竖管多效蒸发海水淡化系统的启动特性

　第56卷　第6期 化 工 学 报 Vol156　No16

　2005年6月 Journal　of　Chemical　Industry　and　Engineering　(China) June　2005

研究论文竖管多效蒸发海水淡化系统的启动特性

杜小泽1,吴少融2(1华北电力大学动力工程系暨电站设备状态监测与控制教育部重点实验室,北京102206

;

2清华大学核能与新能源技术研究院,北京100084)

摘要:建立大型竖管多效蒸发海水淡化系统的动态启动控制模型,通过数值分析研究,对系统的启动过程和启动特性进行理论探索.分析了初始原料海水流量以及最高饱和温度等运行参数的选择对系统启动过程的影响.

研究了启动阶段,原料海水流量与系统的造水比以及启动时间之间的耦合影响;计算结果为原料海水流量的优化提供了依据.研究还表明,在启动之初,系统即可稳定地承担作为热源的低温核供热堆的额定产热量,显示该系统和核供热堆具有良好的耦合特性.建立的启动模型在经过实验验证加以完善之后,可以作为分析系统动态运行特性的理论基础.

关键词:海水淡化;多效蒸发;启动特性中图分类号:TK124 文献标识码:A文章编号:0438-1157(2005)06-1097-05

StartupcharacteristicsofVTE2MEDseawaterdesalinationsystem

DUXiaoze1,WUShaorong2(1KeyLaboratoryofConditionMonitoringandControlforPowerPlantEquipmentofMOE,

DepartmentofPowerEngineering,NorthChinaElectricPowerUniversity,Beijing102206,China;2InstituteofNuclearandNewEnergyTechnology,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China)

Abstract:Thecontrolmodelfordynamicstartupprocessoftheverticaltubeevaporator(VTE)2multi2effectdistillation(MED)seawaterdesalinationsystemwasestablishedbyusingadevelopedcodebasedonthenon2lineardifferentialequationsforsystemdesignandperformanceanalysis.Theoreticalinvestigationofthestartupcharacteristicswasconductedwiththenumericalmethod.Theinfluenceoftheoperatingparameters,suchasinitialfeedbrineflowrateandtopbrinetemperature,onthestartupprocesswasanalyzed1Thecouplingeffectoffeedbrineflowrate,GORandstartuptimewerealsoinvestigatedastheevidencetodetermineoptimalinitialfeedbrineflowrate1Theresultsalsoindicatedthatthesystemcouldconsumethetotalratedheatgeneratedbythelowtemperaturenuclearheatingreactor(LT2NHR)evenatthemostinitialstartupstage,implyingthatthepresentdesalinationsystemdemonstratedexcellentcouplingcharacteristicswiththeLT2NHR1Withnecessaryexperimentalverification,thestartupcontrolmodeldevelopedinthispapercouldbethetheoreticalbasisfortheanalysisofdynamicperformancesofseawaterdesalinationsystem.

Keywords:seawaterdesalination;multi2effectdistillation;startupcharacteristics

2004-04-12收到初稿,2004-08-18收到修改稿.联系人及第一作者:杜小泽(1970—),男,博士,教授.　引　言环境、能源和水资源是21世纪人类面临的三大严峻考验[1].利用核能进行海水淡化,可以同时实现开辟新的淡水资源、缓解能源短缺和环境保护 Receiveddate:2004-04-12.

Correspondingauthor:Prof.DUXiaoze.E-mail:duxz@ncepubj1edu1cn　

的目的.因此,国际原子能机构(IAEA)将核能海水淡化列为拓展核能应用领域的重点支持技术[2].塔式布置的竖管多效蒸发技术(VTE2

MED)与低温核供热堆的耦合已经被确证是最具

发展前景和竞争力的海水淡化厂设计方案[3～5].在

前期研究中,作者对大型核供热堆竖管多效蒸发海水淡化系统的优化设计、静态和变工况热工水力学运行特性等进行了分析[6～8].在此基础上,本文进

一步研究系统的瞬态行为,以便对系统的安全、优化、经济运行有更加全面深入的了解.

对多效蒸发海水淡化系统的动态运行特性的分析已有一些报道,包括采用模型化方法或实验研究方法研究系统的启停、负荷变化等[9～11].但这些

模型大多将每一效看作一个节点,不能详细给出效内性能的具体变化情况,或者假设各效传热系数线性变化,以简化控制方程组.本文基于系统设计和性能分析的非线性微分方程组[6],考虑物性参数随

温度和盐水浓度的变化以及系统本身预热对热量的消耗,建立系统的动态启动控制模型,探讨系统启动时原料海水流量的优化控制方案,为实现对系统的优化高效运行进行精准化控制奠定基础.

1　控制模型针对文献[6,7]讨论的竖管多效蒸发海水淡化系统进行分析,相关设计和运行参数以及系统的流程图见文献[7].如图1所示,控制模型以原料海水流量作为控制的过程参数,以启动过程最短且淡水产量最高为目标参量,以各效海水温度作为反馈.

Fig11　Controlmodelforsystemstartup

假设:(1)与系统匹配作为热源的低温核供热

堆工作在额定设计功率下;(2)系统启动之前处于真空状态,进入系统内的原料海水温度即为当前海水的饱和温度;(3)考虑系统换热器材料的预热对热源蒸汽的消耗.

从第i效预热器到第i效蒸发器,运行时间可以根据当地原料海水流量及其在预热器、蒸发器中的管程计算

τi=∑ik=1leva4MB,iNeva,iπ[d2eva,i-(deva,i-2δB,i)]2ρB,i+

∑ik=1lpre4MB,1Npre,iπd2preρB(1)

对应每个给定的控制流量和温度条件,系统在上述时间τi完成能量和质量的传递.

111　初始原料海水流量的选择系统开始启动后,已知核供热堆提供温度为Tv0的源蒸汽流量为Mv0,第1效预热器进口处的

原料海水流量温度为Tpre,2.系统启动之初,

Tpre,2=TB,in0,即取入海水温度.选择原料海水流

量,首先应满足在第1效预热器内海水温度从TB,in0

上升至设定的系统最高饱和温度(TBT),即

TB,1=TBT.

对应第一个控制流量,认为系统预热器本身的温度从Tini=TB,in0上升至Tpre,T=(Tpre,2+T

B,1

)/2

(在下次循环中,该温度即当前预热器材料的初始

温度T

ini

);蒸发器温度从TB,in0上升至TB,1,则为

预热系统消耗的源蒸汽流量Mv,a1为Mv,a1=[mpre,1cp,T(Tpre,T-Tini)+mevacp,T(TB,1-TB,in0]τ1/

γ

(2)式中　mpre和meva分别为第1效预热器和蒸发器的质量;cp,T为换热管比热容;γ为蒸汽的凝结潜热;

τ1为当前原料海水流量的控制时间.

设原料海水流量为MB,则预热器内为预热海水消耗的源蒸汽流量为Mv,pre1=MBcp,B(TB,1-TB,in0

)/γ(3)

利用文献[7]的蒸发器模型,可以得到第1

效蒸发器内的海水蒸发率,以及消耗的热源蒸汽流量Mv,eva1,并满足Mv,eva1+Mv,pre1+Mv,a1≤Mv0

(4)

以干度x表示蒸汽量在整个海水侧流量中的比例.海水蒸发率连同效间闪蒸量造成的干度应该是原料海水流量的函数,x=f(M

B

):海水流量越

大,第一效预热器消耗的蒸汽增加,减少了用作蒸发热源的蒸汽量,降低第一效海水的蒸发率;但效间闪蒸增加.综合考虑上述两方面的影响,应存在最佳初始原料海水流量.将蒸汽产率对原料海水流量取极值dx

dM

B

=0(5)

即可得到对应第1效最大产汽量的最佳原料海水流量.

112　其他各效的控制模型对任意一效i,上效的产出蒸汽Mv,i-1首先用于预热流经该效的原料海水.设该效预热器出口海

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