低温多效蒸馏海水淡化与热力发电厂联产方式选择

马露露，代勇，许家琪，王运春

低温多效蒸馏海水淡化与热力发电厂联产方式选择

马露露1，代勇2，许家琪3，王运春2

（1.北控水务集团有限公司，北京100124；2.华电电力科学研究院，浙江杭州310030；3.北京燃气能源发展有限公司，北京100000）

低温多效蒸馏海水淡化是现有热法海水淡化中能耗最低的工艺。从热力发电厂供热方式及低温多效蒸馏供热需求考虑，提出了三种可行的联产工艺方式，包括“汽机抽汽—蒸汽压缩—低温蒸馏”、“汽机抽汽-蒸汽发生-低温蒸馏”和“汽机乏汽-低温蒸馏”。然后以300MW级发电机组与单机12500t/d低温多效蒸馏装置配合为例，参考热电联产供热-发电热耗分配方法，对三种联产方式进行了能耗分析，反映了不同联产方式时淡化成本的区别。

低温多效蒸馏；热水电联产；成本分析

0 引言

随着经济社会的快速发展，水资源的供应越来越紧张，已成为制约我国众多地区可持续发展的主要因素。我国水资源总量占世界总水资源量的百分之六，居全球第六位，但平均水资源人均拥有量仅为世界人均年拥有量的四分之一，被列入世界严重缺水国家。面对着占全世界储水总量近97%的大海，淡化海水正是解决这些问题最好的途径。

现阶段比较成熟的海水淡化方法有热法和膜法两种，但都存在能耗较高的问题，在我国还未能大规模应用。其中，热法海水淡化主要是利用蒸汽加热海水蒸发冷凝以获取淡水的工艺方法，蒸汽能耗决定了淡化的成本，这种方法在中东等能源供应比较充足的得到了充分的应用。

在供热工程中，通过热电联产实现能源梯级利用，是节能降耗的主要方式之一。参考传统的热电联产模式，完全可以与热力发电厂配合进行“热-水-电”联产，从而实现能源的高效利用，降低淡化成本。在现有热法海水淡化工艺中，低温多效蒸馏能耗最低，主要消耗压力不大于0.4MPa（a）的低压蒸汽，具备适用更低品质蒸汽的条件，也有更大的成本降低空间。

1 低温多效蒸馏海水淡化工艺

1.1 流程概述

低温多效蒸馏（MED）是最高蒸发温度小于70℃的海水淡化技术，工艺流程如图1所示，蒸汽通入真空状态的蒸发器，海水喷淋在蒸发器内换热管束表面，将管内蒸汽冷凝，部分海水蒸发，产生的二次蒸汽进入下一级（一级称为一效）管内进行同样的换热过程，最后将蒸汽冷凝所得蒸馏水收集得到高纯度的产品淡水，通过多次的蒸发与冷凝过程，得到数倍于加热蒸汽量的产品水。[2]

图1 低温多效蒸馏工艺流程示意

1.2 低温多效蒸馏工艺优点

低温多效蒸馏工艺的主要优点包括如下五点：

（1）传热过程以蒸发与冷凝为主，相变释放的大量潜热使得在相同温度范围内换热面积最少；

（2）海水在较低温度下蒸发，装置结垢现象被明显抑制；

（3）通过能量的梯级利用，将能耗将至最低；

（4）对进料海水要求很低，只需简单的过滤即可进行淡化；

（5）由蒸汽冷凝所得产品水水质很高，含盐量小于5mg/L。

1.3 蒸汽热压缩配套低温多效蒸馏

低温多效蒸馏热源为温度小于70℃的饱和蒸汽，通常利用蒸汽热压缩（TVC）方式获得，即用0.4MPa（a）的高压蒸汽在蒸汽热压缩器中吸入末效或中间效蒸发器产生的部分低压二次蒸汽，将其提升压力和温度后作为一效蒸发器的加热蒸汽，达到低压蒸汽重复利用的目的，流程如图2所示。它可利用高压蒸汽的能量，避免了工作蒸汽直接减温减压造成的蒸汽能量损失。其结构简单，操作方便，可得到比直接减温减压多得多的加热蒸汽量，从而提高系统的热效率，降低造水成本。

2 低温多效蒸馏与热力发电厂联产方式

与传统热电联产类似，低温蒸馏与热电厂结合，可以采用汽轮机抽汽、排汽形成不同联产方式，可以在保留原有热电联产的基础上形成“热水电”三联产，也可以仅实现发电与海水淡化的“水电”联产，本文暂只考虑水电联产方式。由于海水淡化工艺参数要求不同于供热工程，因此在供汽方案上也有所区别，可行的水电联产方案包括以下三种：“汽机抽汽-蒸汽压缩-低温蒸馏”、“汽机抽汽-蒸汽发生—低温蒸馏”和“汽机乏汽-低温蒸馏”。

2.1 “汽机抽汽-蒸汽压缩-低温蒸馏”方式（TVC-MED）

由抽凝式机组的调节抽汽向外供汽，蒸汽压力一般选0.4MPa（a），该抽汽通过蒸汽热压缩器（TVC），将蒸发器内自身产生的负压二次蒸汽喷射压缩后，形成满足工艺参数要求的蒸汽，送入蒸发器首效，作为热源推动多效蒸馏的进行[3]，工艺流程如图3所示。

图2 蒸汽热压缩配套低温多效蒸馏流程示意

图3 TVC-MED方式流程示意

图4 VG-MED方式流程示意

2.2 “汽机抽汽-蒸汽发生-低温蒸馏”方式（VG-MED）

调节抽凝式机组的压力为0.1～0.2MPa（a）的低压抽汽，作为蒸汽发生器（VG）的一次蒸汽，蒸发除盐水产生满足工艺参数要求的蒸汽，进入蒸发器首效，作为热源推动多效蒸馏的进行，流程如图4所示。

2.3 “汽机乏汽-低温蒸馏”方式（MED）

提高凝汽真空度排汽，将压力为0.03～0.035MPa（a）的乏蒸汽直接送入蒸发器首效，作为热源推动多效蒸馏的进行，流程如图5所示。

3 不同联产方式经济性比较

水电联产实际上通过将部分可以用作发电的蒸汽供热，以生产淡化海水，因此可以参考热电联产供热-发电热耗分配方法，将联产发电损失折算至蒸汽成本，从而推算出单位产水成本，并以此对不同联产方式的经济性进行比较[1，4，5]。

本文以300MW带一级再热发电机组与单机12500t/d产量低温多效蒸馏海水淡化装置配合为例，对不同联产方式的能耗进行分析，并估算产水的蒸汽成本。考虑到热电联产热耗不同分配方法的依据或人为规定性有所不同，在分配合理性上各自存在一定局限性，为尽可能使水电联产成本分析合理，本文分别用热量法、实际焓降法和做功能力损失法对蒸汽成本进行计算，并对计算结果进行比较分析。

3.1 热量法

参见图3，热量法中，用于热电厂发电及向海水淡化供热的总热耗量Qtp是新蒸汽D0和再热蒸汽Dr带入发电—低温蒸馏系统的总热量，低温蒸馏耗热量是联产蒸汽Dh带入的热量，因海水淡化造成的发电损失ΔPe定义为，假定总耗热量全部用于发电Pe，其中低温蒸馏耗热量所占比例能产生的发电量，即：

式中ΔPe—因海水淡化造成的发电损失，kW；

Pe—发电功率，kW；

Dh—联产抽汽流量，kg/s；

D0—新蒸汽流量，kg/s；

Dr—再热蒸汽流量，kg/s；

hh—联产蒸汽比焓，kJ/kg；

hh′—蒸发器冷凝水比焓，kJ/kg；

h0—新蒸汽比焓，kJ/kg；

图5 MED方式流程示意

hfw—给水比焓，kJ/kg；

hr—热段再热蒸汽比焓，kJ/kg；

hr′—冷段再热蒸汽比焓，kJ/kg。

3.2 等效焓降法

参见图4，等效焓降法中，用于热电厂发电的总热耗量是新蒸汽D0和再热蒸汽Dr在系统中的总焓降，因海水淡化造成的发电损失ΔPe定义为，由于联产蒸汽Dh焓降不足所损失的发电量，即：式中hc—汽轮机排汽比焓，kJ/kg。

3.3 做功能力损失法

参见图5，做功能力损失中，用于热电厂发电蒸汽总的做功能力是新蒸汽D0和再热蒸汽Dr带入系统的总海水淡化造成的发电损失ΔPe定义为，由于联产蒸汽Dh带出损所能产生的发电量，即：

式中hen—环境温度下水的比焓，kJ/kg；

Ten—环境温度，K；

sh—联产抽汽比熵，kJ/kg·K；

sen—环境温度下水的比熵，kJ/kg·K；

s0—新蒸汽比熵，kJ/kg·K。

通过以上方法，可计算出不同联产方式时单位联产蒸汽量的发电损失，按当地上网电价（以0.44元/kWh计）核算出电损费，再除以各自联产方式时的造水比（单位蒸汽能产生的淡水量），即可计算出单位产水造成的发电损失费用，针对不同联产方式的具体计算结果如表1所示，计算参数详见附录。

可以看出，与热电联产供热价格不统一类似，不同方法计算蒸汽成本也不同。事实上热量法对联产供热的规定实质上是分产供热，因此热电联产的经济效益全部分摊到了发电方面，而等效焓降法中联产汽流没有冷源损失的经济效益全归于供热方面，做功能力损失法是相对折衷的分摊方法，因此计算结果有较明显差别[6]。但可以得出，“汽机乏汽-低温蒸馏”是成本最低的方式。

表1 300MW发电与12500t/d低温多效蒸馏联合产水电损元/t

3.4 联产方式选择建议

根据上述计算结果看，低温多效蒸馏海水淡化与热力发电厂联产结合的最经济方式是“汽机乏汽-低温蒸馏”。

在这种方式下，采用大型发电机组与海水淡化装置联产时，如上文所述的300MW机组级，其排汽量约600t/h，可以配置4台常规的25000t/d低温多效蒸馏装置或接近规模装置，在技术上完全可行；如配套单机海水淡化装置，可配置100000t/d产量的低温多效蒸馏装置，其效率将更高，但大规模装机海水淡化装置技术还未成熟，正是海水淡化技术下一步发展的重点。

如果选用小型机组，例如25MW机组和12500t/d低温多效蒸馏海水淡化装置配合，虽然发电及供热效率有所降低，但设备、管道制造都属于常规范围，并且排汽全部用于海水淡化，可以节省凝汽器的设置费用，而且因为使用品质较低的蒸汽，机组效率对供热成本的影响并不明显，计算结果见表2，因此实际上也完全可以应用。

表2 25MW发电与12500t/d低温多效蒸馏联合产水电损

4 结语

水资源的供应紧张已成为制约经济发展的主要因素，海水淡化正是解决这些问题最好的途径。可行的“热-水-电”联产工艺方式有三种：“汽机抽汽-蒸汽压缩-低温蒸馏”、“汽机抽汽-蒸汽发生-低温蒸馏”和“汽机乏汽-低温蒸馏”，用热量法、实际焓降法和做功能力损失法分别对三种联产方式的蒸汽成本进行核算，可以得出，“汽机乏汽-低温蒸馏”是最经济的方式。

在这种方式下，进行大型发电机组与海水淡化装置联产，如采用发电机组配套多套常规海水淡化装置在技术上完全可行，如发电机组配套大规模海水淡化装机，现有技术还未成熟，正是海水淡化技术下一步发展的重点。如果选用小型机组，虽然发电及供热效率有所降低，但设备、管道制造都属于常规范围，还可以节省凝汽器的设置费用，而且因为使用品质较低的蒸汽，机组效率对供热成本的影响并不明显，实际上也完全可以应用。

[1]郑体宽.热力发电厂[M].北京：中国电力出版社，2001.

[2]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.

[3]沈胜强，孙甜悦，刘晓华，等.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，2010，9（2）：144～148.

[4]郭家宝.热电联产机组燃料成本分摊和节能效益评价方法探讨[J].中国电力，2003，36（3）：78～80.

[5]李慧君，池冉，范伟，等.热电成本分摊之乏热分配法的研究[J].华北电力大学学报，2008，35（1）：67～70.

[6]王加漩，杨勇平.我国热价设计理论方法的研究[J].北京动力经济学院学报，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

马露露（1984-），男，新疆乌鲁木齐人，本科，工程师，主要从事热法海水淡化工作。