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萊特萊德船舶海水淡化裝置工作過程參數研究

2012-10-22

  海水淡化裝置是船舶重要的輔機設備,通過控制工作參數,保證其良好的運行對萊特萊德船舶海水淡化裝置制造有重要意義。該文章從真空沸騰式海水淡化裝置著手,運用理論分析的方法,討論了主要工作參數對裝置工作性能的影響,特別探討了影響裝置淡水制造量的相關因素,提出了工作中應該注意的有關問題。針對海水淡化裝置實際系統安裝存在的問題,進行了充分的分析研討,提出了改進意見,共同行參考。

  船舶海水淡化裝置原理簡述

  目前船用海水淡化裝置主要有單效蒸餾,多效蒸餾,多級閃發,壓氣式,電滲析法,反滲透法。

  蒸餾法在上世紀40年代就應用在船舶上,歷史較久,技術較成熟,使用普遍。

  電滲析能耗較高,已經較少使用。

  反滲透法從上世紀70年代才逐漸投入使用,由于其優越的性能以及高昂的價格,主要用于軍艦。

  蒸餾法

  1 單效蒸餾

  單效蒸餾是利用熱蒸汽在蒸發器內加熱海水,使其沸騰,蒸發產生蒸汽,再經冷凝器冷凝制得淡水。工作原理如圖1所示

單效蒸餾.jpg

 

 

  2 多效蒸餾

  多效蒸餾是將兩個或者以上的蒸餾器串聯起來,多效利用蒸汽潛熱來制取淡水,提高能量利用率;驹硎乔耙恍У恼羝ㄟ^下一蒸餾器對海水加熱,二次蒸汽的潛熱得到利用,蒸汽冷凝成淡水海水蒸發成蒸汽,進入下一個循環。裝置原理如圖2所示

  

多效蒸餾.jpg

 

  3 多級閃發

  閃發式海水淡化是將加熱的海水減壓噴灑到高真空度的蒸發器內,海水溫度高于蒸發器內壓力所對應的飽和溫度,部分海水迅速汽化,產生蒸汽,再經冷凝器冷凝得到淡水。多級閃發是在閃發的原理上,將多個蒸發室串聯,海水依次通過壓力逐級降低的蒸發室,汽化產生蒸汽,再冷凝制得淡水。其裝置原理如圖3所示?

  

多級閃發.jpg

 

  4 機械壓氣式

  蒸汽從蒸發器出來后經過壓氣機壓縮溫度和壓力增高,然后在通過蒸發器,利用了二次蒸汽的潛熱,可以產生更多的蒸汽。工作原理如圖4所示

  

機械壓氣式.jpg

 

  5 熱力壓氣式

  工作(高壓)蒸汽與二次蒸汽經熱力壓氣機壓縮混合后再通入到蒸發器中,作為加熱熱源蒸發海水。工作原理如圖5所示

  

熱力壓氣式.jpg

 

  6 熱泵式

  制冷劑經熱泵系統后溫度升高作為熱源,在封閉式熱交換器中對海水加熱,加熱后的海水經噴咀噴入蒸發器,汽化產生蒸汽。制冷劑經熱交換器后進入冷凝器,吸熱變成氣態,進入下一個循環。工作原理如圖6所示

  

熱泵式.jpg

 

  膜法海水淡化

  1 反滲透技術

  當兩種不同濃度的溶液被半透膜隔開時,溶劑會自動的從稀溶液側通過半透膜滲透到濃溶液側,直至濃溶液側高出稀溶液側一段高度,達到平衡,這叫做滲透。反滲透正是利用了這樣的原理,在濃溶液側施加一高于滲透壓的壓力,迫使水從濃溶液側向稀溶液側移動。反滲透技術用于海水淡化時,在海水側濃溶液?施加壓力,水會透過滲透膜向淡水側稀溶液移動實現海水淡化。反滲透原理如圖7所示

  

反滲透技術.jpg

 

  2 電滲析技術

  電滲析海水淡化裝置工作原理是離子交換膜在直流電的作用下對溶液中的陰陽離子進行選擇性通過,陽離子只能通過陽膜,陰離子只能通過陰膜。濃、淡室由隔板和陰陽離子膜組成,在直流電的作用下,淡室的陰陽離子分別移向兩側的濃淡室,使淡室溶液更淡,濃室更濃,直到淡室水達到使用要求。其工作原理如圖8所示

  

電滲析技術.jpg

 

  工作性能分析

  1 蒸餾法

  蒸餾裝置由于蒸發器加熱盤管一直沉浸在海水中,溫度較高,容易結垢,降低熱傳遞效率,所以需要定期清洗,維護管理較為復雜。單效蒸餾裝置的二次蒸汽包含大量的熱能沒有得到利用,產水比較多效蒸餾低僅有0.95左右。利用低品位熱水加熱,適用于小能量設備。但是單效蒸餾相比于其他海水淡化裝置具有設備尺寸小,造價低的優勢。多效蒸餾相比于單效蒸餾大大提高了能量利用率,因為其使得二次蒸汽所含的大量冷凝潛熱得到利用。雙效蒸餾的產水比能夠達到1.75左右,三效蒸餾能夠達到2.50 。多效蒸餾的經濟性雖然得到很大的提高,但是設備龐大笨重,制造成本大,維護管理也較復雜。船用多效蒸餾一般不超過三效應,對于蒸汽動力的船舶,如大型客輪和軍艦,為減少消耗于淡化裝置的蒸汽,以提高動力裝置的經濟性,經常使用多效蒸餾。一般貨船多采用單效裝置和雙效裝置。多級閃發裝置閃發室內沒有加熱盤管可以有效解決結垢問題,這消除了其他蒸發器的結垢缺陷。多級閃發還具有工作可靠,操作方便的優勢。在船舶搖晃時無液面傾潑,消除了由于真空度變化、飛濺和輸入熱量不穩定造成的劇烈沸騰,產水量和水質都較穩定。但是多級閃發設備比較龐大,一次性投入費用多,所需循環鹽水量最大,所以操作費用較高。與多效蒸餾相比,需要更大的傳熱面積。適用于大型海水淡化裝置,一般船用采用兩級,多的采用四到五級。對多級閃發裝置能量利用進行了詳細的研究分析,并對原裝置提出了改進,提高經濟效應。

  熱泵式海水淡化技術是一種新型的海水淡化技術,與熱力蒸汽壓縮法相似,但是其與傳統的熱力蒸汽壓縮法相比,該系統采用閉式循環,循環工質與蒸汽是分離的,通過優化設計,可以實現排放的熱量最小化?達到節能保護環境的目的。

  2膜法海水淡化

  反滲透海水淡化過程無相變,節能性能高,設備簡單,結垢緊湊,占地面積小,操作方便,易于控制,產水效率高。但是反滲透海水淡化由于膜對于水質要求較高,所以其對于海水預處理要求高,膜易受到污染影響水質,所以要定期更換。電滲析海水淡化技術具有以下優點,設備簡單,操作方便,使用化學藥劑少,污染少。設備規模和脫鹽濃度適用范圍大。但是其耗電量太大,對于非電解質的物質不能處理,所以使用現在較少。

  3 小結

  蒸餾式可以利用船舶動力裝置的廢水、廢氣、廢熱,能耗較低。但是操作較復雜,產水量與水質不穩定。反滲透法能耗相對較低,操作簡單,是目前艦船使用的主要形式。此外,船用蒸餾式海水淡化工作狀態受到主機運行狀態的影響,當船舶?看a頭主機停止工作時,無法滿足制淡要求。而膜法則不受主機工作狀態的影響,只要有點,可以隨時造水。

  真空沸騰式海水淡化裝置

  1 工作原理

  真空沸騰式海水淡化技術是蒸餾式的一種,它是在一定真空度的蒸發器中加熱海水,由于壓力降低,海水沸點降低,可以利用主機缸套冷卻水為熱源,海水沸騰,產生蒸汽,經汽液分離器后進入冷凝器,冷凝成淡水。裝置流程圖如圖9所示

  

裝置流程圖.jpg

 

  工作過程,如上圖所示,加熱水,主機缸套冷卻水,經管路13進入蒸發器,蒸發器內保持一定的真空度?海水沸點較低,經加熱沸騰,產生蒸汽。蒸汽向上通過汽水分離器后進入冷凝器,舷外海水經管路14進入冷凝器對蒸汽進行冷凝,產生淡水,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為給水通入蒸發器,大部分排出舷外。排鹽泵10用來排出蒸發器內的高濃度鹽水,防止鹽水水位過高,影響汽水分離效果,導致蒸汽含鹽量增加。真空泵9用來抽出蒸發器內的部分空氣,保持其適當的真空度。真空調節閥2用來調節真空度,當真空度太高時可以適當打開,減低真空度。鹽度計12用來檢驗淡水含鹽量,當不符合要求時,它會動作,啟閉相關閥門,防止劣質淡水進入淡水柜。

  2 主要部件

  

主要部件.jpg

 

  1 蒸發器

  蒸發器是真空沸騰式海水淡化裝置的心臟,海水在蒸發器內被加熱、沸騰、產生蒸汽。如圖10所示為殼管式換熱器,主機缸套冷卻水從管路7進入蒸發器,經豎直管由下往上流過蒸發器,對管外的海水加熱,由于蒸發器內有較高的真空度,所以海水沸點較低,海水沸騰,產生蒸汽。蒸發器內的真空度要維持在適當的范圍,真空度太高則會沸騰過于劇烈,二次蒸汽攜帶鹽水珠增加,影響水質。真空度太低則蒸發溫度高影響產水量,且會加速蒸發器結垢,F在普遍采用板式換熱器,傳熱系數更高,結垢緊湊,清洗更方便。

  2 冷凝器

  冷凝器位于蒸發器的上部,蒸汽從蒸發器出來后,經過汽水分離器3,除去蒸汽中攜帶的鹽水珠,進入冷凝器。冷凝海水由管路5通入冷凝器,至上往下流出,對管外的蒸汽冷凝,得到淡水。淡水經管路12排出淡化裝置,經電鹽度計檢測合格后送入淡水柜。冷卻海水出冷凝器后大部分經管路6直接排至舷外,小部分經管路9作為補給水通入蒸發器,使得二次蒸汽的潛熱得到利用,提高產水率。冷卻水進出冷凝器的溫差要控制在合適范圍,太高太低都會對造水機制淡水工作造成不利影響。因為冷卻水進出冷凝器的溫差可以反應出冷卻水流量,溫差過大說明冷卻水流量不足,則冷凝器的冷凝能力就不能與蒸發器的蒸發能力相匹配。二次蒸汽不能全部被冷凝成淡水,制淡量下降。冷卻水不足,蒸發器內真空度會降低,真空度降低又會造成制淡量下降。反之,溫差過小,說明冷卻水流量太。這會加大海水泵的功率,造成功率浪費。冷卻水流量過大還會造成真空度升高,加劇海水沸騰,影響水質?梢酝ㄟ^調節相關閥門來控制冷卻水流量溫差太大則調大冷卻水流量,使之達到規定范圍,反之亦然。

  3 噴射泵

  噴射泵是靠高壓工作流體流經噴嘴后產生的高速射流來引射被吸流體,與之進行動量交換,使被引射流體能量增加而被排送。在真空沸騰式海水淡化裝置中噴射泵用來排鹽水和抽真空,它的正常工作與否對于海水淡化裝置十分重要。對于噴射泵來說工作流體壓力PP和背壓dp十分關鍵,PP太低則噴射器的相對壓差h會增加,引射系數μ減小,引射流量會減小,這樣會降低噴射泵的抽真空能力和排鹽水能力。造成蒸發器內真空度偏高,海水沸點提高,減少造水量。由于蒸發器內鹽水溫度提高,水垢生成會加速,水垢降低了傳熱效率,進一步減少造水量。濃鹽水不能及時排出則會提高水位,減少汽水分離高度,增加二次蒸汽含鹽量,降低水質。若pp太高,引射系數達到臨界值后,噴射器效率反而降低,也不利于噴射器抽真空和排鹽水,造成上述同樣的結果。

  4 鹽度計

  鹽度計起控制淡水含鹽量的作用,當淡水含鹽量超標,它會報警,并開啟電磁回流閥,將不合格的淡水排出舷外。例如鹽度計控制含鹽量為≤10PPM ,若鹽度計調試值高于10PPM時,淡水含鹽量超標時,鹽度計會動作,淡水不排入淡水柜,排往舷外。不合格的淡水會對鍋爐起腐蝕作用,對人員引用也不利。若鹽度計調試值太低,則會經常誤動作,排走大量合格淡水,造成制淡量不足。所以要經常檢查鹽度計調試值?保證其準確無誤。另外?鹽度計的電路也要檢查?保證其能夠正常工作。

  參數對于海水淡化裝置的影響

  真空沸騰式海水淡化裝置目前仍然是船舶最常用的海水淡化裝置之一,但是其在使用過程中由于操作管理不當或者設備本身因素總是會出現各種故障問題。產水量不足、淡水含鹽量超標和結垢是最常見也是最嚴重的三大問題,這三類問題往往是因為參數設定不合適所致,故研究工作參數對于真空沸騰式海水淡化裝置的影響,設置合適的參數十分必要。

  產水量不足參數研究

  產水量實際上遵循的就是熱量守恒,從上面的熱力計算及圖表我們可以看出產水量與加熱水溫度、加熱水流量、蒸發壓力、受熱面、傳熱系數、冷凝水溫度和流量有關。產水量與加熱水溫度之間的關系,即保持足夠的冷凝能力且其他條件不變,加熱水溫度越高,產水量越大。產水量與加熱水流量的關系,即保持足夠的冷凝能力且其他條件不變時,加熱水流量越大產水量越大。產水量與蒸發壓力之間的關系,即產水量隨著蒸發壓力的升高而降低,這是因為蒸發壓力升高則海水沸點升高?單位質量的海水蒸發成蒸汽所需要的熱量增多,在加熱水提供熱量固定的前提下,生成的蒸汽便減少。產水量與海水溫度的關系,即隨著海水溫度的升高,產水量降低。因為海水溫度升高則冷凝能力下降,以在冷卻水流量固定時會導致蒸汽不能全部被冷凝成淡水。此外蒸發器結垢、管路保溫不良、給水量過大、也會造成產水量不足。

  總結與展望

  總結

  淡水是船舶設備和船舶人員必須的重要資源,續而可靠的淡水供應無論對于普通商船還是艦船都是保證其遠航的必備條件。海水淡化裝置的工作性能受到其工作參數的影響,括蒸發壓力、蒸發溫度、加熱水流量、加熱水溫度、排泄系數等。從制淡量的角度來考慮,們希望盡量降低蒸發壓力、提高加熱水溫度,大加熱水流量,是從控制淡水含鹽量的角度來說又要把上述參數控制在一個合適的范圍。各參數對于海水淡化裝置的工作影響要綜合考慮,為管理者要按照說明書的技術參數來調整,常檢查易出誤差的參數,出現故障時按照其影響因素去分析相關參數設置值是否合適,出故障原因,除問題。

  展望

  蒸餾式海水淡化裝置由于其成熟的技術、節能等優勢仍會保持其在船上的主導地位,是其技術要進一步提高。結垢導致傳熱效率低,響產水量,發壓力不穩定,空度不穩定,致淡水含鹽量超標,水量不穩定。這兩大問題普遍存在,此我們要想提高蒸餾式海水淡化裝置的使用性能就必須解決結垢和蒸發壓力不穩定。真空度不穩定問在未來的研究中可以加強對于新型材料的研究,結垢,提高熱利用率。蒸發壓力不穩定?真空度不穩定,主要是由于冷凝器的冷凝能力與蒸發器的蒸發能力不匹配,因此建立一套智能的自動檢測反饋系統,用于檢測蒸發壓力,當蒸發壓力不穩定時該系統自動調整加熱水流量或者冷凝水流量,使冷凝能力與蒸發能力相匹配,維持蒸發壓力,真空度,在一個最佳范圍內。萊特萊德技術人員認為未來的船舶上,這些問題肯定能夠得到解決,蒸餾式海水淡化裝置一定能夠繼續為船舶遠航提供有力保障

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