摘要：水资源是与人类生活息息相关的资源之一，我国不断增加的水资源需求与有限的水资源矛盾一直存在，发展海水淡化是最为有效的措施之一。我国某沿海钢铁企业二期海水淡化工程中，充分利用厂区内余能余热，将燃气—蒸汽联合循环发电机组与大型低温多效海水淡化装置进行耦合应用。通过对于发电机组汽轮机排汽性质进行分析，选取适应于低温多效海水淡化装置的进汽参数，在满足高效产水的同时保证发电机组的效率，并根据示范工程所在地海域条件进行了低温多效海水淡化装置不同季节工况下的热平衡计算，确定了海水淡化装置的设计参数。钢铁厂内热法海水淡化装置与发电机组共建，首次将CCPP汽轮机发电后低品位乏汽应用于大型低温多效海水淡化装置，实现了能源高效梯级利用的同时降低淡化制水的运行成本，为沿海工业企业利用海水生产淡化水起到示范作用。

　　关键词：钢铁厂；海水淡化；低温多效；发电机组

　　北方沿海和华北平原地区不得不过度地使用地表水和地下水，应从可持续发展的角度出发解决水资源短缺的问题，而发展海水淡化是最为有效的措施之一。根据自然资源部海洋战略规划与经济司发布的《2021年全国海水利用报告》，截至2021年底，全国现有海水淡化工程144个，工程规模1856433吨/日。此外，国家发展改革委、自然资源部印发《海水淡化利用发展行动计划（2021-2025年）》明确提到，“十四五”时期要着力推进海水淡化规模化利用，到2025年，全国海水淡化总规模达到290万m3/d以上。此外，《行动规划》还提出要扩大工业园区海水淡化利用规模，鼓励沿海地区工业园区和高耗水产业优先利用海水，建设海水淡化利用示范工业园区。

　　我国海水淡化技术不断成熟，应用日益增多，科研及工程项目不断得到实施，应用较多的主要为反渗透和低温多效蒸馏技术。其中，低温多效海水淡化技术对于原海水水质要求低，造水比高及产品水质好，且能够利用低温热源，因此在热电厂等有余热废热利用的场合有很大的应用优势。我国某沿海钢铁企业建设有低温多效海水淡化设施，采用“水电共生”的运行模式，利用钢铁厂产生的富余煤气建设有两套130t/h中温中压锅炉，两台锅炉的主汽主要供给两套25MW发电机组使用，发电后的乏汽直接供给低温多效海水淡化装置制备淡水，实现了蒸汽的高效和梯次利用，全系统热效率提升至82%，淡化制水成本相对较低。该钢铁厂二期海水淡化工程中，充分利用厂区内余能余热，将燃气—蒸汽联合循环发电机组与大型低温多效海水淡化装置进行耦合应用，提供系统发电效率、热效率的同时，进一步降低了淡化制水成本。

　　1热法海水淡化技术

　　热法低温多效蒸馏海水淡化装置就是几个效的结合，每一效主要由水平换热管束构成，在最末效之后设置冷凝换热器。从第一效最热效到末效的最冷效，效内的温度逐渐降低。喷淋海水从末效冷凝器的出口引出，通过各效内换热管束顶部的喷嘴进入蒸发器。在第一效内，加热蒸汽将其中的能量传递给海水喷淋水，部分海水加热后蒸发，所产生的二次蒸汽进入下一效。在以后的每一效间都重复这一过程，直到最后一效。最后一效产生的蒸汽在末效冷凝器中被冷却海水冷凝，通过产品水泵提升至用户点。

　　目前低温多效海水淡化技术在中东地区如沙特阿拉伯、伊朗、卡塔尔等国家有广泛应用。中国东部沿海如天津、河北等地区也已经建有或者正在兴建低温多效海水淡化厂，中国对低温多效海水淡化技术的应用也不断发展成熟。随着市场要求的不断提高，低温多效海水淡化的投资成本和运行成本在不断降低。大型、超大型海水淡化厂不断出现，达到的规模效益也越来越显著。

　　2钢铁厂煤气发电技术

　　钢铁是我国的支柱产业，也是能源消耗较大的行业，其能源消耗量占全国能源消耗量的16.3%，仅次于电力工业。而其中约有34%的能值进入副产品煤气中，包括高炉煤气（BFG）、焦炉煤气（COG）和转炉煤气（LDG），高效回收利用此部分能源，提高能源自给率，是降低钢铁企业工序能耗的比较有效的手段。利用煤气发电，是合理利用副产品煤气的最有效的方式之一，通过自发电可以提高钢铁企业自发电比例，提高能源自给率。钢铁冶金企业燃气—蒸汽联合循环发电（CCPP）机组的投入运行，不仅可以利用大量放散的煤气资源，减少能源浪费，还能提高企业的自发电量。CCPP机组相比于常规燃气锅炉发电机组的热效率要高很多，基于同等煤气热量，一般常规燃气锅炉发电热效率仅为25%，CCPP机组的联合循环热效率可以达到43%。

　　3热法海水淡化与发电机组的联合应用

　　一般情况下低温多效海水淡化装置所使用的动力蒸汽来自锅炉专供、汽轮机抽汽或低压蒸汽管网供应，经过减温减压后输入装置首效，这一过程将造成大量热能能级损失。而将汽轮机发电后乏汽作为海水淡化热源使用，可将此部分散失热能很好的利用起来，既能避免能源浪费，又能产生额外的经济效益。

　　3.1水电共生技术工艺原理

　　国内某沿海钢铁厂结合二期扩建项目，首次将180MW高效能燃气-蒸汽联合循环发电（CCPP）机组与3.5万m3/d大型低温多效海水淡化装置串联布置，构成了水电联产系统。钢铁厂内高炉及焦炉富余煤气通过管道输送至压缩机加压后进入燃气轮机，与燃料混合燃烧做功并驱动燃机发电机发电，其产生的高温烟气进入余热锅炉进行换热后通过烟囱排入大气。而余热锅炉过热器产出的高温高压蒸汽输送至蒸汽轮机做功发电，这就形成了燃气-蒸汽联合循环发电系统。同时发电后汽机排出的低品质乏汽作为热法海水淡化装置的热源制备除盐水。热法海水淡化装置第一效的冷凝水被收集，等量返回CCPP机组余热锅炉系统，其余部分进入成品水系统。这样，具有较高热值的煤气经过能源的梯级利用，达到了水电联产的目标。发电机组取消了蒸汽轮机凝汽器，直接利用发电后低品质乏汽作为低温多效海水淡化装置的动力热源，实现了钢铁厂余能、余热的耦合循环和高效梯级利用，同时通过降低海水淡化系统能源供给的成本，大大降低了海水淡化吨水运行成本。

　　3.2发电汽轮机乏汽作为海水淡化热源的适应性研究

　　按照钢铁厂内一期工程多年运行数据及复核计算，汽轮机排汽绝对压力在30kPa～34kPa间为淡化产水率高、热耗低区域，且在本区域内机组均运行稳定。此外，为避免汽轮机排汽到热法海水淡化装置距离过长而造成不必要的热损失，二期工程中将热法海水淡化装置与蒸汽轮机厂房贴建，并取消隔断阀门，将乏汽的沿程损失及局部损失降到最低，保证较高的热利用率。在保证海水淡化装置产水所需热值的前提下，同时考虑CCPP发电效率及多个不同运行工况，并结合海水蒸发的结垢腐蚀倾向及排汽压力与产水汽耗、热耗关系曲线，充分研究并验证海水淡化的最优工艺运行参数及其相互非线性耦合的关系。最终确定汽轮机排汽参数（30±2kPa），该区间内各装置的性能达到综合最优且可长期稳定行均。海水淡化装置额定工况下产水量为32400m3/d，最大工况下为35000m3/d。
       3.3大型低温多效海水淡化装置性能参数及测试结果
       3.3.1装置主要性能参数

　　热法海水淡化主体装置共设1套，设计最大产水量为35000m3/d。装置采用7效加冷凝效的平行六面体结构设计；造水比小于6.07（不含抽真空用蒸汽）；动力蒸汽采用汽轮机乏汽，最大进汽量为240t/h；产水水质（含盐量TDS）小于5mg/l，水温小于33℃,符合厂区内一级除盐水水质要求。

　　3.3.2装置性能测试结果

　　大型低温多效海水淡化示范装置性能稳定、设备故障率低，可持续稳定生产。经过测试各项指标均满足或优于设计值，装置性能保证值及测试值如下。

　　（1）产水水质（含盐量TDS）保证值为小于5mg/l，性能测试值约为2.3mg/l。

　　（2）造水比保证值为6.07，性能测试值约为6.12。

　　（3）抽真空时间保证值为4h，性能测试值约为1.5h。

　　（4）产水水温保证值为小于33℃,性能测试值约为31℃。

　　3.4 CCPP发电机组设备参数

　　结合钢铁厂二期扩建的实际需要，新建1套180MW燃气—蒸汽联合循环发电机组（CCPP），燃气-蒸汽联合循环发电机组的汽轮机采用背压排气，排汽为热法海水淡化装置提供热源。CCPP发电机组的燃料为高炉煤气BFG和焦炉煤气COG混合煤气。为了提高电机组联合效率，燃气轮机采用低热值燃料燃气轮机，余热锅炉采用高压高温再热锅炉、蒸汽轮机采用高压高温再热空冷式汽轮机。

　　（1）燃汽轮机发电装置。燃气轮机采用低热值燃料燃气轮机，机组型号：M701S（DA）X，额定发电量109.7MW，燃料消耗量316323Nm3/h。选型时充分研究燃机排烟流场，燃机的排气方向是旋转的，有大量烟气冲刷到导流板上，从而引起了导流板的震动；结合燃机排烟本身的特点，在前排过热器管屏上设置导流板和防震梁，同时由于燃气轮机的排烟温度高、流量大、流速快，实际运行时燃机负荷变化快，出口的烟气流速比设计大，锅炉入口的流场不均匀性比设计差，这就要求锅炉烟气入口扩压段的截面积设计得足够大，以减小燃机排烟的流速，同时设计合理的导流板，减少流场不均匀导致的震动。

　　（2）余热锅炉装置。燃气轮机配套余热锅炉采用卧式双压自然循环余热锅炉，锅炉出口高压蒸汽参数为9.5MPa（a），520±5℃,锅炉出口低压蒸汽参数为1.1MPa（a），210℃,总蒸汽产量为240.3t/h。余热锅炉利用燃气轮机产生的高温烟气，产生高温、高压蒸汽驱动汽轮机，热法海水淡化装置首效凝结水返回余热锅炉作为补水。蒸汽轮机后置于燃气轮机装置，在设计时充分考虑工程本身的特点，设置高低压蒸汽放散旁路，以配合燃气轮机的冷态和热态工况下的快速启动。余热锅炉设置前置除氧器，以解决海水淡化装置凝结水含氧量超标，避免锅炉受热面氧腐蚀。余热锅炉设置前置除氧器，先对凝结水进行预除氧，达到指标后，再送入余热锅炉自带压力式除氧器进行进一步的除氧，以满足高压锅炉给水溶解氧的要求。防止余热锅炉受热面的氧腐蚀，增加设备使用寿命。

　　（3）蒸汽轮机装置。汽轮机采用全周进汽快速启动型补汽凝汽式汽轮机，额定功率为65000kW，汽耗为3.63kg/kWh。蒸汽轮机后置海水淡化装置，在设计时充分考虑工程本身的特点，设置高低压蒸汽放散旁路，以配合燃气轮机的冷态和热态工况下的快速启动。此外，为减少汽轮机排汽湿度过大问题，一方面，提高主蒸汽的初温，另一方面，在排汽管道上设置低压蒸汽混合扩容装置，增加汽轮机排汽干度，减少乏汽湿度过大对海水淡化装置的影响。

　　（4）CCPP机组性能测试结果。在CCPP联合循环机组经过100%负荷工况性能考核试验，试验整机功率为176.11MW，试验整机热耗为8271.68kJ/kW·h，试验整机效率为43.52%；修正后整机功率为193.50MW，整机热耗为7416.25kJ/kW·h，整机效率为48.54%，达到保证性能值。此外，CCPP余热锅炉产高、低压蒸汽全部进入汽轮机，发电做功后以乏汽形式排出。汽轮机排汽（乏汽）作为系统余热，回收利用于海水淡化作为热源使用，乏汽传输至海水淡化过程中因散热而部分冷凝成热水回收于余热锅炉作为给水循环使用，传输至海水淡化的乏汽将汽化潜热释放给海水（生产淡化水）后成为冷凝成热水回收于余热锅炉作为给水循环使用。按照《工业余热术语、分类、等级及余热资源量计算方法》GB/T1028-2000之相关标准规定计算评测，余热资源回收率可达到95.7%。

　　4热法海水淡化装置与CCPP发电机组控制系统优化

　　热法海水淡化装置与CCPP发电机组联合控制并非两者的简单相加，而是两者的有效融合。系统采用分布式控制，将燃机控制系统、余热锅炉控制系统、汽轮机数字电液调节系统、汽轮机跳闸保护系统、汽轮机仪表监控系统、海水淡化控制系统及公辅系统等进行深度集成，形成了一套复杂的多系统耦合的控制系统。多系统耦合联控以后，CCPP和低温多效海水淡化系统相互提供关键参数信号（如排气温度及压力、凝结水流量、第一效温度等），从而实现CCPP与低温多效海水淡化装置的正常控制及事故保护。

　　该技术中汽轮机的排汽参数与热法海水淡化装置第一效参数相互间的传输与联锁控制是关键环节。主要包括：汽轮机排气量、排汽压力及温度、蒸发器第一效浓盐水温度、进汽箱温度、首效凝结水量、海水喷淋量、阻垢剂加药量等。当蒸发器首效参数发生异常时可及时将信号传输到CCPP系统蒸汽轮机，通过联锁进行一些列安全保护措施。当蒸汽轮机排汽参数异常时，热法海水淡化系统也可及时收到反馈信号，根据自身控制逻辑进行动作或有序停机。

　　5效益

　　热法海水淡化装置的建成不但满足了钢铁厂内除盐水用水需求，降低了对地表水源的需求与依赖，同时做到了新水源的开发，大幅降低了海水淡化的制水成本。此外，将CCPP发电机组与热法海水淡化装置联合应用，使其可全年连续利用低品位余热及自发电，有效解决钢铁流程余能余热生产与使用之间的不匹配问题。系统创造经济效益如下：

　　（1）热法海水淡化装置年生产淡水1120万吨，与使用地表水生产同品质除盐水对比，吨水可节省成本约5.94元，核算年经济效益为6648万元/年。

　　（2）通过将热法海水淡化装置单机规模大型化、国产化及设计优化大幅度降低建设投资。相比钢铁厂内一期海水淡化工程，工程投资降低约3200万元/万吨产水，折旧成本可降低约0.174元/m3。

　　（3）CCPP发电机组与热法海水淡化装置直接耦合，年发电量13.74亿kW·h，年节省标准煤15.9万吨。整体联合循环发电效率高达48.54%，较同等机型效率提升2%以上，年创效益约1.45亿元。

　　6结论

　　钢铁工业对水资源存在巨大需求，为了解决区域缺水问题，发展非常规水资源就成为重要途径之一。沿海某钢铁厂通过对CCPP发电机组汽轮机排汽性质进行分析，选取适应于低温多效海水淡化装置的进汽参数，在满足高效产水的同时保证发电机组的效率，并根据示范工程所在地海域条件进行了低温多效海水淡化装置不同季节工况下的热平衡计算，确定了海水淡化装置的设计参数。通过上述研究工作，钢铁厂内热法海水淡化装置与发电机组共建，首次将CCPP汽轮机发电后低品位乏汽应用于大型低温多效海水淡化装置，实现了能源高效梯级利用的同时降低淡化制水的运行成本，为沿海工业企业利用海水生产淡化水起到示范作用。