電廠寬負荷運行下蒸汽噴射器對低溫多效蒸餾系統的影響

張友森，范江，丁濤，陳偉雄*，趙舒然，劉苗苗

電廠寬負荷運行下蒸汽噴射器對低溫多效蒸餾系統的影響

張友森1，范江2，丁濤1，陳偉雄2*，趙舒然2，劉苗苗2

（1．神華國華(北京)電力研究院有限公司，北京市 朝陽區 100025；2．動力工程多相流國家重點實驗室(西安交通大學)，陜西省 西安市 710049）

淡水資源匱乏問題日益嚴重，火電廠耦合低溫多效蒸餾(low-temperature multi-effect distillation，LT-MED)海水淡化技術因可有效降低制水成本而被廣泛利用。利用Ebsilon軟件對某電廠和低溫多效蒸餾海水淡化耦合系統進行建模，分析了電廠寬負荷下蒸汽噴射器對水電聯產系統熱經濟性的影響規律。研究結果表明：基于單級蒸汽噴射器的水電聯產系統，以電廠75%THA工況設計下的蒸汽噴射器的性能最佳。對于帶兩級蒸汽噴射器的水電聯產系統，當電廠負荷在75%THA工況時系統的制水電耗量相比單級蒸汽噴射器系統降低了13.65%，并且電廠負荷在50%THA工況以上時，帶兩級蒸汽噴射器系統的制水電耗量較單級蒸汽噴射器系統的低。

電廠寬負荷；蒸汽噴射器；低溫多效蒸餾；海水淡化；熱經濟性

0 引言

海水淡化技術作為產生淡水的一種途徑而受到人們重視。低溫多效蒸餾(low-temperature multi-effect distillation，LT-MED)海水淡化技術具有的諸多優點使其成為主流的海水淡化技術，火電機組聯合低溫多效蒸餾海水淡化系統調峰成為一種新方法。電廠海水淡化島的建立，使得電廠調峰的性能大大增強，因此在增加電網中清潔能源發電比例的同時，當電廠生成過量的蒸汽時，可以將蒸汽抽到海水淡化系統中生產淡水[1-3]。

沈勝強等[4]針對LT-MED海水淡化-發電聯產系統，利用等效焓降理論探究了制水電耗量和制水燃料成本，降低抽汽壓力，有利于降低制水能量成本，但是抽汽壓力的下限應該滿足蒸汽噴射器引射系數的要求。周少祥[5]分析了熱電聯產海水淡化系統造水比和單位當量電耗率，研究了熱電聯產LT-MED海水淡化系統利用蒸汽噴射器的節能效果，可大大提高熱電聯產海水淡化系統的性能。柴曉軍[6]對帶熱壓縮的LT-MED海水淡化系統進行了研究，并以4效低溫多效海水淡化裝置為基礎提出了新的帶熱壓縮的LT-MED海水淡化系統，并得到了給定初參數下該系統的最優設計。楊洛鵬等[7]建立了LT-MED系統數學模型，考慮了各種溫差損失對系統的熱力性能的影響，結果表明，蒸發器內除沫器和管道摩擦引起的溫差損失隨溫度的降低而顯著增加，降低頂值鹽水溫度，增加蒸發器的效數，可以提高系統的造水比，降低制水的能量成本。

周士鶴等[8]建立的模型考慮了由流動阻力和沸點升高引起的熱力損失，分析了熱力損失、進料方式、預熱方式以及與蒸汽熱力壓縮器(thermal vapor compressor，TVC)相結合對系統熱力性能的影響。馬露露等[9]從熱力發電廠供熱方式及LT-MED供熱需求考慮，提出了3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”，并對3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。沈勝強等[10]建立了TVC對MED海水淡化裝置性能的影響，討論了對于一定設計條件下的海水淡化裝置、蒸發器效數、TVC 引射蒸汽、工作蒸汽及抽汽位置和裝置的造水比，結果表明，蒸發器效數、TVC 吸入蒸汽溫度的增加都會提高造水比。解利昕等[11]針對其所建系統用MATLAB編程軟件和圖像?分析法，直觀形象地顯示了蒸汽壓縮噴射器動力蒸汽側與加熱蒸汽側之間具有較大的品位差。

近年來，火電機組常在較低的負荷下運行，電廠在寬負荷下運行蒸汽噴射器的性能對水電聯產系統的熱經濟性具有重要意義。本文對水電聯產系統的計算及分析是基于某 330MW凝汽式機組與某LT-MED-4 000 t/d海水淡化裝置。汽輪機組共7級抽汽，LT-MED海水淡化裝置的加熱蒸汽來自汽輪機組的某段抽汽口。對不同設計工況下的單級蒸汽噴射器在電廠不同低負荷下進行了仿真計算，并分析了帶兩級蒸汽噴射器系統的熱經濟性，比較了單級蒸汽噴射器和兩級蒸汽噴射器的性能，為電廠耦合海水淡化的水電聯產系統運行及改造提供參考。

1 電廠海水淡化島

1.1 LT-MED海水淡化系統

在電廠海水淡化島中，分為電廠系統和海水淡化系統。本文利用Ebsilon軟件對電廠系統和LT-MED海水淡化系統進行建模。Ebsilon軟件是德國STEAG公司開發，被廣泛用于電站的設計、改造和運行過程。本文建立的LT-MED海水淡化系統模型包括噴水減溫器、蒸汽噴射器、凝汽器、閃蒸罐、泵和蒸發器等模塊。其中，噴水減溫器、凝汽器、閃蒸罐是利用Ebsilon軟件自帶模塊，蒸汽噴射器和海水蒸發器是自編程模塊計算。蒸汽噴射器模型參考Chen等[12]建立的模型，蒸發器模型參考高從堦等[13]建立的模型。系統各個模塊都是根據質量平衡和能量平衡進行計算。在對該LT-MED海水淡化系統進行計算時，作了以下假設：

1）系統是穩態過程；

2）系統的熱力損失只考慮鹽水沸點升高；

3）各個模塊的散熱損失和流體的流動阻力忽略不計；

4）所有的冷凝過程均在恒壓下進行；

5）產生的淡水均為純水。

該海水淡化系統有6效蒸發器，海水的進料方式為平流進料和逆流進料相結合的方式，將6效蒸發器分為2組，每組采用逆流進料，組內采用平流進料。海水經過冷凝器預熱后，由一級物料泵送往第4、5、6效，提濃后的海水匯集后由二級物料水泵送入第1、2、3效，這樣既可以保留低物料水溫時逆流進料節約蒸汽耗量的優點，又可以減少中間進料泵的數量，簡化了系統流程，同時節約了單位制水量的電耗[14]。凝汽器中的循環冷卻水是海水，海水經過凝汽器吸熱后，一部分作為物料海水被利用，另一部分排入大海。LT-MED海水淡化系統如圖1所示。

1—噴水減溫器；2—蒸汽噴射器；3—蒸發器；4—凝結水泵；5—電動機；6—淡水閃蒸罐；7—海水閃蒸罐；8—海水物料泵；9—海水凝汽器。

該海水淡化系統的入口海水濃度為45g/ L，入口海水溫度為29.4℃，經過海水凝汽器預熱到43.1℃后，海水流量控制在540t/h，均分送往第4、5、6效作為進料海水。蒸汽噴射器的動力抽汽來自電廠的某抽汽口，由于電廠抽汽過熱度較高，故先經噴水減溫器使蒸汽降到160℃，引射蒸汽來自末效蒸發器產生的二次蒸汽，出口蒸汽經過噴水減溫成飽和蒸汽后進入首效蒸發器。保證淡水產量167t/h不變的前提下，進入第1效蒸發器的加熱蒸汽參數為25kPa、65℃、32.5t/h。每一效蒸發器的溫差為3.1℃(管內加熱蒸汽溫度與管外二次蒸汽溫度之差)。利用軟件對上述LT-MED海水淡化系統進行建模，在100%淡水負荷下對各效蒸發器出口的海水流量模擬值與設計值進行比較，結果如表1所示。

表1 100%淡水負荷下各效蒸發器出口海水流量誤差對比

由表1可以看到，各效蒸發器出口的海水流量模擬值與設計值誤差均在0.68%以內，吻合度較高，說明該LT-MED海水淡化系統可行。

蒸汽噴射器是一種不直接消耗機械功而提升蒸汽壓力的設備。由于電廠抽汽的蒸汽值和LT-MED驅動蒸汽參數不匹配，因此一般采用蒸汽噴射器實現蒸汽參數的匹配。引射系數是蒸汽噴射器的工作性能的主要參數。引射系數等于引射蒸汽量與動力蒸汽量的比值[15]。為驗證蒸汽噴射器的準確性，與某海水淡化系統蒸汽噴射器進行比較，其設計引射系數為0.876，在設計工況下的蒸汽參數如表2所示。

表2 蒸汽噴射器設計工況下的蒸汽參數

蒸汽噴射器在海水淡化系統變工況時的引射系數誤差比較如表3所示。

表3 蒸汽噴射器引射系數誤差比較

由表2、3 可知，在同樣的進出口蒸汽參數下，蒸汽噴射器設計工況下的引射比為0.868，誤差為0.92%，在海水淡化系統變工況時誤差也較小，說明本文所用蒸汽噴射器模型準確。

在本文的研究范圍內，為保證海水淡化系統淡水產量保持167t/h不變，需要單級蒸汽噴射器在各設計工況下，其出口壓力均為25kPa，出口流量均為31.8t/h。根據研究，在海水淡化系統中，蒸汽噴射器的?損占到海水淡化系統?損的一半左右，故本文重點對蒸汽噴射器的?損變化進行討論。?是一個重要的熱力學狀態參數，?分析法基于熱力學第二定律，考慮了過程進行的不可逆性。物質的?包括水?和海水?，具體計算公式參見文獻[16]。

根據?平衡關系，蒸汽噴射器的?損為其進出口的?值差。

式中：x,L為蒸汽噴射器的?損；p,in為動力蒸汽的?值，kW；s,in為引射蒸汽的?值，kW；c,out為出口蒸汽的?值，kW 。

在本文的計算中，兩級蒸汽噴射器的?損為第1級和第2級蒸汽噴射器的?損之和。

1.2 電廠系統

電廠系統是根據某330MW電廠進行建模，該電廠主蒸汽為超高壓，并采用一次中間再熱，主蒸汽參數為16.67MPa、538℃，再熱蒸汽參數為3.46MPa、538℃。電廠系統如圖2所示。

圖2 電廠系統示意圖

用Ebsilon軟件搭建電廠系統的模型，忽略各模塊散熱損失，假設各回熱加熱器的端差在電廠變工況時不變。在各工況下比較機組熱耗的設計值和模擬值的誤差，結果如表4所示。

表4 電廠各工況下機組熱耗誤差比較

由表4可知，最大熱耗誤差為2.6%，因此認為本文建立的火電機組模型精度較高。

電廠在參與調峰時需要在變工況下運行，故需分析電廠變工況下各抽汽口的壓力對海水淡化系統的影響，本文選取第5段抽汽作為海水淡化系統的驅動汽源。表5是電廠變工況下各抽汽口的壓力值。

表5 電廠變工況下各抽汽口的壓力值

2 水電聯產海水淡化系統熱力性能分析

2.1 電廠耦合LT-MED海水淡化系統

水電聯產LT-MED海水淡化系統即在電廠發電的同時，從某段抽汽口抽汽供海水淡化系統使用，將2個系統耦合起來，帶單級蒸汽噴射器的耦合系統如圖3所示。

圖3 帶單級蒸汽噴射器的水電聯產系統

在沒有蒸汽噴射器的情況下，由表5中電廠變工況后各抽汽口的蒸汽壓力參數可知，電廠每段抽汽口的蒸汽壓力均可滿足需求；但是電廠抽取的蒸汽參數較高，不能和海水淡化系統很好地匹配，故需要通過減溫減壓器使得蒸汽參數匹配，這樣會損耗較多的能量，經濟性較差。而有蒸汽噴射器時，由于對低壓蒸汽的利用，使得抽汽量大幅減少，從而造水比提高，制水電耗量降低，系統熱經濟性提高。

2.2 單級蒸汽噴射器水電聯產系統

海水淡化系統抽取蒸汽時，蒸汽能量品位的高低直接影響抽汽量，進而影響機組發電量。在海水淡化中，最重要的性能指標之一是造水比，表示各效蒸發器產生淡水總和與消耗蒸汽的比值。另一個指標是制水電耗量(electricity loss for water production，ELWP)，指用于海水淡化的 抽汽返回電廠汽輪機做功的發電量與淡水產量的比值[4]。

由于電廠常在低負荷下運行，故在電廠不同負荷下設計蒸汽噴射器，并研究不同負荷下設計后的蒸汽噴射器性能及對系統經濟性的影響。 一般海水淡化系統的驅動蒸汽來自電廠的中壓缸排汽。

故本文討論：在保證淡水產量和蒸汽噴射器引射蒸汽位置不變的前提下，抽汽來自電廠的5段抽汽口，電廠變負荷下海水淡化系統的各性能指標變化情況。分別以電廠不同工況的抽汽壓力參數設計蒸汽噴射器，在各設計工況下蒸汽噴射器的出口壓力均為25kPa，出口流量均為31.8t/h，引射蒸汽位置在末效蒸發器后，各設計工況下蒸汽噴射器的參數如表6所示。

表6 不同設計工況下的蒸汽噴射器的參數

海水淡化系統的性能變化具體如圖4—7 所示。

圖4 制水電耗量隨電廠負荷的變化

從圖4可以看到，隨著電廠負荷的增加，海水淡化系統的制水電耗量隨之增加，這是由于當電廠負荷增加時，蒸汽噴射器的動力蒸汽參數提高，意味著更高品位的蒸汽損失，機組的發電量減少；并且在不同的電廠負荷下，蒸汽噴射器按照工況1(電廠75% THA工況)下抽汽壓力參數設計時的制水電耗量最低。

圖5是蒸汽噴射器的引射系數隨電廠負荷的變化示意圖，可以看出，當電廠負荷增加時，蒸汽噴射器的引射系數隨之增大，這是由于電廠負荷的增加使動力抽汽的參數提高，故其引射能力增強，并且電廠負荷越大，蒸汽噴射器引射系數增加越緩慢；在不同的電廠負荷下，按照工況1下抽汽壓力參數設計時的蒸汽噴射器引射系數最大。

圖5 引射系數隨電廠負荷的變化

圖6 造水比隨電廠負荷的變化

圖7 蒸汽噴射器?損隨電廠負荷的變化

由圖6可見，系統的造水比隨著電廠負荷的增加而增加，這是由于電廠負荷增加使得抽汽壓力升高，在淡水產量和二次蒸汽的引射位置不變的情況下，蒸汽噴射器的引射能力隨著抽汽壓力的提高而提高，其引射低壓蒸汽的能力增強，故所需的電廠抽汽量減少，并且電廠負荷越大，蒸汽噴射器引射系數增加越緩慢，在不同的電廠負荷下，按照工況1下抽汽壓力參數設計的蒸汽噴射器的造水比最高。

圖7是蒸汽噴射器?損隨電廠負荷變化的示意圖，可以看到隨著電廠負荷的增加，蒸汽噴射器的?損隨之增加，這是因為電廠負荷增加，蒸汽噴射器的動力蒸汽參數品質提高，導致蒸汽的能量品位相差較大。在不同的電廠負荷下，按照工況1下抽汽壓力參數設計的蒸汽噴射器的?損失最小。

為此提出帶兩級蒸汽噴射器的水電聯產系統，來減小單級蒸汽噴射器蒸汽之間能量品位相差大的問題。

2.3 兩級蒸汽噴射器水電聯產系統

單級蒸汽噴射器雖然可以實現電廠抽汽和海水淡化系統驅動蒸汽的參數匹配，但是單級蒸汽噴射器所抽的電廠蒸汽和引射蒸發器的二次蒸汽之間能量品位相差較大，蒸汽噴射器的?損較大，此外，由于電廠有不同參數的蒸汽，故考慮建立兩級蒸汽噴射器實現能量的梯級利用：第一級蒸汽噴射器抽取電廠高溫高壓蒸汽，引射電廠低壓蒸汽；混合后的蒸汽作為第二級蒸汽噴射器的動力蒸汽，引射蒸發器某一效產生的二次蒸汽。帶兩級蒸汽噴射器的耦合系統如圖8所示。本文的計算是基于電廠75%THA工況和淡水100%負荷下，對兩級蒸汽噴射器的系統進行討論。

圖8 帶兩級蒸汽噴射器的水電聯產系統

如圖8所示，蒸汽噴射器不直接從蒸發器引射二次蒸汽，而是建立兩級蒸汽噴射器，間接地引射二次蒸汽。一二級蒸汽噴射器串聯后，在淡水產量和引射位置不變的前提下，單級蒸汽噴射器和兩級蒸汽噴射器系統進行比較。單級蒸汽噴射器抽電廠5段蒸汽；兩級蒸汽噴射器的第一級抽電廠5段蒸汽引射電廠7段蒸汽，第二級引射末效蒸發器產生的二次蒸汽。在電廠75%THA工況下，單級蒸汽噴射器的設計引射系數為0.86，出口壓力為25kPa，出口流量為31.8t/h；兩級蒸汽噴射器的蒸汽參數如表7所示。

表7 兩級蒸汽噴射器的蒸汽參數

第2級蒸汽噴射器的出口壓力為25kPa，出口流量為31.8t/h，進而保證海水淡化系統淡水產量不變。研究單級蒸汽噴射器和兩級蒸汽噴射器設計工況下的系統熱經濟性，性能參數對比如 表8所示。

從表8中可知，帶兩級蒸汽噴射器的系統相比單級蒸汽噴射器而言，系統的制水電耗量降低了13.65%，這是因為在帶兩級蒸汽噴射器的系統中，第1級蒸汽噴射器抽電廠5段抽汽引射電廠7段抽汽的過程中，利用了7段抽汽口的低品位抽汽，從而節約了高品位的5段抽汽，使其可以返回汽輪機發電；另外，兩級蒸汽噴射器的?損比單級蒸汽噴射器的降低了12.04%，這也是由于對電廠7段抽汽的利用，使能量更大程度地得到了梯級利用。

表8 單級和兩級蒸汽噴射器系統性能對比

以電廠75%THA工況分別設計單級和兩級蒸汽噴射器，探究在電廠更低負荷下系統的性能變化情況，如圖9和圖10所示。

圖9 單級和兩級蒸汽噴射器系統的制水電耗量變化

圖10 單級和兩級蒸汽噴射器系統的?損變化

從圖9中可以看到，隨著電廠負荷的降低，單級蒸汽噴射器系統的制水電耗量也隨之降低，而兩級蒸汽噴射器系統的制水電耗量先增大后減小；并且當電廠負荷在50%THA工況以上時，兩級蒸汽噴射器系統的制水電耗量較單級蒸汽噴射器系統的低，且電廠負荷越高，效益越大；而當電廠負荷低于50%THA工況時，單級蒸汽噴射器系統的制水電耗量比兩級蒸汽噴射器系統的低。

圖10是單級和兩級蒸汽噴射器的?損隨電廠負荷的變化情況。對于單級蒸汽噴射器，其?損隨著電廠負荷的降低而減小；而兩級蒸汽噴射器的?損則隨著電廠負荷的減小先增大后減小，在40%THA工況時?損最大，其原因與蒸汽噴射器的引射系數有關，而在電廠75%THA工況下蒸汽噴射器?損最小。表9是在不同的低負荷下蒸汽噴射器的引射系數。

表9 電廠不同低負荷下蒸汽噴射器引射系數

從表9可以看到，單級蒸汽噴射器的引射系數隨著電廠負荷的減小而減小。在兩級蒸汽噴射器系統中，隨著電廠負荷的減小，第一級蒸汽噴射器的引射系數急劇降低，第2級蒸汽噴射器的引射系數則略有增加。當電廠負荷從40%THA工況降到30%THA工況時，第1級蒸汽噴射器的引射系數從0.260驟降到0.034，其引射能力大幅降低，基本不再引射電廠低壓蒸汽，導致其?損也降低；而在電廠負荷從75%THA工況變化到40%THA工況的過程中，第1級蒸汽噴射器引射系數降低是導致?損增大的主要原因，所以在圖10中，電廠在40%THA工況時兩級蒸汽噴射器的?損最大。

對于本文研究的火電機組耦合海水淡化的水電聯產系統，如果火電機組常在高于50%THA工況的負荷下運行，建議采用兩級蒸汽噴射器進行抽汽制水，此時帶兩級蒸汽噴射器的水電聯產系統有著更低的制水電耗量。

3 結論

建立了水電聯產LT-MED海水淡化系統，從熱經濟角度分析了電廠系統在低負荷下耦合海水淡化系統的性能，得到如下結論：

1）基于單級蒸汽噴射器的水電聯產系統，以電廠75%THA工況設計下的蒸汽噴射器的性能 最佳。

2）對于帶兩級蒸汽噴射器的水電聯產系統，當電廠負荷在50%THA工況以上時，兩級蒸汽噴射器系統的制水電耗量較單級蒸汽噴射器系統的低，且電廠負荷越高，效益越大；在電廠40%THA工況時蒸汽噴射器?損最大，而在電廠75%THA工況下?損最小。

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Influence of Steam Ejector on Low-temperature Multi-effect Distillation System Under Wide Load Operation of Power Plant

ZHANG Yousen1, FAN Jiang2, DING Tao1, CHEN Weixiong2*, ZHAO Shuran2, LIU Miaomiao2

(1. Shenhua Guohua (Beijing) Electric Power Research Institute Co., Ltd., Chaoyang District, Beijing 100025, China; 2. State Key Laboratory of Multiphase Flow in Power Engineering (Xi'an Jiaotong University), Xi'an 710049, Shaanxi Province, China)

The problem of lack of fresh water resources becomes more and more serious. The coupling of low-temperature multi-effect distillation (LT-MED) seawater desalination technology in thermal power plants is widely used, because it can effectively reduce the cost of water production. Ebsilon software was used to model the power plant and a LT-MED seawater desalination coupling system. The influences of steam ejectors on the thermal economy of the water and power cogeneration system under wide load were analyzed. The results show that the coupled system has the optimal performance for single-stage steam ejector at the 75% THA condition design of the power plant. For a cogeneration system with a two-stage steam ejector, the system's electricity loss for water production (ELWP) is reduced by 13.65% than the system with single-stage steam ejector, when the plant load is at 75% THA. And the two-stage steam’s ELWP is also lower than that of the single stage steam ejector system when the plant load is above 50% THA.

wide load of power plant; steam ejector; low-temperature multi-effect distillation (LT-MED); seawater desalination; thermal economy

10.12096/j.2096-4528.pgt.19167

TM 621

國家重點研發計劃項目(2018YFB0604303)。

Project Supported by the National Key Research and Development Program of China (2018YFB0604303).

2019-11-25。

(責任編輯 楊陽)