【doc】低温多效蒸馏海水淡水-发电联产系统经济性分析
低温多效蒸馏海水淡水-发电联产系统经济
性分析 第2l卷第1期
2006年1月
热能动力工程.
JOURNALoFENGINEERINGFORTHERMALENERGYANDPOWER
V0J.21.No.1
Jan.,2OO6
文章编号:1001—2o6o(2oo6)ol—O022—05
低温多效蒸馏海水淡水一发电联产系统经济性分析 沈胜强.杨洛鹏
(大连理工大学动力工程系,辽宁大连l16o24) 摘要:针对低温多效蒸馏海水淡化一发电联产系统,应用 等效焓降理论,计算了制水的能量成本和加热抽汽对汽轮机 组的影响.结合q—y—r矩阵方程,构造了通用性强,精度 高和易于程序化的等效焓降法抽汽效率矩阵模型和局部定 量分析矩阵模型.利用该矩阵模型可以方便,快捷,准确计 算制水耗电率(EI.WP)和制水燃料成本随抽汽压力和加热蒸 汽温度的变化.计算结果显示,采用制水电耗率比传统的性 能指标造水比(GOR)能够更准确的评价水电联产系统热性 能;降低抽汽压力和加热蒸汽温度有利于降低制水能量成 本,但抽汽压力和加热蒸汽温度的下限应分别满足蒸汽喷射 嚣的引射系数和压缩比的要求;低温多效蒸馏海水淡化一发 电联产系统能够经济有效地解决北方沿海地区,尤其是北方 沿海火电厂的缺水问题.
关键词:等效焓降;水电联产;低温多效蒸馏;海水淡化 中图分类号:TK212文献标识码:A
1引言
水资源匮乏在我国尤其是在北方沿海地区已经 成为制约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水资源短缺的有效途径之 一
.目前国内外海水淡化的主要方法有蒸馏法和膜 法,其中蒸馏海水淡化方法包括低温多效蒸馏,多级 闪蒸和压汽蒸馏,而低温多效蒸馏(LowTemperature
Multi.EffectDistillation.IMED)运行温度低(通常温度低于75cIC),能够有效利用低品位的电厂余热,从 而降低制水能量成本和有效降低结垢及腐蚀的发 生,已成为未来第二代水电联产海水淡化厂的主流 技术….
能量需求巨大是限制海水淡化技术推广的主要 因素之一,控制着海水淡化成本.水电联产(也称双 目的电厂)是有效降低海水淡化能源成本的途径之 一
.水电联产系统中,如何准确计算制水的能量成 本,对于评价水电联产的经济性十分必要.国外学 者采用了各种方法来计算制水的能量需求】,但 这些方法忽略了用于海水淡化的抽汽对汽轮机组回 热系统的影响,因此只是估算制水的能量成本.本 文提出采用等效焓降理论来分析水电联产系统,建 立了等效焓降法中抽汽效率的矩阵模型和局部定量 分析矩阵模型,分析比较了用于海水淡化的加热抽 汽对电厂经济性以及制水的能量成本的影响. 2低温多效蒸馏海水淡化一发电联产系统
模型
2.1低温多效蒸馏海水淡化一发电联产系统
图1所示为低温多效蒸馏海水淡化一发电联产 的热力系统.由于LT-MED的海水顶值温度低于75 cIC,汽轮机的抽汽参数与海水淡化装置所要求的参 数不能很好的匹配,因此水电联产系统中通常利用 蒸汽喷射器(ThermalVaporCompression.TVC)来 解决蒸汽参数不匹配的问题.蒸汽喷射器将抽汽作 为动力蒸汽来引射LT-MED未效产生的二次蒸汽后, 共同作为加热蒸汽进入海水淡化装置.抽汽冷凝后 返回电厂给水系统.
2.2再热机组变热量等效焓降
等效焓降法是依据热力学第一定律,由能量平 衡和质量平衡方程对热功转换过程及其变化进行推 导,得出两个有用的表征抽汽品质的参量,即等效焓 降和抽汽效率,用以分析蒸汽动力装置和热力系统 的经济性.对于一个工况下的热力系统而言,抽汽 的品质不随热力系统局部的改变而改变,借助于这 些品质参数可以对热力系统的局部进行定量分析, 从而避免了热力系统局部发生变化后,需要对整个 热力系统重新进行繁琐的计算.只要考虑变动以后 收稿日期:2005—06—14;修订日期:2005—08—08 基金项目:辽宁省科学技术基金资助项目(20042147) 作者简介:沈胜强(1961一),男,辽宁大连人,大连理工大学教授,博士生导师.
第1期沈胜强,等:低温多效蒸馏海水淡水一发电联产系统经济性分析.23.
的各抽汽份额以及功率的变化,通过局部计算就可以得到全局的经济性变化结果.
图1低温多效蒸馏海水淡化一发电联产热力系统图 再热机组热力系统中,再热热端到凝汽器之间 的任何回热抽汽,均不通过再热器,因此其抽汽等效 焓降与非再热机组相同.依据等效焓降理论[43,非
再热机组的等效焓降为:
=一一
,享(1)
式中:一加热器-『的抽汽焓,lO/kg;hk一汽轮机的 排汽焓,kJ/kg;一加热器r的1kg抽汽在该加热 器中的放热量,kJ/kg;A,根据加热器的型式取或r 或y,,其中r,为Ikg凝结水在加热器r的焓升,l(J/ kg;y为上级加热器的1kg疏水在加热器r的放热 量,kJ/kg.
再热机组再热冷端到新蒸汽之间的回热抽汽的 等效焓降为:
:
=一
h一革,+Aq(2)
式中:3q小一lkg蒸汽在再热器中的吸热量,kJ/kg.
回热抽汽的抽汽效率为:
rb.=/qj(3)
新蒸汽的等效焓降塌为:
It"o=h0一h一+Aq小(4)
热力系统的循环吸热量q.为:
q0=h0一h+a~hAqtII(5) 汽轮机装置效率为:
,70=塌/qo(6)
式中:ho一汽轮机的排汽焓,kJ/kg;元一锅炉进口给 水焓值,kJ/kg;a一再热蒸汽占进口新蒸汽的份额. 海水
抽汽效率是等效焓降法的核心,是等效焓降法 能使局部定量简单,准确的根本所在.以图1所示 的热力系统为例,其抽汽效率矩阵模型为: g0fI
ql
r3
y2y3
g2
啦
f4r5
y4s
y4r5
y4rs
g4r5
简写为:.
[A][叩]=[3h](8)
式中:qo一将锅炉视为混合式加热器的吸热量,系数 矩阵A是由热力系统结构和参数决定. 2.3变热量等效热降分析模型
2.3.1抽汽做功损失
如图2所示,焓值为h,份额为a的抽汽进入 海水淡化系统放热凝结,其凝结水从加热器_『后返 回回热系统,依据等效焓降法有工质携带热量进出 系统计算法则,这部分抽汽的做功损失2d/为: '1
AH=a(h一h一(一+)一?r)(9) 式中:Tt+--/Jtl热抽汽凝结水焓,kJ/kg;川--/j,热器 .
『+1出口水焓kJ/kg.
抽汽做功损失计算矩阵模型为:
AH=aT(h一h)一[,7][A,][a,](1O) ^^^h^^^
一一一一一一一一一
^^^^^^^
珈玑珈
啦
舶
?24?热能动力工程2006年
图2汽轮机抽汽用于加热LT-MED-TvC系统 其中:
A=
O
0
0
M
t2T
?
M
0
2.3.2新蒸汽流量不变条件下的局部定量分析 当新蒸汽流量Dn保持不变条件时,采用制水 电耗i(eieetrieitylossforwaterproduction--ELWP)来 计算制水的能量成本,其定义如下: ELWP=日/aT×GOR×3.6(11) 式中:GOR为LT-MED的造水比,定义为淡水产量与 抽汽量的比值,其数值可以通过海水淡化系统模型 求解.
汽轮机组装置效率变化?为:
?=AH
×10o%(12)
2.3.3汽轮机组功率不变条件下的局部定量分析 当保持蒸汽透平功率不变时,新蒸汽的等效焓
降和流量都变化,因此,依据热系统出现局部变动前 后功率不变,功率方程为:
Po=Do月=(Do+AD0)+(月+AH)(13) 经功率方程推导得出汽轮机组发电标煤耗的增 加?6为:
?6=6×=6×面AH(14)
式中:?|D.一新蒸汽流量的变化,kg/s;6一汽轮机组 发电标煤耗,g/(kWh).
制水燃料成本C为:
AbxPoxCOSt(15)
式中:cos#一标煤单价,$/t;P.一机组的功率,kW; ?D一加热抽汽流量,ks/s.
2.4LT-MED.TVC数学模型
LT-MED.TvC数学模型具有如下特点:
(1)考虑了各种热力损失,这些损失包括:盐水 沸点升高,蒸汽在除沫器和管道流动中因压力降引起 的温度差损失以及非凝结气体引起的温度差损失. (2)海水的物理特性是温度和浓度的函数,淡 水和蒸汽的物理特性是温度和压力的函数. (3)各效蒸发器的传热面积相等.
(4)冷凝器及各效蒸发器的总传热系数是盐水 温度的函数.
通过建立各效蒸发器,闪蒸罐和预热器的质量 平衡方程,能量平衡方程和传热方程来描述LT-MED 系统;对蒸汽喷射器的喷嘴,混合部分和扩散部 分,应用连续方程,动量方程和能量方程来建立TvC 的数学模型'6].给定淡水产量,抽汽压力,TVC出口 蒸汽温度,海水浓缩比及蒸发器效数,联立LT-MED 系统和TvC的方程组,求得LT.MED.TvC系统的各
效蒸发器的蒸发量,造水比和TvC消耗的抽汽量. 3结果和讨论
假定1台12个有效日产2000t淡水的LT- MED.Tvc系统的最高加热蒸汽温度(即TVC出口蒸 汽温度)为75?,用如图1所示的N200—12.74/535/
535再热机组的NO.5—7级抽汽作为TvC的动力蒸 汽,加热海水淡化系统.通过计算等效焓降抽汽效 率矩阵模型和局部定量分析矩阵模型,分析研究水 电联产系统的热经济性随加热蒸汽温度和抽汽压力 的变化.
图3系统制水电耗量ELWP随加热蒸汽
温度和抽汽压力的变化情况
=
嘶
]??????????
一
一
—
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O
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第l期沈胜强,等:低温多效蒸馏海水淡水一发电联产系统经济性分析.25.
图3一至图4是在新蒸汽流量不变条件下,EL. WP和GOR随加热蒸汽温度和抽汽压力的变化.从 图中可以看出,ELWP随加热蒸汽温度和抽汽压力 的升高而增加,而GOR随抽汽压力的升高而增加, 随加热蒸汽温度的升高而减少.对于相同的抽汽压
力,加热蒸汽温度升高,TVC需要消耗更多的抽汽来 引射LT-MED末效产生的二次蒸汽,造成系统的 GOR减少,汽轮机组的抽汽做功损失增加,因此制 水的ELWP增加.
誊
加热蒸汽温度,?
图4系统造水比?尺随加热蒸汽温度
和抽汽压力的变化情况
当加热蒸汽温度不变,随着抽汽压力的升高,抽 汽的能量品质升高,汽轮机的做功损失增加;TVC进 口抽汽压力的升高,被TVC吸入的二次蒸汽量增 加,同时由于TVC出口的加热蒸汽流量不变,因此 动力蒸汽的消耗量减少,造水比升高.由于做功损 失的增加大于GOR的变化,根据式(11),,制水的EL. WP增加.从上面的分析可以看出,抽汽压力升高 时,以通常采用的GOR来评价海水淡化系统热性 能,制水的经济性提高;而以ELWP作为评价指标, 制水的经济性降低.这是因为GOR指标并没有考 虑能量的品质,而ELWP反映的是抽汽返回汽轮机 的真实做功能力,标志抽汽的能级或能位高低,所以 ELWP指标能够比传统的热性能指标GOR更准确 地反映水电联产系统的经济性.
从图3中还可以知道,LT.MED的ELWP可达lO kWh/t,相对于反渗透法制水的6kWh/t的能耗,LT- MED的能量成本要高.但是LT.MED的产品水水质 要远高于反渗透法,前者的水质可达到5mg/L,可以 直接作为锅炉的补水而无需再处理,而后者的水质 为500mg/L,必须经过进一步的除盐,才能用于电厂 的补水.一般而言,作为沿海火电厂自身的用水而
言,LT-MED制水的经济性要优于反渗透法. 图5是新蒸汽流量不变条件下,改变加热蒸汽 温度和抽汽压力对LT-MED系统所需的传热面积的 影响情况.图中显示传热面积随着加热蒸汽温度的 升高而急剧减少,不随抽汽压力的变化而变化.由 于末效蒸发器温度恒定,随着加热蒸汽温度的升高, 每一效蒸发器内的传热温差增加,传热面积减少,同 时蒸发器的传热系数随着加热蒸汽温度的升高而增 大,这两方面共同作用的结果使传热面积随加热蒸 汽温度而剧烈变化.对于加热蒸汽温度一定时,抽 汽压力变化引起的是喷射器消耗的抽汽量的改变, 并不影响蒸发器内的温度,因此其传热面积不随抽 汽压力变化.从图3中知道,加热蒸汽温度降低时, ELWP减少,能够降低制水成本,但传热面积急剧增 加,增加了LT-MED系统的制造成本.因此必须综 合考虑系统的运行成本和制造成本来优化加热蒸汽 温度.
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图5LT-MED传热面积随加热蒸汽
温度和抽汽压力的变化情况
加热蒸汽温度/?
图6制水燃料成本随加热蒸汽
温度和抽汽压力的变化情况
图6是在汽轮机组功率不变条件下,电厂燃煤 按热值折算成标准煤,标煤单价为500元/t时,制水
燃料成本Gw随加热蒸汽温度和抽汽压力的变化. 从图中看出,淡水的燃料成本随加热蒸汽温度和抽 汽压力的变化范围为1.44.,2_8元/t,此高纯度淡水 的价格甚至低于严重缺水的北方沿海火电厂的工业 用水价格,因此低温多效水电联产系统在经济上是 完全可行的,能够有效解决北方沿海地区,尤其是火 ???????
?
26?热能动力工程2006年
电厂的缺水问题.
ELWP和cw随抽汽压力的降低而减少,LT. IVIED系统所需的传热面积不随抽汽压力的变化而 变化,因此降低抽汽压力有利于降低制水成本.但 是由于TVC的引射蒸汽压力和LT-MED的加热蒸汽 压力一定,抽汽压力降低,TVC的膨胀比降低,造成 TVC的引射系数减小,而为保证TVC的正常工作, 引射系数不得低于0.2,所以能够满足TVC引射系 数要求的最低汽轮机抽汽压力为0.15MPa. ELWP和Cw随加热蒸汽温度的降低而减少,有 利于系统的经济运行,但是在TVC引射蒸汽(即. MED系统末效蒸汽)温度保持不变时,加热蒸汽温 度降低,TVC压缩比降低,而为使TVC能够稳定运 行,其压缩比下限为1.2,因此加热蒸汽温度的降低 受到TVC压缩比的限制.加热蒸汽温度的降低使 LT-MED系统所需的传热面积急剧升高,增加了m MED系统的制造成本.因此对加热蒸汽温度的优 化,要综合考虑TVC的压缩比和LT.MED系统所需 的传热面积对制水成本的影响.
4结论
(1)应用等效焓降理论及等效焓降法中抽汽效
率和局部定量分析的矩阵模型,计算了制水电耗量
和制水燃料成本,实现了对低温多效蒸馏海水淡化
一
发电联产系统制水能量成本的准确评价.
(2)降低抽汽压力,有利于降低制水能量成本,
但是抽汽压力的下限应该满足TVC引射系数的要
求;降低加热蒸汽温度,有利于降低ELWP和cw,但
是加热蒸汽温度的降低受TVC压缩比的限制,同时
传热面积随加热蒸汽温度的降低急剧增加,引起制
造成本升高.因此要综合考虑系统的运行成本,制
造成本和TVC的稳定运行来优化加热蒸汽温度和
抽汽压力.
(3)采用制水电耗量(ELWP)比传统的GOR指
标能够更准确的评价水电联产系统的热性能.
(4)低温多效蒸馏海水淡化一发电联产系统能
够经济有效地解决北方沿海地区,尤其是火电厂的
缺水问题.
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(上接第21页)
念清晰,易于掌握,具有规律性强,通用性好,人为主
观干预少等特点,尤其适用于作为计算机处理的数
学模型,对实现火电机组的节能降耗具有重要的理
论意义,是火电厂热力系统经济运行在线分析的实
用技术.
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