空分裝置汽輪機(jī)凝汽器的選型

王艷虹(中石化寧波工程有限公司，浙江 寧波 315103)

空分裝置汽輪機(jī)凝汽器的選型

王艷虹(中石化寧波工程有限公司，浙江 寧波 315103)

本文以兩套不同建設(shè)地的空分裝置（以下稱1#空分裝置和2#空分裝置）為研究對(duì)象，分析了空冷凝汽器和水冷凝汽器兩種空分汽輪機(jī)乏汽冷卻方案，對(duì)比了兩種凝汽器裝置的工藝要求、能量消耗設(shè)備投資和維護(hù)、總圖布置等因素。結(jié)果表明：空冷凝器和水冷器均能滿足汽輪機(jī)乏汽冷凝的工藝要求；空冷凝器受氣溫影響明顯，占地面積大，適用于建設(shè)地氣溫低、冷卻水價(jià)格高且占地大的空分裝置；水冷凝器操作維護(hù)費(fèi)受冷卻水價(jià)格影響明顯，適用于建設(shè)地冷卻水價(jià)格低的空分裝置。

空分；汽輪機(jī)；壓縮機(jī)；水冷凝汽器；空冷凝汽器

空分裝置的壓縮系統(tǒng)功率較高，汽輪機(jī)拖動(dòng)比電機(jī)拖動(dòng)具有明顯的節(jié)能優(yōu)勢(shì)。一般鍋爐和熱網(wǎng)條件允許時(shí)，空分裝置的空壓機(jī)和增壓機(jī)均采用汽輪機(jī)拖動(dòng)，提高全廠經(jīng)濟(jì)性。

汽輪機(jī)乏汽需冷凝形成并維持負(fù)壓而增加汽輪機(jī)做功推動(dòng)力，增加高壓蒸汽利用效率；冷凝同時(shí)產(chǎn)出具有一定過冷度的透平凝液，避免凝液泵發(fā)生氣蝕，方便回收輸送。凝汽設(shè)備是凝汽式汽輪機(jī)的主要設(shè)備，其工作性能直接影響整個(gè)汽輪機(jī)的功、熱效率和運(yùn)行可靠性。乏汽凝汽器常用的形式有空冷凝汽器和水冷凝汽器?？绽淠骼秒姍C(jī)拖動(dòng)風(fēng)機(jī)以增強(qiáng)空氣對(duì)流并與換熱管另一側(cè)的蒸汽進(jìn)行換熱，主要消耗為電能；水冷凝汽器利用循環(huán)冷卻水與換熱管另一側(cè)的蒸汽進(jìn)行換熱，主要能耗為循環(huán)水消耗，水冷凝汽器耗水量約占空分裝置總耗水量的60%左右，故選用水冷凝汽器時(shí)需保證空分裝置有足夠的循環(huán)水供應(yīng)。

空分規(guī)模、氣象條件、汽輪機(jī)選型、蒸汽參數(shù)、電價(jià)、水價(jià)、廠區(qū)面積等因素均能影響凝汽器的選型。本文以兩套不同建設(shè)地的空分裝置為研究對(duì)象，基于公用工程條件滿足空分裝置需要的前提下，分析了上述因素對(duì)凝汽器的選型的影響，為空分裝置的方案選取提供了一定的理論依據(jù)。

1 地域條件

1#空分裝置建設(shè)地位于內(nèi)蒙古自治區(qū)，制氧規(guī)模為25000Nm3/h；2#空分裝置建設(shè)地位于浙江省，制氧規(guī)模為35000Nm3/h。建設(shè)地氣候與公用工程條件見表1-1。

表1-1 建設(shè)地氣候與公用工程條件表

注：蒸汽規(guī)格：10MPaG，508℃。

2 壓縮系統(tǒng)

空分裝置中的壓縮機(jī)組由汽輪機(jī)拖動(dòng)。若氧氣收率以95%計(jì)算，基于ProⅡ模擬1#空分裝置和2#空分裝置的壓縮系統(tǒng)。1#空分裝置壓縮系統(tǒng)功率模擬結(jié)果為16816 kW，2#空分裝置壓縮系統(tǒng)功率模擬結(jié)果為23569 kW。

3 凝汽器的設(shè)計(jì)與選型分析

3.1 汽輪機(jī)選型[1]

通常汽輪機(jī)可選用背壓式、中抽凝汽式和全凝式，全背壓式汽輪機(jī)不需要設(shè)置凝汽器。

功率一定時(shí)，背壓式耗汽量隨排汽背壓的升高呈迅速增加，排汽壓力為5.0MPaG時(shí)，其耗汽量為全凝式耗汽量的5倍。中抽凝汽式耗汽量隨排汽背壓的升高而緩慢增加，并可根據(jù)全廠熱網(wǎng)需要外供一定量低品位的蒸汽。

本文中汽輪機(jī)均選用全凝式汽輪機(jī).以功率為20000kW的汽輪機(jī)為例，動(dòng)力蒸汽采用10MPaG、508℃，全凝式汽輪機(jī)排汽工作點(diǎn)，排汽壓力為12kPaA，蒸汽耗量為70.5t/h。

3.2 凝汽器操作參數(shù)

3.2.1 蒸汽介質(zhì)操作參數(shù)的選取

汽輪機(jī)末級(jí)葉片的前后壓差達(dá)到臨界壓力比時(shí)，末級(jí)葉片排氣壓力達(dá)到極限真空值。在極限真空值以內(nèi)，降低排汽壓力可以提高蒸汽循環(huán)熱效率，提高整體經(jīng)濟(jì)性，而排氣壓力低于此值的蒸汽焓降不能用于做功[2]。

飽和水蒸汽性質(zhì)曲線如圖3-1所示。由P-V曲線可知：隨著體積壓力的上升，飽和水蒸汽摩爾體積先是迅速下降，而后趨于平緩，轉(zhuǎn)折處壓力約為10-20kPaA。排汽壓力取值過低，此時(shí)需提供較大的做功空間和冷凝換熱面積，設(shè)備尺寸增大，造價(jià)增高；同時(shí)，末級(jí)葉片直徑增加，容易引起振動(dòng)。排汽壓力取值過高，同時(shí)動(dòng)力蒸汽焓降降低，蒸汽利用率低。

由P-T曲線可以看出：低排汽壓力乏汽對(duì)應(yīng)飽和溫度較低，凝汽器所需冷卻介質(zhì)的溫度越低。故，汽輪機(jī)排汽壓力受凝汽器換熱介質(zhì)參數(shù)限制。

水冷凝汽器和空冷凝汽器一般取值分別為12kPaA、20kPaA，對(duì)應(yīng)飽和蒸汽溫度為50℃、60℃。為防止凝液泵汽蝕，常將泵低點(diǎn)安裝并將凝液冷卻至過冷，過冷度以2℃計(jì)算，水冷凝汽器和空冷凝汽器熱流體出口溫度分別為48℃和58℃。

由表1-1可知：1#和2#空分裝置循環(huán)水上水溫度分別為33℃，均小于48℃，水冷凝汽器存在換熱推動(dòng)力；1#和2#空分裝置年最高氣溫分別為34.7℃和39.0℃，均小于58℃，空冷凝汽器存在換熱推動(dòng)力。故兩種凝汽器均能滿足兩套空分裝置汽輪機(jī)乏汽冷凝工藝要求。

3.2.2 凝汽器排液參數(shù)

凝液可冷卻至過冷以防止凝液泵汽蝕，凝液泵輸送凝液至鍋爐裝置用于生產(chǎn)蒸汽。過高的過冷度將增加凝汽器及下游鍋爐裝置熱負(fù)荷；同時(shí)會(huì)增加凝液中的溶解氧，增加下游鍋爐裝置除氧難度。故，在保證凝液泵不發(fā)生汽蝕范圍內(nèi)，應(yīng)減小凝汽器排液過冷度。一般取值在2℃以下。

圖3-1 飽和水蒸氣性質(zhì)曲線

3.3 凝汽器本體設(shè)計(jì)[3,4]

以給定的壓縮機(jī)計(jì)算功率為基準(zhǔn)，模擬出汽輪機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)；以3.2中得出的汽輪機(jī)排汽參數(shù)及凝汽器排液參數(shù)為基準(zhǔn)，基于Aspen Plus和HTRI設(shè)計(jì)并核算兩套空分裝置的凝汽器，并估算重量。兩套空分裝置的乏汽凝汽器模擬計(jì)算結(jié)果如表3-2所示。

表3-2 凝汽器模擬結(jié)果

3.3.1 氣象條件的影響

（1）水冷凝汽器

循環(huán)水進(jìn)水溫度由循環(huán)水場(chǎng)的冷卻系統(tǒng)熱負(fù)荷決定，主要受大氣濕度的影響。大氣濕度變化時(shí)，循環(huán)水場(chǎng)需通過調(diào)節(jié)冷卻水塔風(fēng)機(jī)抽氣量或雙曲線型冷卻塔的進(jìn)水量保證供水溫度相對(duì)平穩(wěn)，故水冷凝汽器用水量不存在大范圍波動(dòng)。

（2）空冷凝汽器

氣溫對(duì)空冷凝汽器的設(shè)計(jì)影響較大，以1#空分裝置為例，當(dāng)空氣凝汽器設(shè)計(jì)溫度為34℃時(shí)，換熱面積（光管基準(zhǔn)）為2720m2。對(duì)比表3-2可知，設(shè)計(jì)溫度越高，空冷凝汽器的經(jīng)濟(jì)性越差。

3.3.2 空冷凝汽器耗電量計(jì)算[5]

空冷凝汽器熱通量和空氣溫度有關(guān)，環(huán)境溫度越低，冷熱介質(zhì)溫差越大，熱通量越大。

由表1-1可知：1#空分建設(shè)地年平均氣溫為7℃。以空氣側(cè)排氣溫度均為50℃計(jì)算，年平均氣溫下耗電量為約為：

式中：PD設(shè)計(jì)溫度下的功率,QD設(shè)計(jì)溫度下的風(fēng)量,-Q平均溫度下的風(fēng)量,?TD設(shè)計(jì)溫度下的氣側(cè)溫差,----?T平均溫度下的氣側(cè)溫差。

以此計(jì)算2#空分平均運(yùn)行功率為-P2為471kW。

4 實(shí)際運(yùn)用的比較

4.1 一次性投資與操作費(fèi)用計(jì)算

以表2-3中凝汽器參數(shù)、表3-2中循環(huán)水消耗量、3.3.2小節(jié)中耗電量為基準(zhǔn)，以表1-1中所示價(jià)格，年操作時(shí)數(shù)8000小時(shí)/年,計(jì)算操作費(fèi)用（不含折舊費(fèi)和員工工資等）。結(jié)果如表4-1所示。

表4-1 凝汽器設(shè)備投資與操作費(fèi)對(duì)比表

水冷凝汽器同時(shí)還需考慮自建循環(huán)水場(chǎng)的投資及運(yùn)行費(fèi)用（冷卻水塔風(fēng)機(jī)及循環(huán)水泵的耗電）。最終直接投資和操作費(fèi)用如表4-1所示。

4.2 償還年限比較

由表4-1可以看出，1#空分裝置空冷凝汽器與水冷凝汽器一次性投資差值ΔS1為：ΔS1=1080-263=817萬

年操作費(fèi)差值ΔP1為：ΔP1=7738-5105=2633萬元/年

償還年限N1為：N1=817÷2633=0.31年

同理，以此計(jì)算2#空分裝置ΔS2、ΔP2，N2分別為：2474萬元、106萬元、23.3年。

循環(huán)水的價(jià)格在一定范圍內(nèi)為主導(dǎo)因素。以1#空分裝置為例，空冷凝汽器償還年限隨循環(huán)水價(jià)格的升高而降低，最佳償還期限以5年計(jì)算時(shí)，循環(huán)水價(jià)格為0.17元/噸；循環(huán)水價(jià)格在0.3元/噸以下時(shí)，償還年限隨著循環(huán)水價(jià)格升高迅速降低，即在此范圍內(nèi)，償還年限主要受循環(huán)水價(jià)格影響。

而當(dāng)考慮自建循環(huán)水場(chǎng)時(shí)，以表4-2所示，計(jì)算1#空分ΔS1'、ΔP1'，N1'分別為：127萬元、3004萬元、0.04年；2#空分ΔS2’、ΔP2’，N2’分別為：1574萬元、655萬元、2.4年。

故，由經(jīng)濟(jì)角度考慮：1#空分裝置適合選擇空冷凝汽器，2#空分裝置適合選擇水冷凝汽器。除考慮投資回收期外，還需綜合考慮其他因素。

4.3 設(shè)備布置

水冷凝汽器的安裝位置通常位于廠房?jī)?nèi)、汽輪機(jī)下方，占地面積較小。1#和2#空分裝置水冷凝汽器占地分別約為40m2、50m2。若考慮循環(huán)水場(chǎng)，則占地分別約2200m2、2500m2。

對(duì)于空冷凝汽器，其安裝位置位于室外通風(fēng)處，由于有多個(gè)風(fēng)機(jī)，占地面積較大。1#空分裝置空冷凝汽器以六臺(tái)風(fēng)機(jī)3x2排列計(jì)算，占地面積約600m2；2#空分裝置空冷凝汽器以九臺(tái)風(fēng)機(jī)3x3排列計(jì)算，占地面積約1400m2?？绽淠髡嫉孛娣e較大，更適合裝置可用操作面積較大的項(xiàng)目。

5 結(jié)語

從工藝角度上看，水冷凝汽器與空冷凝汽器均能滿足乏汽冷凝的要求；空冷凝汽器水耗小，占地大，受氣象影響大，一次性投資大，運(yùn)行費(fèi)用低；水冷凝汽器水耗高，占地小，水冷卻系統(tǒng)投資少（不考慮自建循環(huán)水場(chǎng)），運(yùn)行效率高，運(yùn)行費(fèi)用受水價(jià)影響大，長(zhǎng)期看運(yùn)行費(fèi)用較大。故空冷凝汽器適用于建設(shè)地氣溫低和循環(huán)水價(jià)格偏高且可操作面積大的空分裝置，水冷凝汽器適用于建設(shè)地循環(huán)水價(jià)格偏低的空分裝置。對(duì)于1#空分裝置，采取操作費(fèi)用較低的空冷凝汽器具有明顯的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)。對(duì)于2#空分裝置，采取一次性投資較低的水冷凝汽器具有明顯的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)。

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