电水联产发展与研究

上海市机电设计研究院有限公司 孙慧丽

虽然我国拥有大量水资源，但是可以使用的淡水资源有限，尤其是之前过度浪费以及不合理使用等问题，更是造成了严重淡水资源危机。为更好应对淡水资源问题，行业内经过多年以来的努力，持续推出了现代化水资源处理工艺，像主要面对海水淡化的开源增量技术。通过长期调查发现，能够有效缓解日益严峻的淡水资源危机。从长远来看，正因为我国有着丰富的海水资源，这也决定了资源淡化行业必将走上可持续发展道路。

所谓的海水淡化，主要就是将存在于海水内的盐与水进行有效分离，又被行业人士称之为海水脱盐。从根本上来讲，伴随着海水淡化工作的持续进行，其间需要电能以及热能等能源结构支撑。而石油以及天然气等作为能源核心来源体，无形之中极大增加了不可再生资源利用率。

电水联产是指将发电和海水淡化进行有机整合的系统，也称双目工厂或者联合电水工厂。简而言之就是将海水淡化厂与发电厂共建，通过公用设施、电力、蒸汽等资源之间的优化配置及共享，达到系统能效和经济效益的最大化，实现发电和制水的双赢。

一、电水联产基本概念

涵盖海水淡化水与电力联产联供的电水联产，在海水淡化过程中，其中需要企业投入大量经济成本，其成本投入多少与电力等资源消耗以及成本之间存在着直接关系。通过发电厂蒸汽以及电力，能够促使海水淡化装置保持稳定运行状态，充分提高资源利用率，避免企业较大成本投入，这就是电水联产的重要意义。电水联产系统示意图见图1。

图1 电水联产系统示意图

海水淡化厂与发电厂之间的资源交换和耦合主要表现在以下三个方面：

1.水循环系统。发电厂和海水淡化厂共用海水取排水设施。海水可以先进入电厂冷却塔(或者直接进入淡化装置)，冷却塔排出具有一定温度的温排水，进入淡化装置；淡化装置排出的浓海水，与电厂排放海水共用排放设施排海。

2.电力系统。不管是蒸馏法淡化装置还是反渗透淡化装置，都需要流体输送设备，如取水泵、循环泵、高压泵等。电水联产系统可以利用价格较低的电厂未上网电为淡化装置供能，相比采用并网电能，可以节约运行成本。

3.蒸汽系统。对于蒸馏法淡化装置，电厂汽轮机做功后低品质的乏汽进入淡化装置用于制水，淡化装置的产水又可循环用作电厂锅炉及其他公用设施的补水。对于膜法淡化系统，特别是在北方的冬季，电厂的海水冷却水排水温升可达8～10℃。作为原料水，可保证RO系统的稳定运行。

二、电水联产系统介绍

电水联产系统可以分成两大部分，其一是发电系统，其二是淡化系统。

（一）发电系统

发电系统主要包括锅炉、汽轮机、发电机、凝汽器等设备。与常规发电系统相比，电水联产系统最大的区别在于其汽轮机与淡化系统之间的耦合。因此，本文重点对汽轮机进行介绍。

（1）汽轮机原理

分析汽轮机在运行时的工作原理。首先针对蒸汽热能，通过汽轮机能够使其变成机械功外燃回转式机械。当锅炉产生蒸汽进入到汽轮机内部以后，鉴于内部设置的一系列动叶等子装置，促使之前热能改变为汽轮机转子旋转的机械能。鉴于汽轮机内部的蒸汽，可以通过多样化形式实施能量调整，从而造成汽轮机不同工作原理现象。

（2）汽轮机主要形式

站在热力特性视角下，可以将汽轮机划分为凝汽式、背压式、抽凝式等几种。

①进入到汽轮机内部的蒸汽，经过自身膨胀做功作用以后，能够促使蒸汽到达凝汽器汽轮机，这就是凝气式汽轮机的工作机理。相比较大气压力来讲，此种类型的汽轮机设备，更有着较低排气压力。伴随着全部进入到凝汽器内部的排气，融合循环水冷却作用形成水，然后凝结水泵发出作用将内部水分进行排出，最终通过加热器加热以后，直接将处理好的水运输到锅炉内部。

通过以上分析可以看出，在汽轮机运行过程中，因为设置的凝汽器遭受冷却后能够促使排气凝结成水，导致排气相对体积减小，在之前有着大量蒸汽的封闭环境下会得到一个真空状态，直接决定汽轮机排气压力持续下降。而繁殖蒸汽理想焓降增加，保证装置有着良好热效率性能。工作人员可以借助抽气器工具，有效抽出设备内部非凝结气体。此气体类型主要就是空气，保证内部空间形成良好真空感。

②针对背压式汽轮机类型，相对于大气压力有着较小排气压力的汽轮机设备。排汽可用于供热或供给原有中、低压汽轮机，以代替老电厂的中、低压锅炉。行业人士称后者为前置试汽轮机，主要关系到原先电厂发电水平的同时，更是维持其热经济性的重要保证。根据不同的供热目标，此种类型的汽轮机排气压力可以灵活设置。

③分析抽凝式汽轮机类型，主要就是抽出设备内部含有的少量蒸汽，将其提供给用户的同时，也就是既有发电又能够同时供热的设备类型。以用户不同需求为主，可以划分为一次或者是二次调节抽气式类型。

综上，可以看出凝汽式汽轮机蒸汽循环过程封闭，且末端排汽温度和压力较低，不适合用于电水联产系统。背压式汽轮机排汽温度和压力较高，可以与淡化装置结合，将淡化装置作为凝汽器。但电水联产方式对淡化装置和汽轮机之间的匹配有较高要求，而且淡化装置的运行负荷直接会影响到汽轮机发电效率，调节性较差，比较适合用电和用水都非常稳定、波动小的场合。抽凝式汽轮机可以抽取不同品质的蒸汽，与淡化装置的结合较为灵活，可以根据淡化装置的规模、负荷运行变化进行调节。发电系统可不依赖淡化装置的运行而稳定发电，比较适合用水波动较大的场合。

（二）淡化系统

电水联产具有规模效益，因此用于电水联产的海水淡化都是主流的淡化工艺和装备，主要有多级闪蒸、低温多效蒸馏等。除了发电系统和淡化系统之间接口以外，用于电水联产的淡化系统与常规淡化系统没有本质区别。下面对主要淡化方法做简单介绍。

（1）多级闪蒸海水淡化

在多级闪蒸海水淡化处理过程中，就是持续对海水进行加热，达到规定温度数值以后进入到闪蒸室。此环境内相对有着较小压力，能够促使海水处于快速汽化状态，而且在经过接下来的冷凝便能够得到淡水资源。而像其中有着较低温度的海水，会流向不同的闪蒸室，保持蒸发与降温持续流程。鉴于内部设置的大量闪蒸室，能够有效连接以后得到相对较低数值的内部压力，直接影响海水温度不断下降，最终便能够得到淡化水，这就是多级闪蒸海水淡化处理流程。

（2）低温多效蒸馏海水淡化

在海水淡化处理过程中，工作人员全面把控好盐水的蒸发温度，要求全程维持在70℃范围的低温多效蒸馏海水淡化工艺。其特征是将一系列的水平管降膜蒸发器或垂直管降膜蒸发器串联起来并被分成若干效组，然后整合相对量的蒸汽输入。通过多次的蒸发和冷凝，从而得到多倍于加热蒸汽量的蒸馏水的海水淡化技术。

（三）电水联产典型工艺

广义上，电水联产的应用模式可分为以下三大类：

一是电厂+蒸馏淡化；

二是电厂+反渗透淡化；

三是电厂+蒸馏淡化+反渗透淡化。

（1）电厂+蒸馏淡化

这种模式是最传统也是应用最多的电水联产方式。电厂为蒸馏淡化装置提供蒸汽，淡化装置产水又部分作为电厂锅炉补水及生产用水。这里的蒸馏淡化早期以多级闪蒸装置为主，近年来低温多效蒸馏有后来居上之势。

（2）电厂+反渗透淡化

随着反渗透技术的成熟，投资成本和吨水能耗的不断降低，将反渗透淡化装置与电厂共建也成为一种发展趋势。特别是对于已有电厂来说，这种方式可以不用对汽轮机进行任何改造，淡化单元与发电单元相对独立，调节更简单。用电高峰时，尽可能多地输出电力；用电低谷时，可利用廉价的电力制水，降低制水成本。

（3）电厂+蒸馏淡化+反渗透淡化

这种模式是对前两种模式的整合。通过蒸馏淡化和反渗透淡化单元的整合，结合了蒸馏淡化稳定产水和反渗透淡化，可根据电力调峰需要来调节产水量的特点，实现电水联产系统电力和淡水的可调节供应，灵活应对不同季节、不同时段的需求。

（四）电水比

电水比，是指对于一个电水联产项目、发电能力与产水能力的比值。对于由“火电厂+蒸馏海水淡化厂”方式的电水联产项目，其电水比主要由热法淡化装置的造水比决定。

一般情况下，多级闪蒸和多效蒸馏海水淡化装置的造水比为8～9，蒸汽热压缩多效蒸馏海水淡化装置的造水比相对偏高，通常可达到12或更高。对于联合循环发电机组，其电水比通常为17～23；对于锅炉-背压机发电机组，其电水比为2～4。其他类型机组的电水比通常介于两者之间。

对于电水联产项目，其主要需求为电力，可优先选用联合循环发电机组。如果主要需求为淡水，可优先选择锅炉-背压机发电机组。

上述结论不适用于反渗透海水淡化厂。反渗透技术的能源需求与蒸馏技术不同，只需要使用电能，基本不需要消耗蒸汽。

三、电水联产优缺点

（一）电水联产的优点

电水联产系统通过将发电系统和淡化系统结合，实现了系统间热量的高效传递和利用。淡化装置能充分利用发电系统产生的余热来制水，发电装置又可用淡化装置产水进行补水。电水联产系统实现了电力和淡水的联产、联供，是降低海水淡化水成本的重要途径。具体表现如下：

①在建设电水联产系统过程中，企业可以一同实施电厂海水冷却水缺水等项目建设，避免重复投入建设成本问题出现。

②在电水联产设备运行时，其中排水口可以是电厂冷却水排水工程的排水口，体现出资源节约优势的同时，一定程度上也能够减少对海洋环境的破坏。

③蒸馏淡化装置可作为汽轮机的凝汽器，既节约了发电系统投资，又提高了系统的整体热效率。

（二）电水联产的缺点

电水联产系统的优势明显，但也有一定的局限性，主要表现在以下几方面：

① 具有规模效应，只有达到一定规模才能实现系统的双赢；

② 对汽轮机与淡化装置之间的匹配要求高，如设计不合理，易造成蒸汽的浪费；

③ 已建电厂如果要上马蒸馏淡化装置，需要对汽轮机进行适当改造，平衡发电和产水的综合经济效益是其关键；

④ 电厂规划建设时最好综合考虑海水淡化部分并选择合适的汽轮机。如果电厂运行后再上淡化工厂，整体效益会打折扣。

四、电水联产典型案例

（一）富查伊拉(Fujairah)电水联产项目

富查伊拉项目是阿联酋较大的电水联产项目之一。项目位于KhorFakkan以 南 5km，Fujairah城以北20km，其采用热膜耦合淡化工艺。项目分两期建设：一期建成于2003年，淡化规模为45万立方米/天(MSF+RO)，发电规模为660MW；二期发电2000MW，产水能力为60万立方米/天(MED-h-RO)，2011年建成。

（二）沙特Marafiq电水联产项目

Marafiq项目是电水联产的一个典型。项目位置在波斯湾西海岸沙特朱拜拉附近。发电装机规模为2750MW，淡化水产水规模为80万立方米/天。3套机组与淡化设备联建，1套为独立发电机组。项目于2010年6月投产，当时是世界最大的淡化厂。

（三）北疆电厂

北疆电厂是目前国内最大的电水联产项目。项目位于天津市滨海新区汉沽功能区。总体规划建设4×1000MW燃煤发电超超临界机组和40万立方米/天海水淡化装置。项目分两期建设，一期工程建设2×1000MW发电机组和20万立方米/天海水淡化装置，二期建设同等规模的发电机组和海水淡化装置。北疆电厂被列入国家循环经济第一批试点单位，其最大的特色是采用“发电-海水淡化-浓海水制盐-土地节约整理一废弃物资源化再利用”的循环经济项目模式。项目基本情况如下。

（1）取水单元

海水取水为高潮位取水方式。在海档外设置2级沉淀调节池，由一级沉淀调节池入口设置阀门调节进水水位。电厂冷却水采用循环冷却方式。淡化取水分两路，一路是由海水补充水取水泵直接供至海水淡化站，另一路是电厂循环水系统冷却水排水供给。两路水源可根据实际季节、水温、水量的变化进行切换或混合。

（2）发电模块

在北疆电厂发电机组运行过程中，主要使用的就是上海电气集团制造的1000MW超超临界机组，锅炉为超超临界变压运行直流锅炉，炉型为单炉膛、双切圆燃烧、一次中间再热、平衡通风、半露天布置、固态排渣、全钢构架、全悬吊结构Ⅱ型煤粉炉。锅炉采用微油点火装置。海水淡化装置从发电机组的中压缸底部抽汽，抽气压力为0.3～0.55MPa，电厂蒸汽除了供海水淡化外，还预留了为汉沽区供热、真空制盐的供应量。

（3）淡化模块

海水淡化装置由以色列IDE公司供应。一期20万立方米/天海水淡化装置分两个阶段建设，第一阶段的10万立方米/天淡化装置已于2009年投入运营，第二阶段10万立方米/天淡化装置于2012年开始安装。

北疆电厂海水淡化采用低温多效蒸馏淡化工艺.单机规模为2.5万立方米/天。每台装置由13效蒸发单元和2个冷凝单元构成。根据淡化装置接收到的蒸汽品质情况，造水比为10～15。

五、电水联产发展趋势及展望

海水淡化是以能源换水源的过程。电水联产作为一种能源的高效利用模式，已逐渐成为规模化海水淡化的主要应用方式，未来也仍将是大型海水淡化工程建设的主要模式。

分析当下我国滨海发电厂，更多以抽凝汽轮机为主，其中主要存在的弊端就是如何正确选择抽汽口方面。从本质上来讲，作为电厂附属设施的海水淡化装置，鉴于较小蒸汽抽取量情况下，并不会对电厂发电工作构成太大威胁。一旦海水淡化厂承担城市供水的任务，供给海水淡化厂的蒸汽参数就需要优化，以避免大量的抽汽影响发电。针对以上情况，我国未来电水联产行业发展中，应该时刻谨记国情，不断实现创新发展。