太陽能海水淡化技術

姜曉霞

（哈爾濱汽輪機廠輔機工程有限公司，哈爾濱 150090）

1 引言

我國屬于太陽能資源儲量豐富的國家之一，年日照時數(shù)大于2000h的地區(qū)面積約占全國總面積的2/3 以上。其中，有條件發(fā)展太陽能電站的沙漠和戈壁面積約為30 萬平方公里，占我國沙漠總面積的23%，積極開發(fā)利用太陽能資源是解決我國能源問題以及環(huán)境問題的最有效的措施。

對于水資源，我國人均占有水量只居世界的第108位，相當于世界人均水平的1/4。缺水城市占全國城市的2/3，被列為世界上13個貧水國之一。發(fā)展海水淡化技術，向海洋索取淡水已成為現(xiàn)代社會的當務之急。利用太陽能海水淡化不僅緩解了能源壓力，環(huán)境危機，也緩解了地區(qū)性缺水問題。對緩解當代水資源短缺、供需矛盾日趨突出和環(huán)境污染日益嚴重等系列重大問題具有深遠的戰(zhàn)略意義。

2 太陽能海水淡化簡介

隨著太陽能熱利用技術以及海水淡化技術的不斷成熟，目前世界上海水淡化應用最廣泛的方法有蒸餾法、膜法和電滲析法等。其中蒸餾法包括多效蒸發(fā)（MED）、閃蒸（flash）。膜法包括反滲透（RO）法以及膜法蒸餾（MD）。而這些方法都可以利用太陽能作為其驅(qū)動能源。其中膜法與電滲析大多與光伏利用結合，蒸餾法與光熱利用相結合。

現(xiàn)有淡化技術中，蒸餾淡化技術最成熟、運行安全性高、適用范圍廣、單機規(guī)模大。

國外太陽能海水淡化技術已有較長時間的發(fā)展，過去二三十年內(nèi)，建造了大量的太陽能海水淡化系統(tǒng)，其中部分至今仍在運行。然而，由于國內(nèi)相對落后的太陽能利用技術，以太陽能作為能源，尤其使用聚光集熱方法的太陽能海水淡化系統(tǒng)尚無應用，需加大研究力度。

3 太陽能海水淡化系統(tǒng)技術方案

太陽能自身的特點是可收集能量的不連續(xù)性。而太陽能海水淡化系統(tǒng)要保證淡化島的連續(xù)運行，淡化島部分不能隨著太陽的起落而每日起停，所以要解決收集不到太陽能時段系統(tǒng)輸入能量的途徑問題。一種方式是采用蓄熱裝置，沒有太陽時利用蓄熱裝置供汽驅(qū)動淡化島。這種方式對于蓄熱部分設計要求較高，根據(jù)地區(qū)性氣候確定蓄熱時間。如果蓄熱時間太短，連續(xù)陰雨天就要停下淡化島；如果蓄熱時間太長則蓄熱部分投資太大，系統(tǒng)經(jīng)濟性不好。而且熔鹽系統(tǒng)需要較高的保溫要求，系統(tǒng)復雜。另一種方式是采用鍋爐與太陽能結合的形式來保證淡化島的連續(xù)運行。該系統(tǒng)受天氣變化波動較小，能保持系統(tǒng)和設備的穩(wěn)定性，保證下游用水的穩(wěn)定性，而且不存在系統(tǒng)熔鹽防凝問題，系統(tǒng)簡練，易于控制。根據(jù)上述分析，設計系統(tǒng)為太陽能槽式集熱+燃氣鍋爐+MED 海水淡化的系統(tǒng)方案。

采用太陽能與燃氣鍋爐共同產(chǎn)生蒸汽驅(qū)動低溫多效海水淡化系統(tǒng)。在陰天或者晚上燃氣鍋爐100%負荷工作，晴好的白天燃氣鍋爐變工況運行，太陽能系統(tǒng)參與補汽，保證進入海水淡化系統(tǒng)的主蒸汽量保持一致。維持整個海水淡化系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。太陽能集熱系統(tǒng)采用槽式太陽能系統(tǒng)，導熱油在集熱管中吸取太陽能后經(jīng)過油水換熱器（蒸發(fā)器）產(chǎn)生出海水淡化系統(tǒng)所需參數(shù)的主蒸汽。

本方案太陽島部分采用槽式太陽能集熱工藝，采用國外高科技集熱管材，對太陽能的吸收率可達到96%。采用6m 開口，利用二次反射集熱技術，充分采集太陽能［2］，導熱油在集熱管內(nèi)吸收太陽能后在蒸發(fā)器內(nèi)與水發(fā)生熱量交換，產(chǎn)生海水淡化系統(tǒng)所需條件的蒸汽。設計擬采用45t/h的補汽量。與燃氣鍋爐一起保證整個系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

圖1 太陽能槽式集熱+燃氣鍋爐+MED 海水淡化系統(tǒng)方案

海水淡化系統(tǒng)采用低溫多效蒸餾系統(tǒng)（MED-TVC），單機出力不低于10000t/d，產(chǎn)品淡水的水質(zhì)TDS 不大于5mg/L。裝置年利用率大于98%，出力可在額定出力的40%～110%的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。

3.1 低溫多效蒸餾海水淡化系統(tǒng)方案

低溫多效蒸餾海水淡化系統(tǒng)主要由蒸發(fā)器、冷凝器和閃蒸罐組成?？紤]到經(jīng)濟和實際運行因素，常在蒸發(fā)器前加入預熱器來預熱海水，并在淡化系統(tǒng)內(nèi)加設蒸汽壓縮機（TVC）。

圖2 自主研發(fā)程序界面

低溫多效蒸餾海水淡化系統(tǒng)的熱力系統(tǒng)采用我公司自主研發(fā)程序計算。該程序經(jīng)過兩年的研發(fā)，已做過多次項目方案驗證，結果真實可靠?？勺鳛镸ED 系統(tǒng)熱力設計的基礎計算軟件［3］。

MED 海水淡化裝置蒸發(fā)器效數(shù)直接與裝置的造水比相關，每增加一效，其造水比大幅增加，因此，增加效數(shù)是提高MED 海水淡化裝置造水比的直接途徑。造水比增加，系統(tǒng)運行收益會增加，然而增加效數(shù)會直接導致系統(tǒng)初投資額的增加。為了確保系統(tǒng)的收益，必須對造水比和系統(tǒng)初投資進行優(yōu)化設計。

設計結果如表1 所示。

表1 海水淡化系統(tǒng)設計結果

3.2 系統(tǒng)換熱設備設計

太陽能海水淡化系統(tǒng)采用由73.5%的二苯醚和26.5%的聯(lián)苯組成的混合物作為換熱介質(zhì)。該介質(zhì)具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，最高油膜溫度可達400℃；具有較低的蒸汽壓；液相粘度較低系統(tǒng)阻力可相對減低；安全性較好，在正常使用的情況下幾乎不存在發(fā)生爆炸的危險；對設備無腐蝕。介質(zhì)在太陽能場溫度使用范圍控制在293℃～393℃之間。

利用HTRI進行系統(tǒng)換熱設備的計算。系統(tǒng)水汽側(cè)參數(shù)已知（回水采用第一效凝結水），由熱力計算確定油側(cè)相關參數(shù)。換熱系統(tǒng)采用預熱器-蒸發(fā)器-過熱器單列形式。換熱器均采用管殼式換熱器。

表2 換熱器設計條件

表3 換熱器設計結果

3.3 集熱場設計方案

聚光系統(tǒng)是系統(tǒng)的核心，由槽式拋物面反光鏡跟蹤裝置構成。跟蹤方式通常采用一維跟蹤，有南北、東西布置方式。

由28個反射鏡面（RP）和3個吸熱管（HCE）組成太陽能集收元件（SCE），由12個SCE 連接構成太陽能集收組合（SCA），4個SCA 組成一個回路（LOOP），回路的集合構成太陽集熱場區(qū)（SOF）。

鏡場中擬采用47個回路，其中每個回路長約600m，每個回路包含有1344 塊拋物面反射鏡，144個集熱管，4個鏡場驅(qū)動裝置（追日系統(tǒng)），系統(tǒng)總占地面積141 英畝。

太陽能集熱器組合（SCA）包括：鏡面、背架、集熱管、跟蹤系統(tǒng)（包括：驅(qū)動、控制和傳感器）。

4 太陽能海水淡化系統(tǒng)的經(jīng)濟性分析與系統(tǒng)優(yōu)化

太陽能光熱系統(tǒng)和海水淡化系統(tǒng)的成本分為建造成本和運行成本兩個部分，而蒸汽參數(shù)是連接兩個系統(tǒng)成本的中間橋梁。對于太陽能光熱系統(tǒng)，蒸汽參數(shù)的提升意味著初期建造成本和運行成本都會相應的提升，而相反的，對于海水淡化系統(tǒng)來說，綜合成本反而是呈下降趨勢的［4］。太陽能海水淡化系統(tǒng)作為一個整體系統(tǒng)，其經(jīng)濟性在很大程度上都取決于系統(tǒng)運行參數(shù)的選擇。在系統(tǒng)的熱力設計階段，太陽能光熱系統(tǒng)和海水淡化熱力系統(tǒng)的運行參數(shù)需要相互匹配，形成最具經(jīng)濟性的最為優(yōu)化的一個組合。

圖3 優(yōu)化設計流程

5 結論

太陽能海水淡化系統(tǒng)是綠色循環(huán)系統(tǒng)，系統(tǒng)耗用能源為清潔能源，海水淡化系統(tǒng)產(chǎn)生的淡化水用途主要有三個方面：（1）工業(yè)用水。產(chǎn)生淡水可以為工業(yè)用戶提供使用水；（2）民用。海水淡化系統(tǒng)產(chǎn)生淡水水質(zhì)可直接飲用或者直接作為耕地用水，改善沿海鹽堿地環(huán)境，改善農(nóng)耕；（3）可以提供太陽島清洗等用水。而淡化導致的濃鹽水供給下游鹽場，作為制鹽原料。這樣可以減少鹽場投入。

本方案集節(jié)能、減排、新能源、開源、降耗于一身，為新式能源利用模式提供技術保證。哈汽公司具備太陽能海水淡化系統(tǒng)的熱力設計、產(chǎn)品設計的能力，希望以后可以為整個產(chǎn)業(yè)的發(fā)展做出積極的貢獻。

［1］趙奎文，劉業(yè)鳳.潮汐能太陽能多效蒸餾海水淡化裝置的模擬與測試［J］.制冷技術，2008（2）：17-21.

［2］熊亞選，等.槽式太陽能聚光集熱技術［J］.太陽能，2009（6）：21-26.

［3］楊洛鵬，沈勝強.低溫多效蒸發(fā)海水淡化系統(tǒng)熱力分析［J］.化學工程，2006，34（11）：20-24.

［4］王世昌.海水淡化工程［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2003.