电站余热淡化海水研究

鲁海军，温 高

（内蒙古工业大学，内蒙古 呼和浩特 010000）

1 引言

目前热电站燃料燃烧释放的热能，仅有约30%～40%转变为电能，其余热能则以不同形式排入大气中，其中凝汽器损失热量即冷源损失最大，占总热量的40%以上，且属于低品位热能，通常被称作电站余热。此外，我国淡水资源总量为2.8×1012m3，尽管居全球第4位，但人均占有量极少，仅为世界人均占有量的25%，属于世界淡水缺乏国之一［1，2］。在国民经济高速发展与淡水资源缺乏矛盾日益突出的今天，海水淡化问题受到高度关注，甚至有学者提出了“引渤济疆”的设想，其关键技术之一，就是利用电站余热淡化海水的技术。

利用电站余热淡化海水属热法的蒸馏法海水淡化技术范畴，分为多级闪蒸、多效蒸馏和压气蒸馏。这些技术在水电联产应用中，均以低压蒸汽为热源，以减少机组发电量为代价，电站余热利用率低。为提高电站余热利用率，本文探索了直接利用燃煤电站汽轮机做功乏汽作为热源的淡化海水方法，对其造水比及经济性进行了分析。

2 海水淡化装置与系统温度分布

2.1 海水淡化装置系统

图1示意了直接利用燃煤电站余热淡化海水装置工艺流程，主要由海水加热系统、闪蒸系统、冷凝系统、淡水输出系统、取水与排水系统等组成。

（1）加热系统。经过预处理的海水进入蒸汽冷凝器换热后送入凝汽器冷凝汽轮机乏汽，通过热交换升温后的海水送入闪蒸室。

（2）闪蒸系统。由凝汽器加热的海水在闪蒸室内完成汽化。闪蒸初始阶段要求的真空。通过真空泵来实现所需的压力要求（海水预热器内达到同样的真空），抽到所需真空时，停用真空泵。在运行阶段真空要通过冷凝器内由于海水温度差引起的真空度来引出蒸汽。

图1 电站余热淡化海水流程示意

（3）冷凝系统。来自闪蒸室的气体，通过除雾器，进入冷凝器内冷凝成淡水，该冷凝依靠的是温度较低的进料海水。

（4）淡水输出。冷凝器中冷凝的淡水，流入淡水储箱，通过淡水泵将其输出到系统外，供锅炉补充水和其他用途。

（5）取、排水装置。通过预处理的海水，经过专用的取水泵，将海水送入冷凝器中换热。从闪蒸室内流出的未闪蒸的海水通过排水泵排入大海。

本装置所利用的燃煤电站余热主要用来加热进料海水，使其温度升高，提高系统的产水量。

2.2 系统温度分布

给海水进入装置时的温度为Tcw，在海水预热器中，被加热到t1，由于系统补充海水Mf和冷却水Mcw的来源相同，因此，系统冷却水排放温度与系统补充海水温度二者相等［3］。流量为（Mf＋Mcw）的海水在流过海水预热器时，温度升高为t1，接着由于汽轮机乏汽放出凝结热，海水温度达到T0，即系统中最高海水温度。

为了保持凝汽器中的传热温差，乏汽温度Ts一定要比T0高。温度为T0的海水进入闪蒸室内闪蒸，温度降低，同时，系统的浓盐水流量减少。

在整个系统中，温度可以精确的测到，而离开闪蒸室的海水温度降低ΔTst，这个温度被称为闪蒸温差，对于多个闪蒸室的温度降低幅度近似相等，该系统的级间温差为：

式中，T1为排放盐水温度，℃。在闪蒸装置的设计过程中，闪蒸温差是一个非常重要的参数。凝汽器中海水的温差为（T0－t1）应该等于整个闪蒸室温降ΔTst、冷凝器传热端差TTDc和热力学能的损耗ΔTtoss三者之和：

该装置单级闪蒸温度分布如图2。

图2 单级闪蒸系统温度分布

3 数学模型

3.1 热量平衡

对该装置建立数学模型，它包括总质量和盐平衡，传质单元的流量平衡，以及凝汽器和冷凝器能量平衡［4］。总质量和盐平衡如下：

式中，Md为浓盐水排放量，kg／s；Md为淡水产量，kg／s；Xf为进料海水浓度，mg／L；Xb为排放盐水浓度，mg／L；假设蒸汽中含盐量为零。

凝汽器和蒸汽冷凝器的能量平衡分别如下：

式中，Ms为凝汽器排汽量，kg／s；Cp为定压比热4.18kJ／（kg·℃）；λs为排汽凝结潜热，kJ／kg；λv为闪蒸蒸汽平均汽化潜热，kJ／kg。

装置的造水比，定义为系统装置产生的淡水与加热蒸汽量的比值，可由方程式（6）和（5）相除得到。造水比的表达式如下：

式中，PR为系统造水比。

3.2 冷却海水流量

据能量守恒定律，关于冷却水比流量可以由式（2）、（4）得到：

4 结果及经济性分析

通过分析计算，得出单级最高海水温度与系统造水比和海水冷却水流量的关系曲线如图3、4所示。

图3 造水比与最高海水温度的变化曲线

从图3可以看出，在不同的热损失情况下，随着T0的升高，过热度增加，热驱动力就越大，整个系统的产水能力越强。

图4 冷却海水量与最高海水温度的变化曲线

从图4可以看出，在一定条件下，该装置的冷却海水量随着最高海水温度的升高而增加。当T0不变时，给水温度越低，冷却海水流量越少。

以某国产引进型300MW机组为例，假设机组正常运行背压15kPa，当背压提高到27kPa时，分析机组经济性。背压增加后，机组少发电4 888.9kW·h，产生淡水632t／h，相当于产1t淡水需7.7kW·h（忽略泵功），能耗较少，且利用了约2.3×109kJ／kg低品位热量，折合标准煤约72t／h，节约了大量煤炭资源，达到了节能的目的。如果将级数增加到10级，其造水比约为3，与单级相比，造水比提高了约3倍，热能利用率更加明显。

5 结语

通过分析，该装置利用电站大量低品位热量制造淡水，其能耗较低，而且为热电站提供了锅炉补充水以及周边部分地区居民饮用水，热能利用效果较明显，在未来海水淡化研究过程中，将具有很大的现实意义。

［1］高从堦，陈国华.海水淡化技术与工程手册［M］.北京：化学工业出版社，2004.

［2］Adrian Gambier，Essameddin Badreddin.Dynamic modeling of multi－stage flash plant for automatic control and simulation purposes：a survey［J］.Desalination，2004（166）：191～204.

［3］王世昌.海水淡化工程［M］.北京：化学工业出版社，2003.

［4］Hasan Baig，Mohamed A Antar，Syed M Zubair.Performance evaluation of a once－through MSF distillation system：impact of brine heater fouling［J］.Energy Conversion and Management，2011（52）：1 414～1 425.