船舶热力蒸汽压缩海水淡化装置性能分析

韩 冰，李艳霞，武洪强，刘中良

(北京工业大学北京市传热与能源利用重点实验室，北京 100124）

船舶热力蒸汽压缩海水淡化装置性能分析

韩 冰，李艳霞，武洪强，刘中良

(北京工业大学北京市传热与能源利用重点实验室，北京 100124）

介绍船舶热力蒸汽压缩海水淡化装置的工作过程，建立应用降膜蒸发技术的并流热力蒸汽压缩多效蒸发海水淡化系统数学模型，并给出相应解法。以一个淡水产量为110 kg/h的四效并流热力蒸汽压缩海水淡化装置为例，计算分析加热蒸汽温度和效数对装置性能的影响。结果表明:加热蒸汽温度提高时系统性能系数下降，传热面积和冷却水流量减少;效数增加时，系统性能系数提高，冷却水流量减少，装置传热面积增加。

热力蒸汽压缩;海水淡化;性能分析

0 引言

船舶作为海上独立作业单元，远离基地执行任务时，船员和设备都需要消耗大量淡水。因此，大中型船舶都装备海水淡化装置，以提供船员和设备用淡水，保证船舶的续航能力。目前船舶海水淡化装置主要形式有蒸发式、多级闪蒸式、反渗透式和电渗析式。从使用范围看，主要以蒸发式为主，尤其对于蒸汽供应方便、产品水水质要求高的蒸汽动力船舶，都采用蒸发式海水淡化装置［1］。与直接蒸汽加热式海水淡化装置相比，热力蒸汽压缩海水淡化装置由于有效利用了蒸发器内二次蒸汽的潜热，效率显著提高，能耗大幅下降［2］，且蒸汽喷射器本身无运动部件，可靠性高，更加适应船舶海水淡化设备低能耗、重量轻、体积小、可靠性高的要求，具有更加广阔的应用前景。

为提高装置的效率，蒸发式海水淡化装置的蒸发器内部通常采用降膜蒸发技术以提高其传热系数。V.N.Slesarenko和 A.D.Al－ Ansari等［3－4］对降膜蒸发技术应用于海水淡化进行实验研究及分析。实验结果表明:采用降膜蒸发技术进行海水淡化比传统浸管式蒸发换热效率显著提高。韩旭［5］对多效蒸发海水淡化系统的顺流流程和并流流程进行了对比分析。结果表明:在相同的运行条件下，顺流流程的造水比要小于并流流程，各蒸发器、冷凝器换热面积大于并流流程。因此，在安全运行的前提条件下，应尽量采用并流流程，以达到多效蒸发海水淡化系统热力性能的最优化。

本文在对热力蒸汽压缩海水淡化装置工作过程分析的基础上，建立应用降膜蒸发技术的并流热力蒸汽压缩 (PF－MEE－TVC）海水淡化系统数学模型，并以一个淡水产量为110 kg/h的四效并流热力蒸汽压缩海水淡化装置为例，计算分析装置性能随加热蒸汽温度和效数的变化规律，计算结果可以为船舶热力蒸汽压缩海水淡化装置的设计、运行提供参考依据。

1 热力蒸汽压缩海水淡化装置工作过程

热力蒸汽压缩海水淡化装置主要由降膜蒸发器，热力压缩机 (即蒸汽喷射器）和冷凝器组成［6］，如图1所示。

图1 热力蒸汽压缩并联多效蒸发海水淡化系统Fig.1 Parallel-flowmultiple-effect evaporation desalination system combined with thermal vapor compression

装置工作过程为质量流量Qmf+Qmcw，含盐量Xcw，温度Tcw的待处理海水进入冷凝器，被末效降膜蒸发器产生的二次蒸汽中的一部分 (质量流量QmDn－Qmev，压力pvn，温度Tvn）预热，温度由Tcw升高到Tf，预热海水的二次蒸汽冷凝水作为产品水收集。被预热后海水的一部分 (质量流量Qmcw）作为冷却水排出系统，剩余部分 (质量流量Qmf）作为海水给水同时进入各效降膜蒸发器进行蒸发。由船舶蒸汽动力设备提供的工作蒸汽 (质量流量Qmm，压力pm，温度Tm）通过热力压缩机引射末效降膜蒸发器产生的二次蒸汽的剩余部分 (质量流量Qmev），混合压缩成为热力压缩机出口的压缩蒸汽 (质量流量Qms，压力ps，温度Ts），该压缩蒸汽进入第1效降膜蒸发器作为加热蒸汽蒸发海水。假设进入第1效降膜蒸发器的海水给水的质量流量为Qmf1，进入第2效降膜蒸发器的海水给水的质量流量为Qmf2，以此类推，进入第n效降膜蒸发器的海水给水的质量流量为Qmfn。进入各效的海水给水的含盐量和温度都相同，均为Xf和Tf。海水蒸发产生的蒸汽称为二次蒸汽，第1效海水蒸发产生的二次蒸汽 (质量流量QmD1，压力pv1，温度Tv1）进入第2效降膜蒸发器作为加热蒸汽，以后各效以此类推，前一效产生的二次蒸汽进入后一效作为加热蒸汽。

在每一效的降膜蒸发器中，海水给水 (质量流量Qmfi，含盐量Xf，温度Tf，第i效降膜蒸发器，i=1，2，…，n）被蒸汽加热蒸发，产生一定量的二次蒸汽 (质量流量QmDi，压力pvi，温度Tvi，第i效降膜蒸发器，i=1，2，…n），未蒸发的海水作为浓缩液 (质量流量QmBi，含盐量Xbi，温度Ti，第i效降膜蒸发器，i=1，2，…，n）排出降膜蒸发器。相应的，除第1效以外其他各效降膜蒸发器中的加热蒸汽冷凝为相同质量和温度的冷凝水作为产品水收集，第1效降膜蒸发器的加热蒸汽冷凝水作为补充水返回船舶蒸汽动力设备。末效降膜蒸发器之前的其他各效产生的二次蒸汽进入下一效作为加热蒸汽，最后一效降膜蒸发器 (第n效）产生的二次蒸汽分为2部分:一部分进入冷凝器中预热待处理海水，剩余部分被工作蒸汽卷吸进入热力压缩机，与之混合提升压力后成为热力压缩机出口的压缩蒸汽。在热力压缩机中，工作蒸汽提速降压，当压力降低到卷吸蒸汽压力pvn时，卷吸蒸汽进入，二者混合压缩后成为压缩蒸汽进入第1效降膜蒸发器作为加热蒸汽。

2 数学模型

PF－MEE－TVC海水淡化系统的数学模型主要包括各效降膜蒸发器、冷凝器以及热力压缩机的数学模型。

本数学模型建立在以下假设条件的基础上:

1）假设各效降膜蒸发器和冷凝器的传热面积足够，降膜蒸发器中蒸发海水的加热蒸汽以及冷凝器中预热海水的蒸汽全部冷凝为水;

2）忽略蒸汽冷凝压力损失;

3）忽略降膜蒸发器中除沫器和运输管路的蒸汽压力损失;

4）假设各效蒸发器的传热面积相等;

5）海水的比热取定值。

2.1 降膜蒸发器数学模型

第1效降膜蒸发器中由于加热蒸汽来源及冷凝水走向与其余各效有所不同，因此第1效降膜蒸发器的数学模型单独列出，剩余第2效至第n效降膜蒸发器模型统一给出。

2.1.1 第1效降膜蒸发器数学模型

降膜蒸发器的数学模型包括物料平衡方程 (质量守恒方程和盐分平衡方程）、能量守恒方程和传热方程［7］。第1效降膜蒸器数学模型如图2所示。在第1效降膜蒸发器中，加热蒸汽蒸发海水后，被海水冷凝成相同质量和温度的冷凝水 (质量流量Qms，温度Ts），这部分冷凝水返回船舶蒸汽动力设备。

图2 第1效降膜蒸发器数学模型示意图Fig.2 Schematic diagram ofmathematicalmodel for the first effect

式中:λs为压缩蒸汽在温度TS及压力pS下的汽化潜热，kJ/kg;λv1为第1效降膜蒸发器海水蒸发产生的二次蒸汽在温度Tv1及压力pV1下的汽化潜热，kJ/kg;Φ1为第1效降膜蒸发器传热量，kJ;Cp为海水比热容，kJ/(kg.℃）;k1为第1效降膜蒸发器的传热系数，kJ/(m2.℃）;A1为其传热面积，m2;Δtm1为其对数平均温差，℃。其他符号意义同上。

2.1.2 第2效至第n效降膜蒸发器数学模型

第2效至第n效降膜蒸发器的工作过程类似(见图3），其数学模型可以统一表示成以下形式［8］:

以上方程中i=2，3，…，n，符号意义、单位与第2.1.1节相同。

图3 第2效至第n效降膜蒸发器数学模型示意图Fig.3 Schematic diagram ofmathematicalmodel for the second to n effect

2.2 冷凝器数学模型

冷凝器数学模型中只包括能量守恒方程和传热方程［9］，如图4所示。

图4 冷凝器数学模型示意图Fig.4 Schematic diagram ofmathematicalmodel for the condenser

2.3 热力压缩机数学模型

如前所述，由船舶蒸汽动力设备提供的工作蒸汽进入热力压缩机中提速降压，当压力降低到引射蒸汽压力pvn时，卷吸蒸汽进入，二者混合压缩后成为压缩蒸汽进入第1效降膜蒸发器作为加热蒸汽。如图5所示，热力压缩机数学模型主要包括质量守恒方程、热力压缩机卷吸系数和压缩比公式。

图5 热力压缩机数学模型示意图Fig.5 Schematic diagram ofmathematicalmodel for the thermal vapor compressor

2.4 解法

前面给出的PF－MEE－TVC海水淡化系统的数学模型是非线性的，因此需要使用迭代方法解出系统各参数值。迭代解法开始首先定义以下参数:系统淡水产量Qmd;系统效数n;待处理海水温度Tcw和海水给水温度Tf;进入第1效降膜蒸发器作为加热蒸汽的热力压缩机出口压缩蒸汽的温度Ts;末效降膜蒸发器出口蒸汽的温度Tvn;热力压缩机进口工作蒸汽压力pm;第1效降膜蒸发器传热系数k1(其后各效降膜蒸发器传热系数按第1效传热系数的5%递减），冷凝器传热系数kc;待处理海水的初始含盐量Xf和最终浓缩液的含盐量Xbn。

以上各参数确定后，再假设各效的传热负荷Φ1=Φ2=…=Φn相等，传热面积A1=A2=…=An相等，计算出各效的出口蒸汽温度 Tvi，蒸汽流量QmDi，浓缩液流量QmBi，含盐量Xbi及各效降膜蒸发器的传热面积Ai(i=2，3…n）。如果

重新进行迭代计算，直到达到规定的迭代精度时迭代结束［10］。在以上计算的基础上再进行冷凝器和热力压缩机的设计计算以及系统性能参数 (包括系统性能系数 PR，比传热面积 AS及比冷却水流量Qmcw，s）的计算，从而完成整个系统的性能计算。

3 加热蒸汽温度、效数对装置性能的影响

根据前面给出的数学模型和解法，以1个淡水产量为110 kg/h的四效并流热力蒸汽压缩海水淡化装置为例，计算分析装置性能随加热蒸汽温度和效数的变化规律，该装置的初始参数如表1所示。

表1 四效并流热力蒸汽压缩海水淡化装置初始参数Tab.1 The first part of initial parameters of four effects PF－MEE－TVC desalination system

3.1 加热蒸汽温度对装置性能的影响

维持系统其他参数不变，计算加热蒸汽温度Ts从55℃变化至75℃时的装置性能参数，计算结果如图6～图8所示。

图6 加热蒸汽温度对系统性能系数的影响Fig.6 Influence of the heating steam temperature on performance ratio

从图6可看出，随着加热蒸汽温度Ts的提高，热力蒸汽压缩海水淡化装置的性能系数PR下降。PF－MEE－TVC系统的性能系数PR(Performance Ratio）定义为系统的淡水产量Qmd与所需的外部蒸汽源工作蒸汽量Qmm的比［11］，因此，加热蒸汽温度提高时装置性能系数下降意味着产品水单位能耗的增加和制水成本的提高。

图7 加热蒸汽温度对系统比传热面积的影响Fig.7 Influence of the heating steam temperature on specific heat transfer area

从图7可看出，随着加热蒸汽温度Ts的提高，装置的比传热面积sA急剧下降。比传热面积sA定义为系统的总传热面积A(包括各效降膜蒸发器的传热面积Ai和冷凝器的传热面积Ac）与系统的淡水产量 Qmd 的比值［12］，

系统的比传热面积越大，生产同样产量的淡水所需设备的总传热面积就越大，设备的总投资就越大。加热蒸汽温度升高提升了装置的传热效率，在淡水产量不变的前提下，装置的总传热面积和比传热面积减少，节省设备投资。

图8 加热蒸汽温度对系统比冷却水流率的影响Fig.8 Influence of the heating steam temperature on specific flow rate of cooling water

从图8可看出，随着加热蒸汽温度的提高，装置的比冷却水流率减小。系统的比冷却水流率sQmcw，定义为系统的冷却水流量Qmcw与系统淡水产量Qmd的比值。因此，加热蒸汽温度提高时系统比冷却水流率下降意味着生产单位淡水所需的冷却水量减少，即泵功减少，运行费用降低。

综上所述，加热蒸汽温度提高降低了热力蒸汽压缩海水淡化装置的性能系数，增加了产品水的单位能耗和制水成本。但由于加热蒸汽温度提高导致的装置传热面积减少和冷却水流率降低又减少了设备投资和运行费用，因此，加热蒸汽温度选取应综合考虑船舶海水淡化装置能耗、设备投资和运行费用，做最优设计。

3.2 效数对系统性能的影响

接下来讨论影响热力蒸汽压缩海水淡化装置性能的另一个重要参数——系统效数。在加热蒸汽温度Ts为75℃，其他参数不变的情况下，改变效数，分别取n=4，6，8，10进行计算，分析效数对PF－MEE－TVC系统性能的影响，计算结果如图9～图11所示。

从图9～图11可看出，随着效数n的增加，系统的性能系数PR增大，产品水单位能耗减少;比冷却水流率sQmcw，下降，水泵功耗减小，运行费用降低;比传热面积sA增大，设备投资增加。

图9 效数对系统性能系数的影响Fig.9 Influence of the effect number on performance ratio

图10 效数对系统比冷却水流率的影响Fig.10 Influence of the effect number on specific flow rate of cooling water

图11 效数对系统比传热面积的影响Fig.11 Influence of the effect number on specific heat transfer area

虽然由于船舶海水淡化装置重量和体积的限制通常采用单效蒸发，但由上述分析可知:增加热力蒸汽压缩海水淡化装置的效数可以有效降低产品水单位能耗和制水成本，减少冷却水流量，降低运行费用，所付出的代价只是设备投资的有限增加。因此，适当增加船舶热力蒸汽压缩海水淡化装置的效数以降低其系统能耗和运行费用是一种值得尝试的技术方法。

4 结语

本文详细介绍了船舶热力蒸汽压缩海水淡化装置的工作过程，建立了应用降膜蒸发技术的并流热力蒸汽压缩多效蒸发海水淡化系统数学模型，并给出了相应解法。以1个淡水产量为110 kg/h的四效并流热力蒸汽压缩海水淡化装置为例，计算分析了效数和加热蒸汽温度对装置性能的影响，得出以下结论:

1）加热蒸汽温度提高增加了热力蒸汽压缩海水淡化装置的能耗和制水成本，但相应装置传热面积减少和冷却水流率降低又减少了设备投资和运行费用，因此加热蒸汽温度选取应综合考虑船舶海水淡化装置能耗、设备投资和运行费用，做最优设计。

2）增加效数可以有效降低海水淡化装置的能耗和制水成本，减少冷却水流量，降低运行费用，所付出的代价只是设备投资的有限增加。因此，适当增加装置效数是降低船舶热力蒸汽压缩海水淡化装置能耗和运行费用的一种值得尝试的技术方法。

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Performance analysis ofmarine thermal vapor compression seawater desalination systems

HAN Bing，LIYan-xia，WU Hong-qiang，LIU Zhong-liang
(Beijing Municipal Key Laboratory of Heat Transfer and Energy Conversion，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China）

Marine thermal vapor compression seawater desalination system is introduced by its configuration，process and advantages.The completemathematicalmodel for process simulation is developed.A four-effect-parallel-flow thermal vapor compression desalination system with a distillate product flow rate of 110 kg/h is calculated to analysis the influences of the heating steam temperature and number of effects on the system performance.Results show that there is a increase of performance ratio at lower heating steam temperature，but this may result in sharp increase in heat transfer area and specific flow rate of cooling water.Themost efficient way to increase the performance ratio，reduce the energy consumption and lower the operation cost is to usemore effects.

thermal vapor compression;seawater desalination;performance analysis

TQ028

A

1672－7649(2014）04－0072－06

10.3404/j.issn.1672－7649.2014.04.014

2014－01－10;

2014－03－14

北京市科学技术委员会科技促进节能减排技术创新与应用示范基金资助项目(Z11110905890000）

韩冰(1978－），女，博士研究生，主要从事多效蒸发海水淡化技术研究。