用于大型低温多效海水淡化真空系统的自主设计与工程实践

蔡海涛，胡在定，叶志文，杨 炼，倪小洪，张国顺

(1．杭州职业技术学院，浙江杭州310018；2．杭州华达喷射真空设备有限公司，浙江 杭州311113)

1 引言

随着国内经济的飞速发展，淡水的需求量越来越大，而中国又是一个淡水资源相对匮乏的国家。随着国际上海水、苦咸水的淡化技术越来越成熟，制作淡水的成本越来越低，带动了海水淡化市场的巨大需求。过去由于缺乏自主的技术，致使我国大规模海水淡化产业长期处于国外技术垄断的局面。我们近几年来通过对用于大型低温多效海水淡化(low-temperature multi-effect distillation，LT-MED)装置中的真空系统的自主设计和工程应用的实践，实现了该核心装置国产化，进而推动我们在大型海水淡化工程中逐步掌握自主知识产权，突破了国外大公司在该领域的技术垄断。

2 低温多效海水淡化技术简介

低温多效蒸发(low-temperature multi-effect distillation，LT-MED)海水淡化技术是指盐水的最高蒸发温度低于70℃的淡化技术，其特征是将一系列的水平管喷淋降膜蒸发器串联起来，在真空负压的压力下把一定量的蒸汽输入，通过多次蒸发和冷凝，后面1效的蒸发温度均低于前面1效，从而得到多倍于蒸汽量蒸馏水的淡化过程。

低温多效蒸发的低成本主要归结于它灵活的运行方式，可以利用各种形式的低位热源，如柴油发电机冷却水、工业废气、废热锅炉蒸汽等。各国投入商业运行的日产淡水万吨级以上的大型海水淡化装置其最主要的运行方式是与热电厂结合，水电联产。与热电厂有机结合，可以充分利用热电厂余热和机组乏汽，有效降低淡水的造水成本，已成为大型海水淡化技术的发展方向之一［1］。

与多级闪蒸相比，低温多效蒸发的操作温度低，可以避免或者减缓设备的腐蚀和结垢；低温多效蒸发的操作弹性很大，负荷范围从110%变到40%，皆可以正常操作，而且造水比不会下降。与反渗透膜法相比，低温多效蒸发的海水预处理简单，预处理费用低，淡水水质高及系统操作安全可靠。

低温多效蒸发海水淡化装置需要真空系统来维持其蒸发器的正常运行真空度，一般选用水蒸汽喷射真空泵来实现，因为这种以喷射器为关键部件的真空泵结构简单，没有转动部件，适合长期运行。

图1显示了在消化吸收了国外先进技术基础上，华北某发电设备有限公司的12 000吨/日低温多效海水淡化国产化装置的工艺流程图。在该装置中，我方承担了真空系统的设计和制造工作。

图1 6效LT－MED海水淡化装置及真空系统流程图

3 低温多效蒸馏海水淡化装置真空系统的简介和设计方法

图1所示的6效低温多效蒸发(LT-MED)海水淡化装置，其真空系统由三部分组成，分别为真空启动机组、真空工作机组及可调式喷射压缩器。其工作原理分别介绍如下。

真空启动机组用于海水淡化装置启动时快速建立装置的真空度，最大限度缩短抽气时间，使海水淡化装置快速地进入正常工况。真空启动机组由启动喷射器和消音器组成。

真空工作机组的作用是维持海水蒸馏工艺所要求的工作真空度。机组一般采用两级水蒸气喷射真空泵，每一级喷射器后设蒸汽冷凝器。一级喷射器前设置预冷凝器，将来自凝汽器中的部分可凝性汽体(主要是水蒸汽)冷凝，减少两级水蒸汽喷射真空泵的抽气负荷，降低其工作蒸汽用量。同时，为了保证海水淡化工艺在夏季高温及工作蒸汽波动时的稳定性，在一级喷射器的位置上再并联一个辅助喷射器，作为一级喷射器的备用泵，根据负荷情况，选择开启其中一台喷射器，或两台同时开启。

可调式喷射压缩器(又称蒸汽热力压缩器，thermal vapor compressor，TVC泵)则是节约蒸汽的关键设备。其工作原理是喷射压缩器在工作蒸汽的推动下，抽取第四效产生的二次蒸汽作为引射蒸汽。二次蒸汽通过喷射压缩器的绝热压缩，提高其压力、温度及热焓后，与工作蒸汽混合作为加热蒸汽用，使二次蒸汽在蒸发器内连续循环而重复利用。由于喷射压缩器抽取了部分低品位的二次蒸汽，致使第一效加热蒸汽压力与温度降低，进入后效的加热蒸汽量也减少，相应的换热量减少，蒸发器面积减小。随着出口蒸汽温度的增加，喷射压缩器抽取的二次蒸汽的热量增加，故可以减少外界提供的动力蒸汽的量，使得加热蒸汽量减小，造水比增大。

真空系统工作方法如图1的流程图所示，工作时，先开启启动喷射器，当海水淡化装置的真空度达到设定值时，关闭启动喷射器，开启二级蒸汽喷射机组，使蒸发器达到和保持海水淡化工艺所要求的真空度。随海水及蒸汽进入系统的不凝性气体从末效后的凝汽器抽出，从而保证从末效到一效的真空度逐级降低，使海水的蒸发温度从一效到末效逐级降低，同时产生虹吸使海水从一效自动流到末效后由盐水泵打出，以达到节约能源的目的。

在真空系统设计中，参照了文献［2］及相关专业文献作为设计基础对真空系统进行计算和设计，并且采用了具有自主知识产权的真空系统工艺计算软件(2009SR017881)，以物料平衡和最佳引射系数为目标，对海水淡化真空系统的工艺进行优化计算，得出系统各节点的工艺参数和工作参数。

无论是启动喷射器，两级蒸汽喷射真空泵，还是喷射压缩器，其关键部件或其本身就是喷射器。喷射器的工作原理:有一定压强的工作蒸汽通过拉瓦尔喷咀，减压增速(蒸汽的压力能转变为动能)以超音速喷入混合室，与被抽介质混合，进行能量交换，混合后的气体入扩压器，减速增压(动能转化为压力能)从而进行排气。

喷射器的特点:无机械运动部件，工作不受润滑、振动等条件限制，因此可以制成抽气能力很大的泵。结构简单，工作稳定可靠，使用寿命长。只要结构材质选择适当，可以很好的抽除含有大量水蒸汽、粉尘、易燃、易爆及有腐蚀性的气体。如用同被抽气体一样气体作为工作介质，则系统无污染。工作压力范围较宽，多级喷射泵的工作压力范围可从大气压到0．1Pa，而且可以直排大气。因此，喷射器作为海水淡化真空系统的关键部件，是非常重要的。

喷射器作为一种特殊的蒸汽压缩设备，其引射系数是衡量这种设备工作性能的一个重要指标。在实际运行过程中，引射系数受多种因素的影响，如压缩比、工作蒸汽的温度等，有些参数的变动甚至会导致引射系数的急剧下降，从而极大地影响它的性能。引射系数的计算方法很多，但概括起来有以下几种方法:

经典热力学法。依据热力学经典过程及第一、第二定律，分别研究膨胀、混合和压缩过程的能量变化，对喷射器的绝热膨胀和压缩两过程的终态参数进行计算，并采用经验的方法来处理几个关键几何尺寸—喷嘴长度，扩散器各直径和长度。此法繁琐且诸多假设，与实际工控有很大差别，精确性差，计算结果的可实施性无法得到保证。经典热力学法目前在行业内很少使用。

气体动力函数法。该方法是建立在气体动力学理论基础上的，依据质量守恒，动量守恒和能量守恒三大定律，引进等熵速度，折算速度，相对温度，相对压力，相对密度等动力函数，通过理论推导及适当的经验修正建立起来的一种计算方法。不对喷射器工作过程中的各个环节进行孤立分析，而是在喷射器的整个过程中采用气体动力学的计算公式研究喷射器主要特征断面(例如喷嘴喉部、喷嘴出口、扩压器喉部等)的几何参数与气体动力参数的关系，探讨泵临界工况的实质，并在计算公式中引入相应的实验系数。该方法对某些特定工况下的泵，计算误差较小。但计算方法仍然相当繁琐，很多情况下计算结果与实践仍有较大差距。但该方法中通过理论推导得到了极限引射系数，从而保证了喷射器计算结果的可实施性，喷射器的径向尺寸完全脱离经验化，因此，该计算方法在高压缩比蒸汽喷射器设计领域中，一直占据着不可取代的地位。海水淡化真空系统中的可调式喷射压缩器的引射系数就是采用此方法来计算的。

图表法，亦称之为经验系数法。该方法是根据大量的实验，归纳出简易的图表数据和经验公式来进行设计计算，确定喷射器的各尺寸。该方法简便易行，但缺乏理论依据，局限于实验过的结构和工作范围，所用的数据表格有很大的限制，特别是对高真空度、大抽气量的泵，其计算误差较大。海水淡化真空系统中的启动喷射器，两级蒸汽喷射真空泵一般采用此方法。

真空启动机组的抽气量(即启动喷射器的抽气量)的计算方法:

已知启动喷射器对各种气体的抽气时间、被抽气体容积、抽气开始和终止时的压力的工艺要求时，其抽气量可按下式计算［3］:

式中 G为在p2压力和温度t时，喷射器对分子量为M的气体的抽气量，kg/h；T为抽气时间；p1、p2分别为抽气开始和终止时的压力；t为被抽气体的温度；M为被抽气体的分子量；A为系统的漏气量，kg/h；α为由喷射器性能决定的修正系数，由实验方法求得。可按图2所示选取。

真空工作机组中预冷凝器的计算方法［4］:

1)已知条件:

t1、p4、Gk(冷凝器入口处非可凝气体含量)、Gz4(冷凝器入口处可凝性蒸汽含量)。

2)冷却水耗量W

首先根据p4查水蒸汽对应的饱和温度ts，求得冷却水出口温度t2为:

图2 修正系数α

冷却水耗量W为:

式中通过冷凝器的水蒸汽凝结量，由下式求得

式中 G’z4为冷凝器出口处可凝性蒸汽的流量。由下式求得

式中 p’4为冷凝器出口处混合物全压力，由下式求得

p’4=p4－(670 ～1330)Pa(高真空取670 Pa，低真空取1330 Pa)；

p’z4为冷凝器出口处蒸汽分压(Pa)，即由冷凝器出口处混合物温度t’4查得的饱和蒸汽压力。t’4=t1+(1～3)℃；Mk为冷凝器出口处不可凝气体的分子量。

3)冷凝器直径D:

当蒸汽混合物通过冷凝器的速度为15～20 m/s时，冷凝器圆筒部分直径D为

式中 Gzh为进入冷凝器的混合物流量，kg/h；V∑h为进入冷凝器的混合物的比容，可近似地用p4查得的饱和蒸汽比容代替，单位为m3/kg。

4 真空系统的主要技术参数与工程实践

华北某发电设备有限公司的12 000吨/日低温多效海水淡化国产化装置的真空系统主要技术参数和选型结果如下。

4.1 真空启动机组

4.1.1 主要技术参数要求

海水淡化设备内容积:2100 m3

设计抽气蒸汽参数:0．55 MPa．a/320℃

系统形式:单级射汽抽气器

系统要求:一小时内将海水淡化设备内压力降至20 kPa．a

排气要求:汽气混合物经消声器直排大气

排气噪声:＜85 dB(A)

4.1.2 启动喷射器的选型

根据上述公式计算出启动喷射器的抽气量约为650 kg/h，依此结果，按图表法设计喷射器即可。或选标准的喷射器，型号为SJ650－0．02/0．1－0．55，蒸汽消耗量4500 kg/h，即可满足抽气要求。设备材质除蒸汽室为碳钢外，其余为不锈钢316 L。

4.1.3 消音器的选型

消音器可按入口的蒸汽流量，压力等参数，选用小孔喷注型消音器即可。设备材质为不锈钢316L。

4.2 真空工作机组

4.2.1 主要技术参数

抽气量:不凝结气体量:300 kg/h；混合蒸汽量:650 kg/h

抽气压力:10 kPa．a

抽气温度:饱和温度

蒸汽冷凝器冷却水

冷却水水源:物料水(海水)

冷却水最高温度:43℃ (高负荷工况)

冷却水最低水温:31．9℃ (40%低负荷工况)

额定冷却水水量:344 t/h

低冷却水量:300 t/h

预冷喷水水源

系统如设置喷水预冷系统，冷却水由成品冷却器后引用，水质条件如下:

含盐量:＜10 ppm

硬度:0

供水压力:0．06 ～0．1 MPa

额定工况水温:＜35℃

冬季最低水温:10℃

4.2.2 预冷凝器的设计和选型

根据上述公式和设计条件计算得出，当冷却水温为35℃时，冷却水耗量为31 t/h，冷却水出口温度为40℃，冷凝器直径700 mm。依此可选标准的强制膜喷淋直冷型冷凝器，采用上下两层强制膜伞状喷头，可以两组喷头齐开或按负荷情况开启其中之一。该型冷凝器结构简单，易于维护，气相阻力小。材质采用不锈钢316 L即可。

另外一些计算结果:冷凝器出口处的蒸汽量G’z4为260 kg/h，出口处混合物全压力p’4为9．3 Kpa，出口处混合物温度t’4为37℃。可做为两级蒸汽喷射真空泵的入口设计条件。

4.2.3 两级蒸汽喷射真空泵的设计和选型

两级蒸汽喷射真空泵在行业内已是很成熟的产品，其设计的方法在许多文献中均有介绍，限于篇幅，这里就不做详细说明了。

在本案例中，为了保证系统的安全可靠运行，其第一级喷射器的设计，采用并联一台辅助喷射器的设计方法。抽汽量分别为560 kg/h和400 kg/h，可分别或并列同时运行。

蒸汽冷凝器冷却水流量基本恒定，为保证最终排气中蒸汽含量最低，冷凝器供水采用串联供水方案，冷却水先进入一级抽气冷凝器，再进入二级抽气冷凝器的方式。由于冷凝器的冷却水采用物料水(海水)，因此与物料水接触的部件材料采用了钛材。

蒸汽冷凝器疏水采用逐级回流疏水方式，二级冷凝器疏水进入第一级冷凝器，第一级冷凝器疏水排入海水淡化设备成品水系统。二级冷凝器疏水采用疏水器疏水；一级冷凝器疏水采用U形管水封排水至海水淡化设备。

真空系统设备露天布置，真空系统设备布置在低温多效海水淡化设备侧面设备平台上，冷凝器布置在4．60 m标高平台，两级蒸汽喷射真空泵布置在8．60 m标高平台。

4.3 实际运行参数

华北某发电设备有限公司的12 000吨/日低温多效海水淡化国产化装置的真空系统及各效蒸发器的主要运行参数如下:

4.3.1 真空启动机组

设计要求抽气时间:60 min；排气噪音＜85 dB(A)。

实际测试抽气时间:50 min；排气噪音78．5 dB(A)。

4.3.2 真空工作机组

项目 真空度 工作蒸汽耗量 冷却水量 预冷凝器进水温度预冷凝器出水温度预冷凝器水量设计要求 10 kPa．a 2 300 kg/h 344 t /h 35℃ 40℃ 31 t/h实测结果 9 kPa．a 2080 kg/h 357 t/h 30℃ 35℃ 30 t/h

4.3.3 各效蒸发器的运行参数(产淡水量13000 t/d时)

项目 一效 二效 三效 四效 五效 六效运行温度(℃)63 60 58 55 44 51运行真空度(kPa．a)22 17 13 9 15 14

5 结论

所述案例的真空系统实际运行参数优于设计要求；

此套低温多效海水淡化装置实际运行时，最大产淡水量可达到13 000 t/d；

自主设计与制造的真空系统，完全能适用于万吨级的大型低温多效海水淡化装置，为今后更大型的海水淡化装置真空系统的国产化提供了借鉴。

［1］解利昕等．海水淡化技术现状及各种淡化方法评述［J］．化工进展，2003年，22(10):1081～1084．

［2］达道安主编．真空设计手册(第三版)［M］．北京:国防工业出版社，2004.297～324．

［3］杨乃恒．真空获得设备(第二版)［M］．北京:冶金工业出版社，2001年．161～162．

［4］杨乃恒．真空获得设备(第二版)［M］．北京:冶金工业出版社，2001年．160～161．