低温多效蒸馏海水淡化与汽轮机耦合技术应用.pdf

2024 年第 2 期总 第 270 期冶 金 动 力METALLURGICAL POWER低温多效蒸馏海水淡化与汽轮机耦合技术应用冯冉1，2，陈晓峰1，2，季淑蕊1，2，唐智新1，2（1.首钢京唐钢铁联合有限责任公司，河北唐山 063200；2.河北省海水淡化技术创新中心，河北唐山 063200）【摘要】介绍了一种低温多效蒸馏（LT-MED）海水淡化与汽轮机耦合技术，分析了汽轮机排汽参数的精准控制、海水淡化装置与汽轮机可靠隔断、海水淡化装置与汽轮发电机的协同控制等。某钢铁公司的应用结果表明LT-MED海水淡化与汽轮机耦合系统整体热量利用效率达到81.5%以上，海水淡化蒸汽成本降低了60%左右。【关键词】低温多效蒸馏；海水淡化；汽轮机；耦合【中图分类号】P747 【文献标志码】B【文章编号】1006-6764（2024）02-0056-04 【开放科学（资源服务）标识码（OSID）】Application of Low-Temperature Multi-effect Distillation Seawater Desalination and Steam Turbine Coupling TechnologyFENG Ran1,2,CHEN Xiaofeng1,2,JI Shurui1,2,TANG Zhixin1,2(1.Beijing Shougang Qianan Iron and Steel Co.,Ltd.,Tangshan,Hebei 063200;2.Hebei Desalination Technology Innovation Center,Tangshan,Hebei 063200,China)【Abstract】The article introduces a low-temperature multi-effect distillation seawater desalination and turbine coupling technology,and analyzes the precise control of turbine exhaust parameters,reliable isolation of the seawater desalination unit from the turbine,and synergistic control of the seawater desalination unit and the turbine generator.The application results of a steel company show that the overall heat utilization efficiency of LT-MED seawater desalination and steam turbine coupling system reaches more than 81.5%,and the cost of seawater desalination steam is reduced by about 60%.【Keywords】low-temperature multi-effect distillation;desalination;turbine;coupling前言随着海水淡化技术的发展，海水淡化已成为沿海国家及地区解决水资源缺乏的重要方法1-2。由于海水淡化是一种能源换资源的技术，其能耗较高，导致海水淡化制水成本普遍高于地表水或地下水制取淡水的成本，从而限制了海水淡化的大规模推广应用3。为了进一步降低海水淡化制水成本，新的海水淡化集成技术成为重要的研究方向4-5。为了降低海水淡化的能耗，低温多效蒸馏（LT-MED）海水淡化装置一般与汽轮机发电机组同建，利用汽轮机的抽汽作为 LT-MED 海水淡化装置的热源，这就是常规的水电联产。虽然水电联产海水淡化技术在一定程度上降低了能源消耗6，但从汽轮机抽取蒸汽的参数仍远远高于 LT-MED 海水淡化所需蒸汽的参数，必须通过减温减压后才能满足其使用要求，浪费了大量能源。本文主要研究LT-MED海水淡化与汽轮机耦合技术，即利用LT-MED海水淡化装置代替汽轮机凝汽器，将汽轮机做完功排出的乏汽直接作为 LT-MED 海水淡化装置的制水热源。1 LT-MED海水淡化与汽轮机耦合技术研究在发电行业中，凝汽器是必不可少的，其负责将汽轮机排汽冷凝，并采用循环冷却水换热方式带走排汽余热，然后将热量释放到大气中，造成了大量能源的浪费。通过将汽轮发电机组与 LT-MED海水淡化装置进行耦合，可以有效地降低海水淡化过程中的热耗，同时也大大降低了汽轮机凝汽器及其相关冷却系统的建设和运行成本。562024 年第 2 期总 第 270 期冶 金 动 力METALLURGICAL POWER结合某钢铁公司海水淡化工程，对LT-MED海水淡化与汽轮机耦合技术进行研究，主要研究了汽轮机排汽参数的精准控制、海水淡化装置与汽轮机可靠隔断、海水淡化装置与汽轮发电机的协同控制等内容。LT-MED 海水淡化与汽轮机耦合原理图见图1。1.1 汽轮机排汽参数的精准控制1.1.1 汽轮机排汽参数的确定LT-MED海水淡化与汽轮机耦合系统，通过提高汽轮机排汽压力可以提高海水淡化的造水比，但也会带来一定的发电损失。为了确保 LT-MED 海水淡化与汽轮机耦合系统高效运行，必须找到一个合理的设计参数，既能最大限度地减少汽轮机的排汽压力，又能保证海水淡化装置产水所需热值。根据海水蒸发的结垢腐蚀倾向曲线，LT-MED海水淡化装置首效浓盐水温度要求不高于68，并结合某钢铁公司已有海水淡化装置，通过试验模拟研究，确定汽轮机排汽压力为（0.0350.001）MPa、温度为（742）的情况下，对汽轮发电机组发电量影响较小，且LT-MED海水淡化装置热耗较低。1.1.2 非标汽轮机的优化设计根据汽轮机排汽参数的要求，该汽轮机为非标汽轮机，需单独进行设计，分别从汽轮机结构设计及控制系统两个方面进行了优化设计。在汽轮机结构设计方面，采用三维 CAD-CAE-CAM 辅助设计，考虑了汽轮机内部蒸汽的非定常流动，首先应用UG-NX软件对汽轮机叶片、隔板、轴封等进行造型设计，并建立数学模型。然后将数据传入CAE软件，对各部件进行强度、振动、流动性能分析。根据发现的问题，重新对部件模型进行修改，修改完毕再次利用CAE软件进行分析。最终定型的部件数据进入CAM系统，由数控加工设备进行制造，从而使汽轮机设计参数更加贴合给定要求，汽轮机设计流程图见图2。在 汽 轮 机 控 制 系 统 方 面，主 要 利 用WOODWARD505E控制程序中的串级PID控制模块和Ratio/Limiter模块实现对汽轮机排汽参数的精准控制。串级PID控制模块将汽轮机排汽压力作为串级输入信号，先与串级设定值进行比较，再经串级PID进行运算，最后根据运算结果调整汽轮机排汽压力，直到排汽压力与设定值相符。Ratio/Limiter模块从辅助模块的PID得到输入信号，经运算后产生两个输出信号，一个控制高压阀（HP）执行器，另一个控制低压阀（LP）执行器，从而改变高压阀或低压阀的状态，保持汽轮机进汽压力及排汽压力稳定。汽轮机排汽压力控制逻辑顺序图见图3。图1 LT-MED海水淡化与汽轮机耦合原理图图2 汽轮机设计流程图572024 年第 2 期总 第 270 期冶 金 动 力METALLURGICAL POWER1.2 海水淡化装置与汽轮机可靠隔断为应对汽轮机停机而除盐水供应不足的情况，需要在汽轮机的排汽管道上设置隔离阀，以便于蒸发器进行模式转换，即 E 模式转换为 T 模式运行。由于隔离阀需在负压下运行，所以必须满足三个条件：一是具有严格的密封性，否则阀门内漏就会影响T模式的安全运行；二是汽轮机负压排汽压力较低，阀门需要具有低阻损的特性；三是满足负压环境下运行的条件。密闭式插板阀可以用于汽轮机与 LT-MED 海水淡化装置的可靠隔断，但从未在负压蒸汽管道上使用过，因此必须对原密闭式插板阀进行优化改造。设计阀体分体结构，采用三段阀体腔体连接的形式，降低真空插板阀加工制造和组装及维护的难度。设计一个单独的运行轨道，其中阀芯的导向槽体和阀体的前腔部采用法兰连接，而且不需要安装任何密封件，可以解决由于安装密封件而产生的缝隙问题，让阀芯移动更加顺利、平稳。设置一个具备自动超压保护和压差调节功能的阀门，并在阀门的两端设置压差变送器，如果压差超过规定值，则会导致阀门无法工作，必须通过旁通阀门来调节压差，使其低于规定值后，阀门才能正常开启，从而保证阀门的安全操控。此外，在传动系统中，还增设了离合器，采用了带离合器的联轴器和传动齿轮箱，可以有效保护电机及阀门的安全。优化密封结构形式，将原本安装在阀板上的主密封圈改为安装在阀体上，只需打开阀门即可完成密封圈更换。1.3 海水淡化装置与汽轮发电机的协同控制LT-MED海水淡化与汽轮机耦合协同控制系统采用分布式控制系统（DCS），主要包含余热锅炉控制 系 统（HRSGC）、汽 轮 机 数 字 电 液 调 节 系 统（DEH）、汽轮机跳闸保护系统（ETS）、汽轮机仪表监控系统（TSI）、公辅系统、海水淡化控制系统及配套取排水系统等。从工艺角度考虑，海水淡化的蒸发器相当于汽轮机的凝汽装置，其真空度、温度等参数必须接入汽轮机的DEH系统中，而海水淡化的停机联锁信号必须接入汽轮机ETS系统的保护装置中。而汽轮机的事故停机信号作为重要的联锁保护值，必须同时接入到余热锅炉及海水淡化控制系统中，整个控制系统是一个复杂的多系统耦合的控制系统。为了更好地控制和保障汽轮发电机组和 LT-MED 海水淡化装置的运行，必须建立一个完整的宏观控制流程，将多个系统有机结合起来。联锁控制系统示意图见图4。2 LT-MED 海水淡化与汽轮机耦合经济性分析目前，常规海水淡化项目用汽模式一般有两种，一种是直接采用蒸汽管网的蒸汽，蒸汽压力约0.6 MPa，另一种是采用汽轮发电机组抽汽，抽汽来自汽轮机的三段抽汽或五段抽汽。汽轮机三段抽汽的参数为 1.0 MPa、380，五段抽汽蒸汽参数为0.4 MPa、200。对于海水淡化与热电发电机组联合生产系统，根据等效热降原理，可以计算出不同抽汽压力等级蒸汽具备的发电能力，从而考量其价格高低。根据等效热降公式，可以得出三段抽汽汽轮机的发电能力为273.4 kWh/t，五段抽汽汽轮机的发电能力为175 kWh/t。根据发电机组的发电成本，可以计算出三段抽汽汽轮机的发电单价为98.42元/t，五段抽汽汽轮机的发电单价为63元/t。图4 联锁控制系统示意图图3 汽轮机排汽压力控制逻辑顺序图582024 年第 2 期总 第 270 期冶 金 动 力METALLURGICAL POWER管网蒸汽由余热锅炉或燃气锅炉产生，根据蒸汽的生产成本，蒸汽的单价为80元/t。纯凝汽式汽轮发电机组发电量测算公式：Pe=Q0(h0-hn)img抽汽凝汽式汽轮发电机组发电量测算公式：Pe=Q0(h0-hn)-(hc-hn)img 式中：Pe发电量，kWh；Q0汽轮机进汽量，t/h；抽汽份额；hc汽轮机抽汽焓值，kJ/kgh0汽轮机进汽焓值，kJ/kg；hn汽轮机排汽焓值，kJ/kg；i汽轮机绝对内效率；m机械传动效率；g发电机效率。从降低海水淡化用蒸汽成本的角度考虑，对汽轮发电机组与低温多效海水淡化耦合应用技术中的汽轮机负压排汽价格进行经济性计算。首先，对相同工况下纯凝汽式汽轮发电机组的发电量进行测算，其次对实际运行工况下的汽轮发电机发电量进行测算，两者发电量之差即为负压排汽的价值。在汽轮机背压控制在 0.035 MPa情况下，汽轮机损失发电能力约为 48.5 kWh/t，汽轮机负压排汽成 本 约 16.3 元/t。海 水 淡 化 的 蒸 汽 成 本 比 较见图5。3 应用实例某钢铁公司海水淡化项目原设计采用钢铁厂余热蒸汽及汽轮机抽汽作为海水淡化装置的汽源，压力为 0.61.1 MPa，温度为 220280，压力和温度值较高，需经过减温减压后供给海水淡化装置使用，不但造成了能源的浪费，且制水成本较高。为了降低海水淡化成本，某钢铁公司研究了LT-MED海水淡化与汽轮机耦合技术，将汽轮机排汽直接供海水淡化装置使用。来自煤气供应系统的煤气（高炉煤气及焦炉煤气）首先进入燃气锅炉燃烧放热，锅炉给水吸收热量后产生中温中压蒸汽，中温中压蒸汽进入汽轮机做功，汽轮机拖动发电机发电，汽轮机中做完功的负压排汽供入海水淡化主体，海水淡化利用排汽的热量制备除盐水，除盐水进行储存或直接供各用户使用。同时在海水淡化装置中放完热的汽轮机排汽冷凝成水，经冷凝水泵送回燃气锅炉重新利用，形成水汽循环。LT-MED海水淡化与汽轮机耦合海水淡化系统整体热量利用效率可以达到 81.5%以上，海水淡化蒸汽成本降低了60%左右。4 结语LT-MED 海水淡化与汽轮机耦合技术将 LT-MED海水淡化装置和汽轮发电机组直接耦合，利用LT-MED海水淡化装置取代汽轮发电机系统的凝汽器，将汽轮机负压排汽直接作为LT-MED海水淡化热源制备除盐水。该技术可以有效利用传统发电厂在热能循环过程中的一些能量损失，从而显著降低海水淡化的能源成本，同时也可以避免对凝汽器和相关设施的需求，进而节省相关的投入和运营成本。该技术为沿海钢铁及石化等行业的节能减排开辟了一条新途径，具有较好的经济及环境效益。参 考 文 献 1 傅泽凯，王慈云.海水淡化技术现状及其应用探析 J.中国设备工程，2023（15）：259-262.2 徐政涛，谢应明，孙嘉颖，等.水合物法海水淡化技术研究进展及展望 J.热能动力工程，2020，35（7）：1-11.3 杨豪杰，宋泽霖，刘甜甜，等.河北省海水淡化产业发展现状及应用分析 J.河北水利电力学院学报，2021，31（4）：44-49.4 郑智颖，李凤臣，李倩，等.海水淡化技术应用研究及发展现状J.科学通报，2016，61（21）：2344-2370.5 李长松，徐畅达，王栋.热法海水淡化新兴技术研究综述 J.上海节能，2016（4）：175-179.6 车金徽.水电联产系统海水淡化能源经济性分析 D.大连理工大学，2023.收稿日期：2023-11-15作者简介：冯冉（1987-），男，工程师，现主要从事能源环保技术管理工作。图5 海水淡化的蒸汽成本比较59