多效蒸馏海水淡化装置能量优化研究

引言：

海水淡化技术是解决全球水资源危机重要途径，其能耗控制直接影响技术推广和产业化发展，低温多效蒸馏技术凭借优异热能回收特性，在海水淡化领域占据着十分重要的地位。然而系统运行过程存在操作变量耦合等问题，严重制约了装置的整体能效水平，所以深入研究多效蒸馏系统能量优化机理，建立科学操作策略对提升装置经济性和可靠性意义重大。

1. 装置结构与能量流动分析

1.1 多效蒸发系统配置特征

低温多效蒸馏装置采用六效串联蒸发器，其按温度梯度排列以形成热能梯级。利用蒸发器壳体选用 TP316L 不锈钢材质制造，换热管采用钛管与 HA177-2 铝黄铜管复合配置，这样能兼顾耐腐蚀性与传热效率。蒸汽喷射压缩器把低压二次蒸汽压缩至高压水平，以此实现蒸汽能量循环利用并有效提升系统整体能效。

1.2 系统能量传递机制

多效蒸馏系统是遵循多级蒸发冷凝热力学循环的，前一效产生的二次蒸汽会当作后一效加热的热源，以此形成能量的逐级传递过程。加热蒸汽在管束内部进行冷凝并且释放出潜热，从而让管外的海水达到饱和温度进而蒸发 [1]。系统借助真空抽吸的方式来维持负压环境，这样就能实现低温沸腾蒸发的效果，能量梯级利用可使造水比达到10 以上的数值，能显著提升热能的利用效率 [2]。

2. 能量优化模型与方法

2.1 数学建模与仿真分析

依据传热传质理论以及热力学平衡原理来构建各效传热传质耦合方程组，这里面涵盖质量守恒、能量守恒和传热速率方程，借助Matlab 仿真模型对系统动态响应进行模拟，为系统优化提供理论与数据方面的支撑。

根据质量守恒定律，第i 效蒸发器的质量平衡方程为：

M_fi=M_d，i+M_b，i

式中：Mf，i——第i 效进料流量， kg/s ；Md，i——第i 效产水流量，kg/s ；Mb，i——第i 效浓盐水流量， kg/s

2.2 能耗问题识别与优化模型构建

多效蒸馏系统在运行的时候会面临多重能耗方面的制约，操作变量之间存在复杂耦合情况。像进料流量和蒸发温度等相互影响让系统偏离最优状态[3]，传热面积利用率会随着时间而下降，各效传热性能出现不匹配的状况，设备结垢会导致传热系数恶化且污垢热阻不断累积，化学清洗过程中铜离子浓度上升到 25280mg/L 使铜管腐蚀速率急剧增加。针对以上这些问题，构建基于多变量耦合分析的优化模型框架，采用相关性分析和通径分析来识别关键控制变量，使用斯皮尔曼相关系数评估变量之间的关系强度，研究发现加热蒸汽流量直接通径系数达到 1.437 而温度为 -1.171 呈负向影响，滚动时域优化算法以累积造水比最大化为目标并纳入污垢热阻约束条件。

3 能效提升与性能评估

3.1 优化方案实施与验证

按照优化模型来实施全周期的操作优化策略，滚动时域优化算法会动态调整进料流量、蒸发温度、预热温差和引射蒸汽流量等关键变量，从而让系统在整个运行周期里维持最优性能，热膜耦合系统集成采用 RO 排放浓盐水和海水混合作为 MED 进料，以此实现能量流与物质流的协调匹配，验证结果显示，全周期操作优化方法让累积造水比相对传统方案提升了 12.15% ，在 RO 与 MED 产水比为 8：2 的最优条件下产水成本降低至 0.81 USD ⋅m^-3 ，淡水回收率达到了 65.4% 。

3.2 系统稳定性评估

对系统长周期运行稳定性进行全面评估，着重分析设备结垢和腐蚀对能效产生的影响。随着时间不断推移传热面积利用程度逐步增加，当结垢达到饱和状态时系统性能会显著下降。通过对化学清洗工艺进行优化处理，严格控制铜离子浓度并且添加 B01 助剂，铜换热管腐蚀速率从 1g/（m²⋅⋅h） 以上降低至 0.022g/（m²⋅h） 以下，钛换热管腐蚀速率始终维持在 0.1g/（m²Δ⋅h） 以下。如表 1 所示，优化之后腐蚀速率降幅超过 97.8% ，有效延缓设备性能劣化以确保装置可靠运行。

表1 系统稳定性评估关键指标对比表

结语

多效蒸馏海水淡化装置能量优化研究借助系统建模、变量分析以及优化策略设计等方式，达成了装置能效的显著提升。研究结果显示，加热蒸汽流量和温度属于影响系统能耗的关键因素。滚动时域优化策略促使累积造水比提升了 12.15% ，热膜耦合技术的应用让产水成本降低至 0.81 USD·m^-3 且淡水回收率达到 65.4% 。此研究为多效蒸馏海水淡化技术的工程应用提供了理论方面的依据，对推动海水淡化产业的可持续发展具备重要意义。

参考文献：

[1] 邓心茹 . 低温多效海水淡化装置真空系统设计研究 [J]. 石油化工设备技术， 2025，46（4）：17-23+I0001，I0002. .

[2] 宋结民 ， 汪程鹏 ， 王生辉 ， 刘军 ， 寇佳文 ， 杨一帆 ， 田修贵 . 不同能量回收组合工艺下海水淡化系统比能耗分析 [J]. 工业水处理 ，2024，44（5）：212-217.

[3] 袁梦星 ， 孙琳 ， 罗雄麟 . 多效蒸发海水淡化系统变量相关性分析与全周期操作优化 [J]. 化工学报 ，2025，76（6）：2813-2827.

作者简介：虞保有，男（1992.3），汉族，浙江舟山人，大学本科，工程师。

金波，男（1973.12），浙江定海人，大学本科，工程师。

张家炜，男（1998.05），汉，浙江宁波人，大学本科，助理工程师。

刘凯，（1977.1），汉，浙江舟山人，大学本科，工程师。

徐军，（1981.7.），汉，浙江舟山人，大学本科，工程师。

张鹏，男（1985.4），汉，辽宁沈阳人，大学本科，工程师。