太阳能海水淡化技术

姜晓霞

（哈尔滨汽轮机厂辅机工程有限公司，哈尔滨 150090）

1 引言

我国属于太阳能资源储量丰富的国家之一，年日照时数大于2000h的地区面积约占全国总面积的2/3 以上。其中，有条件发展太阳能电站的沙漠和戈壁面积约为30 万平方公里，占我国沙漠总面积的23%，积极开发利用太阳能资源是解决我国能源问题以及环境问题的最有效的措施。

对于水资源，我国人均占有水量只居世界的第108位，相当于世界人均水平的1/4。缺水城市占全国城市的2/3，被列为世界上13个贫水国之一。发展海水淡化技术，向海洋索取淡水已成为现代社会的当务之急。利用太阳能海水淡化不仅缓解了能源压力，环境危机，也缓解了地区性缺水问题。对缓解当代水资源短缺、供需矛盾日趋突出和环境污染日益严重等系列重大问题具有深远的战略意义。

2 太阳能海水淡化简介

随着太阳能热利用技术以及海水淡化技术的不断成熟，目前世界上海水淡化应用最广泛的方法有蒸馏法、膜法和电渗析法等。其中蒸馏法包括多效蒸发（MED）、闪蒸（flash）。膜法包括反渗透（RO）法以及膜法蒸馏（MD）。而这些方法都可以利用太阳能作为其驱动能源。其中膜法与电渗析大多与光伏利用结合，蒸馏法与光热利用相结合。

现有淡化技术中，蒸馏淡化技术最成熟、运行安全性高、适用范围广、单机规模大。

国外太阳能海水淡化技术已有较长时间的发展，过去二三十年内，建造了大量的太阳能海水淡化系统，其中部分至今仍在运行。然而，由于国内相对落后的太阳能利用技术，以太阳能作为能源，尤其使用聚光集热方法的太阳能海水淡化系统尚无应用，需加大研究力度。

3 太阳能海水淡化系统技术方案

太阳能自身的特点是可收集能量的不连续性。而太阳能海水淡化系统要保证淡化岛的连续运行，淡化岛部分不能随着太阳的起落而每日起停，所以要解决收集不到太阳能时段系统输入能量的途径问题。一种方式是采用蓄热装置，没有太阳时利用蓄热装置供汽驱动淡化岛。这种方式对于蓄热部分设计要求较高，根据地区性气候确定蓄热时间。如果蓄热时间太短，连续阴雨天就要停下淡化岛；如果蓄热时间太长则蓄热部分投资太大，系统经济性不好。而且熔盐系统需要较高的保温要求，系统复杂。另一种方式是采用锅炉与太阳能结合的形式来保证淡化岛的连续运行。该系统受天气变化波动较小，能保持系统和设备的稳定性，保证下游用水的稳定性，而且不存在系统熔盐防凝问题，系统简练，易于控制。根据上述分析，设计系统为太阳能槽式集热+燃气锅炉+MED 海水淡化的系统方案。

采用太阳能与燃气锅炉共同产生蒸汽驱动低温多效海水淡化系统。在阴天或者晚上燃气锅炉100%负荷工作，晴好的白天燃气锅炉变工况运行，太阳能系统参与补汽，保证进入海水淡化系统的主蒸汽量保持一致。维持整个海水淡化系统的稳定运行。太阳能集热系统采用槽式太阳能系统，导热油在集热管中吸取太阳能后经过油水换热器（蒸发器）产生出海水淡化系统所需参数的主蒸汽。

本方案太阳岛部分采用槽式太阳能集热工艺，采用国外高科技集热管材，对太阳能的吸收率可达到96%。采用6m 开口，利用二次反射集热技术，充分采集太阳能［2］，导热油在集热管内吸收太阳能后在蒸发器内与水发生热量交换，产生海水淡化系统所需条件的蒸汽。设计拟采用45t/h的补汽量。与燃气锅炉一起保证整个系统的稳定运行。

图1 太阳能槽式集热+燃气锅炉+MED 海水淡化系统方案

海水淡化系统采用低温多效蒸馏系统（MED-TVC），单机出力不低于10000t/d，产品淡水的水质TDS 不大于5mg/L。装置年利用率大于98%，出力可在额定出力的40%～110%的范围内调节。

3.1 低温多效蒸馏海水淡化系统方案

低温多效蒸馏海水淡化系统主要由蒸发器、冷凝器和闪蒸罐组成。考虑到经济和实际运行因素，常在蒸发器前加入预热器来预热海水，并在淡化系统内加设蒸汽压缩机（TVC）。

图2 自主研发程序界面

低温多效蒸馏海水淡化系统的热力系统采用我公司自主研发程序计算。该程序经过两年的研发，已做过多次项目方案验证，结果真实可靠。可作为MED 系统热力设计的基础计算软件［3］。

MED 海水淡化装置蒸发器效数直接与装置的造水比相关，每增加一效，其造水比大幅增加，因此，增加效数是提高MED 海水淡化装置造水比的直接途径。造水比增加，系统运行收益会增加，然而增加效数会直接导致系统初投资额的增加。为了确保系统的收益，必须对造水比和系统初投资进行优化设计。

设计结果如表1 所示。

表1 海水淡化系统设计结果

3.2 系统换热设备设计

太阳能海水淡化系统采用由73.5%的二苯醚和26.5%的联苯组成的混合物作为换热介质。该介质具有优异的热稳定性，最高油膜温度可达400℃；具有较低的蒸汽压；液相粘度较低系统阻力可相对减低；安全性较好，在正常使用的情况下几乎不存在发生爆炸的危险；对设备无腐蚀。介质在太阳能场温度使用范围控制在293℃～393℃之间。

利用HTRI进行系统换热设备的计算。系统水汽侧参数已知（回水采用第一效凝结水），由热力计算确定油侧相关参数。换热系统采用预热器-蒸发器-过热器单列形式。换热器均采用管壳式换热器。

表2 换热器设计条件

表3 换热器设计结果

3.3 集热场设计方案

聚光系统是系统的核心，由槽式抛物面反光镜跟踪装置构成。跟踪方式通常采用一维跟踪，有南北、东西布置方式。

由28个反射镜面（RP）和3个吸热管（HCE）组成太阳能集收元件（SCE），由12个SCE 连接构成太阳能集收组合（SCA），4个SCA 组成一个回路（LOOP），回路的集合构成太阳集热场区（SOF）。

镜场中拟采用47个回路，其中每个回路长约600m，每个回路包含有1344 块抛物面反射镜，144个集热管，4个镜场驱动装置（追日系统），系统总占地面积141 英亩。

太阳能集热器组合（SCA）包括：镜面、背架、集热管、跟踪系统（包括：驱动、控制和传感器）。

4 太阳能海水淡化系统的经济性分析与系统优化

太阳能光热系统和海水淡化系统的成本分为建造成本和运行成本两个部分，而蒸汽参数是连接两个系统成本的中间桥梁。对于太阳能光热系统，蒸汽参数的提升意味着初期建造成本和运行成本都会相应的提升，而相反的，对于海水淡化系统来说，综合成本反而是呈下降趋势的［4］。太阳能海水淡化系统作为一个整体系统，其经济性在很大程度上都取决于系统运行参数的选择。在系统的热力设计阶段，太阳能光热系统和海水淡化热力系统的运行参数需要相互匹配，形成最具经济性的最为优化的一个组合。

图3 优化设计流程

5 结论

太阳能海水淡化系统是绿色循环系统，系统耗用能源为清洁能源，海水淡化系统产生的淡化水用途主要有三个方面：（1）工业用水。产生淡水可以为工业用户提供使用水；（2）民用。海水淡化系统产生淡水水质可直接饮用或者直接作为耕地用水，改善沿海盐碱地环境，改善农耕；（3）可以提供太阳岛清洗等用水。而淡化导致的浓盐水供给下游盐场，作为制盐原料。这样可以减少盐场投入。

本方案集节能、减排、新能源、开源、降耗于一身，为新式能源利用模式提供技术保证。哈汽公司具备太阳能海水淡化系统的热力设计、产品设计的能力，希望以后可以为整个产业的发展做出积极的贡献。

［1］赵奎文，刘业凤.潮汐能太阳能多效蒸馏海水淡化装置的模拟与测试［J］.制冷技术，2008（2）：17-21.

［2］熊亚选，等.槽式太阳能聚光集热技术［J］.太阳能，2009（6）：21-26.

［3］杨洛鹏，沈胜强.低温多效蒸发海水淡化系统热力分析［J］.化学工程，2006，34（11）：20-24.

［4］王世昌.海水淡化工程［M］.北京：化学工业出版社，2003.