海水淡化系统多效蒸发传热温差全周期渐变优化分析

成果名称：海水淡化系统多效蒸发传热温差全周期渐变优化分析

作者：王德宏（自动化系 研20级）；孙琳；罗雄麟（通讯作者）

单位：自动化系

期刊：化工学报（EI收录中文核心期刊）

发表时间：2022年12期

doi链接：http://doi.org/10.11949/0438-1157.20221212

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，通常在进行裕量缓释研究的过程中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低。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，以八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，该方法不仅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。

问题描述：

海水淡化作为典型的慢时变工业过程，冗余裕量的全周期分配不均衡容易引起系统的裕量内耗从而危害系统的运行效益，降低系统的节能表现，具体情形如图1所示。从图2中可以看到在全周期运行过程中，总进料流量持续增加，不断释放系统的操作裕量，体现了运行过程中裕量缓释的理念。裕量消耗存在着不可逆性，但是第四效进料流量在实际运行过程中存在着反向增加的情况，这也就预示着系统裕量存在浪费问题，也就是裕量内耗。

图1 常规裕量缓释优化方法的进料情况及其存在的问题

具体实现：

海水淡化作为典型的换热过程，在实际研究过程中考虑系统的换热状态，制定慢时变系统的节能优化方案，提高海水淡化装置的产水能力，是一项重要的研究课题。为了解决系统的裕量内耗问题，本文采用单一变量原则，从系统的不同操作手段出发对系统的性能进行分析。

一、蒸发传热温差对系统性能的影响

本文首次在海水淡化这一领域中加入了操作系统的控制作用和控制损失问题，通过分析其控制的蒸发传热温差对海水淡化系统的影响，如图2所示。从整体角度分析了二次蒸汽阀的温度损失情况和全周期操作策略对系统性能的影响。其中二次蒸汽阀的总体变化对系统性能的影响如图2(a)所示，可以得出系统的初始阀门开度越小，二次蒸汽阀的温度损失越大，操作裕量越大。并且当系统二次蒸汽的总计温度损失在7 ℃以下时，系统外来驱动蒸汽变化较小。这表明二次蒸汽阀的稳态操作既能够实现系统的操作裕量变相储存，也能够增加各蒸发器之间加热温差的自由度，能够减弱系统间的耦合关系。其次二次蒸汽阀的全周期操作情况及其对系统的影响如图2(b)、(c)和(d)所示，可以看到虽然在全周期内情形1总体温度损失情况小于7 ℃，但是运行后期由于结垢问题导致有效换热面积大幅度上升，外来驱动蒸汽的消耗量增加；情形2与情形1相比，外来驱动蒸汽、有效换热面积减少，二次蒸汽阀的操作范围减少，这意味着系统的操作裕量降低，可调能力减弱；情形3与其他两种情况相比，外来驱动蒸汽、系统有效换热面积减少，二次蒸汽阀达到最大开度，温度损失为零，系统丧失可调能力和控制潜力[31]。综合以上三种情况的实际表现，可以发现在全周期运行过程中缓慢调节二次蒸汽阀的开度，可以以较小的经济代价提高各个时期系统的可调能力和控制性能，实现系统操作裕量的变相存储，兼顾了系统运行的长短期运行效益，缓慢的释放了系统的操作裕量，实现了系统设计裕量的合理利用，并体现了蒸发传热温差的单调调节特性，避免了裕量内耗的发生。

二、全周期渐变规律。综上所述，通过分析系统的调节作用对性能的影响得到了海水淡化系统的全周期渐变规律，如图3所示。从图3中可以看到二次蒸汽阀温度损失的减小能够促进总加热温差上升，并且同时增加系统的总进料流量，能够提高冗余面积的利用效率，降低系统外来驱动蒸汽的消耗量。接下来将介绍本文所构建的蒸发传热温差全周期渐变优化模型，该模型在平衡系统裕量和经济性能的同时在全周期内寻找如图3所示的渐近操作规律。

图3 全周期运行规律图

三、蒸发传热温差全周期渐变优化

蒸发传热温差全周期渐变优化方法为了避免常规裕量缓释优化方法裕量内耗的问题，在全周期内加入了对系统有效换热面积的监控，来保障初始裕量的有机分配和操作裕量的合理释放；通过在全周期内考虑外来驱动蒸汽的消耗情况来降低系统的运行成本；通过引入二次蒸汽阀的调节作用，提高系统设计裕量的利用率和可调能力，实现二次蒸汽阀操作裕量的变相存储。由此提出了如下式所示的统筹考虑系统运行成本、有效换热面积和系统可调能力的全周期优化方法。

结果分析：

　　该模型在全周期运行过程中考虑了结垢问题、二次蒸汽阀的温度损失情况，对比了操作条件对系统的影响，如图4所示。从图4中可以看到考虑二次蒸汽阀温度损失的全周期渐变优化方法通过二次蒸汽阀操作裕量的缓慢释放，减少了系统的有效换热面积，减弱了污垢累积对系统的影响，外来驱动蒸汽消耗量减小。与未考虑结垢的情形相比，可以发现两者的蒸汽消耗量相同，这是因为系统的全周期内结垢问题不存在，系统的换热面积足够，裕量释放失去意义。与不考虑温度损失的理想情况相比，考虑二次蒸汽阀的温度损失使得系统更符合实际生产状态，其次能更好的体现系统的二次蒸汽阀的调节作用。