水电联产低温多效蒸发海水淡化系统的热力性能研究

【摘要】： 随着经济的发展，人口的增长和地下水资源的过度开采，淡水资源匮乏已成为制约我国尤其是北部沿海地区社会经济可持续发展的瓶颈，海水淡化作为新的供给水源是解决淡水资源短缺的有效途径之一。低温多效蒸发由于具有传热效率高，能够利用电厂低品位的余热从而极大地降低制水成本和有效降低结垢和腐蚀的发生等优点，因此水电联产低温多效蒸发已成为未来第二代海水淡化厂的主流技术。 本文建立了描述水电联产系统的低温多效蒸发、热泵和汽轮机组的数学模型，对水电联产系统不同工况下的热力性能进行了分析，准确计算了制水的能量成本和用于海水淡化的抽汽对汽轮机组热力性能的影响，对水电联产系统进行了全局优化，搭建了低温多效蒸发系统的实验台，并对该实验系统的设计和热力性能行了研究。主要内容如下： 1．建立了完整的多效蒸发系统和热泵系统的数学模型。多效蒸发系统的数学模型中考虑了盐水沸点升高、蒸汽在除沫器和管道流动中因摩擦引起的温差损失在内的各种热力损失，以及温度和浓度对模型中的各种物性参数的影响。应用动量方程、质量平衡方程和能量平衡方程分别建立了喷射式热泵和吸收式热泵的数学模型。 2．对多效蒸发系统和热泵多效蒸发系统的热力性能进行了分析。分析了在设计工况和变工况下，加热蒸汽温度、蒸发器效数、加热蒸汽负荷等参数对多效蒸发系统热力性能的影响，并对多效蒸发系统、喷射式热泵多效蒸发系统和吸收式热泵多效蒸发系统的热力性能进行了详细的比较分析。 3．对水电联产系统的制水能量成本和汽轮机组的热力性能进行了研究。依据汽轮机组热力系统变工况计算理论，计算了不同工况下汽轮机组的热力参数，并应用等效焓降法和循环函数法分别计算了凝汽机组和供热机组水电联产系统的制水能量成本和用于海水淡化的抽汽对汽轮机组热力性能的影响。建立了通用性强，精度高，易于程序化的循环函数法和等效焓降法的计算分析矩阵模型，并提出了采用制水电耗量替代传统的造水比指标用于准确评价水电联产系统的热力性能。运用遗传算法，对水电联产系统中影响制水成本的加热蒸汽温度、抽汽压力、材料价格和蒸发器效数等因素进行了优化分析。研究结果表明水电联产低温多效蒸发海水淡化系统提高了汽轮机组的能源利用效率，而且能够有效降低制水成本。 4．自行设计建立了低温5效蒸发海水淡化系统的实验台，对系统热力性能进行了实验研究。为了给低温多效蒸发海水淡化系统的设计提供确实可靠的基础数据，建立了小型的横管降膜蒸发实验装置，并对其进行了传热实验。研究了冷态条件下，单效蒸发实验装置的传热管外横管降膜流动状态的变化和液膜的波动变化对蒸发侧传热的影响，从而明确本实验装置横管降膜蒸发的最佳喷淋密度的变化范围，并对喷淋密度、热流密度、不凝气以及布液器高度等对其蒸发侧传热系数的影响进行了实验研究。以小型装置的实验数据为基础，对蒸发器的结构、蒸发器间的连接方式和系统流程进行了设计研究，从而保证了蒸发器内横管降膜蒸发传热管壁的完全湿润，有效降低了系统的热力损失，合理提高了系统的热量利用效率。不同的运行条件下，测试了多效蒸发系统内的压力和温度分布以及喷淋密度、加热蒸汽温度等因素对淡水产量和造水比的影响，对比分析了测量值和计算值，两者表现出相当好的一致性，说明了低温多效蒸发系统的理论分析是适用的，多效蒸发系统实验台的结构和流程设计是合理的。