（热能工程专业论文）基于凝汽式机组的水电联产系统热经济性分析.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 目前大型火电厂的淡水消耗量很大，以3 0 0 m w 的火力发电厂为例，其淡水需求量 相当可观，在采用海水冷却凝汽器和海水冲灰的节水措施情况下，全厂锅炉补充水等仍 需淡水量3 0 0 0 吨日左右：因此，解决沿海火电厂自身用水问题对缓解当地淡水资源紧 张状况显然具有相当大的意义。低温多效蒸发海水淡化水电联产的应运而生不但解决了 淡水需求和水质问题，还大大利用了电厂的冷源损失，提高了能源利用率。本文就三种 不同连接方式的联产系统进行了相关热力性能分析和经济性分析。 本文在基于质量和能量平衡的基础上，分别针对三种联产系统即基于凝汽式机组低 真空运行下的水电联产，水热电三联产系统和带t v c 的水电联产的物理模型建立了相 应的数学模型，其中包括低温多效蒸发海水淡化系统数学模型，电厂热力系统数学模型， 汽轮机变工况计算数学模型和带t v c 的水电联产数学模型：同时本文还建立了制水成 本的经济性计算模型。以上数学模型的建立和求解均在m a t l a b 工作环境下完成。 利用基于凝汽式机组低真空运行的水电联产数学模型求解结果，可以得出结论：低 真空运行排汽温度为7 0 时汽轮机的排汽量比原工况增加了8 0 9 ，发电标准煤耗增加 了9 9 5 ，全厂能源利用率由原来的3 8 8 1 上升到8 0 9 8 ：当排汽温度为7 0 ，效数 为l l 时，制水成本最低可以达到4 6 7 元吨，造水规模可以达到11 7 3 1 0 t d 。 在排汽温度为7 0 时，利用水热电三联产系统的数学模型求解结果，可以得出结论： 全年制水成本最低点对应的效数随热负荷的增加而减小，而且随着供热热负荷的增加， 全年制水成本随效数的变化越来越明显。当供暖热负荷q = 1 8 0 g j 时，制水成本大幅降 低，当效数为5 效时制水成本为3 6 7 元吨，造水规模可以达到5 5 3 8 9 t d 。 利用带t v c 的水电联产数学模型以及汽轮机变工况计算数学模型的求解结果，可 以得出结论：在固定动力蒸汽抽汽口位置为5 号而改变引射蒸汽位置时，以制水成本为 评价水电联产系统的主要指标，2 + 4 的引射蒸汽位置为该水电联产系统的最佳位置，而 且电负荷的提高有益于制水成本的降低；在固定引射蒸汽位置为2 + 4 时而改变动力蒸汽 抽汽口位置时，以制水成本为评价水电联产的综合指标，6 号抽汽口位置为该水电联产 系统的最佳位置。而且改变引动力蒸汽抽汽口位置对制水成本的影响要比改变引射蒸汽 位置的影响大。 关键词：海水淡化；水电联产；凝汽式机组；低真空；蒸汽喷射器 基于凝汽式机组的水电联产系统热经济性分析 t h e r m o e c o n o m i ca n a l y s i so fw a t e ra n dp o w e r c o g e n e r a t i o ns y s t e m a b s t r a c t a tp r e s e n tw a t e rc o n s u m p t i o ni nl a r g e s c a l ep o w e rp l a n t si sm o r ea n dm o r el a r g e a sf o r a3 0 0 m wp o w e rp l a n t , i t s 雠s hw a t e rd e m a n di sc o n s i d e r a b l ea tt h ea m o u n to f3 ，0 0 0t o n so f f r e s hw a t e rp e rd a yo rs o t h e r e f o r e ，s o l v i n gt h ew a t e rp r o b l e mo fc o a s t a lp o w e rp l a n t so w n l o c a lf r e s hw a t e rr 鼯o u r c e st oa l l e v i a t et h et e n s i o ni sd e a r l yo fc o n s i d e r a b l es i g n i f i c a n c e l o w - t e m p e r a t u r em u l t i - e f f e c td e s a l i n a t i o nw a t e ra n dp o w e rc o g e n e r a t i o nh a v ee m e r g e dn o t o n l ys o l v i n gt h ef r e s hw a t e rd e m a n da n dw a t e rq u a l i t yp r o b l e m s ，b u ta l s ob e i n go fa s i g n i f i c a n ta d v a n t a g eo ft h ep o w e rp l a n tc o o l i n gs o u r c el o s sa n di n c r e a s i n ge n e r g ye f f i c i e n c y i nt h i s p a p e r , 弱f o rt h e t h r e ed i f f e r e n t w a y s o fc o g e n e r a t i o ns y s t e mt h er e l a t e d t h e r m o d y n a m i cp e r f o r m a n c ea n a l y s i sa n de c o n o m i ca n a l y s i sa r em a d e o nt h eb a s i so fb a l a n c eo fm a s sa n de n e r g y , t h em a t h e m a t i c a lm o d e l sa r ee s t a b l i s h e d a c c o r d i n gt o t h ep h y s i c a lm o d e l so ft h ec o g e n e r a t i o ns ) ，s t e m ，i n c l u d i n gt h em a t h e m a t i c a l m o d e lo fm e d s y s t e m ，t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h e r m o d y n a m i cs y s t e mo fp o w e rp l a n t , t h e m a t h e m a t i c a lm o d e lo fs t e a mt u r b i n eu n d e ro f f - d e s i g no p e r a t i o na n dt h ec o g e n e r a t i o ns y s t e m 埘也t v c f u r t h e r m o r e ，t h et h e r m o e c o n o m i cm o d e lo fc o g e n e r a t i o ns y s t e mi se s t a b l i s h e dt o b r i n go u tt h et h e r m o e c o n o m i ca n a l y s i s a l lt h ee s t a b l i s h m e n ta n ds o l v i n go f t h em o d e l si s a c c o m p l i s h e du s i n gt h et o o lo fm a t l a b a c c o r d i n gt or e s u l t so fc o g e n e r a t i o ns y s t e mu n d e rl o w - v a c u u m ，i ti sc o n c l u d e dt h a tt h e f l o wq u a n t i t yo fe x h a u s ts t e a mi s8 0 9 m o r et h a nt h a to fd e s i g nc o n d i t i o nw h e nt h e t e m p e r a t u r eo ft h ee x h a u s ts t e a mi s7 0 ；t h es t a n d a r dc o a lc o n s u m p t i o nr a t eo fe l e c t r i c i t y g e n e r a t i o ni s9 9 5 m o r et h a nt h a to fd e s i g nc o n d i t i o nw h e nt h et e m p e r a t u r eo f t h ee x h a u s t s t e a mi s7 0 ；t h et o t a le n e r g ye 伍c i e n c yi si n c r e a s e df r o m3 8 8 1 t o8 0 9 8 i ti sc o n c l u d e d t h a tt h ea n n u a lw a t e rc o s to fc o g e n e r a t i o ns y s t e mu n d e rl o w v a c l l u mi s4 6 7 ￥ta n dt h ew a t e r p r o d u c t i o ni s1 17 310 t dw h e nt h en u m b e ro fe v a p o r a t o r si ss e v e n a c c o r d i n gt or e s u l t so fw a t e r , t h e r m a la n dp o w e rt r i p l ec o g e n e r a t i o ns y s t e mu n d e r l o w - v a c u u m , i ti sc o n c l u d e dt h a tt h el o w e s tp o i n to ft h ea n n u a lw a t e rc o s td e c r e a s e sa st h e h e a t i n gl o a di n c r e a s e s f u r t h e r m o r et h ee f f e c to ft h ec h a n g eo ft h eh e a t i n gl o a di sm o r e o b v i o u sa st h eh e a t i n gl o a di n c r e a s e s v l l e l lt h eh e a t i n gl o a di s18 0 g ja n dt h ee f f e c tn u m b e r i sf i v et h ea n n u a lw a t e rc o s ti s3 6 7 ￥ta n dt h ew a t e rp r o d u c t i o ni s5 5 3 8 9 t d a c c o r d i n gt or e s u l t so fc o g e n e r a t i o ns y s t e mw i t ht v c u n d e ro f f - d e s i g no p e r a t i o nw h i c h m e a n st h ee l e c t r i c i t y1 0 a di su n d e ro f f - d e s i g n , i ti sc o n c l u d e dt h a ta s s u m i n gt h et c l t a la n n u a l c o s to ff l e s hw a t e ri sc o n s i d e r e da st h em a i ni n d i c a t o ro ft h ec o g e n e r a t i o ns y s t e m ，t h e i i 大连理工大学硕士学位论文 i n j e c t i o np o s i t i o no f2 + 4i st h eo p t i m u mp o s i t i o nw h e nt h ee x t r a c t i o np o s i t i o ni sn o 5 a l s o t h ei n c r e a s eo ft h ee l e c t r i c i t yl o a di sg o o df o rr e d u c i n gt h ec o s t ；a s s u m i n gt h et o t a la n n u a l c o s to ff r e s hw a t e ri sc o n s i d e r e da st h em a i ni n d i c a t o ro ft h ec o g e n e r a t i o ns y s t e m ，t h e e x t r a c t i o np o s i t i o no fn o 6i st h eo p t i m u mp o s i t i o nw h e nt 1 1 ei n j e c t i o np o s i t i o ni s 2 + 4 f u r t h e r m o r et h et o t a la n n u a lc o s ti sm o r es e n s i b l ef o rt h ec h a n g eo ft h ee x t r a c t i o n p o s i t i o nt h a nt h a to ft h ei n j e c t i o np o s i t i o n k e yw o r d s ：d e s a l i n a t i o n ；c o g e n e r a t i o mc o n d e n s i n gp o w e rp l a n t ；l o w - v a c u u m ；t v c i i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均己在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名： 垃画期：掣， 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定 ，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作善签名赴壹 导师签名： 年笾月丛日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 海水淡化的研究背景及意义 在2 0 0 4 年的海水淡化与利用技术国际研讨会( 中国天津) 上，国际脱盐协会技术委 员会主席里昂阿维尔布奇提出：海水淡化是从淡水危机和水污染困境下实现新水源生 产的唯一希望。鉴于人类的7 0 居住在距大海不到1 2 0 公里的地方，故将浩瀚的大海作 为获取淡水的来源。海水淡化作为现有水源的有利补充措施，在一定条件下可满足人们 生活用水需求。同时，经过几十年的研究，今天无论就技术和经济来说，已可大规模地 把海水变为淡水。我国被列为海洋大国，在沿海和中西部地区拥有极为丰富的地下苦咸 水资源。随着淡水资源的短缺，地下取水和跨区域调水受到越来越多的条件的限制，而 开发和利用海水、苦咸水资源，进行海水、苦咸水淡化，则成为我国解决淡水紧缺的一 条有效的重要战略途径。 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 缺问题有其独到之处： ( 1 ) 海水淡化( 包括苦咸水淡化) 可据所需水质和水量要求为所需地区连续地提供淡 水，为缺水地区( 我国沿海地区、北方和西北地区) 人民生活、经济发展和生态维持提供 淡水保证。 ( 2 ) 海水淡化可去除水中危害人体健康成分，提高人民生活质量。 ( 3 ) 海水淡化可向海岛和船供水，利于海防建设和提高续航力，保证国家安全。 ( 4 ) 海水淡化是极具有发展潜力的新兴产业，能形成新增长点，促进经济更大的 发展；我国海水淡化产业的快速发展，可使我国在该技术的竞争中占据有利位置。 ( 5 ) 海水淡化技术也是一种共性技术，它的延伸在电子、电力、生物工程、医药 ( 疗) 、化工和环保等领域也发挥了重大作用，促进了这些领域的技术革新和进步，实 现协调、可持续的发展。 ( 6 ) 海水淡化可实行清洁生产，并对污水等进行深度处理，使之资源化，从而获 取显著的经济、社会和生态效益的回报。 ( 7 ) 海水淡化技术可综合利用低品位热和余电，也可考虑与制盐结合，使能量和 资源更合理利用，使水、电、热和盐的综合成本进一步降低。 随着日益严重的水资源短缺和常规供水处理费用的提高，随着经济的迅速发展和人 民生活水平的不断提高，随着海水淡化技术的进步和发展，海水淡化已经成为解决海岛 居民生活用水的第一水源，即将成为调水困难的沿海城市的重要补充水源和应急水源， 基于凝汽式机组的水电联产系统热经济性分析 也将成为解决水资源危机各项措施的有效补充。其在水资源领域中的作用会越来越大， 地位会变得越来越重要，前景十分广阔。 1 2 海水淡化的发展情况 进入2 0 世纪后，海水淡化技术随着水资源危机的加剧得到了快速发展，联合国关 于非常规水源的研究报告指出，从1 9 5 0 1 9 8 5 年的3 5 年间，海水淡化的发展经历了三 个阶段，即发现阶段，开发阶段和商业化阶段。在这期间研究开发的精力主要集中在蒸 馏、冷冻、电渗析和反渗透。7 0 年代以来，更多的沿海国家由于水资源匮乏而加快了海 水淡化的产业化。沙特、以色列等中东国家7 0 的淡水资源来自海水( 或苦咸水) 淡化。 一些经济发达国家还设立了专门机构从事海水淡化技术的研究开发和应用工作，如美国 的水研究技术局、日本的造水促进中心、以色列淡化工程公司等。韩国从2 0 世纪8 0 年 代起步，很快就成为海水淡化设备的出口国。目前世界海水淡化的主要市场在中东地区。 世界上最大的蒸馏法海水淡化厂位于阿拉伯联合酋长国，日产淡化水3 3 1 0 5 吨，由6 台淡化装置并联而成；最大的反渗透海水淡化厂位于j e d d a h 港，日产淡化水1 1 4 1 0 5 吨。位于美国y u m a 的日产淡化水3 8 1 0 5 吨的苦咸水淡化厂是世界最大的苦咸水脱盐 工厂。到1 9 9 8 年，全世界淡化水生产能力达到日产2 3 0 0 万吨，2 0 0 0 年则达到日产2 7 0 0 万吨，平均每年以7 - - 一8 的增长率攀升。如今，全球淡化水日产能力已达到3 0 0 0 多 万吨。从地区分布来讲，虽然淡化水生产能力半数以上都在中东国家( 约占2 0 0 0 年世 界淡化水生产能力的5 4 ) ，但发达国家特别是美、日和欧洲国家也占了很大比重。 我国海水淡化技术的研究起步较早，1 9 6 7 1 9 6 9 年全国组织海水淡化会战，同时开 展电渗析( e d ) 、反渗透( r o ) 和蒸馏等多种海水淡化技术方法的研究。1 9 8 1 年建成 西沙2 0 0 立方米日电渗析海水淡化装置；1 9 9 7 - - 2 0 0 0 年期间，先后建成了5 0 0 立方米 日、1 0 0 0 立方米日反渗透海水淡化装置；2 0 0 3 年，山东荣成日产1 0 0 0 0 吨级反渗透海 水淡化示范工程一期5 0 0 0 立方米日机组建成投产；2 0 0 4 年，低温多效海水淡化示范工 程项目3 0 0 0 立方米日低温多效海水淡化装置在青岛的黄岛电厂建成。2 0 0 7 年，大连理 工大学能源与动力工程学院海洋能源利用与节能教育部重点实验室的沈胜强教授团队 自主研发出国内首例万吨级低温多效海水淡化装置设计方案。经过近4 0 年的研发和示 范，我国海水淡化技术已日趋成熟，为大规模应用打下了良好基础。我国已成为世界上 少数几个掌握海水淡化先进技术的国家之一。近年来，我国在核能海水淡化，以及在引 进、消化和再创新海水淡化先进技术和装备制造等方面做了大量工作。 大连理工大学硕士学位论文 据不完全统计，截至2 0 0 6 年6 月底，我国已建的和在建拟建的海水淡化装置总数 为“套，合计产水能力为1 6 3 万吨，日。己建成投产的1 5 套海水淡化装置，主要分布在 山东、辽宁、浙江、河北和天津等地( 见表1i ) 。 表l1 沿海各省市海水淡化产量及装置数所占比例 t a b i i r a t i oo f d e s a l i n a l i o n d e v i c e s a n d w a t 日p r o d u c t i o na m o n g t h e p r o v i n c e sa l o n g t h e t 13 低温多效蒸发海水淡化技术的研究进展 1 31 国外低温多效蒸发海水淡化技术的研究进展 i3 ii 低温多效蒸发装置装机容量 2 0 世纪8 0 年代以后已有近5 0 0 台该类装置在世界各地运行。主要发展趋势为提高 装置单机造水能力采用廉价材料降低工程造价，提高传热效率等。如图1 1 川所示， 多效蒸发海水浈化装机容量逐步增加，装机容量的增长势头已经赶超了r o ，仅次于 m s f 。这主要是由于在中东地区的严重缺水情况导致大批新建的海水淡化工程涌现，其 中还是以m s f 为主。统计截止到2 0 0 7 年，在目前已统计到的世界范围内的1 3 8 6 9 个海 水淡化工程中，i v i e d 的总装机容量已经占到所有海水淡化装置总装机容量的9 ，如图 1 - 2c 2 1 所示。 i 2i 圈i 8 豳i 豳 l 南一隰， l 忤 豳圈i8_ 耻2 刚：_ l _ 1 9 9 0 上*19 9 01 9 9 519 9 5 9 02 0 0 0 2 0 0 5 f m 图1l 各种海水淡化技术逐年发展情况 f i 9 11a n n u a l d e v e l o p m e n to f t h e v a r i o u sd e s a l i n a t i o n m e h n o l o g l e s 基于凝汽式机组的水电联产系统热经济性分析 图1 2 各种海水演化技术所占比例 f i 9 12 r a t i o o f t h e v a r i o u sd e s a l i n a t i o n t e c h n o l o g i e s 1 9 9 0 1 9 9 5 年间i v i e d 新增产量为4 5 1 0 4 m ，而1 9 9 5 2 0 0 0 年间新增产量达到了 1 48 5 x1 0 4 m 3 d ，2 0 0 0 2 0 0 5 年问新增产量更是达到了2 25 1 0 4 m 3 d ，已经是1 9 9 0 1 9 9 5 年问i v i e d 新增产量的5 倍。同时，与多级闪蒸相比，二者的装机容量差距也在逐渐缩 小，在8 0 年代以前，多级闪蒸占有绝对的优势，二者根本不在同一水平上，相差将近 两个数量级。由于阿拉伯国家与以色列的政治关系，低温多效蒸发技术在开发的初级阶 段投有能够在中东国家应用，而是由s i d e m 公司和w e i r 公司等引入到这些国家，因此 发展速度慢了些。多级闪蒸应用历史悠久，中东国家对其适应和信任度高，目前仍然在 新建多级闪蒸装置。 低温多效蒸发海水淡化技术以其独特的优点而受到越来越多的关注。目前世界上主 要的生产大型多效蒸发海水淡化装置的公司有法国的s i d e m 公司和以色列的d e 公司。 下面以著名的i d e 公司生产的装置来说明低温多效蒸发海水淡化装置的发展趋势。从 1 9 9 6 年到2 0 0 8 年，单机容量已从5 5 0 0 t d 提升到2 4 0 0 0 d d 。 太连理工大学硕士学位论文 3 0 0 0 0 2 5 0 0 0 罩2 0 0 0 0 ： 删1 5 0 0 0 掉 暮1 0 0 0 0 堪 5 0 0 0 0 _ - _ _ _ _ | 1i_ 挚$ 葶擎窜爷带守带守爷蓼 年份 图l3 d e 公司近年来低温多教蒸发装置单机窖量的变化情况 f i g i3 t h er 比e n t v 盯j a t l o no f t h e u n i tc a p a c i t y o f i d e 1 31 2 低温多效蒸发装置性能 性能参数方面，如图14 0 惭示，造水比随效数的增加而增加，当量电耗率随造水比 的增加而降低。m e d 的效数在1 5 以内，而m s f 的级数最大可达3 5 以上。带蒸汽喷射 器( t v c ) 的m e d 装置级数和当量电耗率要比m e d 装置稍低。 y 。 y 人 ， 缪罨 f = _ ! 二= = = ! = ! ! 二二2 i ! ! 二= = = ! 二! ! 图14 当盘电耗率、造水比和级数的变化关系 f i 9 14 t h ev “a f o n o f e e c r | o o ra n de f f e c t n u m b 盯 基于凝汽式机组的水电联产系统热经济性分析 以i d e 公司生产的装置为例来说明低温多效蒸发海水淡化装置的性能参数特点。如 图1 5 ，图1 6 所示，低温多效装置的输入蒸汽压力当装机容量为1 2 0 0 t d 时为1 m p a ， 当装机容量增长到1 9 0 0 0 t d 时已经降低为0 3 m p a 。当量电耗率随着装机容量的增长而 有所下降，当装机容量为1 9 0 0 0 t d 时为1 2 k w h t 。 、 u ，c 章 _ 、_ ， 巢 桀 - r 脚 * 留 _ 冒 一 一曩 。一一，_ 一 图1 - 5i d e 公司的低温多效装置的输入蒸汽压力 f i g 1 5t h ep r e s s u r eo ft h eh e a t i n gs t e a mi ni d ed e v i c e 1 2 0 0 2 0 0 04 7 5 0 5 0 0 01 0 0 0 01 2 0 0 01 7 5 0 01 9 0 0 0 单机容量( t d ) 图1 6i d e 公司的低温多效装置的当量电耗率 f i g 1 6e e c ro f m 哐di ni d e 一圳4 湘州川 胁 - _ ?- _| | | 吲 m 、ll -nt d| | 2 8 6 4 2 l 8 6 4 2 o 大连理工大学硕士学位论文 1 3 1 3 低温多效蒸发装置类型 统计至2 0 0 5 年，在中东、欧洲、美国等地运行的部分典型的多效蒸发海水淡化设 备的装置中根据蒸发器内液料流动方向，管子的排布以及加热蒸汽汽源的不同主要分为 图1 7 中所示几种类型。其中s f 为喷雾膜状，f f 为降膜，v n 为垂直管蒸发器，m v c 为机械压缩热泵，v p e 为垂直板降膜蒸发器，l t 为低温，t v c 为热压缩热泵，t h e 为 水平管蒸发器，t c d 为热功压缩。 如图中所示，这几种类型中以l t t v c t h e s f 类型装机容量所占比例最高，总容 量达到3 5 9 5 1 0 4 m 3 d 。 啜 一 鳞 静鼋 阁网 照 确 瞄幽豳 一i _ - l i l l t t v c l t - t v c - l t h t e l t _ v t e l t - t v c - l t v p e l t m v c l t h t e l t h t e s f耵e - f f ：s fm v ch t e - s f t v cs tt v c - s f 联产方式 图1 7 投入运行的部分多效蒸发海水淡化装置类型及其容量对比 f i g 1 7t h et y p e sa n dw a t e rp r o d u c t i o no fm e d 1 3 1 4 低温多效蒸发装置用材料 多效蒸发装置的材料是直接影响海水淡化成本的关键，也是蒸发技术中盐水腐蚀问 题的一个瓶颈。以目前国外投入运行的典型装置所用材质【6 7 】为分析基础，总结归纳出图 1 8 到图1 1 2 。从各图中可以看出，蒸发器管板所用材质主要有五种，分别为不锈钢 s s 3 1 6 l 、铝、不锈钢s s 3 1 6 l 和镍铜复合板、镍铜。其中以不锈钢s s 3 1 6 l 最为常用， 其次为铝。蒸发器第一排管所用材质主要有三种，分别为钛，镍铜和铝。其中以钛最为 常用，其次是镍铜。蒸发器其余排管所用材质主要有五种，依次为铝黄铜、镍铜、铝合 金、铝、海军铜。其中最为常用的是铝黄铜，其次是镍铜。冷凝器管板所用材质主要有 六种，依次为不锈钢s s 3 1 6 l 、碳钢、铝、镍铜、不锈钢s s 3 1 6 l 和镍铜复合板。其中以 踮 沥加 蟾加 5 o pmgh一疆忆剿爆 基于凝汽式机组的水电联产系统热经济性分析 不锈钢s s 3 1 6 l 最为常用。其次是碳钢。冷凝器管子所用材质主要有五种，依次为铝黄 铜、镍铜、铝合金、钛、铝。其中以铝黄铜最为常用，其次是镍铜。这些材料的选择主 要是从抗海水腐蚀的角度以及经济性的角度来选材的。铝黄铜表面生成一层氧化亚铜膜， 可提高铜管的耐蚀性。钛在海水环境中具有优异的耐腐蚀性，但价格相对昂贵。不锈钢 在海水浸泡试验后其耐海水腐蚀性的优劣顺序与其腐蚀电位正负顺序一致，钝化能力强 的不锈钢在海水中的腐蚀电位趋于稳定的时间较长，稳态电位较正，其耐腐蚀性较好。 “爹“目一1 叠一 图1 8 蒸发器管板所用材质情况 f i g1 8m a t e r i 甜so ft h ep l a t eo fe v a p o r a t o r s 图19 蒸发器第一排管所用材质情况 f i gl9m a t e r i a l so ft h ef i r s tl i n eo ft h et u b e s o f e v a d o r a t o r s 图1 1 0 蒸发器其余排管所用材质情况 f i g11 0 m a t e f i a t s o f t h e o t h e r m b c so f e v a p o r a t o r s i 口铝黄铜 i 镕 口糠镉 图11 1 冷凝器管板所用材质情况 f i 9 11 1 m a t e r i a l so f t h e 讲a t e o f c o a d e n s e r 大连理工大学硕士学位论文 铝合盎 4 叫口5 s 3 1 6 l , 目 镍铜复合扳 口镍铜 铝 口碳钢 图11 2 玲凝器管子所用材质情况 f i gl1 2 m a t e r i a l so f t h e t l l b e $ o f c o n d e n s e r 32 国内低温多效蒸发海水淡化技术的研究进展 13 21 国内低温多效蒸发技术发展历程 到目前为止国内低温多效蒸发技术主要经历了以下三个阶段【5 1 ： ( 1 ) 小型蒸发装置的研制和理论研究阶段( 1 9 6 0 - 1 9 9 0 年) ： ( 2 ) 多效蒸发的研究阶段( 1 9 9 0 - 2 0 0 3 年) ； ( 3 ) 多效蒸发装备的引进阶段和自主技术的示范阶段( 2 0 0 3 年以后) 。 我国蒸发法海水淡化技术的研究及应用已有半个世纪的历史，早在5 0 年代就在兰 州西固热电厂建立了处理锅炉供水的蒸发除盐装置，6 0 年代就有了船用多级闪蒸海水淡 化设备，6 0 年代末曾在邯郸码头铝厂建立了用于河水处理的5 m 3 m 的1 2 级闪蒸设各。 1 9 7 4 年。在天津市科委的组织下，天津大学，轻工业部制盐研究所，天津海水淡化综合 利用研究所共同研制和试验完成日产百吨级多级闪蒸海水淡化原型试验装置，实际生产 能力达到日产淡水7 2 m 。1 9 7 7 年大连市海水淡化蒸发法协作组f 大连工学院，石油七 厂等1 研制成我国第一套竖管多效蒸发海水淡化试验装置产水能力1 0 1 2 m 3 d 。8 0 年 代初期，内蒙古也上了两台日产淡水分别为2 4 0 0 和8 6 0 m 3 ，用于处理内陆高盐量河水 和湖水的电厂用6 效蒸发器。目前蒸发法已在海水淡化，废水处理，化工物料回收等多 个领域被广泛应用。 1 322 国内现有、在建和拟建的海水淡化厂 截至统计，已经实施了一批中小工程，共有海水淡化工程4 0 多项，其中在大连长 海县、沧州化工股份有限公司、浙江嵊泗县和山东长岛县、山东黄岛发电厂、河北黄骅 发电厂、大连石油七厂、天津经济技术开发区、河北王滩电厂建成或正在建设较大规模 基于凝汽式机组的水电联产系统热经济性分析 海水淡化工程。在西沙永兴岛、天津大港电厂、舟山嵊山岛建有不同规模的海水淡化装 置。小型的以膜法为主，较大型的以蒸发法为主，累计生产能力在日产3 万吨左右。目 前我国已经具备了万吨级海水淡化的工程能力，吨水成本已经从9 0 年代的7 元左右降 至5 元左右，技术经济指标具有同等容量的世界先进水平。随着装置规模的扩大和技术 的进步，造水成本仍有降低空间。 口r o m s f 口m e d 图11 3 我国r o m s f ，i v i e d 海水淡化工程装机容量比较 f i 9 11 3 r a t i o o f r o m s f 衄d m e d i n c h i n a 现以国内现有海水淡化厂及在建和拟建的海水淡化厂为基础，比较分析我国m e d 海水淡化工程在全国海水淡化工程中的比例，见图l1 3 所示。从图中可以看出我国日前 海水淡化装置还主要是反渗透法占很大的比例，其次为多效蒸发，m s f 所占比例最小。 对于反渗透e l 前工程所用的膜元件、高压泵和能量回收装置多是进口的，其推广存在 着一定的困难：而在低温多效薰发方面目前己实现了国产化，总规模正在日益扩大，赶 超反渗透。以2 0 0 9 年在建低温多效海水淡化工程来看，总装机容量己达到2 8 万吨，日。 装机类型方面，如图11 5 所示，我国m e d 装机类型中低温多效水平管降膜蒸发以其良 好的性能优势应用最为普遍。 大连理工大学硕士学位论文 ，、 皿 訾 r 、- 一 稠 袖 嚣 蜊 硇 3 0 2 5 2 0 1 5 1 0 5 0 图1 1 5 我国m e d 装机类型及总容量情况 f i g 1 15t h et y p e sa n dt h et o t a lw a t e rp r o d u c t i o no fm e d i nc h i n a 1 3 3 低温多效蒸发的技术研究前景 作为极具前途的低温多效蒸发海水淡化技术，其发展方向主要有以下几个方面： ( 1 ) 装置规模的大型化和超大型化【5 】 一1 1 i _ 二i | | 基于凝汽式机组的水电联产系统热经济性分析 低温多效蒸发的经济性与其装置规模密切相关，装置容量越大，其经济性就越强。 该技术正在向提高装置容量的方向发展。目前已投入运行的低温多效的最大单机容量为 2 3 0 0 0 m s d ，s i d e m 公司已签约了单机3 6 0 0 0 m 3 m 的装置，单机4 5 0 0 0 m 3 m 的装置也已进入 设计开发阶段。 ( 2 ) 采用新材料和新工艺【5 1 蒸发法海水淡化发展的另一个趋势就是采用新材料和新工艺来提高性能。以色列 i d e 公司使用铝合金管作为传热管材料降低了设备造价，提高了竞争能力；大量研究表 明使用波纹、沟槽等强化传热管或表面强化传热材料，使用高效的热泵等均可有效提高 系统效率。 药剂技术的进步和新材料的应用使得提高最高蒸发温度成为可能，能够达到生产效 率( 造水比) 提高、水价降低的总体效果。 ( 3 ) 联产技术的推广 基于火力发电厂和海水淡化厂各自的特点，适合建设电水联产工程，而且已经成为 国际上大型海水淡化工程的主要建设模式。水电联产的优势主要在于：首先，利用电厂 的乏汽作为加热蒸汽，可有效降低海水淡化成本；其次，有效利用电厂的自用电，自用 电由于没有经过电网远距离输送，价格比工业用电低4 0 左右。另外，在水电联产基础 上联合了溴化锂吸收式热泵，以海水淡化的淡水产品为低温热源，加上从电厂汽轮机抽 汽为驱动热源，从而实现了水热电三联产，而且满足了对热用户的供暖，提高联产系统 的经济性。 ： ( 4 ) 环境减排问题及浓海水的利用 降低整个海水淡化厂的c 0 2 排放量，发展国家零排放的概念，在减少对环境的破坏 的同时也降低了制水成本。同时，排出的浓海水还有一定化学资源利用性，可以用于海 水制盐、海水提钾、海水提溴、海水提镁以及海水微量元素的提取等，不但可以消除浓 海水对海洋环境造成的污染，还可以大大提高海水淡化及综合利用的综合效益。 ( 5 ) 热膜集成及热功集成 在一个淡化工厂里同时采用低温多效蒸发工艺和反渗透工艺，这种集成已经成为海 水淡化技术的一个发展方向。利用低温多效蒸发排放的冷却水作为反渗透工艺的原料海 水，通过进料海水温度的提高来增加反渗透系统的产量，降低电力消耗。因此，热膜联 产有望取得更低的生产成本。s i d e m 公司已经设计出压汽蒸馏( m v c ) 与i v i e d 相结合 的集成方式，针对夏季和冬季不同的运行工况采用不同的集成方式。 ( 6 ) 标准化【8 】 大连理工大学硕士学位论文 建立完善的标准和规范体系，从海水水质、海水净化、海水预处理、淡化水水质、 技术咨询、工程设计、设备制造等各方面推进标准化。从技术评估、投资估算、设备考 核、成本核算、运行管理等方面建立海水淡化系列技术规范，保证海水淡化技术的高起点、 高标准和规范化发展。 1 4 水电联产海水淡化研究进展 现代大型火电厂的淡水消耗量很大，以3 0 0 m w 的火力发电厂为例，其淡水需求量 相当可观，在采用海水冷却凝汽器和海水冲灰的节水措施情况下，全厂锅炉补充水等仍 需淡水量3 0 0 0 吨日左右。因此，解决沿海火电厂自身用水问题对缓解当地淡水资源紧张 状况显然具有相当大的意义。另外，火电厂又对淡水的水质要求极高，对于直流锅炉， 要求补充水基本测不到固体物质含量，因此大型火电厂都配备了严格的给水化学预处理 设备。目前，电厂锅炉补充水的运行成本都在3 元m 3 以上，加上水资源本身的费用，供 水成本已达到很高水平。青岛黄岛电厂锅炉补充水成本更是高达9 1 9 元m 3 。更为严重 的是，供水保证率呈逐年下降趋势，缺水己严重制约着新建火电厂的选址和现有火电厂 的安全运行，因此，为电厂提供低成本、高品质的淡水十分重要。 尽管海水反渗透膜的性能得到很大提高，脱盐率己达9 9 6 。对于浓度为3 5 0 0 0 m g k g 的海水，其产品水含盐量仍高达1 4 0 m g k g 。而且由于膜的老化，其脱盐率逐年降低，一 般3 - 5 年就需更换反渗透膜。作为电厂锅炉补充水，需准备二级离子交换树脂处理。另 外，r o 技术对原海水水质要求非常高，海水前处理费用较高，这些都将增大淡水成本。 蒸馏脱盐过程的产品水含盐量小于1 0 n l 1 ，而且可以利用热电联产减低淡水成本，因此 是解决沿海火电厂自身淡水需求的最佳选择。不仅如此，还可以将火电厂这一耗水大户 改造成为淡水供应基地，为沿海经济发展发挥更大的作用。以6 0 0 m w 汽轮机组为例， 利用其不调整抽汽( 参数为1 6 2 6 大气压，1 3 - - , 2 6 吨时) 作为海水淡化系统的热源，可生 产淡水3 0 0 0 , - 6 0 0 0 吨日，完全可解决电厂自身用水需要，以克服由于淡水资源匾乏对电 力工业发展的制约。如利用汽轮机低背压运行的乏汽作为热源，则可生产淡水 5 0 0 0 0 1 2 0 0 0 0 吨日，在一定程度上可解决区域性工农业生产和民用供水问题。 目前，大部分海水淡化系统都使用蒸馏法。采用低温多效降膜蒸发的海水淡化系统 将具有很广阔的前景。从长远的观点来看，在众多的解决淡水资源方法之中，将海水淡 化系统和热力发电厂组成经济效益很好的联合生产方式是节约能源实现可持续发展的 有效途径。 水电联产海水淡化系统的原理：利用热电厂发电之后的乏汽或者从汽轮机某级抽取 较低参数的蒸汽，直接送到多效蒸发海水淡化系统的第一效蒸发器内作为加热蒸汽，对 基于凝汽式机组的水电联产系统热经济性分析 进料海水进行多效蒸发。此方案的好处在于，既利用了热力发电厂的排汽或者乏汽，又 利用多效温蒸发技术产出数量可观的淡水，提高了全厂的能源利用率。尤其是在我国沿 海缺水地区可充分利用火力发电厂低成本热源，用m e d 实现电水联产，向当地居民供应 淡水，这既提高了发电厂的经济效益，又可向当地居民提供质量可靠的饮用水，可谓是 一个双赢的好方法。经测算在青岛、烟台、威海等城市用这种电水联产方式向城市居民 供应饮用水，单价可在l o 元吨左右。 1 4 1 水电联产的方式与方案 g u s t a v ok r o n e n b e r g 【1 6 1 7 】针对m e d 系统如何利用低温热源，实现水电联产，提出了 多种解决方案。这些方案包括：利用柴油发电机的废气余量、背压机组排气的热量、凝 汽机组抽汽热量。同时也提