用于大型低溫多效海水淡化真空系統的自主設計與工程實踐

蔡海濤，胡在定，葉志文，楊 煉，倪小洪，張國順

(1．杭州職業技術學院，浙江杭州310018；2．杭州華達噴射真空設備有限公司，浙江 杭州311113)

1 引言

隨著國內經濟的飛速發展，淡水的需求量越來越大，而中國又是一個淡水資源相對匱乏的國家。隨著國際上海水、苦咸水的淡化技術越來越成熟，制作淡水的成本越來越低，帶動了海水淡化市場的巨大需求。過去由于缺乏自主的技術，致使我國大規模海水淡化產業長期處于國外技術壟斷的局面。我們近幾年來通過對用于大型低溫多效海水淡化(low-temperature multi-effect distillation，LT-MED)裝置中的真空系統的自主設計和工程應用的實踐，實現了該核心裝置國產化，進而推動我們在大型海水淡化工程中逐步掌握自主知識產權，突破了國外大公司在該領域的技術壟斷。

2 低溫多效海水淡化技術簡介

低溫多效蒸發(low-temperature multi-effect distillation，LT-MED)海水淡化技術是指鹽水的最高蒸發溫度低于70℃的淡化技術，其特征是將一系列的水平管噴淋降膜蒸發器串聯起來，在真空負壓的壓力下把一定量的蒸汽輸入，通過多次蒸發和冷凝，后面1效的蒸發溫度均低于前面1效，從而得到多倍于蒸汽量蒸餾水的淡化過程。

低溫多效蒸發的低成本主要歸結于它靈活的運行方式，可以利用各種形式的低位熱源，如柴油發電機冷卻水、工業廢氣、廢熱鍋爐蒸汽等。各國投入商業運行的日產淡水萬噸級以上的大型海水淡化裝置其最主要的運行方式是與熱電廠結合，水電聯產。與熱電廠有機結合，可以充分利用熱電廠余熱和機組乏汽，有效降低淡水的造水成本，已成為大型海水淡化技術的發展方向之一［1］。

與多級閃蒸相比，低溫多效蒸發的操作溫度低，可以避免或者減緩設備的腐蝕和結垢；低溫多效蒸發的操作彈性很大，負荷范圍從110%變到40%，皆可以正常操作，而且造水比不會下降。與反滲透膜法相比，低溫多效蒸發的海水預處理簡單，預處理費用低，淡水水質高及系統操作安全可靠。

低溫多效蒸發海水淡化裝置需要真空系統來維持其蒸發器的正常運行真空度，一般選用水蒸汽噴射真空泵來實現，因為這種以噴射器為關鍵部件的真空泵結構簡單，沒有轉動部件，適合長期運行。

圖1顯示了在消化吸收了國外先進技術基礎上，華北某發電設備有限公司的12 000噸/日低溫多效海水淡化國產化裝置的工藝流程圖。在該裝置中，我方承擔了真空系統的設計和制造工作。

圖1 6效LT－MED海水淡化裝置及真空系統流程圖

3 低溫多效蒸餾海水淡化裝置真空系統的簡介和設計方法

圖1所示的6效低溫多效蒸發(LT-MED)海水淡化裝置，其真空系統由三部分組成，分別為真空啟動機組、真空工作機組及可調式噴射壓縮器。其工作原理分別介紹如下。

真空啟動機組用于海水淡化裝置啟動時快速建立裝置的真空度，最大限度縮短抽氣時間，使海水淡化裝置快速地進入正常工況。真空啟動機組由啟動噴射器和消音器組成。

真空工作機組的作用是維持海水蒸餾工藝所要求的工作真空度。機組一般采用兩級水蒸氣噴射真空泵，每一級噴射器后設蒸汽冷凝器。一級噴射器前設置預冷凝器，將來自凝汽器中的部分可凝性汽體(主要是水蒸汽)冷凝，減少兩級水蒸汽噴射真空泵的抽氣負荷，降低其工作蒸汽用量。同時，為了保證海水淡化工藝在夏季高溫及工作蒸汽波動時的穩定性，在一級噴射器的位置上再并聯一個輔助噴射器，作為一級噴射器的備用泵，根據負荷情況，選擇開啟其中一臺噴射器，或兩臺同時開啟。

可調式噴射壓縮器(又稱蒸汽熱力壓縮器，thermal vapor compressor，TVC泵)則是節約蒸汽的關鍵設備。其工作原理是噴射壓縮器在工作蒸汽的推動下，抽取第四效產生的二次蒸汽作為引射蒸汽。二次蒸汽通過噴射壓縮器的絕熱壓縮，提高其壓力、溫度及熱焓后，與工作蒸汽混合作為加熱蒸汽用，使二次蒸汽在蒸發器內連續循環而重復利用。由于噴射壓縮器抽取了部分低品位的二次蒸汽，致使第一效加熱蒸汽壓力與溫度降低，進入后效的加熱蒸汽量也減少，相應的換熱量減少，蒸發器面積減小。隨著出口蒸汽溫度的增加，噴射壓縮器抽取的二次蒸汽的熱量增加，故可以減少外界提供的動力蒸汽的量，使得加熱蒸汽量減小，造水比增大。

真空系統工作方法如圖1的流程圖所示，工作時，先開啟啟動噴射器，當海水淡化裝置的真空度達到設定值時，關閉啟動噴射器，開啟二級蒸汽噴射機組，使蒸發器達到和保持海水淡化工藝所要求的真空度。隨海水及蒸汽進入系統的不凝性氣體從末效后的凝汽器抽出，從而保證從末效到一效的真空度逐級降低，使海水的蒸發溫度從一效到末效逐級降低，同時產生虹吸使海水從一效自動流到末效后由鹽水泵打出，以達到節約能源的目的。

在真空系統設計中，參照了文獻［2］及相關專業文獻作為設計基礎對真空系統進行計算和設計，并且采用了具有自主知識產權的真空系統工藝計算軟件(2009SR017881)，以物料平衡和最佳引射系數為目標，對海水淡化真空系統的工藝進行優化計算，得出系統各節點的工藝參數和工作參數。

無論是啟動噴射器，兩級蒸汽噴射真空泵，還是噴射壓縮器，其關鍵部件或其本身就是噴射器。噴射器的工作原理:有一定壓強的工作蒸汽通過拉瓦爾噴咀，減壓增速(蒸汽的壓力能轉變為動能)以超音速噴入混合室，與被抽介質混合，進行能量交換，混合后的氣體入擴壓器，減速增壓(動能轉化為壓力能)從而進行排氣。

噴射器的特點:無機械運動部件，工作不受潤滑、振動等條件限制，因此可以制成抽氣能力很大的泵。結構簡單，工作穩定可靠，使用壽命長。只要結構材質選擇適當，可以很好的抽除含有大量水蒸汽、粉塵、易燃、易爆及有腐蝕性的氣體。如用同被抽氣體一樣氣體作為工作介質，則系統無污染。工作壓力范圍較寬，多級噴射泵的工作壓力范圍可從大氣壓到0．1Pa，而且可以直排大氣。因此，噴射器作為海水淡化真空系統的關鍵部件，是非常重要的。

噴射器作為一種特殊的蒸汽壓縮設備，其引射系數是衡量這種設備工作性能的一個重要指標。在實際運行過程中，引射系數受多種因素的影響，如壓縮比、工作蒸汽的溫度等，有些參數的變動甚至會導致引射系數的急劇下降，從而極大地影響它的性能。引射系數的計算方法很多，但概括起來有以下幾種方法:

經典熱力學法。依據熱力學經典過程及第一、第二定律，分別研究膨脹、混合和壓縮過程的能量變化，對噴射器的絕熱膨脹和壓縮兩過程的終態參數進行計算，并采用經驗的方法來處理幾個關鍵幾何尺寸—噴嘴長度，擴散器各直徑和長度。此法繁瑣且諸多假設，與實際工控有很大差別，精確性差，計算結果的可實施性無法得到保證。經典熱力學法目前在行業內很少使用。

氣體動力函數法。該方法是建立在氣體動力學理論基礎上的，依據質量守恒，動量守恒和能量守恒三大定律，引進等熵速度，折算速度，相對溫度，相對壓力，相對密度等動力函數，通過理論推導及適當的經驗修正建立起來的一種計算方法。不對噴射器工作過程中的各個環節進行孤立分析，而是在噴射器的整個過程中采用氣體動力學的計算公式研究噴射器主要特征斷面(例如噴嘴喉部、噴嘴出口、擴壓器喉部等)的幾何參數與氣體動力參數的關系，探討泵臨界工況的實質，并在計算公式中引入相應的實驗系數。該方法對某些特定工況下的泵，計算誤差較小。但計算方法仍然相當繁瑣，很多情況下計算結果與實踐仍有較大差距。但該方法中通過理論推導得到了極限引射系數，從而保證了噴射器計算結果的可實施性，噴射器的徑向尺寸完全脫離經驗化，因此，該計算方法在高壓縮比蒸汽噴射器設計領域中，一直占據著不可取代的地位。海水淡化真空系統中的可調式噴射壓縮器的引射系數就是采用此方法來計算的。

圖表法，亦稱之為經驗系數法。該方法是根據大量的實驗，歸納出簡易的圖表數據和經驗公式來進行設計計算，確定噴射器的各尺寸。該方法簡便易行，但缺乏理論依據，局限于實驗過的結構和工作范圍，所用的數據表格有很大的限制，特別是對高真空度、大抽氣量的泵，其計算誤差較大。海水淡化真空系統中的啟動噴射器，兩級蒸汽噴射真空泵一般采用此方法。

真空啟動機組的抽氣量(即啟動噴射器的抽氣量)的計算方法:

已知啟動噴射器對各種氣體的抽氣時間、被抽氣體容積、抽氣開始和終止時的壓力的工藝要求時，其抽氣量可按下式計算［3］:

式中 G為在p2壓力和溫度t時，噴射器對分子量為M的氣體的抽氣量，kg/h；T為抽氣時間；p1、p2分別為抽氣開始和終止時的壓力；t為被抽氣體的溫度；M為被抽氣體的分子量；A為系統的漏氣量，kg/h；α為由噴射器性能決定的修正系數，由實驗方法求得。可按圖2所示選取。

真空工作機組中預冷凝器的計算方法［4］:

1)已知條件:

t1、p4、Gk(冷凝器入口處非可凝氣體含量)、Gz4(冷凝器入口處可凝性蒸汽含量)。

2)冷卻水耗量W

首先根據p4查水蒸汽對應的飽和溫度ts，求得冷卻水出口溫度t2為:

圖2 修正系數α

冷卻水耗量W為:

式中通過冷凝器的水蒸汽凝結量，由下式求得

式中 G’z4為冷凝器出口處可凝性蒸汽的流量。由下式求得

式中 p’4為冷凝器出口處混合物全壓力，由下式求得

p’4=p4－(670 ～1330)Pa(高真空取670 Pa，低真空取1330 Pa)；

p’z4為冷凝器出口處蒸汽分壓(Pa)，即由冷凝器出口處混合物溫度t’4查得的飽和蒸汽壓力。t’4=t1+(1～3)℃；Mk為冷凝器出口處不可凝氣體的分子量。

3)冷凝器直徑D:

當蒸汽混合物通過冷凝器的速度為15～20 m/s時，冷凝器圓筒部分直徑D為

式中 Gzh為進入冷凝器的混合物流量，kg/h；V∑h為進入冷凝器的混合物的比容，可近似地用p4查得的飽和蒸汽比容代替，單位為m3/kg。

4 真空系統的主要技術參數與工程實踐

華北某發電設備有限公司的12 000噸/日低溫多效海水淡化國產化裝置的真空系統主要技術參數和選型結果如下。

4.1 真空啟動機組

4.1.1 主要技術參數要求

海水淡化設備內容積:2100 m3

設計抽氣蒸汽參數:0．55 MPa．a/320℃

系統形式:單級射汽抽氣器

系統要求:一小時內將海水淡化設備內壓力降至20 kPa．a

排氣要求:汽氣混合物經消聲器直排大氣

排氣噪聲:＜85 dB(A)

4.1.2 啟動噴射器的選型

根據上述公式計算出啟動噴射器的抽氣量約為650 kg/h，依此結果，按圖表法設計噴射器即可?；蜻x標準的噴射器，型號為SJ650－0．02/0．1－0．55，蒸汽消耗量4500 kg/h，即可滿足抽氣要求。設備材質除蒸汽室為碳鋼外，其余為不銹鋼316 L。

4.1.3 消音器的選型

消音器可按入口的蒸汽流量，壓力等參數，選用小孔噴注型消音器即可。設備材質為不銹鋼316L。

4.2 真空工作機組

4.2.1 主要技術參數

抽氣量:不凝結氣體量:300 kg/h；混合蒸汽量:650 kg/h

抽氣壓力:10 kPa．a

抽氣溫度:飽和溫度

蒸汽冷凝器冷卻水

冷卻水水源:物料水(海水)

冷卻水最高溫度:43℃ (高負荷工況)

冷卻水最低水溫:31．9℃ (40%低負荷工況)

額定冷卻水水量:344 t/h

低冷卻水量:300 t/h

預冷噴水水源

系統如設置噴水預冷系統，冷卻水由成品冷卻器后引用，水質條件如下:

含鹽量:＜10 ppm

硬度:0

供水壓力:0．06 ～0．1 MPa

額定工況水溫:＜35℃

冬季最低水溫:10℃

4.2.2 預冷凝器的設計和選型

根據上述公式和設計條件計算得出，當冷卻水溫為35℃時，冷卻水耗量為31 t/h，冷卻水出口溫度為40℃，冷凝器直徑700 mm。依此可選標準的強制膜噴淋直冷型冷凝器，采用上下兩層強制膜傘狀噴頭，可以兩組噴頭齊開或按負荷情況開啟其中之一。該型冷凝器結構簡單，易于維護，氣相阻力小。材質采用不銹鋼316 L即可。

另外一些計算結果:冷凝器出口處的蒸汽量G’z4為260 kg/h，出口處混合物全壓力p’4為9．3 Kpa，出口處混合物溫度t’4為37℃。可做為兩級蒸汽噴射真空泵的入口設計條件。

4.2.3 兩級蒸汽噴射真空泵的設計和選型

兩級蒸汽噴射真空泵在行業內已是很成熟的產品，其設計的方法在許多文獻中均有介紹，限于篇幅，這里就不做詳細說明了。

在本案例中，為了保證系統的安全可靠運行，其第一級噴射器的設計，采用并聯一臺輔助噴射器的設計方法。抽汽量分別為560 kg/h和400 kg/h，可分別或并列同時運行。

蒸汽冷凝器冷卻水流量基本恒定，為保證最終排氣中蒸汽含量最低，冷凝器供水采用串聯供水方案，冷卻水先進入一級抽氣冷凝器，再進入二級抽氣冷凝器的方式。由于冷凝器的冷卻水采用物料水(海水)，因此與物料水接觸的部件材料采用了鈦材。

蒸汽冷凝器疏水采用逐級回流疏水方式，二級冷凝器疏水進入第一級冷凝器，第一級冷凝器疏水排入海水淡化設備成品水系統。二級冷凝器疏水采用疏水器疏水；一級冷凝器疏水采用U形管水封排水至海水淡化設備。

真空系統設備露天布置，真空系統設備布置在低溫多效海水淡化設備側面設備平臺上，冷凝器布置在4．60 m標高平臺，兩級蒸汽噴射真空泵布置在8．60 m標高平臺。

4.3 實際運行參數

華北某發電設備有限公司的12 000噸/日低溫多效海水淡化國產化裝置的真空系統及各效蒸發器的主要運行參數如下:

4.3.1 真空啟動機組

設計要求抽氣時間:60 min；排氣噪音＜85 dB(A)。

實際測試抽氣時間:50 min；排氣噪音78．5 dB(A)。

4.3.2 真空工作機組

項目 真空度 工作蒸汽耗量 冷卻水量 預冷凝器進水溫度預冷凝器出水溫度預冷凝器水量設計要求 10 kPa．a 2 300 kg/h 344 t /h 35℃ 40℃ 31 t/h實測結果 9 kPa．a 2080 kg/h 357 t/h 30℃ 35℃ 30 t/h

4.3.3 各效蒸發器的運行參數(產淡水量13000 t/d時)

項目 一效 二效 三效 四效 五效 六效運行溫度(℃)63 60 58 55 44 51運行真空度(kPa．a)22 17 13 9 15 14

5 結論

所述案例的真空系統實際運行參數優于設計要求；

此套低溫多效海水淡化裝置實際運行時，最大產淡水量可達到13 000 t/d；

自主設計與制造的真空系統，完全能適用于萬噸級的大型低溫多效海水淡化裝置，為今后更大型的海水淡化裝置真空系統的國產化提供了借鑒。

［1］解利昕等．海水淡化技術現狀及各種淡化方法評述［J］．化工進展，2003年，22(10):1081～1084．

［2］達道安主編．真空設計手冊(第三版)［M］．北京:國防工業出版社，2004.297～324．

［3］楊乃恒．真空獲得設備(第二版)［M］．北京:冶金工業出版社，2001年．161～162．

［4］楊乃恒．真空獲得設備(第二版)［M］．北京:冶金工業出版社，2001年．160～161．