多级闪蒸海水淡化系统的改进研究

西　安　交　通　大　学　学　报

JOURNALOFXI′ANJIAOTONGUNIVERSITY

Vol.39　№11Nov.2005

多级闪蒸海水淡化系统的改进研究

严俊杰,王金华,邵树峰,刘继平

(西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室,710049,西安)

摘要:针对供热机组进行电水联产的参数特点,综合多级闪蒸海水淡化技术(MSF)和低温多效蒸馏海水淡

化技术(LTΟMED)的优点,提出了一种多级闪蒸海水淡化的改进系统(MSFΟE),其改进方法是利用供热汽轮机0112～0125MPa的供热蒸汽作为热源,将各级闪蒸室中闪蒸出的二次蒸汽的一部分引到下一级闪蒸室中用来加热循环盐水,同时以供热机组凝汽器的循环海水代替原海水作为多级闪蒸系统的补充水,并建立了MSFΟE系统性能计算数学模型,分析了参数变化对MSFΟE系统性能的影响规律.研究与计算结果表明,与现有MSF装置进行对比,在引出份额达到理论最大值01743时,造水比可提高4216%,各级闪蒸室中盐水的质量分数平均下降2211%,可以更好地发挥供热机组进行电水联产的优越性,为MSFΟE系统的实际应用奠定了理论基础.

关键词:电水联产;多级闪蒸;海水淡化;造水比中图分类号:TK2　文献标识码:A　文章编号:0253Ο987X(2005)11Ο1165Ο04

ImprovementofMulti2StageFlashSeawaterDesalinationSystem

YanJunjie,WangJinhua,ShaoShufeng,LiuJiping

(StateKeyLaboratoryofMultiphaseFlowinPowerEngineering,Xi′anJiaotongUniversity,Xi′an710049,China)

Abstract:Accordingtotheparametercharacteristicsofelectricity2watercogeneration,amodifieddesalina2tionsystem(EnhancedMulti2StageFlash,MSF2E)wasproposedwhichconsideredtheadvantagesofmulti2stageflashsystem(MSF)andlowtemperaturemultipleeffectdesalinationsystem(LT2MED).Themainideaisthatthe011220125MPasteamextractingformsteamturbineisusedasheatsource,apartofflashvaporinflashroomistakenintonextonetoheattherecyclingbrine,andthesystemmakeupwaterissuppliedbycoolingseawaterofthermalpowerunitinsteadofseawater.TheperformancecalculatingmodelofMSF2Ewassetupandtheinfluencesofparameteronsystemperformancewereanalyzed.Thecalcula2tionandresearchresultsshowthattheperformanceratiocanincreaseby4216%andthebrinedensityineveryflashstagecandecreaseby2211%averagelyincomparisonwithconventionalMSFsystemwhentheflashsteamquotientincreasestoitsmaximumvalue01743.

Keywords:electricity2watercogeneration;multi2stageflash;seawaterdesalination;performanceratio

)cp　比热容,kJ/(kg・℃M质量流量,kg/snp

闪蒸级数

抽汽压力,MPa

符　号　表

α　　t　　循环盐水温度,℃引出份额θT闪蒸盐水温度,℃盐水加热器端温差,℃)下标r汽化潜热,kJ/(kg・℃

U循环倍率b　　排放浓盐水

X

d　产品水

j

rs

闪蒸室的级数

循环盐水加热蒸汽

Pr造水比盐水质量分数cw补充水v闪蒸蒸汽

收稿日期:2005Ο04Ο01.　作者简介:严俊杰(1967～),男,教授,博士生导师.　基金项目:国家自然科学基金资助项目

(50323001);教育部新世纪优秀人才支持计划资助项目(NCETΟ04Ο0940).

1166西　安　交　通　大　学　学　报　　　　　　　　　　　　　　　　　　第39卷　

　　海水淡化是解决淡水资源短缺问题的一条有效

的战略途径,它不仅是某一国家和地区在某一时期的暂时性的局部问题,而且是世界范围内涉及人类生存和社会发展的长远而重大的问题[1,2].近年来,将不同的海水淡化方法组合应用,以及将海水淡化装置与火力发电厂结合进行电水联产,以提高淡水产量和降低淡水成本,逐渐成为世界各国的研究热点.在目前各种海水淡化技术中,多级闪蒸(MSF)占有主导地位,其造水规模约占世界上总造水规模的60%,技术比较成熟,而且特别适合热电厂进行电水联产[3Ο6].深入研究MSF系统的性能,对促进MSF系统的合理设计、经济运行和提高火电厂经济性均具有重要意义.

现有MSF系统的闪蒸蒸汽全部在本级的冷凝管外凝结成产品淡水,释放的潜热用于加热本级冷凝管内的循环盐水[7,8].低温多效蒸馏海水淡化系统(LTΟMED)是将前一个蒸发器蒸发出来的二次蒸汽引入下一蒸发器作为加热蒸汽,并在下一蒸发器中冷凝为产品淡水,热能得以重复利用,造水比几乎按效数成倍增加,其最高盐水温度只有70℃.虽然操作温度低能够避免或减缓设备的腐蚀和结垢,但也正是由于操作温度低于汽轮机抽汽压力所对应的饱和温度,从而产生能位贬值,削弱了电水联产的实际热经济效益.因此,本文针对供热机组进行电水联产的参数特点,综合MSF和LTΟMED两种系统的

优点,通过对现有MSF系统进行改进,提出一种多

级闪蒸海水淡化的改进系统(MSFΟE),旨在提高现有MSF系统的造水比,降低其腐蚀和结垢,同时还建立了性能计算数学模型,以分析参数变化对系统性能的影响规律.

1　多级闪蒸海水淡化系统的改进方法

图1所示为现有的MSF系统,它将闪蒸室分割成热回收段闪蒸室和热排放段闪蒸室两部分.原海水首先进入热排放段闪蒸室的冷凝管用来冷凝闪蒸室里产生的蒸汽,同时海水被加热,从排放段出来的海水大部分返回大海,剩余部分进入到热排放段的末级闪蒸室内,并与闪蒸室内的循环盐水混合,再经盐水循环泵送入热回收段的末级闪蒸室的冷凝管,沿着与闪蒸盐水流动方向相反的方向依次冷凝各闪蒸室里闪蒸出的蒸汽,同时自身也被逐渐加热.循环盐水从第1级闪蒸室的冷凝管出来后,进入盐水加热器被进一步加热,然后进入第1级闪蒸室下部,由于此时其温度大于第1级闪蒸室真空所对应的饱和温度,循环盐水开始闪蒸,闪蒸出的蒸汽向上经丝网除沫器除去盐水滴和泡沫后进入冷凝区进行冷凝,凝结后的水滴落入冷凝器下部的淡水槽成为产品淡水.

图2所示为改进的MSFΟE系统,其改进方法如下.

图1　现有的MSF系统示意图

图2　改进的MSFΟE系统示意图

　第11期　　　　　　　　　　　　　　　　严俊杰,等:多级闪蒸海水淡化系统的改进研究1167

　　(1)在现有MSF系统的基础上,结合LTΟMED系统将二次蒸汽的潜热利用在下一效的特点,将各级闪蒸室中闪蒸出的二次蒸汽的一部分引到下一级闪蒸室中用来加热循环盐水,同时二次蒸汽冷凝为产品淡水.

(2)以电厂凝汽器的循环海水代替原海水作为多级闪蒸海水淡化系统的补充水,从而提高补充水的温度,充分利用电厂废热.

衡量其性能的最重要的参数,它是指蒸发装置淡水总产量与盐水加热器所消耗的蒸汽量之比,其定义为

Pr=Md/Ms

(4)(5)

　　MSFΟE系统盐水加热器的热平衡方程为

Msrs=Mrcp(T0-t1)

式中:t1为热回收段闪蒸室第1级冷凝管的出口水温.

(5)可以推导出MSFΟE系统的造利用式(2)、

2　MSFΟE系统的性能分析模型

2.1　MSFΟE系统的单元数学模型

水比为

ΔTstrsΨ(Ψn-1)n1　　Pr=(・2-Ψ-1rvT0-t1)n(Ψ-1)Ψ=α(1-cpΔT/rv)其中　　　　2.2.2　循环倍率　对于多级闪蒸海水淡化系统,

(6)

图3所示为MSFΟE系统第j级闪蒸室单元的

热工过程模块.每一级闪蒸室的热工过程均包括盐水闪蒸、淡水闪蒸、海水预热、循环盐水流动过程等环节,假设MSFΟE系统的各级闪蒸室服从等温降分配,并且各级闪蒸蒸汽的汽化潜热相等,从而可以建立MSFΟE系统的单元模块方程.

循环倍率U是衡量其装置性能的重要参数,定义为循环盐水流量与淡水总产量之比U=Mr/Md

(7)

(3)、(7),经过推导得到MSFΟE系统　　由式(2)、

的循环倍率为

2

n(Ψ-1)U=・cpΔTΨ(Ψn-1)-n(Ψ-1)

rv(8)

2.2.3　盐水质量分数　在MSFΟE系统中,由于海

水具有腐蚀性,材料容易腐蚀和结垢,因此在一定条件下,应该尽可能地降低盐水的质量分数.盐水加热器中盐水的质量分数Xr是最重要的浓度参数,因为在这里的温度最高,发生结垢的可能性也最大,因

图3　MSFΟE系统第j级闪蒸室单元的模块示意图

此应该尽可能地降低Xr.

盐水加热器中Xr的表达式为

Xr=(Mr-Md)Xb/Mr

(9)

　　盐水闪蒸后离开每一级时都有一个温度降

ΔTst,这个温度降通常称为级间递减温度.在循环盐水顶级和末级温度确定的情况下,按各级等温降原则可计算得到ΔTst.如果装置的总级数为n,则多级闪蒸装置的级间递减温度为

ΔTst=(T0-Tn)/n(1)

式中:T0为最高盐水温度;Tn为末级盐水温度.

第j级闪蒸室产生的闪蒸蒸汽流量为

(Mr-αMd(j-1))cpΔTst(2)Mdj=αMd(j-1)+

rvj

式中:Xb为排放浓盐水的质量分数.

各级闪蒸室中循环盐水的质量分数为

j

Xj=XrMr/(Mr-

i=1

∑M

di

)(10)

3　MSFΟE系统的性能分析

为了定量研究MSFΟE系统的性能,本文采用表1所示的汽水参数,其中盐水加热器热源利用供热机组0112～0125MPa的采暖抽汽,对应的盐水加热器汽侧温度为104～127℃.利用前面建立的数学模型,可以得到MSFΟE系统性能的变化规律如图4～8所示.

图4给出了MSFΟE系统的α对Xr的影响规

律,其中α等于0即为传统的MSF系统.可以看出,MSFΟE系统相对于MSF系统而言,Xr随着α的增

α为引出份额,即引到下一级的蒸汽占本级闪式中:

蒸蒸汽的份额.

系统总的淡水产量为

n

Md=

i=1

∑M

di

(3)

2.2　性能指标

2.2.1　造水比　对于海水淡化系统,造水比Pr是

1168西　安　交　通　大　学　学　报　　　　　　　　　　　　　　　　　　第39卷　

　表1　计算所用的汽水参数

nps/MPaXf/%Xb/%tcw/℃tb/℃

300112～012531448375～24407

θ/℃

图8　补充水温度对造水比的影响规律

大而减小.当末级闪蒸室的浓盐水全部排放时,Xr

减小到最小值,即为补充水的入口质量分数Xf,此时对应的α为理论最大值01743.

图5、6给出了MSFΟE系统的α对Pr和U的影响规律.可以看出,随着α从0增大到01743,Pr从9146增大到16147,增加了4216%,同时U下降了7113%,可以大量节省系统的电耗.

图7给出了MSFΟE系统的α对Xj的影响规律.可以看出,增大α可以减小Xj,从而可减缓系统的腐蚀和结垢,有利于系统安全运行.

图8给出了MSFΟE系统的tcw对Pr的影响规律.可以看出,MSFΟE系统在tcw大于临界温度时,随着tcw的升高,Pr不变,在tcw小于临界温度时,Pr随着tcw的升高而减小.本文提出的MSFΟE系统以供热机组凝汽器的循环海水代替原海水作为补充水,tcw约升高10℃,这样可以避免由于tcw变化导致Pr减小的缺点,从而使系统的产水量更加稳定、可靠,更好地发挥了供热机组进行电水联产的优越性.

图4　引出份额对盐水加热器中盐水质量分数的影响规律图5　引出份额对造水比的影响规律

4　结　论

在对传统的MSF系统进行分析研究的基础

上,针对供热机组进行电水联产的参数特点,综合MSF和LTΟMED两种系统的优点,利用供热汽轮机0112～0125MPa的供热蒸汽作为热源,提出了

图6　引出份额对循环倍率的影响规律

一种MSF的改进系统MSF2E,并建立了其性能数

学模型.与现有的MSF系统进行对比,MSFΟE系统在引出份额达到理论最大值01743时,各级闪蒸室中盐水的质量分数平均下降了2211%,造水比提高了4216%,且在提高造水比的同时,系统循环倍率下降了7113%,从而大大地节省了系统的电耗.同时,MSFΟE系统以供热机组凝汽器的循环海水代替原海水作为补充水,可以使系统避免由于补充水温度变化导致造水比下降的缺点,达到了系统产水量更加稳定、可靠之目的.这些研究结果对MSFΟE系统的实际应用具有重要意义.

(下转第1181页)

图7　引出份额对各级循环盐水质量分数的影响规律

　第11期　　　　　　　　　　　　　　　孙　红,等:质子交换膜燃料电池多孔介质中水的两相迁移1181

极催化剂层中的液态水含量升高;

(2)阴极中液态水的存在,加剧了氧气的浓差极化,淹没了反应活性点,降低了电池阴极的性能;

(3)升高电池的加湿温度或提高电流密度,质子交换膜中的水分含量升高;

(4)充分水合后的质子交换膜可提高质子传导率,进而提高电池阴极的性能.参考文献:

[1]　BernardiDM,VerbruggeMW.Amathematicalmod2

elforthesolid2polymer2electrodefuelcell[J].JElec2trochemSoc,1992,139(1):2477Ο2491.

[2]　BernardiDM,VerbruggeMW.Mathematicalmodel

ofagasdiffusionelectrodebondedtoapolymerelec2trolyte[J].AIChEJ,1991,37(1):1151Ο1163.[3]　SpringerFE,ZawodzinskiTA,GottesfeldS.Poly2merelectrolytefuelcellmodel[J].JElectrochemSoc,1991,138(1):2334Ο2342.

[4]　FullerTF,NewmanJ.Waterandthermalmanage2

mentinsolid2polymer2electrolytefuelcells[J].JElec2trochemSoc,1993,140(1):1218Ο1225.

[5]　NguyenTV,WhiteRE.Awaterandthermalman2

agementmodelforproton2exchange2membranefuelcells[J].JElectrochemSoc,1993,140(1):2178Ο2186.

[6]　GurauV,LiuH,KakacS.Two2dimensionalmodel

forprotonexchangemembranefuelcells[J].AIChEJ,1998,44(1):2410Ο2422.

[7]　ZhouT,LiuH.Ageneralthree2dimensionalmodelfor

protonexchangemembranefuelcells[J].IntJTrans

Phenomena,2001,3(1):177Ο198.

[8]　WangZH,WangCY,ChenKS.Two2phaseflow

andtransportintheaircathodeofprotonexchangemembranefuelcells[J].JPowerSources,2001,94(1):40Ο50.

[9]　YouL,LiuH.Atwo2phaseflowandtransportmodel

forthecathodeofPEMfuelcells[J].IntJHeatMassTransfer,2002,45(1):2277Ο2287.

[10]LinGuangyu,HeWensheng,NguyenTV.Modeling

liquidwatereffectsinthegasdiffusionandcatalystlayersofthecathodeofaPEMfuelcell[J].JElectro2chemSoc,2004,151(12):A1999ΟA2006.

[11]WeiB,WangSL,YiBL,etal.Influenceofelectrode

structureontheperformanceofadirectmathanolfuelcell[J].JPowerSources,2002,106(1):3Ο369.[12]HuMR,GuAZ,WangMH,etal.Threedimen2

sional,two2phaseflowmathematicalmodelforPEMfuelcell[J].EnergyConversionandManagement,2004,45(1):186121882.

[13]HuGL,FanJR,ChenS,etal.Three2dimensional

numericalanalysisofprotonexchangemembranefuelcells(PEMFCs)withconventionalandinterdigitatedflowfields[J].JPowerSources,2004,136(1):1Ο9.[14]SunH,LiuHT,GuoLJ.PEMfuelcellperformance

anditstwo2phasemasstransport[J].JSources,2005,143(1):125Ο135.

[15]RoweA,LiX.Mathematicalmodelingofprotonex2

changemembranefuelcells[J].JPowerSources,2001,102(1):82Ο96.

Power

(编辑　荆树蓉)

(上接第1168页)

参考文献:

[1]　高从堦,陈国华.海水淡化技术与工程手册[Z].北

经济学优化分析[J].水处理技术,2000,26(1):13Ο

17.

[6]　汤纪忠.滨海地区电厂的海水淡化技术[J].中国电

京:化学工业出版社,2004.55Ο62.

[2]　王世昌.海水淡化工程[M].北京:化学工业出版社,

2003.8Ο14.

[3]　周少祥,胡三高,宋之平.MSF多级闪蒸海水淡化系

力,1996,29(1):28Ο31.

[7]　El2DessoukyHT,EttouneyHM,Al2RoumiY.

Multi2stageflashdesalination:presentandfutureout2look[J].ChemicalEngineeringJournal,1999,73(2):173Ο190.

[8]　El2DessoukyHT,AlatiqiI,EttouneyH.Process

synthesis:themulti2stageflashdesalinationsystem[J].Desalination,1998,115(2):155Ο179.

统的建模与仿真[J].热能动力工程,2002,17(5):

506Ο508.

[4]　阿迪尔MS,朱　华,屠传经.给水温度对MSF海水

淡化系统性能的影响[J].浙江大学学报,1999,33

(6):650Ο652.

[5]　胡三高,周少祥,梁双印,等.MSF海水淡化系统热

(编辑　荆树蓉)