一种实现水热同产的立式多级闪蒸装置

本发明属于海水淡化与集中供热技术领域，特别涉及一种实现水热同产的立式多级闪蒸装置。

技术背景

水资源短缺愈加成为全球性的环境和经济问题。中国是全球人均水资源最少的国家之一，需要从开源和节流两方面共同促进水资源的高效利用。20世纪后半叶以来，海水淡化逐渐受到世界的关注。相比另外两种淡水取用方式——地下取水和远程调水，海水淡化的原水来源广阔，能耗低，是被世界各国认可的最经济的淡水取用方式。

传统的海水淡化技术包括热法中的多效蒸馏，多级闪蒸和膜法中的反渗透制取淡水。其中，热法海水淡化能量利用率低，而膜法反渗透的淡水质量不高。实际上，可以将热法海水淡化与北方城镇集中供热系统相结合，通过制取高温淡水，实现水热同产模式，同时满足海水淡化和集中供热的需求，就能够实现热法海水淡化的能量利用率提高，从而同时促进了海水淡化高热效率和集中供热的清洁化发展。

为了实现海水淡化水热同产，已有公开的专利(专利：cn112062189a,cn212269517u,cn112010379a,cn212269518u,cn112010381a,cn112062188a,cn112062374a,cn112010380a,cn112062195a,cn112047432a,cn112062187a)提出了多种流程，包括多效蒸馏，多级闪蒸，反渗透再热等。其中，专利cn212269518u,cn112010381a是采用多级闪蒸方式实现目的。流程中的闪蒸冷凝器采用的是传统海水淡化的卧式结构，闪蒸器与冷凝器在同一腔体内。该流程需要通过多个循环泵实现内部溶液的循环，具有较高的运行成本。

据此，本发明提出了一种实现水热同产的立式多级闪蒸装置，提出了立式的结构，并将闪蒸器与冷凝器独立开来。本装置能够实现淡水在流程中被直接加热为热淡水，不存在淡水先降温后被加热的重复换热过程。本发明能匹配热力学上的水热同产最优闪蒸流程。同时，还可减少系统内部循环泵的使用，最大程度地利用重力实现液体内循环，这是已有专利无法实现的效果。本申请设计了系统内部各部件的具体结构和作用方式，能够进一步促使海水淡化水热同产构想的实施。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种实现水热同产的立式多级闪蒸装置；其特征在于：所述立式多级闪蒸装置包括：1-p级立式冷凝器1、1-p级立式闪蒸器2、海水热回收换热器3、海水尖峰加热器4、海水进口管路5、海水出口管路6、淡水出口管路7；还包括有淡水尖峰加热器8、回流海水管路9，回流海水流量调节阀10，内循环海水管路11、p级立式闪蒸器和p级立式冷凝器内部设置的外部热源换热的端口12以及淡水旁通管路13；其中1-p级立式冷凝器1和1-p级立式闪蒸器2通过海水进口管路5、海水出口管路6和淡水出口管路7的进出口管道连接，并根据具体情况选择不同部件组成六种结构的水热同产的立式多级闪蒸装置；所述立式冷凝器1为独立的立式多级罐体；所述立式闪蒸器2也为独立的立式多级罐体；p≥2；各级冷凝器和闪蒸器内部的压力随级数依次降低。

所述立式冷凝器1包括从高到低依次为第p级、第p-1级、…第m+1级、第m级、…、第2级、第1级；该立式冷凝器1采用管壳式换热器，立式冷凝器1各级直接通过壳体连接；连接通道管内介质为海水，并设置海水进口101和海水出口102；管外介质为水蒸汽和冷凝淡水，并设置淡水进口103，水蒸气进口104和淡水出口105；其中，第m级立式冷凝器的海水进口101与第m+1级立式冷凝器的海水出口102相连通，实现海水的逐级预热；第m级立式冷凝器的淡水进口103与第m+1级立式冷凝器的淡水出口105相连通，实现淡水在流程中被一次直接加热为热淡水，不存在淡水先降温后被加热的重复换热过程；其中1≤m≤p-1。

所述p级立式闪蒸器2包括从高到低依次为第1级、2级、…第m级、第m+1级、…、p-1级、p级；立式闪蒸器2各级直接通过壳体连接；所述p级立式闪蒸器2内介质为海水，包括海水进口201，海水出口202和闪蒸水蒸气出口203；第m级立式闪蒸器的海水出口202与第m+1级立式闪蒸器的海水进口201相连通，实现海水的逐级闪蒸；其中1≤m≤p-1。

所述海水尖峰加热器4采用间壁式换热器，设置热源进口401，热源出口402、海水进口403和海水出口404；其加热热源按照实际情况选择，被加热介质为海水；海水尖峰加热器4的海水进口403与第1级立式冷凝器1的海水出口102相连通；海水尖峰加热器4的海水出口404与第1级立式闪蒸器2的海水进口201相连通，中间设置海水流量调节阀门501。

所述海水热回收换热器3采用间壁式换热器；在海水热回收换热器3内，海水进口管路5内的海水与海水出口管路6内的海水进行换热，实现海水的热回收；海水进口管路5与第p级立式冷凝器的海水进口101相连通，海水出口管路6与第p级立式闪蒸器的海水出口202相连通。淡水出口管路7与第1级立式冷凝器的淡水出口105相连通。

在所述海水进口管路5上设置变频泵，以调节进口海水流量。在所述海水出口管路6上设置两级水泵，包括第一级屏蔽泵和第二级变频泵。海水从立式闪蒸器第p级的海水出口202流出后，首先经过屏蔽泵，再经过变频泵。在所述淡水出口管路7上也设置两级水泵，包括第一级屏蔽泵和第二级变频泵。海水从第1级立式冷凝器的淡水出口105流出后，首先经过屏蔽泵，再经过变频泵。

所述淡水尖峰加热器8设置有热源进口801，热源出口802，淡水进口803，淡水出口804；此时，淡水尖峰加热器8的淡水进口803与第1级立式冷凝器1的淡水出口105相连通，淡水尖峰加热器8的淡水出口804与淡水出口管路7连通，实现所制取淡水的进一步加热的功能。

所述第p级立式闪蒸器2的海水出口202与内循环海水管路11连接，并分为回流海水管路9和海水出口管路6两支；在回流海水管路9上设置回流海水流量调节阀10，以调节回流海水管路9与海水出口管路6的流量分配比例；在回流海水管路9的另一侧与海水进口管路5汇合成内循环海水管路11，与第p级立式冷凝器1的海水进口101相连接。此时，原先在海水出口管路6上的两级水泵的设置方式变更为：第一级屏蔽泵设置在内循环海水管路11上，第二级变频泵设置在海水出口管路6上。

所述式闪蒸器和立式冷凝器内部设置n个外部热源换热的端口12，其端口数量n满足1≤n≤2p，可按照实际需求任意设置；在多个不同品位的外部热源工况下，可按照一定方式任意接入合适的外部热源换热的端口12，实现多品位热源海水淡化水热同产过程；在此基础上，海水热回收换热器3可设置两套。此时，海水出口管路6内海水与海水进口管路5内海水通过其中一套海水热回收换热器3实现热回收；海水进口管路5内通过另外一套海水热回收换热器3进行海水与合适的热源热交换。

所述淡水出口管路7与第1级立式闪蒸器之间设置一条淡水旁通管路13，同时，在淡水旁通管路13上设置阀门1301，从而可控制制取淡水的水质。

所述立式闪蒸器2内采用的闪蒸方式可选择浸没闪蒸或喷淋闪蒸；其中，第m级立式闪蒸器2与第m+1级立式闪蒸器2的隔压方式为孔板隔压；闪蒸器内部可添加多道挡液板以防止蒸汽带液，从而提高系统制取淡水的水质。

所述立式冷凝器1内，第m+1级立式冷凝器1与第m级立式冷凝器1的隔压方式为多孔板隔压；第m+1级立式冷凝器的淡水通过孔板进入第m级立式冷凝器，淡水的级间流动方式可选择孔板喷淋流动，淡水与蒸汽的换热过程可选择直接接触式换热，从而实现淡水的逐级加热；水蒸气通过水蒸气进口104进入冷凝器后，先加热淡水，后预热管内海水，冷凝成淡水后与腔内淡水混合；其中1≤m≤p-1。

本发明的有益效果是实现海水淡化与集中供热结合的水热同产，匹配热力学上的水热同产最优闪蒸流程，本发明提出的立式结构能够最大程度地利用重力实现系统内海水和淡水的流动，减少系统内部循环泵的使用，从而减少系统运行成本。本发明详细给出了系统内各部件的具体实施方式和相关结构，有助于具体方案的工程实施。

本发明具有如下特点：

1.本实现水热同产的立式多级闪蒸装置可实现高温热淡水的直接制取，有效实现了海水淡化系统与集中供热系统的结合，既能够通过海水淡化解决水资源短缺的问题，又能够通过高温淡水实现集中供热冬季采暖的需求；

2.从流程上实现了淡水在流程中被直接加热为热淡水，不存在淡水先降温后被加热的重复换热过程，能够匹配从热力学角度的最优水热同产热法海水淡化流程；

3.立式结构能够最大程度地利用重力实现系统内海水和淡水的流动，减少系统内部循环泵的使用，从而减少系统运行成本，同时还能有效减少系统的占地面积。

4.本发明给出了系统内各部件的具体实施方式和相关结构，有助于具体方案的工程实施。

附图说明

图1为第一种p级实现水热同产的立式多级闪蒸装置结构示意图；

图2为第二种p级实现水热同产的立式多级闪蒸装置结构示意图；

图3为第三种p级实现水热同产的立式多级闪蒸装置结构示意图；

图4为第四种p级实现水热同产的立式多级闪蒸装置结构示意图；

图5为第五种p级实现水热同产的立式多级闪蒸装置结构示意图；

图6为第六种p级实现水热同产的立式多级闪蒸装置结构示意图；

图7为立式闪蒸器内海水的级间溢流浸没式闪蒸方式示意图；

图8为立式闪蒸器内海水的级间孔板喷淋式闪蒸方式示意图；

图9为立式冷凝器内淡水的级间孔板喷淋式流动方式及淡水与蒸汽直接接触式换热过程示意图。

附图标记：

1：立式冷凝器；2：立式闪蒸器；3：海水热回收换热器；4：海水尖峰加热器；5：海水进口管路；6：海水出口管路；7：淡水出口管路；8：淡水尖峰加热器；9：回流海水管路；10：回流海水流量调节阀；11：内循环海水管路；12：实现与外部热源换热的端口；13：淡水旁通管路。

101：立式冷凝器的海水进口；102：立式冷凝器的海水出口；103：立式冷凝器的淡水进口；104：立式冷凝器的水蒸气进口；105：立式冷凝器的淡水出口；201：立式闪蒸器的海水进口；202：立式闪蒸器的海水出口；203：立式闪蒸器的水蒸气出口；204：挡液板；205：隔压孔板；401：海水尖峰加热器的热源进口；402：海水尖峰加热器的热源出口；403：海水尖峰加热器的海水进口；404：海水尖峰加热器的海水出口；801：淡水尖峰加热器的热源进口；802：淡水尖峰加热器的热源出口；803：淡水尖峰加热器的淡水进口；804：淡水尖峰加热器的淡水出口；1301：淡水旁通管路的阀门。

具体实施方式

本发明提供了一种实现水热同产的立式多级闪蒸装置；下面结合附图对本发明予以进一步说明。

图1所示为第一种p级实现水热同产的立式多级闪蒸装置结构示意图；图中所示，立式多级闪蒸装置包括1-p级立式冷凝器1、1-p级立式闪蒸器2、海水热回收换热器3、海水尖峰加热器4、海水进口管路5、海水出口管路6、淡水出口管路7；还包括有淡水尖峰加热器8、回流海水管路9，回流海水流量调节阀10，内循环海水管路11、p级立式闪蒸器和p级立式冷凝器内部设置的外部热源换热的端口12以及淡水旁通管路13；其中立式冷凝器1和立式闪蒸器2通过海水进口管路5、海水出口管路6和淡水出口管路7的进出口管道连接，并根据具体情况选择不同部件组成六种结构的水热同产的立式多级闪蒸装置；所述立式冷凝器1为独立的立式多级罐体；所述立式闪蒸器2也为独立的立式多级罐体；p≥2；各级冷凝器和闪蒸器内部的压力随级数依次降低。

具体地，1-p级立式冷凝器1采用管壳式换热器，管内通道介质为海水，管外介质为水蒸汽和冷凝淡水、第m级立式冷凝器的海水进口101与第m+1级立式冷凝器的海水出口102相连通；第m级立式冷凝器的淡水进口102与第m+1级立式冷凝器的淡水出口105相连通。其中1≤m≤p-1。p级立式闪蒸器2内介质为海水。第m级立式闪蒸器的海水出口202与第m+1级立式闪蒸器的海水进口201相连通。其中1≤m≤p-1，第m级立式闪蒸器的水蒸气出口203与第m级立式冷凝器的水蒸气进口104连接，其中1≤m≤p。

海水尖峰加热器4采用间壁式换热器，加热热源按照实际情况选择。被加热介质为海水。海水尖峰加热器4的海水进口403与第1级立式冷凝器的海水出口102相连通。海水尖峰加热器4的海水出口404与第1级立式闪蒸器的海水进口201相连通，中间设置海水流量调节阀门501；海水热回收换热器3采用间壁式换热器。在海水热回收换热器3采用间壁式换热器；在海水热回收换热器3内，海水进口管路5内的海水与海水出口管路6内的海水进行换热，实现海水的热回收；海水进口管路5与第p级立式冷凝器的海水进口101相连通，海水出口管路6与第p级立式闪蒸器的海水出口202相连通。淡水出口管路7与第1级立式冷凝器的淡水出口105相连通。

在所述海水进口管路5上设置变频泵，以调节进口海水流量。在所述海水出口管路6上设置两级水泵，包括第一级屏蔽泵和第二级变频泵。海水从立式闪蒸器第p级的海水出口202流出后，首先经过屏蔽泵，再经过变频泵。在所述淡水出口管路7上也设置两级水泵，包括第一级屏蔽泵和第二级变频泵。海水从第1级立式冷凝器的淡水出口105流出后，首先经过屏蔽泵，再经过变频泵。

从内部流体来看，海水通过海水进口管路5，首先在海水热回收换热器3内与流出海水进行热回收过程后，流动进入第p级立式冷凝器后，逐级流动至第1级立式冷凝器后流出，海水被各级立式冷凝器内的蒸汽加热至高温。随后，海水进入海水尖峰加热器4，被外部热源进一步加热至最高温度后，进入第1级立式闪蒸器，逐级流动，降压闪蒸，最后进入第p级立式闪蒸器2，完成闪蒸过程后流入海水出口管路6，经过海水热回收换热器3与进口海水进行热交换后排放出系统。其中，海水在闪蒸器内由高处流动至低处，具体的流动过程是完全通过重力作用实现的。

海水经过每一级立式闪蒸器完成闪蒸过程后，闪蒸出的水蒸气通过一定方式进入相同编号的立式冷凝器1内，完成对海水的预热与低温淡水的加热过程。据此，淡水从第p级立式冷凝器逐级流动至第1级立式冷凝器后，流入淡水出口管路7中。淡水在流程中被一次直接加热为热淡水，不存在淡水先降温后被加热的重复换热过程。此外，淡水在冷凝器内同样是由高处流至低处，具体的流动过程也是完全通过重力作用实现，从而最大程度的减小了泵的使用。

其中，海水在闪蒸器内的闪蒸方式可分别选择如图7和图8所示出的浸没闪蒸和喷淋闪蒸方式。淡水在冷凝器内不同级间的流动方式可选择如图9示出的孔板喷淋方式，淡水与蒸汽的换热过程可选择如图9所示的直接接触式换热过程。

其中，海水尖峰加热器4，淡水尖峰加热器8和海水热回收换热器3的热源形式，可包括热电联产系统中汽轮机的抽汽，背压机蒸汽，低品位乏汽，高温循环水等，按照实际需求来选择与设计。

据此，本发明通过一种实现水热同产的立式多级闪蒸装置，实现高温热淡水的直接制取。如图1所示的装置基本结构实现了淡水在流程中被直接加热为热淡水，不存在淡水先降温后被加热的重复换热过程，能够匹配从热力学角度的最优水热同产热法海水淡化流程。此外，本发明提出的立式结构能够最大程度地利用重力实现系统内海水和淡水的流动，减少系统内部循环泵的使用，从而减少系统运行成本。本发明详细给出了系统内各部件的具体实施方式和相关结构，有助于具体方案的工程实施。

图2所示为本发明第二种实现水热同产的立式多级闪蒸装置结构示意图。在图1所示的基本流程基础上，图2所示的流程在淡水出口管路7上设置了淡水尖峰加热器8。淡水尖峰加热器8设置有热源进口801，热源出口802，淡水进口803，淡水出口804；淡水尖峰加热器8的淡水进口803与第1级立式冷凝器的淡水出口105相连通，淡水尖峰加热器8的淡水出口804与淡水出口管路7连通，实现所制取淡水的进一步加热的功能。

图3所示为本发明第三种实现水热同产的立式多级闪蒸装置结构示意图。在图1所示的基本流程基础上，图3所示的流程将海水的贯流式改为了循环式流动形式。具体为，增加了回流海水管路9，回流海水流量调节阀10，内循环海水管路11。从第p级立式闪蒸器的海水出口202接出的内循环海水管路11，分为回流海水管路9和海水出口管路6两支。回流海水管路9上设置回流海水流量调节阀10，以调节回流海水管路9与海水出口管路6的流量分配比例。回流海水管路9的另一侧与海水进口管路5汇合成内循环海水管路11，与第p级立式冷凝器的海水进口101相连接。此时，原先在海水出口管路6上的两级水泵的设置方式变更为：第一级屏蔽泵设置在内循环海水管路11上，第二级变频泵设置在海水出口管路6上。

海水从第p级立式闪蒸器流出后，进入内循环海水管路11，之后按照设计比例，一部分流入回流海水管路9，与海水进口管路5中的海水混合，实现这部分海水在系统中的内循环；另一部分海水流入海水出口管路6，排放出系统。

图4所示为本发明第四种实现水热同产的立式多级闪蒸装置结构示意图。在图1所示的基本流程基础上，图4所示的流程增加了n个实现与外部热源换热端口12。实现与外部热源换热端口12设置在立式闪蒸器2和立式冷凝器1内部，其中，1≤n≤2p，可按照实际需求任意设置。当存在多个不同品位的外部热源工况，如高温汽轮机抽汽，高温水，低温乏汽等，可按照一定方式任意接入合适的端口，实现多品位热源海水淡化水热同产过程。

图5所示为本发明第五种实现水热同产的立式多级闪蒸装置结构示意图。在图1所示的基本流程基础上，图5所示的流程设置了两套海水热回收换热器3，海水出口管路6内海水与海水进口管路5内海水通过其中一套海水热回收换热器3实现热回收。在此基础上，海水进口管路5内海水还可与合适的低品位热源通过另外一套海水热回收换热器3进行热交换。据此，海水进入系统后，同时回收了低品位热源和排放海水的余热，有助于提高系统的整体热效率。

图6所示为本发明第六种实现水热同产的立式多级闪蒸装置结构示意图。在图1所示的基本流程基础上，图6所示的流程设计了淡水旁通管路13及其上的阀门1301。淡水旁通管路13用于连接淡水出口管路7与第1级立式闪蒸器。此时，可通过阀门1301控制产生淡水的水质，从而能够在水质合格后再输出系统。

综上所述，本申请提出了一种实现水热同产的立式多级闪蒸装置。设计了立式的结构，并将闪蒸器与冷凝器独立开来。闪蒸器内的压力随高度增加而上升，冷凝器内的压力随高度增加而下降。实现了淡水在流程中被直接加热为热淡水，不存在淡水先降温后被加热的重复换热过程。该方法能匹配热力学上的水热同产最优闪蒸流程。同时，本申请内海水和淡水均是从高处流动至低处，具体的流动过程均是完全通过重力作用实现的，从而最大程度地减少了系统内部循环泵的使用。在此基础上，本发明详细给出了系统内各部件的具体实施方式和相关结构，包括关键的阀门，泵等设备，各换热装置的种类，可选择的闪蒸方式，可选择的挡液方式，可选择的淡水流动方式和可选择的淡水与蒸汽的换热方式等，从而有助于具体方案的工程实施。