化工学报 ›› 2022, Vol. 73 ›› Issue (12): 5469-5482.DOI: 10.11949/0438-1157.20221212
收稿日期:
2022-09-05
修回日期:
2022-11-04
出版日期:
2022-12-05
发布日期:
2023-01-17
通讯作者:
罗雄麟
作者简介:
王德宏(1998—),男,硕士研究生,wang793108741@163.com
基金资助:
Dehong WANG(), Lin SUN, Xionglin LUO()
Received:
2022-09-05
Revised:
2022-11-04
Online:
2022-12-05
Published:
2023-01-17
Contact:
Xionglin LUO
摘要:
多效蒸发海水淡化技术作为现阶段主流的海水淡化方法,在实际生产过程中工艺设计者都会对蒸发器换热面积进行冗余设计以应对系统的结垢和安全问题。在追求蒸发器冗余换热面积的利用率时,通常会伴随裕量内耗现象。与此同时,常规方法在研究的过程中并未发挥二次蒸汽阀的操作性能,系统的抗干扰能力较差。经过深入探究多效海水淡化系统的温度特性后,发现二次蒸汽阀的全周期操作既能够提高换热面积的利用率和系统的运行效益,又可以避免裕量内耗问题的发生。由此提出蒸发传热温差的全周期渐变优化方法,该方法不仅将运行效益加入系统的裕量缓释优化模型,而且对二次蒸汽阀的控制作用和全周期操作特性加以考虑,形成对系统换热面积的有效监控。最后,以8效海水淡化装置为例,对蒸发传热温差全周期渐变优化方法进行验证。结果表明,该方法能够兼顾系统运行的长短期目标,同时能够增强系统在全周期运行过程中的调控能力,降低各效蒸发器之间的耦合关系,减少裕量内耗的发生和外来驱动蒸汽的消耗,实现慢时变系统的裕量缓释。
中图分类号:
王德宏, 孙琳, 罗雄麟. 海水淡化系统多效蒸发传热温差全周期渐变优化分析[J]. 化工学报, 2022, 73(12): 5469-5482.
Dehong WANG, Lin SUN, Xionglin LUO. Full-cycle slow-lift limited optimization analysis of multi-effect distillation heat transfer temperature difference in seawater desalination system[J]. CIESC Journal, 2022, 73(12): 5469-5482.
效序数 | 换热面积设计值 |
---|---|
1 | 3763.76 |
2 | 3636.11 |
3 | 3478.54 |
4 | 3281.99 |
5 | 3047.60 |
6 | 2775.37 |
7 | 2465.31 |
8 | 2116.27 |
表1 8效海水淡化装置换热面积设计值
Table 1 Design value of heat exchange area of eight-effect seawater desalination plant
效序数 | 换热面积设计值 |
---|---|
1 | 3763.76 |
2 | 3636.11 |
3 | 3478.54 |
4 | 3281.99 |
5 | 3047.60 |
6 | 2775.37 |
7 | 2465.31 |
8 | 2116.27 |
设计参数 | 设计可调参数 | ||
---|---|---|---|
进料方式 | 平行-交叉 | 每效进料流量Ff(i)/(kg/s) | 31.59 |
海水温度/℃ | 30 | 加热温差ΔTh(i)/℃ | 3 |
海水含盐量/(g/kg) | 30 | TVC引射流量Fent/(kg/s) | 4.43 |
冷凝器出口温度/℃ | 35 | 外来驱动蒸汽流量Fmot/(kg/s) | 7.35 |
驱动蒸汽压力Pmot/kPa | 500 | 淡水产量Frated/(kg/s) | 75.81 |
驱动蒸汽温度Tmot/℃ | 151.8 | 造水比GOR | 10.31 |
运行周期/月 | 24 | 预热温升ΔTp(i)/℃ | 4 |
表2 8效海水淡化装置的特性
Table 2 Specifications of the MED-TVC system with eight-effect
设计参数 | 设计可调参数 | ||
---|---|---|---|
进料方式 | 平行-交叉 | 每效进料流量Ff(i)/(kg/s) | 31.59 |
海水温度/℃ | 30 | 加热温差ΔTh(i)/℃ | 3 |
海水含盐量/(g/kg) | 30 | TVC引射流量Fent/(kg/s) | 4.43 |
冷凝器出口温度/℃ | 35 | 外来驱动蒸汽流量Fmot/(kg/s) | 7.35 |
驱动蒸汽压力Pmot/kPa | 500 | 淡水产量Frated/(kg/s) | 75.81 |
驱动蒸汽温度Tmot/℃ | 151.8 | 造水比GOR | 10.31 |
运行周期/月 | 24 | 预热温升ΔTp(i)/℃ | 4 |
控制手段 | 控制变量 |
---|---|
进料分离器 | 进料流量Ff(i) |
二次蒸汽阀 | 蒸发器蒸发温度T(i)、加热温差ΔTh(i) |
预热蒸汽分离器 | 预热温升ΔTp(i) |
表3 单效操作变量
Table 3 Single effect operation variables
控制手段 | 控制变量 |
---|---|
进料分离器 | 进料流量Ff(i) |
二次蒸汽阀 | 蒸发器蒸发温度T(i)、加热温差ΔTh(i) |
预热蒸汽分离器 | 预热温升ΔTp(i) |
图4 单效和整体多角度分析加热温差对系统性能的影响情形1—ΔTh(i)=2.86℃; 情形2—ΔTh(i)=3.14℃; 情形3—ΔTh(i)=3.43℃
Fig.4 Single-effect and holistic multi-angle analysis of the effect of heating temperature differences on system performance
图6 以第2效为例研究二次蒸汽阀对蒸汽温度的影响A—第2效蒸发温度T2;B—二次蒸汽阀出口温度Tv2; C—第3效蒸汽温度T3
Fig.6 Taking the second effect as an example to study the effect of the secondary steam valve on the steam temperature
参数 | 效序数 | 全周期优化次数 | |||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | ||
蒸发温度T(i)/℃ | [65,67] | [61,63] | [58,60] | [54,56] | [51,53] | [47,49] | [43,45] | [40,41] | 12 |
预热温升∆Tp(i)/℃ | [ | 1 | |||||||
夹带蒸汽Fent/(kg/s) | [ | 12 | |||||||
总进料流量∑Ff(i)(i=1,…,8)/(kg/s) | [150,255] | 12 | |||||||
二次蒸汽阀温度损失 | [0,1.2] | 12 |
表4 优化变量、优化范围和优化手段
Table 4 optimization variables and optimization methods
参数 | 效序数 | 全周期优化次数 | |||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | ||
蒸发温度T(i)/℃ | [65,67] | [61,63] | [58,60] | [54,56] | [51,53] | [47,49] | [43,45] | [40,41] | 12 |
预热温升∆Tp(i)/℃ | [ | 1 | |||||||
夹带蒸汽Fent/(kg/s) | [ | 12 | |||||||
总进料流量∑Ff(i)(i=1,…,8)/(kg/s) | [150,255] | 12 | |||||||
二次蒸汽阀温度损失 | [0,1.2] | 12 |
变量 | 效序数 | |||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | |
预热蒸汽分离比ξ(i) | 0.98 | 0.96 | 0.94 | 0.91 | 0.89 | 0.85 | 0.81 | — |
蒸发压力P(i)/kPa | 27.34 | 23.92 | 20.86 | 18.15 | 15.74 | 13.61 | 11.73 | 10.07 |
有效换热面积 | 3002 | 2914.81 | 2789.21 | 2632.69 | 2445.77 | 2228.64 | 1981.19 | 1702.91 |
二次蒸汽产量Fs(i)/(kg/s) | 11.33 | 11.16 | 10.68 | 10.09 | 9.41 | 8.63 | 7.75 | 6.77 |
污垢热阻Rf(i)/(m2∙K/W) | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
表5 状态变量及其设计初值
Table 5 State variables and their initial design values
变量 | 效序数 | |||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | |
预热蒸汽分离比ξ(i) | 0.98 | 0.96 | 0.94 | 0.91 | 0.89 | 0.85 | 0.81 | — |
蒸发压力P(i)/kPa | 27.34 | 23.92 | 20.86 | 18.15 | 15.74 | 13.61 | 11.73 | 10.07 |
有效换热面积 | 3002 | 2914.81 | 2789.21 | 2632.69 | 2445.77 | 2228.64 | 1981.19 | 1702.91 |
二次蒸汽产量Fs(i)/(kg/s) | 11.33 | 11.16 | 10.68 | 10.09 | 9.41 | 8.63 | 7.75 | 6.77 |
污垢热阻Rf(i)/(m2∙K/W) | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
参数 | 设计 条件 | 常规裕量缓释优化方法 | 蒸发传热温差 全周期渐变优化方法 |
---|---|---|---|
外来驱动蒸汽Fmot/(kg/s) | 7.35 | [7.13,7.35] | [6.8,6.85] |
总蒸汽流量/(108 kg) | 4.64 | 4.55 | 4.30 |
造水比GOR | 10.31 | [10.31,10.62] | [11.07,11.15] |
二次蒸汽阀总温度损失 | 0 | 0 | 5.89 |
总加热温差 ΔTh(i)(i=1,…,7)/℃ | 21 | 21 | [19.10,24.82] |
表6 设计条件、常规优化、蒸发传热温差全周期渐变优化运行结果对比
Table 6 Comparison of operation results of design conditions, conventional optimization and temperature slow-lift limited optimization of full cycle evaporation heat transfer
参数 | 设计 条件 | 常规裕量缓释优化方法 | 蒸发传热温差 全周期渐变优化方法 |
---|---|---|---|
外来驱动蒸汽Fmot/(kg/s) | 7.35 | [7.13,7.35] | [6.8,6.85] |
总蒸汽流量/(108 kg) | 4.64 | 4.55 | 4.30 |
造水比GOR | 10.31 | [10.31,10.62] | [11.07,11.15] |
二次蒸汽阀总温度损失 | 0 | 0 | 5.89 |
总加热温差 ΔTh(i)(i=1,…,7)/℃ | 21 | 21 | [19.10,24.82] |
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