低温多效蒸馏海水淡化成本分析

目前，我国是联合国公认的世界13个最贫水国家之一。世界性的淡水危机，为海水淡化技术发展提供了广阔的市场，海水淡化技术的应用成为解决淡水资源危机的有效方法。低温多效蒸馏(LT-MED)是海水淡化技术目前的主流技术之一，其原料海水的最高蒸发温度一般低于70℃，其特征是将一系列的水平管降膜蒸发器或垂直管降膜蒸发器串联起来并被分成若干效组，用一定量的蒸汽输入，通过多次的蒸发和冷凝，从而得到多倍于加热蒸汽量的蒸馏水的海水淡化技术。淡化后的水含盐量小于5 mg/L。因其具有产品水水质好、预处理简单、腐蚀和结垢风险小、单机制水能力大以及技术经济性好等特点，得到了越来越多的应用，市场占有率逐步提高；但LT-MED技术的推广受成本限制极大,因此，降低制水成本是LT-MED技术研究的热点，也是进一步推广应用LT-MED技术的必要条件。

1工程概况

某发电厂一期安装2-600 MW国产亚临界燃煤发电机组，二期安装2-660 MW国产超临界燃煤发电机组，循环水系统采用海水直流供水系统。电厂利用4台机组抽汽，采用海水淡化工艺制取淡水，实施水电联产。日产25000 m3淡水的海水淡化装置所需蒸汽由电厂一、二期工程汽轮机中压缸末级抽汽提供，原料海水由循环水供水管取水。采用配置蒸汽热压缩器(TVC)的横管降膜低温多效蒸馏 (LT-TVC-MED)海水淡化工艺,装置可以在40%～100%工况下运行。主设备由串列式水平布置的10效蒸发器组成，在第7效的末端抽汽。蒸发器采用多支座卧式直列布置在钢架上。装置主要参数见表1。

2低温多效蒸馏技术成本分析

低温多效蒸馏海水淡化的成本是一个比较复杂的问题，受多种因素的影响，如项目地理位置、气候条件、海水水质、海水随季节的温度分布及可利用的能源等诸多因素均影响着海水淡化的制水成本。本文针对特定项目的具体方案进行成本分析。

海水淡化工程单位水量成本费用可分解为固定成本和可变成本。固定成本指成本总额不随产量变化的各项费用，主要包括工资或薪酬、固定资产折旧费、长期借款利息和其他费用等。变动成本指成本总额随产品产量变化而发生同向变化的各项费用，主要包括蒸汽费、耗电费用、化学药品消耗费用、人工费用以及维修费用等。本文以日产25000 m3淡水的低温多效蒸馏海水淡化方案为基础进行成本计算和分析，定量揭示海水淡化成本的变化规律及影响因素。

成本计算基本数据：蒸汽参数0.55 MPa(a)，320 ℃；机组在额定工况下运行，日产淡水25000m3，按年制水量进行计算得出单位水量成本；装置静态投资约为2.2亿元，贷款金额按执行概算静态投资的80%计取，贷款利率按同期银行贷款利率；设备使用寿命30 a，折旧年限20 a，残值率5%；设备年利用率为98%；按标煤价640元/t计算蒸汽费用2.65元/m3；耗电量1.2 kW-h/m3，电价0.28元/（kW-h）；药剂费用按0.28元/m3；造水比13.5进行成本计算。

经过对基本方案的分析计算，单位水量淡水成本费用约合人民币5.39元/m3。海水淡化单位水量各项成本计算结果见表2。

蒸汽费是海水淡化装置最主要的成本费用，占总成本费用的49%；其次为固定资产折旧费和财务费用，分别为22%和12%；修理费、药剂费、电费、工资及福利费用共占17%。其中蒸汽费与年利用率、装置的造水比相关；修理费、固定资产折旧费以及财务费用以静态投资额为基础进行取费计算，药剂费、电费及人工福利费所占比例较小，且费用相对恒定，对总成本的变化影响不大。

根据以上分析，确定对成本的影响主要因素为：工程静态投资、蒸汽费用、造水比以及年利用率,次要因素为用电费、药剂费和人工福利费。下面以基本方案为基础，分析当单一变量改变而其他变量保持不变时各项因素对单位水量成本的独立影响。

2.1工程静态投资

海水淡化工程的动态投资由静态投资（包括设备购置费、安装工程费、建筑工程费及其他费用）和建设期贷款利息构成。1/2 12下一页尾页由图1可看出，当静态投资由基准额的-20%增加到20%时，单位水量成本由4.98元/m3上升至5.79元/m3，增加了16%。因此控制静态投资尤为重要。静态投资中的设备购置费（含主设备及辅助系统）成本约占工程静态投资的47%，因此必须通过控制主设备及辅助设备成本来降低工程的静态投资，从而降低制水成本。

2.2蒸汽费

由于蒸汽费用占总成本49%，是占制水成本比例最大的单项成本。低温多效蒸馏海水淡化蒸汽成本主要体现在煤耗上，通过单位水量吨标煤耗的变化，来分析制水蒸汽成本变化的情况。基本方案利用汽轮机抽汽进行制水，成本的分摊较复杂，不同的计算方法蒸汽费用差别较大。由于热量法未考虑蒸汽的品质，采用此方法进行成本计算不科学，作功能力法以及焓降法均考虑了蒸汽的品质，计算方法较合理，且作功能力法和焓降法两者计算结果是近似的。因此本文以作功能力法作为海水淡化蒸汽成本的计算方法，结果见图2。

由图2看出，当其他因素不变时，蒸汽费用分别从基准值的-20%变化到 20%时，单位水量成本相应从4.86元/m3升到5.92元/m3，增加率达到21.8%。因此要想降低海水淡化成本，根本上需要从汽源方面采取降低成本的措施。如果制水蒸汽为乏汽或废热时，蒸汽费用就可忽略不计，制水成本就会很低。对于电水联产系统，充分利用电厂的余热和机组抽汽，可有效降低造水成本。计算表明同样的海水淡化工程当采用四段抽汽进行制水，单位水量蒸汽成本约为2.49元/m3；而采用乏汽制水单位水量蒸汽成本约为1.18元/m3，成本节约效果明显。

2.3年利用小时数

由图3看出，年利用率由60%变化到100%时，即年利用小时数由5256 h增加到8760 h时，制水成本下由6.73元/m3下降至5.35元/m3，下降了26%。因此在工程应用中，加强设备管理、提高设备健康水平,是提高设备利用率的基础，更是提高装置经济效益、降低制水成本重要途径之一。低温多效蒸馏装置由于低温蒸馏的技术特点，比其他海水淡化技术具有更多优势，使设备结垢及腐蚀降低到最小限度，为装置在稳定工况下能长时间的运行提供基础保障，从而提高海水淡化装置的利用率。只有当整套装置年可用率大于95%时，才能有效降低制水成本。2.4造水比

装置的造水比定义为蒸馏装置产品水和外部输入总蒸汽的质量流量之比（kg/kg）。造水比体现了装置运行费用的高低，通常造水比越高，单位淡水产量的能源成本将越低，即消耗蒸汽量越少。由图4看出，当造水比由12.15提升到14.85时，海水淡化单位水量成本由5.68元/m3降低到5.15元/m3，成本降低了10%。

2.5其他费用

考虑到海水淡化装置与电厂项目耦合方案，电费采用成本电价，计算结果用电费用占单位水量总成本的6%。蒸馏法海水淡化系统运行过程中电耗波动较小，可以通过优化设计降低用电成本。

药剂费占单位水量总成本的5%，海水淡化系统正常运行时加入阻垢剂、消泡剂以及还原剂，加药量根据入料海水量按比例进行添加，因此同样的水质及产水量，通过改变进料方式，提高浓缩倍率降低原海水量，加药成本会相应下降。

3降低成本的措施

3.1寻求低成本的热源，合理使用能源

低温多效蒸馏海水淡化的成本中蒸汽费用所占的比例最高，低温运行的特性使低温多效蒸馏海水淡化装置可以使用低等级的热源，寻求低成本的热源，将蒸馏工艺的能量成本降到最小，避免能量在质量和数量上的损失，是降低成本的主要措施。

对于电水联产系统，采用高参数蒸汽对整个系统的效率是不利的，最佳的抽汽参数应该通过水电联产系统整体优化确定。新建机组可采用焓值较低的汽轮机六抽蒸汽作为制水加热蒸汽，降低蒸汽费用，从而降低海水淡化成本。同时，利用汽轮机抽汽制水时，选择经济工况运行对于制水成本。

3.2采用余热利用新工艺，实现能源的梯级利用

能源的梯级利用包括按质用能和逐级利用两个方面，可以根据设备的能级需求构成能量的梯级利用关系，使总的能源利用率达到最高水平。低温多效蒸馏装置加热蒸汽压力宜为0.025～0.032 MPa(a)，温度低于70℃，具备利用余热的有利条件。采用海水淡化与余热回收利用耦合方案，需根据余热的种类、参数、数量和利用的可能性，进行综合热效率及经济可行性分析，确定利用方案。

（1）在火力发电厂中，排烟损失在锅炉热损失中所占比例最大，降低排烟温度，减少排烟损失，对提高锅炉热效率起到了决定性作用。由此可见，降低锅炉的排烟温度，可以节约煤耗。如果锅炉排烟与海水淡化相耦合进行烟气余热回收利用，可同时降低制水成本。

（2）在电水联产模式下，利用电站凝汽器循环冷却水排放的热量提升海水淡化装置冬季物料海水温度，在降低制水成本的同时可减少电厂排放的废热量及废水量。

（3）其他余热利用：电厂大型汽动辅机排汽余热与低温多效蒸馏海水淡化装置相结合；炼钢厂或化工厂工艺废热与海水淡化技术相结合。

3.3优化工艺参数，提高装置造水比

（1）采用压力较高的汽轮机四抽抽汽作为加热蒸汽汽源，为了利用抽汽的有效能量，降低蒸发装置末效蒸汽的凝结热损失，可采用带蒸汽热压缩器（TVC）的低温多效蒸馏海水淡化装置（LT-TVC-MED），提高系统热效率的同时提高装置造水比，降低制水成本。

（2）在海水淡化蒸发装置总传热温差一定时，降低效间传热温差，增加效数可提高造水比；另一方面由于造水比随蒸汽热压缩器吸入温度的增加而升高，合理确定TVC引射参数，优化TVC在装置中的引射位置，可以提高造水比。

3.4进行合理设备选型，降低设备静态投资

设备购置费用占静态投资的47%左右，其费用决定了修理费、固定资产折旧费以及财务费用等成本,因此，可以通过合理设置备用设备、采用新型低成本材料以及采用优化工艺降低静态投资，从而降低单位水量成本。

3.5注重运行维护，提高设备利用率

通过控制运行参数在合理范围内，降低主设备结垢的风险以减少酸洗停运时间；对主要辅机设备进行状态监测,减少故障停机时间；加强所有设备日常维护保养来提高设备利用率。

3.6进行合理的设计及设备选型，降低用电成本

选取合理的参数使海水淡化装置运行在高负荷工况；优化系统流程和辅助设备选型及配置，选择合适的设备容量安全裕度以及采用变频设备等措施降低设备电耗，从而降低海水淡化单位水量用电成本。

4结论

低温多效蒸馏海水淡化的成本受多种因素的影响,是一个复杂的问题，根据成本的构成分析，蒸汽费是构成低温多效蒸馏海水淡化系统可变成本的最主要的因素，占总成本费用的49%左右；其次为固定资产折旧费和财务费用，分别为22%和12%；用电费用和药剂费用占比较少，分别占总成本的6%和5%。

低温多效蒸馏海水淡化工程的投资费用分析表明：工程静态投资中设备购制费约占47%，因此必须通过装置大型化研究、设备国产化研究、以及新材料研发等措施控制主设备及辅助设备成本来降低工程的静态投资，从而降低制水成本。

成本的影响因素还与设备的可用率以及一些设计参数相关，制水成本随年利用率的增加而降低，只有当整套装置年利用率大于95%时，才能有效控制制水成本，而工程设计参数对单位水量成本的影响主要表现为海水淡化单位水量成本随造水比的增加而降低。

降低低温多效蒸馏海水淡化工程的制水成本必须从设计、制造、运行以及维护等各方面进行控制，以达到最佳的设备性能和较低的制水成本，从而推进低温多效蒸馏海水淡化技术的应用。