海濱電廠低溫多效蒸餾海水淡化的工藝設計

張 贏

(廣東省電力設計研究院，廣東 廣州 510663)

海濱電廠低溫多效蒸餾海水淡化的工藝設計

張 贏

(廣東省電力設計研究院，廣東 廣州 510663)

針對海濱電廠低溫多效蒸餾海水淡化系統(MED)變工況運行的特點，本文結合一個日產12000t淡水的工程實例，對MED的工藝系統、設計條件、設備配置進行了詳細說明，闡述了MED工藝設計時應滿足其不同工況的要求，并提出了一些設計原則。

海濱電廠；低溫多效蒸餾海水；變工況；工藝設計。

1 MED工作原理和設計條件

1.1 工作原理

MED是把一系列的水平管噴淋降膜蒸發器串聯起來，成為多效蒸發器，將一定量的蒸汽輸入蒸發器內部的水平管，同時海水由噴淋系統沿各效蒸發器的頂排管以薄膜形式向下自由流動，使得水平管的內外壁發生蒸汽的冷凝和海水的蒸發，再收集冷凝后的淡水，并將生成的蒸汽引入后一效蒸發器水平管中再次進行蒸汽的冷凝和海水的蒸發，由于后一效的蒸發溫度均低于前一效，通過多次的蒸發和冷凝，從而得到多倍于原始蒸汽量的淡水[1]。

1.2 設計條件

1.2.1 海水要求

MED所取的海水一部分用于進多效蒸發器，稱為物料水；另一部分用于冷卻，稱為冷卻水。

MED對于海水的水質條件相比反滲透膜法寬松很多，除了總懸浮固體量≤50mg/L、余氯≤0.1mg/L外，其他基本無特別要求。寬松的進水水質要求也表明了MED對于不同海域、不同海水水質具有很好的適應性，應用范圍廣泛。

通常情況下，海濱電廠所需海水可直接通過取水泵或循環水泵獲得，由于所取海水部分應用于冷卻，因此一般不宜采用電廠的循環水排水作為MED水源，但北方電廠由于循環水排水溫度不高，可考慮使用，從而降低投資。

針對MED的進水條件，預處理采用一般的混凝、過濾，配合加藥就可以達到要求了[2]，原海水能夠直接滿足要求的甚至可以不設置海水預處理系統，能大大的減少投資。

1.2.2 蒸汽要求

M E D通過蒸汽來驅動，很低的壓力(0.2ata～0.5ata)就可以進行工作，如果壓力大于2ata，那么就可以配備蒸汽噴射壓縮器(TVC)來提高熱效率。

對于應用MED的海濱電廠而言，若電廠為新建，MED啟動用蒸汽可來自啟動鍋爐，正常運行時來自機組汽輪機抽汽；若電廠為擴建，那么MED啟動用蒸汽可來自前期機組汽輪機抽汽，正常運行時來自前期或擴建機組的汽輪機抽汽均可。

1.2.3 壓縮空氣要求

壓縮空氣主要用于MED裝置的氣動閥門，供氣壓力0.4MPa～0.75MPa，溫度＜50℃，可由電廠空壓機供給。

1.2.4 產水水質及應用

盡管MED具備寬松的海水進水水質條件，但并不影響其產水水質，相反，其低于5mg/L的產水含鹽量相比反滲透膜法、甚至閃蒸都具備一定的優勢。

MED產水pH值基本呈中性，具有一定的硬度，水體具有較好的緩沖性能，對于鋼管的腐蝕小，不用對水質進行調節。

基于上述優點，MED產水在電廠可作為消防用水、生活用水、飲用水、鍋爐補給水處理水源等，需注意的是，由于MED第一效凝結水是由所進蒸汽冷凝而成，若所用蒸汽來源于汽輪機抽汽，那么一般含有氨，這種情況下，第一效的凝結水不應用于飲用水。

2 MED設備配置及設計原則

應用于海濱電廠的MED，其蒸汽基本來自汽輪機抽汽，由于抽汽壓力較高，普遍配備TVC裝置。另外，針對發電廠負荷的變化所引起的淡水用量的變化，MED可以通過調整蒸汽用量來改變出力，調節范圍達40%～110%[3]，加之海水的溫度和用量也是有變化的，電廠實際運行中對淡水的需求量也是有變化的，因此，整個MED是變工況的系統。

表1為國產某日產淡水量12000t的TVCMED系統的整體設計參數，以該套濱海電廠MED系統為例，展開論述。

表1 國產某產水12000t/d TVC－MED系統整體設計參數

2.1 MED主設備

MED主設備包括蒸發器、蒸汽噴射壓縮器(TVC)、凝汽器和射汽抽氣器。

2.1.1 蒸發器

蒸發器是海水淡化裝置的主要換熱設備，采用管內凝結和管外降膜蒸發的換熱型式。組成部分為：蒸發器殼體、換熱管束、海水噴淋系統、汽水分離器、水蒸氣通道、前水室及水封裝置、后水室及水封裝置、淡水聯接管、鹽水聯接管、不凝氣抽出口等。每一效設有檢修人孔，某些效之間會留有中間段作為檢修空間。

表2所列為該套MED蒸發器的額定工作參數。

表2 蒸發器額定工作參數

蒸發器外殼采用碳鋼涂層，并設置犧牲陽極保護；上三排換熱管束采用鈦管，其余采用鋁合金或銅合金換熱管，這是由于銅、鋁合金管道雖然換熱性能高、造價低，但是若裝配于蒸發器上部，會受到噴淋海水帶來的沖刷腐蝕，因此，上部管束用鈦管替代。

內部構件中，汽水分離器通常采用絲網除霧器；水封采用彎管，高度值根據前后效的設計壓力差來確定；汽水隔板及加強件結構形式應有利于蒸汽均勻流動，不產生渦流及局部過大的汽速；噴淋系統應采用大口噴嘴，防止堵塞。

此外，每一效安裝觀察窗，以便觀察海水的噴淋情況和頂部管排的狀況，或在冷卻運行中檢查和確認噴淋系統是否堵塞或工作異常。為保證設備本體的安全，嚴防超壓破壞設備結構，還需設置防爆門。

蒸發器的殼體、支座、管板等需要根據MED不同運行工況，特別是最不利工況(包括滿水工況)，并結合當地的氣候條件、地震條件，進行各類強度和穩定性計算。

2.1.2 蒸汽壓縮噴射器(TVC)

TVC利用動力蒸汽的富余壓力抽取蒸發器后效的低壓蒸汽，經混合壓縮，提高低壓蒸汽壓力和溫度，形成滿足工藝要求的蒸汽，輸回至蒸發器第一效前，作為第一效的加熱蒸汽。此舉減少了汽輪機組的抽汽量，同時減少了末效蒸發器后的冷凝器的負荷，降低了冷端損失，提高了熱效率[4]。

由于汽輪機抽汽的溫度較高(300℃左右)，因此，往往在TVC的前后設置噴水減溫器，調節進氣溫度。

表3所列為該套MED 蒸汽壓縮噴射器(TVC)的額定工作參數。

表3 TVC額定工作參數

TVC的設計應遵循MED不同運行工況下的熱質平衡，確立其主要工況下的設計參數，并結合制造廠提供的參數值，進行修正。

2.1.3 凝汽器

凝汽器為強制循環表面式，設置在蒸發器末端，用于冷凝末效海水蒸發產生的二次蒸汽，同時預熱物料水。

表4所列為該套MED凝汽器的額定工作參數。

表4 凝汽器額定工作參數

凝汽器換熱管采用鈦管，管板和隔板材質選用不銹鋼316L。

設計時，凝汽器結構應有足夠的強度和剛度，能夠在MED不同運行工況和雪載、風載及地震力等各種外部條件的危險組合條件下工作；并應考慮熱膨脹和檢修荷載。

2.1.4 射汽抽氣器

MED蒸發器工作在負壓真空狀態，設備密封不嚴密會有空氣漏入，海水中溶解的不凝結氣體也會隨物料水進入蒸發器。如果不及時將不凝結氣體排出，會造成蒸發器壓力提高，溫度偏離設計工況；不凝結氣體的富集還將影響換熱效率，制水達不到設計值。為使海水淡化設備工作正常，設置抽真空設備將蒸發器內不凝結氣體排出。

射汽抽氣器用于MED啟動和運行時抽真空用，一般設置1臺啟動射汽抽氣器和多級射器抽汽器。啟動用射器抽汽器用于MED啟動階段快速達到真空度要求；正常運行采用多級射器抽汽器(也可為一級)，用于將運行產水的不凝汽抽出，維持正常運行的真空度要求。

表5所列為該套MED射汽抽汽器的工作參數。

表4 凝汽器額定工作參數

射器抽汽器的工作參數應根據MED的蒸汽參數、設備空氣容量、真空度要求以及抽汽時間要求來共同確定。

2.2 MED輔助設備

MED輔助設備主要包括水泵、換熱器、加藥設備、調節閥。

2.2.1 水泵

水泵主要有五種：

物料水泵：用于將海水升壓，進入各效蒸發器噴淋系統。

凝結水泵：用于將第一效的冷凝水升壓，便于輸送到用水點或水箱，并可提供TVC后噴水減溫器的減溫用水。

成品水泵：用于將逐效匯流而成的成品淡水升壓，便于輸送到用水點或水箱。

鹽水排放泵：用于將逐效匯流而成的鹽水(濃縮后的海水)升壓，便于輸送到排放點。

減溫水泵：將凝結水泵出口的部分凝結水再升壓，用于TVC前噴水減溫器的減溫用水。

水泵一般采用臥式離心泵或臥式雙吸中開泵，物料水泵和鹽水排放泵由于流量大，電機功率往往超過200kW，需要6kV電源。

由于MED是變工況系統，水泵的流量應按照其最大流量工況進行設計，但為了保證海水噴淋系統的一致、穩定性，進蒸發器的物料水流量始終是恒定的，即物料水泵的流量是恒定的。

水泵的揚程應按下列要求確定：

⑴物料水泵揚程根據物料水管道的布置、蒸發器的高度來計算、應保證物料水到達蒸發器各效噴淋系統時有0.5bar左右的壓力余量，因此，設計中，應詳細計算管段、管件、設備的壓力損失，反推得出水泵揚程；

⑵凝結水泵、成品水泵、鹽水排放泵的揚程應根據各用水點或者排水點的壓力要求，結合管道的布置來確定；

⑶減溫水升壓泵應根據凝結水泵的揚程、TVC減溫水噴射器的要求，結合蒸汽溫度以及管道布置來確定。

2.2.2 換熱器

MED的運行總的來說是一個熱質傳遞的過程，輸入蒸汽和海水，輸出淡水和鹽水。

根據熱質傳遞的平衡原理，MED系統得到的淡水和鹽水溫度都比較高，對于用水和排水是不利甚至是不合要求的，因此，MED系統需設置換熱器，大體有四類：

海水預熱器：利用鹽水來加熱物料水，使之滿足進凝汽器的水溫要求，提高換熱效果，同時冷卻部分鹽水。

物料水回熱加熱器：利用第一效凝結水來加熱物料水泵出口的海水，提高進蒸發器的物料水溫度，同時首次冷卻凝結水。

凝結水冷卻器：利用海水來二次冷卻凝結水，使得凝結水的水溫滿足用水點或者后續處理工藝系統的要求。

成品水冷卻器：利用海水來冷卻成品水，使得凝結水的水溫滿足用水點或者后續處理工藝系統的要求。

換熱器用于提高熱效率和保證產水溫度，一般采用熱交換效率較高、占地較小的板片結構。換熱板采用鈦板，兩側介質采用逆向流動，以增加換熱效果，進出口采用同側布置。

MED換熱器也是在變工況下工作的，應按照最不利工況條件進行設計，并保證其換熱效果。具體應根據不同工況下的冷卻水、被冷卻水的熱力參數(溫度、壓力、焓值)，加之換熱器的具體型式來進行計算。

2.2.3 加藥設備

MED一般設置加消泡劑裝置、加阻垢劑裝置和酸洗裝置。

⑴加消泡劑裝置

在溫度較高或雨后，海水表面易產生泡沫，帶有泡沫的海水噴淋到蒸發管表面會影響熱交換，因此需要在物料水中加入消泡劑來降低海水的表面張力，防止和減少泡沫的產生。

⑵加阻垢劑裝置

MED運行過程必須對物料水連續投加阻垢劑，以降低蒸發器換熱管結垢速率。對鹽水的最高溫度的規定也是為了保證能夠通過添加阻垢劑來控制結垢問題。

⑶酸洗裝置

當MED產水量出現下降、定期檢查時發現有結垢等情況出現時，應進行酸洗。酸洗液可由鹽酸、檸檬酸來進行配制。

加酸裝置可固定設置或臨時設置，通過鹽水泵加入到物料水系統，經噴淋系統進入蒸發器和凝汽器，進行酸洗，在正常的操作條件下，MED裝置每年只需進行一次酸洗。

加藥系統的藥品濃度、添加量應根據海水水質，并參照相似工程確定其推薦值，最終應以系統調試、運行情況確定。

2.2.4 調節閥

MED變工況運行以及部分自動化控制都是依靠調節閥來進行的，因此，調節閥的選擇是非常重要的，下述列舉的是MED常配備的調節閥：

⑴海水預熱器海水旁路流量調節閥

⑵海水預熱器鹽水旁路流量調節閥

⑶成品水冷卻器海水排放流量調節閥

⑷凝汽器后海水排放流量調節閥

⑸物料水流量調節閥

⑹凝結水泵流量調節閥

⑺成品水泵流量調節閥

⑻鹽水排放泵流量調節閥

⑼TVC入口蒸汽減溫水流量調節閥

由于MED工況的改變并不要求一定在瞬間內完成，因此調節閥執行機構采用氣動或電動均可；調節閥類型視工程情況和用戶要求而定，通常為了降低造價，采用調節型蝶閥。

調節閥的流量范圍根據不同工況來確定，應保證調節閥在其最小流量和最大流量間處于很好的線性關系；需按最大流量和進出口最小壓差計算Cv值或Kv值，然后根據閥門制造廠提供的Cv值或Kv值性能曲線來進行調節閥的選擇。

3 結論

MED由于其寬泛的進水條件和優良而穩定的產水水質在海濱電廠中越來越多的被采用，實際運行中其工況是經常變化的，工藝設計時，應依據淡水產量、海水溫度等條件建立多種典型的MED工況模型，包括最不利的工況模型，并通過計算得到不同工況下的設計參數。

主設備(蒸發器、TVC、凝汽器、射汽抽氣器)應根據所建立的各種典型工況，特別是最不利工況的參數來進行選型和匹配，并保證設備能在MED工況改變的過程中很好的與之契合。

輔助設備(水泵、換熱器、加藥裝置、調節閥)應在主設備參數確定之后，根據所建立的各類典型工況，特別是最不利工況的參數來進行選型和匹配。

各類設備的材質需要根據所接觸的介質來選定，主設備的強度還要根據各種典型工況和外部環境條件通過計算確定。

[1]馬樂農．低溫多效海水淡化裝置技術在電廠的應用[J]．河北電力技術，2005，(24)5．

[2]張建麗．低溫多效海水淡化系統預處理工藝在黃驊電廠的應用[J]．電力設備，2008，(9)．

[3]孫小軍，劉克威，龐毅，何彩燕.國產萬噸級低溫多效海水淡化技術應用[J].水處理技術，2010， (36)1．

[4]沈勝強，孫甜悅，劉曉華，楊洛鵬．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，010，(9)2．

Technical Design on Low-Temperature Multi-Effect Distillation (MED) in Seaside Power Plant

ZHANG Ying
(Guangdong Electric Power Design Institute, Guangzhou 510663, China)

Low-temperature multi-effect distillation(MED) in seaside power plant is always on unsteady state operation conditions. Combining with an engineering project of which fresh water daily output is 12000t, this article expounds the technical system, design conditions, equipments con fi guration of MED; points out that the technical design on MED should meet the demands of different operation conditions, And gives some design principles.

seaside power plant; MED; unsteady state; technical design.

TM621

B

1671-9913(2011)02-0039-05

2011-02-21

張贏(1981- )，男，漢族，浙江上虞人，工程師，碩士，