上海市機電設計研究院有限公司 孫慧麗

雖然我國擁有大量水資源，但是可以使用的淡水資源有限，尤其是之前過度浪費以及不合理使用等問題，更是造成了嚴重淡水資源危機。為更好應對淡水資源問題，行業(yè)內經過多年以來的努力，持續(xù)推出了現(xiàn)代化水資源處理工藝，像主要面對海水淡化的開源增量技術。通過長期調查發(fā)現(xiàn)，能夠有效緩解日益嚴峻的淡水資源危機。從長遠來看，正因為我國有著豐富的海水資源，這也決定了資源淡化行業(yè)必將走上可持續(xù)發(fā)展道路。

所謂的海水淡化，主要就是將存在于海水內的鹽與水進行有效分離，又被行業(yè)人士稱之為海水脫鹽。從根本上來講，伴隨著海水淡化工作的持續(xù)進行，其間需要電能以及熱能等能源結構支撐。而石油以及天然氣等作為能源核心來源體，無形之中極大增加了不可再生資源利用率。

電水聯(lián)產是指將發(fā)電和海水淡化進行有機整合的系統(tǒng)，也稱雙目工廠或者聯(lián)合電水工廠。簡而言之就是將海水淡化廠與發(fā)電廠共建，通過公用設施、電力、蒸汽等資源之間的優(yōu)化配置及共享，達到系統(tǒng)能效和經濟效益的最大化，實現(xiàn)發(fā)電和制水的雙贏。

一、電水聯(lián)產基本概念

涵蓋海水淡化水與電力聯(lián)產聯(lián)供的電水聯(lián)產，在海水淡化過程中，其中需要企業(yè)投入大量經濟成本，其成本投入多少與電力等資源消耗以及成本之間存在著直接關系。通過發(fā)電廠蒸汽以及電力，能夠促使海水淡化裝置保持穩(wěn)定運行狀態(tài)，充分提高資源利用率，避免企業(yè)較大成本投入，這就是電水聯(lián)產的重要意義。電水聯(lián)產系統(tǒng)示意圖見圖1。

圖1 電水聯(lián)產系統(tǒng)示意圖

海水淡化廠與發(fā)電廠之間的資源交換和耦合主要表現(xiàn)在以下三個方面：

1.水循環(huán)系統(tǒng)。發(fā)電廠和海水淡化廠共用海水取排水設施。海水可以先進入電廠冷卻塔(或者直接進入淡化裝置)，冷卻塔排出具有一定溫度的溫排水，進入淡化裝置；淡化裝置排出的濃海水，與電廠排放海水共用排放設施排海。

2.電力系統(tǒng)。不管是蒸餾法淡化裝置還是反滲透淡化裝置，都需要流體輸送設備，如取水泵、循環(huán)泵、高壓泵等。電水聯(lián)產系統(tǒng)可以利用價格較低的電廠未上網(wǎng)電為淡化裝置供能，相比采用并網(wǎng)電能，可以節(jié)約運行成本。

3.蒸汽系統(tǒng)。對于蒸餾法淡化裝置，電廠汽輪機做功后低品質的乏汽進入淡化裝置用于制水，淡化裝置的產水又可循環(huán)用作電廠鍋爐及其他公用設施的補水。對于膜法淡化系統(tǒng)，特別是在北方的冬季，電廠的海水冷卻水排水溫升可達8～10℃。作為原料水，可保證RO系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

二、電水聯(lián)產系統(tǒng)介紹

電水聯(lián)產系統(tǒng)可以分成兩大部分，其一是發(fā)電系統(tǒng)，其二是淡化系統(tǒng)。

（一）發(fā)電系統(tǒng)

發(fā)電系統(tǒng)主要包括鍋爐、汽輪機、發(fā)電機、凝汽器等設備。與常規(guī)發(fā)電系統(tǒng)相比，電水聯(lián)產系統(tǒng)最大的區(qū)別在于其汽輪機與淡化系統(tǒng)之間的耦合。因此，本文重點對汽輪機進行介紹。

（1）汽輪機原理

分析汽輪機在運行時的工作原理。首先針對蒸汽熱能，通過汽輪機能夠使其變成機械功外燃回轉式機械。當鍋爐產生蒸汽進入到汽輪機內部以后，鑒于內部設置的一系列動葉等子裝置，促使之前熱能改變?yōu)槠啓C轉子旋轉的機械能。鑒于汽輪機內部的蒸汽，可以通過多樣化形式實施能量調整，從而造成汽輪機不同工作原理現(xiàn)象。

（2）汽輪機主要形式

站在熱力特性視角下，可以將汽輪機劃分為凝汽式、背壓式、抽凝式等幾種。

①進入到汽輪機內部的蒸汽，經過自身膨脹做功作用以后，能夠促使蒸汽到達凝汽器汽輪機，這就是凝氣式汽輪機的工作機理。相比較大氣壓力來講，此種類型的汽輪機設備，更有著較低排氣壓力。伴隨著全部進入到凝汽器內部的排氣，融合循環(huán)水冷卻作用形成水，然后凝結水泵發(fā)出作用將內部水分進行排出，最終通過加熱器加熱以后，直接將處理好的水運輸?shù)藉仩t內部。

通過以上分析可以看出，在汽輪機運行過程中，因為設置的凝汽器遭受冷卻后能夠促使排氣凝結成水，導致排氣相對體積減小，在之前有著大量蒸汽的封閉環(huán)境下會得到一個真空狀態(tài)，直接決定汽輪機排氣壓力持續(xù)下降。而繁殖蒸汽理想焓降增加，保證裝置有著良好熱效率性能。工作人員可以借助抽氣器工具，有效抽出設備內部非凝結氣體。此氣體類型主要就是空氣，保證內部空間形成良好真空感。

②針對背壓式汽輪機類型，相對于大氣壓力有著較小排氣壓力的汽輪機設備。排汽可用于供熱或供給原有中、低壓汽輪機，以代替老電廠的中、低壓鍋爐。行業(yè)人士稱后者為前置試汽輪機，主要關系到原先電廠發(fā)電水平的同時，更是維持其熱經濟性的重要保證。根據(jù)不同的供熱目標，此種類型的汽輪機排氣壓力可以靈活設置。

③分析抽凝式汽輪機類型，主要就是抽出設備內部含有的少量蒸汽，將其提供給用戶的同時，也就是既有發(fā)電又能夠同時供熱的設備類型。以用戶不同需求為主，可以劃分為一次或者是二次調節(jié)抽氣式類型。

綜上，可以看出凝汽式汽輪機蒸汽循環(huán)過程封閉，且末端排汽溫度和壓力較低，不適合用于電水聯(lián)產系統(tǒng)。背壓式汽輪機排汽溫度和壓力較高，可以與淡化裝置結合，將淡化裝置作為凝汽器。但電水聯(lián)產方式對淡化裝置和汽輪機之間的匹配有較高要求，而且淡化裝置的運行負荷直接會影響到汽輪機發(fā)電效率，調節(jié)性較差，比較適合用電和用水都非常穩(wěn)定、波動小的場合。抽凝式汽輪機可以抽取不同品質的蒸汽，與淡化裝置的結合較為靈活，可以根據(jù)淡化裝置的規(guī)模、負荷運行變化進行調節(jié)。發(fā)電系統(tǒng)可不依賴淡化裝置的運行而穩(wěn)定發(fā)電，比較適合用水波動較大的場合。

（二）淡化系統(tǒng)

電水聯(lián)產具有規(guī)模效益，因此用于電水聯(lián)產的海水淡化都是主流的淡化工藝和裝備，主要有多級閃蒸、低溫多效蒸餾等。除了發(fā)電系統(tǒng)和淡化系統(tǒng)之間接口以外，用于電水聯(lián)產的淡化系統(tǒng)與常規(guī)淡化系統(tǒng)沒有本質區(qū)別。下面對主要淡化方法做簡單介紹。

（1）多級閃蒸海水淡化

在多級閃蒸海水淡化處理過程中，就是持續(xù)對海水進行加熱，達到規(guī)定溫度數(shù)值以后進入到閃蒸室。此環(huán)境內相對有著較小壓力，能夠促使海水處于快速汽化狀態(tài)，而且在經過接下來的冷凝便能夠得到淡水資源。而像其中有著較低溫度的海水，會流向不同的閃蒸室，保持蒸發(fā)與降溫持續(xù)流程。鑒于內部設置的大量閃蒸室，能夠有效連接以后得到相對較低數(shù)值的內部壓力，直接影響海水溫度不斷下降，最終便能夠得到淡化水，這就是多級閃蒸海水淡化處理流程。

（2）低溫多效蒸餾海水淡化

在海水淡化處理過程中，工作人員全面把控好鹽水的蒸發(fā)溫度，要求全程維持在70℃范圍的低溫多效蒸餾海水淡化工藝。其特征是將一系列的水平管降膜蒸發(fā)器或垂直管降膜蒸發(fā)器串聯(lián)起來并被分成若干效組，然后整合相對量的蒸汽輸入。通過多次的蒸發(fā)和冷凝，從而得到多倍于加熱蒸汽量的蒸餾水的海水淡化技術。

（三）電水聯(lián)產典型工藝

廣義上，電水聯(lián)產的應用模式可分為以下三大類：

一是電廠+蒸餾淡化；

二是電廠+反滲透淡化；

三是電廠+蒸餾淡化+反滲透淡化。

（1）電廠+蒸餾淡化

這種模式是最傳統(tǒng)也是應用最多的電水聯(lián)產方式。電廠為蒸餾淡化裝置提供蒸汽，淡化裝置產水又部分作為電廠鍋爐補水及生產用水。這里的蒸餾淡化早期以多級閃蒸裝置為主，近年來低溫多效蒸餾有后來居上之勢。

（2）電廠+反滲透淡化

隨著反滲透技術的成熟，投資成本和噸水能耗的不斷降低，將反滲透淡化裝置與電廠共建也成為一種發(fā)展趨勢。特別是對于已有電廠來說，這種方式可以不用對汽輪機進行任何改造，淡化單元與發(fā)電單元相對獨立，調節(jié)更簡單。用電高峰時，盡可能多地輸出電力；用電低谷時，可利用廉價的電力制水，降低制水成本。

（3）電廠+蒸餾淡化+反滲透淡化

這種模式是對前兩種模式的整合。通過蒸餾淡化和反滲透淡化單元的整合，結合了蒸餾淡化穩(wěn)定產水和反滲透淡化，可根據(jù)電力調峰需要來調節(jié)產水量的特點，實現(xiàn)電水聯(lián)產系統(tǒng)電力和淡水的可調節(jié)供應，靈活應對不同季節(jié)、不同時段的需求。

（四）電水比

電水比，是指對于一個電水聯(lián)產項目、發(fā)電能力與產水能力的比值。對于由“火電廠+蒸餾海水淡化廠”方式的電水聯(lián)產項目，其電水比主要由熱法淡化裝置的造水比決定。

一般情況下，多級閃蒸和多效蒸餾海水淡化裝置的造水比為8～9，蒸汽熱壓縮多效蒸餾海水淡化裝置的造水比相對偏高，通常可達到12或更高。對于聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組，其電水比通常為17～23；對于鍋爐-背壓機發(fā)電機組，其電水比為2～4。其他類型機組的電水比通常介于兩者之間。

對于電水聯(lián)產項目，其主要需求為電力，可優(yōu)先選用聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組。如果主要需求為淡水，可優(yōu)先選擇鍋爐-背壓機發(fā)電機組。

上述結論不適用于反滲透海水淡化廠。反滲透技術的能源需求與蒸餾技術不同，只需要使用電能，基本不需要消耗蒸汽。

三、電水聯(lián)產優(yōu)缺點

（一）電水聯(lián)產的優(yōu)點

電水聯(lián)產系統(tǒng)通過將發(fā)電系統(tǒng)和淡化系統(tǒng)結合，實現(xiàn)了系統(tǒng)間熱量的高效傳遞和利用。淡化裝置能充分利用發(fā)電系統(tǒng)產生的余熱來制水，發(fā)電裝置又可用淡化裝置產水進行補水。電水聯(lián)產系統(tǒng)實現(xiàn)了電力和淡水的聯(lián)產、聯(lián)供，是降低海水淡化水成本的重要途徑。具體表現(xiàn)如下：

①在建設電水聯(lián)產系統(tǒng)過程中，企業(yè)可以一同實施電廠海水冷卻水缺水等項目建設，避免重復投入建設成本問題出現(xiàn)。

②在電水聯(lián)產設備運行時，其中排水口可以是電廠冷卻水排水工程的排水口，體現(xiàn)出資源節(jié)約優(yōu)勢的同時，一定程度上也能夠減少對海洋環(huán)境的破壞。

③蒸餾淡化裝置可作為汽輪機的凝汽器，既節(jié)約了發(fā)電系統(tǒng)投資，又提高了系統(tǒng)的整體熱效率。

（二）電水聯(lián)產的缺點

電水聯(lián)產系統(tǒng)的優(yōu)勢明顯，但也有一定的局限性，主要表現(xiàn)在以下幾方面：

① 具有規(guī)模效應，只有達到一定規(guī)模才能實現(xiàn)系統(tǒng)的雙贏；

② 對汽輪機與淡化裝置之間的匹配要求高，如設計不合理，易造成蒸汽的浪費；

③ 已建電廠如果要上馬蒸餾淡化裝置，需要對汽輪機進行適當改造，平衡發(fā)電和產水的綜合經濟效益是其關鍵；

④ 電廠規(guī)劃建設時最好綜合考慮海水淡化部分并選擇合適的汽輪機。如果電廠運行后再上淡化工廠，整體效益會打折扣。

四、電水聯(lián)產典型案例

（一）富查伊拉(Fujairah)電水聯(lián)產項目

富查伊拉項目是阿聯(lián)酋較大的電水聯(lián)產項目之一。項目位于KhorFakkan以 南 5km，F(xiàn)ujairah城以北20km，其采用熱膜耦合淡化工藝。項目分兩期建設：一期建成于2003年，淡化規(guī)模為45萬立方米/天(MSF+RO)，發(fā)電規(guī)模為660MW；二期發(fā)電2000MW，產水能力為60萬立方米/天(MED-h-RO)，2011年建成。

（二）沙特Marafiq電水聯(lián)產項目

Marafiq項目是電水聯(lián)產的一個典型。項目位置在波斯灣西海岸沙特朱拜拉附近。發(fā)電裝機規(guī)模為2750MW，淡化水產水規(guī)模為80萬立方米/天。3套機組與淡化設備聯(lián)建，1套為獨立發(fā)電機組。項目于2010年6月投產，當時是世界最大的淡化廠。

（三）北疆電廠

北疆電廠是目前國內最大的電水聯(lián)產項目。項目位于天津市濱海新區(qū)漢沽功能區(qū)。總體規(guī)劃建設4×1000MW燃煤發(fā)電超超臨界機組和40萬立方米/天海水淡化裝置。項目分兩期建設，一期工程建設2×1000MW發(fā)電機組和20萬立方米/天海水淡化裝置，二期建設同等規(guī)模的發(fā)電機組和海水淡化裝置。北疆電廠被列入國家循環(huán)經濟第一批試點單位，其最大的特色是采用“發(fā)電-海水淡化-濃海水制鹽-土地節(jié)約整理一廢棄物資源化再利用”的循環(huán)經濟項目模式。項目基本情況如下。

（1）取水單元

海水取水為高潮位取水方式。在海檔外設置2級沉淀調節(jié)池，由一級沉淀調節(jié)池入口設置閥門調節(jié)進水水位。電廠冷卻水采用循環(huán)冷卻方式。淡化取水分兩路，一路是由海水補充水取水泵直接供至海水淡化站，另一路是電廠循環(huán)水系統(tǒng)冷卻水排水供給。兩路水源可根據(jù)實際季節(jié)、水溫、水量的變化進行切換或混合。

（2）發(fā)電模塊

在北疆電廠發(fā)電機組運行過程中，主要使用的就是上海電氣集團制造的1000MW超超臨界機組，鍋爐為超超臨界變壓運行直流鍋爐，爐型為單爐膛、雙切圓燃燒、一次中間再熱、平衡通風、半露天布置、固態(tài)排渣、全鋼構架、全懸吊結構Ⅱ型煤粉爐。鍋爐采用微油點火裝置。海水淡化裝置從發(fā)電機組的中壓缸底部抽汽，抽氣壓力為0.3～0.55MPa，電廠蒸汽除了供海水淡化外，還預留了為漢沽區(qū)供熱、真空制鹽的供應量。

（3）淡化模塊

海水淡化裝置由以色列IDE公司供應。一期20萬立方米/天海水淡化裝置分兩個階段建設，第一階段的10萬立方米/天淡化裝置已于2009年投入運營，第二階段10萬立方米/天淡化裝置于2012年開始安裝。

北疆電廠海水淡化采用低溫多效蒸餾淡化工藝.單機規(guī)模為2.5萬立方米/天。每臺裝置由13效蒸發(fā)單元和2個冷凝單元構成。根據(jù)淡化裝置接收到的蒸汽品質情況，造水比為10～15。

五、電水聯(lián)產發(fā)展趨勢及展望

海水淡化是以能源換水源的過程。電水聯(lián)產作為一種能源的高效利用模式，已逐漸成為規(guī)模化海水淡化的主要應用方式，未來也仍將是大型海水淡化工程建設的主要模式。

分析當下我國濱海發(fā)電廠，更多以抽凝汽輪機為主，其中主要存在的弊端就是如何正確選擇抽汽口方面。從本質上來講，作為電廠附屬設施的海水淡化裝置，鑒于較小蒸汽抽取量情況下，并不會對電廠發(fā)電工作構成太大威脅。一旦海水淡化廠承擔城市供水的任務，供給海水淡化廠的蒸汽參數(shù)就需要優(yōu)化，以避免大量的抽汽影響發(fā)電。針對以上情況，我國未來電水聯(lián)產行業(yè)發(fā)展中，應該時刻謹記國情，不斷實現(xiàn)創(chuàng)新發(fā)展。