余熱利用低溫多效蒸餾海水淡化技術發(fā)展探討

曹開智,李 燕

(上海電站輔機廠有限公司,上海200090)

余熱利用低溫多效蒸餾海水淡化技術發(fā)展探討

曹開智,李 燕

(上海電站輔機廠有限公司,上海200090)

低溫多效蒸餾海水淡化裝置,是采用高品位的中低壓汽輪機蒸汽作為動力蒸汽。通過設置蒸汽噴射器和減溫裝置,實現(xiàn)與加熱蒸汽熱源參數(shù)的相互匹配。在常規(guī)設計方案中,存在噸水當量電耗偏高問題,導致低溫多效蒸餾海水淡化的運行成本較高,從而缺乏市場競爭力。探討了利用低品位乏汽和熱水余熱進行低溫多效蒸餾海水淡化的工藝方案,為低溫多效蒸餾海水淡化技術的發(fā)展提供借鑒和參考。

海水淡化;低溫多效蒸餾;汽輪機;噴射器;電耗;熱水;余熱;成本

0 概 述

據(jù)統(tǒng)計,當前仍有10多億人生活在水資源匱乏的地區(qū)。至2025年,預計人數(shù)可能上升至18億。根據(jù)國際脫鹽協(xié)會(IDA)預測,未來10年,海水淡化市場仍將維持較高速度增長。我國淡水資源的總量,約為2.8萬億m3,但人均水資源量僅為2 220 m3,被聯(lián)合國列為13個貧水國家之一。在全國657個城市中,有300個多城市存在淡水資源短缺的問題。我國“十三五”發(fā)展規(guī)劃中,已明確將海水淡化作為水資源的重要補充和戰(zhàn)略儲備。發(fā)展海水淡化技術,可增加水資源的總量、改善水資源的結構,也是解決我國沿海地區(qū)淡水短缺問題的重要途徑。

1 海水淡化主流技術

目前,大型海水淡化的主流技術較為多樣,主要采用的是多級閃蒸(MSF)、低溫多效(MED)和反滲透(RO)海淡技術。雖然,MSF的單臺規(guī)模大,運行穩(wěn)定可靠,但噸水投資和噸水電耗較高,工程應用主要集中在中東地區(qū)。MED同MSF相比,不僅擁有操作溫度低(TBT<70℃),結垢腐蝕傾向小、傳熱效率高,產品水水質好(TDS<5 mg/L)和負荷調節(jié)范圍大(40%~110%)等優(yōu)點,還有電耗比MSF低約3.0 k W·h/t的絕對優(yōu)勢。所以,MED是業(yè)內公認的第二代熱法海水淡化廠的主流技術,是熱法海水淡化技術發(fā)展的方向。

低溫多效蒸餾海水淡化通常采用高品位中低壓汽輪機蒸汽作為其動力蒸汽,通過設置的蒸汽噴射器(TVC)和減溫裝置配套設計實現(xiàn)MED加熱蒸汽熱源參數(shù)的匹配,形成水電聯(lián)產模式。該設計方案存在噸水當量電耗偏高問題,導致低溫多效蒸餾海水淡化運行成本缺乏市場競爭力。根據(jù)文獻[2]測算,對于抽取660 MW機組0.55 MPa、320℃的蒸汽進行制水,噸水當量電耗約為19 k W·h/t。在文獻[3]中,當300 MW機組處于不同排汽背壓時,分析了相對應的噸水單量電耗的變化趨勢。對于MED和RO的海淡技術,如果考慮較長運行周期(20~30年),并考慮反滲透膜元件的更換周期,在整個使用周期內,設備折舊費用所占的噸水成本比例較小。所以,影響MED噸水成本大小的關鍵變量,是熱源的成本。通過開發(fā)低成本甚至零成本的余熱利用技術,可大大降低熱源的成本,也是提升MED市場競爭力的重要手段。在MED工程應用方面,可利用余熱主要包括低品位乏汽和熱水兩種。

2 乏汽配套低溫多效蒸餾技術

2.1 后置機配套低溫多效蒸餾

由于MED加熱蒸汽溫度低,通常絕壓為35 k Pa之內的飽和蒸汽即可滿足加熱蒸汽要求。所以中低壓蒸汽在進入MED裝置前設置高背壓汽輪機(后置機)發(fā)電,發(fā)完電后的乏汽作為MED的加熱蒸汽。與傳統(tǒng)MED-TVC方案最大的不同在于,后置機方案取消TVC設置,增設后置機、發(fā)電機等設備。

現(xiàn)以火力發(fā)電機組為例,在系統(tǒng)布置時,采用與TVC方案相同的蒸汽源,從中壓缸引出蒸汽,通過管路輸送至后置機,推動汽機做功發(fā)電。后置機排放的乏汽,通過噴水減溫調節(jié)后,進入至MED系統(tǒng)制水。MED系統(tǒng)生產淡水一般經離子交換后,輸送回除氧器作為鍋爐補給水,再循環(huán)使用,也可經礦化處理后,直接輸送至生活水管網或工業(yè)用戶。電廠和后置機系統(tǒng)工藝流程簡圖,如圖1所示。

后置機配套MED技術,是將發(fā)電后排放的乏汽用于生產淡水,可明顯降低噸水當量電耗。但是相應地需要增加后置機及其配套設備等投資,同時兩系統(tǒng)的運行控制及運行維護需要考慮增加后置機,后的變化和應急措施,但技術方案完全是可行的。

圖1 MED配后置機及電廠原則性熱力系統(tǒng)

關于后置機配套MED技術的經濟性方面,現(xiàn)以某350 MW亞臨界機組熱電廠配套2×1萬t/d建設項目為例:汽輪機抽汽壓力0.4 MPa.a,溫度245℃。后置機配套MED和MED-TVC方案蒸發(fā)器效數(shù)均為七效,后置機方案造水比5.6,MEDTVC方案造水比10.2。兩種方案蒸發(fā)器首末效的參數(shù)完全一致,因此,最大程度地避免了因蒸發(fā)器本身的變量,造成對海淡效果的影響。后置機方案的最終凝汽量較大,不可避免地使凝汽器的體積增大,同時,配備的水泵容量也需加大,但兩種方案的總投資相差不多。蒸汽價格可按照實際焓降法計算,后置機配套MED與MED-TVC方案的經濟性計算結果,如表1所示。

從表1可知,同MED-TVC方案相比,后置機配套MED方案的噸水運行成本更具競爭優(yōu)勢。后置機配套MED方案配套兩套后置機新增配套投資預估4 000萬元估算,年利用用率為95%條件下,按理論計算,約2年半就能收回新增投資成本。另外需指出的是,后置機配套MED方案與MED-TVC方案的經濟性還受年利用率的影響,系統(tǒng)年利用率降低,直接體現(xiàn)為噸水設備折舊費的升高。具體變化趨勢,如圖2所示。

表1 后置機配套MED方案與MED-TVC方案的經濟性對比

圖2 后置機方案噸水價格優(yōu)勢與年利用率的關系

從圖2可知,當年利用率為70%時,后置機方案的噸水成本優(yōu)勢較為明顯。如果年利用率小于50%,后置機方案的噸水成本反而比MED-TVC方案的噸水成本高。

2.2 高背壓汽輪機配套低溫多效蒸餾技術

高背壓汽輪機配套MED技術主要是指適當提高汽輪機低壓缸排汽壓力,乏汽參數(shù)條件實現(xiàn)與MED的匹配設計,可以形成水電聯(lián)產模式。對于水電聯(lián)產項目整體而言,高背壓汽輪機配套MED方案通過利用發(fā)完電的乏汽作為MED的加熱蒸汽,實現(xiàn)能量的梯級利用,能量利用效率高。但是現(xiàn)今并沒有大型工業(yè)化工程應用案例,整個機組采用高背壓排汽方案時,還存在某些問題。

(1)高背壓低壓缸排汽量比較大,僅適用于大容量海水淡化項目。

(2)高背壓低壓乏汽蒸汽比容大,現(xiàn)有汽機廠房排汽管道布置存在較大困難。

(3)電廠機組和MED系統(tǒng)聯(lián)動匹配、運行可靠性和安全性存在不確定性,特別是電廠機組變負荷運行、聯(lián)鎖保護和突發(fā)故障切換等相關運行控制技術有待解決。

高背壓排汽方案配套MED技術雖然能量利用效率高,并且可以實現(xiàn)水電聯(lián)產整體解決方案,但是未來如果要實現(xiàn)工業(yè)化應用,必須首先解決這些相關問題。

3 熱水閃蒸配套低溫多效蒸餾技術

熱水閃蒸配套MED技術,主要是熱水閃蒸出來的蒸汽作為MED的加熱蒸汽,熱水閃蒸系統(tǒng)和MED系統(tǒng)進行耦合設計。以帶間接換熱器的熱水閃蒸配套MED工藝流程為例,高溫熱水來水通過設置間接換熱加熱閉式循環(huán)水,換熱后的高溫閉式循環(huán)水進入熱水閃蒸罐閃蒸,閃蒸出來的蒸汽作為MED蒸發(fā)器第一效的加熱蒸汽,蒸發(fā)器第一效的凝結水與閃蒸罐中未閃蒸的循環(huán)水混合后再次進入間接換熱器。具有間接換熱器的熱水閃蒸配套MED簡單工藝流程,如圖3所示。

圖3 帶間接換熱器的熱水閃蒸配套MED工藝流程

熱水閃蒸配套MED的真空系統(tǒng),也可以設置成水環(huán)真空,以滿足系統(tǒng)真空度的要求,此時,僅需具備熱水熱源,不需要蒸汽就可以生產高品質的淡水,MED有望延伸應用至沿海石油化工、鋼鐵等熱水資源豐富領域。經調研,在國內鋼鐵、化工等行業(yè),擁有豐富的低品位熱水余熱資源,其成本幾乎可以忽略不計,甚至需要設置額外的冷卻裝置來進行冷卻。所以熱水熱源(如考慮熱效率,熱水溫度最好在80℃以上)與MED相結合,將實現(xiàn)余熱資源回收再利用,提高MED的市場競爭力。以國內某石化廠配套海水淡化項目為例,熱水閃蒸配套MED方案與MED-TVC方案經濟性比較,如表2所示。

從表2可知,如果熱水成本忽略不計,那么熱水閃蒸配套MED噸水運行成本約為2.17元/噸,同MED-TVC方案相比,經濟性指標擁有非常顯著的價格優(yōu)勢。采用熱水閃蒸配套MED技術比較經濟,且節(jié)能環(huán)保。但是,國內外有關熱水配套MED技術,基本上還停留在基礎研究和實驗研究階段。目前,單機萬噸級大型裝置的工程案例比較少。經過多年自主開發(fā)和工程經驗的積累,上海電氣自主開發(fā)的熱水閃蒸一體化配套MED專利技術,已獲得工程訂單,有望在2018年,實現(xiàn)熱水閃蒸配套MED單機萬噸級工程示范項目的突破。

表2 熱水閃蒸配套MED與MED-TVC方案對比

在理論上,熱水的余熱回收利用配套MED技術,就是余熱回收換熱設備和閉式循環(huán)水配套MED工藝的耦合。通過余熱回收換熱設備,將回收的熱量傳遞給冷側的閉式循環(huán)水,其它工藝與熱水閃蒸配套MED技術相同。如果熱源擁有乏汽、熱水和中壓蒸汽,那么系統(tǒng)的整體方案和運行模式將更復雜,需要根據(jù)熱源條件和運行模式,按切換要求進行系統(tǒng)的匹配設計。但在經濟性的評估上,需要增加余熱回收設備的投資成本和項目的運行成本。

4 結 語

低溫多效蒸餾海水淡化通常采用高品位中低壓汽輪機蒸汽作為其動力蒸汽,通過設置的蒸汽噴射器和減溫裝置配套設計來實現(xiàn)MED加熱蒸汽熱源參數(shù)的匹配,但存在噸水當量電耗偏高問題,導致運行成本缺乏市場競爭力。相同容量的后置機配套MED方案與MED-TVC方案相比,海水淡化部分項目總投資可以近似認為相同,后置機配套MED方案的經濟指標具有一定優(yōu)勢,但還受年利用率的影響,并且年利用率降低對后置機配套MED方案的影響更大。雖然在高背壓排汽方案配套MED方案中,能量的利用效率高,并可實現(xiàn)水電聯(lián)產的整體解決方案,但要實現(xiàn)工業(yè)化應用,還需解決相關問題。熱水閃蒸配套MED技術主要是實現(xiàn)熱水閃蒸罐與MED耦合設計。如果熱水成本忽略不計,其噸水運行成本擁有顯著的競爭優(yōu)勢。

[1]王世昌.海水淡化工程[M].北京:化學工業(yè)出版社,2003.

[2]王進.不同供汽方式下低溫多效海水淡化系統(tǒng)的研究[D].華北電力大學,2013.

[3]張奭.300MW背壓汽輪發(fā)電機組與海水淡化裝置聯(lián)合方式探討[J].華北電力技術,2010(10):30-38.

[4]Gustavo Kronenberg.Cogenaration with the MED desalination process[J].Desalination,1996(108):287-294.

[5]Gustavo Kronenberg,Fredi Lokiec.Low temperature distillation processes in single and dual-purpose plants[J].Desalination, 2001(136):189-197.

[6]鄭曉霞,郭民,董愛華.MED+TVC及背壓機MED海水淡化系統(tǒng)方案比較[J].機械工程師,2013(3):165-167.

[7]康松.汽輪機原理[M].北京:中國電力出版社,2000.

[8]鄭體寬.熱力發(fā)電廠[M].北京:中國電力出版社,2008.

[9]鄧潤亞.海水淡化系統(tǒng)能量綜合利用與經濟性研究[D].中國科學院工程熱物理研究所,2009.

Discussion on Low Temperature Multiple Effect Distillation Coupled with Waste HeatTechnological Development

CAO Kai-zhi,LI Yan
(Shanghai Auxiliary Power Equipment Co.,Ltd.,Shanghai 200090,China)

Low temperature multi effect distillation seawater desalination process system usually adopts medium and low-pressure turbine steam with high quality as its heating vapor,which is designed with thermal vapor compressor and desuperheater so as to meet the heating steam requirements.The traditional design has the high equivalent power consumption of product water problem that leads to high operational cost and lack market competition.The process proposal of low temperature multi effect distillation seawater desalination technology coupled with two types of waste heat utilization includes low grade steam and hot water are discussed that will help to provide reference for the low temperature multi effect distillation seawater desalination technology future development.

desalination;low temperature multiple effect distillation;steam turbine;thermal vapor compressor; power consumption;hot water;waste heat;cost

TP747

A

2017-06-07

曹開智(1980-),工程師,研究生,畢業(yè)于大連理工大學,從事海水淡化技術開發(fā)及工程設計方面的工作。