真空沸腾式海水淡化装置工作原理及常见故障分析

关长辉

摘 要：文章通过对船用真空沸腾式海水淡化装置工作原理的介绍，总结船上日常工作中常见的故障，分析故障产生的原因，从实际船舶设备管理的角度找出预防、消除、减轻故障的途径，为船员日常维护保养提供一定理论依据。

关键词：真空沸腾；海水淡化；故障分析；理论依据

1 研究意义

船舶在海上航行每天需要消耗大量的淡水以满足船上人员和动力装置要求。远洋船舶为增加货物装载量，减少购买淡水的费用，不宜携带大量淡水，通常采用海水淡化装置（俗称“造水机”）生产淡水。通常含盐量小于1000mg/L即可定义为淡水，但是，船舶设备对淡水含盐量要求较高，要求最高的是船用锅炉的炉水，所以，船舶海水淡化装置对所造淡水的含盐量作为标准。我国船用锅炉淡水标准规定补给蒸馏水的含盐量应该小于10mg/L。船用海水淡化装置通常分为真空闪发式和真空沸腾式两种，由于真空闪发式造水机效率较低，淡水含盐量较高，所以已经被主流船舶淘汰，现阶段船上使用最多的是真空沸腾式海水淡水装置。由于维护保养不当或者设备部件老化，真空沸腾式海水淡化装置在实际运行中会出现一些故障，其中比较典型的故障有三种：真空度不足；产水量过低；产水含盐量过高。本文以造水机工作原理为切入点，系统性的分析常见故障，找到故障根源，总结消除或减轻故障的方法对于船舶的成本控制有着重要的意义。

2 工作原理

2.1 基本原理

真空沸腾式海水淡化装置基本工作原理是将海水加热使其沸腾汽化形成蒸汽，然后将蒸汽冷凝成蒸馏水，这种蒸馏水中几乎不含盐，最后利用凝水泵将蒸馏水泵送至淡水舱。整个过程中单位时间海水的供给量被称为供水量W0，产生的淡水量被称为产水量W，排除盐水量被称为排污量WB，供水量与产水量之比叫做给水倍率W/W。维持水位稳定的条件是W0=W+WB。其工作原理可以分解为四个主要过程：蒸馏过程；冷凝过程；排水过程；排盐过程。

2.2 蒸馏过程

常压下水的饱和温度是100℃。出于能源回收再利用的目的，造水机在实际工作时所使用的加热源是缸套冷却水（70℃-80℃）。常压下缸套冷却水无法使海水汽化，所以根据饱和温度随着环境压力的降低而降低的原理，需要对装置进行抽真空处理，通常装置真空度应该保持在90%-94%，这时候对用的蒸发温度为45℃-35℃。这种情况下即可利用缸套冷却水将海水加热汽化产生蒸汽。抽真空利用的是喷射泵（图1中12），喷射泵的工作水由海水泵供给（图1中10）。缸套冷却水冷却主机后通过阀28进入到蒸发器（图1中32）。海水在蒸发器中吸收缸套冷却水的热量形成真空-低温蒸发产生生气。如果主机没有投入运行可以用锅炉产生的蒸汽加热淡水，用淡水作为蒸馏热源，切不可用蒸汽作为热源直接加热蒸发器，因为如果换热温差过大会增加蒸发器换热面结垢的可能性。蒸馏过程既对柴油机余热的再利用也对缸套冷却水进行了冷却。

2.3 冷凝过程

在蒸发器中形成的蒸汽向上流动通过汽水分离器，将其中携带的盐水分离出去，蒸汽继续向上流至冷凝器（图1中9），凝结成蒸馏水，冷凝介质是海水。这个过程中二次蒸汽被冷凝成蒸馏水，蒸馏水被凝水泵排至淡水柜，二次蒸汽中的不凝气体被喷设备排除，保证系统维持一定的真空度。

2.4 排水过程

在冷凝器中蒸汽被冷却成蒸馏水，蒸馏水通过凝水泵（图1中16）排送至淡水柜。排送淡水的管路上安装了盐度计（图1中19）。盐度计有叫盐度电极，通过监测淡水的导电性确定淡水的含鹽量。当淡水含盐量超过设定值时，盐度计会给控制箱（图1中18）发送电信号，控制箱会控制回流电磁阀（图1中20）开启，使盐度达不到要求的淡水重新进入蒸发器蒸发脱盐。在一些系统中盐度不达标的淡水也可以被直接排送至舱底。

2.5 排盐过程

蒸发后残留的浓盐水以及在汽水分离器中被分离出的盐水被排盐泵（图1中11）排出舷外。如果盐水不能及时排出将会影响系统真空度和淡水含盐量。

3 常见故障分析

3.1 真空度不足

3.1.1 故障原因

真空度是决定蒸发温度，影响产水量的重要因素。真空沸腾式海水淡化装置起动初期真空度是靠真空泵抽出装置中空气实现的。淡正常工作时，真空度主要靠真空泵、排盐泵、冷凝器和凝水泵的共同作用来维持。冷凝器应及时将蒸发器中产生的二次蒸汽冷凝成蒸馏水，真空泵应将蒸发过程中挥发出来的不可凝结气体排出装置，排盐泵应及时排出浓盐水，凝水泵应及时将蒸馏水排出。所以，要保证系统具有良好的真空度必须保证：装置具有良好气密性；真空泵油足够的抽真空能力冷凝能力要与蒸发能力相适应；排水能力要与冷凝能力相适应。工作过程中如果真空度过低则会导致蒸发温度高，二次蒸汽产量低，淡水产量低。如果真空度过高则蒸发温度过低，蒸发过程过于剧烈，导致二次蒸汽中含水量增加，进而导致淡水含盐量增加；蒸发温度低还会导致蒸发器换热面温差太大，增加了换热面结垢的可能性。

3.1.2 解决途径

根据装置真空度不足的故障原因管理过程中应该关注装置密封性能。检查气密性时可先关闭系统与外界相连的阀门，起动喷射泵将系统真空度抽至93%，停泵后1小时内真空度下降超过10%则表明气密性不符合要求。这是可以通过对密封处加大预紧力的方法来解决。如果气密性仍然达不到标准，则需要更换密封胶条。如果气密性达标真空度依然达不到要求，可以试着加大冷却水量，检查凝水泵流量计，确认凝水泵是否正常工作。加大喷射泵海水压力，提高喷射泵抽气能力。如果上述方法都不能使真空度达到标准，那么有可能是冷凝器换热面结垢、脏堵，导致冷凝能力下降。所以整个检修的流程是：增大冷却水量；检查喷射泵工况；检查凝水泵工况；检查装置气密性；检查冷凝器换热面。

3.2 产水量过低

3.2.1 故障原因

真空沸腾式海水淡化装置的产水量即是产生二次蒸汽的量。导致二次蒸汽量减少的主要原因包括：真空度不足，导致饱和温度升高；加热水温度不足或者加热水流量不足，导致换热量减少；给水量不足，完全蒸发仍然达不到产水量要求；给水量过大，热量被盐水带走；蒸发器换热面脏堵；凝水回流电磁阀关闭不严，导致凝水流回蒸发器或者被排到舱底。

3.2.2 解决途径

如果发现产水量过低检修流程是：检查给水量是否过多或者过低；检查缸套冷却水温度、流量；检查回流电磁阀是否正常；检查装置气密性；拆开蒸发器检查换热面是否出现结垢、脏堵等问题。

3.3 产水含盐量过高

3.3.1 故障原因

我国船用锅炉淡水标准规定补给蒸馏水的含盐量应该小于10mg/L。含盐量越大，难溶盐的含量就越大，生成的水垢就越多。硫酸钙在浓缩率（盐水含盐量/海水含盐量）达到1.5时开始析出，达到3将大量析出，所以要严格控制蒸馏水的含盐量。含盐量主要和二次蒸汽携带的盐水量以及盐水的含盐量有关。导致含盐量过高的主要原因是：装置负荷（蒸发量）过大，沸腾剧烈；蒸发器水位太高；盐水含盐量大；冷凝器漏泄，冷却海水漏入凝水侧。

3.3.2 解决途径

根据影响蒸馏水含盐量的原因分析，实际工作过程中解决途径是：减小加热水流量或稍开真空破坏阀；减小给水量；保证足够的排盐量和给水倍率；检修冷凝器。

参考文献

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