電站余熱淡化海水研究

魯海軍，溫 高

（內蒙古工業大學，內蒙古 呼和浩特 010000）

1 引言

目前熱電站燃料燃燒釋放的熱能，僅有約30%～40%轉變為電能，其余熱能則以不同形式排入大氣中，其中凝汽器損失熱量即冷源損失最大，占總熱量的40%以上，且屬于低品位熱能，通常被稱作電站余熱。此外，我國淡水資源總量為2.8×1012m3，盡管居全球第4位，但人均占有量極少，僅為世界人均占有量的25%，屬于世界淡水缺乏國之一［1，2］。在國民經濟高速發展與淡水資源缺乏矛盾日益突出的今天，海水淡化問題受到高度關注，甚至有學者提出了“引渤濟疆”的設想，其關鍵技術之一，就是利用電站余熱淡化海水的技術。

利用電站余熱淡化海水屬熱法的蒸餾法海水淡化技術范疇，分為多級閃蒸、多效蒸餾和壓氣蒸餾。這些技術在水電聯產應用中，均以低壓蒸汽為熱源，以減少機組發電量為代價，電站余熱利用率低。為提高電站余熱利用率，本文探索了直接利用燃煤電站汽輪機做功乏汽作為熱源的淡化海水方法，對其造水比及經濟性進行了分析。

2 海水淡化裝置與系統溫度分布

2.1 海水淡化裝置系統

圖1示意了直接利用燃煤電站余熱淡化海水裝置工藝流程，主要由海水加熱系統、閃蒸系統、冷凝系統、淡水輸出系統、取水與排水系統等組成。

（1）加熱系統。經過預處理的海水進入蒸汽冷凝器換熱后送入凝汽器冷凝汽輪機乏汽，通過熱交換升溫后的海水送入閃蒸室。

（2）閃蒸系統。由凝汽器加熱的海水在閃蒸室內完成汽化。閃蒸初始階段要求的真空。通過真空泵來實現所需的壓力要求（海水預熱器內達到同樣的真空），抽到所需真空時，停用真空泵。在運行階段真空要通過冷凝器內由于海水溫度差引起的真空度來引出蒸汽。

圖1 電站余熱淡化海水流程示意

（3）冷凝系統。來自閃蒸室的氣體，通過除霧器，進入冷凝器內冷凝成淡水，該冷凝依靠的是溫度較低的進料海水。

（4）淡水輸出。冷凝器中冷凝的淡水，流入淡水儲箱，通過淡水泵將其輸出到系統外，供鍋爐補充水和其他用途。

（5）取、排水裝置。通過預處理的海水，經過專用的取水泵，將海水送入冷凝器中換熱。從閃蒸室內流出的未閃蒸的海水通過排水泵排入大海。

本裝置所利用的燃煤電站余熱主要用來加熱進料海水，使其溫度升高，提高系統的產水量。

2.2 系統溫度分布

給海水進入裝置時的溫度為Tcw，在海水預熱器中，被加熱到t1，由于系統補充海水Mf和冷卻水Mcw的來源相同，因此，系統冷卻水排放溫度與系統補充海水溫度二者相等［3］。流量為（Mf＋Mcw）的海水在流過海水預熱器時，溫度升高為t1，接著由于汽輪機乏汽放出凝結熱，海水溫度達到T0，即系統中最高海水溫度。

為了保持凝汽器中的傳熱溫差，乏汽溫度Ts一定要比T0高。溫度為T0的海水進入閃蒸室內閃蒸，溫度降低，同時，系統的濃鹽水流量減少。

在整個系統中，溫度可以精確的測到，而離開閃蒸室的海水溫度降低ΔTst，這個溫度被稱為閃蒸溫差，對于多個閃蒸室的溫度降低幅度近似相等，該系統的級間溫差為：

式中，T1為排放鹽水溫度，℃。在閃蒸裝置的設計過程中，閃蒸溫差是一個非常重要的參數。凝汽器中海水的溫差為（T0－t1）應該等于整個閃蒸室溫降ΔTst、冷凝器傳熱端差TTDc和熱力學能的損耗ΔTtoss三者之和：

該裝置單級閃蒸溫度分布如圖2。

圖2 單級閃蒸系統溫度分布

3 數學模型

3.1 熱量平衡

對該裝置建立數學模型，它包括總質量和鹽平衡，傳質單元的流量平衡，以及凝汽器和冷凝器能量平衡［4］。總質量和鹽平衡如下：

式中，Md為濃鹽水排放量，kg／s；Md為淡水產量，kg／s；Xf為進料海水濃度，mg／L；Xb為排放鹽水濃度，mg／L；假設蒸汽中含鹽量為零。

凝汽器和蒸汽冷凝器的能量平衡分別如下：

式中，Ms為凝汽器排汽量，kg／s；Cp為定壓比熱4.18kJ／（kg·℃）；λs為排汽凝結潛熱，kJ／kg；λv為閃蒸蒸汽平均汽化潛熱，kJ／kg。

裝置的造水比，定義為系統裝置產生的淡水與加熱蒸汽量的比值，可由方程式（6）和（5）相除得到。造水比的表達式如下：

式中，PR為系統造水比。

3.2 冷卻海水流量

據能量守恒定律，關于冷卻水比流量可以由式（2）、（4）得到：

4 結果及經濟性分析

通過分析計算，得出單級最高海水溫度與系統造水比和海水冷卻水流量的關系曲線如圖3、4所示。

圖3 造水比與最高海水溫度的變化曲線

從圖3可以看出，在不同的熱損失情況下，隨著T0的升高，過熱度增加，熱驅動力就越大，整個系統的產水能力越強。

圖4 冷卻海水量與最高海水溫度的變化曲線

從圖4可以看出，在一定條件下，該裝置的冷卻海水量隨著最高海水溫度的升高而增加。當T0不變時，給水溫度越低，冷卻海水流量越少。

以某國產引進型300MW機組為例，假設機組正常運行背壓15kPa，當背壓提高到27kPa時，分析機組經濟性。背壓增加后，機組少發電4 888.9kW·h，產生淡水632t／h，相當于產1t淡水需7.7kW·h（忽略泵功），能耗較少，且利用了約2.3×109kJ／kg低品位熱量，折合標準煤約72t／h，節約了大量煤炭資源，達到了節能的目的。如果將級數增加到10級，其造水比約為3，與單級相比，造水比提高了約3倍，熱能利用率更加明顯。

5 結語

通過分析，該裝置利用電站大量低品位熱量制造淡水，其能耗較低，而且為熱電站提供了鍋爐補充水以及周邊部分地區居民飲用水，熱能利用效果較明顯，在未來海水淡化研究過程中，將具有很大的現實意義。

［1］高從堦，陳國華.海水淡化技術與工程手冊［M］.北京：化學工業出版社，2004.

［2］Adrian Gambier，Essameddin Badreddin.Dynamic modeling of multi－stage flash plant for automatic control and simulation purposes：a survey［J］.Desalination，2004（166）：191～204.

［3］王世昌.海水淡化工程［M］.北京：化學工業出版社，2003.

［4］Hasan Baig，Mohamed A Antar，Syed M Zubair.Performance evaluation of a once－through MSF distillation system：impact of brine heater fouling［J］.Energy Conversion and Management，2011（52）：1 414～1 425.