ORC驅(qū)動(dòng)RO海水淡化不同能量回收方式性能分析

劉秀龍， 曹 瀧， 徐進(jìn)良， 謝學(xué)旺,， 趙曉利

(1.華北電力大學(xué) 低品位能源多相流與傳熱北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102206)(2.河北省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，石家莊 050031)

水資源的緊缺已成為一個(gè)世界性問題，海水淡化以及苦咸水淡化是解決缺水的重要手段。反滲透海水淡化(RO)具有操作簡(jiǎn)單、能耗低、建設(shè)期短和凈化率高的特點(diǎn)，正日益成為海水淡化的主導(dǎo)技術(shù)[1]。由于反滲透需要高壓，所以高壓泵是反滲透海水淡化最核心的部件。中國(guó)現(xiàn)有的反滲透海水淡化多采用電驅(qū)動(dòng)，將消耗大量的電功，如果利用余熱或可再生能源驅(qū)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)機(jī)械直接驅(qū)動(dòng)高壓泵將可節(jié)省大量電能，同時(shí)也提高了余熱或可再生能源的利用率。

有機(jī)朗肯循環(huán)(ORC)是一種能有效利用中低溫?zé)崮艿募夹g(shù)，如工業(yè)余熱、地?zé)崮?、生物質(zhì)能和太陽(yáng)能等。若用ORC中的膨脹機(jī)作為反滲透海水淡化高壓泵的傳動(dòng)動(dòng)力，將電驅(qū)動(dòng)海水淡化轉(zhuǎn)化為機(jī)械驅(qū)動(dòng)反滲透海水淡化，再改進(jìn)有機(jī)朗肯循環(huán)與海水淡化的耦合方式，不僅可以省掉發(fā)電機(jī)的費(fèi)用，而且還大大提高整體的效率，使得每噸水所需要的耗熱大大減少。目前，國(guó)內(nèi)尚沒有ORC直接驅(qū)動(dòng)反滲透海水淡化系統(tǒng)的相關(guān)研究。在國(guó)外，Manolakos等[2]設(shè)計(jì)了有機(jī)朗肯循環(huán)驅(qū)動(dòng)反滲透海水淡化(ORC-RO)實(shí)驗(yàn)方案，系統(tǒng)中的高壓泵由膨脹機(jī)帶動(dòng)，進(jìn)入反滲透(RO)膜的海水首先進(jìn)入ORC系統(tǒng)的冷凝器來冷卻有機(jī)工質(zhì)，同時(shí)有機(jī)工質(zhì)將熱量傳遞給海水，有利于提高淡水的產(chǎn)率。隨后Manolakos及其團(tuán)隊(duì)搭建了實(shí)驗(yàn)臺(tái)，采用電加熱模擬低溫?zé)嵩碵3]和太陽(yáng)能熱源[4],驗(yàn)證了該實(shí)驗(yàn)方案技術(shù)上的可行性以及改變相關(guān)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響。Bouzayani等[5]將蒸汽輪機(jī)與發(fā)電機(jī)和反滲透海水淡化系統(tǒng)中的高壓泵同軸連接，并對(duì)3種使用不同能量回收方式的系統(tǒng)進(jìn)行建模計(jì)算。Geng等[6]以熱水為熱源，冷凝器中有機(jī)工質(zhì)的熱量用來預(yù)熱海水，采用固定蒸發(fā)器和冷凝器窄點(diǎn)溫差的辦法，系統(tǒng)不設(shè)過冷度和過熱度，海水淡化側(cè)不采用能量回收裝置，研究了混合工質(zhì)R600/R601a以及R600/R601的混合比例對(duì)ORC-RO復(fù)合系統(tǒng)性能的影響。但研究著眼于系統(tǒng)循環(huán)輸出功的性能，忽略了溫度對(duì)淡水產(chǎn)量的影響，RO裝置僅起到了負(fù)載的作用。Nafey等[7]對(duì)太陽(yáng)能耦合ORC-RO復(fù)合系統(tǒng)進(jìn)行了建模計(jì)算、分析和經(jīng)濟(jì)性分析，指出壓力交換器式(PES)系統(tǒng)比不采用能量回收裝置的BASIC系統(tǒng)和采用水力透平式(PWT)能量回收方式的系統(tǒng)更具經(jīng)濟(jì)性。

目前，現(xiàn)有的文獻(xiàn)關(guān)于ORC-RO復(fù)合系統(tǒng)的工質(zhì)篩選辦法和有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電的工質(zhì)篩選辦法本質(zhì)是一樣的，而其他關(guān)于ORC-RO復(fù)合系統(tǒng)的文獻(xiàn)多致力于太陽(yáng)能熱源[8-10]方面的研究。根據(jù)文獻(xiàn)[2]～文獻(xiàn)[6]的辦法，海水流量受到膨脹機(jī)功率的影響，且海水溫度每升高1 K，淡水產(chǎn)量提高2%～3%[11-12]，因此不能忽視冷凝器放熱對(duì)淡水回收率的影響。筆者以工業(yè)廢水為熱源，以海水為冷源，同時(shí)被預(yù)熱的海水進(jìn)入反滲透系統(tǒng)以提高淡水產(chǎn)量，根據(jù)文獻(xiàn)[13]和文獻(xiàn)[14]的混合工質(zhì)研究統(tǒng)計(jì)結(jié)果，選取相關(guān)研究最多的混合工質(zhì)R600a/R601a作為研究工質(zhì)，對(duì)使用不同能量回收裝置的ORC-RO復(fù)合系統(tǒng)的產(chǎn)水性能進(jìn)行比較，對(duì)于探索新型海水淡化系統(tǒng)及余熱利用具有重要意義。

1 ORC-RO海水淡化模型

1.1 復(fù)合系統(tǒng)工藝流程

反滲透海水淡化的操作壓力通常為5.8～7 MPa，所排放的濃海水壓力高達(dá)5.5～6.5 MPa[15]，仍含有60%左右的余壓能(按照淡水回收率40%計(jì)算)。對(duì)這一部分能量進(jìn)行回收利用可大大降低反滲透海水淡化系統(tǒng)的能耗。目前反滲透能量回收方式主要分為水力透平式和壓力交換器式，二者能量回收效率分別可達(dá)50%～80%和90%～97%[15-16]。圖1為有機(jī)朗肯循環(huán)驅(qū)動(dòng)反滲透海水淡化(ORC-RO)的3種能量回收方式系統(tǒng)流程圖。圖1(a)為不采用能量回收裝置的BASIC系統(tǒng)。基本過程如下：有機(jī)工質(zhì)在蒸發(fā)器內(nèi)吸收低品位熱量，形成具有一定過熱度的高溫高壓蒸汽，蒸汽在膨脹機(jī)內(nèi)膨脹做功，膨脹結(jié)束的蒸汽經(jīng)過冷凝器將熱量傳遞給海水，并冷凝為具有一定過冷度的液體。工質(zhì)泵將冷凝器的液態(tài)工質(zhì)送回蒸發(fā)器，完成整個(gè)循環(huán)。有機(jī)朗肯循環(huán)中的膨脹機(jī)與高壓泵采用同軸連接或皮帶輪連接，高壓泵在膨脹機(jī)帶動(dòng)下對(duì)海水進(jìn)行升壓，高壓海水經(jīng)過RO膜分離出淡水進(jìn)入淡水箱，濃海水則進(jìn)入大海。圖1(b)為采用PWT能量回收裝置的ORC-RO復(fù)合系統(tǒng)，RO膜排出的高壓濃海水沖擊水力透平PWT，PWT將機(jī)械能傳遞給高壓泵，使其能將更多的海水進(jìn)行升壓，能量回收方式較為簡(jiǎn)單。圖1(c)為采用PES能量回收裝置的ORC-RO復(fù)合系統(tǒng)流程圖，RO膜排出的高壓濃海水經(jīng)過壓力交換器直接將壓力能傳遞給進(jìn)入增壓泵的濃海水，由于濃海水及壓力交換器中有小部分的能量損失，使得增壓泵進(jìn)口的壓力略小于高壓泵的出口壓力，需要增壓泵進(jìn)行進(jìn)一步的增壓后再進(jìn)入RO膜中。

1.2 熱力學(xué)分析與產(chǎn)水模型

建立圖1系統(tǒng)的熱力學(xué)模型，系統(tǒng)無回?zé)?，并進(jìn)行如下假設(shè)：(1)系統(tǒng)處于穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)；(2)各種流道內(nèi)壓降損失忽略不計(jì)。

(a)BASIC系統(tǒng)

(b)PWT能量回收系統(tǒng)

(c)PES能量回收系統(tǒng)

圖2為有機(jī)朗肯循環(huán)的4個(gè)基本熱力過程。其中圖2(a)為純工質(zhì)有機(jī)朗肯循環(huán)T-s圖，圖2(b)為冷凝器夾點(diǎn)在b處的混合工質(zhì)T-s圖，圖2(c)為冷凝器夾點(diǎn)在3點(diǎn)處的混合工質(zhì)T-s圖。所謂夾點(diǎn)是指換熱器最小傳熱溫差點(diǎn)。由于不設(shè)過冷度和過熱度，圖2(a)的蒸發(fā)器夾點(diǎn)和冷凝器夾點(diǎn)分別為圖中的a點(diǎn)和b點(diǎn)。由于在定壓蒸發(fā)或冷凝過程中，非共沸混合工質(zhì)的相變過程具有溫度“滑移”(即等壓露點(diǎn)溫度與等壓泡點(diǎn)溫度之差)的熱力學(xué)特征，所以?shī)A點(diǎn)位置可能會(huì)改變。Song等[17]指出當(dāng)相變區(qū)冷源溫升大于工質(zhì)的溫度滑移時(shí)，冷凝器夾點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)在圖2(b)中的b點(diǎn)，即露點(diǎn)。當(dāng)相變區(qū)冷源溫升小于工質(zhì)的溫度滑移時(shí)，冷凝器夾點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)在圖2(c)中的3點(diǎn)，即泡點(diǎn)。由于本文的計(jì)算條件熱源進(jìn)、出口溫差較大，所以蒸發(fā)器夾點(diǎn)都是圖2中的a點(diǎn)。

有機(jī)工質(zhì)在蒸發(fā)器(4-1過程)內(nèi)吸熱量Qeva為

(1)

(a)純工質(zhì)T-s圖

(b)b點(diǎn)為夾點(diǎn)的混合工質(zhì)T-s圖

(c)3點(diǎn)為夾點(diǎn)的混合工質(zhì)T-s圖

有機(jī)蒸汽膨脹(1-2過程)做功Wexp為

Wexp=qm,r(h1-h2)=ηsqm,r(h1-h2s)

(2)

式中：h2為膨脹機(jī)出口工質(zhì)焓值；h2s為膨脹機(jī)等熵膨脹所對(duì)應(yīng)膨脹機(jī)出口焓值；ηs為膨脹機(jī)等熵效率。

工質(zhì)在冷凝器(2-3過程)的放熱量Qcon為

(3)

工質(zhì)泵對(duì)工質(zhì)做功(3-4過程)Wp為

(4)

式中：h4s為工質(zhì)泵出口等熵焓值；ηp,s為工質(zhì)泵的等熵效率。

ORC系統(tǒng)輸出凈功Wnet為

Wnet=Wexp-Wp=Qeva-Qcon

(5)

蒸發(fā)器夾點(diǎn)溫差為

ΔTH=Th,x-Ta

(6)

式中：Th,x為蒸發(fā)器夾點(diǎn)位置所對(duì)應(yīng)的熱水溫度；Ta為蒸發(fā)器有機(jī)工質(zhì)的泡點(diǎn)溫度。

冷凝器夾點(diǎn)在右側(cè)(b點(diǎn))，則夾點(diǎn)溫差為

ΔTc=Tb-Tc,x

(7)

式中：Tb為冷凝器有機(jī)工質(zhì)的露點(diǎn)溫度；Tc,x為冷凝器夾點(diǎn)位置所對(duì)應(yīng)的海水溫度。

冷凝器夾點(diǎn)在左側(cè)(3點(diǎn))，則夾點(diǎn)溫差為

ΔTc=T3-Tc,i

(8)

式中：T3為冷凝器有機(jī)工質(zhì)的泡點(diǎn)溫度。

圖1(a)和圖1(c)系統(tǒng)中利用膨脹機(jī)驅(qū)動(dòng)高壓泵，因此膨脹機(jī)傳遞給高壓泵的功率計(jì)算公式為

(9)

式中：ΔpHpp為高壓泵進(jìn)出口壓差；qV,sw1為進(jìn)入高壓泵的海水體積流量；ηHpp為高壓泵運(yùn)行效率；ηm為膨脹機(jī)與高壓泵間的機(jī)械傳動(dòng)效率。

海水淡化的淡水回收率[12]：

(10)

式中：R0為25 ℃時(shí)RO膜的回收率；qV,p為淡水產(chǎn)量;qV,sw為進(jìn)入RO膜的海水體積流量。

PWT能量回收系統(tǒng)利用水力透平和膨脹機(jī)共同作用于高壓泵，PWT傳遞給高壓泵的功率為

WPWT=ηPWTqV,sw(1-R)(p1-p0)

(11)

式中：ηPWT為水力透平能量回收效率；p1、p0分別為RO膜出口濃海水壓力和大氣壓力。

PES能量回收系統(tǒng)中壓力交換器傳遞給增壓泵海水的能量為

EPES=ηPESqV,sw(1-R)(p1-p0)

(12)

式中：ηPES為壓力交換器能量回收效率。

其增壓泵的體積流量為

qV,sw2=EPES/(p2-p3)

(13)

式中：p2、p3分別為增壓泵進(jìn)口海水壓力和冷凝器出口海水壓力。

1.3 復(fù)合系統(tǒng)性能計(jì)算流程

有機(jī)工質(zhì)的熱力性能參數(shù)來自軟件REFPROP 9.1，計(jì)算模擬過程用Matlab調(diào)用REFPROP 9.1。由于大量ORC計(jì)算文獻(xiàn)均采用固定蒸發(fā)器和冷凝器夾點(diǎn)溫差進(jìn)行迭代計(jì)算[6,17-18],筆者直接給定夾點(diǎn)溫差。復(fù)合系統(tǒng)計(jì)算固定條件見表1[5,6,18]。

表1 復(fù)合系統(tǒng)計(jì)算條件

模擬計(jì)算過程如下：(1)首先輸入表1復(fù)合系統(tǒng)計(jì)算所需要的固定參數(shù)，輸入工質(zhì)R600a/R601a第一組分的比例x和冷凝器海水進(jìn)口溫度Tc.i(以下簡(jiǎn)稱冷凝器進(jìn)水溫度)；(2)假定冷凝器工質(zhì)開始冷凝的溫度為Tb，然后再給定一個(gè)工質(zhì)在蒸發(fā)器開始蒸發(fā)的溫度Ta，迭代計(jì)算相關(guān)的熱力參數(shù)，直到滿足蒸發(fā)器的夾點(diǎn)溫差，證明Ta滿足條件；(3)給定冷凝器海水流量或根據(jù)系統(tǒng)軸功計(jì)算出海水流量，再計(jì)算冷凝器的夾點(diǎn)溫差是否滿足條件，若不相等則重新假定工質(zhì)的冷凝溫度，然后給定蒸發(fā)溫度，如此反復(fù)進(jìn)行循環(huán)計(jì)算。

2 計(jì)算結(jié)果與討論

在系統(tǒng)相同吸熱量條件下，比較了R600a/R601a不同混合比例對(duì)3種復(fù)合系統(tǒng)性能的影響。同時(shí)由于冷凝器進(jìn)水量受到膨脹機(jī)輸出功率的制約，還分析了一年四季冷凝器進(jìn)水溫度對(duì)系統(tǒng)性能的影響。R600a和R601a的性質(zhì)參數(shù)見表2,其中ODP為對(duì)臭氧層破壞的潛能值,GWP為溫室效應(yīng)潛能值。

表2 工質(zhì)性質(zhì)參數(shù)

2.1 系統(tǒng)性能對(duì)比

海水溫度越高，反滲透淡水回收率越高，但是反滲透膜允許工作溫度不能超過45 ℃。保守起見，筆者在海水溫度較高時(shí)，需要通過調(diào)節(jié)原水泵增大冷凝器的流量以限制冷凝器出口海水溫度(即高壓泵進(jìn)水溫度)不超過40 ℃，此時(shí)冷凝器多余的海水由放水閥排出，其余海水由高壓泵和增壓泵吸走。

圖3為渤海年平均水溫為12 ℃時(shí)，R600a/R601a不同混合比例對(duì)3種復(fù)合系統(tǒng)循環(huán)凈功的影響，冷凝器的海水流量由膨脹機(jī)的功率以及能量回收裝置的能量耦合計(jì)算得出(見式(9)～式(13))。該進(jìn)水溫度下冷凝器出口海水溫度能滿足RO膜的工作溫度范圍，所以不需要增加原水泵的流量以維持冷凝器出口的海水溫度，放水閥門處于關(guān)閉狀態(tài)。由圖3可知，PES系統(tǒng)的循環(huán)凈功要大于BASIC系統(tǒng)和PWT系統(tǒng)的循環(huán)凈功。這是因?yàn)镻ES系統(tǒng)能量回收效率高，所需的冷凝器進(jìn)水流量大，循環(huán)水升溫小，降低了ORC系統(tǒng)的冷凝溫度，導(dǎo)致循環(huán)凈功增大。但是當(dāng)R600a的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.2～0.7時(shí)，PES系統(tǒng)的循環(huán)凈功和PWT系統(tǒng)的循環(huán)凈功基本相等。這是因?yàn)镻ES系統(tǒng)和PWT系統(tǒng)的冷卻水流量很大，導(dǎo)致冷凝器進(jìn)、出口海水溫升小于工質(zhì)的溫度滑移(如圖4所示)，使冷凝器的夾點(diǎn)出現(xiàn)在圖2(c)中的3點(diǎn)，即夾點(diǎn)左移[17]。此時(shí)冷卻水流量的增加不會(huì)增加系統(tǒng)的循環(huán)凈功，反而使冷凝器損失增加。

圖3 R600a/R601a混合比例對(duì)循環(huán)凈功的影響

圖4為渤海年平均水溫為12 ℃時(shí)，R600a/R601a不同混合比例對(duì)冷凝器相變區(qū)工質(zhì)溫度滑移和海水溫升的影響。由于3個(gè)系統(tǒng)在冷凝器中工質(zhì)滑移溫度基本相等，所以圖中用一條拋物線來表示工質(zhì)的溫度滑移。但是海水溫升線不同，PES系統(tǒng)冷卻水流量大，海水溫升最小，混合比例不同則冷凝器夾點(diǎn)位置也不同。BASIC系統(tǒng)冷卻水流量最小，海水溫升最大，大于工質(zhì)的溫度滑移，冷凝夾點(diǎn)一直在圖2(b)中的b點(diǎn)，即夾點(diǎn)在右側(cè)。對(duì)比圖3可知，圖4中工質(zhì)滑移溫度與海水溫升越接近，則冷凝器換熱匹配越好，損失越小，循環(huán)輸出功率越大。在R600a質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2～0.7時(shí)，PWT系統(tǒng)和PES系統(tǒng)的海水溫升明顯偏離了工質(zhì)溫度滑移，因此循環(huán)凈功較小。由于BASIC系統(tǒng)的海水溫升大于工質(zhì)的溫度滑移，所以其循環(huán)凈功僅有一個(gè)極大值點(diǎn)，而PWT系統(tǒng)和PES系統(tǒng)有2個(gè)混合工質(zhì)比例使工質(zhì)滑移溫度與海水溫升相等，所以存在2個(gè)循環(huán)輸出功極值點(diǎn)。

圖4 R600a/R601a混合比例對(duì)冷凝器相變區(qū)工質(zhì)溫度滑移和海水溫升的影響

圖5為渤海年平均水溫為12 ℃時(shí)，R600a/R601a不同混合比例對(duì)3種復(fù)合系統(tǒng)淡水產(chǎn)量的影響。由圖5可以看出，BASIC系統(tǒng)的最大淡水產(chǎn)量為5.04 kg/s，PWT系統(tǒng)的最大淡水產(chǎn)量為6.99 kg/s，PES系統(tǒng)的最大淡水產(chǎn)量為11.61 kg/s。PES系統(tǒng)比PWT系統(tǒng)淡水產(chǎn)量提高66.09%，比BASIC系統(tǒng)淡水產(chǎn)量提高130.36%。但是淡水產(chǎn)量越高，系統(tǒng)越復(fù)雜，成本也越高，控制難度也將增加。取原水泵揚(yáng)程為20 m、效率為0.8，冷凝器進(jìn)水溫度為12 ℃，發(fā)電機(jī)效率取0.95，機(jī)械傳動(dòng)效率取0.97，如果將有機(jī)朗肯循環(huán)輸出功轉(zhuǎn)化為電能來驅(qū)動(dòng)海水淡化，海水不經(jīng)過冷凝器預(yù)熱，相同功耗(膨脹機(jī)輸出功、工質(zhì)泵及水泵耗功之和)下，3種復(fù)合系統(tǒng)最大淡水產(chǎn)量將比此常規(guī)電驅(qū)動(dòng)海水淡化系統(tǒng)的淡水產(chǎn)量分別提高80.96%、39.44%和19.57%?？梢?，直接被ORC驅(qū)動(dòng)且海水經(jīng)過冷凝器預(yù)熱的ORC-RO系統(tǒng)將節(jié)省大量的產(chǎn)水成本。而且RO膜允許的工作溫度為5～45 ℃，在海水溫度較低的情況下，海水進(jìn)入冷凝器預(yù)熱能直接滿足這一溫度范圍。

圖5 R600a/R601a混合比例對(duì)淡水產(chǎn)量的影響

圖5中，BASIC系統(tǒng)、PWT系統(tǒng)和PES系統(tǒng)的R600a/R601a最佳工質(zhì)混合比例分別為0.7/0.3、0.8/0.2和0.9/0.1，與純工質(zhì)R601a相比，3種復(fù)合系統(tǒng)的淡水產(chǎn)量分別提高7.46%、8.37%和9.84%。

2.2 冷凝器進(jìn)水溫度的影響

圖6為冷凝器進(jìn)水溫度對(duì)3種復(fù)合系統(tǒng)膨脹機(jī)輸出功率的影響。其中實(shí)線部分為放水閥門關(guān)閉的情況，此時(shí)海水流量取決于膨脹機(jī)的功率；虛線部分為冷凝器進(jìn)水溫度過高而打開放水閥門的情況，此時(shí)海水流量需要保證冷凝器的海水出口溫度為定值40 ℃。由圖6可以看出，3種復(fù)合系統(tǒng)膨脹機(jī)的輸出功率都是隨冷凝器進(jìn)水溫度升高先減小而后趨于平緩的。這是因?yàn)樵诖蜷_放水閥之前，冷凝器進(jìn)水溫度升高會(huì)導(dǎo)致工質(zhì)冷凝溫度升高，從而膨脹機(jī)輸出功率減小，另一方面膨脹機(jī)輸出功率的減小又會(huì)使海水流量也減小，導(dǎo)致冷凝溫度進(jìn)一步升高，所以膨脹機(jī)輸出功率隨冷凝器進(jìn)水溫度的升高而迅速減小。而當(dāng)打開放水閥限制冷凝器海水出口溫度為40 ℃時(shí)，由于冷凝溫度基本不變，所以此時(shí)膨脹機(jī)輸出功率隨冷凝器進(jìn)水溫度的升高而趨于平緩。由圖6還可以看出，當(dāng)BASIC系統(tǒng)的R600a質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4時(shí)，膨脹機(jī)輸出功率在27 ℃后的下降速度大于其他工質(zhì)混合比例，這是因?yàn)槠湓诶淠飨嘧儏^(qū)工質(zhì)滑移溫度大于海水溫升，導(dǎo)致冷凝器夾點(diǎn)位置由圖2(b)中的b點(diǎn)處變成圖2(c)中的3點(diǎn)處，也就是夾點(diǎn)左移，導(dǎo)致冷凝器泡點(diǎn)溫度隨冷凝器進(jìn)水溫度的升高而升高，冷凝器背壓增大，進(jìn)而膨脹機(jī)輸出功率減小。同理，當(dāng)R600a的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3和0.6時(shí)，PES系統(tǒng)的輸出功率一直減小，這是因?yàn)槠鋳A點(diǎn)一直在左側(cè)，所以雖然在冷凝器進(jìn)水溫度高時(shí)增加了原水泵的流量，但是冷凝器泡點(diǎn)溫度隨冷凝器進(jìn)水溫度的升高而升高，使得工質(zhì)背壓增大，膨脹機(jī)輸出功率仍是減小的。

(a)BASIC系統(tǒng)

(b)PWT系統(tǒng)

(c)PES系統(tǒng)

圖7為R600a/R601a不同混合比例下冷凝器進(jìn)水溫度對(duì)3種復(fù)合系統(tǒng)淡水產(chǎn)量的影響。由圖7可以看出，BASIC系統(tǒng)和PWT系統(tǒng)在放水閥門關(guān)閉時(shí)，淡水產(chǎn)量都是隨著冷凝器進(jìn)水溫度的升高呈顯著增大趨勢(shì)的。當(dāng)放水閥門打開時(shí)，淡水產(chǎn)量都隨冷凝器進(jìn)水溫度的升高呈緩慢減小趨勢(shì)。這是因?yàn)樵诟邏罕眠M(jìn)口海水溫度不超過40 ℃時(shí)，雖然冷凝器進(jìn)水溫度升高導(dǎo)致膨脹機(jī)輸出功率減小(見圖6)，但是溫度升高導(dǎo)致淡水回收率增大，所以淡水產(chǎn)量仍然是增大的。當(dāng)高壓泵進(jìn)口溫度超過40 ℃時(shí)，需要增加冷凝器的流量，此時(shí)保證冷凝器出口海水溫度基本恒定在40 ℃，于是由于冷凝器進(jìn)水溫度的升高，膨脹機(jī)輸出功率減小(如圖6所示)，而海水淡化淡水回收率不變，所以BASIC系統(tǒng)淡水產(chǎn)量隨冷凝器進(jìn)水溫度的變化趨勢(shì)和膨脹機(jī)輸出功率變化趨勢(shì)一致，而PWT系統(tǒng)淡水產(chǎn)量受到膨脹機(jī)和水力透平2個(gè)因素的作用，所以淡水產(chǎn)量下降速度大于BASIC系統(tǒng)。由圖7還可以看出，對(duì)于BASIC系統(tǒng)，R600a/R601a混合比例為0.7/0.3的淡水產(chǎn)量一直最大，所以0.7/0.3是BASIC系統(tǒng)首選的混合比例；對(duì)于PWT系統(tǒng)，混合比例為0.8/0.2時(shí)，不同冷凝器進(jìn)水溫度下的淡水產(chǎn)量明顯優(yōu)于其他混合比例。

由圖7(c)可知，PES系統(tǒng)的淡水產(chǎn)量隨冷凝器進(jìn)水溫度的變化趨勢(shì)與BASIC系統(tǒng)和PWT系統(tǒng)不同，其隨冷凝器進(jìn)水溫度的升高先呈顯著下降而后趨于平緩，可見PES系統(tǒng)在打開放水閥之前的產(chǎn)水優(yōu)勢(shì)會(huì)隨冷凝器進(jìn)水溫度的升高而降低。這是因?yàn)镻ES系統(tǒng)冷卻水流量很大，循環(huán)溫升小，淡水回收率增大有限，膨脹機(jī)輸出功率起決定作用。PES系統(tǒng)在R600a/R601a混合比例為0.9/0.1時(shí)產(chǎn)水量最優(yōu)。

圖7中，3種復(fù)合系統(tǒng)在增加冷凝器海水流量而打開放水閥后，混合工質(zhì)的產(chǎn)水優(yōu)勢(shì)更加明顯，以27 ℃為例，3種復(fù)合系統(tǒng)在R600a/R601a最佳混合比例下淡水產(chǎn)量分別比純工質(zhì)R601a的淡水產(chǎn)量提高19.1%、17.69%和19.29%。

(a)BASIC系統(tǒng)

(b)PWT系統(tǒng)

(c)PES系統(tǒng)

3 結(jié) 論

(1)渤海年平均水溫為12 ℃時(shí)，BASIC系統(tǒng)的最大淡水產(chǎn)量為5.04 kg/s，使用PWT能量回收系統(tǒng)能使淡水產(chǎn)量提高38.69%，使用PES能量回收系統(tǒng)能使淡水產(chǎn)量提高130.36%。但是隨著冷凝器進(jìn)水溫度的升高，BASIC系統(tǒng)和PWT系統(tǒng)的淡水產(chǎn)量先增加后減小，而PES系統(tǒng)一直呈下降趨勢(shì)。可見PES系統(tǒng)的產(chǎn)水優(yōu)勢(shì)隨冷凝器進(jìn)水溫度的升高反而降低了。相同功耗下，3種復(fù)合系統(tǒng)比采用電驅(qū)動(dòng)RO海水淡化的系統(tǒng)淡水產(chǎn)量分別提高80.96%、39.44%和19.57%。

(2)以淡水產(chǎn)量為目標(biāo)時(shí)，BASIC系統(tǒng)、PWT系統(tǒng)和PES系統(tǒng)所用有機(jī)工質(zhì)R600a/R601a的最佳混合比例分別為0.7/0.3、0.8/0.2和0.9/0.1。在冷凝器進(jìn)水溫度為12 ℃時(shí)，3種復(fù)合系統(tǒng)在最佳混合比例下的淡水產(chǎn)量比純工質(zhì)R601a的淡水產(chǎn)量分別提高7.46%、8.37%和9.84%。當(dāng)因?yàn)槔淠鞒隹诤Ｋ疁囟雀叨黾悠浜Ｋ髁亢?，混合工質(zhì)的產(chǎn)水優(yōu)勢(shì)更加明顯。以27 ℃水溫為例，3種復(fù)合系統(tǒng)在R600a/R601a最佳混合比例下的淡水產(chǎn)量分別比純工質(zhì)R601a的淡水產(chǎn)量提高19.1%、17.69%和19.29%。

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