基于低真空運(yùn)行模式的水電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)熱力分析

劉 曉 華， 杜 宇， 沈 勝 強(qiáng)， 陳 文 博， 劉 大 偉

（大連理工大學(xué) 海洋能源利用與節(jié)能教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116024）

0 引 言

海水淡化技術(shù)已經(jīng)有了半世紀(jì)的發(fā)展歷史，在全球范圍內(nèi)取得了巨大的成功.海水淡化方法主要有熱法、膜法和化學(xué)方法三大類.其中，熱法主要包括多級閃蒸、多效蒸發(fā)和壓汽蒸餾等.目前適用于大型裝置的海水淡化方法主要有多級閃蒸（MSF）、多效蒸發(fā)（MED）和反滲透（RO）.低溫多效蒸發(fā)（LT－MED）是以海水頂值溫度小于70℃為特點(diǎn)的一種多效蒸發(fā)海水淡化技術(shù).水電聯(lián)產(chǎn)低溫多效蒸發(fā)海水淡化，即電廠在發(fā)電的同時，為海水淡化裝置提供其所需的熱量，既提高了發(fā)電廠的能源利用率，又可提供質(zhì)量可靠的淡水.本文對水電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的特性進(jìn)行分析.

1 基于凝汽式機(jī)組低真空運(yùn)行的水電聯(lián)產(chǎn)數(shù)學(xué)模型

1.1 凝汽式機(jī)組低真空變工況數(shù)學(xué)模型

目前火電廠與蒸餾法海水淡化系統(tǒng)的具體集成方式參見文獻(xiàn)[1～3].本文中的水電聯(lián)產(chǎn)方式是指將凝汽式機(jī)組在低真空運(yùn)行模式下得到的70℃左右排汽作為低溫多效蒸餾海水淡化裝置的加熱蒸汽，系統(tǒng)見圖1.

圖1 基于低真空運(yùn)行模式的水電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)圖Fig.1 System flow chart of water－power cogeneration based on low vacuum operation

為了得到低真空運(yùn)行后汽輪機(jī)通流部分各級的熱力參數(shù)，本文采用弗留格爾公式對汽輪機(jī)進(jìn)行變工況熱力計算，進(jìn)而可以得到不同低真空運(yùn)行工況下的電廠部分熱經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)的變化情況.

具體計算方程如下：

式中：D1，0、D1分別為工況變動前、后級組的通流量，kg/h；p1，0、p1分別為工況變動前、后的級組前的抽汽壓力，MPa；p2，0、p2分別為工況變動前、后的級組后的抽汽壓力，MPa；T1，0、T1分別為工況變動前、后級組前的抽汽溫度，K.

本文主要研究變工況對整個水電聯(lián)產(chǎn)的影響，因此采用如下簡單公式：

由抽汽壓力的變化而引起的抽汽比焓的變化，可以按照氣態(tài)膨脹線的線性關(guān)系加以確定.計算公式如下：

式中：h、p分別表示過熱蒸汽比焓、壓力.

1.2 低溫多效蒸餾海水淡化系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

低溫多效蒸餾海水淡化系統(tǒng)的計算，是采用“等溫差”的方法來設(shè)計各效蒸發(fā)器，考慮的熱力損失包括鹽水沸點(diǎn)升高，蒸汽在流經(jīng)管束、除沫器和通道時因?yàn)槟Σ磷枇Χ斐傻臏囟葥p失.通過對各效蒸發(fā)器進(jìn)行質(zhì)量、熱量平衡計算，進(jìn)而求出加熱蒸汽消耗量、各效蒸發(fā)器蒸發(fā)淡水量、各效預(yù)熱器的蒸汽消耗量、各效閃蒸器冷凝水閃蒸量、各效蒸發(fā)器的溶液濃度、各效蒸發(fā)器傳熱面積等參數(shù).本文中數(shù)學(xué)模型具體計算公式參見文獻(xiàn)[4].

2 海水淡化制水成本計算模型

本文中討論的海水淡化制水成本計算模型主要分為兩部分：一部分為投資費(fèi)用，另一部分為運(yùn)行費(fèi)用.本文中研究的制水成本模型中主要包括電廠由于低真空運(yùn)行使得煤耗增加而產(chǎn)生的費(fèi)用和海水淡化系統(tǒng)中各設(shè)備的運(yùn)行和折舊費(fèi)用.模型中尚未考慮真空系統(tǒng)的費(fèi)用、燃料煤價格的波動情況、人員費(fèi)用、海水預(yù)處理費(fèi)用及土建工程的費(fèi)用.

（1）對于低真空運(yùn)行，在保證發(fā)電量不變的情況下，標(biāo)準(zhǔn)煤耗率增加，則全年制水燃料成本費(fèi)用（元/a）為

式中：θ為系統(tǒng)年運(yùn)行時間（本文取8 760h）；C1為鍋爐標(biāo)準(zhǔn)煤單價，元/t（本文取450元/t）；Pe為電廠的額定發(fā)電功率；Δbs為低真空工況對發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率的增量影響.

（2）蒸發(fā)器年折舊費(fèi)用及維修費(fèi)J2、冷凝水閃蒸器年折舊費(fèi)用J3、冷凝器的年折舊費(fèi)用J4、預(yù)熱器的年折舊費(fèi)用J5、海水淡化系統(tǒng)各類泵的折舊及運(yùn)行費(fèi)用J6的計算方法均見文獻(xiàn)[4].

（3）單位產(chǎn)量淡水成本模型可表示如下：

式中：J為單位產(chǎn)量淡水成本，為淡水產(chǎn)量，kg/h.

3 計算結(jié)果與分析

3.1 水電聯(lián)產(chǎn)方式對于電廠熱經(jīng)濟(jì)性的影響

本文針對 N300－16.17/550/550的凝汽式汽輪機(jī)組進(jìn)行水電聯(lián)產(chǎn)熱力計算，首先固定水電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)效數(shù)為7，并設(shè)計系統(tǒng)為含預(yù)熱器的串聯(lián)流程，計算結(jié)果如表1所示.

表1 N300－16.17/550/550原工況及低真空工況主要熱經(jīng)濟(jì)指標(biāo)Tab.1 N300－16.17/550/550main thermo－economics index under design condition and low－vacuum condition

從表1計算結(jié)果可以得出：低真空運(yùn)行排汽溫度為70℃時汽輪機(jī)的排汽量比原工況增加了8.09%，發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗增加了9.95%，全廠能源利用率由原來的38.85%上升到80.98%.分析上述變化的原因?yàn)槿珡S綜合能源利用率包括發(fā)電效率和制水效率兩項，因制水使發(fā)電效率下降，制水效率上升，兩者之和導(dǎo)致綜合能源利用率呈大幅上升趨勢.全廠能源利用率提高的本質(zhì)原因是制水過程充分利用了原來電廠排汽部分的冷源損失，因此對于電廠而言，低真空運(yùn)行模式下水電聯(lián)產(chǎn)方式大大提高了電廠的能源利用率.

3.2 水電聯(lián)產(chǎn)方式對制水成本及制水規(guī)模的影響

如圖2所示，本文在固定排汽溫度為70℃時，分析了不同裝機(jī)容量下效數(shù)的變化對制水成本的影響.當(dāng)效數(shù)一定時，制水成本隨裝機(jī)容量的增大而明顯降低，因此可以得出結(jié)論，低真空運(yùn)行模式下的水電聯(lián)產(chǎn)方式適宜用于較大裝機(jī)容量的海水淡化系統(tǒng)，有利于制水成本的降低；當(dāng)裝機(jī)容量一定時，制水成本隨效數(shù)的增加而降低，但是降低的幅度非常小，因此在裝機(jī)容量固定的前提下通過改變效數(shù)來降低制水成本的效果不是很明顯.

圖3 制水成本和發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率隨排汽溫度的變化Fig.3 Effects of exhaust steam temperature on water cost and coal rate

圖4 各效溫差為3℃時不同排汽溫度下制水成本隨效數(shù)的變化Fig.4 Effect of the number of evaporators on water cost under different exhaust steam temperatures（Δt＝3℃）

圖2 不同裝機(jī)容量下制水成本隨效數(shù)的變化Fig.2 Effect of number of evaporators on water cost under different water production

如圖3所示，本文還分析了在充分利用汽輪機(jī)的排汽作為MED的首效加熱蒸汽，效數(shù)固定為7時，排汽溫度的變化對制水成本的影響.由圖可見，制水成本隨排汽溫度的降低而降低，發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率隨排汽溫度的降低而降低，從而導(dǎo)致J1部分成本降低，因此總制水成本得到降低.

一般在選取末效二次蒸汽溫度時均應(yīng)保證大于35℃，當(dāng)“等溫差”選取為3℃時，以溫度分別為55、60、65和70℃的汽輪機(jī)低真空運(yùn)行后的排汽直接作為低溫多效蒸餾海水淡化系統(tǒng)的加熱汽源，并對該水電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行熱力設(shè)計計算，結(jié)果如圖4和5所示.可以看出，在汽輪機(jī)排汽參數(shù)不變的前提下，制水成本隨效數(shù)的增加而降低，淡水產(chǎn)量隨效數(shù)的增加而增加；在效數(shù)不變的前提下，制水成本隨汽輪機(jī)排汽溫度的升高而增大，淡水產(chǎn)量隨排汽溫度的變化很小.因此在設(shè)計系統(tǒng)時可以參考如下結(jié)論：在滿足相應(yīng)的淡水需求量的前提下可以盡量安排蒸發(fā)器效數(shù)最大，而為了使制水成本最低可以盡量降低排汽溫度.在本文的計算范圍內(nèi)，對計算結(jié)果進(jìn)行優(yōu)選后可以得出如表2所示的結(jié)論.

圖5 各效溫差為3℃時不同排汽溫度下淡水產(chǎn)量隨效數(shù)的變化Fig.5 Effect of the number of evaporators on water production under different exhaust steam temperatures（Δt＝3℃）

表2 各效溫差為3℃時不同淡水需求量下最佳排汽溫度和最佳效數(shù)的選擇Tab.2 The optimal exhaust steam temperature and the number of evaporators under different water production（Δt＝3℃）

當(dāng)“等溫差”選取為2℃時，同樣仍以排汽溫度分別為55、60、65和70℃的加熱汽源作為研究對象，計算結(jié)果如圖6、7所示，此時不同淡水量需求下優(yōu)選出的最佳排汽溫度和最佳效數(shù)如表3所示.從表2和3中的對比中可以得出如下結(jié)論：當(dāng)“等溫差”減小時，制水成本總體都有所上漲，但是滿足不同淡水需求量下的最佳排汽溫度會降低，蒸發(fā)器最佳效數(shù)保持不變.

圖6 各效溫差為2℃時不同排汽溫度下制水成本隨效數(shù)的變化Fig.6 Effect of the number of evaporators on water cost under different exhaust steam temperatures（Δt＝2℃）

圖7 各效溫差為2℃時不同排汽溫度下淡水產(chǎn)量隨效數(shù)的變化Fig.7 Effect of the number of evaporators on water production under different exhaust steam temperatures（Δt＝2℃）

表3 各效溫差為2℃時不同淡水需求量下最佳排汽溫度和最佳效數(shù)的選擇Tab.3 The optimal exhaust steam temperature and the number of evaporators under different water production（Δt＝2℃）

4 結(jié) 論

（1）低真空運(yùn)行后隨著汽輪機(jī)排汽溫度的升高，進(jìn)汽量相應(yīng)增加，電廠的發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率增加，但是聯(lián)產(chǎn)后全廠能源利用率大幅上升.

（2）當(dāng)效數(shù)一定時，制水成本隨裝機(jī)容量的增長而明顯降低，因此可以得出結(jié)論，低真空運(yùn)行模式下的水電聯(lián)產(chǎn)方式適宜用于較大裝機(jī)容量的海水淡化系統(tǒng)，有利于制水成本的降低；當(dāng)裝機(jī)容量一定時，制水成本隨效數(shù)的增加而降低，但是降低的幅度非常小，因此在裝機(jī)容量固定的前提下通過改變效數(shù)來降低制水成本的效果不是很明顯.

（3）在充分利用汽輪機(jī)的排汽作為 MED的首效加熱蒸汽，效數(shù)固定為7時，發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率隨排汽溫度的降低而降低，從而導(dǎo)致制水成本隨排汽溫度的降低而降低.

（4）在各效溫差為3℃時，在汽輪機(jī)排汽參數(shù)不變的前提下，制水成本隨效數(shù)的增加而降低，淡水產(chǎn)量隨效數(shù)的增加而增加；在效數(shù)不變的前提下，制水成本隨汽輪機(jī)排汽溫度的升高而增大，淡水產(chǎn)量隨排汽溫度的變化很小.因此在設(shè)計系統(tǒng)時可以參考如下結(jié)論：在滿足相應(yīng)的淡水需求量的前提下可以盡量安排蒸發(fā)器效數(shù)最大，而為了使制水成本最低可以盡量降低排汽溫度.

（5）當(dāng)“等溫差”減小時，制水成本總體都有所上漲，但是滿足不同淡水需求量下的最佳排汽溫度會降低，蒸發(fā)器最佳效數(shù)保持不變.

[1] EL－NASHAR A M.Cogeneration for power and desalination — state of the art review [J].Desalination，2001，134（1－3）：7－28

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[4] ZHANG Xiao－man，LIU Xiao－h(huán)ua，SHEN Shengqiang，etal.Optimization and analysis of heat，water and power cogeneration system [C]// The 4th International Conference on Cooling and Heating Technologies.Jinhae：[s n]，2008：28－31