海滨电厂低温多效蒸馏海水淡化的工艺设计

张 赢

(广东省电力设计研究院，广东 广州 510663)

海滨电厂低温多效蒸馏海水淡化的工艺设计

张 赢

(广东省电力设计研究院，广东 广州 510663)

针对海滨电厂低温多效蒸馏海水淡化系统(MED)变工况运行的特点，本文结合一个日产12000t淡水的工程实例，对MED的工艺系统、设计条件、设备配置进行了详细说明，阐述了MED工艺设计时应满足其不同工况的要求，并提出了一些设计原则。

海滨电厂；低温多效蒸馏海水；变工况；工艺设计。

1 MED工作原理和设计条件

1.1 工作原理

MED是把一系列的水平管喷淋降膜蒸发器串联起来，成为多效蒸发器，将一定量的蒸汽输入蒸发器内部的水平管，同时海水由喷淋系统沿各效蒸发器的顶排管以薄膜形式向下自由流动，使得水平管的内外壁发生蒸汽的冷凝和海水的蒸发，再收集冷凝后的淡水，并将生成的蒸汽引入后一效蒸发器水平管中再次进行蒸汽的冷凝和海水的蒸发，由于后一效的蒸发温度均低于前一效，通过多次的蒸发和冷凝，从而得到多倍于原始蒸汽量的淡水[1]。

1.2 设计条件

1.2.1 海水要求

MED所取的海水一部分用于进多效蒸发器，称为物料水；另一部分用于冷却，称为冷却水。

MED对于海水的水质条件相比反渗透膜法宽松很多，除了总悬浮固体量≤50mg/L、余氯≤0.1mg/L外，其他基本无特别要求。宽松的进水水质要求也表明了MED对于不同海域、不同海水水质具有很好的适应性，应用范围广泛。

通常情况下，海滨电厂所需海水可直接通过取水泵或循环水泵获得，由于所取海水部分应用于冷却，因此一般不宜采用电厂的循环水排水作为MED水源，但北方电厂由于循环水排水温度不高，可考虑使用，从而降低投资。

针对MED的进水条件，预处理采用一般的混凝、过滤，配合加药就可以达到要求了[2]，原海水能够直接满足要求的甚至可以不设置海水预处理系统，能大大的减少投资。

1.2.2 蒸汽要求

M E D通过蒸汽来驱动，很低的压力(0.2ata～0.5ata)就可以进行工作，如果压力大于2ata，那么就可以配备蒸汽喷射压缩器(TVC)来提高热效率。

对于应用MED的海滨电厂而言，若电厂为新建，MED启动用蒸汽可来自启动锅炉，正常运行时来自机组汽轮机抽汽；若电厂为扩建，那么MED启动用蒸汽可来自前期机组汽轮机抽汽，正常运行时来自前期或扩建机组的汽轮机抽汽均可。

1.2.3 压缩空气要求

压缩空气主要用于MED装置的气动阀门，供气压力0.4MPa～0.75MPa，温度＜50℃，可由电厂空压机供给。

1.2.4 产水水质及应用

尽管MED具备宽松的海水进水水质条件，但并不影响其产水水质，相反，其低于5mg/L的产水含盐量相比反渗透膜法、甚至闪蒸都具备一定的优势。

MED产水pH值基本呈中性，具有一定的硬度，水体具有较好的缓冲性能，对于钢管的腐蚀小，不用对水质进行调节。

基于上述优点，MED产水在电厂可作为消防用水、生活用水、饮用水、锅炉补给水处理水源等，需注意的是，由于MED第一效凝结水是由所进蒸汽冷凝而成，若所用蒸汽来源于汽轮机抽汽，那么一般含有氨，这种情况下，第一效的凝结水不应用于饮用水。

2 MED设备配置及设计原则

应用于海滨电厂的MED，其蒸汽基本来自汽轮机抽汽，由于抽汽压力较高，普遍配备TVC装置。另外，针对发电厂负荷的变化所引起的淡水用量的变化，MED可以通过调整蒸汽用量来改变出力，调节范围达40%～110%[3]，加之海水的温度和用量也是有变化的，电厂实际运行中对淡水的需求量也是有变化的，因此，整个MED是变工况的系统。

表1为国产某日产淡水量12000t的TVCMED系统的整体设计参数，以该套滨海电厂MED系统为例，展开论述。

表1 国产某产水12000t/d TVC－MED系统整体设计参数

2.1 MED主设备

MED主设备包括蒸发器、蒸汽喷射压缩器(TVC)、凝汽器和射汽抽气器。

2.1.1 蒸发器

蒸发器是海水淡化装置的主要换热设备，采用管内凝结和管外降膜蒸发的换热型式。组成部分为：蒸发器壳体、换热管束、海水喷淋系统、汽水分离器、水蒸气通道、前水室及水封装置、后水室及水封装置、淡水联接管、盐水联接管、不凝气抽出口等。每一效设有检修人孔，某些效之间会留有中间段作为检修空间。

表2所列为该套MED蒸发器的额定工作参数。

表2 蒸发器额定工作参数

蒸发器外壳采用碳钢涂层，并设置牺牲阳极保护；上三排换热管束采用钛管，其余采用铝合金或铜合金换热管，这是由于铜、铝合金管道虽然换热性能高、造价低，但是若装配于蒸发器上部，会受到喷淋海水带来的冲刷腐蚀，因此，上部管束用钛管替代。

内部构件中，汽水分离器通常采用丝网除雾器；水封采用弯管，高度值根据前后效的设计压力差来确定；汽水隔板及加强件结构形式应有利于蒸汽均匀流动，不产生涡流及局部过大的汽速；喷淋系统应采用大口喷嘴，防止堵塞。

此外，每一效安装观察窗，以便观察海水的喷淋情况和顶部管排的状况，或在冷却运行中检查和确认喷淋系统是否堵塞或工作异常。为保证设备本体的安全，严防超压破坏设备结构，还需设置防爆门。

蒸发器的壳体、支座、管板等需要根据MED不同运行工况，特别是最不利工况(包括满水工况)，并结合当地的气候条件、地震条件，进行各类强度和稳定性计算。

2.1.2 蒸汽压缩喷射器(TVC)

TVC利用动力蒸汽的富余压力抽取蒸发器后效的低压蒸汽，经混合压缩，提高低压蒸汽压力和温度，形成满足工艺要求的蒸汽，输回至蒸发器第一效前，作为第一效的加热蒸汽。此举减少了汽轮机组的抽汽量，同时减少了末效蒸发器后的冷凝器的负荷，降低了冷端损失，提高了热效率[4]。

由于汽轮机抽汽的温度较高(300℃左右)，因此，往往在TVC的前后设置喷水减温器，调节进气温度。

表3所列为该套MED 蒸汽压缩喷射器(TVC)的额定工作参数。

表3 TVC额定工作参数

TVC的设计应遵循MED不同运行工况下的热质平衡，确立其主要工况下的设计参数，并结合制造厂提供的参数值，进行修正。

2.1.3 凝汽器

凝汽器为强制循环表面式，设置在蒸发器末端，用于冷凝末效海水蒸发产生的二次蒸汽，同时预热物料水。

表4所列为该套MED凝汽器的额定工作参数。

表4 凝汽器额定工作参数

凝汽器换热管采用钛管，管板和隔板材质选用不锈钢316L。

设计时，凝汽器结构应有足够的强度和刚度，能够在MED不同运行工况和雪载、风载及地震力等各种外部条件的危险组合条件下工作；并应考虑热膨胀和检修荷载。

2.1.4 射汽抽气器

MED蒸发器工作在负压真空状态，设备密封不严密会有空气漏入，海水中溶解的不凝结气体也会随物料水进入蒸发器。如果不及时将不凝结气体排出，会造成蒸发器压力提高，温度偏离设计工况；不凝结气体的富集还将影响换热效率，制水达不到设计值。为使海水淡化设备工作正常，设置抽真空设备将蒸发器内不凝结气体排出。

射汽抽气器用于MED启动和运行时抽真空用，一般设置1台启动射汽抽气器和多级射器抽汽器。启动用射器抽汽器用于MED启动阶段快速达到真空度要求；正常运行采用多级射器抽汽器(也可为一级)，用于将运行产水的不凝汽抽出，维持正常运行的真空度要求。

表5所列为该套MED射汽抽汽器的工作参数。

表4 凝汽器额定工作参数

射器抽汽器的工作参数应根据MED的蒸汽参数、设备空气容量、真空度要求以及抽汽时间要求来共同确定。

2.2 MED辅助设备

MED辅助设备主要包括水泵、换热器、加药设备、调节阀。

2.2.1 水泵

水泵主要有五种：

物料水泵：用于将海水升压，进入各效蒸发器喷淋系统。

凝结水泵：用于将第一效的冷凝水升压，便于输送到用水点或水箱，并可提供TVC后喷水减温器的减温用水。

成品水泵：用于将逐效汇流而成的成品淡水升压，便于输送到用水点或水箱。

盐水排放泵：用于将逐效汇流而成的盐水(浓缩后的海水)升压，便于输送到排放点。

减温水泵：将凝结水泵出口的部分凝结水再升压，用于TVC前喷水减温器的减温用水。

水泵一般采用卧式离心泵或卧式双吸中开泵，物料水泵和盐水排放泵由于流量大，电机功率往往超过200kW，需要6kV电源。

由于MED是变工况系统，水泵的流量应按照其最大流量工况进行设计，但为了保证海水喷淋系统的一致、稳定性，进蒸发器的物料水流量始终是恒定的，即物料水泵的流量是恒定的。

水泵的扬程应按下列要求确定：

⑴物料水泵扬程根据物料水管道的布置、蒸发器的高度来计算、应保证物料水到达蒸发器各效喷淋系统时有0.5bar左右的压力余量，因此，设计中，应详细计算管段、管件、设备的压力损失，反推得出水泵扬程；

⑵凝结水泵、成品水泵、盐水排放泵的扬程应根据各用水点或者排水点的压力要求，结合管道的布置来确定；

⑶减温水升压泵应根据凝结水泵的扬程、TVC减温水喷射器的要求，结合蒸汽温度以及管道布置来确定。

2.2.2 换热器

MED的运行总的来说是一个热质传递的过程，输入蒸汽和海水，输出淡水和盐水。

根据热质传递的平衡原理，MED系统得到的淡水和盐水温度都比较高，对于用水和排水是不利甚至是不合要求的，因此，MED系统需设置换热器，大体有四类：

海水预热器：利用盐水来加热物料水，使之满足进凝汽器的水温要求，提高换热效果，同时冷却部分盐水。

物料水回热加热器：利用第一效凝结水来加热物料水泵出口的海水，提高进蒸发器的物料水温度，同时首次冷却凝结水。

凝结水冷却器：利用海水来二次冷却凝结水，使得凝结水的水温满足用水点或者后续处理工艺系统的要求。

成品水冷却器：利用海水来冷却成品水，使得凝结水的水温满足用水点或者后续处理工艺系统的要求。

换热器用于提高热效率和保证产水温度，一般采用热交换效率较高、占地较小的板片结构。换热板采用钛板，两侧介质采用逆向流动，以增加换热效果，进出口采用同侧布置。

MED换热器也是在变工况下工作的，应按照最不利工况条件进行设计，并保证其换热效果。具体应根据不同工况下的冷却水、被冷却水的热力参数(温度、压力、焓值)，加之换热器的具体型式来进行计算。

2.2.3 加药设备

MED一般设置加消泡剂装置、加阻垢剂装置和酸洗装置。

⑴加消泡剂装置

在温度较高或雨后，海水表面易产生泡沫，带有泡沫的海水喷淋到蒸发管表面会影响热交换，因此需要在物料水中加入消泡剂来降低海水的表面张力，防止和减少泡沫的产生。

⑵加阻垢剂装置

MED运行过程必须对物料水连续投加阻垢剂，以降低蒸发器换热管结垢速率。对盐水的最高温度的规定也是为了保证能够通过添加阻垢剂来控制结垢问题。

⑶酸洗装置

当MED产水量出现下降、定期检查时发现有结垢等情况出现时，应进行酸洗。酸洗液可由盐酸、柠檬酸来进行配制。

加酸装置可固定设置或临时设置，通过盐水泵加入到物料水系统，经喷淋系统进入蒸发器和凝汽器，进行酸洗，在正常的操作条件下，MED装置每年只需进行一次酸洗。

加药系统的药品浓度、添加量应根据海水水质，并参照相似工程确定其推荐值，最终应以系统调试、运行情况确定。

2.2.4 调节阀

MED变工况运行以及部分自动化控制都是依靠调节阀来进行的，因此，调节阀的选择是非常重要的，下述列举的是MED常配备的调节阀：

⑴海水预热器海水旁路流量调节阀

⑵海水预热器盐水旁路流量调节阀

⑶成品水冷却器海水排放流量调节阀

⑷凝汽器后海水排放流量调节阀

⑸物料水流量调节阀

⑹凝结水泵流量调节阀

⑺成品水泵流量调节阀

⑻盐水排放泵流量调节阀

⑼TVC入口蒸汽减温水流量调节阀

由于MED工况的改变并不要求一定在瞬间内完成，因此调节阀执行机构采用气动或电动均可；调节阀类型视工程情况和用户要求而定，通常为了降低造价，采用调节型蝶阀。

调节阀的流量范围根据不同工况来确定，应保证调节阀在其最小流量和最大流量间处于很好的线性关系；需按最大流量和进出口最小压差计算Cv值或Kv值，然后根据阀门制造厂提供的Cv值或Kv值性能曲线来进行调节阀的选择。

3 结论

MED由于其宽泛的进水条件和优良而稳定的产水水质在海滨电厂中越来越多的被采用，实际运行中其工况是经常变化的，工艺设计时，应依据淡水产量、海水温度等条件建立多种典型的MED工况模型，包括最不利的工况模型，并通过计算得到不同工况下的设计参数。

主设备(蒸发器、TVC、凝汽器、射汽抽气器)应根据所建立的各种典型工况，特别是最不利工况的参数来进行选型和匹配，并保证设备能在MED工况改变的过程中很好的与之契合。

辅助设备(水泵、换热器、加药装置、调节阀)应在主设备参数确定之后，根据所建立的各类典型工况，特别是最不利工况的参数来进行选型和匹配。

各类设备的材质需要根据所接触的介质来选定，主设备的强度还要根据各种典型工况和外部环境条件通过计算确定。

[1]马乐农．低温多效海水淡化装置技术在电厂的应用[J]．河北电力技术，2005，(24)5．

[2]张建丽．低温多效海水淡化系统预处理工艺在黄骅电厂的应用[J]．电力设备，2008，(9)．

[3]孙小军，刘克威，庞毅，何彩燕.国产万吨级低温多效海水淡化技术应用[J].水处理技术，2010， (36)1．

[4]沈胜强，孙甜悦，刘晓华，杨洛鹏．TVC 在MED海水淡化装置中的作用和性能分析[J]．热科学与技术，010，(9)2．

Technical Design on Low-Temperature Multi-Effect Distillation (MED) in Seaside Power Plant

ZHANG Ying
(Guangdong Electric Power Design Institute, Guangzhou 510663, China)

Low-temperature multi-effect distillation(MED) in seaside power plant is always on unsteady state operation conditions. Combining with an engineering project of which fresh water daily output is 12000t, this article expounds the technical system, design conditions, equipments con fi guration of MED; points out that the technical design on MED should meet the demands of different operation conditions, And gives some design principles.

seaside power plant; MED; unsteady state; technical design.

TM621

B

1671-9913(2011)02-0039-05

2011-02-21

张赢(1981- )，男，汉族，浙江上虞人，工程师，硕士，