六效平流MED-TVC 海水淡化系統(tǒng)火用分析

曹傳鵬，解利昕，徐世昌，杜亞威＊

（1.天津大學(xué)化工學(xué)院，天津市膜科學(xué)與海水淡化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300072；2.河北工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院，天津300130）

近年來(lái)，隨著海水淡化技術(shù)的發(fā)展，其比能耗明顯下降。進(jìn)行能量及火用分析，尋找降低能量消耗的途徑，成為目前海水淡化領(lǐng)域的主要研究方向之一。多效蒸餾-熱蒸汽壓縮（MED-TVC）系統(tǒng)因其較低的蒸汽消耗而受到人們的關(guān)注。在MED 系統(tǒng)中加入熱蒸汽壓縮機(jī)（TVC），降低了冷卻水量、鍋爐尺寸和動(dòng)力蒸汽量，降低了預(yù)處理成本和泵送功率[1]。因此，建立一個(gè)穩(wěn)定的MED/MED-TVC數(shù)學(xué)模型對(duì)于預(yù)測(cè)系統(tǒng)的熱性能和優(yōu)化運(yùn)行條件具有重要意義。為此，人們?cè)诮?shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行了大量的研究，以減少能量損失，提高系統(tǒng)性能。這些模型主要集中于確定內(nèi)部操作條件（頂部鹽水溫度、動(dòng)力蒸汽壓力、TVC 抽吸位置等）和物理特性對(duì)系統(tǒng)性能（產(chǎn)品成本、比能耗、獲得的輸出比等）的影響。

本文針對(duì)渤海灣某電廠六效平流MED-TVC系統(tǒng)進(jìn)行了能量及火用分析，揭示了系統(tǒng)內(nèi)部的能量轉(zhuǎn)換情況，得到了系統(tǒng)主要火用損失的位置和系統(tǒng)的火用效率。研究了動(dòng)力蒸汽壓力、進(jìn)料鹽水鹽度以及抽吸位置對(duì)系統(tǒng)動(dòng)力蒸汽量、系統(tǒng)火用耗損失、造水比等系統(tǒng)性能的影響，從而為進(jìn)一步設(shè)計(jì)和優(yōu)化系統(tǒng)性能，提升系統(tǒng)能量和火用效率奠定基礎(chǔ)。

1 流程簡(jiǎn)述

進(jìn)料海水與最后一效產(chǎn)生的蒸汽在冷凝器中換熱后被預(yù)熱到一定溫度。預(yù)熱后的海水將被分為兩部分，一部分作為冷卻海水排出，另一部分將被分配到各效蒸發(fā)器中作為入料海水沿著管束管排方向不斷蒸發(fā)濃縮。在本工藝系統(tǒng)中，第四效產(chǎn)生的二次蒸汽一部分將被抽取進(jìn)入噴射泵與動(dòng)力蒸汽混合。第五效和第六效設(shè)計(jì)的蒸發(fā)器尺寸和換熱面積都小于前四效的蒸發(fā)器尺寸和換熱面積。因此第五效和第六效分配的入料海水量也小于前四效各效的分配量。

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 質(zhì)量和能量守恒

圖1 示出了單效蒸發(fā)器的模型。每一效的質(zhì)量和鹽平衡如下：

式中，F(xiàn) 和Xf分別是每一效中的進(jìn)料海水的質(zhì)量流量（kg/h）和鹽濃度（%）；B 和X 分別是鹽水的質(zhì)量流量和鹽濃度；D 為淡水質(zhì)量流量；下標(biāo)i 表示第i 效蒸發(fā)器。

圖1 單效蒸發(fā)器模型

在第一效中，混合蒸汽用于將進(jìn)料海水的溫度升高到沸騰溫度，并提供蒸發(fā)所需的熱量：

式中Ms為加熱蒸汽質(zhì)量流量；T1和Tf，1分別為第一效濃鹽水和進(jìn)料海水溫度（℃），Cp是恒壓下海水的比熱kJ/(kg·℃)，λ 是二次蒸汽的潛熱（J/kg）。

在冷凝器中，進(jìn)水溫度從Tcw升高到Tf，加熱蒸汽由末效產(chǎn)生的二次蒸汽和閃蒸罐中的閃蒸蒸汽提供：

式中dd,6和dd,6分別表示末效淡水和濃鹽水閃蒸質(zhì)量流量。Mcw表示冷卻海水排放質(zhì)量流量。

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對(duì)于蒸發(fā)器，傳熱面積Ai由下式給出：

式中，Ue 是蒸發(fā)器的總傳熱系數(shù)（kW/(m2·℃)）。Tv表示海水蒸發(fā)生成蒸汽的溫度。

同樣，冷凝器的傳熱面積由下式給出：

式中Uc 為冷凝器的總傳熱系數(shù)，Tcw為表示冷卻海水溫度，（LMTD）c 為對(duì)數(shù)傳熱溫差。

TVC 抽吸蒸汽性能由經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算[2]。

2.2 火用分析

以25℃海水狀態(tài)為基態(tài)，T0、h0、s0分別為基態(tài)的溫度(℃)、比焓(kJ/kg)、比熵(kJ/(kg·K))，計(jì)算得到鹽的熵和焓。

其中Cps 為鹽的熱容。由于混合是一個(gè)不可逆過(guò)程，在相同的溫度和壓力下，混合物的熵大于各組分的熵之和（混合前）。將鹽水溶液當(dāng)作理想溶液處理時(shí)，溶液?jiǎn)挝晃镔|(zhì)的量組分的熵si為：

式中，R 為氣體常數(shù)(kJ/kmol·K)，下標(biāo)pure 為純組分。鹽水溶液的熵是鹽水溶液中鹽和水的熵之和：

其中x 表示物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)，下標(biāo)s 和w 分別表示鹽和水。因此，系統(tǒng)中各流股的比火用ψ 和火用Ex 可由以下公式確定：

式中m 為質(zhì)量流量。根據(jù)上述公式，可根據(jù)系統(tǒng)各流股的質(zhì)量流率計(jì)算各部分的火用損失。

3 結(jié)果與討論

3.1 系統(tǒng)火用分析

以海水（鹽度3.3%，25°C，1atm）為基態(tài)，計(jì)算得到對(duì)應(yīng)流程各流股的火用。表1 為該MED-TVC系統(tǒng)流程的主要參數(shù)。通過(guò)系統(tǒng)火用平衡分析，得到了系統(tǒng)的主要性能和各部分的火用損失（表2）。

從各單元的火用損失百分比（圖2 和表2）可以看出，由于前四效各效之間的能級(jí)差異相似，因此各效的火用損失也比較接近。第四效產(chǎn)生的二次蒸汽一部分被抽取進(jìn)入噴射泵，且第五效和第六效的海水進(jìn)料量也小于前四效各效的進(jìn)料量，由于傳熱過(guò)程中的火用損失與傳熱通量成正比，從圖2可以明顯看出，第五效和第六效的火用占比明顯減小。六效火用損失占系統(tǒng)輸入火用的23.28%。在冷凝器中，末效的蒸汽與進(jìn)料海水交換熱量以預(yù)熱海水。由于蒸汽和海水的能級(jí)差較大，導(dǎo)致冷凝器的火用損失相對(duì)較大，占系統(tǒng)總火用損失的7.87%。由冷卻海水、冷凝水、淡水和鹽水組成的系統(tǒng)的輸出火用占輸入火用的很大比例。但由于系統(tǒng)輸出能量水平較低，系統(tǒng)輸出中的火用不能得到有效利用。由于TVC 中動(dòng)力蒸汽和抽吸蒸汽的能級(jí)差別很大，它們的混合所引起的火用損失很大。MED-TVC 系統(tǒng)中TVC 過(guò)程的火用損失是系統(tǒng)火用損失的最大部分，占系統(tǒng)火用損失的49.50%。系統(tǒng)中TVC 過(guò)程造成的能量及火用損失較為明顯。

3.2 外部參數(shù)影響

3.2.1 動(dòng)力蒸汽壓力影響

圖3 展示了動(dòng)力蒸汽壓力對(duì)系統(tǒng)不同性能指標(biāo)的影響。進(jìn)料海水鹽度為3.6%，抽氣位置在第四效。由圖3(a)可以看出隨著動(dòng)力蒸汽壓力的不斷增加，動(dòng)力蒸汽量不斷減小。隨著動(dòng)力蒸汽壓力的不斷升高，動(dòng)力蒸汽溫度不斷增加，其能量品味也不斷提高，這也意味著單位質(zhì)量的動(dòng)力蒸汽能提供更多的能量。因此在產(chǎn)水量一定的情況下，動(dòng)力蒸汽量隨著動(dòng)力蒸汽壓力的升高而減小。如圖3(c)所示，由于動(dòng)力蒸汽量的不斷減小，造水比Pr便逐漸增加。動(dòng)力蒸汽溫度越高，能量品味越高，火用值越大。而動(dòng)力蒸汽的火用值占系統(tǒng)輸入火用的98%左右，系統(tǒng)輸入火用隨著動(dòng)力蒸汽壓力的增加而增加(圖3(b))。如圖3(d)，動(dòng)力蒸汽壓力增加，系統(tǒng)蒸發(fā)效率提高，因此單位面積的產(chǎn)水量增加。合適的動(dòng)力蒸汽壓力選擇則需權(quán)衡蒸發(fā)效率的提高和系統(tǒng)輸入火用值增加各方面的因素。

表1 系統(tǒng)主要流股的狀態(tài)參數(shù)

表2 系統(tǒng)的火用平衡

3.2.2 進(jìn)料海水鹽度影響

圖2 系統(tǒng)火用損占比

圖4 展示了進(jìn)料海水鹽度對(duì)系統(tǒng)不同性能指標(biāo)的影響。動(dòng)力蒸汽壓力為550kPa，抽氣位置在第四效。隨著進(jìn)料海水鹽度的增加，鹽水的沸點(diǎn)溫升增加，海水的比熱容逐漸減小，這就導(dǎo)致在管束冷凝蒸發(fā)過(guò)程中換熱管兩側(cè)有效溫差減小，換熱效率降低。因此隨著進(jìn)料海水鹽度的增加，單位面積的產(chǎn)水量逐漸減小，如圖4(d)所示。同時(shí)在產(chǎn)水量不變的情況下，動(dòng)力蒸汽量逐漸增加，如圖4(a)所示。如圖4(c)所示，動(dòng)力蒸汽量的增加導(dǎo)致Pr的減小。動(dòng)力蒸汽量的變化量比較小，同時(shí)進(jìn)料海水量的增加將導(dǎo)致輸入火用的增加，如圖4(b)所示。綜上，較小的進(jìn)料海水鹽度對(duì)應(yīng)系統(tǒng)較大的蒸發(fā)性能和較小的火用輸入。

圖3 動(dòng)力蒸汽壓力對(duì)(a)Mm(b)輸入火用(c)Pr(d)單位面積產(chǎn)水量的影響

圖4 進(jìn)料海水鹽度對(duì)(a)Mm(b)輸入火用(c)Pr(d)單位面積產(chǎn)水量的影響

3.2.3 抽吸位置影響

圖5 抽吸位置對(duì)(a)Mm(b)輸入火用(c)Pr(d)單位面積產(chǎn)水量的影響

圖5 展示了抽吸位置對(duì)系統(tǒng)不同性能指標(biāo)的影響。動(dòng)力蒸汽壓力為550kPa，進(jìn)料海水鹽度為3.6%。隨著抽吸效數(shù)的減小，抽吸蒸汽的壓力和溫度越高，抽吸蒸汽的量也越大，因而系統(tǒng)抽出的蒸汽的熱量和火用也越大。在另一方面，抽吸位置前面效的產(chǎn)水量遠(yuǎn)大于后面各效的產(chǎn)水量。因此在系統(tǒng)產(chǎn)水量一定的情況下，抽吸效數(shù)越小，系統(tǒng)用于海水蒸發(fā)的蒸汽熱量越少，所需要的動(dòng)力蒸汽量也越大，從而系統(tǒng)輸入火用也越大，造水比越小，如圖5(a)、(b)、(c)所示。同樣如圖5(d)所示，抽吸效數(shù)越小，蒸發(fā)效率也越低，單位面積產(chǎn)水量也越低。然而抽吸效數(shù)在第4 效之后，除了單位面積產(chǎn)水量各性能指標(biāo)變化不大。這是由于第五效和第六效的進(jìn)料海水流量和換熱面積都遠(yuǎn)小于前四效，抽吸的蒸汽量也較小，因而各性能指標(biāo)變化較小。從圖5(a)、(b)、(c)可以看出，抽吸位置在第六效變化規(guī)律出現(xiàn)了相反的情況，這是由于末效產(chǎn)生的閃蒸蒸汽量大于第五效的閃蒸蒸汽量導(dǎo)致進(jìn)入第六效的二次蒸汽量大于第五效的蒸汽量，從而抽吸蒸汽量增加，造水比略微下降。從圖5(d)可以看出，抽吸位置在第四效的時(shí)候單位面積產(chǎn)水量最高。由于第五效和第六效的進(jìn)料海水流量和換熱面積都遠(yuǎn)小于前四效，在第四效抽氣后進(jìn)入后兩效的蒸汽量更能與其海水進(jìn)料量和蒸發(fā)面積相匹配，因而蒸發(fā)效率最高。綜上，對(duì)于該系統(tǒng)較為合適的抽氣位置為第四效。

4 結(jié)論

針對(duì)該六效平流MED-TVC 系統(tǒng)，進(jìn)行了能量及火用平衡分析。對(duì)于該系統(tǒng)，TVC 過(guò)程的火用損失是系統(tǒng)火用損失的最大部分，占系統(tǒng)火用損失的49.50%。六效火用損失占系統(tǒng)輸入火用的23.28%。冷凝器的火用損失占系統(tǒng)總火用損失的7.87%。系統(tǒng)中TVC 過(guò)程造成的能量及火用損失較為明顯，因此尋找較低能量及火用損失的附加單元或設(shè)備來(lái)提升系統(tǒng)能量效率和造水比是進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)性能的方向。

另一方面，研究了動(dòng)力蒸汽壓力、進(jìn)料海水鹽度以及抽吸位置對(duì)系統(tǒng)主要性能指標(biāo)的影響。系統(tǒng)的造水比和單位面積的產(chǎn)水量都隨著動(dòng)力蒸汽壓力的升高而增加，但系統(tǒng)的輸入火用也隨之增加；而系統(tǒng)的造水比隨著進(jìn)料海水鹽度的增加而減??；隨著抽吸效數(shù)的增加系統(tǒng)的造水比逐漸增加，在第四效后變化不大。而單位面積的產(chǎn)水量在第四效達(dá)到最高，因而該系統(tǒng)較為合適的抽吸位置為第四效。