淺析水電聯(lián)產(chǎn)及海水淡化系統(tǒng)的配置方案

李 燕，曹開(kāi)智

(上海電站輔機(jī)廠(chǎng)有限公司，上海 200090)

0 概 述

隨著全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人口的增加，人類(lèi)對(duì)淡水資源的需求也在不斷增長(zhǎng)。淡水資源的短缺，已然制約了全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。有專(zhuān)家預(yù)測(cè)，未來(lái)淡水資源的短缺，不僅將影響全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，還是關(guān)系到人類(lèi)持續(xù)發(fā)展的重大社會(huì)問(wèn)題。因此，在國(guó)際上有“19世紀(jì)爭(zhēng)煤，20世紀(jì)爭(zhēng)石油，21世紀(jì)爭(zhēng)水”和 “目前地區(qū)性的水危機(jī)可能預(yù)示著全球性水危機(jī)的到來(lái)”的說(shuō)法[1]。預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)顯示, 至2030年, 我國(guó)的缺水量將達(dá)到600億m3。我國(guó)已明確海水淡化政策，利用海水淡化，是對(duì)水資源的戰(zhàn)略補(bǔ)充。因此，自主開(kāi)發(fā)海水淡化技術(shù)，發(fā)展海水淡化產(chǎn)業(yè)，將成為解決我國(guó)淡水緊缺問(wèn)題重要的戰(zhàn)略舉措。

1 海水淡化技術(shù)

目前，大型海水淡化的主流技術(shù)，主要有多級(jí)閃蒸(MSF)、低溫多效(LT-MED)和反滲透 (RO)等海淡技術(shù)。德國(guó)學(xué)者Rautenbach依據(jù)近40年的研究成果，認(rèn)為多級(jí)閃蒸(MSF)、低溫多效蒸發(fā)和反滲透(RO)海淡技術(shù)，必將決定海水淡化技術(shù)的未來(lái)走向[2]。采用MSF海淡方案時(shí)，系統(tǒng)單臺(tái)設(shè)備的規(guī)模較大，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，但噸水投資和噸水的電耗較高，工程應(yīng)用主要集中在中東地區(qū)。將LT-MED海淡方案與MSF海淡方案相比，采用LT-MED海淡方案時(shí)，可在較低的鹽水頂值溫度(約70℃)下工作，設(shè)備被結(jié)垢腐蝕的傾向小，對(duì)海水預(yù)處理的要求也低，而且，產(chǎn)品水的水質(zhì)高，造水比也大，噸水電耗相對(duì)較低。因此，低溫多效蒸發(fā)(LT-MED)海水淡化技術(shù)，已是業(yè)內(nèi)公認(rèn)的未來(lái)第二代水電聯(lián)產(chǎn)海水淡化廠(chǎng)的主流技術(shù)[3]，是熱法海水淡化技術(shù)的發(fā)展方向。

2 水電聯(lián)產(chǎn)的意義

目前，在我國(guó)能源結(jié)構(gòu)中還是以燃煤為主，燃煤機(jī)組仍發(fā)揮著重要的作用。為了減少環(huán)境污染，我國(guó)必將大力發(fā)展清潔能源，建設(shè)與天然氣配置的燃機(jī)機(jī)組。

太陽(yáng)能光熱發(fā)電通過(guò)儲(chǔ)能系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定的發(fā)電，具有可調(diào)節(jié)性，易于并網(wǎng)。在設(shè)備的全生命周期內(nèi)，對(duì)環(huán)境的影響較小。利用太陽(yáng)能發(fā)電，可避免傳統(tǒng)能源對(duì)環(huán)境的污染。因此，近10年來(lái)，利用光熱發(fā)電技術(shù)的發(fā)展較為迅速，尤其在太陽(yáng)能資源豐富的美國(guó)、西班牙，無(wú)論在技術(shù)上還是商業(yè)化進(jìn)程中，都在全球位列前茅[4]。

利用發(fā)電機(jī)組與低溫多效蒸發(fā)海水淡化的耦合設(shè)計(jì)方案，形成了水電聯(lián)產(chǎn)模式，可滿(mǎn)足城市對(duì)淡水和電力的需求，為緩解淡水及電力需求的緊張狀況，具有十分重要的意義。在發(fā)電機(jī)組與低溫多效蒸發(fā)海水淡化的耦合方案中，利用了低品位的汽輪機(jī)抽汽或排汽產(chǎn)出淡水，減少了發(fā)電的熱量損耗，同時(shí)提升了機(jī)組熱效率。

3 水電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)及配置方案

3.1 燃煤機(jī)組的聯(lián)產(chǎn)配置方案

將MED海水淡化系統(tǒng)與燃煤機(jī)組組合后，可利用汽輪機(jī)抽氣或排汽等熱源，形成不同的水電聯(lián)產(chǎn)模式。較為可行的水電聯(lián)產(chǎn)方案，分別為汽輪機(jī)中低壓抽汽+MED-TVC(噴射壓縮)技術(shù)、低品位乏汽+純MED技術(shù)、凝汽器循環(huán)冷卻水閃蒸蒸汽+純MED技術(shù)。

3.1.1 利用高品位抽汽的聯(lián)產(chǎn)方案

在MED海水淡化方案中，通常采用高品位中低壓汽輪機(jī)蒸汽作為動(dòng)力蒸汽，通過(guò)設(shè)置蒸汽噴射器(TVC)及減溫裝置、匹配加熱蒸汽的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)MED海淡方案的水電聯(lián)產(chǎn)模式。利用高品位中低壓汽輪機(jī)抽汽，并與MED技術(shù)配置的水電聯(lián)產(chǎn)流程，如圖1所示。

圖1 中低壓汽輪機(jī)抽汽的水電聯(lián)產(chǎn)流程

在低溫多效海水淡化系統(tǒng)中，設(shè)置蒸汽噴射壓縮機(jī)(TVC)，利用工作蒸汽壓力抽取后續(xù)某效蒸發(fā)器產(chǎn)生的低壓二次蒸汽，作為第一效的加熱蒸汽。設(shè)置蒸汽噴射壓縮機(jī)，可提高蒸汽循環(huán)利用率及海淡設(shè)備的造水比，降低制水成本。采用MED-TVC海水淡化方案的噸水電耗偏高，經(jīng)測(cè)算，在660 MW機(jī)組中，若抽取0.55 MPa、320℃的蒸汽進(jìn)行制水，當(dāng)量噸水電耗約為19 kW·h/t[5]。

3.1.2 利用低品位乏汽的聯(lián)產(chǎn)方案

在MED海淡方案中，因加熱蒸汽的溫度較低，通常采用壓力低于35 kPa的飽和蒸汽，即可滿(mǎn)足對(duì)加熱蒸汽溫度的要求，所以，低品位乏汽也可作為MED方案中的熱源。若系統(tǒng)中有后置機(jī)或利用高背壓汽輪機(jī)，即可利用低品位乏汽，完成MED海水淡化系統(tǒng)的配置，實(shí)現(xiàn)水電聯(lián)產(chǎn)[6]。在中低壓蒸汽進(jìn)入MED裝置之前，流經(jīng)高背壓汽輪機(jī)(后置機(jī))發(fā)電，作功后的乏汽再作為MED的加熱蒸汽，與傳統(tǒng)的MED-TVC方案不同，在后置機(jī)方案中，沒(méi)有設(shè)置TVC設(shè)備。

以某燃煤機(jī)組為例，在系統(tǒng)布置時(shí)，采用與TVC方案相同的蒸汽源，從中壓缸引出蒸汽，輸送至后置機(jī)，推動(dòng)汽機(jī)做功發(fā)電。從后置機(jī)排放的乏汽，通過(guò)噴水減溫調(diào)節(jié)后，進(jìn)入MED系統(tǒng)中制水。MED系統(tǒng)生產(chǎn)淡水被送回鍋爐作補(bǔ)給水，再進(jìn)行循環(huán)利用。燃煤機(jī)組與配置了后置機(jī)的水電聯(lián)產(chǎn)的流程，如圖2所示。

圖2 配置后置機(jī)的水電聯(lián)產(chǎn)流程

配置后置機(jī)的MED海淡技術(shù)，是將排放的乏汽用于生產(chǎn)淡水，可明顯降低噸水電耗，機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)更具競(jìng)爭(zhēng)力，但需增加后置機(jī)及配置設(shè)備的投資，同時(shí)，在系統(tǒng)的運(yùn)行控制及運(yùn)行維護(hù)時(shí)，需考慮增加后置機(jī)的運(yùn)行方案及應(yīng)急措施，但在技術(shù)上是完全可行的。

3.1.3 高背壓機(jī)組與直排的聯(lián)產(chǎn)方案

在高背壓汽輪機(jī)配置的MED水電聯(lián)產(chǎn)方案中，是適當(dāng)提高汽輪機(jī)低壓缸排汽壓力，實(shí)現(xiàn)乏汽參數(shù)條件與MED的匹配設(shè)計(jì)，可以形成大型水電聯(lián)產(chǎn)模式[6]。對(duì)于高背壓汽輪機(jī)配置MED方案而言，也是利用乏汽作為MED的加熱蒸汽，實(shí)現(xiàn)能量的梯級(jí)利用，但MED系統(tǒng)處于發(fā)電機(jī)組的下游，將影響整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。另外，排放背壓被提高后，還存在發(fā)電損失等問(wèn)題，增大了發(fā)電煤耗，所以，目前尚未有大型工程的應(yīng)用案例。

3.1.4 高背壓機(jī)組與間接換熱的聯(lián)產(chǎn)方案

在與高背壓機(jī)組配置的間接換熱MED水電聯(lián)產(chǎn)方案中，采用凝汽器循環(huán)冷卻水作為熱源來(lái)進(jìn)行海水淡化[6]。當(dāng)機(jī)組高背壓運(yùn)行時(shí)，凝汽器循環(huán)冷卻水的溫度也隨之提高，大量余熱無(wú)法找到合適的利用途徑，需另外配置冷卻器，降低冷卻水的溫度。此時(shí)，若將增溫后的循環(huán)冷卻水輸送至閃蒸罐，可產(chǎn)生低壓蒸氣，作為后續(xù)海水淡化裝置的熱源。利用增溫后循環(huán)冷卻水的熱量，實(shí)現(xiàn)水電聯(lián)產(chǎn)，達(dá)到節(jié)能減排的目的。發(fā)電機(jī)組與MED系統(tǒng)均可獨(dú)立設(shè)計(jì)，以確保各系統(tǒng)運(yùn)行的獨(dú)立性和可靠性。

以國(guó)內(nèi)某電廠(chǎng)配置的MED海水淡化項(xiàng)目為例，該海水淡化系統(tǒng)可日產(chǎn)20 000 t淡水，汽輪機(jī)的抽汽壓力0.4 MPa、溫度為245℃。利用相同的蒸汽參數(shù)，分別對(duì)后置機(jī)配置MED方案、高背壓配間接換熱MED方案與MET-TVC方案的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行比較。各方案的比較結(jié)果，如表1所示。

表1水電聯(lián)產(chǎn)方案及經(jīng)濟(jì)性

項(xiàng)目名稱(chēng)水電聯(lián)產(chǎn)方案MED-TVC后置機(jī)配置MED高背壓的間接換熱MED日產(chǎn)水量/(t·d-1)200002000020000年小時(shí)數(shù)/h876087608760年利用率/%959595年運(yùn)行時(shí)間/h832283228322造水比10.25.65.6噸水電耗/(kWh·t-1)1.201.252.22蒸汽消耗/(t·h-1)81.7148.8148.8每噸蒸汽成本/元27.445.745.74每度電價(jià)/元0.670.670.67年熱耗費(fèi)用/萬(wàn)元1865.7710.8710.8年電耗費(fèi)/萬(wàn)元557.6580.81031.5年化學(xué)藥品消耗/萬(wàn)元208208208配置設(shè)備投資/萬(wàn)元040000年費(fèi)用合計(jì)/萬(wàn)元2631.31499.61950.4每噸運(yùn)行成本/元3.602.052.81

在3種水電聯(lián)產(chǎn)方案中，蒸發(fā)器首末效的參數(shù)相同、換熱面積相同、蒸發(fā)器直徑及長(zhǎng)度相同，避免了因蒸發(fā)器本體設(shè)備參數(shù)的差異而影響比較結(jié)果，也暫不考慮各方案的設(shè)備投資額。在后置機(jī)配置MED聯(lián)產(chǎn)方案中，噸水成本為2.05元/噸，在MED-TVC聯(lián)產(chǎn)方案中，噸水成本為3.60元/噸。經(jīng)比較，后置機(jī)配置MED聯(lián)產(chǎn)方案的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，具有顯著優(yōu)勢(shì)。即使考慮初期后置機(jī)的設(shè)備投資，也可在數(shù)年內(nèi)收回投資成本。在高背壓配間接換熱MED方案中，噸水成本為2.81元/噸，也要比MED-TVC方案更加經(jīng)濟(jì)，而且，發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)和MED系統(tǒng)可彼此獨(dú)立運(yùn)行，發(fā)生故障時(shí)不會(huì)相互影響，運(yùn)行的穩(wěn)定性及可靠性更高，但機(jī)組在高背壓下運(yùn)行，機(jī)組的熱效率會(huì)降低，相應(yīng)地會(huì)減少發(fā)電量。

通過(guò)比較各聯(lián)產(chǎn)方案參數(shù)，MED-TVC聯(lián)產(chǎn)方案不具備經(jīng)濟(jì)性上的優(yōu)勢(shì)。在后置機(jī)配置MED方案與高背壓的間接換熱MED方案中，噸水成本的差異不大。所以，當(dāng)燃煤機(jī)組選擇水電聯(lián)產(chǎn)MED配置方案時(shí)，還應(yīng)根據(jù)機(jī)組運(yùn)行工況及淡水需求量，確定合理的水電聯(lián)產(chǎn)方案。

3.2 燃?xì)鈾C(jī)組的聯(lián)產(chǎn)配置方案

近年來(lái)，我國(guó)燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組日益增多，與燃煤電廠(chǎng)相比，燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組具有較高的熱效率。因此，探討大型燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組與MED技術(shù)耦合的方案，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義[7]。燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組中的關(guān)鍵設(shè)備是余熱鍋爐(HRSG)，也是燃?xì)鈧?cè)和蒸汽側(cè)的結(jié)合點(diǎn)。現(xiàn)探討2種水電聯(lián)產(chǎn)方案，即燃?xì)鈾C(jī)組+余熱鍋爐配置MED方案，以及燃?xì)鈾C(jī)組+余熱鍋爐+汽輪機(jī)配置MED方案。

3.2.1 燃機(jī)與余熱鍋爐配置的設(shè)計(jì)方案

通常情況下，在燃?xì)鈾C(jī)組配置MED方案中，需配置余熱鍋爐，在余熱鍋爐后不再配置汽輪機(jī)，HRSG直接為MED提供中壓蒸汽，將MED系統(tǒng)的凝結(jié)水再送至余熱鍋爐進(jìn)行循環(huán)利用。燃機(jī)與余熱鍋爐配置的MED流程，如圖3所示。

圖3 燃機(jī)和余熱鍋爐配置的水電聯(lián)產(chǎn)流程

在燃?xì)鈾C(jī)組+余熱鍋爐配置MED設(shè)計(jì)方案中，HRSG產(chǎn)生的高品位中壓蒸汽直接進(jìn)入海水淡化系統(tǒng)，因蒸汽的品質(zhì)較高，配置時(shí)，只能采用MED-TVC海水淡化系統(tǒng)。MED-TVC海水淡化系統(tǒng)存在噸水電耗偏高的問(wèn)題，導(dǎo)致淡水的成本較高，缺乏市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。所以，MED-TVC系統(tǒng)僅適合中等規(guī)模的海水淡化項(xiàng)目，以滿(mǎn)足電廠(chǎng)自身及周邊地區(qū)的用水需求。MED-TVC海水淡化系統(tǒng)僅消耗部分蒸汽，只能將其余蒸汽經(jīng)冷凝器冷卻后，再返回鍋爐，造成了熱量的浪費(fèi)，降低了整個(gè)系統(tǒng)的熱效率。

3.2.2 燃機(jī)與余熱鍋爐及汽輪機(jī)配置的設(shè)計(jì)方案

在燃?xì)鈾C(jī)組中配置余熱鍋爐，再配置蒸汽輪機(jī)，利用低壓乏汽作為MED的熱源生產(chǎn)淡水，這種聯(lián)產(chǎn)配置方案，在中東地區(qū)較為常見(jiàn)。燃機(jī)與余熱鍋爐及汽輪機(jī)配置的海水淡化流程，如圖4所示。

圖4 燃機(jī)與余熱鍋爐及汽輪機(jī)配置的水電聯(lián)產(chǎn)流程

在燃?xì)鈾C(jī)組+余熱鍋爐+汽輪機(jī)配置MED方案中，利用汽輪機(jī)輸出電能，并讓作功后的乏汽(壓力約300 kPa)進(jìn)入MED產(chǎn)出淡水，實(shí)現(xiàn)能源的梯級(jí)利用。因系統(tǒng)配備了汽輪機(jī)，在余熱鍋爐后的系統(tǒng)與燃煤機(jī)組系統(tǒng)相同。若在汽輪機(jī)后增設(shè)后置機(jī)，則與前述的后置機(jī)配置MED水電聯(lián)產(chǎn)方案相同。如果采用高背壓汽輪機(jī)，配置間接換熱器，則與前述高背壓機(jī)組配置間接換熱MED水電聯(lián)產(chǎn)方案相同。后置機(jī)配置MED水電聯(lián)產(chǎn)方案及高背壓機(jī)組配置間接換熱MED水電聯(lián)產(chǎn)方案的經(jīng)濟(jì)性，均優(yōu)于MED-TVC水電聯(lián)產(chǎn)方案。

3.3 太陽(yáng)能光熱電站的聯(lián)產(chǎn)配置方案

在太陽(yáng)能光熱電站中，尤其是槽式光熱電站的冷卻水消耗量，高達(dá) 3 000 L/MW·h ，在具備豐富光照條件的沙漠里均為極度缺水的地區(qū)，因此，為太陽(yáng)能電站選址時(shí)，水源將成為重大的限制因素。若太陽(yáng)能電站與低溫多效蒸餾海水淡化技術(shù)相組合，將MED系統(tǒng)生成的部分淡水返回太陽(yáng)能光熱電站作為冷卻水，其余淡水可為生活用水，就能較好地解決水源問(wèn)題。

若為太陽(yáng)能電站配備汽輪機(jī)，則太陽(yáng)能電站的水電聯(lián)產(chǎn)方案與前述3種燃煤機(jī)組水電聯(lián)產(chǎn)的設(shè)計(jì)方案相同。在選擇水電聯(lián)產(chǎn)配置MED方案時(shí)，應(yīng)根據(jù)太陽(yáng)光熱電站的實(shí)際運(yùn)行工況，綜合計(jì)算太陽(yáng)能光熱電站所需求的淡水總量。太陽(yáng)能光熱電站配置海水淡化系統(tǒng)的流程，如圖5所示。

圖6 太陽(yáng)能光熱發(fā)電站配置海水淡化系統(tǒng)的流程

4 結(jié) 語(yǔ)

將低溫多效蒸餾海水淡化系統(tǒng)與各型發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行耦合，從而形成水電聯(lián)產(chǎn)的模式，已成為現(xiàn)行主流的熱法海水淡化的技術(shù)方案。低溫多效蒸餾(MED)海水淡化技術(shù)主要應(yīng)用在燃煤電廠(chǎng)，水電聯(lián)產(chǎn)方案中常采用高品位的汽輪機(jī)抽汽，即為MED-TVC方案；還有采用低品位乏汽并配置后置機(jī)的MED方案，以及高背壓汽輪機(jī)配置間接換熱MED方案。當(dāng)海水淡化本體設(shè)備的外形尺寸相同、產(chǎn)水量相同的情況下，MED-TVC方案的噸水成本較高。燃?xì)鈾C(jī)組與MED海水淡化的水電聯(lián)產(chǎn)方案，主要有燃?xì)鈾C(jī)組配置余熱鍋爐并與MED海水淡化系統(tǒng)耦合，或者是燃?xì)鈾C(jī)組配置余熱鍋爐，再配置汽輪機(jī)并與MED海水淡化系統(tǒng)耦合。在配置了汽輪機(jī)的海淡系統(tǒng)中，汽輪機(jī)的流程與燃煤機(jī)組汽輪機(jī)的流程相同，與MED系統(tǒng)耦合的水電聯(lián)產(chǎn)方案，相同于燃煤機(jī)組的水電聯(lián)產(chǎn)方案。在太陽(yáng)能光熱發(fā)電系統(tǒng)中，必須配備汽輪機(jī)，與燃煤機(jī)組汽輪機(jī)的流程相同，海水淡化系統(tǒng)耦合方案，也相同于燃煤機(jī)組的耦合方案。