電水聯產發展與研究

上海市機電設計研究院有限公司 孫慧麗

雖然我國擁有大量水資源，但是可以使用的淡水資源有限，尤其是之前過度浪費以及不合理使用等問題，更是造成了嚴重淡水資源危機。為更好應對淡水資源問題，行業內經過多年以來的努力，持續推出了現代化水資源處理工藝，像主要面對海水淡化的開源增量技術。通過長期調查發現，能夠有效緩解日益嚴峻的淡水資源危機。從長遠來看，正因為我國有著豐富的海水資源，這也決定了資源淡化行業必將走上可持續發展道路。

所謂的海水淡化，主要就是將存在于海水內的鹽與水進行有效分離，又被行業人士稱之為海水脫鹽。從根本上來講，伴隨著海水淡化工作的持續進行，其間需要電能以及熱能等能源結構支撐。而石油以及天然氣等作為能源核心來源體，無形之中極大增加了不可再生資源利用率。

電水聯產是指將發電和海水淡化進行有機整合的系統，也稱雙目工廠或者聯合電水工廠。簡而言之就是將海水淡化廠與發電廠共建，通過公用設施、電力、蒸汽等資源之間的優化配置及共享，達到系統能效和經濟效益的最大化，實現發電和制水的雙贏。

一、電水聯產基本概念

涵蓋海水淡化水與電力聯產聯供的電水聯產，在海水淡化過程中，其中需要企業投入大量經濟成本，其成本投入多少與電力等資源消耗以及成本之間存在著直接關系。通過發電廠蒸汽以及電力，能夠促使海水淡化裝置保持穩定運行狀態，充分提高資源利用率，避免企業較大成本投入，這就是電水聯產的重要意義。電水聯產系統示意圖見圖1。

圖1 電水聯產系統示意圖

海水淡化廠與發電廠之間的資源交換和耦合主要表現在以下三個方面：

1.水循環系統。發電廠和海水淡化廠共用海水取排水設施。海水可以先進入電廠冷卻塔(或者直接進入淡化裝置)，冷卻塔排出具有一定溫度的溫排水，進入淡化裝置；淡化裝置排出的濃海水，與電廠排放海水共用排放設施排海。

2.電力系統。不管是蒸餾法淡化裝置還是反滲透淡化裝置，都需要流體輸送設備，如取水泵、循環泵、高壓泵等。電水聯產系統可以利用價格較低的電廠未上網電為淡化裝置供能，相比采用并網電能，可以節約運行成本。

3.蒸汽系統。對于蒸餾法淡化裝置，電廠汽輪機做功后低品質的乏汽進入淡化裝置用于制水，淡化裝置的產水又可循環用作電廠鍋爐及其他公用設施的補水。對于膜法淡化系統，特別是在北方的冬季，電廠的海水冷卻水排水溫升可達8～10℃。作為原料水，可保證RO系統的穩定運行。

二、電水聯產系統介紹

電水聯產系統可以分成兩大部分，其一是發電系統，其二是淡化系統。

（一）發電系統

發電系統主要包括鍋爐、汽輪機、發電機、凝汽器等設備。與常規發電系統相比，電水聯產系統最大的區別在于其汽輪機與淡化系統之間的耦合。因此，本文重點對汽輪機進行介紹。

（1）汽輪機原理

分析汽輪機在運行時的工作原理。首先針對蒸汽熱能，通過汽輪機能夠使其變成機械功外燃回轉式機械。當鍋爐產生蒸汽進入到汽輪機內部以后，鑒于內部設置的一系列動葉等子裝置，促使之前熱能改變為汽輪機轉子旋轉的機械能。鑒于汽輪機內部的蒸汽，可以通過多樣化形式實施能量調整，從而造成汽輪機不同工作原理現象。

（2）汽輪機主要形式

站在熱力特性視角下，可以將汽輪機劃分為凝汽式、背壓式、抽凝式等幾種。

①進入到汽輪機內部的蒸汽，經過自身膨脹做功作用以后，能夠促使蒸汽到達凝汽器汽輪機，這就是凝氣式汽輪機的工作機理。相比較大氣壓力來講，此種類型的汽輪機設備，更有著較低排氣壓力。伴隨著全部進入到凝汽器內部的排氣，融合循環水冷卻作用形成水，然后凝結水泵發出作用將內部水分進行排出，最終通過加熱器加熱以后，直接將處理好的水運輸到鍋爐內部。

通過以上分析可以看出，在汽輪機運行過程中，因為設置的凝汽器遭受冷卻后能夠促使排氣凝結成水，導致排氣相對體積減小，在之前有著大量蒸汽的封閉環境下會得到一個真空狀態，直接決定汽輪機排氣壓力持續下降。而繁殖蒸汽理想焓降增加，保證裝置有著良好熱效率性能。工作人員可以借助抽氣器工具，有效抽出設備內部非凝結氣體。此氣體類型主要就是空氣，保證內部空間形成良好真空感。

②針對背壓式汽輪機類型，相對于大氣壓力有著較小排氣壓力的汽輪機設備。排汽可用于供熱或供給原有中、低壓汽輪機，以代替老電廠的中、低壓鍋爐。行業人士稱后者為前置試汽輪機，主要關系到原先電廠發電水平的同時，更是維持其熱經濟性的重要保證。根據不同的供熱目標，此種類型的汽輪機排氣壓力可以靈活設置。

③分析抽凝式汽輪機類型，主要就是抽出設備內部含有的少量蒸汽，將其提供給用戶的同時，也就是既有發電又能夠同時供熱的設備類型。以用戶不同需求為主，可以劃分為一次或者是二次調節抽氣式類型。

綜上，可以看出凝汽式汽輪機蒸汽循環過程封閉，且末端排汽溫度和壓力較低，不適合用于電水聯產系統。背壓式汽輪機排汽溫度和壓力較高，可以與淡化裝置結合，將淡化裝置作為凝汽器。但電水聯產方式對淡化裝置和汽輪機之間的匹配有較高要求，而且淡化裝置的運行負荷直接會影響到汽輪機發電效率，調節性較差，比較適合用電和用水都非常穩定、波動小的場合。抽凝式汽輪機可以抽取不同品質的蒸汽，與淡化裝置的結合較為靈活，可以根據淡化裝置的規模、負荷運行變化進行調節。發電系統可不依賴淡化裝置的運行而穩定發電，比較適合用水波動較大的場合。

（二）淡化系統

電水聯產具有規模效益，因此用于電水聯產的海水淡化都是主流的淡化工藝和裝備，主要有多級閃蒸、低溫多效蒸餾等。除了發電系統和淡化系統之間接口以外，用于電水聯產的淡化系統與常規淡化系統沒有本質區別。下面對主要淡化方法做簡單介紹。

（1）多級閃蒸海水淡化

在多級閃蒸海水淡化處理過程中，就是持續對海水進行加熱，達到規定溫度數值以后進入到閃蒸室。此環境內相對有著較小壓力，能夠促使海水處于快速汽化狀態，而且在經過接下來的冷凝便能夠得到淡水資源。而像其中有著較低溫度的海水，會流向不同的閃蒸室，保持蒸發與降溫持續流程。鑒于內部設置的大量閃蒸室，能夠有效連接以后得到相對較低數值的內部壓力，直接影響海水溫度不斷下降，最終便能夠得到淡化水，這就是多級閃蒸海水淡化處理流程。

（2）低溫多效蒸餾海水淡化

在海水淡化處理過程中，工作人員全面把控好鹽水的蒸發溫度，要求全程維持在70℃范圍的低溫多效蒸餾海水淡化工藝。其特征是將一系列的水平管降膜蒸發器或垂直管降膜蒸發器串聯起來并被分成若干效組，然后整合相對量的蒸汽輸入。通過多次的蒸發和冷凝，從而得到多倍于加熱蒸汽量的蒸餾水的海水淡化技術。

（三）電水聯產典型工藝

廣義上，電水聯產的應用模式可分為以下三大類：

一是電廠+蒸餾淡化；

二是電廠+反滲透淡化；

三是電廠+蒸餾淡化+反滲透淡化。

（1）電廠+蒸餾淡化

這種模式是最傳統也是應用最多的電水聯產方式。電廠為蒸餾淡化裝置提供蒸汽，淡化裝置產水又部分作為電廠鍋爐補水及生產用水。這里的蒸餾淡化早期以多級閃蒸裝置為主，近年來低溫多效蒸餾有后來居上之勢。

（2）電廠+反滲透淡化

隨著反滲透技術的成熟，投資成本和噸水能耗的不斷降低，將反滲透淡化裝置與電廠共建也成為一種發展趨勢。特別是對于已有電廠來說，這種方式可以不用對汽輪機進行任何改造，淡化單元與發電單元相對獨立，調節更簡單。用電高峰時，盡可能多地輸出電力；用電低谷時，可利用廉價的電力制水，降低制水成本。

（3）電廠+蒸餾淡化+反滲透淡化

這種模式是對前兩種模式的整合。通過蒸餾淡化和反滲透淡化單元的整合，結合了蒸餾淡化穩定產水和反滲透淡化，可根據電力調峰需要來調節產水量的特點，實現電水聯產系統電力和淡水的可調節供應，靈活應對不同季節、不同時段的需求。

（四）電水比

電水比，是指對于一個電水聯產項目、發電能力與產水能力的比值。對于由“火電廠+蒸餾海水淡化廠”方式的電水聯產項目，其電水比主要由熱法淡化裝置的造水比決定。

一般情況下，多級閃蒸和多效蒸餾海水淡化裝置的造水比為8～9，蒸汽熱壓縮多效蒸餾海水淡化裝置的造水比相對偏高，通常可達到12或更高。對于聯合循環發電機組，其電水比通常為17～23；對于鍋爐-背壓機發電機組，其電水比為2～4。其他類型機組的電水比通常介于兩者之間。

對于電水聯產項目，其主要需求為電力，可優先選用聯合循環發電機組。如果主要需求為淡水，可優先選擇鍋爐-背壓機發電機組。

上述結論不適用于反滲透海水淡化廠。反滲透技術的能源需求與蒸餾技術不同，只需要使用電能，基本不需要消耗蒸汽。

三、電水聯產優缺點

（一）電水聯產的優點

電水聯產系統通過將發電系統和淡化系統結合，實現了系統間熱量的高效傳遞和利用。淡化裝置能充分利用發電系統產生的余熱來制水，發電裝置又可用淡化裝置產水進行補水。電水聯產系統實現了電力和淡水的聯產、聯供，是降低海水淡化水成本的重要途徑。具體表現如下：

①在建設電水聯產系統過程中，企業可以一同實施電廠海水冷卻水缺水等項目建設，避免重復投入建設成本問題出現。

②在電水聯產設備運行時，其中排水口可以是電廠冷卻水排水工程的排水口，體現出資源節約優勢的同時，一定程度上也能夠減少對海洋環境的破壞。

③蒸餾淡化裝置可作為汽輪機的凝汽器，既節約了發電系統投資，又提高了系統的整體熱效率。

（二）電水聯產的缺點

電水聯產系統的優勢明顯，但也有一定的局限性，主要表現在以下幾方面：

① 具有規模效應，只有達到一定規模才能實現系統的雙贏；

② 對汽輪機與淡化裝置之間的匹配要求高，如設計不合理，易造成蒸汽的浪費；

③ 已建電廠如果要上馬蒸餾淡化裝置，需要對汽輪機進行適當改造，平衡發電和產水的綜合經濟效益是其關鍵；

④ 電廠規劃建設時最好綜合考慮海水淡化部分并選擇合適的汽輪機。如果電廠運行后再上淡化工廠，整體效益會打折扣。

四、電水聯產典型案例

（一）富查伊拉(Fujairah)電水聯產項目

富查伊拉項目是阿聯酋較大的電水聯產項目之一。項目位于KhorFakkan以 南 5km，Fujairah城以北20km，其采用熱膜耦合淡化工藝。項目分兩期建設：一期建成于2003年，淡化規模為45萬立方米/天(MSF+RO)，發電規模為660MW；二期發電2000MW，產水能力為60萬立方米/天(MED-h-RO)，2011年建成。

（二）沙特Marafiq電水聯產項目

Marafiq項目是電水聯產的一個典型。項目位置在波斯灣西海岸沙特朱拜拉附近。發電裝機規模為2750MW，淡化水產水規模為80萬立方米/天。3套機組與淡化設備聯建，1套為獨立發電機組。項目于2010年6月投產，當時是世界最大的淡化廠。

（三）北疆電廠

北疆電廠是目前國內最大的電水聯產項目。項目位于天津市濱海新區漢沽功能區。總體規劃建設4×1000MW燃煤發電超超臨界機組和40萬立方米/天海水淡化裝置。項目分兩期建設，一期工程建設2×1000MW發電機組和20萬立方米/天海水淡化裝置，二期建設同等規模的發電機組和海水淡化裝置。北疆電廠被列入國家循環經濟第一批試點單位，其最大的特色是采用“發電-海水淡化-濃海水制鹽-土地節約整理一廢棄物資源化再利用”的循環經濟項目模式。項目基本情況如下。

（1）取水單元

海水取水為高潮位取水方式。在海檔外設置2級沉淀調節池，由一級沉淀調節池入口設置閥門調節進水水位。電廠冷卻水采用循環冷卻方式。淡化取水分兩路，一路是由海水補充水取水泵直接供至海水淡化站，另一路是電廠循環水系統冷卻水排水供給。兩路水源可根據實際季節、水溫、水量的變化進行切換或混合。

（2）發電模塊

在北疆電廠發電機組運行過程中，主要使用的就是上海電氣集團制造的1000MW超超臨界機組，鍋爐為超超臨界變壓運行直流鍋爐，爐型為單爐膛、雙切圓燃燒、一次中間再熱、平衡通風、半露天布置、固態排渣、全鋼構架、全懸吊結構Ⅱ型煤粉爐。鍋爐采用微油點火裝置。海水淡化裝置從發電機組的中壓缸底部抽汽，抽氣壓力為0.3～0.55MPa，電廠蒸汽除了供海水淡化外，還預留了為漢沽區供熱、真空制鹽的供應量。

（3）淡化模塊

海水淡化裝置由以色列IDE公司供應。一期20萬立方米/天海水淡化裝置分兩個階段建設，第一階段的10萬立方米/天淡化裝置已于2009年投入運營，第二階段10萬立方米/天淡化裝置于2012年開始安裝。

北疆電廠海水淡化采用低溫多效蒸餾淡化工藝.單機規模為2.5萬立方米/天。每臺裝置由13效蒸發單元和2個冷凝單元構成。根據淡化裝置接收到的蒸汽品質情況，造水比為10～15。

五、電水聯產發展趨勢及展望

海水淡化是以能源換水源的過程。電水聯產作為一種能源的高效利用模式，已逐漸成為規模化海水淡化的主要應用方式，未來也仍將是大型海水淡化工程建設的主要模式。

分析當下我國濱海發電廠，更多以抽凝汽輪機為主，其中主要存在的弊端就是如何正確選擇抽汽口方面。從本質上來講，作為電廠附屬設施的海水淡化裝置，鑒于較小蒸汽抽取量情況下，并不會對電廠發電工作構成太大威脅。一旦海水淡化廠承擔城市供水的任務，供給海水淡化廠的蒸汽參數就需要優化，以避免大量的抽汽影響發電。針對以上情況，我國未來電水聯產行業發展中，應該時刻謹記國情，不斷實現創新發展。