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                                                      柴油发电机组废热驱动的海水淡化系统分析

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                                                      0 引言

                                                      在淡水资源匮乏的今天,海水淡化技术在解决全球水危机方面扮演着十分重要的角色。自20世纪50年代以来,海水淡化技术发展迅速,形成了多级闪蒸、多效蒸馏、压汽蒸馏、反渗透及电渗析等多种成熟的淡化技术。目前,世界海水淡化装置容量正逐年增大[1]

                                                      海水淡化需要消耗大量能量,导致淡化水成本较高[2]。为了降低海水淡化的成本,人们对能源与海水淡化系统的结合做了大量的研究工作。郑宏飞[3]等人对太阳能海水淡化技术做了系统而详细的分析与研究;Konishi T[4]等人对核能驱动的海水淡化工程进行了探讨。但是,海水淡化的成本问题仍然没有得到解决。而在一些缺水且远离陆地的海岛上,普遍采用柴油发电机组供电。通常柴油发电机组的热效率约为35%,其余的热量都随着缸套冷却水和高温烟气排到环境中。如果利用这部分废热[5]来进行海水淡化,实现水电联产,可提高能源利用率,并大幅降低海水淡化成本,是解决海岛淡水供应问题的途径之一。

                                                      国外早在1987年便有了对使用柴油机驱动的海水淡化系统的成本分析[6],Khalifa等人使用软件对新能源(风能和太阳能)以及柴油发电机组驱动的海水淡化系统进行了模拟,结果表明使用柴油发电机组或使用柴油机、风能、太阳能混合系统进行驱动时,海水淡化的成本最低[7],Henderson等人对利用反渗透海水淡化装置来平衡风能-柴油机混合发电系统中能量供应和用电需求的矛盾的可行性进行了探讨[8]。国内对应用于海岛的,与柴油发电机组相结合的小型海水淡化系统的研究很少。高从堦[9]等人对柴油发电机与海水淡化结合的优点作了简单的介绍,没有涉及具体的结合形式;姜周曙[10]等人设计了一套利用渔轮用柴油机余热进行制冷及海水淡化的装置,但并未对其变工况下的运行特性进行研究。

                                                      本文针对使用柴油发电机组供电的缺水的海岛,设计了一套柴油发电机组废热驱动的海水淡化装置,在设计工况下进行热力学分析计算,确定其换热面积、喷淋密度、管束排布等结构参数。并在此基础上,针对发电机组负荷随用电需求变化而变化的特点,对已确定的海水淡化系统在不同的发电机组负荷下的运行情况进行计算分析。

                                                      1 系统流程

                                                      柴油机的废热以冷却水和烟气两种方式排出。为了有效利用柴油机排出的废热,采用循环水来回收这两种类型的废热。由于循环水出水温度受柴油机冷却水进出口温度要求的限制,通常低于80℃。因此,采用耗功量小、热效率高、海水预处理简单的低温多效蒸馏法进行海水淡化比较合适。由于循环水温度较低,首效蒸发温度可控制在70℃以下,避免了海水蒸馏易结垢的问题[11]。低温多效蒸馏操作弹性较大,适合在柴油发电机组排出废热量变化的环境下工作。

                                                      柴油发电机组废热驱动的低温多效海水淡化系统流程简图如图1所示。对于小型低温多效海水淡化系统,为了简化海水淡化装置结构,便于系统运行控制,海水淡化流程采用全顺流流程,蒸馏装置采用横管降膜换热,各效布置为立式串联。

                                                      图1 柴油发电机组废热驱动的海水淡化系统流程

                                                      海水淡化系统由循环热水和海水淡化两部分组成,循环热水回收柴油机全部的冷却水废热和部分排气废热后,在循环泵的作用下,进入海水淡化系统的首效蒸馏器内,加热并汽化进入首效蒸馏器内的海水。水温降低后的循环热水流经海水预热器,进一步降低温度,放出热量。淡化用原料海水经预热后进入首效蒸馏器,由喷淋器均匀的喷淋在首效换热管上,吸收换热管内循环热水的热量,部分蒸发;产生的蒸汽流入第二效蒸馏器换热管作为第二效蒸馏器的热源。首效蒸馏器中未蒸发的海水在重力和效间压差的作用下流入第二效,闪蒸出一部分蒸汽,其余海水喷淋在第二效的换热管上,依次逐效进行,直到最后一效蒸馏器;在此蒸馏器内浓海水被排出,产生的蒸汽进入冷凝器冷凝,冷凝水进入淡水罐。海水淡化装置从第二效开始有淡水产出,淡水流入各级淡水闪蒸罐部分闪蒸,闪蒸出的蒸汽作为下一效蒸馏器的热源,最后未闪蒸的淡水流入淡水罐。冷凝器管内流通冷却海水,冷却海水流出冷凝器后,大部分排放,小部分与末效蒸馏器排出的部分浓海水混合,作为原料海水进入首效蒸馏器,以提高各效的喷淋密度。

                                                      2 热力学模型

                                                      2.1 建模假设

                                                      (1)系统保温良好,忽略散热损失;

                                                      (2)忽略流体流动过程中的各种阻力;

                                                      (3)忽略海水浓度变化所引起的沸点升高,海水物性按纯水计算。

                                                      遵循能量和质量守恒原理,系统内各换热器热力学模型如下。

                                                      2.2 海水预热器与首效蒸馏器模型

                                                      循环水系统通过海水预热器与首效蒸馏器,将回收的柴油发电机组废热(Qgen)用来预热淡化用海水,并提供首效海水蒸发所需的热量。

                                                      Qgen=mvap,1hwap,l+ms,1,ohs,1,o-ms,1,ihs,p,i

                                                      (1)

                                                      ms,1,i=mvap,1+ms,1,o

                                                      (2)

                                                      式中 m——质量流量/kg·s-1

                                                      h——比焓/kJ·kg-1

                                                      下标 vap——蒸汽;

                                                      s——海水;

                                                      l——首效蒸馏器;

                                                      p——预热器;

                                                      i——入口;

                                                      o——出口。

                                                      2.3 第n效蒸馏器模型(n≥2)

                                                      n效蒸馏器的热源为前一效的二次蒸汽(mvap,n-1)和前一效冷凝水在淡水罐内闪蒸的蒸汽),其在蒸馏器内冷凝放热量与管束外降膜蒸发吸热量相等。第n效蒸馏器热负荷(Qeva,n)为

                                                      =ms,n,ohs,n,o+mvap,nhwap,n,o-ms,n,ihs,n,i

                                                      (3)

                                                      ms,n,i=mvap,n+ms,n,o

                                                      (4)

                                                      式中 r——汽化潜热/kJ·kg-1

                                                      下标 n——第n效蒸馏器。

                                                      2.4 冷凝器模型

                                                      最后一效二次蒸汽(mvap,N)与最后一级淡水罐闪蒸的蒸汽)进入冷凝器冷凝,冷凝器管内流通冷却海水(ms,con),冷却海水吸收的热量等于蒸汽冷凝放热量(Qcon)。

                                                      (5)

                                                      下标 N——末效蒸馏器;

                                                      con——冷凝器。

                                                      2.5 第n级淡水罐闪蒸量)

                                                      从第二效开始,蒸汽冷凝产生的淡水流入淡水罐。由于淡水罐的压力逐级降低,淡水将逐级产生闪蒸,闪蒸出的蒸汽与本效二次蒸汽一起进入下一效蒸馏器作为驱动热源。

                                                      (6)

                                                      (7)

                                                      下标 f——淡水罐。

                                                      2.6 第n效喷淋海水闪蒸量)

                                                      由于蒸馏器压力逐效降低,当前一效饱和海水进入下一效时,由于压力的降低将发生闪蒸,海水闪蒸将对各效蒸馏器喷淋密度产生一定影响。因此,每效的海水闪蒸量)不可忽略。

                                                      (8)

                                                      2.7 系统整体能量与质量守恒

                                                      按照能量和质量守恒原理,输入系统的总热量应与排出系统的总热量相等,从冷凝器冷却海水出口处输入系统的总质量)与排出系统的总质量相等,输入系统的总盐量与排出系统的总盐量相等。因此,有

                                                      Qgen=ms,ohs,N,o+mw,ohw,o

                                                      (9)

                                                      (10)

                                                      (11)

                                                      (12)

                                                      式中 x——海水盐浓度/[%];

                                                      ε——浓缩比;

                                                      下标 w——淡水。

                                                      3 设计工况下系统参数确定

                                                      3.1 设计参数确定

                                                      某海岛柴油发电机组额定功率为300 kW,平均发电效率为35%。回收全部柴油机冷却水废热和部分排气废热,回收的废热量相当于供入柴油机燃油热量的35%,其余30%的热量通过排气和机体散热排到环境中。回收的废热全部用于海水淡化。

                                                      实际上海岛柴油发电机组绝大部分时间运行在额定功率值以下。因此,按柴油机工作负荷为80%,循环水回收的废热量为240 kW作为海水淡化系统设计加热负荷。设计循环水出口温度为75℃,并以此温度进入首效蒸馏器,循环水流出海水预热器的温度为60℃。为了提高蒸馏器内海水喷淋密度,采用浓海水再循环,循环比(β)取为1。冷却海水进口温度30℃,设计温升为6℃,冷凝器热端温差取6℃,则设计冷凝温度为42℃。设计海水淡化系统的海水浓缩比为2.0。

                                                      3.2 设计工况下系统主要结构参数确定

                                                      首先根据所建立的海水淡化系统热力学模型,进行设计工况下系统的热力计算,确定进出各效蒸馏器的海水、淡水、二次蒸汽进出口温度、压力、流量、传热量等热力参数。得到设计工况下各效蒸馏器的产水量和热负荷。然后根据文献[12],对各效蒸馏器在设计工况下的喷淋密度、传热系数等参数进行计算,结合热力计算结果,计算出各效蒸馏器理论传热面积。根据换热管布管和计算的喷淋密度情况,确定蒸馏器有效热管长和管束排列方式(管排数和管列数),最终应使管排及管列数为整数且实际传热面积大于理论传热面积。

                                                      海水淡化系统各蒸馏器主要工作参数和结构参数

                                                      经过计算得到设计工况下海水淡化系统各换热器主要工作参数和结构参数如表1所列。其中,有效换热管长取1.4 m,管列数13列。首效蒸馏器内热水流程为每排管束为一流程,冷凝器内冷却水流程为每两排管束为一流程。热力计算得到的热水循环泵流量13 779 kg/h,冷却海水泵流量31 904 kg/h,海水进料流量2 460 kg/h,系统淡水产量为1 219.5 kg/h,计算海水浓缩比为1.98。

                                                      4 系统运行特性分析

                                                      由于柴油发电机组的实际发电负荷随岛上用电负荷的变化而变化,导致柴油机所排出的废热量也随之变化,对海水淡化系统的运行产生影响。为了便于了解和掌握水电联产系统的工作特性,在已确定的海水淡化系统结构参数条件下,采用数值模拟方法来分析变工况条件下柴油发电机组废热驱动的海水淡化系统工作特性。

                                                      假定循环水回收的柴油机废热负荷与柴油发电机组实际负荷变化成线性关系(实际情况是,随着柴油机负荷的降低,热效率也降低,排出的废热占输入能量的比值增加)。对已确定的海水淡化系统,当柴油发电机组负荷为额定负荷的50%~100%时,分析海水淡化系统的产水率、各效蒸馏器热负荷、喷淋密度、实际运行温差等参数随机组负荷的变化,计算结果如图2~图7所示。

                                                      图2 系统及各效产水率随发电机组负荷的变化

                                                      图2表示系统及各效蒸馏器产水速率随柴油发电机组负荷的变化关系。当发电机组负荷增大时,系统及各效蒸馏器产水率都随之增加。这是由于在循环水流量恒定时,热负荷增大,导致循环水进出海水淡化系统的温差增大。循环水入口温度升高,会导致系统总传热温差增大,在相同的传热面积和喷淋密度条件下传热量增大,海水蒸发量增大,产水率提高。

                                                      图3 系统各换热设备热负荷随发电机组负荷的变化

                                                      系统内各换热器热负荷也随着柴油发电机组负荷的提高而增大(如图3所示),其变化趋势与图2中各效蒸馏器产水率变化趋势相同。从图中可见,对于全顺流立式布置、热水驱动的海水淡化系统,首效和二效蒸馏器热负荷几乎相同,其他各效蒸馏器热负荷逐效略有增加,冷凝器热负荷最大。由于通过海水预热器后进入首效蒸馏器的海水温度几乎达到饱和,首效蒸馏器产生的蒸汽作为二效的热源而没有其它蒸汽补入。因此,首效和二效蒸馏器负荷几乎相同。二效蒸馏器以后的各效蒸馏器,其热源蒸汽不仅有上一效蒸馏产生的蒸汽,还有上一效海水喷淋闪蒸和凝结水闪蒸所产生的蒸汽。因此对于全顺流海水淡化系统而言,二效以后的蒸馏器负荷和产水率逐效增大,冷凝器在所有换热设备中具有最大热负荷。

                                                      图4 各效喷淋密度随发电机组负荷的变化

                                                      图4显示的是系统各效喷淋密度随柴油发电机组负荷的变化关系。由于淡化用海水进水量一定,各效产水率随着柴油发电机组负荷的增加而增大,使得各效喷淋密度随着柴油发电机组负荷的增加而减小。当浓海水再循环比为1时,首效喷淋密度维持在0.075 1 kg/(m·s)左右。为了使海水能够均匀地分布在降膜横管表面上,对每效蒸馏器的喷淋密度有一定要求。一般认为横管降膜蒸发的最小喷淋密度不低于0.044 kg/(m·s)[13]。对于全顺流海水淡化系统而言,因各效中海水均有蒸发,使得第五效的喷淋密度最小。如果原料海水进水量保持不变,当柴油发电机的负荷由50%升高到100%时,第五效蒸馏器的喷淋密度由0.066 1 kg/(m·s)减少到0.057 4 kg/(m·s),仍能满足要求。

                                                      图5 各换热设备换热系数随发电机组负荷的变化

                                                      图5反映出各效蒸馏器传热系数的变化趋势与图4各效蒸馏器喷淋密度的变化趋势一致。对于全顺流多效蒸馏系统而言,当进水量恒定时,首效蒸馏器喷淋密度不随柴油发电机组负荷变化而变化,传热系数保持恒定,但海水蒸发量随柴油发电机组负荷的增加而增加,使得其后各效蒸馏器内海水蒸发量也随之增加,喷淋密度降低,导致传热系数下降。说明在确定的系统和运行参数下,传热系数受喷淋密度的影响较大。而对于冷凝器,蒸汽在其管外凝结换热,其凝结换热系数主要受液膜厚度的影响。当柴油发电机组负荷增加后,冷凝器负荷也随之增大,冷凝器中凝结的蒸汽量增大,每排冷凝管上流经的冷凝液量增加,液膜厚度加大,使冷凝管外侧换热热阻增大,冷凝器总传热系数下降。

                                                      图中还可以看出,各效蒸馏器的传热系数基本都在2.4 kW/(m2·℃)以上,但首效蒸馏器和冷凝器传热系数相对较小,在2.2 kW/(m2·℃)以下。其原因在于,首效蒸馏器和冷凝器均为单侧相变传热,其余各效蒸馏器均为管内外双侧相变传热。通常情况下,相变传热系数大于非相变传热系数。要提高首效蒸馏器及冷凝器的传热系数,必须提高管束内水流速,从而提高无相变的管侧换热系数,这将会导致循环水和冷却水泵功耗增加,传热温差增大。

                                                      图6 各换热设备实际传热温差随发电机组负荷的变化

                                                      图6给出了海水淡化系统内各换热设备传热温差随柴油发电机组负荷的变化关系。图中可见,各换热设备的传热温差都随柴油发电机组负荷的增大而有所提高。当柴油发电机的负荷由50%升高到100%时,各效蒸馏器传热温差均从3.5℃左右变化到6.5℃左右。其原因是,对于结构参数确定的多效蒸馏海水淡化装置而言,当循环水泵流量保持恒定时,随着柴油发电机组负荷增加,回收的废热量增加,使得循环水进出口温度同时增大,也使得各效蒸馏器负荷(产水量)增大,传热温差自然增加。因此,实际的海水淡化系统在一定的加热负荷变化范围内,具有自调节、自适应特性,具有较好的操作弹性。

                                                      图7 浓缩比及每kW热负荷产水率随发电机组负荷的变化

                                                      图7给出了海水淡化系统浓缩比和单位加热负荷产水量随柴油发电机组负荷的变化关系。当系统进水量不变时,海水浓缩比随柴油发电机组负荷增加而升高,但单位加热负荷产水率却是降低的。由50%负荷时的1.434×10-3 kg/(s·kW)降至100%负荷时的1.407×10-3 kg/(s·kW)。这是因为在冷却水流量恒定条件下,冷却水温升随发电机组负荷增加而提高,导致冷凝温度以及系统产出淡水和末效排出的浓海水温度随之上升(见图6),由此带出系统的热量也增大。这表明当系统结构参数和运行参数确定后,增大输入系统的热量,尽管可以提高产水率,但系统性能有所降低。当发电机组负荷100%时,浓缩比已达到了2.61,过高的海水浓缩比会使得换热管上易于结垢,影响换热。因此,综合考虑产水率、浓缩比、及系统性能的影响,对于确定结构和运行参数的海水淡化系统,不建议长时间超负荷运行,否则需要考虑调节循环热水、冷却海水和进料海水的流量,来控制循环热水和冷却海水进出口温度以及海水浓缩比。

                                                      5 结论

                                                      上述计算和分析表明,采用低温多效蒸馏技术来回收柴油发电机组冷却水和排气废热进行海水淡化是可行的。对于额定功率为300 kW的柴油发电机组,在80%负荷条件下回收全部冷却水和部分排气废热负荷为240 kW,循环热水进出口温度为75℃/60℃时,海水冷却水进出口温度为30℃/36℃条件下,采用五效蒸馏海水淡化系统,小时产水量可达1.22 t/h(29 t/d),可以有效解决150~200人海岛的用水问题。

                                                      与柴油发电机组结合的低温多效海水淡化装置能够在发电机组负荷50%~100%的情况下正常运行,产水率随发电机组负荷的增加而增加(从0.77 t/h增大到1.52 t/h),各效蒸馏器喷淋密度始终在0.05~0.08 kg/(m·s)之间。说明低温多效海水淡化装置在工作条件变化很大的情况下具有很好的适应性。当柴油发电机组长期在80%额定功率以上工作时,为了避免换热管束结垢,需要适当增大进料海水流量,以降低浓缩比。

                                                      一般情况下,海岛柴油发电机组的工作负荷多在额定功率的50%~80%之间,按此负荷区间回收的柴油机废热负荷设计的低温多效海水淡化系统在经济性和运行稳定性方面较为合理。回收柴油发电机组废热后可以将其热利用率提高一倍以上,从而节约大量能源,大幅降低海水淡化成本。因此,利用柴油发电机组废热驱动的低温多效海水淡化技术具有较好的实际应用价值。

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