低溫多效海水淡化在不同季節穩定產水的研究

李 蓮 馬 妍 韓延民 李之瑞 趙潔蓮

浙江海鹽力源環保科技股份有限公司

0 引言

低溫多效海水淡化技術（LT-MED）是指通過反復利用潛熱，將海水經過多次蒸發和冷凝后脫鹽，且最高蒸發溫度不超過70℃的多效蒸餾技術。由于其蒸發溫度較低，可有效減少海水鈣鎂鹽的析出，大幅降低了管外壁的結垢風險，其較小的傳熱溫差可獲得10左右的造水比[1],以上特點使該技術廣泛應用于我國環渤海地區。

在低溫多效海水淡化系統的運行過程中，當進料海水溫度低于裝置的設計溫度且動力蒸汽量、進料海水量一定時，進料溫度與沸騰溫度之間過冷度會增加，從而減少二次蒸汽的產生，導致造水比降低，即產水量下降[2,3]。陳軍等人[4]提高了LT-MED的進料海水溫度,發現可以提高各種進料方式的淡水產量和造水比，以提升系統熱力性能。為克服不同季節溫度的影響，可通過固定噴淋海水的溫度和流量，使各效蒸發器的換熱溫差和換熱面積保持穩定不變，以維持全年產水量的穩定輸出。解利昕等人[5]在進料海水平流流入各效蒸發器中，利用冷凝系統熱量平衡的原理，通過調整冷卻器進料水量和冷卻自來水流量來控制蒸發器噴淋海水溫度和流量。

本文以12 500 t/d低溫多效海水淡化裝置中的冷凝系統為主要研究對象，在進料海水的設計溫度范圍內，針對冬夏季不同海水溫度，研究出調節進料海水的流量、冷卻水的排放量以實現低溫多效海水淡化裝置穩定產水的方法，通過冷凝系統的調控，在滿足噴淋海水流量與溫度的要求下，盡可能減少冷卻水排放量，或將冷卻水中的熱量回收利用，以提高系統整體的熱利用效率。

1 分析模型

1.1 低溫多效海水淡化系統模型

圖1為12 500 t/d低溫多效海水淡化系統示意圖，該系統主要由閃蒸器、蒸發器、冷凝器、凝結水冷卻器、回熱器和產品水冷卻器組成。進料海水采用平流進料方式均勻噴淋到每一效蒸發器中，閃蒸余熱廢水產生的動力蒸汽作為第一效蒸發器的熱源，海水經過第一效蒸發后分為兩部分，一部分作為二次蒸汽進入下一效蒸發器，另一部分作為濃鹽水排放，后一效重復上一效流程。第一效蒸汽冷凝后進入凝結水冷卻器為第一、第二效噴淋海水加熱，隨后作為熱水回水循環利用，后幾效凝結水則為產品水。第四效的部分蒸汽會被抽出進入回熱器，為第三、第四效的噴淋海水加熱，蒸汽經回熱器冷凝后的凝結水也進入產品水管路。所有的產品水匯集后作為熱側流體進入產品水冷卻器，與部分進料海水換熱后實現產品水的降溫，同時提升進料海水的溫度。

圖1 12 500 t/d低溫多效海水淡化系統示意圖

本文研究的12 500 t/d低溫多效海水淡化系統的工況參數見表1。

表1 12 500 t/d低溫多效海水淡化系統給入參數

根據給入參數和低溫多效海水淡化系統公式[6]計算出12 500 t/d低溫多效海水淡化系統的噴淋海水總量、后冷卻水溫度以及各效蒸汽量等參數值，計算結果見表2。

表2 12 500 t/d低溫多效海水淡化系統參數計算結果

1.2 低溫多效海水淡化冷凝系統

本文以冷凝系統（見圖2）為主要研究對象，第六效蒸發器產生的蒸汽進入冷凝器中，經冷凝后形成產品水。進料海水分為兩部分，第一部分海水用于冷卻產品水，使產品水的出水溫度達到排放標準，第二部分進料海水與換熱后的第一部分海水調控混合進入冷凝器與第六效蒸汽換熱，混合液換熱后溫度上升，再通過噴淋管依次進入各效蒸發室。

根據質量守恒和能量守恒定律等原理，由圖2分別建立了系統物料平衡方程和能量平衡方程[7]，計算公式見式（1）~（8）。

圖2 低溫多效海水淡化冷凝系統示意圖

式中，M cw為進料海水總量，t/h；M cw1為進料海水分支流量，t/h；M cw2為產品水冷卻器冷側海水流量，t/h；M cw3為產品水冷卻器后海水分支流量，t/h；M cw4為進入冷凝器的海水流量，t/h；M cw5為冷凝器后冷卻水排放量，t/h；M cw6為產品水冷卻器后冷卻水排放流量，t/h；FF為進料噴淋海水總量，t/h；D6為第6效產品水量，t/h；DD為總產品水量，t/h；Tcw為進料海水的溫度，℃；Tcw1為產品水冷卻器海水的出口溫度，℃；Tcw2為冷凝器海水進口溫度，℃；T cw3為冷凝器海水出口溫度，℃；T FF為噴淋海水的溫度，℃；T v,i為第i效室的蒸發溫度，℃，i=1…6；TDD1為產品水冷卻器產品水進水溫度，℃；T DD為產品水冷卻器產品水出水溫度，℃；hcw、hcw1、hcw2分別為溫度在Tcw、Tcw1、Tcw2及鹽度均為Xcw下的海水焓值，kJ/kg；Cp,F2和Cp,F4為海水的比熱容，kJ/（kg℃）；Cp,d為水的比熱容，kJ/（kg℃）；λTv,6為第六效蒸汽的汽化潛熱，kJ/kg。

為了簡便計算，將海水的溫度與焓值簡化為線性關系，可將式（8）簡化為式（9）：

根據往年的氣象資料，可以確定當地海水溫度的設計最大值Tcw,max和最小值Tcw,min：

1）當海水設計溫度為最小值時，前、后冷卻水均不排放，即：

由式（2）、（6）、（7）、（1）、（9）可依次計算出M cw4,min、M cw3,min、M cw1,min、M cw,min、Tcw2,min和Tcw1,min。

2）當海水設計溫度為最大值時，海水支路M cw3流量為0，此時，進料海水的溫度與進冷凝器前的海水溫度相等，即：

由 式（6）、（1）、（7）、（2）可 依 次 計 算 出M cw6,max、M cw4,max、M cw1,max和M cw5,max。

根據極限設計值下相對應的流量及溫度可以設定Tcw2的值在兩極值間呈線性關系，見式（14）。

Tcw1與Tcw關系擬合計算框圖見圖3，設定溫度步長為1℃，通過極限溫差ΔT計算出Tcw的散點數N，組成T cw矩陣，根據公式(13)、（1）分別計算Tcw(i)對應的冷凝器海水出口溫度T cw2(i)和進入冷凝器的海水流量M cw4(i)。Tcw1(i)值的計算需給定一個初始值，即Tcw1(i)=T cw1,min，隨后依據公式（8）、（7）、（6）依次計算出M cw3(i)、M cw1(i)、M cw6(i)。此時需判斷M cw6(i)計算值的合理性：當M cw6(i)<0時，返回上一步驟重新代入新Tcw1(i)，新Tcw1(i)值等于原Tcw1(i)加上0．5。當M cw6(i)>0，退出Tcw1(i)的循環計算，至此可以得到與Tcw(i)對應的Tcw1(i)的N個值，再依據散點法得出擬合公式：Tcw1()i=f(Tcw(i))。Tcw1擬合公式框圖見圖3。

圖3 Tcw1擬合公式計算框圖

2 結果與分析

2020年渤海海水溫度[8,9]變化情況見圖4，從圖4中可以看出渤海海水溫度范圍在-1．9~29．9℃。

圖4 2020年度渤海海水溫度圖

將-1．9℃和29．9℃定為Tcw最小值和最大值，則極限設計值下相對應的流量及溫度計算結果見表3。

表3 在設計極限值下，12 500 t/d低溫多效海水淡化系統進料海水參數計算結果表

Tcw1依據散點法得出擬合公式（15）：

M cw2是產品水冷卻器的冷側水流量，不宜有過大的波動，故在本案例中將M cw2流量固定，設為600 t/h。根據公式（1）~（8），（14），（15）可求出隨著進料海水溫度變化的各路流量和溫度。

2.1 不同進料海水溫度對進料海水流量（M cw）、冷卻水排放量（M cw5與M cw6）的影響

從圖5可見進料海水流量（M cw）與后冷卻水排放量（M cw5）隨著進料海水溫度的上升而增加，并且上升趨勢保持一致，通過控制冷卻水排放量（M cw5）能夠確保噴淋海水流量（FF）恒定不變。而進料海水溫度在20℃以下，前冷卻水排放量（M cw6）幾乎為零；進料溫度超過20℃后，M cw6快速上升，最高達到600 t/h。這是因為在冷凝器中，第六效蒸汽量（79．08 t/h）和溫度（43．7℃）保持恒定，若進入冷凝器的海水溫度較低，則換熱過后的海水溫度達不到噴淋進水溫度要求，故需將M cw2與換熱后升溫的M cw3混合，以滿足溫度要求。

圖5 進料海水流量、冷卻水排放量隨進料海水溫度的變化圖

當進料海水溫度低于20℃時，前冷卻水M cw6不排放，則M cw3等于M cw2，經冷卻器換熱后的M cw2全部與M cw1混合，即M cw4等于M cw。當進料海水溫度在20℃以上時，M cw1溫度較高，只需混合較少的M cw3以提高混合液M cw4的溫度，甚至可能不需要M cw3加入，M cw1自身溫度已滿足冷凝器進水溫度要求。因此，為了克服外界溫度干擾，對進料海水流量與冷卻水排放量的控制顯得尤為重要。

2.2 不同的進料海水溫度對冷凝器冷卻水排放溫度（Tcw 1、Tcw 2）的影響

進料海水溫度從-1．9℃增加到15℃時，冷凝器前冷卻水排放溫度T cw1也隨之快速上升；當進料海水從15℃上升到29．9℃時，T cw1保持在39~40℃范圍（見圖6）。這是因為在冷卻器中，總產品水流量DD和溫度TDD1以及M cw2保持不變，隨著Tcw增加，T cw與T DD1越接近，換出的熱量就會越小，則Tcw1的上升速率會逐漸下降，后呈現穩定趨勢。

圖6 冷凝器前冷卻水排放溫度隨進料海水溫度的變化圖

隨著進料海水溫度增加，M cw4和Tcw2持續上

3 結論

為了克服外界溫度變化的影響，本文對低溫多效海水淡化冷凝系統進行了熱質平衡研究，通過調節進料海水流量、冷卻水排放量可以實現低溫多效海水淡化裝置常年穩定產水。本文建立了相應的熱力學數學模型及程序化計算框圖，為海水淡化裝置性能仿真及其自動化控制提供了理論參考。該計算方法為低溫多效海水淡化系統的工藝優化設計提供了理論方案，對實際工程具有預測指導意義。升（見圖7）。在冷凝系統中，第六效蒸汽量和溫度保持恒定，根據能量守恒定律（公式1）可以發現，當M cw4一直增大時，只有增大Tcw2，使Tcw2與Tcw3之間的溫差越小，Tcw3才能保持穩定不變，即噴淋海水T FF保持恒定。冷凝器前冷卻水排放溫度隨進料海水溫度變化見圖6，M cw4和Tcw2隨進料海水溫度變化圖見圖7。

圖7 Mcw4、Tcw2隨進料海水溫度的變化圖