閃蒸器與廢熱回收系統(tǒng)

江號葉，朱喜軍，周大坤

（1.哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150046；2.中國石油蘭州石化公司，甘肅 蘭州 730060）

1 概 述

在現(xiàn)代工業(yè)中，常利用廢熱回收裝置回收生產(chǎn)過程中的廢熱并用于發(fā)電。經(jīng)生產(chǎn)利用后排放的廢熱，其廢熱的品質(zhì)較低，因此，合理配置廢熱回收系統(tǒng)和優(yōu)化系統(tǒng)運行參數(shù)，可最大限度地提高廢熱回收率。對節(jié)約能源和環(huán)境保護均有顯著作用。

2 廢熱回收系統(tǒng)

圖1 多級閃蒸－混汽熱力系統(tǒng)

大型水泥企業(yè)常采用低溫廢熱回收系統(tǒng)，其多級閃蒸—混合熱力系統(tǒng)，見圖1所示。系統(tǒng)中AQC爐（Air Quick Cooler，空氣快速冷卻器）實質(zhì)上是汽水換熱器，即將廢棄熱空氣的熱量傳給工質(zhì)水，使之蒸發(fā)并過熱，然后引入汽輪機膨脹做功并帶動發(fā)電機發(fā)電。該系統(tǒng)采用多壓式汽輪機，即將來自各級閃蒸器的低壓蒸汽，分別引入汽輪機與之相匹配的壓力級膨脹做功，以提高廢熱回收效率。

單級閃蒸—混汽熱力系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 單級閃蒸－混汽熱力系統(tǒng)

3 閃蒸器在熱力系統(tǒng)中的作用

閃蒸器是蒸汽、熱水閃蒸發(fā)電系統(tǒng)中產(chǎn)生低壓二次飽和蒸汽的關(guān)鍵設(shè)備，用于余熱鍋爐來水的擴容，使來水在閃蒸器的工作壓力下進行汽水分離，得到飽和蒸汽和飽和水。飽和蒸汽去汽輪機，閃蒸后余下的低壓飽和水，被送入下一級閃蒸器或給水泵前的混合器。

4 主要技術(shù)參數(shù)

閃蒸器屬于Ⅰ類壓力容器，工作介質(zhì)是水和蒸汽。以某余熱發(fā)電廠的閃蒸器設(shè)備為例，其技術(shù)參數(shù)見表1所示。

表1 閃蒸器設(shè)備的技術(shù)參數(shù)

5 設(shè)計中應(yīng)該注意的問題

閃蒸器的內(nèi)部空間必須足夠大，以提高汽、水的分離效果。在啟、停和瞬態(tài)條件下，能進行水位調(diào)節(jié)；閃蒸器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計，應(yīng)考慮防沖蝕和降低運行噪聲，滿足設(shè)備啟、停機和變工況下運行的要求，同時避免閃蒸器的震動；閃蒸器的噴嘴應(yīng)具有良好的霧化性能；具有高效的汽水分離裝置，使閃蒸器出口處的閃蒸蒸汽的干度滿足汽輪機的進汽要求；為了便于維護，在閃蒸器上設(shè)置必要的人孔；閃蒸器應(yīng)具有排氣口，以及壓力和溫度的就地測量裝置和遠(yuǎn)傳接口。

6 閃蒸器的直徑和容積計算

對閃蒸器的計算參數(shù)，見表2所示。

表2 閃蒸器的計算參數(shù)

設(shè)定：υ″——飽和汽的比容；υ′——飽和水的比容；h″——飽和汽的焓值；h′——飽和水的焓值；V——蒸發(fā) 器 總 容 積 m3；c——蒸 汽 流 速 m／s；A——汽水分離最小表面積m2；w——閃蒸器容積參數(shù) m3／（h·m3）。

1號前置鍋爐熱水和2號前置鍋爐：

進入閃蒸器降壓擴容產(chǎn)生工作壓力下的飽和蒸汽：

1號后置鍋爐熱水和2號后置鍋爐：

進入閃蒸器降壓擴容產(chǎn)生工作壓力下的飽和蒸汽：

產(chǎn)生的總的蒸汽量為：qs＝qs1＋qs2＞qs″

蒸發(fā)器總?cè)莘e：V＝V″＋V′

7 本體結(jié)構(gòu)和附件

7.1 本體結(jié)構(gòu)

閃蒸器由殼體、進水裝置、汽水分離裝置、人孔以及接管和支座等組成。見圖3所示。

圖3 閃蒸器結(jié)構(gòu)簡圖

閃蒸器的進水裝置設(shè)在殼體中部，來自4個余熱鍋爐的熱水進入后，經(jīng)母管和支管上的噴嘴呈霧狀噴灑而出，在汽空間內(nèi)，均勻地進行汽水的首次分離；蒸汽上升進入汽水分離裝置，飽和水則流入閃蒸器下部。

旋流式噴嘴工作時，水在噴嘴內(nèi)旋轉(zhuǎn)流向噴口，然后從噴口成膜狀噴出。旋流式噴嘴的結(jié)構(gòu)，見圖4所示。

圖4 旋流式噴嘴結(jié)構(gòu)圖

經(jīng)過旋流式噴嘴的水流量：

式（4）中：qm—— 噴嘴出力，t／h；

μ——流量系數(shù)；

υ —— 水的比體積，m3／kg；

rc——噴嘴出口半徑，m；

Δp—— 噴嘴壓差，MPa。

閃蒸器的分離裝置可分為交錯擋板、金屬網(wǎng)、百葉窗等。擋板的結(jié)構(gòu)簡單，分離效果差。金屬網(wǎng)效果好但阻力大。百葉窗由波形板、筋板、隔板、鋼板等組成，百葉窗常用于進一步的汽、水分離，以提高蒸汽品質(zhì)，然后，經(jīng)上封頭頂部的蒸汽出口管排出。百葉窗的結(jié)構(gòu)，見圖5所示。

圖5 百葉窗的結(jié)構(gòu)圖

分離臨界粒徑可從下式求得：

式（5）中：d—— 分離臨界粒徑，m；

Vυ—— 分離器前蒸汽平均流速，m／h；

θ——折板的彎曲角，弧度；

μυ—— 蒸汽黏度，kg／（m·h）；

ρl—— 霧沫密度，kg／m3；

l——折板的長度，m；

p——折板的間距，m。

計算壓力損失：

式（6）中：ξ——阻力系數(shù)；

ρυ——蒸汽密度，kg／m3；

Δp——壓力損失，kg／m2；

gC——重力換算系數(shù)1.27×108m／h2。

7.2 附件

閃蒸器的主要附件由安全閥、電動截止閥、壓力表、溫度計、水位計及平衡容器等組成。

8 安裝調(diào)試和檢修

8.1 安裝

閃蒸器的安裝、運行和檢修，應(yīng)遵循國家技術(shù)監(jiān)督局頒發(fā)的《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》，并符合電廠的有關(guān)規(guī)定。設(shè)備總裝后，需檢查各閥門的安裝是否完好。水壓試驗前，應(yīng)隔絕安全閥。需重新標(biāo)定安全閥的開啟壓力并確認(rèn)。必須注意安全閥排放管口的方位和口徑，確保設(shè)備的安全運行。熱水流量調(diào)節(jié)閥應(yīng)盡量布置在靠近閃蒸器的入口處，以減少振動。

8.2 調(diào)試和運行

水壓試驗合格后，檢查閥門的開閉是否靈活，儀表顯示是否正常，擰緊連接法蘭處的螺栓，再投入運行。

關(guān)閉熱水出口閥、蒸汽出口閥和排凈口閥，手動半開排汽口的截止閥。緩慢開啟熱水進口閥，讓熱水慢慢進入閃蒸器內(nèi)，使設(shè)備逐步加熱到100℃左右，時間為3～4h，觀察設(shè)備水位的變化，如果超出正常水位，需打開熱水出口閥，之后再逐漸開大熱水進口閥。當(dāng)設(shè)備壓力到達工作壓力時，漸漸開啟蒸汽出口閥，此時，流出的蒸汽是對應(yīng)于工作壓力（0.153 MPa）下的飽和蒸汽（112℃）。

在調(diào)試過程中，適當(dāng)調(diào)整蒸汽出口閥的開度，以獲得理想的蒸汽品質(zhì)（干度）。設(shè)備運行正常后，應(yīng)關(guān)閉排汽閥，投入水位自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)，使水位處于正常水位范圍內(nèi)。

運行時，應(yīng)經(jīng)常監(jiān)測設(shè)備的壓力。當(dāng)壓力超過正常值（0.153MPa）時，應(yīng)減少進入閃蒸器的熱水流量，加大蒸汽的排出量，以免設(shè)備超壓。

8.3 檢修

檢修閃蒸器前，需確認(rèn)閃蒸器已與其他系統(tǒng)隔離；確認(rèn)閃蒸器的壓力與溫度已降至外部環(huán)境值；確認(rèn)設(shè)備內(nèi)的氧氣供給充足。

長期運行后，如果閃蒸器的出力或輸出蒸汽的品質(zhì)下降，應(yīng)對其進行檢修。檢查汽水分離裝置是否脫落，若有開焊及被腐蝕等現(xiàn)象，應(yīng)及時進行補焊或更換；疏水收集管的漏焊或脫落，會造成蒸汽短路現(xiàn)象；清理被堵塞的噴嘴；檢查磁翻板水位表的磁性滾珠是否失磁，磁頭失磁將使水位的顯示失常；安全閥和各種儀表應(yīng)按標(biāo)準(zhǔn)定期校驗。

設(shè)備停運后，必須關(guān)閉各閥門（排汽閥除外），放盡設(shè)備內(nèi)的存水，以減少腐蝕。設(shè)備的檢修和維護工作，必須符合《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》的相應(yīng)規(guī)定。

9 結(jié) 語

閃蒸器是廢熱回收系統(tǒng)中的重要設(shè)備，設(shè)計時要充分考慮設(shè)備的安全性和經(jīng)濟性。選取合理的蒸汽流速和容積參數(shù)，提升噴嘴和汽水分離的效率，加強水位的自動化控制是設(shè)計中的重點。

［1］于淑梅，傅松.等.中低溫廢熱發(fā)電的思路與方法［J］.節(jié)能，2001（1）：17－20.

［2］于淑梅，傅松.低溫廢熱高效回收系統(tǒng)及其火用分析［J］.熱能動力工程，2002（3）：285－287.

［3］蔡錫琮，蔡文鋼.火電廠除氧器［M］.北京：中國電力出版社，2007.

［4］尾花英朗.熱交換器設(shè)計手冊［M］.北京：石油工業(yè)出版社，1984.