热泵循环海水淡化系统

文章编号：1009-6825（2012）32-0145-03
热泵循环海水淡化系统分析
收稿日期：2012-09-14作者简介：秦景江（1964-），男，工程师；
董旭（1988-），男，在读硕士
秦景江
1
董旭
2
（1．秦皇岛电力公司，河北秦皇岛066004；
2．燕山大学建筑工程与力学学院，河北秦皇岛066004）
摘
要：对三种主流的热法海水淡化方法进行评述，并对热泵循环海水淡化系统进行理论分析与计算，最后得出结论认为热泵循
环海水淡化系统能耗没有显著降低，相比于低温多效蒸馏法无节能优势，系统能耗偏高的主要原因在于两种工质通过间壁换热，由于存在换热温差损失了大量可用能。

关键词：海水淡化，技术分析，热泵循环，节能中图分类号：TU832
文献标识码：A
在我国海水淡化技术研究起步较早，经过约40年研发和示
范的经验积累，
工程实践已日趋成熟。

近年来，我国在引进、消化和创新海水淡化先进技术与装备制造等方面做了大量的工作。

截至2006年年底，我国淡化海水日产15万t ，占世界海水淡化日产量的4%，但与国外相比，我国海水淡化规模并不大，在研究水
平、创新能力及系统设计和集成等方面仍有较大差距［1，2］。

如今国家非常重视发展海水淡化产业，规定沿海地区新上电站项目
（含核电）必须配套相应的海水淡化装备。

目前电力行业是应用
海水淡化技术最多的行业，我国最大的海水淡化工程建在浙江省
华能玉环电厂，
工程规模34560m 3/d ，单机产水量5760m 3/d ［3］。

国家政策大力扶持海水淡化产业，决定自2008年1月1日起，免
征企业海水淡化工程所得税。

我国海水淡化产业的发展前景广阔，根据国家发展和改革委
员会、国家海洋局及财政部联合发布的《海水利用专项规划》，在未来2年 10年内我国将有约日产400万t 海水淡化设备的市场
需求，未来20年内国际上将有近700亿美元的海水淡化市场，櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅
利用按户计量收费具有以下几个优势：1）实行用热按户计量收费，用户有了充足的自主性，从自身经济性考虑，他的节能意识自然就会加强，扩展到全热网的话就可以节省大量能源。

2）实行用户按户计量收费，水质差的温水也需要由用户自己来买单，放管网的热水到自家就没有太大的利用价值，有利于降低供热系统的失水率。

3）实行用热按户计量收费后，热用户的舒适度得到满足，大大减少供需双方因房间的冷热而产生纠纷，初步解决了收费难的问题，从而有利于保障社会稳定。

4）由于每户都安装了阀门，可以单独关断不缴费用户的入户阀，而不影响其他用户的正常用热，维护了多数缴费用户的利益。

5）实行用热按户计量收费，最大的优点就在于它的合理性和公正性。

很显然，它比按面积定量收费更准确、公正。

6）根据目前按热量计量收费的实验数据表明：实行集中供热分户计量后，其节能率在10% 20%。

同时，节省了基础建设投资。

实施分户计量后，在热源负荷不变的情况下，可增加有效供热面积20%以上。

4供热分户计量实施中存在的问题
目前，供热分户计量的实施工作已经展开，在此过程中逐渐出现了一些还待深入研究解决的问题：
1）实行分户计量后，供热系统中的用户是采用“量”调节的方
式来达到“质”调节，即通过调节散热器供水管上的温控阀的开关度，来调节进入散热器的流量大小从而达到调节散热器供热量的
多少，最终达到控温的目的。

由于这种单用户调节在空间及时间
分布上的广泛和非规律性，使得整个热网的流量和供热量也在不
断变化，
波动范围大，主循环泵的频率时刻变化，热源如何调节才能适应流量和供热量变化是需要不断摸索才能解决的一个问题。

2）国产热表质量不稳、进口热表价格高，在性价比方面选择比较困难。

3）推行分户计量收费改革工作，资金投入大，由供热部门和住户承担，负担过重，对推行分户计量收费改革不利。

4）急需制定和完善分户计量供热管理办法和具体收费标准。

没有分户计量供热管理办法，对当前改革工作带来诸多不便；目前的收费标准中没有充分考虑到修正系数（如高层、低层，阴、阳面，山墙）；不能合理解决户间传热。

5结语
供热分户计量改革了传统的按面积收费的供热方式，取消了不公平的福利供热，向按用热量收费转变，多消费热能者多支付费用，用户可以对室内温度进行调节。

体制的转变关系到广大热
用户的切身利益和社会稳定，
是一项立足以人为本、提高供热水平、降低能耗、节约能源的重要举措，是一项社会化的系统工程。

尽管仍遇到很多困难与阻力，但它已势在必行。

参考文献：［1］张洪彦．供热系统分户热计量与节能问题探讨［J ］．煤气与热力，2003（1）：5-6．［2］陈明．关于供热收费改革的意见［J ］．区域供热，2000
（19）：5．
On necessity for heating metering and heating charging reform
YAO Jie
（Taiyuan Heating Company ，Taiyuan 030001，China ）
Abstract ：From the current status of the urban heating and its shortages ，the paper introduces the necessity ，inevitability and advantages for the heating metering and heating charging reform in China ，and analyzes the realistic issues in improving its development ，so as to have the active meaning for enhancing the heating metering and heating charging reform．
Key words ：central heating ，heating metering reform ，energy-saving and efficiency
·
541·第38卷第32期2012年11月
山西
建筑
SHANXI
ARCHITECTURE
Vol．38No．32Nov．2012
海水淡化技术大规模开辟新水源已是大势所趋。

随着淡化海水生产成本的不断降低，海水淡化技术将不仅限于沿海岛屿和企业供水，大规模应用于沿海居民生活供水也将是经济可行的。

1热法海水淡化技术分析
目前世界上通用的热法海水淡化技术主要有多级闪蒸（MSF）、低温多效蒸馏（L-MED）和压汽蒸馏（VC）［4］。

1．1多级闪蒸技术
多级闪蒸是一种利用闪蒸原理进行海水淡化的工艺流程，是将原料海水加热至一定温度后引入一个压力较低的空间内，由于环境压力低于热盐水温度所对应的饱和蒸汽压力，此时热盐水过热急速汽化，之后热盐水自身温度降低，产生的蒸汽冷凝后即为所需淡水。

多级闪蒸技术即以此原理为基础，使热盐水依次流经若干个压力逐渐降低的闪蒸室，逐级蒸发降温，同时盐水也逐级增浓，直到其温度稍高于天然海水的温度［5］。

该系统特点是末级浓海水只有少量排放，大部分则返回系统作为前若干级的冷却水，同时回收闪蒸蒸汽的热量，故海水得以重复利用，原料水量及预处理费用得以降低。

MSF的使用有地域特征，特别在海湾国家采用较多，其通常与火力发电站联合建设运行，以汽轮机低压抽汽作为热源，其优势是海水结垢倾向小、易于大型化和运行可靠。

但由于海水加热过程中换热效率较低并需要大量循环海水，因此换热面积过大、动力系统能耗大。

常用的浓海水循环型多级闪蒸技术工艺流程如图1所示。

蒸
汽
加热器第
1
级
23闪
蒸
室
热回收段
浓盐水
排热段
淡
水
海
水
末级
补
给
水
喷
射
泵
前处理
补给水
冷却水排出
排不凝气
循
环
盐
水
图1浓海水循环型多级闪蒸技术工艺流程
1．2低温多效蒸馏技术
低温多效蒸馏技术（L-MED）是盐水最高蒸发温度不超过70ħ的海水淡化方式，特征是将一系列水平管降膜蒸发器或垂直管降膜蒸发器串联并分成若干效组，输入一定量的蒸汽，通过喷淋原料海水多次蒸发和冷凝，在前一效蒸发的二次蒸汽作为下一效的加热蒸汽，并冷凝产生所需淡水，最终得到多倍于初始加热蒸汽量的蒸馏水。

低温多效蒸馏的操作过程具有饱和态、小温差、低流阻等特点［6］。

与多级闪蒸技术相比，其优点有：1）低温多效蒸馏传热过程是沸腾和冷凝的双侧相变换热，传热系数很高。

对于特定蒸发温度，低温多效蒸馏所用传热面积比多级闪蒸少很多。

2）低温多效蒸馏动力消耗少。

采用水平管喷淋降膜蒸发器耗电只需1kWh/t左右，而多级闪蒸生产1t淡水需耗电4kWh。

3）低温多效蒸馏操作弹性很大，设备在负荷范围从25%变化到110%的区间内皆可正常操作，而且产水比不会下降。

4）低温多效蒸馏可利用约70ħ的低温废热作为海水加热热源，是一种可利用余热节能的海水淡化方法［7］。

低温多效蒸馏的缺点在于料液在加热面上沸腾，同样温度下相对容易在传热管壁上结垢，需要经常清洗维护和采取严格的防垢措施。

其工艺流程如图2所示。

1．3压汽蒸馏技术
压汽蒸馏技术也称为热泵蒸发，是用压缩机将过饱和度较低的二次蒸汽稍加压缩，提高其压力后再输入到系统中的动力方式。

蒸汽在压力提高之后其饱和温度也相应提高，输入系统后可以作为加热热源使用，从而构成一个闭路循环。

压汽蒸馏淡化海水具体过程为：加热原料海水蒸发出二次蒸汽，二次蒸汽被加压提高温度作为蒸发器的加热热源，然后冷凝产生淡水。

VC用电或蒸汽驱动，循环利用二次蒸汽，属于节能的海水淡化方法。

但是由于蒸汽压缩机的设计与制造技术问题难以解决，淡化设备规模受到限制，很难实现大型量产化［8］。

图2低温多效蒸馏技术工艺流程
循环蒸汽
高压
蒸汽
低压
蒸汽
返回凝结水
中间进料泵
浓水闪蒸
进料泵
冷却水
浓盐水
淡水
海水
不凝汽
高压蒸汽
%冷凝器
蒸发器
2热泵循环海水淡化系统理论分析
利用热泵循环的海水淡化系统特点是使用热泵回收低温多效蒸馏系统末效蒸汽热量，既继承压汽蒸馏法可回收利用最末效蒸汽热能的优点，没有冷凝器放热损失，又避免了压汽蒸馏法的技术瓶颈———压缩水蒸汽，而且保留了低温多效蒸馏法蒸汽热量多次使用的特点，因而理论上可实现节能生产淡水。

此方法根据不可逆热力学原理，把热泵系统蒸发器、冷凝器与低温多效蒸馏系统紧密结合，并对低温多效蒸馏系统中几个重要环节进行特殊设计以使整个海水淡化过程的熵增最小，希望能够实现海水淡化过程最节能化。

设计要点如下：
1）每一效蒸发器设置独立循环水泵，一方面可避免不同温度海水混合过程中产生不可逆损失，另一方面可使喷淋海水的温度与各效对应蒸发温度相近，缩短海水在蒸发器中预热时间，节省传热面积。

2）设置淡水和浓盐水排放能量回收系统。

通过将各效蒸发器排出的淡水和浓盐水与各效蒸发器所需补充海水换热，可实现最高效能量回收过程熵增最小的目的，同时也保证了供给补充海水的温度尽可能升高，最大限度提高每一效水蒸汽产量。

3系统设计
对热泵循环海水淡化系统进行理论计算之前需进行初步设计。

综合考虑工质性能、设备市场行情等因素，初步设计主要注意事项如下：1）水的汽化潜热大，海水淡化系统可回收热量很大。

为满足大热量要求，热泵选择离心式压缩机。

相对热泵常用领域———空调系统，海水淡化功能要求热泵工作温度较高，故计算分析选择R123冷媒匹配。

2）系统简图和运行原理如图3所示。

压缩机：热泵系统离心压缩机，压缩R123冷媒；多效蒸发器：低温多效蒸馏海水淡化装置；节流阀：热泵系统节流元件，冷媒通过后减压汽化；换热器1：热泵将淡水加热成蒸汽后作为低温多效蒸馏热源；换热器2：热泵回收低温多效蒸馏后的热量；换热器3：回收卤水热量；换热器4：回收淡水热量；换热器5：热泵冷媒过冷器。

运行原理：封闭式循环热泵系统蒸发器作为低温多效蒸馏海水淡化系统冷凝器，吸收末效蒸发器的低压蒸汽热量，将其冷凝为淡水。

热泵冷凝器放置在海水淡化系统第1效蒸发器中作为热源，将较高温度热能供给低压海水使第1效蒸发器内循环海水汽化。

产生较高压力蒸汽又被输送到第2效作为蒸发器热源，在该效蒸发器中冷凝为淡水的同时使该效循环海水汽化。

所产生
·
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·第38卷第32期
2012年11月
山西建筑
新蒸汽被输送到第3效，作为第3效蒸发器热源……如此逐效相
连，
直到低温多效蒸馏海水淡化系统冷凝器将热量再次传递给热泵系统蒸发器形成循环，使海水淡化过程循环进行。

图3热泵循环海水淡化系统简图
70℃66.7℃
63.4℃
60.1℃
56.8℃56.8℃海水淡水
卤水冷凝
换热器2
换热器5
换热器4
蒸发海水
55℃
节流阀
60℃压缩机
74℃
冷
凝
换热器3换热器1
蒸发多效蒸发器
●
●
●
●
●●
●
●
●
●
●
4系统能耗理论计算
热泵循环海水淡化系统能耗主要由压缩机与动力泵耗电组
成，动力泵功耗根据参考文献［
9］给出低温多效蒸馏工程实例为1kWh /m 3 2kWh /m 3，不妨取1．5kWh /m 3。

压缩机能耗可由其
热力循环计算，图4为热泵循环压焓图。

考虑到初步设计中已设置各种换热器以最大程度减少热量流失和熵增，即最大程度接近理想工况，所以以理想压焓图计算系统能耗是比较符合实际情况和简便的。

图4热泵循环压焓图
1
23
4
p
h
图4中过程1 2为压缩机对工质做功以提高工质压力和温
度；过程2 3为冷凝过程，此过程中热泵工质在第1效蒸发器将热量传递给原料海水，
使之蒸馏；过程3 4为膨胀过程，热泵工质在第1效蒸发器中将热量传递给原料海水后由气态凝结为液态，后经膨胀阀节流，压力、温度降低，准备蒸发过程；过程4 1为蒸发过程，热泵工质在海水淡化系统冷凝器中吸收管外水蒸汽热量使水蒸汽冷凝为液体，工质气化进入压缩机压缩。

可见压缩机功耗为：
W =（h 2－h 1）ˑq m
（1）q m =
Q 0h 2－h 3
（2）
其中，
h 1，h 2分别为热泵工质在1点及2点的焓值；q m 为热泵工质质量流量；Q 0为冷凝负荷。

冷凝负荷Q 0等于使第1效蒸发器
产生水蒸汽所需吸收的热量，可表示为：
Q 0=
D
n －1
ˑr （3）
其中，
D 为装置产水量；n 为装置效数；r 为水蒸汽汽化潜热，2260kJ /kg 。

所以，由式（1） 式（3）可得系统总能耗W 0为：
W 0=
h 2－h 1h 2－h 3ˑ
r
n －1
（4）
根据压缩机厂家所提供数据，目前热泵机组最大制冷量即单台热泵热量回收最大功率，在4500kW 左右。

据其估算，目前市场上热泵机组最多可满足产水量为700t /d ，以日产100t 淡水的4效装置为例：根据R123压焓图可知h 1=413．44kJ /kg ，h 2=430kJ /kg ，h 3=260kJ /kg 。

将数据代入式（4）可求得W 0=18．9kWh /m 3。

5结语
根据对产量100t /d 的4效热泵循环海水淡化系统的设计计
算，
得出吨水耗电量为18．9kWh /m 3
，相比于多级闪蒸系统37．34kWh /m 3大大节能，但相比于压汽蒸馏11．43kWh /m 3耗电
量偏高［10，11］
，而且系统更复杂。

从设计过程分析，能耗偏高的主
要原因是R123和水这两种工质通过间壁换热，
由于存在换热温差损失了大量可用能。

参考文献：［1］李崇超，刘庆江，李
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．能源技术，2007（4）：20-22．System analysis on seawater desalination of heat pump circulating
QIN Jing-jiang 1
DONG Xu 2
（1．Qinhuangdao Power Company ，Qinhuangdao 066004，China ；
2．Yanshan University Building Engineering and Mechanics Institute ，Qinhuangdao 066004，China ）
Abstract ：This paper introduced three kinds of mainstream in heat pump circulating seawater desalination methods ，and made theoretical analy-sis and calculation to heat pump circulating seawater desalination system．Finally drew the conclusion that the energy consumption of heat pump circulating seawater desalination system did not significantly reduced ，compared to the low temperature multi-effect distillation method without the advantage of energy saving．The main reason of system energy consumption high was because of the two kinds of refrigerant through the heat ex-changer ，due to the temperature difference lost a large amount of available energy．
Key words ：seawater desalination ，technical analysis ，heat pump circulating ，energy saving
·
741·第38卷第32期2012年11月
秦景江等：热泵循环海水淡化系统分析。