基于电站余热利用的多效蒸馏海水淡化研究

论文摘要

随着世界人口增加,工业发展以及环境污染的加重,淡水资源紧缺已经成为人们需要直面并解决的尖锐问题,海水淡化作为一种获取淡水资源的开源措施,得到了蓬勃发展。热法海水淡化中又以低温多效蒸馏在我国应用最广,但是由于生产过程需要大量能量,限制了其发展。另一方面,作为我国主要发电形式的燃煤电站又具有大量的多种类,多品位的余热。本文针对燃煤电站与海水淡化耦合的系统,对传统的利用汽轮机抽汽进行海水淡化的水电联产机组进行了变工况计算,分析海水淡化系统辅助调峰的能力,并以此为基础,提出了三种新型的综合利用燃煤电站抽汽余热,烟气余热以及排汽余热的低温多效蒸馏系统,并对这几种系统的性能进行研究。针对600MW燃煤机组和低温多效蒸馏的耦合系统,分析其变工况运行特性。通过改变抽汽量和抽汽压力可知,抽汽量的增加会降低机组发电量引起煤耗以及制水量上升,抽汽压力的下降则会降低制水量,但同时也降低了供电煤耗。对于低温多效蒸馏系统,抽汽量的阶跃性增加不仅会引起二次蒸汽量的增加,也会使各效蒸发器内的浓盐水浓度骤增,各效蒸发温度骤降并随着效数增加愈加明显,抽汽压力下降所引起的动态响应则恰好相反。此外,单台耗汽量为50t/h的低温多效蒸馏系统对燃煤机组的发电性能影响甚微,当抽汽量小于238t/h时,机组的调峰能力基本保持不变,最高可达477MW,当抽汽量继续增大,调峰能力则骤降,在保证汽轮机低压缸最小通流量的情况下,所有的抽汽量全部用于海水淡化时,抽汽量的两个极限值可分别满足19个和3.75个产水量为12000m3/d的低温多效蒸馏系统额定工况运行时的耗汽。建立了三种新型低温多效蒸馏系统的模型,并研究了基本运行参数对发电和制水性能的影响。与产水量为12000m3/d的系统相比,引入烟气作为预热源的低温多效蒸馏系统最大制水量约为其制水量的1.28倍,造水成本由3.14$/m3下降至2.45$/m3。当同样产生12000m3/d的淡水时,耗汽量由50t/h下降至36.1t/h,减少了 13.9t/h,相当于增加发电量2.98MW,节约供电煤耗约1.53g/kWh。而当烟气用作首效热源时,低温多效蒸馏系统制水量仅约为5328m3/d,但是造水成本同样最低约为2.19$/m3,此时节约的汽轮机抽汽可增加发电量约10.75MW,供电煤耗下降约6.05g/kWh。而烟气用于加热600MW机组的7#,8#凝结水时约节约煤耗1.26g/kWh。烟气余热的回收,降低了进入脱硫塔的烟气温度,可节约脱硫水耗约42.35t/h。针对使用烟气预热海水的低温多效蒸馏系统,研究了效间温差,蒸汽喷射器（Thermal Vapor Compressor,TVC）安装位置以及进料流量对系统的影响。在最高蒸发温度为61.7℃和最低蒸发温度为46℃且均保持不变的情况下,温差减小可以提高造水比,但同时总制水成本先下降后上升,当温差为2.5℃即总效数为7时,成本最低。不同的TVC安装位置也意味着不同的产水性能,当各效进料流量都相同时,为了产生最多的淡水,TVC安装位置的后移减少了总进料流量,但使各效进料海水温度增加,从而提高了造水比,降低了制水成本;考虑到蒸汽喷射器安全运行需满足压缩比大于1.81,TVC的建议安装位置为第5效至第7效。当安装在第5效之后,前后进料流量的质量比由0增加到1时,造水比下降由14.45下降至11.02,制水成本由2.039 $/m3上升至2.187 $/m3。系统（?）分析则表明,TVC中的（?）损失最大,冷凝器的（?）效率最低。为进一步强化烟气-海水的换热,基于板翅式换热器中的波纹翅片,研究了开孔,错列分布以及间断技术对翅片性能的影响。对于多孔形波纹翅片,孔径越大,通道内的流体混合越强,换热性能越好,流动阻力也越大。在研究范围之内,开孔半径为1.5mm的翅片性能更好;锯齿形波纹翅片的错开比增大,可促进流体和翅片之间的换热,但同时也增加了流动阻力,错开比为0.4时,虽然翅片的性能评价指标随雷诺数的减小,但是研究范围之内仍然最具优势;间断式波纹翅片,提高换热的能力有限,且断开间距的增加,促进了翅片表面的涡流产生,流动阻力增大;研究范围之内,断开距离为1mm时的翅片整体热力性能更优。波纹翅片的纵横比也会影响翅片的热力性能。不同纵横比下,多孔形波纹翅片提高换热的能力最为突出,流动阻力也最大;间断式波纹翅片提升换热能力有限,但同时流动阻力也无无明显变化;锯齿形波纹翅片的换热性能介于两者之间,且当风速较小,纵横比较大时,能够有效降低流动阻力。当纵横比为0.45时,多孔形波纹翅片最具优势,PEC值最高可达1.24。研究结果表明,打孔有利于增强换热,提高努塞尔数;错列布置有利于降低摩擦系数;断开技术则在提高换热性能的同时可以减少换热面积,节约耗材。

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摘要

Abstract

符号表

第1章绪论

1.1 研究背景、目的和意义

1.2 燃煤电站低品位热量回收利用的研究概述

1.2.1 燃煤电站内部烟气余热利用系统

1.2.2 燃煤电站外部烟气余热利用系统

1.3 海水淡化技术研究现状

1.3.1 膜法海水淡化技术发展概述

1.3.2 热法海水淡化技术发展概述

1.3.3 多效蒸馏法发展现状

1.4 本文的研究内容

第2章水电联产机组的变工况运行特性分析

2.1 引言

2.2 水电联产模型

2.2.1 物理模型的建立

2.2.2 数学模型的建立

2.3 结果分析与讨论

2.3.1 模型验证

2.3.2 参数分析

2.4 本章小结

第3章基于电厂余热利用的新型低温多效蒸馏系统

3.1 引言

3.2 新型多效蒸馏系统模型

3.2.1 系统模型的建立

3.2.2 传统低温多效蒸馏海水淡化系统

3.3 结果分析与讨论

3.3.1 方案一系统性能研究

3.3.2 方案二系统性能研究

3.3.3 方案三系统性能研究

3.3.4 经济性分析

3.4 本章小结

第4章蒸汽喷射器对低温多效蒸馏系统的影响

4.1 引言

4.2 安装蒸汽喷射器的低温多效蒸馏系统优化分析

4.2.1 数学模型的建立

4.2.2 参数分析

4.3 本章小结

第5章烟气换热器的选型与优化

5.1 引言

5.2 模型的建立

5.2.1 波纹形翅片物理模型的建立

5.2.2 数值模拟的控制方程

5.2.3 波纹型翅片的热力学方程

5.3 模型验证

5.4 结果分析与讨论

5.4.1 开孔半径对流动特性的影响

5.4.2 错开比对流动特性的影响

5.4.3 断开距离对流动特性的影响

5.4.4 纵横比对流动特性的影响

5.5 本章小结

第6章结论与展望

6.1 结论

6.2 研究工作的展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

攻读博士学位期间参加的科研工作

致谢

作者简介

文章来源

类型: 博士论文

作者: 薛媛

导师: 杜小泽

关键词: 余热利用,海水淡化,低温多效蒸馏,优化设计,波纹形翅片

来源: 华北电力大学(北京)

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 海洋学,动力工程,电力工业

单位: 华北电力大学(北京)

分类号: TK115;TM621;P747

DOI: 10.27140/d.cnki.ghbbu.2019.000082

总页数: 116

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