摘要：介绍船舶热力蒸汽压缩海水淡化装置的工作过程，建立应用降膜蒸发技术的并流热力蒸汽压缩多效蒸发海水淡化系统数学模型，并给出相应解法。以一个淡水产量为 110 kg/h 的四效并流热力蒸汽压缩海水淡化装置为例，计算分析加热蒸汽温度和效数对装置性能的影响。结果表明：加热蒸汽温度提高时系统性能系数下降，传热面积和冷却水流量减少；效数增加时，系统性能系数提高，冷却水流量减少，装置传热面积增加。
关键词：船舶机械；蒸汽压缩；海水淡化；装置性能
引言
船舶远海航行，人员、设备需要消耗大量淡水，因此，大中型船舶都装备有海水淡化装置。传统的海水淡化方法有蒸馏法和膜分离法。蒸馏法海水淡化因水质好在船舶上获得广泛应用，目前在船舶上广泛使用的主要有真空单效蒸馏、多级闪蒸及机械蒸汽压缩蒸馏等。蒸汽压缩海水淡化装置由于有效利用了蒸发器内二次蒸汽的潜热，效率显著提高，能耗大幅下降，且蒸汽喷射器本身无运动部件，可靠性高，更加适应船舶海水淡化设备低能耗、重量轻、体积小、可靠性高的要求，具有更加广阔的应用前景。
1.机械蒸汽压缩海水淡化装置的工作过程
图 1 所示为船用机械蒸汽压缩海水淡化装置简图。该装置由压缩机、蒸发器、热交换器组成。其主要特点是结构紧凑，独立性好，不需要其他热源，可直接由电机驱动，尤其适用于船舶用小型海水淡化。下面介绍该装置的工作过程。图 1 中舷外温度为 t w、流量为 M f 的海水经泵供入热交换器吸收浓海水及淡水的热量后，温度升高至t f 进入蒸发器，沿蒸发器中的垂直蒸发管向下流，在流动过程中吸收管外加热蒸汽的热量，部分蒸发获得二次蒸汽，未蒸发的海水流向蒸发器底部，通过浓海水泵抽出，经热交换器排到舷外；二次蒸汽在蒸发器内向上流动，经汽水分离器分离出其中携带的水珠后进入压缩机，在压缩机内受到绝热压缩，温度、压力提高，从压缩机排出后进入蒸发管外部作为热源加热管内海水，蒸汽凝结后作为产品水经淡水泵抽出，经热交换器后，进入淡水舱储存。热交换器采用板式换热器，内部分 3 个流道，分别为海水、浓海水、淡水流道，以回收淡水和浓海水的热量。为保证装置正常启动获得蒸汽，蒸发器底部设置电加热器，在启动时，首先给电加热器通电，加热蒸发器内海水获得蒸汽，随着蒸汽的产生，压缩机工作，此时停止部分电加热器，依靠压缩蒸汽作为热源装置即可稳定工作。由装置工作过程可以看出，若忽略装置的对外散热损失，压缩机耗功主要用于补充浓海水和淡水带走的热量，因此减小浓海水和淡水带走的热量是本装置降低能耗的关键。为此，采用传热效果良好的板式热交换器作为废热回收元件，可以显著降低能耗；另一方面，蒸发器内蒸汽与海水间的换热效果也是装置效率的重要影响因素，为提高换热系数，主要采用降膜蒸发技术来强化传热。
图 1 机械蒸汽压缩海水淡化装置简图
2.故障分析及排除
2.1产水量降低的原因分析
蒸馏式海水淡化装置产水量的多少主要取决于蒸发量的多少。根据传热学原理，传热量与蒸发器的传热系数、换热面积、热水的平均温度和海水的沸点以及进水温度等有关。从管理方面，造成产水量降低的原因主要有以下几点：（1）热面结垢脏污，换热系数减小。（2）加热侧气塞，里面气体影响加热介质流动，从而影响换热，或者蒸发器水位太低，使换热面积减小。（3）真空度不足导致海水沸点升高。（4）加热水流量不足或温度太低。（5）给水倍率加大或给水温度降低，使海水达到沸腾部分的面积减小，蒸发量降低。（6）凝水回流电磁阀不严，使部分水回流到蒸发器。（7）冷凝器海水侧脏污，冷凝效果变差。（8）海水温度升高，冷凝效果降低。
从造水机此次现象来看，蒸发器、冷凝器、海水泵以及凝水泵等都正常工作，造水量有所减少但仍有平时的3/4左右，真空度有所下降但还有一定的真空度。由此判断最有可能的原因是装置有泄露处。而且泄露处轻微或者十分隐藏。
2.2故障的排除过程
先打开加热水旁通阀，再慢慢关蒸发器的进出口阀，以免影响主机缸套水循环。然后关凝水泵出口阀，按下凝水泵“STOP”按扭，停凝水泵再关闭给水截止阀，把造水机海水泵停掉截断冷凝器海水供应，最后打开真空破坏阀和底部泄水阀。将真空破坏阀打开后观察真空表发现真空度快速下降。由此说明真空表完好。工作时真空度低说明装置存在泄露。
用干布将装置壳体擦拭干净，启动海水泵观察无渗水现象。可见壳体没有泄露或者有轻微漏气但不致渗水。经验得知造成真空度下降的漏泄原因多为凝水泵轴封或者观察镜等处，而这些地方如有轻微漏气是无法观察到的。于是，再次开启造水机海水泵，关闭给水调节阀，将装置抽真空。发现真空度仍是到76%左右便不再升高。用烛火法查漏。将点着的蜡烛沿观察镜、真空破坏阀、泄放阀以及各法兰接缝处慢慢移动，未发现有漏汽。（如有泄露，由于装置内部有一定真空度，烛火会向内偏移。）结果证明最有可能的原因是凝水泵轴封漏气。于是拆换凝水泵机械轴封。
由于机械轴封配合要求比较严格，一旦装配不好不但会加重漏泄还会加剧轴封的磨损，所以一般情况不轻易拆检。首先将凝水泵控制开关打到“STOP”位置，以防止误启动。将伺服电机拆下，拆前打好标记，以便装配。然后同样在轴封配合处做标记后用专用工具将其拆下，后更换新轴封，按所做标记正确装配。拆下的轴封清洁后留做备用。
由于时间有限，到港后仅对造水机蒸发器进行了投药处理。结果意外的是再次开航后造水机造水量变的正常了，每天接近13吨。真空度也达到90%。由此确定以前存在漏气的地方在投药系统。
为保证正常的淡水产量，造水机运行过程中要注意以下几个方面：
（1）调节进水阀，保持适当的进水流量。
（2）控制加热淡水的流量，维持适当的淡水产量。流量太大，会导致竖管内海水沸腾过于剧烈，影响凝水的含盐量；流量太小，则会降低淡水的产量。
（3）控制冷却海水流量，保持适当的真空度。真空度过高，竖管内的海水沸腾过于剧烈，将使凝水含盐量增加；真空度过低，势必要提高海水的沸点，这样容易在竖管壁上结垢，降低传热效果，影响淡水产量。一般情况下，造水机运行平稳后，真空度不会发生大的变化。当船舶航行海域水温有大的改变时，将会导致真空度发生变化。
3.结束语
对于机械蒸汽压缩海水淡化装置，适当提高装置的蒸发温度可以增大装置的产水量，蒸发温度在 90 ～100 ℃范围内，装置效率较高；采用降膜蒸发技术，装置的单位产水能耗可以显著降低，从提高蒸汽压缩海水淡化装置效率角度，具有广阔的前景。
参考文献：
1.陈金增． 船舶海水淡化及节能技术研究［D］． 武汉：华中科技大学，2010．
2.焦冬生，王军． 机械蒸汽压缩海水淡化系统的性能分析［J］． 中国科学技术大学学报，2009，39（1）：76 －82．
论文作者:苏伟
论文发表刊物:《基层建设》2019年第13期
论文发表时间:2019/7/17
标签：蒸汽论文; 装置论文; 海水论文; 蒸发器论文; 海水淡化论文; 热交换器论文; 淡水论文; 《基层建设》2019年第13期论文;