用于大型背壓式汽輪機乏汽回收的四流程回收器設計

何瑞， 宮傳瑤

(東方汽輪機有限公司， 四川 德陽， 618000 )

1 前言

常規背壓機組的旁路蒸汽、 疏水系統排汽以及其他乏汽等都直接排入大氣, 造成大量工質浪費以及生態環境破壞。 一些大型背壓機組, 因整個主汽流量非常大, 造成的工質浪費及環境破壞問題將更加嚴重, 回收這部分蒸汽就成為背壓機朝大型化發展必須面臨的問題。 本文以某大型背壓式汽輪機為例, 介紹了一種用于回收旁路蒸汽,疏水系統排汽以及各種溢流蒸汽等的蒸汽回收器,該回收器還同時回收給水泵汽輪機排汽。

2 回收器工況分析

以某項目為例, 回收器設計背壓6 kPa （a）,設計冷卻水溫度23 ℃, 回收器主要用于接收給水泵汽輪機排汽、 大機排汽溢流蒸汽、 軸封溢流蒸汽、低壓旁路蒸汽、 各種疏水以及補水等, 設計工況比較復雜, 不同工況回收器的熱負荷差異很大,主要設計工況見表1。

從表1 中數據可以看出, 工況二回收器主要接收小機排汽及軸封溢流蒸汽, 接收的工質流量最小, 約52.5 t/h； 工況四回收器主要接收軸封溢流蒸汽、 中排溢流蒸汽和旁路蒸汽, 回收器接收的工質流量最大, 約295 t/h, 為工況二的5.6 倍,且工況四的蒸汽參數比工況一高。

3 回收器設計難點

通過以上回收器的運行工況可以看出回收器不同工況之間熱負荷差異很大, 若按照常規凝汽器的思路進行設計, 將存在如下難點：

（1）回收器設計水量選型困難, 若水量選型過小, 在高負荷時回收器運行背壓將超出運行限制,若選型過大, 小負荷工況運行又不經濟, 若采用不同負荷不同水量運行又存在切換調節比較困難的問題；

（2）為兼顧高負荷工況,回收器面積不會太小,若采用常規雙流程結構, 保證回收器冷卻管流速在合理范圍內, 冷卻管將非常長, 使得回收器的布置非常困難；

（3）旁路管道以及小機排汽管道均從回收器頂部接入, 因回收器整體尺寸較小, 蒸汽進入回收器后能否使蒸汽均勻進入回收器換熱區域將影響回收器的整體換熱性能；

（4）背壓機非常大的抽汽量, 導致系統補水量也非常大, 將大量不凝結氣體帶入回收器, 既影響回收器的換熱性能又使凝結水含氧量非常高。

4 回收器設計要點

4.1 冷卻水流量選型

通過對回收器不同工況進行熱力計算, 在相同的面積、 水溫條件下, 回收器水量以及背壓計算結果見表2。

從表2 可以看出, 回收器在不同工況下, 需要不同的水量來滿足設計背壓要求, 工況一和工況二只需要3 100 t/h 冷卻水量即可滿足長期穩定運行要求, 而工況四則需要17 000 t/h 水量才能達到設計背壓要求, 水量差異非常大, 若在不同工況采用不同水量運行, 工況切換過程進行水量切換難度非常大, 基本無法實現。 考慮到工況四為短時運行工況, 運行背壓可以適當提高, 綜合考慮運行的可行性以及經濟性, 將各工況運行水量均按照5 500 t/h 進行設計, 這樣在工況一和工況二回收器運行背壓約為4.7 kPa, 工況三運行背壓正好達到設計背壓6 kPa, 在工況四, 回收器運行背壓達到約17.5 kPa （夏季水溫按33 ℃考慮, 運行背壓約26.8 kPa）, 滿足安全運行要求, 最終水量按5 500 t/h 進行設計。

4.2 回收器結構設計

如前所述, 回收器需要滿足較大負荷跨度的運行要求, 面積相對較大, 而水量相對非常小,若按照常規的單流程或雙流程設計, 要使冷卻管流速滿足設計要求, 就必須將冷卻管設計得更長。

上述問題與一些高背壓改造凝汽器所面臨的問題類似, 高背壓凝汽器正常運行時水量較大,在高背壓運行時采用熱網回水作為冷卻水, 水量非常小。 高背壓凝汽器一般設計成通過外部管道閥門的切換使凝汽器在正常運行時按雙流程運行,在高背壓運行工況時按四流程運行, 運行流程簡圖見圖1。

圖1 外部四流程示意圖

通過圖1 中外部切換可以解決水量小、 流速低、 冷卻管過長的問題, 但高背壓凝汽器在正常運行與高背壓運行之間都有一次停機切換過程,而本回收器各工況之間的切換可能是隨時進行,無停機切換過程, 因此外部四流程在本回收器上不適用。

為滿足使用要求, 本回收器采用內部四流程結構設計, 外形見圖2, 流程示意圖見圖3, 既保證了冷卻管流速滿足設計要求, 又使得管長大大減小, 進而使整個回收器外形尺寸減小, 便于廠房布置, 同時也不需要在工況之間進行水側切換,方便運行控制。

圖2 回收器外形圖

圖3 回收器流程示意圖

4.3 旁路管道以及小機排汽管道布置

旁路管道以及小機排汽管道根據布置要求,均從回收器頂部接入, 回收器結構設計需要保證回收器具有足夠的強度, 以滿足管道推力的影響。同時, 管道從頂部接入, 為防止高能汽流直接沖擊冷卻管, 以及使蒸汽均勻進入回收器換熱區域,需要在回收器內部進行適當導流設計。

4.4 凝結水除氧

因背壓機組抽走了大量蒸汽用于供熱, 為保持工質平衡, 系統需要補充大量除鹽水, 除鹽水通過回收器補入, 補水含氧量非常高, 導致回收器凝結水含氧量非常高, 表3 為不同工況的補水量統計。 由表3 可知, 工況二回收器接收的排汽量約52.5 t/h, 補水量660 t/h, 該工況為機組長期穩定運行工況, 回收器內如此小的蒸汽量需要對如此大量的補水進行除氧, 無法保證凝結水含氧量達到鍋爐給水的品質要求, 為此需要在回收器后給水管道上分別增設一級低壓除氧器和一級高壓除氧器, 利用汽輪機抽/排汽對凝結水進行除氧。同時, 在回收器內對補水進行充分霧化, 利用回收器內真空空間對回收器進行初步真空除氧, 在回收器熱井, 盡可能利用進入回收器的溫度較高的乏汽（如軸封溢流蒸汽） 對凝結水進行初步的鼓泡加熱除氧, 以降低凝結水過冷度, 進而降低回收器凝結水的含氧量, 提高給水品質。

表3 回收器補水工況

5 結束語

本文采用內部四流程結構的蒸汽回收器, 用于回收背壓機組旁路蒸汽、 給水泵汽輪機排汽、軸封溢流蒸汽以及各種疏水, 為乏汽回收尤其是各種背壓式抽汽機組的乏汽回收提供了一種新的設計思路。