柴 帥，張 健，高 偉，李 明，巴 鑫

(中國石化工程建設(shè)有限公司，北京 100101)

隨著全球人口的急劇增長、人類社會的持續(xù)進(jìn)步以及經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，淡水資源日益匱乏。海水淡化技術(shù)因其原料資源廣闊、可以源源不斷地為人類提供淡水資源，發(fā)展前景可觀。低溫多效蒸發(fā)海水淡化技術(shù)(LT-MED)具有結(jié)垢風(fēng)險(xiǎn)性低、海水預(yù)處理要求低、熱效率高以及可以利用熱電廠、石油化工廠低品位熱源等優(yōu)點(diǎn)，在工程實(shí)踐中得到廣泛的應(yīng)用，已成為未來海水淡化廠的主流技術(shù)。

低溫多效蒸發(fā)海水淡化技術(shù)工藝流程多樣、操作工況易變、設(shè)備組合方式靈活，故需要通過大量的模擬對比研究，尋求一種高效、節(jié)能的海水淡化裝置設(shè)計(jì)方法。近年來，許多學(xué)者利用Aspen Plus軟件，側(cè)重于不同進(jìn)料方式、蒸發(fā)器效數(shù)、濃縮倍數(shù)等影響因素對低溫多效蒸發(fā)海水淡化裝置開展了多種工況研究，但在回?zé)崞髟O(shè)置方面的研究報(bào)道較少。

基于以熱水為熱源的低溫多效蒸發(fā)海水淡化裝置，選取15效平流進(jìn)料工藝流程為研究對象，利用Aspen Plus軟件分別對不同回?zé)崞髟O(shè)置方式下裝置的性能參數(shù)進(jìn)行了模擬計(jì)算【1】，著重分析了設(shè)置回?zé)崞鲗Φ蜏囟嘈д舭l(fā)海水淡化裝置性能的影響規(guī)律。

1 裝置原理

以熱水為熱源的低溫多效蒸發(fā)海水淡化裝置流程示意見圖1。原料海水首先進(jìn)入凝汽器中預(yù)熱，然后被分成2股物流，一股作為冷卻海水排回大海，另一股作為各效蒸發(fā)器蒸餾過程的進(jìn)料海水【2】。進(jìn)料海水被引入到15效蒸發(fā)器，經(jīng)噴嘴被均勻分布到蒸發(fā)器內(nèi)的換熱管上。熱水經(jīng)閃蒸裝置產(chǎn)生的蒸汽進(jìn)入蒸發(fā)器，為蒸發(fā)器第1效內(nèi)進(jìn)料海水的蒸發(fā)提供熱源；每效蒸發(fā)器內(nèi)的進(jìn)料海水蒸發(fā)產(chǎn)生的二次蒸汽為下一效進(jìn)料海水的蒸發(fā)提供熱源，蒸汽冷凝排出。

圖1 低溫多效蒸發(fā)海水淡化裝置流程示意

蒸發(fā)、冷凝過程在各效重復(fù)，濃鹽水逐效流動、閃蒸冷卻，產(chǎn)品水在閃蒸罐中逐效閃蒸冷卻。最后一效蒸發(fā)產(chǎn)生的二次蒸汽和濃鹽水閃蒸蒸汽與閃蒸罐中閃蒸的產(chǎn)品水蒸汽一起在凝汽器中被原料海水冷凝后進(jìn)入產(chǎn)品水總管，與第2～第15效產(chǎn)生的產(chǎn)品水混合，經(jīng)產(chǎn)品水泵送至產(chǎn)品水儲罐。濃鹽水在第15效閃蒸后排出，經(jīng)濃鹽水泵進(jìn)入換熱器，與一股原料海水換熱冷卻后排回大海；該股原料海水與自凝汽器排出的冷卻海水混合后排回大海。

2 回?zé)崞骷夹g(shù)研究

2.1 回?zé)崞髟O(shè)置效果分析

低溫多效蒸發(fā)海水淡化裝置輸入物料包括熱水給水、原料海水，輸出物料包括熱水回水、冷卻海水、產(chǎn)品水和濃鹽水。整個系統(tǒng)質(zhì)量守恒、能量守恒。裝置輸入輸出物料的主要工藝參數(shù)見表1。

表1 裝置輸入輸出物料主要工藝參數(shù)

在海水淡化裝置內(nèi)，進(jìn)料海水為原料海水經(jīng)凝汽器預(yù)熱后分出的一股海水。由于蒸發(fā)器各效進(jìn)料海水溫度與該效蒸發(fā)溫度溫差逐效減小，即效數(shù)越靠前進(jìn)料海水的過冷度越大，使得加熱蒸汽其中一部分熱量用來為海水加熱升溫至蒸發(fā)溫度，因而制約了裝置的產(chǎn)水率。

若在進(jìn)料海水管道上增設(shè)回?zé)崞鳎瑥恼舭l(fā)器某效蒸發(fā)產(chǎn)生的二次蒸汽出口末端抽取部分蒸汽作為熱源為進(jìn)料海水升溫，便可降低進(jìn)料海水的過冷度，提高裝置產(chǎn)水率【3】。以在第8效設(shè)置回?zé)崞?、抽取二次蒸汽的工況(工況二)為例，通過回?zé)崞魈岣哒舭l(fā)器前8效進(jìn)料海水溫度，在裝置日產(chǎn)淡水量為25 000 t時，需消耗的熱水量和原料海水量與無回?zé)崞髟O(shè)置工況(工況一)的對比見圖2。

圖2 工況一與工況二水量消耗對比

與工況一相比，工況二增設(shè)回?zé)崞骱?，裝置在相同淡水產(chǎn)量的情況下，所消耗的熱水量和原料海水量均減小。結(jié)果表明，抽取蒸發(fā)器內(nèi)蒸發(fā)產(chǎn)生的部分二次蒸汽為進(jìn)料海水縮小過冷度以提高裝置產(chǎn)水率的效果顯著。

由于蒸發(fā)器效數(shù)為15效，進(jìn)料海水分支管道數(shù)量及分支方式較多，所以回?zé)崞髟O(shè)置位置與抽汽位置的組合方式多種多樣。本文主要以在總管、支管、小總管設(shè)置回?zé)崞鬟@3種方式為研究對象，對比分析不同回?zé)崞髟O(shè)置方式下裝置日產(chǎn)淡水量25 000 t時所消耗熱水量和原料海水量的變化規(guī)律，從而選取一種最優(yōu)的回?zé)崞髟O(shè)置方式。在總管、支管、小總管設(shè)置回?zé)崞魇疽庖妶D3(a)～圖3(c)。所有模擬計(jì)算算例的輸入輸出主要工藝參數(shù)及蒸發(fā)器參數(shù)設(shè)置同工況一。

圖3 不同回?zé)崞髟O(shè)置方式示意

2.2 回?zé)崞髟O(shè)置規(guī)律分析

2.2.1 總管設(shè)置回?zé)崞饕?guī)律分析

以在第6效設(shè)置回?zé)崞鳛槔?，改變抽汽位置，各工況下進(jìn)料海水經(jīng)回?zé)崞魃郎睾蟮臏囟认嗤?/p>

圖4給出了日產(chǎn)淡水量為25 000 t時，各工況下裝置所消耗的熱水量和原料海水量隨抽汽位置的變化規(guī)律。

如圖4(a)～圖4(b)所示，當(dāng)回?zé)崞鞯脑O(shè)置位置不變時，抽汽位置越靠近末效，裝置相同淡水產(chǎn)量下所消耗的熱水量和原料海水量越少，產(chǎn)水率越高。

圖4 熱水量和原料海水量隨抽汽位置的變化規(guī)律

故選取靠近末效的第10效、12效、14效作為抽汽位置，對比分析這3種工況下不同回?zé)崞髟O(shè)置位置對裝置所需消耗熱水量和原料海水量的變化規(guī)律，見圖5(a)～圖5(b)。

由圖5(a)～圖5(b)可知，回?zé)崞鞣謩e設(shè)置在第10效、12效、14效時裝置所需消耗的熱水量和原料海水量最少?？梢员砻鳎?dāng)回?zé)崞髟O(shè)置效數(shù)與抽汽效數(shù)相同時，裝置所需消耗的熱水量和原料海水量最少，產(chǎn)水率最高。

圖5 熱水量和原料海水量隨回?zé)崞髟O(shè)置位置的變化規(guī)律

因此，對在相同效設(shè)置回?zé)崞骱统槿《握羝墓r進(jìn)行分析。圖6(a)～圖6(b)給出了裝置所需消耗的熱水量和原料海水量隨在不同效數(shù)設(shè)置回?zé)崞骱统槿《握羝淖兓?guī)律。

圖6(a)～圖6(b)中呈現(xiàn)出熱水量和原料海水量先減小后增大的趨勢；當(dāng)在第10效設(shè)置回?zé)崞鳌⒊槿《握羝麜r，裝置所需消耗的熱水量和原料海水量最少，可見在總管設(shè)置1臺回?zé)崞鞯那闆r下，此種方案產(chǎn)水效果最優(yōu)。

圖6 熱水量和原料海水量隨回?zé)崞髟O(shè)置位置和抽汽位置的變化規(guī)律

2.2.2 支管設(shè)置回?zé)崞饕?guī)律分析

以在第12效抽取二次蒸汽為例，改變回?zé)崞鞯脑O(shè)置位置，得出如圖7(a)～圖7(b)所示的裝置所需熱水量和原料海水量的變化規(guī)律。

根據(jù)圖7(a)～圖7(b)可得，當(dāng)抽汽位置不變時，回?zé)崞髟O(shè)置位置越靠近首效，裝置所需消耗的熱水量和原料海水量越少，即回?zé)崞髟O(shè)置在第1效支管時，效果最好。

圖7 熱水量和原料海水量隨回?zé)崞髟谥Ч茉O(shè)置位置的變化規(guī)律

因此，將回?zé)崞髟O(shè)置在第1效支管，改變抽汽位置，各工況下進(jìn)料海水經(jīng)回?zé)崞骷訜岷蟮臏囟认嗤ＤM得出裝置所需熱水量和原料海水量的變化規(guī)律見圖8(a)～圖8(b)。

圖8 熱水量和原料海水量隨抽汽位置的變化規(guī)律

結(jié)果表明：抽汽位置越靠近末效，裝置所需消耗的熱水量和原料海水量越小。

綜上，在支管設(shè)置1臺回?zé)崞鞯那闆r下，回?zé)崞髟O(shè)置在第1效支管、在第12效抽取二次蒸汽時，裝置所需消耗的熱水量和原料海水量最少。

2.2.3 小總管設(shè)置回?zé)崞饕?guī)律分析

此處將進(jìn)料海水總管分為3支小總管，將15效蒸發(fā)器按效數(shù)分為3個效組，每1支小總管對應(yīng)1個效組，在每1支小總管上設(shè)置1臺回?zé)崞鳛槊總€效組的進(jìn)料海水提高溫度。圖9(a)～圖9(b)給出了按照4-5-6、5-5-5、6-5-4(從第1效至第15效)分效組設(shè)置回?zé)崞鞯墓r下裝置所需消耗熱水量和原料海水量的變化規(guī)律。

圖9 熱水量和原料海水量隨回?zé)崞髟谛】偣茉O(shè)置位置的變化規(guī)律

結(jié)果表明：第1效組效數(shù)越多，熱水和原料海水消耗量越少。因此，當(dāng)小總管按照6-5-4分效組設(shè)置回?zé)崞鲿r，裝置所需熱水量和原料海水量最少，可認(rèn)為是一種較優(yōu)的方案。

2.2.4 3種回?zé)崞髟O(shè)置方式對比分析

由前面的分析可知，當(dāng)總管設(shè)置1臺回?zé)崞鲿r，采用在第10效設(shè)置回?zé)崞鳌⒊槿《握羝姆桨秆b置產(chǎn)水率最高；當(dāng)支管設(shè)置1臺回?zé)崞鲿r，采用在第1效設(shè)置回?zé)崞鳌⒌?2效抽取二次蒸汽的方案裝置產(chǎn)水率最高；當(dāng)小總管設(shè)置3臺回?zé)崞鲿r，按照6-5-4分效組設(shè)置回?zé)崞鞯姆桨秆b置產(chǎn)水率最高。

圖10(a)～圖10(b)給出了3種不同回?zé)崞髟O(shè)置方式下裝置所需熱水量和原料海水量的對比。

圖10(a)～圖10(b)表明，回?zé)崞髟O(shè)置在支管時，裝置所需消耗的熱水量和原料海水量明顯大于回?zé)崞髟O(shè)置在總管和小總管的方案。因?yàn)榛責(zé)崞髟O(shè)置在支管，只能為蒸發(fā)器某一效進(jìn)料海水縮小過冷度，對于整個裝置的產(chǎn)水率而言影響較小?；?zé)崞髟O(shè)置在小總管時，裝置所需熱水量和原料海水量稍大于回?zé)崞髟O(shè)置在總管的方案。但由于小總管方案需設(shè)置3臺回?zé)崞?，而總管方案只需設(shè)置1臺回?zé)崞?，考慮到設(shè)備投資的經(jīng)濟(jì)性，優(yōu)先選擇回?zé)崞髟O(shè)置在總管的方案。即當(dāng)回?zé)崞髟O(shè)置在第10效進(jìn)料海水總管、抽取第10效二次蒸汽時，裝置所需熱水量和原料海水量最少，產(chǎn)水率最高，經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)。

圖10 不同回?zé)崞髟O(shè)置方式下熱水量和原料海水量對比

2.2.5 回?zé)崞髟O(shè)置臺數(shù)分析

在第10效總管設(shè)置1臺回?zé)崞鞯幕A(chǔ)上，再增設(shè)1臺回?zé)崞?，同樣在相同效設(shè)置回?zé)崞骱统槿《握羝?。圖11(a)～圖11(b)為裝置所需消耗的熱水量和原料海水量隨增設(shè)回?zé)崞髟O(shè)置位置的變化規(guī)律。

圖11 熱水量和原料海水量隨增設(shè)1臺回?zé)崞?在第10效設(shè)置1臺回?zé)崞骰A(chǔ)上)設(shè)置位置的變化規(guī)律

由圖11(a)～圖11(b)可看出，增設(shè)回?zé)崞髟O(shè)置在第6效時，裝置所需消耗的熱水量和原料海水量最少。因此，在第10效總管設(shè)置1臺回?zé)崞鞯幕A(chǔ)上，在第6效增設(shè)1臺回?zé)崞骺纱龠M(jìn)裝置產(chǎn)水率的提高。

同樣，在第12效總管設(shè)置1臺回?zé)崞鞯幕A(chǔ)上，再增設(shè)1臺回?zé)崞鲿r，裝置所需消耗的熱水量和原料海水量隨增設(shè)回?zé)崞髟O(shè)置位置的變化規(guī)律見圖12(a)～圖12(b)。

圖12(a)～圖12(b)顯示，增設(shè)回?zé)崞髟O(shè)置在第8效時，裝置所需消耗的熱水量和原料海水量最少。因此，在第12效總管設(shè)置1臺回?zé)崞鞯幕A(chǔ)上，在第8效增設(shè)1臺回?zé)崞骺商岣哐b置產(chǎn)水率。

圖12 熱水量和原料海水量隨增設(shè)1臺回?zé)崞?在第12效設(shè)置1臺回?zé)崞骰A(chǔ)上)設(shè)置位置的變化規(guī)律

由于在第8效和第12效設(shè)置回?zé)崞鲿r裝置所消耗的熱水量和原料海水量均小于在第6效和第10效設(shè)置回?zé)崞鞯姆桨?，所以在?效和第12效設(shè)置回?zé)崞鞯姆桨缚勺鳛檠b置設(shè)置2臺回?zé)崞鞯膬?yōu)選方案。

在第8效和12效總管設(shè)置回?zé)崞鞯幕A(chǔ)上，再增設(shè)1臺回?zé)崞?，同樣在相同效設(shè)置回?zé)崞骱统槿《握羝?。圖13(a)～圖13(b)為裝置所消耗的熱水量和原料海水量隨增設(shè)回?zé)崞髟O(shè)置位置的變化規(guī)律。

圖13 熱水量和原料海水量隨增設(shè)1臺回?zé)崞?在第8和第12效設(shè)置2臺回?zé)崞骰A(chǔ)上)設(shè)置位置的變化規(guī)律

由圖13(a)～圖13(b)可知，增設(shè)的回?zé)崞髟O(shè)置在第5效時，裝置所消耗的熱水量和原料海水量最少。因此，在第8效和第12效總管設(shè)置回?zé)崞鞯幕A(chǔ)上，在第5效再增設(shè)1臺回?zé)崞鳟a(chǎn)水效果更佳。

將在裝置進(jìn)料海水總管設(shè)置1臺回?zé)崞?第10效)、2臺回?zé)崞?第8效和第12效)、3臺回?zé)崞?第5效、第8效和第12效)3種方案進(jìn)行對比，見圖14(a)～圖14(b)。

由圖14(a)～圖14(b)可得，隨著回?zé)崞髟O(shè)置臺數(shù)增多，裝置所需消耗的熱水量和原料海水量減小，但是減小的趨勢變緩。因此，當(dāng)回?zé)崞髟O(shè)置臺數(shù)增多時，需綜合考慮回?zé)崞髟O(shè)備投資與裝置消耗水量投資的因素。

圖14 熱水量和原料海水量隨回?zé)崞髟O(shè)置臺數(shù)的變化規(guī)律

3 結(jié)論

基于以熱水為熱源的低溫多效蒸發(fā)海水淡化裝置，選取15效平流進(jìn)料工藝流程為研究對象，利用Aspen Plus軟件分別對不同回?zé)崞髟O(shè)置方式下裝置的性能參數(shù)進(jìn)行了模擬計(jì)算與對比分析。得出以下結(jié)論：

1)海水淡化裝置應(yīng)考慮增設(shè)回?zé)崞?，可顯著減小裝置所需消耗的熱水量和原料海水量，同時提高產(chǎn)水率。

2)回?zé)崞鞯脑O(shè)置應(yīng)對總管、支管、小總管3種布置方式進(jìn)行系統(tǒng)對比，通常回?zé)崞髟O(shè)置在總管時，裝置所消耗的熱水量和原料海水量在分別從首效至末效設(shè)置回?zé)崞鞯那闆r下呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢；回?zé)崞髟O(shè)置在支管時，設(shè)置位置越靠近首效、抽汽位置越靠近末效，裝置所需熱水量和原料海水量越小；回?zé)崞髟O(shè)置在小總管時，第1效組數(shù)越多，裝置所需熱水量和原料海水量越小。

3)回?zé)崞髟O(shè)置在進(jìn)料海水總管較設(shè)置在支管和小總管時裝置相同淡水產(chǎn)量下所消耗的熱水量和原料海水量少，此種回?zé)崞鞑贾梅绞接兄谔嵘Ｋb置的整體性能。

4)回?zé)崞髟O(shè)置的臺數(shù)需要綜合考慮設(shè)備投資、運(yùn)行能耗等。