针对船用多级闪蒸海水淡化装置,建立热力分析模型,分别分析了部分浓海水直接循环利用和浓海水预热回收两种热回收方案在不同环境海水温度条件下加热蒸汽消耗量,计算表明,两个方案在不同环境海水温度条件下的蒸汽消耗量大致相同,但浓海水直接循环利用方案的初期投资小、维修方便,经济性优于浓海水预热方案。 Aiming at the marine seawater desalination plant with multi-stages flash, the thermodynamic analysis model is established to conclude the heating steam consumption in different seawater temperatures at two recovery units, which are Part of the concentrated seawater recycling and Concentrated seawater waste heat. The results of calculation show that the heating steam consumption is roughly same under different seawater temperature in two solutions, but Part of the concentrated seawater recycling has some advantages as its initial investment is small and easy maintained. It is more economy than Concentrated seawater waste heat.
大中型船舶在海上航行时,设备和人员的淡水用量很大,为保证船舶上的淡水供应,大中型船舶上都装备有海水淡化装置。海水淡化主要有反渗透法和蒸馏法。反渗透法海水淡化因操作简单而广泛应用于船员的生活用水供应[
船用5级闪蒸式海水淡化装置如图1所示。
装置由五级闪蒸室1),冷凝器2),外加热器3),喷射器4),后冷凝器5),海水补给泵6),浓海水排出泵7)和淡水泵8)以及各种管道、阀件组成。闪蒸室闪蒸前一级出来的海水,冷凝器冷凝闪蒸出来的蒸汽,喷射器对闪蒸室内形成一定的真空,外加热器加热补给海水。喷射器的工作蒸汽和外部加热器的加热蒸汽是经过减温减压的蒸汽。海水给水泵将补给海水泵入系统中的五级冷凝器,冷凝闪蒸得来的蒸汽,使蒸汽凝结成淡水;补给海水吸收蒸汽的热量后,进入后冷凝器冷却工作蒸汽,进一步升高温度;而后进入外部加热器,吸收加热蒸汽的热量成为过热水。由于外部加热器内压力高,过热水不会蒸发,外部加热器出来的补给海水进入到逐级降压的五级闪蒸室,部分海水闪蒸产生蒸汽,蒸汽上升到冷凝器被冷凝形成淡水。依靠两级喷射器保证各级闪蒸室内的真空度,浓海水依靠各级闪蒸室之间的压差在系统中流动,到末级由浓海水排出泵排出。收集到的淡水由淡水泵输送到淡水柜。
为计算方便,本文做如下假设:1) 海水温度、浓度变化时比热不变;2) 忽略蒸发器、冷凝器、喷射器、管道等于环境热交换;3) 流体流量均匀,忽略流体流动损失;4) 冷凝后的淡水温度和蒸发的海水温度相同。
装置第i级的产水量[
(1)
流入到下一级的循环盐水量[
(2)
淡水总产量[
(3)
第i级冷凝器的热负荷[
(4)
第i级闪发器内的能量守恒[
图1. 五级闪蒸装置海水直接循环系统流程图
后冷凝器能量守恒[
(6)
外部加热器放出的能量[
(7)
式中:海水热容,蒸汽的汽化潜热,第i级蒸汽饱和温度,冷凝蒸汽后补给海水温度,喷射器后补给海水温度,外部加热器后补给海水温度,外部加热器内补给海水流量,工作蒸汽流量,加热蒸汽流量,。
采用浓海水直接循环利用,即一部分浓海水与供给海水混合作为补给海水,如图1,混合后的海水温度为,则有:
(8)
如果采用浓海水预热回收方案,即用末级排出的浓海水加热补给海水,如图2,通过热交换器后海水温度为,则有:
(9)
式中:末级浓海水排出温度,需要混合的浓海水流量,补给海水流量,末级浓海水排出流量,补给海水流量,T环境海水温度,其装置如图2。
以目前某船实际运行100 t/d五级闪蒸海水淡化装置为例,加热蒸汽压力为100 KPa,工作蒸汽压力为1600 KPa。五级闪蒸室内的压力分别为15.75 KPa、12.34 KPa、9.59 KPa、7.38 KPa、5.63 KPa,海水加热器采用Φ 16/Φ 13.5 mm的加热管,海水流程采用2次流,有效管长1775 mm,总传热面积为14.85 m2,海水加热器的壳体直径325 mm,后冷凝器有效管长1680 mm,传热面积为15.52 m2。新旧海水以不同比例混合时,环境海水温度变化的条件下,计算结果如图3、图4。
图2. 五级闪蒸装置浓海水预热回收方案图
图3. 不同能量回收条件下的工作蒸汽耗量
图4. 不同浓海水回收率时的给水盐度变化
环境海水温度为15℃,新旧海水混合比为1:1时,运行参数和理论计算值作比较,如表1。
1) 与无热回收装置时,不能充分利用加热蒸汽的热量,浓海水吸收的热量损失严重,为提高装置效率,降低加热蒸汽消耗量量可以考虑加装热回收装置。
2) 采用浓海水预热装置,回收浓海水热量时,补
表1. 运行参数与理论计算值比较
给海水温度越低,装置节能效果越显著。如在环境海水温度为15℃,理论加热蒸汽消耗量只有无热回收装置的40%左右。
3) 采用浓海水循环利用,即将一部分浓海水作为上水,与舷外补给海水混合,此时根据海区不同,海水含盐量大小各异,可适当调节混合比。如图所示,新旧海水混合比越小,蒸汽消耗量越低,对船舶来说越经济,环境海水温度为15℃,新旧海水比分别为1:1、1:1.5、1:2,此时含盐量上升,满足补给海水含盐量要求(小于等于40,000 ppm),加热蒸汽耗量为1.02314 t/h、0.7466 t/h、0.56226 t/h。当新旧海水比为1:1时,两种热回收方案加热蒸汽消耗量基本相等。但浓海水循环利用热回收装置初期投资小、维修方便,尤其海水含盐量小时节能效果显著,在舰船日常使用维护上具有一定的优势。
4) 由表1可知,理论计算值小于实际运行参数,分析原因,主要是因为在系统热力分析过程中忽略了海水比热随温度盐度的变化、系统散热损失和流体阻力。在实际运行中应予以考虑。
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