低溫多效海水淡化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

低溫多效海水淡化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

0柴油發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的海水淡化技術(shù)在過(guò)去，由于缺乏淡水資源，海水淡化技術(shù)在解決全球水危機(jī)問(wèn)題方面發(fā)揮了非常重要的作用。自20世紀(jì)50年代以來(lái),海水淡化技術(shù)發(fā)展迅速,形成了多級(jí)閃蒸、多效蒸餾、壓汽蒸餾、反滲透及電滲析等多種成熟的淡化技術(shù)。目前,世界海水淡化裝置容量正逐年增大。海水淡化需要消耗大量能量,導(dǎo)致淡化水成本較高。為了降低海水淡化的成本,人們對(duì)能源與海水淡化系統(tǒng)的結(jié)合做了大量的研究工作。鄭宏飛等人對(duì)太陽(yáng)能海水淡化技術(shù)做了系統(tǒng)而詳細(xì)的分析與研究;KonishiT等人對(duì)核能驅(qū)動(dòng)的海水淡化工程進(jìn)行了探討。但是,海水淡化的成本問(wèn)題仍然沒有得到解決。而在一些缺水且遠(yuǎn)離陸地的海島上,普遍采用柴油發(fā)電機(jī)組供電。通常柴油發(fā)電機(jī)組的熱效率約為35%,其余的熱量都隨著缸套冷卻水和高溫?zé)煔馀诺江h(huán)境中。如果利用這部分廢熱來(lái)進(jìn)行海水淡化,實(shí)現(xiàn)水電聯(lián)產(chǎn),可提高能源利用率,并大幅降低海水淡化成本,是解決海島淡水供應(yīng)問(wèn)題的途徑之一。國(guó)外早在1987年便有了對(duì)使用柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)的海水淡化系統(tǒng)的成本分析,Khalifa等人使用軟件對(duì)新能源(風(fēng)能和太陽(yáng)能)以及柴油發(fā)電機(jī)組驅(qū)動(dòng)的海水淡化系統(tǒng)進(jìn)行了模擬,結(jié)果表明使用柴油發(fā)電機(jī)組或使用柴油機(jī)、風(fēng)能、太陽(yáng)能混合系統(tǒng)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)時(shí),海水淡化的成本最低,Henderson等人對(duì)利用反滲透海水淡化裝置來(lái)平衡風(fēng)能-柴油機(jī)混合發(fā)電系統(tǒng)中能量供應(yīng)和用電需求的矛盾的可行性進(jìn)行了探討。國(guó)內(nèi)對(duì)應(yīng)用于海島的,與柴油發(fā)電機(jī)組相結(jié)合的小型海水淡化系統(tǒng)的研究很少。高從堦等人對(duì)柴油發(fā)電機(jī)與海水淡化結(jié)合的優(yōu)點(diǎn)作了簡(jiǎn)單的介紹,沒有涉及具體的結(jié)合形式;姜周曙等人設(shè)計(jì)了一套利用漁輪用柴油機(jī)余熱進(jìn)行制冷及海水淡化的裝置,但并未對(duì)其變工況下的運(yùn)行特性進(jìn)行研究。本文針對(duì)使用柴油發(fā)電機(jī)組供電的缺水的海島,設(shè)計(jì)了一套柴油發(fā)電機(jī)組廢熱驅(qū)動(dòng)的海水淡化裝置,在設(shè)計(jì)工況下進(jìn)行熱力學(xué)分析計(jì)算,確定其換熱面積、噴淋密度、管束排布等結(jié)構(gòu)參數(shù)。并在此基礎(chǔ)上,針對(duì)發(fā)電機(jī)組負(fù)荷隨用電需求變化而變化的特點(diǎn),對(duì)已確定的海水淡化系統(tǒng)在不同的發(fā)電機(jī)組負(fù)荷下的運(yùn)行情況進(jìn)行計(jì)算分析。1廢熱量變化環(huán)境下工作柴油機(jī)的廢熱以冷卻水和煙氣兩種方式排出。為了有效利用柴油機(jī)排出的廢熱,采用循環(huán)水來(lái)回收這兩種類型的廢熱。由于循環(huán)水出水溫度受柴油機(jī)冷卻水進(jìn)出口溫度要求的限制,通常低于80℃。因此,采用耗功量小、熱效率高、海水預(yù)處理簡(jiǎn)單的低溫多效蒸餾法進(jìn)行海水淡化比較合適。由于循環(huán)水溫度較低,首效蒸發(fā)溫度可控制在70℃以下,避免了海水蒸餾易結(jié)垢的問(wèn)題。低溫多效蒸餾操作彈性較大,適合在柴油發(fā)電機(jī)組排出廢熱量變化的環(huán)境下工作。柴油發(fā)電機(jī)組廢熱驅(qū)動(dòng)的低溫多效海水淡化系統(tǒng)流程簡(jiǎn)圖如圖1所示。對(duì)于小型低溫多效海水淡化系統(tǒng),為了簡(jiǎn)化海水淡化裝置結(jié)構(gòu),便于系統(tǒng)運(yùn)行控制,海水淡化流程采用全順流流程,蒸餾裝置采用橫管降膜換熱,各效布置為立式串聯(lián)。海水淡化系統(tǒng)由循環(huán)熱水和海水淡化兩部分組成,循環(huán)熱水回收柴油機(jī)全部的冷卻水廢熱和部分排氣廢熱后,在循環(huán)泵的作用下,進(jìn)入海水淡化系統(tǒng)的首效蒸餾器內(nèi),加熱并汽化進(jìn)入首效蒸餾器內(nèi)的海水。水溫降低后的循環(huán)熱水流經(jīng)海水預(yù)熱器,進(jìn)一步降低溫度,放出熱量。淡化用原料海水經(jīng)預(yù)熱后進(jìn)入首效蒸餾器,由噴淋器均勻的噴淋在首效換熱管上,吸收換熱管內(nèi)循環(huán)熱水的熱量,部分蒸發(fā);產(chǎn)生的蒸汽流入第二效蒸餾器換熱管作為第二效蒸餾器的熱源。首效蒸餾器中未蒸發(fā)的海水在重力和效間壓差的作用下流入第二效,閃蒸出一部分蒸汽,其余海水噴淋在第二效的換熱管上,依次逐效進(jìn)行,直到最后一效蒸餾器;在此蒸餾器內(nèi)濃海水被排出,產(chǎn)生的蒸汽進(jìn)入冷凝器冷凝,冷凝水進(jìn)入淡水罐。海水淡化裝置從第二效開始有淡水產(chǎn)出,淡水流入各級(jí)淡水閃蒸罐部分閃蒸,閃蒸出的蒸汽作為下一效蒸餾器的熱源,最后未閃蒸的淡水流入淡水罐。冷凝器管內(nèi)流通冷卻海水,冷卻海水流出冷凝器后,大部分排放,小部分與末效蒸餾器排出的部分濃海水混合,作為原料海水進(jìn)入首效蒸餾器,以提高各效的噴淋密度。2力學(xué)模型2.1壓力和海水流動(dòng)過(guò)程中的阻力(1)系統(tǒng)保溫良好,忽略散熱損失;(2)忽略流體流動(dòng)過(guò)程中的各種阻力;(3)忽略海水濃度變化所引起的沸點(diǎn)升高,海水物性按純水計(jì)算。遵循能量和質(zhì)量守恒原理,系統(tǒng)內(nèi)各換熱器熱力學(xué)模型如下。2.2海水蒸發(fā)n循環(huán)水系統(tǒng)通過(guò)海水預(yù)熱器與首效蒸餾器,將回收的柴油發(fā)電機(jī)組廢熱(Qgen)用來(lái)預(yù)熱淡化用海水,并提供首效海水蒸發(fā)所需的熱量。式中m———質(zhì)量流量/kg·s-1;h———比焓/kJ·kg-1;下標(biāo)vap———蒸汽;s———海水;l———首效蒸餾器;p———預(yù)熱器;i———入口;o———出口。2.3蒸汽apos第n效蒸餾器的熱源為前一效的二次蒸汽(mvap,n-1)和前一效冷凝水在淡水罐內(nèi)閃蒸的蒸汽(m'vap,n-1),其在蒸餾器內(nèi)冷凝放熱量與管束外降膜蒸發(fā)吸熱量相等。第n效蒸餾器熱負(fù)荷(Qeva,n)為式中r———汽化潛熱/kJ·kg-1;2.4海水淡化工程最后一效二次蒸汽(mvap,N)與最后一級(jí)淡水罐閃蒸的蒸汽(m'vap,N)進(jìn)入冷凝器冷凝,冷凝器管內(nèi)流通冷卻海水(ms,con),冷卻海水吸收的熱量等于蒸汽冷凝放熱量(Qcon)。下標(biāo)N———末效蒸餾器;con———冷凝器。2.5驅(qū)動(dòng)熱源的確定從第二效開始,蒸汽冷凝產(chǎn)生的淡水流入淡水罐。由于淡水罐的壓力逐級(jí)降低,淡水將逐級(jí)產(chǎn)生閃蒸,閃蒸出的蒸汽與本效二次蒸汽一起進(jìn)入下一效蒸餾器作為驅(qū)動(dòng)熱源。下標(biāo)f———淡水罐。2.6效海水閃蒸量由于蒸餾器壓力逐效降低,當(dāng)前一效飽和海水進(jìn)入下一效時(shí),由于壓力的降低將發(fā)生閃蒸,海水閃蒸將對(duì)各效蒸餾器噴淋密度產(chǎn)生一定影響。因此,每效的海水閃蒸量(m's,n)不可忽略。2.7海水鹽濃度的測(cè)定按照能量和質(zhì)量守恒原理,輸入系統(tǒng)的總熱量應(yīng)與排出系統(tǒng)的總熱量相等,從冷凝器冷卻海水出口處輸入系統(tǒng)的總質(zhì)量(m's,con)與排出系統(tǒng)的總質(zhì)量相等,輸入系統(tǒng)的總鹽量與排出系統(tǒng)的總鹽量相等。因此,有式中x———海水鹽濃度/[%];ε———濃縮比;下標(biāo)w———淡水。3在設(shè)計(jì)條件下，系統(tǒng)參數(shù)的確定3.1廢熱量的回收利用某海島柴油發(fā)電機(jī)組額定功率為300kW,平均發(fā)電效率為35%?；厥杖坎裼蜋C(jī)冷卻水廢熱和部分排氣廢熱,回收的廢熱量相當(dāng)于供入柴油機(jī)燃油熱量的35%,其余30%的熱量通過(guò)排氣和機(jī)體散熱排到環(huán)境中。回收的廢熱全部用于海水淡化。實(shí)際上海島柴油發(fā)電機(jī)組絕大部分時(shí)間運(yùn)行在額定功率值以下。因此,按柴油機(jī)工作負(fù)荷為80%,循環(huán)水回收的廢熱量為240kW作為海水淡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)加熱負(fù)荷。設(shè)計(jì)循環(huán)水出口溫度為75℃,并以此溫度進(jìn)入首效蒸餾器,循環(huán)水流出海水預(yù)熱器的溫度為60℃。為了提高蒸餾器內(nèi)海水噴淋密度,采用濃海水再循環(huán),循環(huán)比(β)取為1。冷卻海水進(jìn)口溫度30℃,設(shè)計(jì)溫升為6℃,冷凝器熱端溫差取6℃,則設(shè)計(jì)冷凝溫度為42℃。設(shè)計(jì)海水淡化系統(tǒng)的海水濃縮比為2.0。3.2系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定首先根據(jù)所建立的海水淡化系統(tǒng)熱力學(xué)模型,進(jìn)行設(shè)計(jì)工況下系統(tǒng)的熱力計(jì)算,確定進(jìn)出各效蒸餾器的海水、淡水、二次蒸汽進(jìn)出口溫度、壓力、流量、傳熱量等熱力參數(shù)。得到設(shè)計(jì)工況下各效蒸餾器的產(chǎn)水量和熱負(fù)荷。然后根據(jù)文獻(xiàn),對(duì)各效蒸餾器在設(shè)計(jì)工況下的噴淋密度、傳熱系數(shù)等參數(shù)進(jìn)行計(jì)算,結(jié)合熱力計(jì)算結(jié)果,計(jì)算出各效蒸餾器理論傳熱面積。根據(jù)換熱管布管和計(jì)算的噴淋密度情況,確定蒸餾器有效熱管長(zhǎng)和管束排列方式(管排數(shù)和管列數(shù)),最終應(yīng)使管排及管列數(shù)為整數(shù)且實(shí)際傳熱面積大于理論傳熱面積。經(jīng)過(guò)計(jì)算得到設(shè)計(jì)工況下海水淡化系統(tǒng)各換熱器主要工作參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所列。其中,有效換熱管長(zhǎng)取1.4m,管列數(shù)13列。首效蒸餾器內(nèi)熱水流程為每排管束為一流程,冷凝器內(nèi)冷卻水流程為每?jī)膳殴苁鵀橐涣鞒?。熱力?jì)算得到的熱水循環(huán)泵流量13779kg/h,冷卻海水泵流量31904kg/h,海水進(jìn)料流量2460kg/h,系統(tǒng)淡水產(chǎn)量為1219.5kg/h,計(jì)算海水濃縮比為1.98。4系統(tǒng)單效噴淋密度隨柴油發(fā)電機(jī)負(fù)荷的變化情況由于柴油發(fā)電機(jī)組的實(shí)際發(fā)電負(fù)荷隨島上用電負(fù)荷的變化而變化,導(dǎo)致柴油機(jī)所排出的廢熱量也隨之變化,對(duì)海水淡化系統(tǒng)的運(yùn)行產(chǎn)生影響。為了便于了解和掌握水電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的工作特性,在已確定的海水淡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)條件下,采用數(shù)值模擬方法來(lái)分析變工況條件下柴油發(fā)電機(jī)組廢熱驅(qū)動(dòng)的海水淡化系統(tǒng)工作特性。假定循環(huán)水回收的柴油機(jī)廢熱負(fù)荷與柴油發(fā)電機(jī)組實(shí)際負(fù)荷變化成線性關(guān)系(實(shí)際情況是,隨著柴油機(jī)負(fù)荷的降低,熱效率也降低,排出的廢熱占輸入能量的比值增加)。對(duì)已確定的海水淡化系統(tǒng),當(dāng)柴油發(fā)電機(jī)組負(fù)荷為額定負(fù)荷的50%~100%時(shí),分析海水淡化系統(tǒng)的產(chǎn)水率、各效蒸餾器熱負(fù)荷、噴淋密度、實(shí)際運(yùn)行溫差等參數(shù)隨機(jī)組負(fù)荷的變化,計(jì)算結(jié)果如圖2~圖7所示。圖2表示系統(tǒng)及各效蒸餾器產(chǎn)水速率隨柴油發(fā)電機(jī)組負(fù)荷的變化關(guān)系。當(dāng)發(fā)電機(jī)組負(fù)荷增大時(shí),系統(tǒng)及各效蒸餾器產(chǎn)水率都隨之增加。這是由于在循環(huán)水流量恒定時(shí),熱負(fù)荷增大,導(dǎo)致循環(huán)水進(jìn)出海水淡化系統(tǒng)的溫差增大。循環(huán)水入口溫度升高,會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)總傳熱溫差增大,在相同的傳熱面積和噴淋密度條件下傳熱量增大,海水蒸發(fā)量增大,產(chǎn)水率提高。系統(tǒng)內(nèi)各換熱器熱負(fù)荷也隨著柴油發(fā)電機(jī)組負(fù)荷的提高而增大(如圖3所示),其變化趨勢(shì)與圖2中各效蒸餾器產(chǎn)水率變化趨勢(shì)相同。從圖中可見,對(duì)于全順流立式布置、熱水驅(qū)動(dòng)的海水淡化系統(tǒng),首效和二效蒸餾器熱負(fù)荷幾乎相同,其他各效蒸餾器熱負(fù)荷逐效略有增加,冷凝器熱負(fù)荷最大。由于通過(guò)海水預(yù)熱器后進(jìn)入首效蒸餾器的海水溫度幾乎達(dá)到飽和,首效蒸餾器產(chǎn)生的蒸汽作為二效的熱源而沒有其它蒸汽補(bǔ)入。因此,首效和二效蒸餾器負(fù)荷幾乎相同。二效蒸餾器以后的各效蒸餾器,其熱源蒸汽不僅有上一效蒸餾產(chǎn)生的蒸汽,還有上一效海水噴淋閃蒸和凝結(jié)水閃蒸所產(chǎn)生的蒸汽。因此對(duì)于全順流海水淡化系統(tǒng)而言,二效以后的蒸餾器負(fù)荷和產(chǎn)水率逐效增大,冷凝器在所有換熱設(shè)備中具有最大熱負(fù)荷。圖4顯示的是系統(tǒng)各效噴淋密度隨柴油發(fā)電機(jī)組負(fù)荷的變化關(guān)系。由于淡化用海水進(jìn)水量一定,各效產(chǎn)水率隨著柴油發(fā)電機(jī)組負(fù)荷的增加而增大,使得各效噴淋密度隨著柴油發(fā)電機(jī)組負(fù)荷的增加而減小。當(dāng)濃海水再循環(huán)比為1時(shí),首效噴淋密度維持在0.0751kg/(m·s)左右。為了使海水能夠均勻地分布在降膜橫管表面上,對(duì)每效蒸餾器的噴淋密度有一定要求。一般認(rèn)為橫管降膜蒸發(fā)的最小噴淋密度不低于0.044kg/(m·s)。對(duì)于全順流海水淡化系統(tǒng)而言,因各效中海水均有蒸發(fā),使得第五效的噴淋密度最小。如果原料海水進(jìn)水量保持不變,當(dāng)柴油發(fā)電機(jī)的負(fù)荷由50%升高到100%時(shí),第五效蒸餾器的噴淋密度由0.0661kg/(m·s)減少到0.0574kg/(m·s),仍能滿足要求。圖5反映出各效蒸餾器傳熱系數(shù)的變化趨勢(shì)與圖4各效蒸餾器噴淋密度的變化趨勢(shì)一致。對(duì)于全順流多效蒸餾系統(tǒng)而言,當(dāng)進(jìn)水量恒定時(shí),首效蒸餾器噴淋密度不隨柴油發(fā)電機(jī)組負(fù)荷變化而變化,傳熱系數(shù)保持恒定,但海水蒸發(fā)量隨柴油發(fā)電機(jī)組負(fù)荷的增加而增加,使得其后各效蒸餾器內(nèi)海水蒸發(fā)量也隨之增加,噴淋密度降低,導(dǎo)致傳熱系數(shù)下降。說(shuō)明在確定的系統(tǒng)和運(yùn)行參數(shù)下,傳熱系數(shù)受噴淋密度的影響較大。而對(duì)于冷凝器,蒸汽在其管外凝結(jié)換熱,其凝結(jié)換熱系數(shù)主要受液膜厚度的影響。當(dāng)柴油發(fā)電機(jī)組負(fù)荷增加后,冷凝器負(fù)荷也隨之增大,冷凝器中凝結(jié)的蒸汽量增大,每排冷凝管上流經(jīng)的冷凝液量增加,液膜厚度加大,使冷凝管外側(cè)換熱熱阻增大,冷凝器總傳熱系數(shù)下降。圖中還可以看出,各效蒸餾器的傳熱系數(shù)基本都在2.4kW/(m2·℃)以上,但首效蒸餾器和冷凝器傳熱系數(shù)相對(duì)較小,在2.2kW/(m2·℃)以下。其原因在于,首效蒸餾器和冷凝器均為單側(cè)相變傳熱,其余各效蒸餾器均為管內(nèi)外雙側(cè)相變傳熱。通常情況下,相變傳熱系數(shù)大于非相變傳熱系數(shù)。要提高首效蒸餾器及冷凝器的傳熱系數(shù),必須提高管束內(nèi)水流速,從而提高無(wú)相變的管側(cè)換熱系數(shù),這將會(huì)導(dǎo)致循環(huán)水和冷卻水泵功耗增加,傳熱溫差增大。圖6給出了海水淡化系統(tǒng)內(nèi)各換熱設(shè)備傳熱溫差隨柴油發(fā)電機(jī)組負(fù)荷的變化關(guān)系。圖中可見,各換熱設(shè)備的傳熱溫差都隨柴油發(fā)電機(jī)組負(fù)荷的增大而有所提高。當(dāng)柴油發(fā)電機(jī)的負(fù)荷由50%升高到100%時(shí),各效蒸餾器傳熱溫差均從3.5℃左右變化到6.5℃左右。其原因是,對(duì)于結(jié)構(gòu)參數(shù)確定的多效蒸餾海水淡化裝置而言,當(dāng)循環(huán)水泵流量保持恒定時(shí),隨著柴油發(fā)電機(jī)組負(fù)荷增加,回收的廢熱量增加,使得循環(huán)水進(jìn)出口溫度同時(shí)增大,也使得各效蒸餾器負(fù)荷(產(chǎn)水量)增大,傳熱溫差自然增加。因此,實(shí)際的海水淡化系統(tǒng)在一定的加熱負(fù)荷變化范圍內(nèi),具有自調(diào)節(jié)、自適應(yīng)特性,具有較好的操作彈性。圖7給出了海水淡化系統(tǒng)濃縮比和單位加熱負(fù)荷產(chǎn)水量隨柴油發(fā)電機(jī)組負(fù)荷的變化關(guān)系。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)水量不變時(shí),海水濃縮比隨柴油發(fā)電機(jī)組負(fù)荷增加而升高,但單位加熱負(fù)荷產(chǎn)水率卻是降低的。由50%負(fù)荷時(shí)的1.434×10-3kg/(s·kW)降至100%負(fù)荷時(shí)的1.407×10-3kg/(s·kW)。這是因?yàn)樵诶鋮s水流量恒定條件下,冷卻水溫升隨發(fā)電機(jī)組負(fù)荷增加而提高,導(dǎo)致冷凝溫度以及系統(tǒng)產(chǎn)出淡水和末效排出的濃海水溫度隨之上升(見圖6),由此帶出系統(tǒng)的熱量也增大。這表明當(dāng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)確定后,增大輸入系統(tǒng)的熱量,盡管可以提高產(chǎn)水率,但系統(tǒng)性能有所降低。當(dāng)發(fā)電機(jī)組負(fù)荷100%時(shí),濃縮比已達(dá)到了2.61,過(guò)高的海水濃縮比會(huì)使得換熱管上易于結(jié)垢,影響換熱。因此,綜合考慮產(chǎn)水率、濃縮比、及系統(tǒng)性能的影響,對(duì)于確定結(jié)構(gòu)和運(yùn)行參數(shù)的海水淡化系統(tǒng),不建議長(zhǎng)時(shí)間超負(fù)荷運(yùn)行,否則需要考慮調(diào)節(jié)循環(huán)熱水、冷卻海水和