TVC在低温多效海水淡化装置的应用分析

TVC在低温多效海水淡化装置的应用一、热力压缩机(TVC)概述热力压缩机(ThermalVaporCompression,简称TVC)是喷射器的一种。喷射器按照其工作流体的不同,可分为气体喷射器、气液喷射器、液气喷射器、液体喷射器(又称喷射泵)等,可实现流体混合、换热、增压等功能,是一种应用非常广泛的流体机械。TVC是一种蒸汽喷射器,它是以高压蒸汽为动力,将低压蒸气压缩至较高的压力,实现低压蒸汽增压再利用(在海水淡化中,主要是为了减少冷端损失)的设备。图1为气体喷射器的轴向剖面示意图,图2为喷射器的工作原理及主要参数变化示意图。在TVC的喷嘴中,蒸汽在绝热膨胀中压力快速降低,在喷嘴喉口处速度达到音速,蒸汽在喉口处一般处于湿蒸汽状态,部分蒸汽凝结为水滴;随着蒸汽的进一步膨胀,蒸汽湿度继续增加。在吸入室内,工作蒸汽压力即喷嘴出口压力应低于二次蒸汽压力,将二次蒸汽吸入TVC内,蒸汽压力会出现较大的波动,蒸汽中重复着凝结、蒸发过程。蒸汽进入混合室时,TVC中心的蒸汽处于超音速状态,而外部以二次流体为主的部分处于较低的流速,两者在混合室内在粘性作用下产生动量与能量交换,二次蒸汽被压缩,一次蒸汽流速降低,蒸汽中的凝结水滴逐渐汽化。一般情况下,混合室内的压力会略有升高,若TVC排出压力很低,也可能出现压力的降低。TVC的尾部扩管为扩压室,蒸汽在扩压室内速度降低,压力回升至高于二次汽的压力,完成蒸汽压缩功能。二、由MED到MED-TVC的发展过程LT-MED海水淡化装置,起初其优势是,为了防止海水接触的换热面结垢,利用低温低压(70℃左右,负压)的蒸汽作为其热源,如图3所示,加热蒸汽直接进入第一效的进汽侧,以加热管外测的物料水,在负压条件下,海水汽化产生二次蒸汽进入下一效作为热源,同时自身被冷凝。最后一效产生的二次蒸汽进入凝汽器内完全冷却下来。在这种模式下,造水比小于总效数。如果只通过增加效数获得较大的造水比,这样也使得装置的体积庞大,投资增加,制水成本提高。图3:MED的基本模式但对于目前的火力发电机组,由机组供给海水淡化装置的抽气还具有较高的压力和温度,不符合LT-MED装置对蒸汽参数的要求,若将高温高压蒸汽通过减温减压使之满足LT-MED的要求,无疑造成蒸汽能量品质的巨大浪费,而且LT-MED装置的末效蒸汽如同汽轮发低压缸排汽,需要通过冷凝器将其冷凝并损失大量热量。为了有效利用具有较高温度压力的汽轮机抽汽的有效能量,降低MED装置末效蒸汽的凝结热损失,将TVC引入了MED装置中,构成了TVC-MED海水淡化装置,如图4所示。TVC-MED海水淡化装置成为水电联产MED装置的常用结构。图4:MED-TVC的基本模式在TVC-MED装置中,TVC将末效蒸发器成生的部分蒸汽压缩至第一效,即第一效蒸发器的加热蒸汽来自于汽轮机组的抽汽和部分末效蒸发器的蒸汽,从而减少了汽轮机组的抽汽量,同时减少了末效蒸发器后的冷凝器的负荷,降低了冷凝器热损失。三、TVC对海水淡化装置运行的影响分析1、由TVC的吸入特性曲线(如图5),可以看出喷射器的引射能力与吸入口压力基本成正比关系。对于海水淡化系统,当冷凝器真空度太高,可以引起TVC的吸入口压力降低,从曲线上看出,此时引射能力下降,导致动力蒸汽用量增加,海水淡化装置造水比下降。因此,在运行中根据TVC性能曲线,通过冷却水系统调整好通过冷凝器海水的流量和温度,合理控制凝汽器的真空。黄骅电厂一期投运后,海水淡化在冬季运行过程中出现过造水比降低,主要是冷却海水的换热器堵塞,换热效果降低,一方面降低了物料水的温度,过冷增加;另一方面过低的海水通过冷凝器后,凝汽器的汽侧低于运行压力,即TVC吸入口压力降低,TVC的引射能力下降。2、TVC的吸入口压力与引射能力及排出口最大压力的特性曲线,如图6所示,其类似与水泵的特性曲线。当吸入口压力为一常数时,排出口压力小于最大允许压力时,引射能力基本不变,当喷射器出口压力大于最大允许压力点后,引射能力急剧下降。对于二期海水淡化装置设计工况,TVC的吸入口和排出口的压力分别为137mbar和250mbar,对应的饱和温度为52℃和65℃。在运行规程中规定第一效温度到70℃时(对应的饱和温度为311mbar)报警,75℃时(对应的饱和温度为385mbar)才关蒸汽快关阀,该进口温度,一方面第一效盐水超温增加结垢风险,另一方面该温度过高将导致喷射器的性能下降。对于本期设备招标中的特性曲线,提供了喷射器出口的设计压力值为250mbar,也是蒸发器的工作压力,而TVC的供货商把250mbar当作喷射器出口的最大压力点,而实际正常运行时,运行点应该在250-385mbar附近波动,超过了该设备的最大排出口压力,TVC的性能会有降低。所以,在以后的设备招标中需要注意适当加大最大的排出口压力值。3、对于已定的喷射器,当动力蒸汽的压力超过额定压力后,喷射器的引射能力并没有变化,喷射器出口压力的工作带宽(出口压力的工作范围)有所增加,这是喷射器本身的特性的。所以,对于海水淡化TVC的动力蒸汽压力大于喷射器的设计压力时,引射能力并没有提高,只意味着能量的浪费,所以,海水淡化的供汽压力尽量不要大于TVC的额定压力。4、TVC设置可调节锥体,提高其对蒸汽压力的适应性但对于固定结构,其调节范围较窄。为了扩大TVC的调节范围,即对蒸汽压力的适应性,增设了可调节锥体。可调式锥体TVC是在喷嘴内插入一个变截面的调节锥,通过调节锥的轴向移动,改变喷嘴喉口截面积和喷嘴面积比,从而改变工作蒸汽流量和额定压比,扩大了TVC可稳定工作的参数变化范围。但由于TVC结构的特点,喷嘴截面积变化时,并不能使混合室和扩压室的结构参数随之变化,因此,调节后的TVC不能工作在最佳效率下,可调式TVC是以牺牲效率来扩大设备的工作范围的。另外,为了保证TVC的最佳效率和对主蒸汽压力的适应性,有的海水淡化项目在装置上设置两台及以上的TVC,根据主蒸汽压力选择TVC运行。四、TVC的局限性在MED-TVC中,TVC引射了最后一效产生蒸发,减少了冷凝损失、回收了热量,提高了系统的造水比。但是,TVC的工作过程有着较大的能量浪费,这部分损失主要是由品质相差较大的两股蒸汽混合而引起的,MED-TVC比纯MED装置的火用耗高,某日产设备的MED工况的火用耗为40.2kJ/kg淡水,MED-TVC工况的火用耗为68740.2kJ/kg淡水,其中TVC火用耗占41.6%。这就说明常用的造水比指标只能反映单位淡水的蒸汽耗量,而没有反映出单位淡水的能耗,特别是蒸汽品质。所以,电厂蒸汽通过后置机发电后(或背压机组)的低品质蒸汽作为海水淡化的热源,将成为我国海水淡化发展的一种新的“水电联产”的模式。五、结语TVC是海水淡化系统中的关键性设备,它直接影响着蒸发器运行的经济性和可靠性。在黄骅电厂20万t海水淡化项目实施过程中,海水淡化装置的设计要结合机组负荷、蒸汽压力的变化,合理设计TVC,有着借鉴作用。