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莱特莱德船舶海水淡化装置工作过程参数研究

2012-10-22

  海水淡化装置是船舶重要的辅机设备,通过控制工作参数,保证其良好的运行对莱特莱德船舶海水淡化装置制造有重要意义。该文章从真空沸腾式海水淡化装置着手,运用理论分析的方法,讨论了主要工作参数对装置工作性能的影响,特别探讨了影响装置淡水制造量的相关因素,提出了工作中应该注意的有关问题。针对海水淡化装置实际系统安装存在的问题,进行了充分的分析研讨,提出了改进意见,共同行参考。

  船舶海水淡化装置原理简述

  目前船用海水淡化装置主要有单效蒸馏,多效蒸馏,多级闪发,压气式,电渗析法,反渗透法。

  蒸馏法在上世纪40年代就应用在船舶上,历史较久,技术较成熟,使用普遍。

  电渗析能耗较高,已经较少使用。

  反渗透法从上世纪70年代才逐渐投入使用,由于其优越的性能以及高昂的价格,主要用于军舰。

  蒸馏法

  1 单效蒸馏

  单效蒸馏是利用热蒸汽在蒸发器内加热海水,使其沸腾,蒸发产生蒸汽,再经冷凝器冷凝制得淡水。工作原理如图1所示

单效蒸馏.jpg

 

 

  2 多效蒸馏

  多效蒸馏是将两个或者以上的蒸馏器串联起来,多效利用蒸汽潜热来制取淡水,提高能量利用率。基本原理是前一效的蒸汽通过下一蒸馏器对海水加热,二次蒸汽的潜热得到利用,蒸汽冷凝成淡水海水蒸发成蒸汽,进入下一个循环。装置原理如图2所示

  

多效蒸馏.jpg

 

  3 多级闪发

  闪发式海水淡化是将加热的海水减压喷洒到高真空度的蒸发器内,海水温度高于蒸发器内压力所对应的饱和温度,部分海水迅速汽化,产生蒸汽,再经冷凝器冷凝得到淡水。多级闪发是在闪发的原理上,将多个蒸发室串联,海水依次通过压力逐级降低的蒸发室,汽化产生蒸汽,再冷凝制得淡水。其装置原理如图3所示?

  

多级闪发.jpg

 

  4 机械压气式

  蒸汽从蒸发器出来后经过压气机压缩温度和压力增高,然后在通过蒸发器,利用了二次蒸汽的潜热,可以产生更多的蒸汽。工作原理如图4所示

  

机械压气式.jpg

 

  5 热力压气式

  工作(高压)蒸汽与二次蒸汽经热力压气机压缩混合后再通入到蒸发器中,作为加热热源蒸发海水。工作原理如图5所示

  

热力压气式.jpg

 

  6 热泵式

  制冷剂经热泵系统后温度升高作为热源,在封闭式热交换器中对海水加热,加热后的海水经喷咀喷入蒸发器,汽化产生蒸汽。制冷剂经热交换器后进入冷凝器,吸热变成气态,进入下一个循环。工作原理如图6所示

  

热泵式.jpg

 

  膜法海水淡化

  1 反渗透技术

  当两种不同浓度的溶液被半透膜隔开时,溶剂会自动的从稀溶液侧通过半透膜渗透到浓溶液侧,直至浓溶液侧高出稀溶液侧一段高度,达到平衡,这叫做渗透。反渗透正是利用了这样的原理,在浓溶液侧施加一高于渗透压的压力,迫使水从浓溶液侧向稀溶液侧移动。反渗透技术用于海水淡化时,在海水侧浓溶液?施加压力,水会透过渗透膜向淡水侧稀溶液移动实现海水淡化。反渗透原理如图7所示

  

反渗透技术.jpg

 

  2 电渗析技术

  电渗析海水淡化装置工作原理是离子交换膜在直流电的作用下对溶液中的阴阳离子进行选择性通过,阳离子只能通过阳膜,阴离子只能通过阴膜。浓、淡室由隔板和阴阳离子膜组成,在直流电的作用下,淡室的阴阳离子分别移向两侧的浓淡室,使淡室溶液更淡,浓室更浓,直到淡室水达到使用要求。其工作原理如图8所示

  

电渗析技术.jpg

 

  工作性能分析

  1 蒸馏法

  蒸馏装置由于蒸发器加热盘管一直沉浸在海水中,温度较高,容易结垢,降低热传递效率,所以需要定期清洗,维护管理较为复杂。单效蒸馏装置的二次蒸汽包含大量的热能没有得到利用,产水比较多效蒸馏低仅有0.95左右。利用低品位热水加热,适用于小能量设备。但是单效蒸馏相比于其他海水淡化装置具有设备尺寸小,造价低的优势。多效蒸馏相比于单效蒸馏大大提高了能量利用率,因为其使得二次蒸汽所含的大量冷凝潜热得到利用。双效蒸馏的产水比能够达到1.75左右,三效蒸馏能够达到2.50 。多效蒸馏的经济性虽然得到很大的提高,但是设备庞大笨重,制造成本大,维护管理也较复杂。船用多效蒸馏一般不超过三效应,对于蒸汽动力的船舶,如大型客轮和军舰,为减少消耗于淡化装置的蒸汽,以提高动力装置的经济性,经常使用多效蒸馏。一般货船多采用单效装置和双效装置。多级闪发装置闪发室内没有加热盘管可以有效解决结垢问题,这消除了其他蒸发器的结垢缺陷。多级闪发还具有工作可靠,操作方便的优势。在船舶摇晃时无液面倾泼,消除了由于真空度变化、飞溅和输入热量不稳定造成的剧烈沸腾,产水量和水质都较稳定。但是多级闪发设备比较庞大,一次性投入费用多,所需循环盐水量最大,所以操作费用较高。与多效蒸馏相比,需要更大的传热面积。适用于大型海水淡化装置,一般船用采用两级,多的采用四到五级。对多级闪发装置能量利用进行了详细的研究分析,并对原装置提出了改进,提高经济效应。

  热泵式海水淡化技术是一种新型的海水淡化技术,与热力蒸汽压缩法相似,但是其与传统的热力蒸汽压缩法相比,该系统采用闭式循环,循环工质与蒸汽是分离的,通过优化设计,可以实现排放的热量最小化?达到节能保护环境的目的。

  2膜法海水淡化

  反渗透海水淡化过程无相变,节能性能高,设备简单,结垢紧凑,占地面积小,操作方便,易于控制,产水效率高。但是反渗透海水淡化由于膜对于水质要求较高,所以其对于海水预处理要求高,膜易受到污染影响水质,所以要定期更换。电渗析海水淡化技术具有以下优点,设备简单,操作方便,使用化学药剂少,污染少。设备规模和脱盐浓度适用范围大。但是其耗电量太大,对于非电解质的物质不能处理,所以使用现在较少。

  3 小结

  蒸馏式可以利用船舶动力装置的废水、废气、废热,能耗较低。但是操作较复杂,产水量与水质不稳定。反渗透法能耗相对较低,操作简单,是目前舰船使用的主要形式。此外,船用蒸馏式海水淡化工作状态受到主机运行状态的影响,当船舶停靠码头主机停止工作时,无法满足制淡要求。而膜法则不受主机工作状态的影响,只要有点,可以随时造水。

  真空沸腾式海水淡化装置

  1 工作原理

  真空沸腾式海水淡化技术是蒸馏式的一种,它是在一定真空度的蒸发器中加热海水,由于压力降低,海水沸点降低,可以利用主机缸套冷却水为热源,海水沸腾,产生蒸汽,经汽液分离器后进入冷凝器,冷凝成淡水。装置流程图如图9所示

  

装置流程图.jpg

 

  工作过程,如上图所示,加热水,主机缸套冷却水,经管路13进入蒸发器,蒸发器内保持一定的真空度?海水沸点较低,经加热沸腾,产生蒸汽。蒸汽向上通过汽水分离器后进入冷凝器,舷外海水经管路14进入冷凝器对蒸汽进行冷凝,产生淡水,由淡水泵11排至淡水柜。冷凝海水出冷凝器后少部分海水作为给水通入蒸发器,大部分排出舷外。排盐泵10用来排出蒸发器内的高浓度盐水,防止盐水水位过高,影响汽水分离效果,导致蒸汽含盐量增加。真空泵9用来抽出蒸发器内的部分空气,保持其适当的真空度。真空调节阀2用来调节真空度,当真空度太高时可以适当打开,减低真空度。盐度计12用来检验淡水含盐量,当不符合要求时,它会动作,启闭相关阀门,防止劣质淡水进入淡水柜。

  2 主要部件

  

主要部件.jpg

 

  1 蒸发器

  蒸发器是真空沸腾式海水淡化装置的心脏,海水在蒸发器内被加热、沸腾、产生蒸汽。如图10所示为壳管式换热器,主机缸套冷却水从管路7进入蒸发器,经竖直管由下往上流过蒸发器,对管外的海水加热,由于蒸发器内有较高的真空度,所以海水沸点较低,海水沸腾,产生蒸汽。蒸发器内的真空度要维持在适当的范围,真空度太高则会沸腾过于剧烈,二次蒸汽携带盐水珠增加,影响水质。真空度太低则蒸发温度高影响产水量,且会加速蒸发器结垢。现在普遍采用板式换热器,传热系数更高,结垢紧凑,清洗更方便。

  2 冷凝器

  冷凝器位于蒸发器的上部,蒸汽从蒸发器出来后,经过汽水分离器3,除去蒸汽中携带的盐水珠,进入冷凝器。冷凝海水由管路5通入冷凝器,至上往下流出,对管外的蒸汽冷凝,得到淡水。淡水经管路12排出淡化装置,经电盐度计检测合格后送入淡水柜。冷却海水出冷凝器后大部分经管路6直接排至舷外,小部分经管路9作为补给水通入蒸发器,使得二次蒸汽的潜热得到利用,提高产水率。冷却水进出冷凝器的温差要控制在合适范围,太高太低都会对造水机制淡水工作造成不利影响。因为冷却水进出冷凝器的温差可以反应出冷却水流量,温差过大说明冷却水流量不足,则冷凝器的冷凝能力就不能与蒸发器的蒸发能力相匹配。二次蒸汽不能全部被冷凝成淡水,制淡量下降。冷却水不足,蒸发器内真空度会降低,真空度降低又会造成制淡量下降。反之,温差过小,说明冷却水流量太。这会加大海水泵的功率,造成功率浪费。冷却水流量过大还会造成真空度升高,加剧海水沸腾,影响水质。可以通过调节相关阀门来控制冷却水流量温差太大则调大冷却水流量,使之达到规定范围,反之亦然。

  3 喷射泵

  喷射泵是靠高压工作流体流经喷嘴后产生的高速射流来引射被吸流体,与之进行动量交换,使被引射流体能量增加而被排送。在真空沸腾式海水淡化装置中喷射泵用来排盐水和抽真空,它的正常工作与否对于海水淡化装置十分重要。对于喷射泵来说工作流体压力PP和背压dp十分关键,PP太低则喷射器的相对压差h会增加,引射系数μ减小,引射流量会减小,这样会降低喷射泵的抽真空能力和排盐水能力。造成蒸发器内真空度偏高,海水沸点提高,减少造水量。由于蒸发器内盐水温度提高,水垢生成会加速,水垢降低了传热效率,进一步减少造水量。浓盐水不能及时排出则会提高水位,减少汽水分离高度,增加二次蒸汽含盐量,降低水质。若pp太高,引射系数达到临界值后,喷射器效率反而降低,也不利于喷射器抽真空和排盐水,造成上述同样的结果。

  4 盐度计

  盐度计起控制淡水含盐量的作用,当淡水含盐量超标,它会报警,并开启电磁回流阀,将不合格的淡水排出舷外。例如盐度计控制含盐量为≤10PPM ,若盐度计调试值高于10PPM时,淡水含盐量超标时,盐度计会动作,淡水不排入淡水柜,排往舷外。不合格的淡水会对锅炉起腐蚀作用,对人员引用也不利。若盐度计调试值太低,则会经常误动作,排走大量合格淡水,造成制淡量不足。所以要经常检查盐度计调试值?保证其准确无误。另外?盐度计的电路也要检查?保证其能够正常工作。

  参数对于海水淡化装置的影响

  真空沸腾式海水淡化装置目前仍然是船舶最常用的海水淡化装置之一,但是其在使用过程中由于操作管理不当或者设备本身因素总是会出现各种故障问题。产水量不足、淡水含盐量超标和结垢是最常见也是最严重的三大问题,这三类问题往往是因为参数设定不合适所致,故研究工作参数对于真空沸腾式海水淡化装置的影响,设置合适的参数十分必要。

  产水量不足参数研究

  产水量实际上遵循的就是热量守恒,从上面的热力计算及图表我们可以看出产水量与加热水温度、加热水流量、蒸发压力、受热面、传热系数、冷凝水温度和流量有关。产水量与加热水温度之间的关系,即保持足够的冷凝能力且其他条件不变,加热水温度越高,产水量越大。产水量与加热水流量的关系,即保持足够的冷凝能力且其他条件不变时,加热水流量越大产水量越大。产水量与蒸发压力之间的关系,即产水量随着蒸发压力的升高而降低,这是因为蒸发压力升高则海水沸点升高?单位质量的海水蒸发成蒸汽所需要的热量增多,在加热水提供热量固定的前提下,生成的蒸汽便减少。产水量与海水温度的关系,即随着海水温度的升高,产水量降低。因为海水温度升高则冷凝能力下降,以在冷却水流量固定时会导致蒸汽不能全部被冷凝成淡水。此外蒸发器结垢、管路保温不良、给水量过大、也会造成产水量不足。

  总结与展望

  总结

  淡水是船舶设备和船舶人员必须的重要资源,续而可靠的淡水供应无论对于普通商船还是舰船都是保证其远航的必备条件。海水淡化装置的工作性能受到其工作参数的影响,括蒸发压力、蒸发温度、加热水流量、加热水温度、排泄系数等。从制淡量的角度来考虑,们希望尽量降低蒸发压力、提高加热水温度,大加热水流量,是从控制淡水含盐量的角度来说又要把上述参数控制在一个合适的范围。各参数对于海水淡化装置的工作影响要综合考虑,为管理者要按照说明书的技术参数来调整,常检查易出误差的参数,出现故障时按照其影响因素去分析相关参数设置值是否合适,出故障原因,除问题。

  展望

  蒸馏式海水淡化装置由于其成熟的技术、节能等优势仍会保持其在船上的主导地位,是其技术要进一步提高。结垢导致传热效率低,响产水量,发压力不稳定,空度不稳定,致淡水含盐量超标,水量不稳定。这两大问题普遍存在,此我们要想提高蒸馏式海水淡化装置的使用性能就必须解决结垢和蒸发压力不稳定。真空度不稳定问在未来的研究中可以加强对于新型材料的研究,结垢,提高热利用率。蒸发压力不稳定?真空度不稳定,主要是由于冷凝器的冷凝能力与蒸发器的蒸发能力不匹配,因此建立一套智能的自动检测反馈系统,用于检测蒸发压力,当蒸发压力不稳定时该系统自动调整加热水流量或者冷凝水流量,使冷凝能力与蒸发能力相匹配,维持蒸发压力,真空度,在一个最佳范围内。莱特莱德技术人员认为未来的船舶上,这些问题肯定能够得到解决,蒸馏式海水淡化装置一定能够继续为船舶远航提供有力保障

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