低溫多效海水淡化在不同季節(jié)穩(wěn)定產(chǎn)水的研究

李 蓮 馬 妍 韓延民 李之瑞 趙潔蓮

浙江海鹽力源環(huán)?？萍脊煞萦邢薰?/p>

0 引言

低溫多效海水淡化技術(shù)（LT-MED）是指通過(guò)反復(fù)利用潛熱，將海水經(jīng)過(guò)多次蒸發(fā)和冷凝后脫鹽，且最高蒸發(fā)溫度不超過(guò)70℃的多效蒸餾技術(shù)。由于其蒸發(fā)溫度較低，可有效減少海水鈣鎂鹽的析出，大幅降低了管外壁的結(jié)垢風(fēng)險(xiǎn)，其較小的傳熱溫差可獲得10左右的造水比[1],以上特點(diǎn)使該技術(shù)廣泛應(yīng)用于我國(guó)環(huán)渤海地區(qū)。

在低溫多效海水淡化系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)進(jìn)料海水溫度低于裝置的設(shè)計(jì)溫度且動(dòng)力蒸汽量、進(jìn)料海水量一定時(shí)，進(jìn)料溫度與沸騰溫度之間過(guò)冷度會(huì)增加，從而減少二次蒸汽的產(chǎn)生，導(dǎo)致造水比降低，即產(chǎn)水量下降[2,3]。陳軍等人[4]提高了LT-MED的進(jìn)料海水溫度,發(fā)現(xiàn)可以提高各種進(jìn)料方式的淡水產(chǎn)量和造水比，以提升系統(tǒng)熱力性能。為克服不同季節(jié)溫度的影響，可通過(guò)固定噴淋海水的溫度和流量，使各效蒸發(fā)器的換熱溫差和換熱面積保持穩(wěn)定不變，以維持全年產(chǎn)水量的穩(wěn)定輸出。解利昕等人[5]在進(jìn)料海水平流流入各效蒸發(fā)器中，利用冷凝系統(tǒng)熱量平衡的原理，通過(guò)調(diào)整冷卻器進(jìn)料水量和冷卻自來(lái)水流量來(lái)控制蒸發(fā)器噴淋海水溫度和流量。

本文以12 500 t/d低溫多效海水淡化裝置中的冷凝系統(tǒng)為主要研究對(duì)象，在進(jìn)料海水的設(shè)計(jì)溫度范圍內(nèi)，針對(duì)冬夏季不同海水溫度，研究出調(diào)節(jié)進(jìn)料海水的流量、冷卻水的排放量以實(shí)現(xiàn)低溫多效海水淡化裝置穩(wěn)定產(chǎn)水的方法，通過(guò)冷凝系統(tǒng)的調(diào)控，在滿足噴淋海水流量與溫度的要求下，盡可能減少冷卻水排放量，或?qū)⒗鋮s水中的熱量回收利用，以提高系統(tǒng)整體的熱利用效率。

1 分析模型

1.1 低溫多效海水淡化系統(tǒng)模型

圖1為12 500 t/d低溫多效海水淡化系統(tǒng)示意圖，該系統(tǒng)主要由閃蒸器、蒸發(fā)器、冷凝器、凝結(jié)水冷卻器、回?zé)崞骱彤a(chǎn)品水冷卻器組成。進(jìn)料海水采用平流進(jìn)料方式均勻噴淋到每一效蒸發(fā)器中，閃蒸余熱廢水產(chǎn)生的動(dòng)力蒸汽作為第一效蒸發(fā)器的熱源，海水經(jīng)過(guò)第一效蒸發(fā)后分為兩部分，一部分作為二次蒸汽進(jìn)入下一效蒸發(fā)器，另一部分作為濃鹽水排放，后一效重復(fù)上一效流程。第一效蒸汽冷凝后進(jìn)入凝結(jié)水冷卻器為第一、第二效噴淋海水加熱，隨后作為熱水回水循環(huán)利用，后幾效凝結(jié)水則為產(chǎn)品水。第四效的部分蒸汽會(huì)被抽出進(jìn)入回?zé)崞?，為第三、第四效的噴淋海水加熱，蒸汽?jīng)回?zé)崞骼淠蟮哪Y(jié)水也進(jìn)入產(chǎn)品水管路。所有的產(chǎn)品水匯集后作為熱側(cè)流體進(jìn)入產(chǎn)品水冷卻器，與部分進(jìn)料海水換熱后實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品水的降溫，同時(shí)提升進(jìn)料海水的溫度。

圖1 12 500 t/d低溫多效海水淡化系統(tǒng)示意圖

本文研究的12 500 t/d低溫多效海水淡化系統(tǒng)的工況參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 12 500 t/d低溫多效海水淡化系統(tǒng)給入?yún)?shù)

根據(jù)給入?yún)?shù)和低溫多效海水淡化系統(tǒng)公式[6]計(jì)算出12 500 t/d低溫多效海水淡化系統(tǒng)的噴淋海水總量、后冷卻水溫度以及各效蒸汽量等參數(shù)值，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 12 500 t/d低溫多效海水淡化系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算結(jié)果

1.2 低溫多效海水淡化冷凝系統(tǒng)

本文以冷凝系統(tǒng)（見(jiàn)圖2）為主要研究對(duì)象，第六效蒸發(fā)器產(chǎn)生的蒸汽進(jìn)入冷凝器中，經(jīng)冷凝后形成產(chǎn)品水。進(jìn)料海水分為兩部分，第一部分海水用于冷卻產(chǎn)品水，使產(chǎn)品水的出水溫度達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，第二部分進(jìn)料海水與換熱后的第一部分海水調(diào)控混合進(jìn)入冷凝器與第六效蒸汽換熱，混合液換熱后溫度上升，再通過(guò)噴淋管依次進(jìn)入各效蒸發(fā)室。

根據(jù)質(zhì)量守恒和能量守恒定律等原理，由圖2分別建立了系統(tǒng)物料平衡方程和能量平衡方程[7]，計(jì)算公式見(jiàn)式（1）~（8）。

圖2 低溫多效海水淡化冷凝系統(tǒng)示意圖

式中，M cw為進(jìn)料海水總量，t/h；M cw1為進(jìn)料海水分支流量，t/h；M cw2為產(chǎn)品水冷卻器冷側(cè)海水流量，t/h；M cw3為產(chǎn)品水冷卻器后海水分支流量，t/h；M cw4為進(jìn)入冷凝器的海水流量，t/h；M cw5為冷凝器后冷卻水排放量，t/h；M cw6為產(chǎn)品水冷卻器后冷卻水排放流量，t/h；FF為進(jìn)料噴淋海水總量，t/h；D6為第6效產(chǎn)品水量，t/h；DD為總產(chǎn)品水量，t/h；Tcw為進(jìn)料海水的溫度，℃；Tcw1為產(chǎn)品水冷卻器海水的出口溫度，℃；Tcw2為冷凝器海水進(jìn)口溫度，℃；T cw3為冷凝器海水出口溫度，℃；T FF為噴淋海水的溫度，℃；T v,i為第i效室的蒸發(fā)溫度，℃，i=1…6；TDD1為產(chǎn)品水冷卻器產(chǎn)品水進(jìn)水溫度，℃；T DD為產(chǎn)品水冷卻器產(chǎn)品水出水溫度，℃；hcw、hcw1、hcw2分別為溫度在Tcw、Tcw1、Tcw2及鹽度均為Xcw下的海水焓值，kJ/kg；Cp,F2和Cp,F4為海水的比熱容，kJ/（kg℃）；Cp,d為水的比熱容，kJ/（kg℃）；λTv,6為第六效蒸汽的汽化潛熱，kJ/kg。

為了簡(jiǎn)便計(jì)算，將海水的溫度與焓值簡(jiǎn)化為線性關(guān)系，可將式（8）簡(jiǎn)化為式（9）：

根據(jù)往年的氣象資料，可以確定當(dāng)?shù)睾Ｋ疁囟鹊脑O(shè)計(jì)最大值Tcw,max和最小值Tcw,min：

1）當(dāng)海水設(shè)計(jì)溫度為最小值時(shí)，前、后冷卻水均不排放，即：

由式（2）、（6）、（7）、（1）、（9）可依次計(jì)算出M cw4,min、M cw3,min、M cw1,min、M cw,min、Tcw2,min和Tcw1,min。

2）當(dāng)海水設(shè)計(jì)溫度為最大值時(shí)，海水支路M cw3流量為0，此時(shí)，進(jìn)料海水的溫度與進(jìn)冷凝器前的海水溫度相等，即：

由 式（6）、（1）、（7）、（2）可 依 次 計(jì) 算 出M cw6,max、M cw4,max、M cw1,max和M cw5,max。

根據(jù)極限設(shè)計(jì)值下相對(duì)應(yīng)的流量及溫度可以設(shè)定Tcw2的值在兩極值間呈線性關(guān)系，見(jiàn)式（14）。

Tcw1與Tcw關(guān)系擬合計(jì)算框圖見(jiàn)圖3，設(shè)定溫度步長(zhǎng)為1℃，通過(guò)極限溫差ΔT計(jì)算出Tcw的散點(diǎn)數(shù)N，組成T cw矩陣，根據(jù)公式(13)、（1）分別計(jì)算Tcw(i)對(duì)應(yīng)的冷凝器海水出口溫度T cw2(i)和進(jìn)入冷凝器的海水流量M cw4(i)。Tcw1(i)值的計(jì)算需給定一個(gè)初始值，即Tcw1(i)=T cw1,min，隨后依據(jù)公式（8）、（7）、（6）依次計(jì)算出M cw3(i)、M cw1(i)、M cw6(i)。此時(shí)需判斷M cw6(i)計(jì)算值的合理性：當(dāng)M cw6(i)<0時(shí)，返回上一步驟重新代入新Tcw1(i)，新Tcw1(i)值等于原Tcw1(i)加上0．5。當(dāng)M cw6(i)>0，退出Tcw1(i)的循環(huán)計(jì)算，至此可以得到與Tcw(i)對(duì)應(yīng)的Tcw1(i)的N個(gè)值，再依據(jù)散點(diǎn)法得出擬合公式：Tcw1()i=f(Tcw(i))。Tcw1擬合公式框圖見(jiàn)圖3。

圖3 Tcw1擬合公式計(jì)算框圖

2 結(jié)果與分析

2020年渤海海水溫度[8,9]變化情況見(jiàn)圖4，從圖4中可以看出渤海海水溫度范圍在-1．9~29．9℃。

圖4 2020年度渤海海水溫度圖

將-1．9℃和29．9℃定為Tcw最小值和最大值，則極限設(shè)計(jì)值下相對(duì)應(yīng)的流量及溫度計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 在設(shè)計(jì)極限值下，12 500 t/d低溫多效海水淡化系統(tǒng)進(jìn)料海水參數(shù)計(jì)算結(jié)果表

Tcw1依據(jù)散點(diǎn)法得出擬合公式（15）：

M cw2是產(chǎn)品水冷卻器的冷側(cè)水流量，不宜有過(guò)大的波動(dòng)，故在本案例中將M cw2流量固定，設(shè)為600 t/h。根據(jù)公式（1）~（8），（14），（15）可求出隨著進(jìn)料海水溫度變化的各路流量和溫度。

2.1 不同進(jìn)料海水溫度對(duì)進(jìn)料海水流量（M cw）、冷卻水排放量（M cw5與M cw6）的影響

從圖5可見(jiàn)進(jìn)料海水流量（M cw）與后冷卻水排放量（M cw5）隨著進(jìn)料海水溫度的上升而增加，并且上升趨勢(shì)保持一致，通過(guò)控制冷卻水排放量（M cw5）能夠確保噴淋海水流量（FF）恒定不變。而進(jìn)料海水溫度在20℃以下，前冷卻水排放量（M cw6）幾乎為零；進(jìn)料溫度超過(guò)20℃后，M cw6快速上升，最高達(dá)到600 t/h。這是因?yàn)樵诶淠髦校诹д羝浚?9．08 t/h）和溫度（43．7℃）保持恒定，若進(jìn)入冷凝器的海水溫度較低，則換熱過(guò)后的海水溫度達(dá)不到噴淋進(jìn)水溫度要求，故需將M cw2與換熱后升溫的M cw3混合，以滿足溫度要求。

圖5 進(jìn)料海水流量、冷卻水排放量隨進(jìn)料海水溫度的變化圖

當(dāng)進(jìn)料海水溫度低于20℃時(shí)，前冷卻水M cw6不排放，則M cw3等于M cw2，經(jīng)冷卻器換熱后的M cw2全部與M cw1混合，即M cw4等于M cw。當(dāng)進(jìn)料海水溫度在20℃以上時(shí)，M cw1溫度較高，只需混合較少的M cw3以提高混合液M cw4的溫度，甚至可能不需要M cw3加入，M cw1自身溫度已滿足冷凝器進(jìn)水溫度要求。因此，為了克服外界溫度干擾，對(duì)進(jìn)料海水流量與冷卻水排放量的控制顯得尤為重要。

2.2 不同的進(jìn)料海水溫度對(duì)冷凝器冷卻水排放溫度（Tcw 1、Tcw 2）的影響

進(jìn)料海水溫度從-1．9℃增加到15℃時(shí)，冷凝器前冷卻水排放溫度T cw1也隨之快速上升；當(dāng)進(jìn)料海水從15℃上升到29．9℃時(shí)，T cw1保持在39~40℃范圍（見(jiàn)圖6）。這是因?yàn)樵诶鋮s器中，總產(chǎn)品水流量DD和溫度TDD1以及M cw2保持不變，隨著Tcw增加，T cw與T DD1越接近，換出的熱量就會(huì)越小，則Tcw1的上升速率會(huì)逐漸下降，后呈現(xiàn)穩(wěn)定趨勢(shì)。

圖6 冷凝器前冷卻水排放溫度隨進(jìn)料海水溫度的變化圖

隨著進(jìn)料海水溫度增加，M cw4和Tcw2持續(xù)上

3 結(jié)論

為了克服外界溫度變化的影響，本文對(duì)低溫多效海水淡化冷凝系統(tǒng)進(jìn)行了熱質(zhì)平衡研究，通過(guò)調(diào)節(jié)進(jìn)料海水流量、冷卻水排放量可以實(shí)現(xiàn)低溫多效海水淡化裝置常年穩(wěn)定產(chǎn)水。本文建立了相應(yīng)的熱力學(xué)數(shù)學(xué)模型及程序化計(jì)算框圖，為海水淡化裝置性能仿真及其自動(dòng)化控制提供了理論參考。該計(jì)算方法為低溫多效海水淡化系統(tǒng)的工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論方案，對(duì)實(shí)際工程具有預(yù)測(cè)指導(dǎo)意義。升（見(jiàn)圖7）。在冷凝系統(tǒng)中，第六效蒸汽量和溫度保持恒定，根據(jù)能量守恒定律（公式1）可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)M cw4一直增大時(shí)，只有增大Tcw2，使Tcw2與Tcw3之間的溫差越小，Tcw3才能保持穩(wěn)定不變，即噴淋海水T FF保持恒定。冷凝器前冷卻水排放溫度隨進(jìn)料海水溫度變化見(jiàn)圖6，M cw4和Tcw2隨進(jìn)料海水溫度變化圖見(jiàn)圖7。

圖7 Mcw4、Tcw2隨進(jìn)料海水溫度的變化圖