李 宜 豪， 沈 慧 姝， 沈 勝 強(qiáng)*， 華 維 國(guó)

( 1.大連理工大學(xué) 能源與動(dòng)力學(xué)院 遼寧省海水淡化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 遼寧 大連 116024；2.大連海水淡化工程研究中心有限公司， 遼寧 大連 116023 )

0 引 言

機(jī)械蒸汽壓縮多效蒸發(fā)(MVC-MEE)系統(tǒng)以機(jī)械蒸汽壓縮機(jī)為動(dòng)力，將多效蒸發(fā)系統(tǒng)末效蒸發(fā)器排出的低壓蒸汽壓縮，作為蒸發(fā)系統(tǒng)的熱源，消除了多效蒸發(fā)系統(tǒng)尾端凝汽器的熱損失，具有熱效率高、結(jié)構(gòu)緊湊且僅消耗電能等優(yōu)點(diǎn)[1-3]，被廣泛應(yīng)用于化工、制藥、海水淡化、污水處理等領(lǐng)域[4]．

MVC蒸發(fā)或濃縮系統(tǒng)在一些行業(yè)又稱(chēng)為MVR(機(jī)械式蒸汽再壓縮)系統(tǒng)．帶有MVC的蒸發(fā)系統(tǒng)有單效蒸發(fā)(SEE)和多效蒸發(fā)(MEE)之分．文獻(xiàn)[5]介紹的MVC-MEE系統(tǒng)產(chǎn)水量為3 000 t/d，考慮壓縮機(jī)與泵功時(shí)，造水比功耗為10～14 kWh/t；位于加那利群島的MVC-SEE海水淡化裝置造水量為500 t/d，造水比功耗為10.4～11.2 kWh/t[6]；位于意大利撒丁島的三效蒸發(fā)MVC海水淡化裝置，造水量為3 000 t/d，壓縮機(jī)比功耗為6.9 kWh/t，考慮泵功后總造水比功耗為8.1 kWh/t[7]；位于印度的雙效并流MVC系統(tǒng)，造水量為50 t/d，比功耗為13.6 kWh/t[8]．可以看出，因采用的參數(shù)不同，系統(tǒng)造水比功耗有較大差異．

近年來(lái)，眾多學(xué)者研究了不同系統(tǒng)工作參數(shù)對(duì)MVC-SEE/MEE海水淡化系統(tǒng)熱力性能的影響．劉鵬等[9]對(duì)MVC-SEE海水淡化系統(tǒng)的計(jì)算分析指出，系統(tǒng)比功耗wspc隨增壓比降低和等熵效率增加而降低，合理增壓比為1.2～1.3．越云凱等[10]對(duì)MVC-SEE海水淡化系統(tǒng)的計(jì)算分析指出，增壓比越小，系統(tǒng)的比功耗越低；增壓比一定時(shí)，蒸發(fā)溫度越低系統(tǒng)比功耗越低．Ettouney[11]對(duì)MVC-SEE海水淡化系統(tǒng)進(jìn)行的計(jì)算分析指出，在蒸發(fā)器管內(nèi)外溫差為1～4 ℃時(shí)，比功耗隨鹽水蒸發(fā)溫度升高而減?。畬O峰等[12]對(duì)并流進(jìn)料的五效蒸發(fā)MVC海水淡化系統(tǒng)進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果表明，系統(tǒng)造水比功耗為10.2 kWh/t．Nafey等[13]對(duì)順流進(jìn)料MVC-MEE海水淡化系統(tǒng)的計(jì)算指出，在末效蒸發(fā)器二次蒸汽溫度為60 ℃，增壓比為1.35時(shí)，兩效和三效蒸發(fā)系統(tǒng)的總經(jīng)濟(jì)性較好．Han等[14]對(duì)MVC-MEE海水淡化零排放系統(tǒng)的研究指出，隨著蒸發(fā)器效數(shù)增加，系統(tǒng)比功耗降低但降速逐漸減緩．李宜豪等[15]建立了3種不同進(jìn)料流程下的系統(tǒng)熱力性能數(shù)學(xué)模型，結(jié)果表明增加系統(tǒng)蒸發(fā)器效數(shù)降低比功耗的同時(shí)，總傳熱面積與單位凝結(jié)水產(chǎn)量的傳熱面積大幅增加．MVC系統(tǒng)末效二次蒸汽被壓縮后重新使用，其能量重新被賦予使用價(jià)值，因此學(xué)者們也從熵的角度對(duì)MVC系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算．焦冬生[16]對(duì)MVC-SEE系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明系統(tǒng)效率為2.8%，蒸發(fā)器和壓縮機(jī)損失分別為34.6%和35.5%．

進(jìn)料方式對(duì)MVC蒸發(fā)系統(tǒng)的熱力性能也有一定的影響．Elsayed等[17]分別對(duì)逆流(BF)、順流(FF)、并流(PF)和閃蒸并流(PCF)進(jìn)料的MVC-MEE系統(tǒng)的熱力性能進(jìn)行了計(jì)算，討論了進(jìn)料流程對(duì)熱力性能的影響，結(jié)果表明，PCF和FF進(jìn)料系統(tǒng)的比功耗低于BF和PF進(jìn)料系統(tǒng)，各種進(jìn)料流程最大的損失環(huán)節(jié)都是MVC壓縮過(guò)程，增加蒸發(fā)器效數(shù)和降低增壓比可減少M(fèi)VC損失．Jamil等[18]分別對(duì)FF、PF和PCF進(jìn)料的MVC-MEE系統(tǒng)熱力性能進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果表明，PCF進(jìn)料的MVC-MEE系統(tǒng)比功耗最低，但同時(shí)其換熱面積最大，并流進(jìn)料系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性最高．Rostamzadeh等[19]通過(guò)改變典型MVC系統(tǒng)的流程與壓縮機(jī)數(shù)量，提出了將首效蒸發(fā)器冷凝淡水減壓蒸發(fā)并與末效蒸發(fā)器二次蒸汽一同回收的VCHP系統(tǒng)，計(jì)算結(jié)果表明在固定功率輸入時(shí)，VCHP系統(tǒng)比MVC系統(tǒng)比功耗降低11.45%．

MVC蒸發(fā)系統(tǒng)除了用于海水淡化，也可用于其他含鹽溶液濃縮，前人對(duì)MVC鹽溶液蒸發(fā)濃縮系統(tǒng)的熱力性能也開(kāi)展了大量研究．Zhou等[20]研究了處理含Na2SO4廢水的MVC-SEE系統(tǒng)性能，結(jié)果表明，蒸發(fā)溫度為80 ℃時(shí)，管內(nèi)外溫差從1 ℃增大到10 ℃時(shí)，比功耗從5.5 kWh/t增加到29.5 kWh/t，而蒸發(fā)器傳熱面積隨管內(nèi)外溫差的增加而減?。瓺ahmardeh等[21]對(duì)進(jìn)料鹽度為70 g/kg的含NaCl、CaCl2、MgCl2和NaCl-CaCl2-MgCl2的MVC-MEE高鹽廢水零排放處理系統(tǒng)進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：比功耗隨傳熱管內(nèi)外溫差減小和蒸發(fā)溫度的升高而降低，總傳熱面積隨蒸發(fā)溫度的升高而減?。甃iang等[22]對(duì)含(NH4)2SO4濃度為200 g/kg的雙效蒸發(fā)雙壓縮機(jī)順流進(jìn)料廢水處理系統(tǒng)的研究指出，在固定排出液濃度為470 g/kg時(shí)，隨第一效蒸發(fā)器出口鹽水濃度增加，系統(tǒng)比功耗先降低后增加，且在第一效蒸發(fā)器出口鹽水濃度為320 g/kg時(shí)，系統(tǒng)比功耗取得最小值．李清方等[23]對(duì)用于油田污水脫鹽的MVC蒸發(fā)系統(tǒng)進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，減小傳熱溫差可以明顯降低壓縮機(jī)比功耗，提高系統(tǒng)運(yùn)行溫度有利于改善系統(tǒng)性能．

在MVC技術(shù)的推廣中，如何降低多效蒸發(fā)系統(tǒng)能耗是人們關(guān)注的焦點(diǎn)之一．水平管降膜蒸發(fā)器是一種具有更高的傳熱系數(shù)、較少的流體泵功消耗需求、適應(yīng)更小溫差傳熱的新型蒸發(fā)器[24]，特別適用于低溫多效蒸發(fā)系統(tǒng)和MVC蒸發(fā)系統(tǒng)．但水平管降膜蒸發(fā)器在我國(guó)的MVC蒸發(fā)系統(tǒng)中應(yīng)用不多，研究不足，造成了國(guó)內(nèi)MVC蒸發(fā)系統(tǒng)的比功耗普遍較高．另外，MVC蒸發(fā)系統(tǒng)構(gòu)成一個(gè)閉式循環(huán)，系統(tǒng)的運(yùn)行需要滿(mǎn)足封閉循環(huán)的平衡條件．本文針對(duì)海水淡化和高鹽廢水處理常見(jiàn)工況，建立適應(yīng)水平管降膜蒸發(fā)器小溫差傳熱特點(diǎn)的并流進(jìn)料MVC-MEE封閉循環(huán)系統(tǒng)自平衡熱力性能計(jì)算模型，分析末效蒸發(fā)器二次蒸汽溫度、首末效蒸發(fā)器總溫差和壓縮機(jī)等熵效率對(duì)系統(tǒng)熱力性能的影響規(guī)律．

1 MVC-MEE系統(tǒng)工作過(guò)程與計(jì)算模型

1.1 MVC-MEE系統(tǒng)工作過(guò)程

MVC-MEE系統(tǒng)流程如圖1所示．系統(tǒng)主要包括壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、進(jìn)料預(yù)熱器、淡水閃蒸罐和鹽水閃蒸罐等．蒸發(fā)器采用水平管降膜蒸發(fā)結(jié)構(gòu)，是多效蒸發(fā)海水淡化中常用的設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)小溫差下良好的換熱性能，故本文計(jì)算時(shí)蒸發(fā)器的表觀傳熱溫差可低至2 ℃左右．進(jìn)料鹽水預(yù)熱升溫后同時(shí)噴淋至各個(gè)蒸發(fā)器換熱管表面，鹽水部分蒸發(fā)產(chǎn)生的二次蒸汽作為下一效蒸發(fā)器的熱源，未蒸發(fā)的濃鹽水閃蒸降溫后用于預(yù)熱海水，各效蒸發(fā)器的凝結(jié)水匯集后作為產(chǎn)品水，末效蒸發(fā)器的二次蒸汽和第n-1效蒸發(fā)器出口鹽水閃蒸蒸汽一同被壓縮機(jī)增壓到指定的壓力，作為第一效蒸發(fā)器的熱源，預(yù)熱器出口的濃鹽水作為濃縮液排出設(shè)備．本文系統(tǒng)流程下，末效蒸發(fā)器出口不設(shè)置閃蒸罐，其余各效蒸發(fā)器出口皆有淡水閃蒸罐和濃鹽水閃蒸罐．系統(tǒng)的運(yùn)行除了MVC耗電外，還需一定的電能來(lái)維持水泵和真空系統(tǒng)的運(yùn)行，但MVC耗電占系統(tǒng)耗電的絕大部分[25]，本文在討論系統(tǒng)能耗的時(shí)候忽略除MVC外的耗電．值得注意的是，壓縮機(jī)出口為過(guò)熱蒸汽，將第一效蒸發(fā)器凝結(jié)水與壓縮機(jī)出口過(guò)熱蒸汽混合至飽和狀態(tài)后進(jìn)入第一效蒸發(fā)器，這并不改變第一效蒸發(fā)器入口蒸汽所能釋放的總焓值．同時(shí)，用于與過(guò)熱蒸汽混合的淡水將再次冷凝，這也不改變系統(tǒng)質(zhì)量平衡，因此在計(jì)算時(shí)忽略該循環(huán)與壓縮機(jī)出口蒸汽過(guò)熱對(duì)系統(tǒng)的影響．

1.2 MVC-MEE系統(tǒng)計(jì)算模型

按照上述MVC-MEE系統(tǒng)構(gòu)成，通過(guò)系統(tǒng)的能量、質(zhì)量、組分平衡，構(gòu)建系統(tǒng)的熱力過(guò)程計(jì)算模型，模型的建立基于如下假設(shè)：

(1)僅考慮壓縮機(jī)耗功，不考慮維持流動(dòng)和維持真空度所需能量．

(2)壓縮機(jī)壓縮過(guò)程為絕熱不可逆過(guò)程．

(3)忽略不凝結(jié)氣體對(duì)系統(tǒng)的影響．

(4)產(chǎn)出凝結(jié)水鹽度為零．

(5)忽略系統(tǒng)散熱損失．

本文水和水蒸氣熱力參數(shù)計(jì)算依據(jù)“國(guó)際水和水蒸氣性質(zhì)學(xué)會(huì)工業(yè)用計(jì)算公式1997”(IAPWS-IF97)，海水物性參數(shù)計(jì)算參考文獻(xiàn)[26]．

根據(jù)質(zhì)量守恒和能量守恒對(duì)MVC-MEE系統(tǒng)進(jìn)行建模．系統(tǒng)總體參數(shù)關(guān)系如式(1)～(3)所示．

進(jìn)入系統(tǒng)的鹽水量等于流出系統(tǒng)的濃鹽水量與淡水量之和：

msea=mb+md

(1)

式中：msea、mb和md分別為進(jìn)入系統(tǒng)鹽水、離開(kāi)系統(tǒng)濃鹽水和離開(kāi)系統(tǒng)淡水質(zhì)量流量，kg/s．

根據(jù)鹽分質(zhì)量守恒，進(jìn)入系統(tǒng)的鹽分質(zhì)量等于流出系統(tǒng)的鹽分質(zhì)量：

mseaXsea=mbXb

(2)

式中：Xsea、Xb分別為進(jìn)料鹽水濃度和濃鹽水濃度， g/kg．

根據(jù)系統(tǒng)能量守恒可得

wcmi+mseahsea=mbhb+mdhd

(3)

式中：wc為壓縮單位質(zhì)量蒸汽時(shí)壓縮機(jī)耗功，kJ/kg；mi為進(jìn)入壓縮機(jī)的蒸汽質(zhì)量流量，kg/s；hsea、hb和hd分別為進(jìn)入系統(tǒng)鹽水的焓值、離開(kāi)系統(tǒng)的濃鹽水焓值和離開(kāi)系統(tǒng)的淡水焓值，kJ/kg．

如圖1所示，當(dāng)n=1時(shí)，無(wú)閃蒸罐；當(dāng)n≥2時(shí)，有n-1個(gè)淡水閃蒸罐和n-1個(gè)鹽水閃蒸罐，末效蒸發(fā)器出口淡水和濃鹽水不進(jìn)行閃蒸，直接用于預(yù)熱海水，末效蒸發(fā)器二次蒸汽和第n-1效蒸發(fā)器出口濃鹽水閃蒸蒸汽經(jīng)壓縮機(jī)升溫加壓作為第一效蒸發(fā)器入口蒸汽，第二效蒸發(fā)器入口蒸汽來(lái)自第一效蒸發(fā)器產(chǎn)生的二次蒸汽與第一效蒸發(fā)器出口淡水閃蒸蒸汽．第k效蒸發(fā)單元示意圖見(jiàn)圖2．按照?qǐng)D1所示的并流流程，建立相鄰設(shè)備間的質(zhì)量平衡關(guān)系：

mf，k=msea/n；k∈{1，2，…，n}

(4)

式中：mf，k為第k效蒸發(fā)器進(jìn)口鹽水質(zhì)量流量，kg/s．

每個(gè)蒸發(fā)器單元參數(shù)關(guān)系如式(5)～(8)所示．第k單元管外部分的質(zhì)量守恒方程：

mf，k=md，k+mb，k；k∈{1，2，…，n}

(5)

式中：md，k為第k效蒸發(fā)器出口冷凝淡水質(zhì)量流量，kg/s；mb，k為第k效蒸發(fā)器出口濃鹽水質(zhì)量流量，kg/s．

第k單元管內(nèi)部分的質(zhì)量守恒方程：

ms，k-1+mbf，k-2+mdf，k-1=md，k；k∈{1，2，…，n}

(6)

式中：ms，k-1為第k-1效蒸發(fā)器出口二次蒸汽質(zhì)量流量，kg/s；mbf，k-2為第k-2效蒸發(fā)器出口鹽水閃蒸蒸汽質(zhì)量流量，kg/s；mdf，k-1為第k-1效蒸發(fā)器出口淡水閃蒸蒸汽質(zhì)量流量，kg/s．由圖1可知，第一效蒸發(fā)器入口蒸汽來(lái)自末效蒸發(fā)器二次蒸汽與第n-1效蒸發(fā)器出口鹽水閃蒸蒸汽，且當(dāng)n=1時(shí)不存在閃蒸，因此式中ms，0=ms，1，mdf，0=0，mbf，0=0．

第k單元的鹽分守恒方程：

mf，kXf，k=mb，kXb，k；k∈{1，2，…，n}

(7)

式中：Xf，k、Xb，k分別為第k效蒸發(fā)器入口鹽水濃度和出口濃鹽水濃度， g/kg．

第k單元的能量守恒方程：

ms，k-1hs，k-1+mbf，k-2hbf，k-2+mdf，k-1hd，k-1+

mf，khf，k=ms，khs，k+mb，khb，k+md，khd，k；

k∈{1，2，…，n}

(8)

式中：hs，k-1為第k-1效蒸發(fā)器出口二次蒸汽焓值，kJ/kg；hbf，k-2為第k-2效蒸發(fā)器出口濃鹽水閃蒸蒸汽焓值，kJ/kg；hdf，k-1為第k-1效蒸發(fā)器出口淡水閃蒸蒸汽焓值，kJ/kg；hf，k為第k效蒸發(fā)器進(jìn)料鹽水焓值，kJ/kg；hb，k為第k效蒸發(fā)器出口濃鹽水焓值，kJ/kg；hd，k為第k效蒸發(fā)器出口冷凝淡水焓值，kJ/kg．

第k單元淡水閃蒸罐的熱力參數(shù)模型為

mdf，khdf，k+mdfo，khd，k+1；

k∈{1，2，…，n-1}

(9)

式中：mdfo，k為第k單元淡水閃蒸罐出口質(zhì)量流量，kg/s；且當(dāng)k=1時(shí)，md，0=0，mdf，0=0．

第k單元濃鹽水閃蒸罐的熱力參數(shù)模型為

mbf，khbf，k+mbfo，khbfo，k；k∈{1，2，…，n-1}

(10)

式中：mbfo，k為第k單元鹽水閃蒸罐出口質(zhì)量流量，kg/s；hbfo，k為第k單元鹽水閃蒸罐出口鹽水焓值，kJ/kg，即將鹽水閃蒸至第k+1效蒸發(fā)器出口鹽水溫度時(shí)的焓值．

濃鹽水和凝結(jié)水預(yù)熱器的熱力參數(shù)模型為

msea=msea，b+msea，d

(11)

mbhb+msea，bhsea，b=mbhb，out+msea，bhsea

(12)

mdhd+msea，dhsea，d=mdhd，out+msea，dhsea

(13)

式中：msea，b為進(jìn)入濃鹽水/進(jìn)料海水預(yù)熱器的鹽水質(zhì)量流量，kg/s；msea，d為進(jìn)入冷凝水/進(jìn)料海水預(yù)熱器的鹽水質(zhì)量流量，kg/s；hsea，b為進(jìn)入濃鹽水/進(jìn)料海水預(yù)熱器的鹽水焓值，kJ/kg；hsea，d為進(jìn)入冷凝水/進(jìn)料海水預(yù)熱器的鹽水焓值，kJ/kg．

壓縮機(jī)耗功W的計(jì)算式為

(14)

式中：hs，isen是將末效蒸發(fā)器二次蒸汽絕熱等熵壓縮至首效蒸發(fā)器入口蒸汽壓力時(shí)的蒸汽焓值，kJ/kg；mc為進(jìn)入壓縮機(jī)的蒸汽量，kg/s；ηm是壓縮機(jī)的機(jī)械效率；η是壓縮機(jī)的等熵效率．

壓縮機(jī)的機(jī)械效率ηm為壓縮機(jī)絕熱壓縮做功與壓縮機(jī)軸功的比值，其計(jì)算式為

ηm=wc/w

(15)

式中：w為MVC設(shè)備壓縮單位質(zhì)量蒸汽實(shí)際消耗的電能，kJ/kg．

壓縮機(jī)等熵效率η為壓縮單位質(zhì)量蒸汽時(shí)，壓縮機(jī)理想的絕熱等熵壓縮焓增與實(shí)際絕熱壓縮焓增的比值，體現(xiàn)了絕熱不可逆過(guò)程的熵增，其計(jì)算式為

η=(hs，isen-hs，n)/(hs，c-hs，n)

(16)

式中：hs，c為壓縮機(jī)出口蒸汽焓值，kJ/kg．

比功耗wspc表示生產(chǎn)單位質(zhì)量淡水所耗電能，kWh/t，計(jì)算式為

wspc=W/3.6md

(17)

將系統(tǒng)第一效蒸發(fā)器入口蒸汽溫度與末效蒸發(fā)器二次蒸汽溫度之差定義為系統(tǒng)總溫差(Δtall，單位℃)．

以上建立了MVC-MEE系統(tǒng)的基本熱力參數(shù)關(guān)系模型，在給定進(jìn)料鹽水溫度、鹽水進(jìn)料量、預(yù)熱器冷端端口溫差、系統(tǒng)總溫差、進(jìn)料海水鹽度、末效蒸發(fā)器二次蒸汽溫度、壓縮機(jī)等熵效率時(shí)，可計(jì)算MVC-MEE系統(tǒng)并流進(jìn)料流型的比功耗．

2 計(jì)算結(jié)果與分析

Lucas等[27]介紹了法國(guó)Flamanville的平行進(jìn)料四效蒸發(fā)MVC系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，按照上述基本模型進(jìn)行計(jì)算的結(jié)果與實(shí)際運(yùn)行結(jié)果的比較如表1所示．比功耗的計(jì)算值比實(shí)際運(yùn)行值低0.01 kWh/t，相對(duì)誤差0.1%；濃鹽水排出量的計(jì)算值比實(shí)測(cè)值低1.71 t/h，相對(duì)誤差2.2%．可以看出，模型計(jì)算結(jié)果可以很好地模擬實(shí)際系統(tǒng)的運(yùn)行結(jié)果．

表1 模型計(jì)算數(shù)據(jù)與實(shí)際工程測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比

機(jī)械效率取決于壓縮機(jī)的制造工藝，本文對(duì)此不作討論，取ηm為1；海水進(jìn)料質(zhì)量流量對(duì)系統(tǒng)wspc無(wú)影響，取海水進(jìn)料質(zhì)量流量為1 kg/s．參考常見(jiàn)海水淡化工況，取預(yù)熱器端口溫差為3 ℃，進(jìn)料鹽水溫度tsea=25 ℃為計(jì)算條件，分析總溫差Δtall、蒸發(fā)器效數(shù)、末效蒸發(fā)器二次蒸汽溫度ts，n和等熵效率η對(duì)wspc的影響．

比功耗wspc隨總溫差Δtall的變化如圖3所示．在蒸發(fā)器效數(shù)一定時(shí)，wspc隨Δtall的增大而增加，且蒸發(fā)器效數(shù)越少，增加的速率越大．對(duì)于只采用一效蒸發(fā)器的MVC系統(tǒng)，wspc與Δtall幾乎為線(xiàn)性關(guān)系，斜率約為2.71 (kWh/t)/ ℃．對(duì)于多效蒸發(fā)系統(tǒng)，wspc與Δtall的關(guān)系曲線(xiàn)呈現(xiàn)上凹形狀，隨著總溫差的增加，曲線(xiàn)的斜率逐漸加大，五效蒸發(fā)器MVC系統(tǒng)，Δtall在10～25 ℃時(shí)，曲線(xiàn)斜率由0.57 (kWh/t)/℃增加到0.78 (kWh/t)/ ℃．

圖3 不同蒸發(fā)器效數(shù)n時(shí)，比功耗wspc隨總溫差Δtall的變化

Fig.3 The change of specific power consumptionwspcwith total temperature difference Δtallunder different numbernof the evaporator effect

按照水蒸氣的性質(zhì)，隨增壓比增大，壓縮機(jī)非等熵壓縮所消耗的電功迅速增加．因此在MVC蒸汽入口溫度一定時(shí)，隨Δtall增大，壓縮機(jī)非等熵壓縮耗功增加，壓縮單位質(zhì)量蒸汽輸入功增加．而要MVC系統(tǒng)進(jìn)入平衡循環(huán)，單位壓縮功的增加表示壓縮蒸汽入口能量的進(jìn)一步減少，即循環(huán)蒸汽量的減少，使得系統(tǒng)wspc進(jìn)一步升高．將式(14)代入式(15)可以更清晰地看出上述變化規(guī)律：

(18)

將md/mi定義為造水比．固定末效蒸發(fā)器二次蒸汽溫度時(shí)，進(jìn)料海水經(jīng)預(yù)熱后距離飽和狀態(tài)所欠熱量為定值，因此隨mi增加，第一效蒸發(fā)器中用于將鹽水升溫所消耗的蒸汽量減少，系統(tǒng)造水比增加．由式(18)可以看出，wspc隨造水比的降低而增大．如圖3所示，可以看出在n=1時(shí)，wspc隨Δtall幾乎為線(xiàn)性增加．ts，n和η不變時(shí)，hi為定值，ho，isen隨Δtall幾乎為線(xiàn)性增加，因此(ho-hi)/3.6η隨Δtall幾乎為線(xiàn)性增加．對(duì)于MVC系統(tǒng)，當(dāng)n=1時(shí)，造水比為1，因此wspc隨Δtall近似線(xiàn)性增長(zhǎng)．此外，在n大于1時(shí)，wspc的增大速率隨Δtall增加而增大．這是因?yàn)殡SΔtall增加，末效蒸發(fā)器二次蒸汽量減少，造水比降低速率不斷增大．

圖4更清晰地表示出比功耗wspc隨蒸發(fā)器效數(shù)n和總溫差的變化規(guī)律．在總溫差Δtall一定時(shí)，wspc隨蒸發(fā)器效數(shù)增加而降低．隨著蒸發(fā)器效數(shù)的增加，蒸汽能量得以重復(fù)利用，即提高了能量利用的效能，因此wspc大幅度降低．此外，由圖4還可以看出，隨著蒸發(fā)器效數(shù)的增加，wspc的減小幅度降低．這說(shuō)明蒸發(fā)器效數(shù)較多時(shí)，繼續(xù)增加蒸發(fā)器效數(shù)所帶來(lái)的收益會(huì)越來(lái)越?。?/p>

圖4 不同總溫差Δtall時(shí)，比功耗wspc隨蒸發(fā)器效數(shù)n的變化

Fig.4 The change of specific power consumptionwspcwith the numbernof evaporator effect under different total temperature difference Δtall

蒸發(fā)器效數(shù)的增加，對(duì)應(yīng)著MVC系統(tǒng)的復(fù)雜、投資的增加和能量需求的減少，但前兩者與蒸發(fā)器效數(shù)近似呈線(xiàn)性關(guān)系，后者呈遞減關(guān)系．因此，在實(shí)際工程中，存在最佳的蒸發(fā)器效數(shù)，使得系統(tǒng)投資與節(jié)能效益達(dá)到平衡．

比功耗wspc隨末效蒸發(fā)器二次蒸汽溫度ts，n的變化如圖5所示，計(jì)算中取總溫差為10 ℃．在蒸發(fā)器效數(shù)一定時(shí)，wspc隨ts，n的升高而略有降低，這與Ettouney[11]的計(jì)算規(guī)律相符．水蒸氣的物理性質(zhì)使得ts，n增加時(shí)，壓縮機(jī)的相對(duì)增壓比減小，壓縮出口蒸汽過(guò)熱度降低，導(dǎo)致wspc降低．此外，ts，n對(duì)wspc的影響也隨蒸發(fā)器效數(shù)n的增加而幾乎成倍數(shù)減小，對(duì)于五效蒸發(fā)系統(tǒng)，ts，n為40 ℃時(shí)，wspc是5.21 kWh/t，當(dāng)ts，n為60 ℃時(shí)，wspc為4.77 kWh/t，相對(duì)降低了8.4%．

壓縮機(jī)效率對(duì)系統(tǒng)能耗有著重要影響，但這種影響與系統(tǒng)參數(shù)有什么關(guān)系呢？圖6給出了ts，n為40 ℃時(shí)三效蒸發(fā)系統(tǒng)wspc隨MVC等熵效率η的變化關(guān)系．在總溫差Δtall一定時(shí)，wspc隨η的增加而降低．同時(shí)，Δtall減小時(shí)，η對(duì)wspc的影響顯著減?。all為5 ℃時(shí)，η每降低1%，wspc降低0.05 kWh/t，即相對(duì)降低1%；當(dāng)Δtall為25 ℃時(shí)，η每降低1%，wspc降低0.35 kWh/t，即相對(duì)降低約1.5%．這是因?yàn)殡SΔtall增大，壓縮機(jī)偏離等熵壓縮程度增加，壓縮機(jī)耗功增加幅度增大．

圖5 不同蒸發(fā)器效數(shù)n時(shí)，比功耗wspc隨末效蒸發(fā)器二次蒸汽溫度ts，n的變化

Fig.5 The change of specific power consumptionwspcwith the secondary vapor temperaturets，nin the final effect evaporator under different numbernof the evaporator effect

圖6 不同總溫差Δtall時(shí)，比功耗wspc隨等熵效率η的變化

Fig.6 The change of specific power consumptionwspcwith isentropic efficiencyηunder different total temperature difference Δtall

3 結(jié) 論

(1)并流進(jìn)料MVC-MEE系統(tǒng)比功耗wspc隨總溫差Δtall的增加而增加．當(dāng)采用單個(gè)蒸發(fā)器時(shí)，wspc隨Δtall近似線(xiàn)性增長(zhǎng)；當(dāng)蒸發(fā)器效數(shù)大于1時(shí)，wspc的增長(zhǎng)速率隨Δtall的增長(zhǎng)而增大．相同Δtall下，蒸發(fā)器效數(shù)越少，wspc增加的速率越大．

(2)在總溫差Δtall一定時(shí)，并流進(jìn)料MVC-MEE系統(tǒng)比功耗wspc隨蒸發(fā)器效數(shù)增加而降低，但隨著蒸發(fā)器效數(shù)的增加，wspc的降低幅度減?。?/p>

(3)在蒸發(fā)器效數(shù)一定時(shí)，并流進(jìn)料MVC-MEE系統(tǒng)比功耗wspc隨末效蒸發(fā)器二次蒸汽溫度ts，n的升高而略有降低，且ts，n對(duì)wspc的影響隨蒸發(fā)器效數(shù)的增加而變得更小．

(4)在總溫差Δtall和蒸發(fā)器效數(shù)一定時(shí)，并流進(jìn)料MVC-MEE系統(tǒng)比功耗wspc隨MVC的絕熱壓縮效率η的增加而降低，且η對(duì)wspc的影響隨Δtall的增大而增強(qiáng)．