1前言
在20世纪80年代以前，水电联产生产淡化水多数选用多级闪蒸装置（MSF）作为海水谈化装置。80年代中期出现了大型低温多效海水淡化装置（MED）。该淡化装置生产淡水的总电耗低于多级闪蒸装置，且易实现大型化、运行维护成本低、使用寿命长、对海水水质要求宽松，已成为当今国外大型海水淡化工程建设的主要模式。低温多效海水淡化热电联产技术即利用发电厂产生的可利用低品位蒸汽为海水淡化装置提供动力，从而实现能源高效利用和降低海水淡化成本，因此该技术开发出来后便在世界范围内迅速得到了广泛的应用，经过20多年的发展，已经成为海水淡化最具发展前景的技术之一。国外大部分海水淡化厂，都是和发电厂建在一起的，这是当前大型海水淡化工程的主要建设模式，目前，低温多效海水淡化热电联产技术在科威特、沙特、埃及、美国、日本、以色列等国家得到了广泛的应用。我国是一个电力资源需求的不断提高和水资源的相对贫乏的国家，根据国家发展和改革委员会、国家海洋局、财政部联合发布的《海水利用专项规划》，在未来2~10年里，我国将有日产约400万t的海水淡化装备需求的市场。因此低温多效海水淡化热电联产作为极具前途海水淡化技术，在国外迅猛发展的同时在国内也得到了快速发展。首钢京唐钢铁联合有限公司位于河北省唐山市南部渤海湾的曹妃甸工业区内，厂区临海而建，公司配套有2×300MW自备电厂。面对沿海相对匮乏的淡水资源和低参数蒸汽无法回收利用的窘境，公司从以色列引进低温多效热电联产海水淡化技术，建设一期海水淡化厂规模为4×12500t/d，共计50000t/d满足钢铁厂的用水需要。第一套低温多效蒸发器（MED）于2009年3月22日投产，第二套于2009年5月22日满负荷产出合格水。首钢京唐公司创造性的在其中两套海水淡化主体装置蒸汽进口前分别配置了中温中压汽轮发电机组，充分利用钢铁厂富余燃气烧锅炉产生的中温中压蒸汽在汽轮机组中发电做功，进而将汽轮机末端负压排汽供给海水淡化装置制备除盐水。该系统实现了能量的梯级利用，不仅大幅度降低了海水淡化的运行成本，还产生了额外的发电效益，更好地实现了热、电、水的联产。
2海水淡化热电联产系统组成
2.1系统简介
首钢京唐钢铁公司海水淡化装置日产12500t淡水，考虑设备的年运行时间及充分利用低品位蒸汽的需求，具备三种运行工况：（1）纯TVC模式：仅使用0.4MPa，250℃低压蒸汽。（2）部分TVC模式：使用0.4MPa，250℃蒸汽及0.035MPa，73℃蒸汽。（3）纯MED模式：仅使用0.035MPa，73℃蒸汽（负压蒸汽）。上述三种运行工况利用的蒸汽都属于低品质蒸汽，但从热力学的角度考虑，负压蒸汽（0.035MPa，73℃）做功能力最低，价格也最低。2010年10月，为解决投产初期厂区供热不足问题，首钢京唐钢铁公司建成两台中温中压（3.82MPa，450℃）燃气锅炉，其中压蒸汽经减温减压后送入厂区蒸汽管网供采暖及海水淡化使用，由于减温减压过程存在能量损失，需进一步寻求优化利用措施。目前，大型汽轮发电机组为追求节能、高效，凝汽器真空要求很高，一般都维持在-94kPa以上，由于汽轮机负压排汽的做功能力全部被电能带走，其价格为零，但其携带了整个发电机组输入热量的60%以上。虽然国内外都一致认为低品质蒸汽可以大幅降低海水淡化成本，但其所指及实际应用的“低品位蒸汽”只是停留在0.3~0.4MPa，250℃左右这个参数等级，还没有出现将海水淡化和热电联合生产，汽轮机负压排汽直供海水淡化的实际运行实例。结合首钢京唐公司海水淡化现有三种工况，对蒸汽系统进行了全面优化，如果能够实现将中压蒸汽直接用于汽轮发电机组，发完电的负压排汽再供入海水淡化装置生产除盐水这一条最优路径，经初步测算全系统的热量利用效率可达82.23%。因此，研究海水淡化热电联产技术，将汽轮机负压排汽直接用于海水淡化装置，必然能大幅度降低海水淡化成本，同时提高全系统的热量利用效率。
2.2热电联产系统组成
海水淡化热电联产系统由蒸汽系统，发电系统，海水淡化三个系统组成，见图1。首钢京唐钢铁公司共建设四套海水淡化装置（U1、U2、U3、U4），单套装置产水规模每天12500t，两台中温中压蒸汽(3.82MPa，450℃)锅炉，额定蒸发量130t/h，两台进汽参数为3.43MPa，435℃，额定功率为21.1MW的汽轮发电机及相配套的辅助设备。两台锅炉、两台汽轮发电机组、两台低温多效蒸馏海水淡化装置(U1、U2)组成海水淡化热电联产系统。其基本流程是：中压锅炉利用钢铁厂的富裕煤气炉产生的蒸汽一部分经过锅炉的减温减压器把压力降2~2.5MPa，送给炼钢使用。另外一部分富裕中压蒸汽，压力为3.82MPa送给新建两套25MW发电机组，作为发电机组汽轮机的动力汽源，汽轮机乏汽直接连接海水淡化的入口，一套汽轮机对应一套海水淡化主体，乏汽压力为0.035MPa；由海水淡化装置取代汽轮机的真空泵，同时汽轮机乏汽作为热法海水淡化MED模式下的低低压汽源，海水淡化产出淡水后送往除盐水管道，供给公司各个用户。汽轮机的低压抽汽为0.6MPa，送入低压蒸汽管网，可以给另外两套海水淡化装置在TVC模式下作为低压蒸汽使用。发电机组发出的电经10kV变电站与电网并网后送入电网。
3海水淡化与热电联产控制系统研究
汽轮发电机组采用分布式控制系统（DCS）对整个机组的运行情况进行监控并调节，同时保持与数字电液调节系统（DEH）、汽轮机跳闸保护系统（ETS）、汽轮机仪表监控系统（TSI）三者的通信，使DCS系统的显示画面时刻反映现场实时数据。DEH系统的主要功能包括汽轮机转速控制，自动同期控制，负荷控制，快速减负荷控制以及机组甩负荷及失磁控制等。TSI系统主要用于测量汽轮机轴振、瓦振、偏心、转速、位移和差胀等信号，且位移、振动、差胀等信号均参与汽轮机跳闸保护。ETS系统是指汽轮机跳闸保护系统，当汽轮机运行异常，汽轮发电机组控制系统无法控制汽轮机系统在正常范围内时，为防止损害汽轮发电机系统，ETS系统使汽轮发电机组跳闸，关闭所有的汽轮机进汽阀，TSI系统的跳闸保护信号需传入ETS系统后再由ETS发出跳闸命令。通过上述的分析，不难看出，汽轮机危及状态下的保护是由ETS系统执行的，而正常状态下运行调整则由DEH系统控制，所以，汽轮发电机组与海水淡化联合控制后，海水淡化的关键信号必须进入DEH系统和ETS系统，从而实现汽轮发电机组与低温多效海水淡化装置的正常控制及事故保护。根据整套系统在生产上的先后顺序，首先确定了系统正常运行及事故状态下的逻辑关系。海水淡化热电联产系统启动阶段控制系统将海水淡化启动必须具体的一些重要条件如：海水淡化已选择MED模式；海水淡化补给水流量大于1200t/h；海水淡化末效真空大于70kPa；海水淡化第一效浓盐水温度低于64℃作为系统启动的先决条件，通过硬线连接到上位机，这些信息再与汽轮机各种控制条件相与，条件全部符合后，才达到系统联合启动条件。其转速保持阶段主要考虑因素为以下四点：（1）暖机点转速自动保持；（2）临界转速区禁止保持；（3）冲转过程中排汽温度＞74℃；（4）排汽压力＞35kPa。一旦达到上述任一条件，汽轮机将进入转速保持阶段，一是达到暖机的目的，另一个目的就是防止汽轮机排汽温度或排汽压力继续升高。连锁停机控制中将海水淡化侧的任一导致海水淡化停机的故障（以U1停机代替）直接接线至汽轮机ETS跳闸系统，保证汽轮机跳闸与海水淡化停机同步，起到保护汽轮机与海水淡化的作用。
4结束语
目前，国内外海水淡化装置用汽全部来自汽轮发电机组抽汽，关断抽汽管道阀门，汽轮发电机组和海水淡化装置都可以单独运行（如天津北疆电厂），而本套装置直接将海水淡化与汽轮机排汽口相连接，两者高度相关，海水淡化装置不仅承担除盐水生产任务，还肩负了汽轮机凝汽器的功能。此外，低温多效海水淡化热电联产技术开创了海水淡化利用低品质汽轮机负压排汽（0.035MPa，73℃）的先河，该技术在大幅降低海水淡化生产成本的同时，形成了热—电—水三联产模式，不仅填补了国内技术空白，为沿海地区钢铁企业能源的生产起到示范作用。海水淡化热电联产技术，汽源采用汽轮机直接排汽，蒸汽的焓降在汽轮机中得到充分利用后，直接排入低温多效蒸馏海水淡化装置，大大降低了蒸汽的能量品位，从而大幅度降低海水淡化的运行成本。海水淡化热电联产技术成功的应用了低品质的汽轮机负压排汽，极大的降低了海水淡化生产成本，可为公司创造经济效益。
作者：程晓婷 单位：首钢京唐公司能环部
