CN108275738A - 基于新能源发电的mvr海水淡化系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种基于新能源发电的MVR海水淡化系统，属于海水淡化技术领域。包括新能源发电系统、过滤装置、一级换热器、二级换热器、电加热装置、蒸发器、汽液分离器、MVR蒸汽压缩机等。利用MVR蒸汽压缩机对二次蒸汽进行余热回收利用，采用电加热装置提供启动蒸汽，并在二次蒸汽不足时为MVR蒸汽回收系统提供外部能量，有效提高了MVR系统运行的稳定性、可靠性和效率。同时可充分利用可再生能源，无需外引电源，直接独立安装在海上运行；结合自动控制系统，实现海水淡化系统的免维护及无人值守运行。整个系统具有体积小、成本低、免维护、独立运行、能量需求少、操作简单、节能环保等优点，非常适合于大规模推广应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种MVR海水淡化系统，特别是一种基于新能源发电的、利用MVR技术进行海水淡化的系统。属于海水淡化技术领域。
背景技术
随着社会经济的发展，沿海地区和海岛居民的淡水用量与日俱增，淡水缺乏严重，使得海岛的建设停滞，甚至海岛居民放弃岛屿居住，回迁到内陆生活，造成沿海岛屿荒废。由于淡水资源日趋紧缺，发展海水淡化技术具有极其深远的意义。传统的单效及多效蒸发技术需要提供大量生蒸汽，并需配置燃煤锅炉及冷却系统，会造成难以避免的能源消耗和产生大量的废物排放，同时造成系统整体结构复杂，体积庞大，操作和维护困难，系统效率较低，运行成本高。
总体来说，当前的海水淡化系统存在四方面的问题：一是传统的海水淡化装置的能源主要来自煤炭和石油等化石燃料，能源消耗高并且污染环境，对于海岛来说，化石燃料增加了运输成本；二是传统的海水淡化技术的能源利用率低，体现在冷却水的热量流失以及蒸汽中的大量能量流失；三是目前的海水淡化技术缺乏整体性，产生的大量浓海水直接排放，没有得到有效利用，与含盐矿物提炼等技术缺乏协同联产利用；四是传统的海水淡化装置，将产生的浓海水直接排放到海里，长久下去将影响海岛附近海域动植物的繁衍生息，对海岛附近的海产养殖造成直接的经济损失。
为了解决传统海水淡化装置的能源消耗问题，中国专利“一种利用风能的蒸汽压缩海水淡化装置”（申请号：201710076385.3）提出了利用风能的蒸汽压缩海水淡化装置，采用五效蒸发器，相邻两效的蒸发温度差约为5℃，最后一效的蒸汽温度约为48℃。虽然该专利实现了风能的利用，也采用了蒸汽压缩机进行蒸汽回收利用，但是该专利没有加热装置，一方面系统没有初始外源蒸汽无法启动，另一方面在蒸汽量不足的情况下无法维持蒸发系统的工作；此外，采用MVR蒸汽压缩技术进行蒸汽回收利用时，只用一效蒸发就可以达到10-30效的多效蒸发效果，该专利采用五效，导致了整个系统结构复杂、成本高昂、体积庞大等诸多缺点。
为了解决传统的海水淡化技术的能源利用率低问题，中国专利“一种高效MVR集成化海水淡化装置及海水淡化方法”（申请号：201410546383.2）虽然在余热回收方面采用MVR提高了能源利用率，但是该专利仍然没有加热装置，同时也没有考虑海水蒸发淡化的现场环境导致的电源难以提供的问题。中国专利“潮汐能太阳能和机械式蒸汽再压缩海水淡化综合系统”（申请号：201510110258.1）实现了利用新能源发电对整个系统供电，虽然采用太阳能板式预热器为补充的海水进行了预热，但是一方面预热温度不足以启动MVR蒸发系统运行，另一方面在蒸汽量不足的情况下仍然无法维持蒸发系统的工作。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提出了一种基于新能源发电的MVR海水淡化系统，充分利用可再生能源如太阳能、风能和潮汐能发电，无需外引电源，可直接独立安装在海上运行；采用MVR蒸汽压缩回收利用系统，大大减少了能源的浪费，极大地降低了对外部能源的需求，对可再生能源发电系统的容量要求也随之降低，减少了整体投资；采用MVR单效蒸发，降低了系统的复杂性和投资成本；采用电加热系统为MVR蒸汽压缩回收利用系统的启动和正常稳定运行提供外部热源，有效提高了MVR系统运行的稳定性、可靠性和效率，同时结合自动控制系统，实现海水淡化系统的免维护及无人值守运行。整个系统具有体积小、成本低、免维护、独立运行、能量需求少、操作简单、节能环保等优点，非常适合于大规模推广应用。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
所述的基于新能源发电的MVR海水淡化系统，包括新能源发电系统（1）、进水泵（2）、过滤装置（3）、一级换热器（4）、二级换热器（5）、电加热装置（6）、蒸发器（7）、汽液分离器（8）、MVR蒸汽压缩机（9）、冷凝水泵（10）、浓海水出水泵（11）、循环水泵（12）。
新能源发电系统（1）为进水泵（2）、电加热装置（6）、MVR蒸汽压缩机（9）、冷凝水泵（10）、浓海水出水泵（11）、循环水泵（12）等用电装置提供电能，新能源是清洁、无污染的可再生能源，采用新能源供电，不需要外引电源，可直接独立安装在海上运行，具有方便、节能、环保的功效。
海水首先经进水泵（2）进入过滤装置（3）过滤，防止大块砂石或者海生物进入系统，影响系统正常运行，再经一级换热器（4）与冷凝水换热，将冷凝水中的余热回收利用，则海水温度升高、冷凝水温度降低并成为最终生产出的淡水，随后海水经二级换热器（5）与浓海水换热将浓海水中的余热回收利用，则海水温度进一步升高，浓海水温度降低后排出，随后海水经电加热装置（6）加热，进入蒸发器（7），进入循环蒸发过程。
海水蒸发后的汽水混合物进入汽液分离器（8），将蒸汽和海水有效分离，蒸汽送给MVR蒸汽压缩机（9）。
由于MVR的理论基础是波义耳定律，即PV/T = K，其含义是一定质量的气体的压强×体积/温度为常数，也就意味着当气体的体积减小，压强增大时，气体的温度也会随之升高；根据此原理，当稀薄的二次蒸汽在经体积压缩后其温度会随之升高，从而实现将低温、低压的蒸汽变成高温高压的蒸汽，则蒸汽部分经MVR蒸汽压缩机（9）压缩后，回送给蒸发器（7）进行余热回收利用，浓海水部分经浓海水出水泵（11）送给二级换热器（5）进行余热利用。
蒸汽在蒸发器（7）中用于蒸发海水，释放出潜热变为冷凝水，这里的冷凝水就是淡水，经冷凝水泵（10）送一级换热器（4）进行余热利用。整个过程中，一级换热器（4）、二级换热器（5）和MVR蒸汽压缩机（9）构成余热回收系统，冷凝水进入一级换热器（4）为海水预热，浓海水进入二级换热器（5）为海水再次预热，MVR蒸汽压缩机（9）将蒸汽压缩，提高蒸汽温度和压力后，才能用于蒸发海水，从而有效回收蒸汽中所含大量潜热。
循环水泵（12）强制对蒸发器（7）内的海水进行循环蒸发，控制海水的浓度。
MVR蒸汽压缩回收利用系统在一开始启动时，必须先有蒸汽，所以必须要用电加热装置（6）对开始的冷海水进行加热使其蒸发；当电加热装置（6）加热海水产生足够的二次蒸汽，能够维持MVR蒸汽压缩机（9）正常工作时，停止采用电加热装置（6）加热；在理想状态下，MVR蒸汽压缩回收利用系统没有能量损失，仅靠维持MVR蒸汽压缩机（9）运行的电能就可以使整个系统连续地运行下去。
但是，实际运行时，MVR蒸汽压缩回收利用系统或多或少总是有能量损失的，仅依靠维持MVR蒸汽压缩机（9）运行的电能不足以补充这些能量损失，就会导致MVR蒸汽压缩回收利用系统运行一段时间后，蒸汽量会越来越少，直至停止运行。因此，采用电加热装置（6）可有效解决这一问题，当MVR蒸汽压缩机（9）循环压缩的蒸汽量不足时，启动电加热装置（6）补充一部分能量。
所述系统启动时，由新能源发电系统（1）为进水泵（2）、电加热装置（6）供电，当海水在蒸发器（7）中开始产生蒸汽时，MVR蒸汽压缩机（9）启动，将产生的二次蒸汽压缩，提高其温度和压力，送到蒸发器（7）进行余热利用。
所述的蒸发器（7）包括进水口（701）、喷淋头（702）、冷凝水出水口（703）、蒸汽入口（704）、上水箱（705）、列管（706）、加热室（707）、下水箱（708）；进水口（701）一端与喷淋头（702）相连接并置于上水箱（705）内，其另一端与循环水泵（12）一端相连接，循环水泵（12）的另一端与下水箱（708）相连，同时下水箱（708）与汽液分离器（8）相连，列管（706）排列在加热室（707）内，接收喷淋头（702）喷洒的海水，安装在加热室（707）上的蒸汽入口（704）与MVR蒸汽压缩机（9）相连接，电加热装置（6）置于蒸发器（7）的下水箱（708）底部，为待蒸发海水进行加热，冷凝水出水口（703）置于加热室（707）底部，将冷凝淡水送出。
MVR蒸发系统启动时，首先海水送入电加热装置（6）中进行加热，直至在下水箱（708）中产生蒸汽，送往汽液分离器（8）中，循环水泵（12）将待蒸发海水经进水口（701）送入喷淋头（702），喷淋头（702）将待蒸发海水向列管（706）喷洒；同时MVR蒸汽压缩机（9）将汽液分离器（8）中的蒸汽进行压缩，压缩后的蒸汽送入蒸发器（7）的加热室（707）内，为列管（706）内的待蒸发海水进行蒸发。
汽液分离器（8）中的浓海水经浓海水出水泵（11）送入二级换热器（5）内，为海水预热利用，冷凝的淡水经冷凝水泵（10）送出入送一级换热器（4）内，与新进海水交换热量后，作为最终淡水送出。
所述的电加热装置（6）加热功率可调。MVR蒸汽压缩系统在初始启动和维持运行时，对电加热装置（6）所需的功率不同，初始启动为产生蒸汽，要求电加热装置（6）大功率运行；随后，MVR蒸汽压缩回收利用系统进入正常工作，为维持其稳定运行，仅需电加热装置（6）间断或小功率连续运行即可。
所述的基于新能源发电的MVR海水淡化系统，包括变频驱动装置（13），为MVR蒸汽压缩机（9）供电，并根据需要通过调节转速调节MVR蒸汽压缩机（9）的排气量。MVR蒸汽压缩机（9）一般用变频电机拖动。
所述的基于新能源发电的MVR海水淡化系统，包括测控系统（14）、MVR进口温度传感器（15）、MVR进口压力传感器（16）、MVR出口压力传感器（17）、MVR出口温度传感器（18）、电加热装置出口温度传感器（19）。测控系统（14）与上述的温度和压力传感器相连，根据测得的各处实时温度和压力，控制所述系统的运行，实现新能源MVR海水淡化全自动控制。
所述的基于新能源发电的MVR海水淡化系统，包括储能装置（20），储存新能源发电系统（1）多余的电能，并在所述系统需要时向外输出电能。所述的系统在启动时、正常运行时需要的能量是波动的，尤其是在启动时需求的能量较大；新能源发电系统（1）受气候等环境因素影响，发出的电能也是不稳定的，因此需要采用储能装置（20）进行能量的储存和缓冲。
与现有技术相比较，本发明具有如下优点：
1、采用新能源发电系统为海水淡化系统进行供电，充分利用可再生能源如海上太阳能、海上风能和潮汐能发电，则无需外引电源，可直接独立安装在海上运行，有效降低了设备投资，还具有节能、环保等优点。
2、采用MVR蒸汽压缩回收利用系统，对二次蒸汽进行回收、压缩、再供热，充分利用蒸汽能量，大大减少了能源的浪费，极大地降低了对外部能源的需求，对可再生能源发电系统的容量要求也随之降低，减少了整体投资，有效降低海水淡化成本，更加便于新能源发电系统在海水淡化中的实施。
3、采用电加热系统为MVR蒸汽压缩回收利用系统的启动和正常稳定运行提供外部热源，有效提高了MVR系统运行的稳定性、可靠性和效率，便于实现海水淡化系统的免维护和无人值守的独立运行，也进一步降低了运行维护成本。
4、将冷凝出的淡水与待蒸发的海水进行换热，进一步实现对余热的回收利用，从而也降低了整个系统对能量的需求。
5、采用传感器及测控系统，对MVR蒸汽压缩设备的温度和压力实时测量，保证系统安全可靠地工作，并进行整个海水淡化系统的全自动控制，操作简单，实现海水淡化系统的免维护及无人值守运行。
6、采用MVR单效蒸发，在保证系统蒸发效率的前提下，降低了系统的复杂性和投资成本，并减少了整个系统的体积，同时MVR蒸汽压缩回收利用系统对外部能源的需求少，使得整个海水淡化系统非常适合于大规模推广应用。
附图说明
图1：新能源MVR海水淡化系统示意图。
图2：蒸发器结构图。
图3：新能源发电系统结构图。
图4：传感器及测控系统结构图。
图中：1-新能源发电系统、2-进水泵、3-过滤装置、4-一级换热器、5-二级换热器、6-电加热装置、7-蒸发器、8-汽液分离器、9-MVR蒸汽压缩机、10-冷凝水泵、11-浓海水出水泵、12-循环水泵、13-变频驱动装置、14-测控系统、15-MVR进口温度传感器、16-MVR进口压力传感器、17-MVR出口压力传感器、18-MVR出口温度传感器、19-电加热装置出口温度传感器、20-储能装置、701-进水口、702-喷淋头、703-冷凝水出水口、704-蒸汽入口、705-上水箱、706-列管、707-加热室、708-下水箱。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细的说明：
如图1所示，本发明的基于新能源发电的MVR海水淡化系统，包括新能源发电系统（1）、进水泵（2）、过滤装置（3）、一级换热器（4）、二级换热器（5）、电加热装置（6）、蒸发器（7）、汽液分离器（8）、MVR蒸汽压缩机（9）、冷凝水泵（10）、浓海水出水泵（11）、循环水泵（12）、变频驱动装置（13）、测控系统（14）、MVR进口温度传感器（15）、MVR进口压力传感器（16）、MVR出口压力传感器（17）、MVR出口温度传感器（18）、电加热装置出口温度传感器（19）、储能装置（20）。
例如，约20℃海水首先经进水泵（2）进入过滤装置（3）过滤，将大块砂石或海生物过滤掉，再经一级换热器（4）与冷凝水换热，则海水温度升高约至35℃，随后约35℃海水经二级换热器（5）与浓海水换热，则海水温度进一步升高约至50℃，随后约50℃海水经电加热装置（6）加热约至80℃，进入蒸发器（7），进入循环蒸发过程，海水蒸发后的汽水混合物进入汽液分离器（8），蒸汽部分经MVR蒸汽压缩机（9）压缩后，回送给蒸发器（7）进行余热回收利用，约65℃浓海水部分经浓海水出水泵（11）送给二级换热器（5）进行余热利用，浓海水温度降低约至55℃并作为废水排出。
蒸汽在蒸发器（7）中用于蒸发海水，释放出潜热变为冷凝水，温度降低约至70℃，经冷凝水泵（10）送一级换热器（4）进行余热利用，冷凝水温度降低约至40℃，并成为最终生产出的淡水。
循环水泵（12）强制对蒸发器（7）内的海水进行循环蒸发，当电加热装置（6）加热海水产生足够的蒸汽，能够维持MVR蒸汽压缩机（9）正常工作时，停止采用电加热装置（6）加热，当MVR蒸汽压缩机（9）循环压缩的蒸汽量不足时，启动电加热装置（6）补充一部分能量。
为进一步说明蒸发系统的工作原理，如图2所示的蒸发器结构图，所述的蒸发器（7）包括进水口（701）、喷淋头（702）、冷凝水出水口（703）、蒸汽入口（704）、上水箱（705）、列管（706）、加热室（707）、下水箱（708）。
电加热装置（6）将下水箱（708）中的待蒸发海水加热约至80℃左右，循环水泵（12）将80℃海水经进水口（701）送入喷淋头（702），向列管（706）内喷洒，同时MVR蒸汽压缩机（9）将压缩后的蒸汽送入加热室（707）用于蒸发向列管（706）内的海水，浓海水和新生蒸汽进入下水箱（708），冷凝水经冷凝水出水口（703）送出，完成海水淡化过程。
为进一步说明新能源发电系统，如图3所示的新能源发电系统结构图，新能源发电系统（1）为进水泵（2）、电加热装置（6）、MVR蒸汽压缩机（9）、冷凝水泵（10）、浓海水出水泵（11）、循环水泵（12）、变频驱动装置（13）提供电能，其中的电加热装置（6）加热功率可调，变频驱动装置（13）为MVR蒸汽压缩机（9）供电，并根据需要调节MVR蒸汽压缩机（9）的排气量。
例如，新能源发电系统（1）可为海上太阳能光伏发电系统，作为一种将太阳能转换成电能直接使用或将电能储存在储存装置（20）蓄电池中的新能源供电系统，通过将太阳能光伏阵列和其他辅助装置结合起来实现发电过程；结构简单，可直接在海上建立独立的工作平台，不需要外引电源，应用方便、节能环保，具有很好的实用效果。
为保证整个系统的自动化运行和可靠工作，如图4所示的传感器及测控系统结构图，包括测控系统（14）、MVR进口温度传感器（15）、MVR进口压力传感器（16）、MVR出口压力传感器（17）、MVR出口温度传感器（18）、电加热装置出口温度传感器（19）。测控系统（14）与上述的温度和压力传感器相连，根据测得的各处实时温度和压力，控制所述系统的运行，保证系统安全可靠地工作。
以上所述仅为本发明的较佳实施实例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.基于新能源发电的MVR海水淡化系统，其特征在于：包括新能源发电系统（1）、进水泵（2）、过滤装置（3）、一级换热器（4）、二级换热器（5）、电加热装置（6）、蒸发器（7）、汽液分离器（8）、MVR蒸汽压缩机（9）、冷凝水泵（10）、浓海水出水泵（11）、循环水泵（12）；
新能源发电系统（1）为进水泵（2）、电加热装置（6）、MVR蒸汽压缩机（9）、冷凝水泵（10）、浓海水出水泵（11）、循环水泵（12）提供电能；
海水首先经进水泵（2）进入过滤装置（3）过滤，再经一级换热器（4）与冷凝水换热，则海水温度升高、冷凝水温度降低并成为最终生产出的淡水；
随后海水经二级换热器（5）与浓海水换热，则海水温度进一步升高，浓海水温度降低后排出；
随后海水经电加热装置（6）加热，进入蒸发器（7），进入循环蒸发过程；
海水蒸发后的汽水混合物进入汽液分离器（8），蒸汽部分经MVR蒸汽压缩机（9）压缩后，回送给蒸发器（7）进行余热回收利用，浓海水部分经浓海水出水泵（11）送给二级换热器（5）进行余热利用；
蒸汽在蒸发器（7）中用于蒸发海水，释放出潜热变为冷凝水，经冷凝水泵（10）送一级换热器（4）进行余热利用；
循环水泵（12）强制对蒸发器（7）内的海水进行循环蒸发；
当电加热装置（6）加热海水产生足够的二次蒸汽，能够维持MVR蒸汽压缩机（9）正常工作时，停止采用电加热装置（6）加热；
当MVR蒸汽压缩机（9）循环压缩的蒸汽量不足时，启动电加热装置（6）补充一部分能量。
2.根据权利要求1所述的基于新能源发电的MVR海水淡化系统，其特征在于：所述的蒸发器（7）包括进水口（701）、喷淋头（702）、冷凝水出水口（703）、蒸汽入口（704）、上水箱（705）、列管（706）、加热室（707）、下水箱（708）；
进水口（701）一端与喷淋头（702）相连接并置于上水箱（705）内，其另一端与循环水泵（12）一端相连接，循环水泵（12）的另一端与下水箱（708）相连，同时下水箱（708）与汽液分离器（8）相连；
列管（706）排列在加热室（707）内，接收喷淋头（702）喷洒的海水，安装在加热室（707）上的蒸汽入口（704）与MVR蒸汽压缩机（9）相连接，电加热装置（6）置于蒸发器（7）的下水箱（708）底部，为待蒸发海水进行加热，冷凝水出水口（703）置于加热室（707）底部，将冷凝淡水送出。
3.根据权利要求1所述的基于新能源发电的MVR海水淡化系统，其特征在于：所述的电加热装置（6）加热功率可调。
4.根据权利要求1所述的采用基于新能源发电的MVR海水淡化系统，其特征在于：包括变频驱动装置（13），为MVR蒸汽压缩机（9）供电，并根据需要通过调节转速调节MVR蒸汽压缩机（9）的排气量。
5.根据权利要求1所述的基于新能源发电的MVR海水淡化系统，其特征在于：包括测控系统（14）、MVR进口温度传感器（15）、MVR进口压力传感器（16）、MVR出口压力传感器（17）、MVR出口温度传感器（18）、电加热装置出口温度传感器（19）；
测控系统（14）与上述的温度和压力传感器相连，根据测得的各处实时温度和压力，控制所述系统的运行。
6.根据权利要求1所述的基于新能源发电的MVR海水淡化系统，其特征在于：包括储能装置（20），储存新能源发电系统（1）多余的电能，并在所述系统需要时向外输出电能。
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