基于低真空運行模式的水電聯產系統熱力分析

劉 曉 華， 杜 宇， 沈 勝 強， 陳 文 博， 劉 大 偉

（大連理工大學 海洋能源利用與節能教育部重點實驗室，遼寧 大連 116024）

0 引 言

海水淡化技術已經有了半世紀的發展歷史，在全球范圍內取得了巨大的成功.海水淡化方法主要有熱法、膜法和化學方法三大類.其中，熱法主要包括多級閃蒸、多效蒸發和壓汽蒸餾等.目前適用于大型裝置的海水淡化方法主要有多級閃蒸（MSF）、多效蒸發（MED）和反滲透（RO）.低溫多效蒸發（LT－MED）是以海水頂值溫度小于70℃為特點的一種多效蒸發海水淡化技術.水電聯產低溫多效蒸發海水淡化，即電廠在發電的同時，為海水淡化裝置提供其所需的熱量，既提高了發電廠的能源利用率，又可提供質量可靠的淡水.本文對水電聯產系統的特性進行分析.

1 基于凝汽式機組低真空運行的水電聯產數學模型

1.1 凝汽式機組低真空變工況數學模型

目前火電廠與蒸餾法海水淡化系統的具體集成方式參見文獻[1～3].本文中的水電聯產方式是指將凝汽式機組在低真空運行模式下得到的70℃左右排汽作為低溫多效蒸餾海水淡化裝置的加熱蒸汽，系統見圖1.

圖1 基于低真空運行模式的水電聯產系統圖Fig.1 System flow chart of water－power cogeneration based on low vacuum operation

為了得到低真空運行后汽輪機通流部分各級的熱力參數，本文采用弗留格爾公式對汽輪機進行變工況熱力計算，進而可以得到不同低真空運行工況下的電廠部分熱經濟性指標的變化情況.

具體計算方程如下：

式中：D1，0、D1分別為工況變動前、后級組的通流量，kg/h；p1，0、p1分別為工況變動前、后的級組前的抽汽壓力，MPa；p2，0、p2分別為工況變動前、后的級組后的抽汽壓力，MPa；T1，0、T1分別為工況變動前、后級組前的抽汽溫度，K.

本文主要研究變工況對整個水電聯產的影響，因此采用如下簡單公式：

由抽汽壓力的變化而引起的抽汽比焓的變化，可以按照氣態膨脹線的線性關系加以確定.計算公式如下：

式中：h、p分別表示過熱蒸汽比焓、壓力.

1.2 低溫多效蒸餾海水淡化系統數學模型

低溫多效蒸餾海水淡化系統的計算，是采用“等溫差”的方法來設計各效蒸發器，考慮的熱力損失包括鹽水沸點升高，蒸汽在流經管束、除沫器和通道時因為摩擦阻力而造成的溫度損失.通過對各效蒸發器進行質量、熱量平衡計算，進而求出加熱蒸汽消耗量、各效蒸發器蒸發淡水量、各效預熱器的蒸汽消耗量、各效閃蒸器冷凝水閃蒸量、各效蒸發器的溶液濃度、各效蒸發器傳熱面積等參數.本文中數學模型具體計算公式參見文獻[4].

2 海水淡化制水成本計算模型

本文中討論的海水淡化制水成本計算模型主要分為兩部分：一部分為投資費用，另一部分為運行費用.本文中研究的制水成本模型中主要包括電廠由于低真空運行使得煤耗增加而產生的費用和海水淡化系統中各設備的運行和折舊費用.模型中尚未考慮真空系統的費用、燃料煤價格的波動情況、人員費用、海水預處理費用及土建工程的費用.

（1）對于低真空運行，在保證發電量不變的情況下，標準煤耗率增加，則全年制水燃料成本費用（元/a）為

式中：θ為系統年運行時間（本文取8 760h）；C1為鍋爐標準煤單價，元/t（本文取450元/t）；Pe為電廠的額定發電功率；Δbs為低真空工況對發電標準煤耗率的增量影響.

（2）蒸發器年折舊費用及維修費J2、冷凝水閃蒸器年折舊費用J3、冷凝器的年折舊費用J4、預熱器的年折舊費用J5、海水淡化系統各類泵的折舊及運行費用J6的計算方法均見文獻[4].

（3）單位產量淡水成本模型可表示如下：

式中：J為單位產量淡水成本，為淡水產量，kg/h.

3 計算結果與分析

3.1 水電聯產方式對于電廠熱經濟性的影響

本文針對 N300－16.17/550/550的凝汽式汽輪機組進行水電聯產熱力計算，首先固定水電聯產系統效數為7，并設計系統為含預熱器的串聯流程，計算結果如表1所示.

表1 N300－16.17/550/550原工況及低真空工況主要熱經濟指標Tab.1 N300－16.17/550/550main thermo－economics index under design condition and low－vacuum condition

從表1計算結果可以得出：低真空運行排汽溫度為70℃時汽輪機的排汽量比原工況增加了8.09%，發電標準煤耗增加了9.95%，全廠能源利用率由原來的38.85%上升到80.98%.分析上述變化的原因為全廠綜合能源利用率包括發電效率和制水效率兩項，因制水使發電效率下降，制水效率上升，兩者之和導致綜合能源利用率呈大幅上升趨勢.全廠能源利用率提高的本質原因是制水過程充分利用了原來電廠排汽部分的冷源損失，因此對于電廠而言，低真空運行模式下水電聯產方式大大提高了電廠的能源利用率.

3.2 水電聯產方式對制水成本及制水規模的影響

如圖2所示，本文在固定排汽溫度為70℃時，分析了不同裝機容量下效數的變化對制水成本的影響.當效數一定時，制水成本隨裝機容量的增大而明顯降低，因此可以得出結論，低真空運行模式下的水電聯產方式適宜用于較大裝機容量的海水淡化系統，有利于制水成本的降低；當裝機容量一定時，制水成本隨效數的增加而降低，但是降低的幅度非常小，因此在裝機容量固定的前提下通過改變效數來降低制水成本的效果不是很明顯.

圖3 制水成本和發電標準煤耗率隨排汽溫度的變化Fig.3 Effects of exhaust steam temperature on water cost and coal rate

圖4 各效溫差為3℃時不同排汽溫度下制水成本隨效數的變化Fig.4 Effect of the number of evaporators on water cost under different exhaust steam temperatures（Δt＝3℃）

圖2 不同裝機容量下制水成本隨效數的變化Fig.2 Effect of number of evaporators on water cost under different water production

如圖3所示，本文還分析了在充分利用汽輪機的排汽作為MED的首效加熱蒸汽，效數固定為7時，排汽溫度的變化對制水成本的影響.由圖可見，制水成本隨排汽溫度的降低而降低，發電標準煤耗率隨排汽溫度的降低而降低，從而導致J1部分成本降低，因此總制水成本得到降低.

一般在選取末效二次蒸汽溫度時均應保證大于35℃，當“等溫差”選取為3℃時，以溫度分別為55、60、65和70℃的汽輪機低真空運行后的排汽直接作為低溫多效蒸餾海水淡化系統的加熱汽源，并對該水電聯產系統進行熱力設計計算，結果如圖4和5所示.可以看出，在汽輪機排汽參數不變的前提下，制水成本隨效數的增加而降低，淡水產量隨效數的增加而增加；在效數不變的前提下，制水成本隨汽輪機排汽溫度的升高而增大，淡水產量隨排汽溫度的變化很小.因此在設計系統時可以參考如下結論：在滿足相應的淡水需求量的前提下可以盡量安排蒸發器效數最大，而為了使制水成本最低可以盡量降低排汽溫度.在本文的計算范圍內，對計算結果進行優選后可以得出如表2所示的結論.

圖5 各效溫差為3℃時不同排汽溫度下淡水產量隨效數的變化Fig.5 Effect of the number of evaporators on water production under different exhaust steam temperatures（Δt＝3℃）

表2 各效溫差為3℃時不同淡水需求量下最佳排汽溫度和最佳效數的選擇Tab.2 The optimal exhaust steam temperature and the number of evaporators under different water production（Δt＝3℃）

當“等溫差”選取為2℃時，同樣仍以排汽溫度分別為55、60、65和70℃的加熱汽源作為研究對象，計算結果如圖6、7所示，此時不同淡水量需求下優選出的最佳排汽溫度和最佳效數如表3所示.從表2和3中的對比中可以得出如下結論：當“等溫差”減小時，制水成本總體都有所上漲，但是滿足不同淡水需求量下的最佳排汽溫度會降低，蒸發器最佳效數保持不變.

圖6 各效溫差為2℃時不同排汽溫度下制水成本隨效數的變化Fig.6 Effect of the number of evaporators on water cost under different exhaust steam temperatures（Δt＝2℃）

圖7 各效溫差為2℃時不同排汽溫度下淡水產量隨效數的變化Fig.7 Effect of the number of evaporators on water production under different exhaust steam temperatures（Δt＝2℃）

表3 各效溫差為2℃時不同淡水需求量下最佳排汽溫度和最佳效數的選擇Tab.3 The optimal exhaust steam temperature and the number of evaporators under different water production（Δt＝2℃）

4 結 論

（1）低真空運行后隨著汽輪機排汽溫度的升高，進汽量相應增加，電廠的發電標準煤耗率增加，但是聯產后全廠能源利用率大幅上升.

（2）當效數一定時，制水成本隨裝機容量的增長而明顯降低，因此可以得出結論，低真空運行模式下的水電聯產方式適宜用于較大裝機容量的海水淡化系統，有利于制水成本的降低；當裝機容量一定時，制水成本隨效數的增加而降低，但是降低的幅度非常小，因此在裝機容量固定的前提下通過改變效數來降低制水成本的效果不是很明顯.

（3）在充分利用汽輪機的排汽作為 MED的首效加熱蒸汽，效數固定為7時，發電標準煤耗率隨排汽溫度的降低而降低，從而導致制水成本隨排汽溫度的降低而降低.

（4）在各效溫差為3℃時，在汽輪機排汽參數不變的前提下，制水成本隨效數的增加而降低，淡水產量隨效數的增加而增加；在效數不變的前提下，制水成本隨汽輪機排汽溫度的升高而增大，淡水產量隨排汽溫度的變化很小.因此在設計系統時可以參考如下結論：在滿足相應的淡水需求量的前提下可以盡量安排蒸發器效數最大，而為了使制水成本最低可以盡量降低排汽溫度.

（5）當“等溫差”減小時，制水成本總體都有所上漲，但是滿足不同淡水需求量下的最佳排汽溫度會降低，蒸發器最佳效數保持不變.

[1] EL－NASHAR A M.Cogeneration for power and desalination — state of the art review [J].Desalination，2001，134（1－3）：7－28

[2] HAMED O A.Thermoeconomic analysis of a power/water cogeneration plant[J].Energy，2006，31（14）：2699－2709

[3] DARWISH M A.On the reduction of desalting energy and its cost in Kuwait [J].Desalination，2008，220（1－3）：483－495

[4] ZHANG Xiao－man，LIU Xiao－hua，SHEN Shengqiang，etal.Optimization and analysis of heat，water and power cogeneration system [C]// The 4th International Conference on Cooling and Heating Technologies.Jinhae：[s n]，2008：28－31