垃圾焚燒電站旁路減溫減壓裝置分析及計算

彭 超

(上海汽輪機廠有限公司，上海 200240)

凝汽器喉部末級減溫減壓裝置是旁路系統(tǒng)中重要的組成設備，其作用是將旁路蒸汽進一步減溫減壓，防止凝汽器超溫超壓，起到保護凝汽器的作用。

目前，旁路末級減溫減壓裝置主要結構形式有兩種：一種是環(huán)形逐級膨脹式減溫減壓裝置(下文簡稱“逐級膨脹式”)，另一種是兩級多孔節(jié)流式減溫減壓裝置(下文簡稱“多孔節(jié)流式”)。兩種裝置均在垃圾發(fā)電項目中有應用[1-2]。

本文將介紹兩種裝置的熱力計算方法，通過技術對比并結合工程項目算例，分析兩種裝置結構的異同點，給出垃圾發(fā)電項目旁路裝置的選用建議。該分析計算可為后續(xù)垃圾發(fā)電項目旁路末級減溫減壓裝置的結構設計選型提供參考。

1 垃圾發(fā)電廠旁路系統(tǒng)

汽輪機旁路系統(tǒng)是指與汽輪機并聯(lián)的蒸汽減溫減壓系統(tǒng)[1]，一般由減溫減壓裝置、管道、控制機構和閥門組成。其作用是使鍋爐產生的蒸汽不經過汽輪機，而將其引至下一級壓力蒸汽管道或凝汽器，從而起到匹配機爐參數、縮短啟動時間、回收工質、保護再熱器、甩負荷時實現(xiàn)汽輪機空轉或帶廠用電運行等作用。

垃圾焚燒發(fā)電廠主蒸汽管道通常為母管制，即垃圾焚燒余熱鍋爐產生的新蒸汽分別接入主蒸汽母管，汽輪機所用主蒸汽從母管接至汽輪機自動主汽門前[3]。

垃圾焚燒發(fā)電廠的機組容量都不會太大，在主蒸汽母管后一般配有多臺汽輪機，多為單缸機組，并配有獨立的旁路凝汽器。其旁路系統(tǒng)為一級大旁路系統(tǒng)：母管蒸汽旁通整臺汽輪機，經旁路閥減溫減壓后引入旁路凝汽器喉部(末級減溫減壓裝置入口前)。

旁路蒸汽在排入凝汽器喉部前，一般已由旁路閥減壓至0.6 MPa(a)，溫度降到該壓力下的飽和溫度(160 ℃左右或稍帶有一定的過熱度)，其減溫水取自除氧器凝結水。且旁路系統(tǒng)的流量一般都不小，按照附加流體排入凝汽器準則，旁路蒸汽需要經過凝汽器喉部自帶的末級減溫減壓裝置進一步減溫減壓后，方能排入凝汽器[2]。

末級減溫減壓裝置出口蒸汽溫度應盡量控制在80 ℃以下，而實際上出汽溫度是由中間噴水的那一級壓力決定的。噴水減溫后，蒸汽經過下一級的膨脹后以稍高于凝汽器背壓的壓力排入凝汽器喉部。故出汽溫度帶有一定的過熱度，這是為了防止汽中帶水，對鋼結構件造成沖蝕。

2 環(huán)形逐級膨脹式減溫減壓裝置

蒸汽在凝汽器喉部末級排放裝置的減溫減壓原理可以理解為兩個獨立的過程，即等焓節(jié)流減壓過程和噴水減溫過程。而實際上，這兩個過程是可以同時進行的，可以在節(jié)流減壓的過程中同時噴入減溫水減溫，也可以先減壓后減溫再減壓。圖1為逐級膨脹式減溫減壓裝置的焓熵圖。

圖1 焓熵工作原理圖

旁路蒸汽進入減溫減壓裝置后，逐級進行膨脹減壓，每一級的膨脹過程中焓值不變；在第4級出口進行噴水減溫，減溫至該級出口壓力下的飽和溫度，最后以稍高于凝汽器壓力的過熱蒸汽排入凝汽器。在該裝置中，蒸汽在各級中進行臨界膨脹，一般設計成6～7級[2]。

已知旁路進汽參數壓力p0、溫度T0、流量W0、流速v0、焓H0、熵S0。各級臨界膨脹，對干飽和蒸汽臨界壓比取νcr=0.577。由式(1)求出第n級出口壓力pn：

pn=0.577pn-1

(1)

由pn及上一級熵值Sn-1求出第n級出口焓Hn，再根據pn、H0求出第n級出口熵Sn。該n級出口流速為：

(2)

已知流量W0和流速vn，假定裝置長度為L，即可求得各級喉部界面最小尺寸。若假設共有6級膨脹，在第4級出口進行噴水減溫，則噴水量Q為：

(3)

式中：Hw表示凝結水的焓值；H4為噴水后蒸汽出口焓值。

圖2是某垃圾焚燒電廠的末級旁路排放減溫減壓裝置。該裝置總共進行6級膨脹(Ⅰ～Ⅵ)，并且第6級膨脹孔設在了凝汽器接頸側板上。

圖2 環(huán)形逐級膨脹式減溫減壓裝置

該裝置第1級為小孔形式，即進汽管周向有節(jié)流小孔，尾部用平蓋或封頭悶堵。在確定小孔直徑d后，通過式(4)確定單個小孔通流能力W:

(4)

式中：V0為進汽質量體積。

由式(5)確定節(jié)流孔數量N：

(5)

經第1級節(jié)流之后旁路蒸汽逐級繞流膨脹減壓，并在第4級出口被噴水減溫，減溫水取自凝結水泵出口的凝結水。被減溫水噴淋的鋼板表面覆有一層不銹鋼覆層，可以防沖蝕。由于該裝置側裝于接頸上，因此在每一級的低點需要設有一定數量的疏水孔。

該裝置存在缺點，即隨著旁路蒸汽流量增大，該種裝置的直徑逐漸增大，尺寸和質量亦增大，特別是當汽輪機單機功率較大時，這個缺點尤其突出。在相同的旁路蒸汽流量下，此種裝置比兩級多孔節(jié)流式的裝置要大很多，同時該裝置結構較復雜，且外置于凝汽器接頸側板上，比較占用空間。上述原因限制了其使用范圍。

3 兩級多孔節(jié)流式減溫減壓裝置

兩級多孔節(jié)流式減溫減壓裝置是目前世界上普遍采用的一種旁路末級排放裝置，具有節(jié)流能力強、結構緊湊等特點，其外形如圖3所示。圖4為該減溫減壓裝置的焓熵工作原理圖，可以看出，旁路飽和蒸汽經第1級孔板膨脹減壓后立即由凝結水噴淋減溫，減溫至第1級出口壓力下的飽和溫度。再進行第2級膨脹，隨后帶有一定過熱度的蒸汽排入凝汽器喉部[2]。

圖3 兩級多孔節(jié)流式減溫減壓裝置

圖4 焓熵工作原理圖

蒸汽在在第1、2級孔中均進行超臨界膨脹。節(jié)流孔孔徑d應不小于6.35 mm，否則易堵塞。第1、2級的節(jié)流孔數量按式(4)、(5)確定。各級間為等壓比膨脹。凝汽器背壓為pb，則第1級出口，即第2級入口壓力為pm：

(6)

在兩級之間進行噴水減溫，為保證減溫效果，筒體內流速vm不應過高(以每一級膨脹后汽流在集管和裝置殼體通流截面上的流速不超過102 m/s為原則)。確定了蒸汽量W0、噴水量Q以及流速vm后，即可求得筒體直徑D。

此外，為了避免高速噴射的汽流對凝汽器結構件的沖擊侵蝕，應計算確定汽流的安全擴散距離L，見式(7)。按式(8)計算出汽流的馬赫數后，查圖5確定超聲速長度系數Ls。

L=1.8Lsd

(7)

(8)

圖5 確定超聲速長度系數曲線

同時為了避免孔和孔噴射后汽流之間的干涉，還應計算確定孔節(jié)距(縱向排列的孔間距)S0，以及排孔之間的間距Sr：

(9)

(10)

級間的噴水量按公式(3)確定。

該裝置的特點是：(1)第2級蒸汽膨脹在凝汽器喉部內，并且在第1級后進行噴水減溫，第1級與第2級之間留有一定的空間距離，以保證汽水混合；(2)第1級節(jié)流孔不是布置在接管上，而是開設在單獨的孔板上；(3)第2級節(jié)流孔不是均勻地布置在集管的整個環(huán)形面上，而是開設在集管兩側某一圓心角范圍內，開孔朝水平方向或稍向下傾斜；(4)采用霧化噴嘴，保證蒸汽充分降溫。

4 工程實例計算

以某垃圾焚燒電廠60 MW中溫次高壓抽汽凝汽式汽輪發(fā)電機組為例，其旁路蒸汽參數為0.6 MPa(a)、160 ℃、150 t/h，凝汽器背壓9.5 kPa(a)。分別采用上述兩種減溫減壓裝置，對計算結果進行匯總，結果如表1和表2所示。

表1 環(huán)形逐級膨脹式減溫減壓裝置計算

表2 兩級多孔節(jié)流式減溫減壓裝置計算

(續(xù)表2)

5 結 論

本文對垃圾焚燒電站旁路系統(tǒng)進行了介紹，并重點介紹了“逐級膨脹式”和“多孔節(jié)流式”兩種結構形式的減溫減壓裝置。從工作原理、熱力計算、結構特點等方面針對二者進行了對比，得出了如下結論：

1)逐級膨脹式和多孔節(jié)流式兩種裝置均對旁路蒸汽進行節(jié)流減壓，然后在中間某一級對蒸汽噴水減溫，將其減溫至該級出口壓力下的飽和溫度。

2)逐級膨脹式的出汽溫度更低，噴水量更大，這是因為它在壓力更低的出口對蒸汽進行噴水減溫。

3)逐級膨脹式內部是臨界膨脹，而多孔節(jié)流式內部是超臨界膨脹，因此多孔節(jié)流式裝置能達到更低的出汽壓力。

4)多孔節(jié)流式需伸入凝汽器接頸安裝，逐級膨脹式則安裝于凝汽器接頸的外側板。

5)多孔節(jié)流式采用霧化噴嘴的減溫方式，而逐級膨脹式由內伸的噴管小孔噴灑減溫水，前者的霧化效果好，減溫效率高。

6)逐級膨脹式在應用上受到單機功率、結構復雜性的限制，而多孔節(jié)流式因結構簡單緊湊、節(jié)流能力強、出汽壓力更低，在現(xiàn)代工業(yè)透平機組中受到更多應用。對于垃圾焚燒發(fā)電廠同樣建議采用多孔節(jié)流式，同時宜在排汽接管上設置水幕保護，防止末級葉片受沖刷。