（热能工程专业论文）小型热电联产海水淡化系统的技术经济分析.pdf

华北电力大学 ( 北京)硕士论文摘要 摘要 本文着重对小型热电联产海水淡化装置进行技术经济分析。首先对海水淡化 过程的能耗问题进行详细分析，并以典型的实际海水淡化系统为对象，对各种海 水淡化方法的能耗情况进行了详细分析。 提出了多效蒸馏海水淡化装置的简化设 计方法，并编制了相应的设计、校核的计算程序。针对本文所要分析论证的小型 热电联产立式竖板降膜蒸馏海水淡化装置，进行了方案流程和结构设计，对小型 装置的控制策略等问题进行了简要分析，在此基础上，对小型装置的作了初步的 技术经济分析。 关键词: 热电联产海水淡化多效蒸馏技术经济分析 a b s t r a c t i n t h i s p a p e r , t h e a n a l y s i s o f t e c h n i q u e a n d e c o n o m y o f t h e s m a l l s c a l e c hp f i r s t l m u l t i - e f f e c t d i s t i l l a t i o n ( me d ) d e s a l i n a t i o n d e v i c e w a s p r o c e s s e s s y s t e ms . p r o g r a m d i a g r a m w e a n a l y z e d t h e e n e r g y c o n s u m p t i o n o f t h e a n d g i v e t h e c a s e s t u d i e s o f s o m e t y p i c a l a n d a s i m p l i f i e d d e s i g n m e t h o d o f t h e me d o f d e s i g n i n g a n d v e r i f i c a t i o n w e r e d e v e l o p e d . va nous s ea w a t e r f o c u s e d o n . d e s a l i n a t i o n d e s a l i n a t i o n d e v i c e a n d a r e l e v a n t o f 3 t / d s ma l l s c a l e t h e p r o c e s s i n g f l o w c o g e n e r a t i n g me d d e s a l i n a t i o n s y s t e m , t h e s t r u c t u r e o f d e v i c e , i t s a u t o m a t i c c o n t r o l s t r a t e g y a n d s o t h e p r i m a ry e v a l u a t i o n o f t h e t e c h n i c a l e c o n o m y f o r t h e o n w e r e d e s i g n e d . a n d me d d e v i c e wa s d o n e ke y w o r d s : d e s a l i n a t i o n , c o mb i n e d h e a t a n d d i s t i l l a t i o n ( me d ) , a n a l y s i s o f t e c h n i c a l e c o n o m y p o w e r ( c h p ) , m u l t i - e f f e c t 华北电力大学 ( 北京)硕士论文第 1页 共 4 7页 第一章绪论 1 . 1 海水淡化技术的重要意义 一、 我国水资源状况及其解决途径 水和能源一样， 是人类社会生存和发展的物质基础。 就像 “ 能源危机” 一样， 淡 水资源的匾乏， 越来越成为人们注目的焦点。 1 9 9 7 年 3月2 1日， 在世界水资源论坛， 虽然会议以一项无奈的公报结束， 但它再昭示人们， 水资源问题己相当严重。中国总 体上属于贫水国家， 中国水资源总量在2 7 5 0 0 -2 8 0 0 0 亿立方米之间， 居全球第六位， 然而人均量却相当底。 全国降水量只及世界平均的7 7 . 0 7 %， 是亚洲平均值的8 7 . 5 7 % , 但按人口计算，我国人口占世界人口的2 0 %强，水资源却仅占6 %，多年平均水资源 人均拥有量只有2 2 5 1 立方米， 仅为世界人均年拥有量的1 / 4 ， 加拿大的 1 / 4 8 ， 巴西的 1 / 1 6 ， 印度的1 / 9 ， 前苏联的1 / 7 ， 美国的1 / 5 ， 居世界1 4 9 个国家的第 1 1 0 位” ,2 7 。 在 我国沿海地区中，如辽宁，河北，天津，山东，江苏， 上海等省市水资源严重低于全 国平均水平， 其中华北地区的天津最为严重， 天津人均水资源量居于全国人均水资源 的最后一位， 仅为1 5 3 米3 / 人，是全国 人均水资源 ( 2 2 2 1 . 2 4 米3 / 人)的6 . 9 0 % 1 e 按国际通行标准，人均拥有量 2 0 0 0 立方米为严重缺水边缘，人均 1 0 0 0 立方米 为生存的起码要求线。从长期的趋势看，我国总体上属于严重缺水的国家。 统计数据表明，目 前，我国干早缺水的地区涉及 2 0多个省、区、市，其中 1 8 个省、区、市处于 严重缺水的边缘，有 1 0 个省、区、市在起码的要求线以下，其 面积约 5 0 0 万平方公里，占我国陆地面积的5 2 %o 在我国6 0 0多个建制市中，有近4 0 0 个城市缺水，其中缺水严重的城市达 1 3 0 多个，沿海地区几乎所有城市都面临缺水问题。全国城市每年缺水 6 0亿立方米， 日缺水量超过 1 6 0 0 万立方米。缺水给城市工业带来的损失在 1 2 0 0 亿元以上，且呈 增长趋势。 据预测，由于我国居民生活用水以每年 1 5 %左右的速度增长，2 0 0 5 年全国沿海 城市水资源供需矛盾达到临界状态， 2 0 1 0 年可能将面临水荒局面， 淡水资源短缺己 成为制约沿海城市经济发展的重要障碍 ” 。 解决淡水资源匾乏的问题可以 从开源、节流两个方面去考虑【 ” 。 1 、节流一 - 增强全民 对水资源紧张状况的认识， 大力推行节水措施。 如城市工 业用水重复利用、城市生活用水分饮用和洗涤双管路、农业节水灌溉等。 2 、开源开发新的淡水资源，除开采地下水外， 主要包括: 水源调拨与修筑 水库、海水淡化等。 上述几种方法各有利弊， 应该强调的是，在开发淡水资 华北电 力大学 ( 北京) 硕士论文第 2页 共 4 7页 源的战略问题上， 我们不能仅依靠某一种方式， 而应根据不同地区经济发展 状况及地理条件等因素，因地制宜地制定合理的解决方案。 二、 海水淡化技术的优势及其重要性 1 .海水淡化技术的优势 根据海水淡化技术的特点、规模以及世界各国的应用情况，利用它解决淡水资 源短缺问题较水资源调拨方案有其独到之处。 ( 1 ) 可根据各地区的经济发展及其对淡水资源的需求，合理选择海水淡化厂 的建设规模及布局。 ( 2 ) 利用海水淡化技术的供水能力对特定地区、特定城市、特定行业以及生 活饮用有更大的适用性。 ( 3 ) 其供水保证率及供水水质不受地理位置、环境状态、气候条件以及社会 等因素的影响。 ( 4 ) 海水淡化生产的淡水水质优良，经简单处理后即可供人们直接饮用，不 仅对人体健康十分有益，这也将节约相当数量的能源，亦能起到减小环境 污染的作用。 ( 5 ) 另外，浓盐水综合利用生产各种化工及人民生活必需的副产品，以及低 品位热能利用于海水淡化如热电联产造水等可降低淡水成本，因此可以 产 生较好的综合经济效益【 2 1 2 .海水淡化的重要性 水的问题可以作为一项工业进行开发和运作，可以称为“ 水工业” ，因为水资源 的保护、利用、开发和污水排放及其治理等每一项都是关系到国计民生和经济可持 续发展的重要问题。 普遍认为海水淡化是2 1 世纪中国解决沿海地区淡水资源短缺问题的重要措施之 一，也是一种必然的选择。尽管各种海水淡化技术均己 趋于成熟，但国内海水淡化 技术产业化开发尚处于起步阶段，急需政府有关部门、企事业单位的关注和支持， 其装备的产业化开发是当务之急。 一个新兴的产业的形成是需要一个过程的，为加强海水淡化技术产业化开发进 程，应积极建立示范性工业应用基地，因为，建立示范性工业应用基地是占领这一 新兴产业的重要步骤，可积累大量技术、运行、管理、科研开发等经验和业绩，同 时可以培养一大批专业技术人才，这是非常重要的。 华北电力大学( 北京) 硕士论文第3 页共4 7 页 1 2 海水淡化技术介绍及发展的现状 一、海水淡化技术现状 国际上海水淡化技术已经成熟，海水淡化技术应用已十分普遍。截止到2 0 0 1 年 1 2 月3 1 日，全世界1 0 0 m 3 d 及以上海水淡化装置总计15 ，2 2 3 台，总产水能力 3 2 ，4 0 0 ，0 0 0 m 3 d 。从1 9 9 5 年至2 0 0 1 年的6 年间，装置台数的年均增长率5 5 ， 装置容量的年均增长率8 1 。河北沧州沧东发电有限公司引进法国s i d e m 公司2 1 0 ，0 0 0 m 3 d 低温多效m e d 装置项目合同已于2 0 0 3 年9 月签署。 在国内，海水淡化技术的应用取得了实质性进展，已有十数台5 0 0 吨日及以上 反渗透装置在大连长海县、山东荣城和浙江舟山、嵊泗等地相继投运，取得了宝贵 的实践经验。在蒸馏脱盐方面，天津大港发电厂引进美国的3 0 0 0 u d 多级闪蒸海水 淡化装置本体大修己圆满完成，技术指标达到原设计值。山东青岛黄岛发电厂 3 0 0 0 u d 低温多效海水淡化装置正在建设之中。在低温多效海水淡化技术研究方面也 有不小的进展，已初步掌握了多效蒸馏海水淡化的关键技术。尽管如此，国内在海 水淡化技术的理论与实践上还存在不少的问题。 常用淡化技术虽然有很多，但现在发展最快，最有前景的方法有反渗透和蒸馏 法，现重点分别介绍如下。 二、反渗透技术 1 反渗透( r o ) 技术原理 如图1 1 a 和图i i b 所示，当使用只允许溶剂( 水) 透过，不允许溶质( 盐类) 透过 的半透膜，使海水和纯水，或两种不同浓度的溶液分隔开时，纯水便通过半透膜扩 散到海水一侧，或溶剂从低浓度溶液一侧扩散到高浓度溶液一侧，结果使海水或浓 溶液一侧的水位逐渐升高，直至达到一定高度为止。这便是众所周知的渗透过程。 图1 1反渗透原理图 由于纯水的渗透使海水一侧的液面逐渐升高，即在海水一侧的水柱静压不断增 大，如同外界对其做功，故海水相中水的化学势逐渐提高，纯水的渗透逐渐减少。 当静压增加至使海水相中水的化学势与纯水相中水的化学势相等时，纯水向海水的 华北电力大学( 北京) 硕士论文 第4 页共4 7 页 _一一 单向渗透便停止，渗透达到动态平衡。人们将海水一侧高出的水柱静压称为渗透压 ，如图1 1 b 所示。 渗透是自发过程，反渗透则是非自发过程。为实现反渗透，外界必须给予推动 力，当使用高于渗透压的压力p 作用于海水一侧时，便可迫使海水中的水渗透过程 逆转，实现反渗透过程( 如图1 1 c ) 。 2 反渗透膜的种类 完整的反渗透系统，由预处理、反渗透和后处理三部分组成。反渗透膜被称为 反渗透过程的心脏，反渗透膜是一种用特殊材料和加工方法制成的，具有半透性能 的薄膜。它能够在外加压力作用下使水溶液中的某些组分选择性透过，从而达到淡 化、净化或浓缩分离的目的。 用作反渗透膜材料的高分子或其它物质达几百种，根据反渗透膜的材质或膜的 工艺以及其它因素，大致归纳成以下四类。 1 ) 非对称反渗透膜 非对称反渗透膜的结构特征是二层结构，上面一层叫做致密脱盐层，下面一层 叫做多孔支撑层。真正起脱盐作用的是致密脱盐层最上面的厚约0 1 至0 2 微米的 一部分，叫活化层。 2 ) 复合反渗透膜 活化层与支撑层分开形成而制得复合膜。复合膜具有比非对称膜更大的透水量、 更高的脱盐率和更小的流量衰减系数。它的出现大大降低了反渗透的操作压力，延 长了膜的寿命，提高了反渗透的经济效益。在反渗透海水淡化市场上占主导地位。 3 ) 动力成膜 动力成膜是将含有胶体状氧化物和水溶性高分子溶液在加压下通过多孔性表 面( 如陶瓷等，孔径0 ，2 5 l 微米) 生成一层荷电半透膜。 动力形成膜的特点是透水量特别大( 可达l o o g f d ) ，耐药品性和耐细菌性均强， 容易再生。其弱点是脱盐率稍低以及由于透水量特别大，极易引起浓差极化。至今 在国内外尚不具备商品生产条件。 4 ) 荷电型反渗透膜 以物理化学性质稳定的合成高分子为基材，在其主链或侧链上通过化学反应， 单独或同时引入带碱性或酸性的活化基团，使之成为离子选择透过性膜或荷电型反 渗透膜，以进一步提高膜的性能，这是目前反渗透研究的一个主要方面。荷电型反 渗透膜具有以下二个特点： ( 1 ) 耐酸、耐碱、耐氧化、耐细菌。有较高的耐热性，适用范围较广。 ( 2 ) 对极性低分予物质如低分子醇、醛、酮和芳香族胺等去除性能优于中性膜。 荷电型反渗透膜刚刚走向实用化阶段。目前已开始用于海水和苦咸水淡化，合 成洗涤剂废水处理，电镀和纸浆废水处理，混酸废水处理以及城市污水处理等方面。 华北电力大学( 北京) 硕士论文第5 页共4 7 贞 _ _ _ - _ _ _ _ r _ 一一 三、蒸馏法淡化技术 蒸馏法又称蒸发法，是最早采用的淡化技术。早期主要用于少量蒸馏水的生产 和制糖工业的料液浓缩，近代工业逐渐用于电厂和大型工业锅炉供水。现代的蒸馏 淡化技术，不仅继续用于火力电站和热电企业的联合供水，而且广泛用于海水淡化 制取蒸馏水，在世界范围内形成了一门新兴的技术和产业。 蒸馏法与膜法或冷冻法不同，一经蒸发所得的水就是蒸馏水，水质较高，产品 水的含盐量( 总固溶物) 可以降到5 p p m 以下。另方面，蒸馏法所能处理的原料 水比其它方法广泛。原水古盐量从几百毫克升到几万毫克升都可适应。因此蒸 馏法的应用场台广，虽经历多年其应用和发展仍兴旺不衰。 在原水含盐量处于中低度的情况下蒸馏法的能耗一般高于膜法。但对于海水 或高含盐量的原料水，目前还是蒸馏法最为有利。蒸馏法可以利用低位热能和废热， 具有明显的节能优势。另外蒸馏法的设备简单可靠。故一直受到重视，目前仍是装 置数量和产量最多，单机容量最大的淡化方法。 蒸馏法海水淡化面临的两大问题是设备的腐蚀和海水在传热管上的结垢。为了 克服这两个难题，广泛采用的办法是使用贵重的耐蚀合金和在进料水中加入阻垢分 散剂。由于海水和浓盐水的腐蚀和结垢速度与其蒸发温度密切相关，在海水淡化领 域中除把工作重点投向开发高温阻垢分散剂和廉价的耐蚀台金之外，也把降低海水 的蒸发温度作为解决问题的突破口，这就是近十几年来兴起的低温淡化技术。 燕馏法海水淡化的装置类型较多，主要的有：多级闪蒸海水淡化、多效蒸发海 水淡化和压汽蒸馏海水淡化。下面分别对运三种技术进行介绍： 1 多级闪燕技术( m s f ) 闪蒸原理是将盐水( m a 加热到一 定温度( f o ) 后引入压力低于盐水温度( 。) 所对应的饱和压力的容器( 称为闪蒸室) 内，如图12 所示。盐水突然处于过热 状态，瞬即发生闪急蒸馏f 简称闪蒸) 。 产生的蒸汽通过丝网除沫器除去蒸汽 携带的盐水滴后，进入预热器凝结成 产品淡水，循环盐水流过预热器预热 升温。闪蒸室、丝网除沫器、预热器、 淡水槽等构成一级闪蒸器。多级闪蒸 就是在多个有序排列的闪蒸器内进行 上述过程图1 , 3 为盐水循环式多级闪 图1 2 闪蒸原理 蒸海水淡化系统流程图。 华北电力大学( 北京) 硕士论文 第6 页共4 7 页 图1 3 多级闪蒸海水淡化装置流程图 冷却，补充海水( m s ) 由海水泵送至热排放段预热器，冷却闪蒸产生的二次蒸汽， 自身得到预热。从热排放段出来，一部分排放返回大海，另一部分作为补充海水 m f ，经过化学预处理后注入末级闪蒸器，与部分浓盐水混合成为循环盐水m r ，由 循环盐水泵抽出送至热回收段预热器，逐级冷凝热回收段各级产生的二次蒸汽，并 得到预热。然后经盐水加热器加热至设计顶值温度t 0 后进入闪蒸器逐级闪蒸，产生 的二次蒸汽冷凝即成为产品淡水。各级产生的淡水逐级汇合到第n 级由产品水泵抽 出送至产品水箱。为维持系统盐量平衡，需将末级的部分浓盐水m b 排出系统。 2 多效蒸馏t d e d 技术 卜兰竺苎垫苎垦! 一_ 卜苎堕塑塑坠l 卅 图1 4 水平管降膜蒸馏( h t - m e d ) 过程原理图 图1 4 是h t - m e d 系统的流程图。换热管道水平布置，海水进入排热段冷凝器 预热后，一部分排回大海，另一部分由给水泵，送经预处理后依次进入各效预热器 预热升温，然后进入第一效的顶部，在这里装有均匀布置的喷嘴，海水由此均匀地 华北电力大学( 北京) 硕士论文第7 页共4 7 页 喷洒在水平管束上，同时，管内加热蒸汽凝结放热，蒸发管外盐水，所产生的蒸汽 先进入预热器冷凝一部分，剩余部分进入下一效作为加热蒸汽，而盐水通过喷嘴进 入下一效。管内加热蒸汽冷凝后进入淡水槽，以后各效过程完全相同，直到最后一 效。所产生的蒸汽逐效汇集至排热放段成为成品淡水，浓盐水则排入大海。 海水结垢与腐蚀特性与温度紧密相关，温度愈高，结垢与腐蚀现象愈严重，利 用海水的这一特性，将海水淡化系统的顶值温度减小，不仅可以简化化学预处理系 统的负担，而且可以使用廉价的金属材料。因此出现了低温多效海水淡化技术，即 盐水的最高蒸发温度不高于7 0 的淡化技术。 3 压汽蒸馏海水淡化技术 蒸汽压缩蒸馏原理是蒸发产生的二次蒸汽经离心压缩机压缩，蒸汽温度和压力提高 后，被送入蒸发器管道内凝结放热，加热蒸发管外海水，产生近似等量的二次蒸汽，从 而完成蒸汽压缩蒸馏f m v c ) 过程。 从理论上讲，这种方法在正常运行时不需要外部热源，只是启动时需要辅助热源产 生蒸汽推动过程的进行。因此，这种过程性能系数较高。( m v c ) 过程中，压缩机压比的 大小与蒸发器传热过程的饱和温差成正比。目前，为使能耗最小，传热温差已降到2 2 5 。c ，单位淡水产量的电力消耗降到7 l o k w m 。 图1 5 蒸汽压缩蒸馏脱盐过程原理图 华北电 力大学 ( 北京)硕士论文第 8页 共 4 7页 1 . 3 本文要解决的问题 长期以来，为了降低海水淡化装置的造水成本，海水淡化技术正朝着大容量的 方向发展。这是因为其单位造价相对较低，而诸如阀门及控制系统等辅助设备投资 比重减小的缘故。但是对于其单位能源消耗，则并未因装置的大型化而有根本性的 改善，这与发电机组向高参数、大容量方向发展完全不同。例如，对于蒸馏法海水 淡水，并未因装置容量的增大而有效提高那些决定其能源利用情况的参数，更由于 热电的不等价性，使海水淡化能耗分析存在一些模糊认识。 一般来讲，小型海水淡化装置的能耗、装置的单位造价以及产品淡水成本要高 于大型装置。但是现代分布式电源和燃机热电技术的发展改变了人们对小型装置的 看法，因为小型分布式电源与大型燃煤机组具有几乎一样的发电效率。而其建设周 期低，运行维护量小，系统安全性，安装布置的灵活性等优势非常明显，其发展势 头强劲。为进一步提高能源利用率，一些内燃发电机制造厂已将内燃发电机与热水 型余热锅炉做成了一体，为分布式电源实现热电联产提供了很大的便利;而且燃气 轮机余热回收利用系统也非常成熟。这些因素为小型热电联产海水淡化技术的发展 提供了一个极为有利的条件。在这种情况下，本文拟开展小型热电联产立式竖板降 膜蒸发海水淡化装置的技术经济分析。 目前，无论对于多级闪蒸、还是多效蒸馏等蒸馏法海水淡化技术，其装置换热 器结构几乎毫无例外地采用了列管式换热器型式。这是因为，这种列管式换热器的 设计与制造已相当成熟。由于适合于作为海水淡化装置换热管道的材料规格有限， 通常在( 1 6 - - 3 2 m m 之间。对小型蒸馏海水淡化装置，其设计换热面积小，换热管 道数量就很少，如果装置的设计效数太多，就会出现很多的管接头，同时给其结构 设计与制造带来很大的麻烦，单位制造成本将显著增大。若采用还采取喷淋降膜蒸 馏工艺， 由于喷嘴喷淋所需空间较大， 会造成小型装置的蒸发器结构设计严重失衡口 因此小型多效蒸馏海水淡化装置的效数很少，常州能源设备厂制造的小型列管式多 效蒸馏海水淡化装置就只有2 效。但效数太少，装置的造水比就很低，单位淡水产 量的能耗就很高，淡水成本自然就很高。因此，列管式换热器结构不适合小型多效 蒸馏海水淡化装置。 近年来， 板式换热器发展很快， 在许多领域得到应用。 利用板式换热器的结构 优势， 将小型多效蒸馏海水淡化装置设计成立式竖板结构， 采用一板多效( 甚至全效) 的结构设计、多效串联降膜蒸馏工艺。各效之间采用特殊结构设计的效间分隔组构 件分隔，效间压差由效间节流器维持，可以最大限度地减小效间间距，使这种结构 的小型海水淡化装置结构紧凑，并具有与大型装置相当的热力性能。因此，板式蒸 发器结构是实现海水淡化装置小型化可以采用的结构形式。 而 且 ， 采 用 立 式 结 构 ， 可 以 将 其 外 形 设 计 成 柜 式 结 构 ， 占 地 面 积 小 ， 安 装 方 便 ， 可适用于沿海地区的岛屿、宾馆饭店、洗浴店，小型企业，居民小区等。为解决当地 华北电 力大学 ( 北京) 硕士论文第 9页 共 4 7页 水资源匾乏提供一个新的选择。但是板式换热器结构应用于蒸馏法海水淡化，需要 进行一系列技术经济分析研究和实验研究，为适应这种小型热电联产低温多效立式 竖板降膜蒸馏海水淡化装置的开发，本文拟进行如下研究工作。 1 . 对海水淡化过程的能源消耗进行详细的分析， 横向比较一些实际工程案例的能 源消耗，以澄清在海水淡化能耗分析中存在一些模糊认识。 2 . 推导多效海水蒸馏系统设计的方法与并编制相应的计算程序。 3设计并校核小型海水淡化装置的热力参数，确定主要工程材料，系统方案，并 对所选定的方案进行技术经济评估， 为装置的进一步地设计开发作好前期准备 工作 。 华北电力大学 ( 北京)硕士论文第 1 0页 共 4 7页 第二章海水淡化的能耗分析 2 . 1 蒸馏脱盐过程的常规性能指标 海水淡化过程的能耗问题是论证其技术经济可行性的最重要的指标之一。海水 淡化技术工艺的不同，需消耗不同形式的能量。由于能量之间的不等价性，致使海 水淡化过程的能耗分析方面存在许多模糊的认识。某些厂家籍此混淆视听，故意夸 大其他厂家产品的能耗，以抬高自己的产品，使用户真假莫辨。比如，对于不同加 热蒸汽来源的海水淡化系统，即便造水比指标相等也不能说他们的能耗水平相同。 更重要的是，不能随意定义或使用废热的概念，因为只要还可以被利用的能量，就 不能被称为废热而不计入能耗【 4 1 。 为此， 本章对海水淡化过程的能耗作分析， 首先 确定海水淡化能量的损耗一个相同的基础，在此基础上方可进行比较。 一、 热驱动海水淡化系统的常规性能指标 对于蒸馏法海水淡化装置，传统的热力性能指标通常以单位淡水产量的热耗率 夕 或性能比 ( p e r f o r m a n c e r a t i o ) 来表示。 在一 些文献中， 性能比尸 ; 也称造水比口 q = q h l m d2 . 1 或，p ,. md 1 d h 2 .2 式中，q h 一加热蒸汽放热量，k j / h ; d * 一加热蒸汽量，t / h o 这是基于热力学第一定律的指标，对于不同的蒸馏脱盐技术，单位淡水产量的 热耗率q 或性能比凡有不同的具体形式， 但本质上是等价的。 如果近似认为蒸汽潜 热为r h - 2 4 0 0 k j / k g 的常数，单位热耗率q 与 造水比p , 之间的 关系可以 近似为: q -1 0 0 0 r h / p , = 2 .4 x l o 1 p , 2 .3 而单位淡水产量的 佣耗率可以 近似表示为: ， _ ， _ 里_ 、 e -r i一 一. 1 1 . 1 n- 、一石千产1 1 人 2 . 4 式中，t q 。 一环境温度，; t h 一加热蒸汽的热力学平均温度，。 从 上 式 可以 看 出 单 位 佣耗 率 6 与 单 位 热 耗 率q 的 关 系 ， 它 揭 示了 能 量 品 位 对 用 能系统的 热力学性能的影响，反映了 用能 过程的实质。在相同单位热耗率q 的情况 下，如果加热蒸汽参数愈高，其单位淡水产量的消耗率ox就愈高，系统的热力性能 就愈差，反之亦然。 华北电力大学 ( 北京)硕士论文第 i i页 共 4 7页 电驱动海水淡化系统的常规性能指标 对于反渗透 r o 、 机械压缩蒸馏 mv c海水淡化系统， 只需消耗一定的电量就可 以实现海水淡化。因此，常用单位淡水产量的电耗率指标评价其海水淡化过程的性 育 旨 。 e c r = w 从均2 . 5 由于能量之间的不等价性， 不同海水淡化工艺过程和系统的常规性能指标之间 不具有可比性，因此，仅利用常规性能指标不利于分析海水淡化过程的能耗。 华北电力大学 ( 北京)硕士论文第 1 2页 共 4 7页 2 . 2 海水淡化的最小分离功 海水淡化的方案很多， 任何方案都要消耗足够的能源才能把海水中的诸组元分 离 开 来。 以 海水为 基准 物， 海水中 的 每一 个纯组 元都 具有 佣。 从佣分 析的 观点， 海 水的 最 小 分 离功等 于组成 海水的 诸 组元 各自 单 独存 在时 佣值之 和， 宋 之平教 授在 其 专著中 节能原理 【 5 对海水淡化的最小分离功进行分析。 海水中 任一纯组元的 摩尔佣为; e i o ( t o ,p o ,x o = 1 ) = - r m t o ln a o i ( t o ,p o ,x o ) 2 .6 式中 ， x i o 一组元.l 的 摩尔分 数; a oj 一组元j 的活度。 如果 海 水中 组 元.1 的 摩尔分数为x i ， 则分 离每 摩尔的 海水 所需的 最小分离 功为: w m i n 二 一 r m t o e l n a o j 2 .7 海水组元数较多，为了简便，设每公斤海水中含氯化钠( n a c i ) 2 7 g ,氯化镁 ( m g c 1 2 ) 5 . 1 9 ，其余为纯水，海水温度为2 5 c ，通过计算分析，分离每吨海水所需 的理论最小分离功为2 .2 6 k wh / t a 有关最小分离功的详细计算参见文献 5 。 华北电力大学 ( 北京)硕士论文第 1 3页 共 4 7页 2 . 3 海水淡化的热效率问题 对于蒸馏脱盐装置，散热损失会减小装置的淡水产量，通常的热效率无法描述 蒸馏脱盐过程的实际情况，更由于海水淡化的产品淡水形式与输入能量形式完全不 同，也无法计算海水淡化过程的热效率指标。 如果我们要“ 强行” 计算脱盐过程的热效率， 则可以根据蒸馏脱盐过程的原理， 考察蒸汽潜热重复多次利用和梯级利用的情况。 一、锅炉或低温核反应堆海水淡化系统的热效率 假定蒸汽平均汽化潜热为2 4 0 0 k j / k g , 输入的蒸汽热能直接来自 热效率为n b 的 锅炉或低温核反应堆， 盐水加热器热效率为 77 n , 蒸馏脱盐的一次能源效率指数可以 定义为蒸发m d 淡水的总潜热与所需加热蒸汽的一次能源总热量之比。 刀d 2 4 0 0 m, 2 4 0 0 m, 1 p , l b i l =p r .刀 占 .n n 式2 .4 中 没有计及锅炉或 低温核反应堆及脱盐装置的 泵功叽消 耗， 如果计及泵 功消耗，其一次能源效率指数要低一些: 刀d 2 4 0 0 m, 2 4 0 0 m, 1 2 . 9 p , 式中，q fs 一标准煤低位热值; 7 b i 嚷i !豹夔l 小刻nl! l剔 i剔戮 4 6 = 8 5 %造水比p r卜 图2 . 1 蒸馏脱盐过程的热效率( 未计泵功) 华北电 力大学 ( 北京)硕士论文第 1 4页 共 4 7页 正因为热能的重复利用和梯级利用，蒸馏脱盐装置的造水比p ， 通常达到 1 0 及 以上。 并且随着造水比的提高， 脱盐过程的一次能源效率指数将逐步提高， 如图2 . 1 所示。当然这己不是传统意义上的热效率，只是表征能源利用效率的指数。它真实 地反映了蒸汽潜热重复利用和梯级利用带来的客观效果，其数值完全可以大于 1 0 0 %. 从实际情况看， 尽管锅炉或低温核反应堆海水淡化系统的多次蒸馏可以达到很 高的一次能源效率指数，但由于过去脱盐装置的造水比通常不是很高，因此，其能 耗及其造水成本太高，在 7 0年代能源危机的压力下，逐步被市场淘汰了。这是因 为还有更高效率的脱盐过程， 如热电联产海水淡化、 反渗透、 压气蒸馏脱盐过程等。 但是从上述分析不难看出， 如果大幅度提高造水比p , ， 锅炉或低温核反应堆海 水淡化系统在能源消耗上，与其他海水淡化系统相比，不一定处于劣势。 二、 电驱动海水淡化系统的热效率 祥- -z沪 e c r - 4 k w ttt 、 、 “丫州 . - . e c r - 1 3 k w / / / / / / / / / 护 . 护 洲 洲 尸 尸 户 r 口 尸产户r 口口 . . . . .-.-. - . .-. . . 二 90oo800070006oo05000400030002000i00q %召夸 。 k w h / k g l 图2 .2电动脱盐过程的热效率 对于容量为m d ( t l h ) 的电驱动海水淡化系统， 假定其消耗的电量w ( k w) 来自 供电 煤耗 率 为b e s i ( k g / k w h ) 的电 网n 3 0 0 m w主 力机 组， 则 其热效率可以 近似表示为: 刀d e - 2 4 0 01 0 0 0 峡 2 9 3 0 7 .6 呱. w 8 1 . 9 b 2 . 1 0 华北电力大学 ( 北京)硕士论文第 i s页 共 4 7页 对于不同电耗率的海水淡化系统，其热效率如图2 .2 所示。 三、热电联产海水淡化系统的热效率 对于热电联产系统，可以根据其抽汽参数和流量计算出其当量电量消耗 e e c r h , ( 参见后文) ，然后再参照电驱动海水淡化系统计算其热效率。 : * 一 2 4 0 0 四0 0 ,丛 1 2 9 3 0 7 . 6 b ,5 - e e c r , 8 1 . 9 气 e e c r h , 对于不同抽汽参数的热电联产海水淡化系统，其热效率如图2 . 3 所示。 2. 1 1 “ 一0 8 ， - - 奋 - - p r - 8 tp r- 1 0- - p r- ! 5 、 卜、 、 “，性 、 、 泛 之 叭 勺 肠 ， 、 . . 一一. 绷姗姗绷姗500 %七卿 7 5 p b a r 图2 . 3热电联产脱盐过程的热效率( 未计泵功) 值得注意的是，图2 . 3 是针对国产2 0 0 mw机组在理想抽汽( 抽汽压力正好海水 淡化系统要求的参数相匹配) 情况下， 不计系统泵功消耗时的热电联产海水淡化过程 的热效率。如果抽汽参数匹配不好，热电联产机组参数低，其热效率要远远低于图 2 . 3 所示的数据。参见表 2 . 1 0 华北电力大学 ( 北京)硕士论文第 1 6页 共 4 7页 2 . 4 海水淡化过程的单位淡水产量的电耗率 一、电驱动海水淡化系统的电耗率 反渗透和机械压缩蒸馏等海水淡化系统只需要消耗一定的电量就可以实现海 水淡化，因此其热力性能的评价可以用电耗率指标，如式 2 . 5 所示。目 前反渗透海 水淡化系统的电耗率 e c r己达到 3 . 9 k wh / t 的水平，如表 2 . 1 所示。从数值上讲似乎 己 接近海水淡化的理论最低电 耗率( 2 .2 6 k w h / t ) ， 但是反渗透的 产品水还不是纯水， 还含约有3 0 0 m g / 1 及以上的固体物质，因此，对其电耗水平要有正确的认识。 机械压缩蒸馏脱盐的电耗率。 c ， 在7 -1 3 之间，比反渗透要高不少，但其淡水 纯度远高于反渗透，因此仅比较电耗率是不合适的。而且，反渗透膜的产水率受海 水温度的影响非常大，海水温度降低，淡水产量减小。要保证反渗透装置在冬季低 温条件下仍能达到额定出力，必须设置海水加热装置，这将大大增加其能源消耗。 实际运行中，由于海水杂质的影响，反渗透压力要增大，使单位电耗率增大，同时 还使产品水水质降低，而且，膜的反清洗也需消耗一定电量。因此，反渗透装置实 际运行电耗率要大于表2 . 1 所示的数值。 二、热电联产海水淡化系统的电耗率 多级闪蒸和多效蒸馏脱盐系统主要消耗的是热能， 还需要少量电能以维持系统 运行。由于热、电的不等价性以及热能可能来自 火电厂汽轮机的低压抽汽、燃气轮 机与内燃机余热、低温核反应堆或锅炉等不同的能量系统，使常规性能评价指标之 间缺乏不可比性。 为了 解决这一问 题， 并与电 驱动脱盐系统进行比 较， 文献 6 提出 并建立了以电量为基准的统一的性能评价指标体系，它将脱盐系统所消耗的热能按 实际技术水平折算等价的电量 ( 当量电耗量) ，以单位淡水产量的 ( 当量)电耗率 指标进行性能评价。 对于热电联产海水淡化，其当量电量消耗可以用下式计算: e e c r h , = d h ( h - h , ) tj , r/ 8 / 3 6 0 0+ 叽2 . 1 2 式中， d h 一机组供热蒸汽量, k g / h ; h - - *汽焙， k j / k g ; h e -fi r 汽焙， k j / k g ; 77 m 一为机组机械效率，%; l7 g 一电 机效率， % : 叽一海水淡化系统的 泵功消耗， k w . 因此，热电联产海水淡化的当量电耗率。 e c r h 为: e e c r h , e e c r h , l md 2 . 1 3 与图2 .3的计算相对应，热电联产海水淡化系统的当量电耗率如图2 .4 所示。 华北电力大学 ( 北京)硕士论文第 1 7页 共 4 7页 $ . 卜 -令-一p r - 8 t p r - 1 0 一 一p r - 1 5 闷 口 一沪 /尸 二y 口 口 口 口. r 一 “ 一 . 一峨 上， 套%l2 1 . 7 5 p b a r 图2 . 4热电联产脱盐过程的。 e c r d ( 未计泵功) 三、锅炉或低温核反应堆海水淡化系统的电耗率 对于锅炉或低温核反 应堆海水淡化系统， 根据文献 6 7 ， 把其一次能 源消耗量( b h b ) 送入电网主力机组发电，将所发电量视为海水淡化系统的当量电耗量: e e c r h一 鲁 、 翔2 4 0 0 m , 君 冷 合刁 n_34 .1 x 16r. “ 一+ w p 2 . 1 4 式 中 ， 嗯一 主 力 机 组 供 电 煤 耗 率 ， k g /k w h o 如果忽略流程泵功，则锅炉或低温核反应堆海水淡化系统的当量电 耗率 。 e c r d b 可以表示为: = e e c r ,e = m, 6 6 6. 7 万 石 丁 万 万 ale, le ri n 2 . 1 5 式中，呱一机组的 供电 效率， % 。 从上式可以看出，大幅度提高锅炉或低温核反应堆海水淡化系统的造水比，可 有效降低其当量电耗率，完全可以具有竞争能力。参见表2 . 1 的计算结果。 四、典型脱盐装置及其系统的主要性能指标及评价 本文以典型厂家的海水淡化装置及其能源消耗情况进行了计算，结果参见表 2 . 1 。 从 表中不 难看出， 造水比 的高 低不 足以 评价蒸馏脱盐过程的 热力性能 只有( 当 量) 电耗率才是合适的衡量其性能高低的性能指标。m v c脱盐技术也被称为热泵式 海水淡化，其电耗率明显低于热电联产海水淡化系统，这主要是因为 mv c装置消 耗的电能一般来自电网，其价格 平均 。 . 5元/ k wh ) 远高于热电联产海水淡化系统所 华北电 力大学 ( 北京) 硕士论文第 1 8页 共 4 7页 消耗的当量电量所应分摊的发电成本( 4 - 0 .2元/ k wh ) ，致使其设计传热温差( 设计压 比 ) 低于热电联产海水淡化的缘故。 显然， 造成热电联产海水淡化系统电耗率较高的 原因是其能源费用比较低造成的，其性能指标还有比较大的提升空间。 另外，需要说明的是 t v c热喷射压缩的节能问题。实际上，t v c压缩效率非 常低， 之所以采用 t v c压缩方式， 是因为电厂机组抽汽压力很难正好与海水淡化系 统所需的要求相匹配，往往远远高于海水淡化装置的要求，又没有别的更好的办法 解决， 只好选用 t v c热喷射压缩器利用抽汽富裕压头， 将蒸发器产生的二次蒸汽引 射压缩至第一效共同作为加热蒸汽使用，以减小抽汽量，这在一定程度上可以起到 节能作用， 但非常有限。 如表2 . 1 所示的方案4 ， 采用0 . 4 3 4 mp a 压力的抽汽配t v c 热喷射压缩器的供汽方式，即便海水淡化系统采用了 1 5效蒸发器的系统设计，其 电耗率仍比正好匹配的方案 3 高很多。 河北沧州沧东发电 有限 公司引进法国s i d e m公司的2 x i 0 , 0 0 0 m 3 / d 低温多效海 水淡化装置更是如此，尽管它也采用热电联产方式，但其抽汽压力为 0 . 5 5 0 . 6 5 m p a ，为6 0 0 m w机组的第四段抽汽，为减少抽汽量，采用了t v c压缩节能方 式。由于海水淡化系统仅采用4 效设计，计算其当量电耗率仍高达2 4 . 3 k wh( 未考 虑其循环泵功消耗) 。之所以这样，是因为业主提供的蒸汽价格偏低，按其抽汽具 有的发电价值计算的蒸汽成本约为4 0 元/ t ， 而业主报价却只有 1 5 元/ t . 燃料费用低， 则商家设计的me d系统的热力学完善性就差， 蒸发器只有4 效， 明显比一般的me d 系统少， 这样制造费用可以大大降低【 7 1 。 以色列i d e公司的同类产品， 采用7 效蒸 发器，当量电耗率有所提高，但提高幅度也非常有限。 从能源梯级利用的角度，多级闪蒸的当量电耗率完全可以与多效蒸馏持平。由 于方案 7 , 8所示的多级闪蒸系统使用的抽汽压力偏高，采用减温减压节流方式为 系统供汽， 与方案3 , 4 相比， 其当量电耗率偏高， 但大大低于方案 5 , 6 的t v c - m e d 系统。因此，供给海水淡化系统的抽汽压力是非常重要的参数，应慎重选择。另外， 多级闪蒸系统的流程泵功消耗明显高于多效蒸馏系统，占很大的比重，是其总能耗 高的一个重要原因。 但ms f 系统对原海水水质的适应能力远远高于其他海水淡化方 法 “ ，这是m s f 系统的主要优势。 清华大学拟定的核能海水淡化系统的 基本参数选择: 2 0 0 m w 低温核反应堆可 供应2 . 3 3 b a r 饱和蒸汽3 3 0 t / h ，设计海水淡化装置的容量为2 x 8 0 , 0 0 0 m 3 / d 淡水。海 水淡化系 统的 盐水顶值温度1 2 0 0c ; 设计海水温度3 0 0c ; 设计海水浓度3 5 0 0 0 m g / l ; 设计浓缩率为 2 ;设计造水比高达 2 1 。若以电网n 3 0 0 mw 为主力机组，则其当量 电 耗率只有约为1 5 . 5 k wh / t ，优于许多参数匹配不好的热电联产海水淡化系统【 “ 。 从上述分析看，只有利用( 当 量) 电 耗率指标， 才能合理地评价海水淡化过程的 能耗。而且在论证与评价海水淡化系统方案时，除了能耗之外，还需要考虑其产品 淡水水质和对海水的适应性。 娜.。 。编溅滚影书驹自山芝提 .缤攀国隽蛆擎.p水国津恤缤卑映霭维每瞥簇口淤卜旺.。胃目傲日口闺芝钾只国蜓掇.q解裸曰隅纂骥神创:坦 姗 o 公 口 国 芝 . z 化 国 0 o o c o ommn on舀nw) 称 0ce 卜 3 w 。 u d o 甲 o rv mm 飞 w 礼 画 0 o m om . 了， n o 日 鑫 nv圣 不 w 0 u 的 w o 0 0 m n0 臼 姿 n n 飞 国 艺 o 自 一 层 w 自 卜 州 口 o c ( ) c 甲 目叫 勺 v 二 ，mm m m 犷 r v 认 w 芝 o 自 曰 国 日 心 二 o o c 尸 州 卜 v ) 巴 d 00 n i n v w 艺 6 自 曰 w 日 c二 . 了1 r ， ， 曳 了 口 寸 r 灼 寸 . c o 三w)w) q 1 口 认 o w 芝 w 日 c 0 二 n 刃 n 口 n o c ，00 w竺b 仁 口 荟 w 日 0 甲 0 n 巨 次 . 豢 夏 10a 这呈 泊 3