（动力机械及工程专业论文）水电联产低温多效蒸发海水淡化系统的热力性能研究.pdf

人连理j ：人学博十学 市论文 摘要 随着经济的发展，人口的增长和地下水资源的过度开采，淡水资源匮乏已成为制约 我国尤其是北部沿海地区社会经济可持续发展的瓶颈，海水淡化作为新的供给水源是解 决淡水资源短缺的有效途径之一。低温多效蒸发由于具有传热效率高，能够利用电厂低 品位的余热从而极大地降低制水成本和有效降低结垢和腐蚀的发生等优点，因此水电联 产低温多效蒸发已成为未来第二代海水淡化厂的主流技术。 本文建立了描述水电联产系统的低温多效蒸发、热泵和汽轮机组的数学模型，对水 电联产系统不同工况下的热力性能进行了分析，准确计算了制水的能量成本和用于海水 淡化的抽汽对汽轮机组热力性能的影响，对水电联产系统进行了全局优化，搭建了低温 多效蒸发系统的实验台，并对该实验系统的设计和热力性能行了研究。主要内容如下： 1 建立了完整的多效蒸发系统和热泵系统的数学模型。多效蒸发系统的数学模型中 考虑了盐水沸点升高、蒸汽在除沫器和管道流动中因摩擦引起的温差损失在内的各种热 力损失，以及温度和浓度对模型中的各种物性参数的影响。应用动量方程、质量平衡方 程和能量平衡方程分别建立了喷射式热泵和吸收式热泵的数学模型。 2 对多效蒸发系统和热泵多效蒸发系统的热力性能进行了分析。分析了在设计工况 和变工况下，加热蒸汽温度、蒸发器效数、加热蒸汽负荷等参数对多效蒸发系统热力性 能的影响，并对多效蒸发系统、喷射式热泵多效蒸发系统和吸收式热泵多效蒸发系统的 热力性能进行了详细的比较分析。 3 对水电联产系统的制水能量成本和汽轮机组的热力性能进行了研究。依据汽轮机 组热力系统变工况计算理论，计算了不同工况下汽轮机组的热力参数，并应用等效焓降 法和循环函数法分别计算了凝汽机组和供热机组水电联产系统的制水能量成本和用于 海水淡化的抽汽对汽轮机组热力性能的影响。建立了通用性强，精度高，易于程序化的 循环函数法和等效焓降法的计算分析矩阵模型，并提出了采用制水电耗量替代传统的造 水比指标用于准确评价水电联产系统的热力性能。运用遗传算法，对水电联产系统中影 响制水成本的加热蒸汽温度、抽汽压力、材料价格和蒸发器效数等因素进行了优化分析。 研究结果表明水电联产低温多效蒸发海水淡化系统提高了汽轮机组的能源利用效率，而 且能够有效降低制水成本。 4 白行设计建立了低温5 效蒸发海水淡化系统的实验台，对系统热力性能进行了实 验研究。为了给低温多效蒸发海水淡化系统的设计提供确实可靠的基础数据，建立了小 型的横管降膜蒸发实验装置，并对其进行了传热实验。研究了冷态条件下，单效蒸发实 验装置的传热管外横管降膜流动状态的变化和液膜的波动变化对蒸发侧传热的影响，从 水电联产低温多放蒸发：l 水淡化系抚f ? j ：j j f 征研究 而明确本实验装詈横管降膜蒸发的最仕喷淋街度旧，殳f ，也j i 对l j 宓淋密度、热流密度、 不凝气以及却液器高度等对其蒸发侧传热系数的影响进行了实验研究。以小型装置的实 验数据为基础，对蒸发器的结构、蒸发器b j 的连接方式和系统流程进行了设计研究，从 而保证了蒸发器内横管降膜蒸发传热管壁的完全湿润，有效降低了系统的热力损失，合 理提高了系统的热量利用效率。不同的运行条件下，测试了多效蒸发系统内的压力和温 度分布以及喷淋密度、加热蒸汽温度等因素对淡水产量和造水比的影响，对比分析了测 量值和计算值，两者表现出相当好的一致性，说明了低温多效蒸发系统的理论分析是适 用的，多效蒸发系统实验台的结构和流程设计是合理的。 关键词：低温多效蒸发；水电联产；制水电耗量；等效焓降法；循环函数法；遗传算 法 人连理1 人学博七学位论文 t h e r m o d y n a m i cs t u d yo nl o wt e m p e r a t u r em u l t i e f f e c td i s t i l l a t i o ni n d u a l - p u r p o s ep o w e r p l a n tc o n f i g u r a t i o n a b s t r a c t w i t ht h ef a s t d e v e l o p m e mo fe c o n o m y , t h ei n c r e a s e i n p o p u l a t i o n , a n d t h e o v e r e x p l o i t a t i o no fu n d e r g r o u n dw a t e rr e s o u r c e s ，f r e s hw a t e rs h o r t a g eh a sb e c o m eac r i t i c a l c o n s t r a i n tf o rs u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n ti nc h i n a d e s a l i n a t i o ni so n ee f f e c t i v eo p t i o nt os o l v e p r o b l e m so fw a t e rs h o r t a g e a sl o w - t e m p e r a t u r em u l t i - e f f e c td i s t i l l a t i o nh a ss o m et e c h n i c a l a d v a n t a g e st h r o u g ht h ep o s s i b i l i t yo fu t i l i z i n gl o wt e m p e r a t u r ew a s t eh e a ts o u r c e s ，r e d u c i n g s e a l i n gm a dc o r r o s i o np r o b l e m s ，l o w - t e m p e r a t u r em u l t i - e f f e c td i s t i l l a t i o ni nad u a l p u r p o s e p o w e rp l a n tc o n f i g u r a t i o nm a yb e c o m et h em a i nt e c h n o l o g yf o rf u t u r ed e s a l i n a t i o np l a n t s i nt h i st h e s i s ，am a t h e m a t i c a ls i m u l a t i o nm o d e li sd e v e l o p e da n dat h e r m a la n a l y s i si s c o n d u c t e df o rad u a l p u r p o s ep o w e rp l a n t , i n c l u d i n gl o wt e m p e r a r a _ cm u l t i e f f e c td i s t i l l e r , a t h e r m a lv a p o rc o m p r e s so ra b s o r p t i o nv a p o rc o m p r e s s o ra n das t e a mt u r b i n e ，u n d e rd i f f e r e n t w o r k i n gc o n d i t i o n s t h ec o s to fe n e r g yf o rw a t e rp r o d u c t i o na n dt h ee f f e c t o fs t e a m e x t r a c t i o nf o rd e s a l i n a t i o nf r o mt h et u r b i n ea l ea c c u r a t e l yc a l c u l a t e d al o wt e m p e r a l u r e m u l t i e f f e c td i s t i l l a t i o ne x p e r i m e n t a lu n i tw a sb u i l ta n di t st h e r m o d y n a m i cp e r f o r m a n c e i n v e s t i g a t e d ，l e a d i n gt oa na s s e s s m e n to fo p t i m u md e s i g np a r a m e t e r sa n dc o n f i g u r a t i o n t h e m a i nw o r kc a l lb es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 a na n a l y t i c a lm o d e lo fam u l t i - e f f e c td i s t i l l e ra n dh e a tp u m p ( t h e r m a lv a p o r c o m p r e s s i o na n da b s o r p t i o nv a p o rc o m p r e s s i o n ) i sd e v e l o p e d t h em u l t i - e f f e c td i s t i l l a t i o n m o d e li n c l u d e st h ee f f e c t so ft e m p e r a t u r ea n ds a l i n i t yo nt h ep h y s i c a lp r o p e r t i e sa n d t h e r m o d y n a m i cl o s s e s ，t e m p e r a t u r el o s s e si nt h ed e m i s t e ra n dv a p o rt r a n s m i s s i o nl i n e s ，b r i n e p o i n te l e v a t i o na n dn o n - e q u i l i b r i u ma l l o w a n c e si nt h ee v a p o r a t o r s ，a n df l a s hb o x e s m a s s ， e n e r g ya n dm o m e n t u mc o n s e r v a t i o ne q u a t i o n sa l ea l s oa p p l i e dt os i m u l a t et h e r m a lv a p o r c o m p r e s s i o na n da b s o r p t i o nv a p o rc o m p r e s s i o no f t h eh e a tp u m p 2 t h et h e r m o d y n a m i cp e r f o r m a n c eo fm u l t i e f f e c td i s t i l l a t i o na n dm u l t i e f f o c to f d i s t i l l a t i o nc o m b i n e dw i t hh e a tp u m pi sa n a l y z e d f o rd i f f e r e n tw o r k i n gc o n d i t i o n s ，t h ee f f e c t o fh e a t i n gs t e a mt e m p e r a t u r e ，t h en u m b e ro fe f f e c t sa n dt h el o a do fh e a t i n gs t e a mo n p e r f o r m a n c eo f am u l t i - e f f e c td i s t i l l e ri ss t u d i e d t h e s i m p l em u l t i e f f e c t d i s t i l l e ri s q u a n t i t a t i v e l yc o m p a l e d 、析t l lt h em u l t i - e f f e c td i s t i l l e ri n c o r p o r a t i n ge i t h e rt h e r m a lv a p o r c o m p r e s s i o n o ra b s o r p t i o nv a p o rc o m p r e s s i o n 3 t h ee n e r g yc o s tf o rw a t e rp r o d u c t i o na n dt h et h e r m o d y n a m i cp e r f o r m a n c eo ft h e s t e a mt u r b i n ei nad u a l - p u r p o s ep o w e rp l a n ti si n v e s t i g a t e d t h eo f f - d e s i g np e r f o r m a n c eo f 水电联产低温多效蒸发海水淡化系统的热力性能研究 t h es t e a mt u r b i n ew a so b t a i n e db ya d o p t i n gw e l l - e s t a b l i s h e da n a l y t i c a lm e t h o d s b a s e do nt h e s t e a mp a r a m e t e r s ，t h et h e r m o d y n a m i cp e r f o r m a n c eo fac o n d e n s i n gs t e a mt u r b i n ea n da c o m b i n e dh e a t - a n d - p o w e rt u r b i n ei n t e g r a t e dw i t had e s a l i n a t i o ns y s t e ma r ec a l c u l a t e db y u s i n gt h ee q u i v a l e n te n t h a l p yd r o pt h e o r ya n dt h ec y c l i c a lf u n c t i o nm e t h o dr e s p e c t i v e l y n e m a t r i xm o d e lo ft h ee q u i v a l e n te n t h a l p yd r o pt h e o r ya n dt h ec y c l i c a lf u n c t i o nm e t h o da r e d e v e l o p e d t h e s ea r er e a d i l yc o m p u t e r i z e da n dh a v ef e a t u r e so fu n i v e r s a lv a l i d i t y t h e e l e c t r i c a le q u i v a l e n to fe n e r g yc o n s u m p t i o na sd e t e r m i n e di nt h i s a p p r o a c he v a l u a t e st h e e n e r g e t i cp e r f o r m a n c eo ft h ed e s a l i n a t i o np r o c e s sm o r ev a l i d l yt h a nt h eg o r ( g a i n e do u t p u t r a t i o ) t h a ti sw i d e l yu s e d b yg e n e t i ca l g o r i t h m ，w h i c hi sap o w e r f u lt o o li ns o l v i n gg l o b a l p r o b l e m sa n dn o ww i d e l yu s e di nm a n ya p p l i c a t i o n s ，t h ep a r a m e t e r so fw a t e rc o s ta r e o p t i m i z e d t h e s ep a r a m e t e r si n c l u d eh e a t i n gs t e a mt e m p e r a t u r e ，m a t e r i a lp r i c e ，t h en u m b e ro f e f f e c t se t c t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h ed u a l - p u r p o s ep o w e rp l a n tc a l li m p r o v et h ee f f i c i e n c y o f ap o w e rp l a n ta n de f f e c t i v e l yc o n t r i b u t et or e d u c i n gw a t e rc o s t 4 af i v e - e 腕c td i s t i l l a t i o ne x p e r i m e n t a lu n i tw a sd e s i g n e da n df a b r i c a t e dm a dt h e t h e r m o d y n a m i cp e r f o r m a n c ew e r em e a s u r e da n de v a l u a t e d i no r d e rt op r o v i d eb a s i cd a t af o r t h ed e s i g no ft h ef i v e - e f f e c td i s t i l l a t i o ne x p e r i m e n t a lu n i t , as m a l l s c a l es i n g l ee f f e c t e x p e r i m e n t a lu n i tw a sb u i l ta n dt h eh e a tt r a r m f e rp e r f o r m a n c ew a st e s t e d 1 1 l ee f f e c to ff l o w c o n d i t i o n sa n df l u c t u a t i o n so fh o r i z o n t a l f a l l i n g f i l m f l o w , f l o wd e n s i t y , h e a tf l u x n o n - c o n d e n s i n gg a sa n dh e i g h to f d i s t r i b u t c ro nh e a tt r a n s f e ro f t h eo u t s i d et u b e sw e r es t u d i e d b a s e do nt h ea b o v ed a t a , t h em e c h a n i c a ld e s i g na n dp r o c e s so p e r a t i o np a r a m e t e r so ft h e s y s t e mw e r eo p t i m i z e d , t h u st h eb e s tp e r f o r m a n c eo ft h ef i v e - e f f e c td i s t i l l a t i o ne x p e r i m e n t a l u n i tw a sa c h i e v c da n dm a i n t a i n e da n di t sh e a tl o s s e sw a sm i n i m i z e d t h ev a r i a t i o no f t e m p e r a t m ea n dp r e s s u r ei ne a c he v a p o r a t o re f f e c t a n dt h eo v e r a l ib e h a v i o u ro ft h es y s t e m w e r et e s t e da n da n a l y z e d t h er e s u l t so ft h ea n a l y s i sw e r ef o u n dt ob e 筋r l vc l o s et ot h e e x p e r i m e n t a lo b s e r v a t i o n s ，w h i c hj u s t i f i e st h ee x p e c t a t i o nt h a tt h ea n a l y t i c a lm o d e ld e v e l o p e d f o r t h em u l t i - e f f e c td i s t i l l e ri sr e l i a b l e ，a n dt h eo v e r a l ld e s i g no f t h ee x p e r i m e n t a ls y s t e mw a s c o r r e c t l yd o n e k e yw o r d s ：l o wt e m p e r a t u r em u l t i e f f e c td i s t i l l a t i o n ；d u a l - p u r p o s ep o w e rp l a n t ； e l e c t r i c a le q u i v a l e n to fe n e r g yc o n s u m p t i o n ；c y c l i c a lf u n c t i o nm e t h o d ；g e n e t i c a l g o r i t h m i v 独创性说明 作者郑重声明：本博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已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名： 凡琏理i 。人学博十研究生学位论文 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。 作者签名：超丝鲴塑 导师签名 单 驴7 年午月zf i 大连理丁大学博七学位论文 1 绪论 1 1 海水淡化的研究背景及课题意义 根据联合国的分析资料，地球表面2 3 被水覆盖，地球的水体总量达至l j l 4 5 亿立方千 米，但海水占有其中9 7 5 ，在余下的2 5 的淡水中，又有8 7 是人类难以利用的两极 冰盖、冰川和冰雪，人们实际可利用的淡水只占全球水总量的0 3 2 。随着全球人口的 急剧增加和工业化及城市化的迅速发展，人类对全球淡水资源的需求不断增长，同时由 于水资源的污染和用水的浪费，使得淡水资源短缺的问题变得更加严重。因此国际上有 “1 9 世纪争煤，2 0 世纪争石油，2 1 世纪争水”和“目前地区性的水危机可能预示着全球性 水危机的到来”的说法【l l 。 中国是世界上淡水资源最为短缺的国家之一。中国的淡水资源总量为2 8 万亿立方 米，居世界第6 位，但是人均淡水资源量为2 3 4 0 立方米，仅为前苏联的l 7 ，美国的1 5 ， 世界人均的1 4 ，联合国已把中国列为1 3 个最缺水国家之一。目前中国有4 0 0 多个城市缺 水，其中11 0 多个城市严重缺水，尤其是沿海经济发达地区缺水形势更为严峻。东部沿 海地区足我国人口最集中、经济最发达的地区，其陆地面积只占陆地国土总面积的1 5 ， 人口数量超过全国的4 0 ，经济总量超过5 0 ，同时该地区又面临着严重的水资源短缺， 其人均淡水资源量低于5 0 0 立方米，低于国际上通行的人均1 0 0 0 立方米的生存底线，大 连、天津、青岛、烟台等城市的人均淡水资源量甚至低于2 0 0 立方米，处于严重缺水状 况【2 j 。2 0 0 5 年的持续干旱，使珠海、深圳和广州，这些原本雨量充沛的东南沿海城市也 发生了严重的供水危机，部分地区实行限时定量供水，严重的淡水资源缺乏，己成为沿 海地区社会可持续发展不可忽视的瓶颈。解决沿海地区的淡水资源短缺问题，不仅有助 于提高这些地区的人民生活水平和加快经济发展，而且对于促进全国的经济发展、加快 中华民族伟大复兴的进程都具有十分重要的意义。 通常采取“节流”和“开源”措施来解决淡水资源缺乏的问题。国家和政府通过制定相 应的有关水资源管理的法律法规、提高淡水价格和加大节约用水的宣传力度等节流措 施，在充分利用和保护水资源、缓解水资源短缺上发挥了积极作用，但由于水资源总量 没有增加以及生产生活用水量的持续增加， “节流”并不能从根本上解决我国水资源短 缺的问题。目前采用的“开源”方式主要是开采地下水和实施跨流域调水。由于地下水位 的持续下降和过量开采带来的地面下沉、植被干枯、土地沙化等负面作用，因此在许多 城市和地区已经开始对地下水的开采进行严格控制。兴建大型蓄水工程和实施跨流域调 水工程如引滦入津、引黄济青、引碧入连、南水北调等，在很大程度上缓解了水资源紧 水电联产低温多效蒸发海水淡化系统的热力性能研究 张状况，但引水工程耗资巨大，容易受到水源的限制及季节气候的影响，而且还会对生 态环境造成破坏，现有的“开源”措施只是对淡水资源的均一均多寡，因此有必要寻找新 的有效途径解决水资源短缺的问题。 海水淡化是解决水资源短缺的有效途径。我国是海洋大国，海岸线的总长为3 2 6 4 7 公里，海水资源丰富，而且海水淡化出水稳定、对环境负作用小，不受气候和季节的影 响，因此利用海岸带优势，向大海索取淡水，成为一条非常有效且极具发展前景的增加 淡水供应的可靠途径。国家和社会对海水淡化这种可以增加淡水资源总量的开源性措施 给与了越来越多的关注。我国政府已经将海水淡化技术列入中国2 1 世纪议程中作 为实现水资源持续利用的推广示范技术，中国海洋2 l 世纪议程更是将发展海水淡 化技术和建立海水淡化示范工程并在有条件的地区推广列为优先发展项目。开发海水淡 化技术、发展海水淡化产业必将成为保障2 1 世纪中国可持续发展的重要措施。 1 2 海水淡化技术的应用与发展 1 2 1 海水淡化的发展概况 海水淡化技术从二十世纪五十年代中期以来得到了迅速发展，并且逐渐发展成熟。 根据国际脱盐协会( i d a i n t e r n a t i o r a l d e s a l i n a t i o n a s s o c i a t i o n ) 的最新统计报告1 3 1 ，2 0 0 4 年，单机容量在1 0 0m 3 d 以上的海水淡化总装机容量为3 7 5 x l o t m 3 d ，与1 9 6 0 年总装机容 量5 8 x 1 0 4 m 3 d 相比，增长6 4 6 倍，年增长率为1 7 。图1 1 显示的是各种海水淡化方法在 世界范围内的总装机容量 3 1 ，从图中了解到，反渗透法的淡水产量最大，达到1 8 x 1 0 7 m 3 d ，约占总装机容量的4 7 ，其它依次为多级闪蒸占3 5 ，压汽蒸馏占5 ，多效蒸发 占3 。 ，。一一 l ”m m l , o o o , w _i_ 大连理工大学博十学位论文 海水淡化技术在世界范围内得到了广泛应用。海水淡化装置分布在1 2 0 多个国家， 其中一半以上分布在中东地区，其它主要建在美国、日本、意大利、西班牙和其它沿岸 国家，沙特阿拉伯的海水淡化产量居世界第一，约占世界总产量的2 3 6 。当今各种海 水淡化方法都在向大型化发展，世界范围内最大的多级闪蒸海水淡化装置在阿联酋，共 有六台装置组成，每台的造水容量达到5 4 6 x 1 0 4m 3 d ，整个海水淡化厂日产淡3 2 7 6 x 1 0 5 o d ，而1 9 6 0 年在阿联酋建成的第一座海水淡化厂，其产量仅为5 0 m 3 d 1 4 1 。最大的低温 多效淡化装置位于以色列的a s h d o d 电厂，日产淡水1 9 1 0 4m 3 d 。最大的海水反渗透 淡化装置位于沙特阿拉j f f l j e d d a h ，日产淡水1 1 4 x 1 0 5 m 3 d 1 5 1 。 1 2 2 主要海水淡化技术及其发展 海水淡化就是将海水中的盐和水分离的技术，按照脱盐过程分类，海水淡化方法主 要有热法，膜法和化学方法三大类，热法海水淡化技术主要有多级闪蒸、多效蒸发、压 汽蒸馏和冷冻法，膜法海水淡化技术包含了反渗透法和电渗析法，化学方法则由水合物 法和离子交换法构成。在众多的海水淡化方法中，水合物法所产淡水水质较差，离予孽还 换法制水成本较高，因此化学方法的应用受到限制，而冷冻法海水淡化由于冰晶的洗涤 和分离较困难，造成装置复杂，运行可靠性不高，因而一直难以被大规模应用 6 1 。目前 投入商业运行的海水淡化方法主要有多级闪蒸( m u l t i s t a g ef l a s h - m s f ) 、多效蒸发( m u l t i e f f e c td i a i l l a t i o n m e d ) 、压汽蒸馏( v a p o rc o m p r e s s i o n - v o 、反渗透( r e v e r s eo s m o s i s - r o ) 和电渗折法( e l e c t r o d i a l y s i s - e d ) ，而适用于大型的海水淡化方法只有m s f 、m e d 、 v c 和r o 川。 ( 1 ) 多级闪蒸 多级闪蒸是五十年代末发展起来的，迄今应用最广、规模最大、成熟程度最高的海 水淡化技术。1 9 5 7 年英国学者r s s i l v e r 发明了多级闪蒸海水淡化方法，开创了蒸馏法的 一个新里程。由于m s f 工艺加热过程与蒸发过程分开进行，海水结垢倾向大为减小，所 需热源仅为低压蒸汽，热能被重复利用，系统能耗大幅度降低。同时，m s f 整体性好， 易于大型化，因而自其诞生之日起，发展非常迅猛，一跃而成为海水淡化技术的主力， 其装置建设规模和淡水产量至今仍居于主要地位。1 9 9 0 年国际原子能委员会认定多级闪 蒸技术是技术最成熟，应用最广泛的海水淡化技术i s l 。 依据闪蒸过程的特点，要对多级闪蒸装置的结构及运行温度进行优化，从而保证多 级闪蒸能够稳定正常运行。从图1 2 所示的多级闪蒸装置及其流程图可以看出，海水闪蒸 时所需的热量源于原料水显热，即闪蒸后盐水的温度将有所降低。由于汽化率只与闪蒸 前后的温差有关，且每度温差的汽化率不足千分之二。因此为了得到足够的蒸发量，应 水电联产低温多放蒸发海水淡化系统的热力性能研究 圈1 2 多级闪蒸海水淡化装置流程圈 f i g 1 2f l o wg h a l to f m s f 尽可能扩大闪蒸温度差、增大级数和增大m s f 的单位蒸发产物传热面积。多级闪蒸装置 的产水量受闪蒸温度的影响程度较大，而提高闪蒸温度受到海水结垢和腐蚀的限制，海 水经过预处理后，顶值海水温度也不能超过1 2 0 。增加级数，减小级问温差，有利于 提高造水比，但是传热管材耗量增加，而且传热管材料为价格昂贵的防腐合会，从而引 起设备制造成本增加，因此通常控制多级闪蒸的级数，使其造水比不超过1 3 1 4 。 近年来，多级闪蒸海水淡化装置的单机容量向着大型化发展，阿联酋的阿稚扎比a ： j u b a i l 水电联合厂多级闪蒸单机容量高达4 5 4 x 1 0 4 - 5 7 7 x 1 0 4m 3 d 9 1 。此外，新型阻垢剂的 研究，能够提高多级闪蒸海水淡化系统的顶值海水温度，使其有效温差进一步加大，加 工材料方面的研究也使多级闪蒸装置的加工成本逐渐降低l t i o l 。 1 9 7 4 年，在天津市科委的组织下，天津大学、轻工业部盐研究所、天津海水淡化与 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 吨【1 2 1 1 9 7 7 年大连工学院、大连石油七厂等研制成功我国第 一套竖管多效多级闪蒸海水淡化试验装置，产水能力1 0 1 2 吨天i l 引。该两台试验装置的 研制成功，为发展大中型多级闪蒸海水淡化技术、工业水脱盐和余热造水技术打下了基 础。我国大型多级闪蒸装置是1 9 8 7 年天津大港电厂为解决锅炉补给水的供应，从美国 引进的二套3 0 0 0m 3 dm s f 海水淡化装置【1 4 1 。1 9 9 7 年电力部华北研究生院与天津大港电 厂在仿制的基础上完成1 2 0 0m 3 dm s f 海水淡化装置的研制【1 5 l 。 ( 2 ) 多效蒸发 4 - 大连理工大学博十学位论文 图1 3 横管降膜低温多效蒸发海水淡化装置流稗图 f i g 1 3f l o wc h a r to f h o r i z o n t a lt u b ef a l l i n gf i l mo f l t - m e d 多效蒸发海水淡化经历了由浸没管蒸发、竖管降膜蒸发，到横管降膜蒸发的发展过 程。早期多效蒸发系统的蒸发器为浸没管式，结垢严重，盐水净液柱高，温差损失大， 系统传热系数小，已经逐渐被淘汰l l “。后来开始了竖管降膜蒸发淡化海水方面的研究， 海水在传热管内为膜状汽化，蒸汽在传热管外冷凝，传热壁两侧都有相变，因而提高亍 传热系数。另外，因为盐水一次流过系统，因此降低了预处理费用。但是竖管降膜蒸发 需要效间海水泵将盐水由上一效输送到下一效，这又使得安装成本增加，控制系统复杂， 维修和操作困难。为此提出了横管降膜蒸发海水淡化，盐水通过喷淋装置在横管柬的管 外形成液膜而蒸发，加热蒸汽在管内凝结，盐水依靠重力或效间压差进入下一效蒸发器。 它与竖管降膜蒸发相比，具有电耗低，设备高度低等优点，同时由于液膜厚度薄，传热 系数高，汽相阻力小，因此传热温差比竖管降膜蒸发小。 7 0 年代为解决多效蒸发结垢严重的问题出现了横管降膜低温多效蒸发海水淡化系 统。如图1 3 所示，盐水在低温下蒸发，即顶值盐水温度低于7 0 c 。由于操作温度降低， 传热管材的结垢和腐蚀问题得到了有效控制，因此可以使用廉价的铝合金材料替代贵重 的防腐合金，从而有效降低了海水淡化设备的制造成本。低温多效蒸发利用低品位的热 源作为加热蒸汽，因此其制水的能耗成本大幅度降低。国际原子能委员会认为，在所有 蒸馏法中，多效蒸发海水淡化方法在降低海水淡水成本方面最具有潜力，对于所有海水 淡化方法，也可能是最优者。目前低温多效蒸发的研究多集中于提高传热系数，优化结 构设计以及选择新型传热材料等方面的研究。 水电联产低温多效蒸发海水淡化系统的热力性能研究 1 9 6 1 年，美国盐水局在f r e ep o r t 建立了竖管多效蒸发海水淡化试验工厂，开始了竖 管降膜蒸发淡化海水方面的研究【1 6 l 。以色列i d e 公司开发的低温横管降膜多效蒸发海水 淡化系统1 1 7 1 ，最高操作温度6 2 9 ，共7 效，造水比可达5 8 6 2 ，折合电耗8 2 9 4k w h m 3 。 由于采用低温蒸发过程，可以使用廉价的铝合金材料，因此可以通过增加蒸发器的效数 和传热面积达到所需的造水比，保证低温运行时，仍能够实现较高的热力性能。 国内低温多效蒸发海水淡化技术正逐步进入实践应用阶段。天津海水淡化与综合利 用研究所在山东青岛黄岛电厂建成了3 0 0 0m 3 ，d 的低温多效海水淡化示范工程，吨水能 耗1 6 5 k w h ，水质达到4 2 m g l t l 9 1 ；河北国华沧东发电有限责任公司与s i d e m 公司合作， 建成了2 1 0 4m 3 d 的低温多效海水淡化工程，制成淡水的含盐量小于5 4 2 m g l l l 。 ( 3 ) 压汽蒸馏 压汽蒸馏是利用热泵原理，将蒸发器中沸腾海水蒸发出来的二次蒸汽通过压缩机的 绝热压缩，提高其压力、温度及热焓后作为加热蒸汽用，使二次蒸汽在蒸发器内连续循 环而重复利用。压汽蒸馏分为机械压缩( m e c h a n i c a lv a p o rc o m p r c s s i o n - m v c ) 和热压缩 ( d e r m a l v a p o r c o m p r e s s i o n - t v c ) ，其中t v c 是用高压蒸汽作为动力蒸汽在喷射器中引 射二次蒸汽，达到低压蒸汽重复利用的目的，由于t v c 没有转动部件，结构简单，运行 稳定，因此其发展迅速。机械压缩是用压汽机提高二次蒸汽的压力和温度，使二次蒸汽 的潜热在蒸发器内循环利用。m v c 只消耗电能，不需要蒸汽热源及冷却水，同时随着离 心式蒸汽压缩机的运用与技术水平的提高，使得m v c 技术得到了较快的发展。m v c 由 于使用压缩机，装置规模受压缩机容量的限制，一般以日产几千吨淡水以下的规模较适 宜。m v c 装置具有的突出优点在于只依靠电力供应即可造水，因此非常适用于偏远地区 的小型淡化工厂。 意大利的2 4 0m 3 d 压汽蒸馏装置1 0 0 。c 蒸发时，压缩祝电耗达到1 1 4 k w h m 3 i i s j 。法 国s i d e m 公司开发的压汽蒸馏为4 效横管降膜蒸发器，其装机容量达至u 1 5 0 0 m 3 a ，在蒸 发温度6 2 5 c 下，能耗达到l l k w h m 3 。经过多年的研究，目前蒸汽压缩机总效率可达 到7 8 ，压汽蒸馏的功耗已降至6 3 k w h n 1 3 。天津海水淡化所经过多年科技攻关，解决 了压缩机的设计和制造技术，解决了蒸发装置从单效变成多效的接口问题 1 9 , 2 9 1 ，于2 0 0 3 年5 月在山东青岛黄岛电厂建成y 6 0 m 3 d 压汽蒸馏海水淡化示范工程。 ( 4 ) 电渗析法 电渗析法是利用具有选择透过性的离子交换膜在外加直流电场的作用下，使水中的 离子定向迁移，并有选择地通过带有不同电荷的离子交换膜，从而达到溶质和溶剂分离 的过程。美国、日本、意大利、法国、以色列等国家和地区处于电渗析研究的前沿。电 透析法所耗用的电能与电解质浓度成正比，电解质浓度越高，电流密度就越大，淡化一 一6 一 大连理工大学博士学伊论文 吨水的成本也就越高，因此电渗折法适用于含盐量不高的海水淡化，一般要求海水的含 盐量小于5 0 0 0 x 1 0 击。由于电渗析过程所能除去的仅是水中的电解质离子，而很难去除 不带荷电的粒子，因而其实际的脱盐率介于7 5 9 9 之间。在常规条件下电渗析海水淡 化技术直接电耗达到1 6 - 2 0k w h m 3 淡水，相比于同期出现的其它海水淡化方法而言， 其能量消耗偏高，因此电渗析技术在海水淡化方面的应用受到一定限制【2 1 1 。 电渗析法作为海水淡化的主要技术之一，己在世界各地得到广泛应用。目前，世界 上最大的电渗析装置是由美国i o n i e s 公司于1 9 8 4 年在中东炼油厂建造的，生产能力为日 产淡水2 4 0 0 吨的装置圆。世界范围内电渗析装置的总装机容量已达1 2 5 4 5 4 3m 3 d ，1 9 9 7 年度新上电渗析装置的产水能力达蛰| 3 3 8 2 3m 3 d 。我国电渗析的研究起步较早，5 0 年代 末期就开始了电渗析的研究，1 9 8 1 年6 月在西沙建成2 0 0m 3 d 的电渗析海水淡化站，满足 了当时的军用和民用的需求，1 9 9 1 年我国援助马尔代夫的2 套海水淡化电渗析装置投入 运行1 2 3 , u l 。 ( 5 ) 反渗透法 反渗透海水淡化技术是利用半透膜的透水特性，对水溶液加压，使水分子克服阻力 透过半透膜，从而达到淡水从海水中分离出来的目的。1 9 5 9 年，s s o u r i r a j a n 和s i d n e yl o e b 发现膜的不对称性，进而确定了著名的凝胶相转化制备不对称膜的工艺1 2 5 1 ，并于1 9 6 0 年成功研制出第一张高盐截留率、高水通量的不对称二醋酸纤维素海水反渗透膜【2 吩使 反渗透法逐渐达到实用化的水平，由此开启了反渗透技术的应用大门。反渗透技术的主 要部件是反渗透膜，反渗透膜技术经过几十年的发展，已趋成熟，性能也有了很大提高 目前反渗透膜的脱盐率已达到9 9 6 【2 7 j ，在国际市场上，美国杜邦公司和日本东洋纺公 司生产中空纤维膜占有主要市场份额。9 0 年代出现的微滤、超滤或纳滤等膜技术作为反 渗透海水淡化系统的预处理工型船, 2 9 1 ，延长了反