發電后的乏汽直接供給低溫多效海水淡化裝置（U1、U2）制備淡水，實現了蒸汽的高效和梯次利用，全系統熱效率提升至82%。同時進入蒸發器的乏汽凝結成冷凝水再通過管道輸送回兩套130 t/h 鍋爐，作為鍋爐主要補水源，實現了水資源的循環利用。詳細流程見圖1。

2.2 “管網蒸汽+抽汽”運行模式

該公司U3、U4蒸發器的汽源主要為“25 MW 發電機組抽汽+管網蒸汽”，25 MW 發電機組抽汽相對穩定，管網蒸汽波動較大，導致蒸發器產水量下降且易造成蒸發器內部結垢。同時在該公司二期工程投產后，原有蒸汽平衡被打破，蒸汽由較為富裕轉向較為匱乏，該公司地處北方冬季蒸汽缺口會繼續增加。

圖1 “水電共生”流程

3 用汽模式優化分析

該公司技術人員通過對現場查看，U3、U4 蒸發器與該公司兩座300 MW 發電機組僅相隔300 m，如果將300 MW 發電機組五段抽汽（0.4～0.42 MPa）引入海水淡化區域并作為U3、U4 的主要汽源，將會從根本上解決該公司蒸汽平衡問題，同時優化蒸汽使用梯次關系，直接降低U3、U4 蒸發器制水成本。現根據現場情況對U3、U4 蒸發器用汽模式進行“fluent建模”如圖2。

圖2 fluent建模

將熱電300 MW 機組五抽蒸汽入口設置為“0”，S2蒸汽管網入口分別設置為“1”和“2”，25 MW 發電機組抽汽入口分別設置為“3”和“4”，按現場實際情況設置如下調整模式。

3.1 僅300 MW機組五抽和25 MW機組進汽

邊界條件設置：

僅考慮300 MW 和25 MW 進汽，無S2 進汽。入口0 為300 MW 機組抽汽，設置為速度入口，具體參數為：壓力0.42 MPa，溫度250 ℃(523 K)，流速4.4 m/s。

蒸汽參數設置為：

定壓比熱：2.0593 kJ/(kg·℃）;

動力粘度：ETA=18.16E-6 kg/(m.s);

導熱系數：RAMD=38.9766E-3 W/(m.℃);

密度：1.6801 kg/m3。

入口1 為S2 支線1，流量設置0 m3/h；入口2 為S2 支線2,流量設置0 m3/h；入口3 為25 MW 機組抽汽，設置為速度入口，具體參數為：壓力0.6 MPa，溫度250 ℃流速12.48 m/s；入口4 為25 MW 機組抽汽2，設置為速度入口，具體參數為：壓力0.6 MPa，溫度250 ℃流速12.48 m/s。

蒸汽參數設置為：

定壓比熱：2.1030 kJ/(kg·℃）;

動力粘度：ETA=18.12E-6 kg/(m.s);

導熱系數：RAMD=39.4419E-3 W/(m.℃);

密度：2.53872 kg/m3;

出口設置為壓力出口：0.38 MPa，260 ℃。

得出如下結論：管道中壓力分布基本均勻，沒有很大的壓差；溫度基本在250 ℃左右；較大速度在25 MW機組抽氣入口和海淡用汽出口處，能夠達到15 m/s左右，滿足U3、U4用汽要求。

3.2 調整300 MW 機組五抽進汽量，增加S2 蒸汽管網入口1進汽

根據現場情況，調整300 MW 進汽為50 t/h(3.4 m/s)，S2 蒸汽管網入口1 進汽14 t/h，S2 蒸汽管網入口2 無進汽，溫度170 ℃(443 K），25 MW 進汽仍分別為25 t/h。其他設置條件不變。

得出如下結論：整體管道內的壓力波動不大，均在0.38 MPa左右，沒有大幅度壓力變化。溫度由于S2 蒸汽管網入口1 加入，管道后部的溫度有所降低。速度在管道后部比較均勻，速度最大處出現在25 MW 進氣口附近，最高在16 m/s 左右，滿足U3、U4用汽要求。

3.3 調整300 MW 機組五抽進汽量，增加S2 蒸汽管網入口2進汽

根據現場情況，調整300 MW 進汽為50 t/h(3.4 m/s)，S2 蒸汽管網入口1 無進汽，S2 蒸汽管網入口2 進汽14 t/h，溫度170 ℃(443 K），25 MW 進汽仍分別為25 t/h。其他設置條件不變。

得出如下結論：整體管道內的壓力波動不大，均在0.38 MPa左右，沒有大幅度壓力變化。溫度由于S2 蒸汽管網入口2 加入，管道后部的溫度有所降低。速度在管道后部比較均勻，速度最大處出現在25 MW 進汽口附近，最高在16 m/s 左右，滿足U3、U4用汽要求。

綜上所述。U3、U4蒸發器具備倒運用汽模式條件，將用汽模式由“管網蒸汽+25 MW 機組抽汽”改為“300 MW 五段抽汽+25 MW 機組抽汽”，同時保證S2蒸汽管道熱備狀態，以便于出現故障后及時對汽源進行切換。

3.4 調整用汽模式后蒸汽穩定性及產水量分析

汽源倒運后通過3個月對U3、U4蒸汽穩定性和產水量進行對比分析，得出如下結論：（1）在蒸發器滿負荷的情況下，蒸汽消耗量幾乎持平（如圖3）；（2）汽源倒運后,U3、U4 蒸發器入口壓力降低的同時，蒸汽壓力穩定性提高（如圖4）；（3）汽源穩定后蒸發器產水量呈上升趨勢（如圖5）。

圖3 調整前后管網蒸汽和熱電五抽用量對比

圖4 U3、U4蒸發器調整前、后入口蒸汽壓力變化對比

圖5 調整前后U3、U4蒸發器日產水量對比

3.5 U3、U4蒸發器制水成本分析

汽源倒運后蒸汽總體消耗量未有明顯變化（詳見圖3），但是原來S2 蒸汽價格100 元/m3，調整為熱電五段抽汽價格約為60 元/m3，按照U3、U4 蒸發器每天消耗1800 m3管網蒸汽計算每天節約能源成本7.2 萬元，折合降低制水成本3 元/m3（按U3、U4 蒸發器每天產水2.4萬m3計算）。

4 用汽模式探索

為了更好的利用鋼鐵廠低溫余熱資源，該公司遠期規劃以低溫多效海水淡化為載體，以海水淡化生產的除鹽水為換熱介質貫穿始終，除鹽水先于高爐沖渣水進行換熱，溫度升高后再與熱風爐、燃氣鍋爐等高溫煙氣進行換熱，除鹽水溫度進一步提高，經過兩次換熱的除鹽水在海水淡化區域經過閃蒸產生低溫多效蒸餾海水淡化所需要的低壓蒸汽，充分利用鋼廠余熱的同時進一步降低海水淡化的制水成本。主要流程見圖6。

5 結語

低溫多效海水淡化技術已在沿海地區廣泛應用，但是制水成本差異較大。我們只有根據自己企業的生產運行模式找到合適的汽源，將余能余熱盡可能的回收并作為低溫多效海水淡化的汽源，這樣企業才能取得顯著的經濟效益、環境效益和社會效益，在激烈的競爭中立于不敗之地。

圖6 低品質熱源利用流程