低溫多效蒸餾海水淡化與熱力發(fā)電廠聯(lián)產(chǎn)方式選擇

馬露露，代勇，許家琪，王運(yùn)春

低溫多效蒸餾海水淡化與熱力發(fā)電廠聯(lián)產(chǎn)方式選擇

馬露露1，代勇2，許家琪3，王運(yùn)春2

（1.北控水務(wù)集團(tuán)有限公司，北京100124；2.華電電力科學(xué)研究院，浙江杭州310030；3.北京燃?xì)饽茉窗l(fā)展有限公司，北京100000）

低溫多效蒸餾海水淡化是現(xiàn)有熱法海水淡化中能耗最低的工藝。從熱力發(fā)電廠供熱方式及低溫多效蒸餾供熱需求考慮，提出了三種可行的聯(lián)產(chǎn)工藝方式，包括“汽機(jī)抽汽—蒸汽壓縮—低溫蒸餾”、“汽機(jī)抽汽-蒸汽發(fā)生-低溫蒸餾”和“汽機(jī)乏汽-低溫蒸餾”。然后以300MW級(jí)發(fā)電機(jī)組與單機(jī)12500t/d低溫多效蒸餾裝置配合為例，參考熱電聯(lián)產(chǎn)供熱-發(fā)電熱耗分配方法，對(duì)三種聯(lián)產(chǎn)方式進(jìn)行了能耗分析，反映了不同聯(lián)產(chǎn)方式時(shí)淡化成本的區(qū)別。

低溫多效蒸餾；熱水電聯(lián)產(chǎn)；成本分析

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，水資源的供應(yīng)越來越緊張，已成為制約我國(guó)眾多地區(qū)可持續(xù)發(fā)展的主要因素。我國(guó)水資源總量占世界總水資源量的百分之六，居全球第六位，但平均水資源人均擁有量?jī)H為世界人均年擁有量的四分之一，被列入世界嚴(yán)重缺水國(guó)家。面對(duì)著占全世界儲(chǔ)水總量近97%的大海，淡化海水正是解決這些問題最好的途徑。

現(xiàn)階段比較成熟的海水淡化方法有熱法和膜法兩種，但都存在能耗較高的問題，在我國(guó)還未能大規(guī)模應(yīng)用。其中，熱法海水淡化主要是利用蒸汽加熱海水蒸發(fā)冷凝以獲取淡水的工藝方法，蒸汽能耗決定了淡化的成本，這種方法在中東等能源供應(yīng)比較充足的得到了充分的應(yīng)用。

在供熱工程中，通過熱電聯(lián)產(chǎn)實(shí)現(xiàn)能源梯級(jí)利用，是節(jié)能降耗的主要方式之一。參考傳統(tǒng)的熱電聯(lián)產(chǎn)模式，完全可以與熱力發(fā)電廠配合進(jìn)行“熱-水-電”聯(lián)產(chǎn)，從而實(shí)現(xiàn)能源的高效利用，降低淡化成本。在現(xiàn)有熱法海水淡化工藝中，低溫多效蒸餾能耗最低，主要消耗壓力不大于0.4MPa（a）的低壓蒸汽，具備適用更低品質(zhì)蒸汽的條件，也有更大的成本降低空間。

1 低溫多效蒸餾海水淡化工藝

1.1 流程概述

低溫多效蒸餾（MED）是最高蒸發(fā)溫度小于70℃的海水淡化技術(shù)，工藝流程如圖1所示，蒸汽通入真空狀態(tài)的蒸發(fā)器，海水噴淋在蒸發(fā)器內(nèi)換熱管束表面，將管內(nèi)蒸汽冷凝，部分海水蒸發(fā)，產(chǎn)生的二次蒸汽進(jìn)入下一級(jí)（一級(jí)稱為一效）管內(nèi)進(jìn)行同樣的換熱過程，最后將蒸汽冷凝所得蒸餾水收集得到高純度的產(chǎn)品淡水，通過多次的蒸發(fā)與冷凝過程，得到數(shù)倍于加熱蒸汽量的產(chǎn)品水。[2]

圖1 低溫多效蒸餾工藝流程示意

1.2 低溫多效蒸餾工藝優(yōu)點(diǎn)

低溫多效蒸餾工藝的主要優(yōu)點(diǎn)包括如下五點(diǎn)：

（1）傳熱過程以蒸發(fā)與冷凝為主，相變釋放的大量潛熱使得在相同溫度范圍內(nèi)換熱面積最少；

（2）海水在較低溫度下蒸發(fā)，裝置結(jié)垢現(xiàn)象被明顯抑制；

（3）通過能量的梯級(jí)利用，將能耗將至最低；

（4）對(duì)進(jìn)料海水要求很低，只需簡(jiǎn)單的過濾即可進(jìn)行淡化；

（5）由蒸汽冷凝所得產(chǎn)品水水質(zhì)很高，含鹽量小于5mg/L。

1.3 蒸汽熱壓縮配套低溫多效蒸餾

低溫多效蒸餾熱源為溫度小于70℃的飽和蒸汽，通常利用蒸汽熱壓縮（TVC）方式獲得，即用0.4MPa（a）的高壓蒸汽在蒸汽熱壓縮器中吸入末效或中間效蒸發(fā)器產(chǎn)生的部分低壓二次蒸汽，將其提升壓力和溫度后作為一效蒸發(fā)器的加熱蒸汽，達(dá)到低壓蒸汽重復(fù)利用的目的，流程如圖2所示。它可利用高壓蒸汽的能量，避免了工作蒸汽直接減溫減壓造成的蒸汽能量損失。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，可得到比直接減溫減壓多得多的加熱蒸汽量，從而提高系統(tǒng)的熱效率，降低造水成本。

2 低溫多效蒸餾與熱力發(fā)電廠聯(lián)產(chǎn)方式

與傳統(tǒng)熱電聯(lián)產(chǎn)類似，低溫蒸餾與熱電廠結(jié)合，可以采用汽輪機(jī)抽汽、排汽形成不同聯(lián)產(chǎn)方式，可以在保留原有熱電聯(lián)產(chǎn)的基礎(chǔ)上形成“熱水電”三聯(lián)產(chǎn)，也可以僅實(shí)現(xiàn)發(fā)電與海水淡化的“水電”聯(lián)產(chǎn)，本文暫只考慮水電聯(lián)產(chǎn)方式。由于海水淡化工藝參數(shù)要求不同于供熱工程，因此在供汽方案上也有所區(qū)別，可行的水電聯(lián)產(chǎn)方案包括以下三種：“汽機(jī)抽汽-蒸汽壓縮-低溫蒸餾”、“汽機(jī)抽汽-蒸汽發(fā)生—低溫蒸餾”和“汽機(jī)乏汽-低溫蒸餾”。

2.1 “汽機(jī)抽汽-蒸汽壓縮-低溫蒸餾”方式（TVC-MED）

由抽凝式機(jī)組的調(diào)節(jié)抽汽向外供汽，蒸汽壓力一般選0.4MPa（a），該抽汽通過蒸汽熱壓縮器（TVC），將蒸發(fā)器內(nèi)自身產(chǎn)生的負(fù)壓二次蒸汽噴射壓縮后，形成滿足工藝參數(shù)要求的蒸汽，送入蒸發(fā)器首效，作為熱源推動(dòng)多效蒸餾的進(jìn)行[3]，工藝流程如圖3所示。

圖2 蒸汽熱壓縮配套低溫多效蒸餾流程示意

圖3 TVC-MED方式流程示意

圖4 VG-MED方式流程示意

2.2 “汽機(jī)抽汽-蒸汽發(fā)生-低溫蒸餾”方式（VG-MED）

調(diào)節(jié)抽凝式機(jī)組的壓力為0.1～0.2MPa（a）的低壓抽汽，作為蒸汽發(fā)生器（VG）的一次蒸汽，蒸發(fā)除鹽水產(chǎn)生滿足工藝參數(shù)要求的蒸汽，進(jìn)入蒸發(fā)器首效，作為熱源推動(dòng)多效蒸餾的進(jìn)行，流程如圖4所示。

2.3 “汽機(jī)乏汽-低溫蒸餾”方式（MED）

提高凝汽真空度排汽，將壓力為0.03～0.035MPa（a）的乏蒸汽直接送入蒸發(fā)器首效，作為熱源推動(dòng)多效蒸餾的進(jìn)行，流程如圖5所示。

3 不同聯(lián)產(chǎn)方式經(jīng)濟(jì)性比較

水電聯(lián)產(chǎn)實(shí)際上通過將部分可以用作發(fā)電的蒸汽供熱，以生產(chǎn)淡化海水，因此可以參考熱電聯(lián)產(chǎn)供熱-發(fā)電熱耗分配方法，將聯(lián)產(chǎn)發(fā)電損失折算至蒸汽成本，從而推算出單位產(chǎn)水成本，并以此對(duì)不同聯(lián)產(chǎn)方式的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行比較[1，4，5]。

本文以300MW帶一級(jí)再熱發(fā)電機(jī)組與單機(jī)12500t/d產(chǎn)量低溫多效蒸餾海水淡化裝置配合為例，對(duì)不同聯(lián)產(chǎn)方式的能耗進(jìn)行分析，并估算產(chǎn)水的蒸汽成本。考慮到熱電聯(lián)產(chǎn)熱耗不同分配方法的依據(jù)或人為規(guī)定性有所不同，在分配合理性上各自存在一定局限性，為盡可能使水電聯(lián)產(chǎn)成本分析合理，本文分別用熱量法、實(shí)際焓降法和做功能力損失法對(duì)蒸汽成本進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較分析。

3.1 熱量法

參見圖3，熱量法中，用于熱電廠發(fā)電及向海水淡化供熱的總熱耗量Qtp是新蒸汽D0和再熱蒸汽Dr帶入發(fā)電—低溫蒸餾系統(tǒng)的總熱量，低溫蒸餾耗熱量是聯(lián)產(chǎn)蒸汽Dh帶入的熱量，因海水淡化造成的發(fā)電損失ΔPe定義為，假定總耗熱量全部用于發(fā)電Pe，其中低溫蒸餾耗熱量所占比例能產(chǎn)生的發(fā)電量，即：

式中ΔPe—因海水淡化造成的發(fā)電損失，kW；

Pe—發(fā)電功率，kW；

Dh—聯(lián)產(chǎn)抽汽流量，kg/s；

D0—新蒸汽流量，kg/s；

Dr—再熱蒸汽流量，kg/s；

hh—聯(lián)產(chǎn)蒸汽比焓，kJ/kg；

hh′—蒸發(fā)器冷凝水比焓，kJ/kg；

h0—新蒸汽比焓，kJ/kg；

圖5 MED方式流程示意

hfw—給水比焓，kJ/kg；

hr—熱段再熱蒸汽比焓，kJ/kg；

hr′—冷段再熱蒸汽比焓，kJ/kg。

3.2 等效焓降法

參見圖4，等效焓降法中，用于熱電廠發(fā)電的總熱耗量是新蒸汽D0和再熱蒸汽Dr在系統(tǒng)中的總焓降，因海水淡化造成的發(fā)電損失ΔPe定義為，由于聯(lián)產(chǎn)蒸汽Dh焓降不足所損失的發(fā)電量，即：式中hc—汽輪機(jī)排汽比焓，kJ/kg。

3.3 做功能力損失法

參見圖5，做功能力損失中，用于熱電廠發(fā)電蒸汽總的做功能力是新蒸汽D0和再熱蒸汽Dr帶入系統(tǒng)的總海水淡化造成的發(fā)電損失ΔPe定義為，由于聯(lián)產(chǎn)蒸汽Dh帶出損所能產(chǎn)生的發(fā)電量，即：

式中hen—環(huán)境溫度下水的比焓，kJ/kg；

Ten—環(huán)境溫度，K；

sh—聯(lián)產(chǎn)抽汽比熵，kJ/kg·K；

sen—環(huán)境溫度下水的比熵，kJ/kg·K；

s0—新蒸汽比熵，kJ/kg·K。

通過以上方法，可計(jì)算出不同聯(lián)產(chǎn)方式時(shí)單位聯(lián)產(chǎn)蒸汽量的發(fā)電損失，按當(dāng)?shù)厣暇W(wǎng)電價(jià)（以0.44元/kWh計(jì)）核算出電損費(fèi)，再除以各自聯(lián)產(chǎn)方式時(shí)的造水比（單位蒸汽能產(chǎn)生的淡水量），即可計(jì)算出單位產(chǎn)水造成的發(fā)電損失費(fèi)用，針對(duì)不同聯(lián)產(chǎn)方式的具體計(jì)算結(jié)果如表1所示，計(jì)算參數(shù)詳見附錄。

可以看出，與熱電聯(lián)產(chǎn)供熱價(jià)格不統(tǒng)一類似，不同方法計(jì)算蒸汽成本也不同。事實(shí)上熱量法對(duì)聯(lián)產(chǎn)供熱的規(guī)定實(shí)質(zhì)上是分產(chǎn)供熱，因此熱電聯(lián)產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益全部分?jǐn)偟搅税l(fā)電方面，而等效焓降法中聯(lián)產(chǎn)汽流沒有冷源損失的經(jīng)濟(jì)效益全歸于供熱方面，做功能力損失法是相對(duì)折衷的分?jǐn)偡椒ǎ虼擞?jì)算結(jié)果有較明顯差別[6]。但可以得出，“汽機(jī)乏汽-低溫蒸餾”是成本最低的方式。

表1 300MW發(fā)電與12500t/d低溫多效蒸餾聯(lián)合產(chǎn)水電損元/t

3.4 聯(lián)產(chǎn)方式選擇建議

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果看，低溫多效蒸餾海水淡化與熱力發(fā)電廠聯(lián)產(chǎn)結(jié)合的最經(jīng)濟(jì)方式是“汽機(jī)乏汽-低溫蒸餾”。

在這種方式下，采用大型發(fā)電機(jī)組與海水淡化裝置聯(lián)產(chǎn)時(shí)，如上文所述的300MW機(jī)組級(jí)，其排汽量約600t/h，可以配置4臺(tái)常規(guī)的25000t/d低溫多效蒸餾裝置或接近規(guī)模裝置，在技術(shù)上完全可行；如配套單機(jī)海水淡化裝置，可配置100000t/d產(chǎn)量的低溫多效蒸餾裝置，其效率將更高，但大規(guī)模裝機(jī)海水淡化裝置技術(shù)還未成熟，正是海水淡化技術(shù)下一步發(fā)展的重點(diǎn)。

如果選用小型機(jī)組，例如25MW機(jī)組和12500t/d低溫多效蒸餾海水淡化裝置配合，雖然發(fā)電及供熱效率有所降低，但設(shè)備、管道制造都屬于常規(guī)范圍，并且排汽全部用于海水淡化，可以節(jié)省凝汽器的設(shè)置費(fèi)用，而且因?yàn)槭褂闷焚|(zhì)較低的蒸汽，機(jī)組效率對(duì)供熱成本的影響并不明顯，計(jì)算結(jié)果見表2，因此實(shí)際上也完全可以應(yīng)用。

表2 25MW發(fā)電與12500t/d低溫多效蒸餾聯(lián)合產(chǎn)水電損

4 結(jié)語(yǔ)

水資源的供應(yīng)緊張已成為制約經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要因素，海水淡化正是解決這些問題最好的途徑。可行的“熱-水-電”聯(lián)產(chǎn)工藝方式有三種：“汽機(jī)抽汽-蒸汽壓縮-低溫蒸餾”、“汽機(jī)抽汽-蒸汽發(fā)生-低溫蒸餾”和“汽機(jī)乏汽-低溫蒸餾”，用熱量法、實(shí)際焓降法和做功能力損失法分別對(duì)三種聯(lián)產(chǎn)方式的蒸汽成本進(jìn)行核算，可以得出，“汽機(jī)乏汽-低溫蒸餾”是最經(jīng)濟(jì)的方式。

在這種方式下，進(jìn)行大型發(fā)電機(jī)組與海水淡化裝置聯(lián)產(chǎn)，如采用發(fā)電機(jī)組配套多套常規(guī)海水淡化裝置在技術(shù)上完全可行，如發(fā)電機(jī)組配套大規(guī)模海水淡化裝機(jī)，現(xiàn)有技術(shù)還未成熟，正是海水淡化技術(shù)下一步發(fā)展的重點(diǎn)。如果選用小型機(jī)組，雖然發(fā)電及供熱效率有所降低，但設(shè)備、管道制造都屬于常規(guī)范圍，還可以節(jié)省凝汽器的設(shè)置費(fèi)用，而且因?yàn)槭褂闷焚|(zhì)較低的蒸汽，機(jī)組效率對(duì)供熱成本的影響并不明顯，實(shí)際上也完全可以應(yīng)用。

[1]鄭體寬.熱力發(fā)電廠[M].北京：中國(guó)電力出版社，2001.

[2]高從堦，陳國(guó)華.海水淡化技術(shù)與工程手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

[3]沈勝?gòu)?qiáng)，孫甜悅，劉曉華，等.TVC在MED海水淡化裝置中的作用和性能分析[J].熱科學(xué)與技術(shù)，2010，9（2）：144～148.

[4]郭家寶.熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組燃料成本分?jǐn)偤凸?jié)能效益評(píng)價(jià)方法探討[J].中國(guó)電力，2003，36（3）：78～80.

[5]李慧君，池冉，范偉，等.熱電成本分?jǐn)傊岱峙浞ǖ难芯縖J].華北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，35（1）：67～70.

[6]王加漩，楊勇平.我國(guó)熱價(jià)設(shè)計(jì)理論方法的研究[J].北京動(dòng)力經(jīng)濟(jì)學(xué)院學(xué)報(bào)，1994，11（4）：68～74.

Choices of Cogeneration Mode in Thermal Power Plant with LT-MED Sea Water Desalination

MA Lu-lu1，DAI Yong2，XU Jia-qi3，WANG Yun-chun2
（1.Beijing Enterprises Water Group Limited，Beijing 100124，China；2.Huadian Electric Power Science Research Institute，Hangzhou 310030，China；3.Beijing Gas Energy Development Co.，Ltd，Beijing 100000，China）

Low temperature-multi effect distillation（LT-MED）seawater desalination is the existing thermal desalination process in the lowest energy consumption.This article from the heating mode in thermal power plant and low temperature multi effect distillation heating demand，proposed three kinds of feasible coproduction process mode，including the“TVC–MED”，“Vapor Generation–MED”and“MED”.Then an example of 300MW class turbine generator units and single 12500t/d LT-MED device matched reference cogeneration heating and power allocation method for heat consumption，the energy consumption of three generation modes are analysed，reflecting the water cost difference of different cogeneration mode.

LT-MED；heat-water and power cogeneration；cost analysis

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2015.01.007

TM611

B

2095-3429（2015）01-0030-04

2014-09-16

修回日期：2015-01-06

馬露露（1984-），男，新疆烏魯木齊人，本科，工程師，主要從事熱法海水淡化工作。