太陽能海水淡化技術

姜曉霞

（哈爾濱汽輪機廠輔機工程有限公司，哈爾濱 150090）

1 引言

我國屬于太陽能資源儲量豐富的國家之一，年日照時數大于2000h的地區面積約占全國總面積的2/3 以上。其中，有條件發展太陽能電站的沙漠和戈壁面積約為30 萬平方公里，占我國沙漠總面積的23%，積極開發利用太陽能資源是解決我國能源問題以及環境問題的最有效的措施。

對于水資源，我國人均占有水量只居世界的第108位，相當于世界人均水平的1/4。缺水城市占全國城市的2/3，被列為世界上13個貧水國之一。發展海水淡化技術，向海洋索取淡水已成為現代社會的當務之急。利用太陽能海水淡化不僅緩解了能源壓力，環境危機，也緩解了地區性缺水問題。對緩解當代水資源短缺、供需矛盾日趨突出和環境污染日益嚴重等系列重大問題具有深遠的戰略意義。

2 太陽能海水淡化簡介

隨著太陽能熱利用技術以及海水淡化技術的不斷成熟，目前世界上海水淡化應用最廣泛的方法有蒸餾法、膜法和電滲析法等。其中蒸餾法包括多效蒸發（MED）、閃蒸（flash）。膜法包括反滲透（RO）法以及膜法蒸餾（MD）。而這些方法都可以利用太陽能作為其驅動能源。其中膜法與電滲析大多與光伏利用結合，蒸餾法與光熱利用相結合。

現有淡化技術中，蒸餾淡化技術最成熟、運行安全性高、適用范圍廣、單機規模大。

國外太陽能海水淡化技術已有較長時間的發展，過去二三十年內，建造了大量的太陽能海水淡化系統，其中部分至今仍在運行。然而，由于國內相對落后的太陽能利用技術，以太陽能作為能源，尤其使用聚光集熱方法的太陽能海水淡化系統尚無應用，需加大研究力度。

3 太陽能海水淡化系統技術方案

太陽能自身的特點是可收集能量的不連續性。而太陽能海水淡化系統要保證淡化島的連續運行，淡化島部分不能隨著太陽的起落而每日起停，所以要解決收集不到太陽能時段系統輸入能量的途徑問題。一種方式是采用蓄熱裝置，沒有太陽時利用蓄熱裝置供汽驅動淡化島。這種方式對于蓄熱部分設計要求較高，根據地區性氣候確定蓄熱時間。如果蓄熱時間太短，連續陰雨天就要停下淡化島；如果蓄熱時間太長則蓄熱部分投資太大，系統經濟性不好。而且熔鹽系統需要較高的保溫要求，系統復雜。另一種方式是采用鍋爐與太陽能結合的形式來保證淡化島的連續運行。該系統受天氣變化波動較小，能保持系統和設備的穩定性，保證下游用水的穩定性，而且不存在系統熔鹽防凝問題，系統簡練，易于控制。根據上述分析，設計系統為太陽能槽式集熱+燃氣鍋爐+MED 海水淡化的系統方案。

采用太陽能與燃氣鍋爐共同產生蒸汽驅動低溫多效海水淡化系統。在陰天或者晚上燃氣鍋爐100%負荷工作，晴好的白天燃氣鍋爐變工況運行，太陽能系統參與補汽，保證進入海水淡化系統的主蒸汽量保持一致。維持整個海水淡化系統的穩定運行。太陽能集熱系統采用槽式太陽能系統，導熱油在集熱管中吸取太陽能后經過油水換熱器（蒸發器）產生出海水淡化系統所需參數的主蒸汽。

本方案太陽島部分采用槽式太陽能集熱工藝，采用國外高科技集熱管材，對太陽能的吸收率可達到96%。采用6m 開口，利用二次反射集熱技術，充分采集太陽能［2］，導熱油在集熱管內吸收太陽能后在蒸發器內與水發生熱量交換，產生海水淡化系統所需條件的蒸汽。設計擬采用45t/h的補汽量。與燃氣鍋爐一起保證整個系統的穩定運行。

圖1 太陽能槽式集熱+燃氣鍋爐+MED 海水淡化系統方案

海水淡化系統采用低溫多效蒸餾系統（MED-TVC），單機出力不低于10000t/d，產品淡水的水質TDS 不大于5mg/L。裝置年利用率大于98%，出力可在額定出力的40%～110%的范圍內調節。

3.1 低溫多效蒸餾海水淡化系統方案

低溫多效蒸餾海水淡化系統主要由蒸發器、冷凝器和閃蒸罐組成。考慮到經濟和實際運行因素，常在蒸發器前加入預熱器來預熱海水，并在淡化系統內加設蒸汽壓縮機（TVC）。

圖2 自主研發程序界面

低溫多效蒸餾海水淡化系統的熱力系統采用我公司自主研發程序計算。該程序經過兩年的研發，已做過多次項目方案驗證，結果真實可靠。可作為MED 系統熱力設計的基礎計算軟件［3］。

MED 海水淡化裝置蒸發器效數直接與裝置的造水比相關，每增加一效，其造水比大幅增加，因此，增加效數是提高MED 海水淡化裝置造水比的直接途徑。造水比增加，系統運行收益會增加，然而增加效數會直接導致系統初投資額的增加。為了確保系統的收益，必須對造水比和系統初投資進行優化設計。

設計結果如表1 所示。

表1 海水淡化系統設計結果

3.2 系統換熱設備設計

太陽能海水淡化系統采用由73.5%的二苯醚和26.5%的聯苯組成的混合物作為換熱介質。該介質具有優異的熱穩定性，最高油膜溫度可達400℃；具有較低的蒸汽壓；液相粘度較低系統阻力可相對減低；安全性較好，在正常使用的情況下幾乎不存在發生爆炸的危險；對設備無腐蝕。介質在太陽能場溫度使用范圍控制在293℃～393℃之間。

利用HTRI進行系統換熱設備的計算。系統水汽側參數已知（回水采用第一效凝結水），由熱力計算確定油側相關參數。換熱系統采用預熱器-蒸發器-過熱器單列形式。換熱器均采用管殼式換熱器。

表2 換熱器設計條件

表3 換熱器設計結果

3.3 集熱場設計方案

聚光系統是系統的核心，由槽式拋物面反光鏡跟蹤裝置構成。跟蹤方式通常采用一維跟蹤，有南北、東西布置方式。

由28個反射鏡面（RP）和3個吸熱管（HCE）組成太陽能集收元件（SCE），由12個SCE 連接構成太陽能集收組合（SCA），4個SCA 組成一個回路（LOOP），回路的集合構成太陽集熱場區（SOF）。

鏡場中擬采用47個回路，其中每個回路長約600m，每個回路包含有1344 塊拋物面反射鏡，144個集熱管，4個鏡場驅動裝置（追日系統），系統總占地面積141 英畝。

太陽能集熱器組合（SCA）包括：鏡面、背架、集熱管、跟蹤系統（包括：驅動、控制和傳感器）。

4 太陽能海水淡化系統的經濟性分析與系統優化

太陽能光熱系統和海水淡化系統的成本分為建造成本和運行成本兩個部分，而蒸汽參數是連接兩個系統成本的中間橋梁。對于太陽能光熱系統，蒸汽參數的提升意味著初期建造成本和運行成本都會相應的提升，而相反的，對于海水淡化系統來說，綜合成本反而是呈下降趨勢的［4］。太陽能海水淡化系統作為一個整體系統，其經濟性在很大程度上都取決于系統運行參數的選擇。在系統的熱力設計階段，太陽能光熱系統和海水淡化熱力系統的運行參數需要相互匹配，形成最具經濟性的最為優化的一個組合。

圖3 優化設計流程

5 結論

太陽能海水淡化系統是綠色循環系統，系統耗用能源為清潔能源，海水淡化系統產生的淡化水用途主要有三個方面：（1）工業用水。產生淡水可以為工業用戶提供使用水；（2）民用。海水淡化系統產生淡水水質可直接飲用或者直接作為耕地用水，改善沿海鹽堿地環境，改善農耕；（3）可以提供太陽島清洗等用水。而淡化導致的濃鹽水供給下游鹽場，作為制鹽原料。這樣可以減少鹽場投入。

本方案集節能、減排、新能源、開源、降耗于一身，為新式能源利用模式提供技術保證。哈汽公司具備太陽能海水淡化系統的熱力設計、產品設計的能力，希望以后可以為整個產業的發展做出積極的貢獻。

［1］趙奎文，劉業鳳.潮汐能太陽能多效蒸餾海水淡化裝置的模擬與測試［J］.制冷技術，2008（2）：17-21.

［2］熊亞選，等.槽式太陽能聚光集熱技術［J］.太陽能，2009（6）：21-26.

［3］楊洛鵬，沈勝強.低溫多效蒸發海水淡化系統熱力分析［J］.化學工程，2006，34（11）：20-24.

［4］王世昌.海水淡化工程［M］.北京：化學工業出版社，2003.