工業(yè)供熱蒸汽冷凝水回收方案研究

謝標(biāo)林

(中國(guó)神華能源股份有限公司國(guó)華惠州熱電分公司，廣東 惠州516082)

隨著人們節(jié)能環(huán)保意識(shí)的提高，人們對(duì)冷凝水的看法也在發(fā)生轉(zhuǎn)變。 曾經(jīng)被視為蒸汽輸送中低廉副產(chǎn)品的冷凝水，由于冷凝水回收技術(shù)的應(yīng)用，如今已被視為寶貴的資源，把冷凝水直接排掉，無(wú)異于丟棄可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

化工園區(qū)的工業(yè)蒸汽一般運(yùn)用于換熱器和反應(yīng)釜，冷凝水多為表面式換熱產(chǎn)生的冷凝水，水質(zhì)較好。目前國(guó)內(nèi)大型綜合型工業(yè)園區(qū)的供熱企業(yè)為了搶占熱力市場(chǎng)、鞏固與化工廠的商業(yè)關(guān)系，通常對(duì)有需要的化工廠冷凝水進(jìn)行回收。目前常見的冷凝水回收方法主要有冷凝水閃蒸利用蒸汽、用于采暖供熱、用于工業(yè)水或純水或直接用于鍋爐給水等方案。

1 冷凝水回收背景

某化工廠2×75t/h（額定壓力5.19MPa）鍋爐因環(huán)保政策要求需拆除。經(jīng)與化工廠、熱電廠達(dá)成初步的意向，其使用的大部分蒸汽由熱電廠提供。由于化工廠鍋爐拆除后，其冷凝水大量無(wú)法消耗，按現(xiàn)行的環(huán)保政策，其冷凝水的排放難度較大，而且冷凝水的溫度為98℃，降溫排放將造成水資源的浪費(fèi)和運(yùn)行費(fèi)用增加。從園區(qū)循環(huán)經(jīng)濟(jì)，資源充分利用的角度，熱電廠考慮進(jìn)行該廠冷凝水的回收利用。

冷凝水水量及水質(zhì)分析:

化工廠配置有2×75t/h（額定壓力5.19MPa）鍋爐，冷凝水溫度為97～98℃，正常流量為90～100t/h。根據(jù)熱電廠對(duì)化工廠汽水進(jìn)行取樣分析以及化工廠提供的逐月監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，目前正在運(yùn)行的冷凝水水質(zhì)如下：

表1 冷凝水水質(zhì)

取樣分析其它水質(zhì)數(shù)據(jù)（化工廠采用自備鍋爐數(shù)據(jù)）如表2。

表2 化工廠水質(zhì)數(shù)據(jù)

目前的數(shù)據(jù)僅為化工廠采用自備鍋爐的水質(zhì)數(shù)據(jù)，蒸汽冷凝水中的雜質(zhì)由換熱設(shè)備的腐蝕和泄漏產(chǎn)生，假設(shè)冷凝水水質(zhì)為蒸汽品質(zhì)和系統(tǒng)換熱的泄漏量（腐蝕和泄漏總量）總和，則預(yù)測(cè)化工廠蒸汽冷凝系統(tǒng)泄漏量預(yù)估如表3。

表3 化工廠蒸汽冷凝系統(tǒng)泄漏量預(yù)估

由于熱電廠蒸汽品質(zhì)較化工廠自備鍋爐要好，冷凝水水質(zhì)數(shù)據(jù)應(yīng)該較目前冷凝水水質(zhì)好，如果采用熱電廠供汽后，假設(shè)化工廠換熱系統(tǒng)泄露量不變，且冷凝水水質(zhì)為蒸汽品質(zhì)和系統(tǒng)換熱的泄漏量（腐蝕和泄漏總量）總和，則預(yù)測(cè)采用熱電廠供汽后的冷凝水水質(zhì)如下：

從表4 數(shù)據(jù)可以分析得出，采用熱電廠蒸汽后，化工廠冷凝水水質(zhì)電導(dǎo)水平在1.34-10μs/cm 之間，鐵離子、二氧化硅等雜質(zhì)含量較上升，無(wú)法直接補(bǔ)入熱電廠鍋爐補(bǔ)給水系統(tǒng)，需要進(jìn)行除鹽處理。

表4 采用熱電廠供汽后的冷凝水水質(zhì)

2 可行性方案及分析

2.1 總體方案

根據(jù)現(xiàn)有化工廠冷凝水水質(zhì)和采用熱電廠供汽后冷凝水水質(zhì)預(yù)估，冷凝水水質(zhì)設(shè)計(jì)指標(biāo)按照如下：

表5 冷凝水水質(zhì)設(shè)計(jì)指標(biāo)

充分利用現(xiàn)有設(shè)備及系統(tǒng)情況下，化工廠至熱電廠冷凝水回收總體方案如圖1。

正常水質(zhì)時(shí)，冷凝水經(jīng)過(guò)換熱降溫后，送至鍋爐補(bǔ)給水處理系統(tǒng)前端清水箱，經(jīng)過(guò)“一級(jí)除鹽+混床”處理。在啟動(dòng)或者水質(zhì)異常時(shí)，供汽回水水質(zhì)超過(guò)最大濃度時(shí)，不進(jìn)行回收處理，管道內(nèi)的存水經(jīng)過(guò)換熱降溫后排至廢水中轉(zhuǎn)池，利用現(xiàn)有廢水泵送至工業(yè)廢水處理站進(jìn)行處理復(fù)用（圖2）。

2.2 可行性方案

本方案設(shè)置兩級(jí)冷卻裝置，第一級(jí)采用板式換熱器，供熱回水用來(lái)加熱汽輪機(jī)系統(tǒng)的凝結(jié)水，板片材質(zhì)可采用TP304。被加熱的凝結(jié)水來(lái)自汽輪機(jī)軸封加熱器旁路。根據(jù)汽機(jī)廠提供的熱平衡圖，額定供熱工況下軸加旁路的凝結(jié)水溫度為36.6℃，加熱后按93℃回至6 號(hào)低加進(jìn)口凝結(jié)水管道。熱網(wǎng)回水可以被冷卻至42℃，42℃的水再與原水混合后降至38℃以下進(jìn)入鍋爐補(bǔ)給水車間進(jìn)行處理。

但在夏季，軸加旁路水溫為48℃，供熱冷凝水通過(guò)一級(jí)冷卻后為53℃，在此溫度下與原水混合無(wú)法滿足現(xiàn)有水處理設(shè)備的進(jìn)水溫度要求。且當(dāng)熱網(wǎng)回水率大于50%時(shí)，會(huì)出現(xiàn)混合水溫度偏高的情況。為滿足這些工況下鍋爐補(bǔ)給水進(jìn)水溫度要求，考慮在一級(jí)換熱器后設(shè)置二級(jí)換熱器，經(jīng)過(guò)一級(jí)換熱后的熱網(wǎng)回水在二級(jí)換熱器中與循環(huán)水（海水）進(jìn)行進(jìn)一步的換熱，被冷卻至38℃以下再進(jìn)入鍋爐補(bǔ)給水車間進(jìn)行處理（圖3）。

2.3 方案對(duì)機(jī)組原系統(tǒng)影響分析

2.3.1 方案對(duì)汽輪機(jī)、低加和軸加的影響

一級(jí)冷卻器采用凝結(jié)水回收熱網(wǎng)回水熱量的方案，從軸加旁路抽取了部分凝結(jié)水經(jīng)過(guò)換熱后回至6 號(hào)低加進(jìn)口，流經(jīng)7、8 號(hào)低加的凝結(jié)水流量變小，相應(yīng)7、8 段抽汽的抽汽量也相應(yīng)減小，更多的抽汽返回至汽輪機(jī)做功，從而增加了汽輪機(jī)的出力，汽輪機(jī)的排汽量也會(huì)相應(yīng)增加。由于凝結(jié)水換熱后的溫度與未換熱之前6 號(hào)低加進(jìn)口的凝結(jié)水溫度一致，因此不會(huì)對(duì)6號(hào)低加以及6 段抽汽產(chǎn)生影響。

采用本方案后，7、8 段抽汽量雖然有所減少，但是在達(dá)到汽水平衡后，對(duì)7、8 號(hào)低加的水位不會(huì)產(chǎn)生影響。

凝結(jié)水至一級(jí)換熱器取水位置定在軸加旁路管道，此處凝結(jié)水溫度未經(jīng)過(guò)軸加加熱，溫度相對(duì)較低。從此位置抽取凝結(jié)水，對(duì)軸加本體的換熱及水位均不會(huì)產(chǎn)生影響。

考慮到園區(qū)供熱回水存在突然中斷的情況，此時(shí)在很短的時(shí)間內(nèi)，由于從8 號(hào)低加進(jìn)口抽取的凝結(jié)水無(wú)法被加熱，將以較低的溫度進(jìn)入6 號(hào)低加進(jìn)口。由于進(jìn)入6 號(hào)低加的凝結(jié)水溫突降，6 段抽汽量也會(huì)相應(yīng)發(fā)生變化。經(jīng)過(guò)核算，在此工況下，6 段抽汽的抽汽量將會(huì)增加約9.5t/h,因此6 號(hào)低加疏水量也會(huì)增加9.5t/h。假設(shè)此時(shí)6 號(hào)低加水溫為正常水位，則上升至高水位報(bào)警線的時(shí)間為247s，上升至高水位切除線的時(shí)間為380s。

一般電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的全行程時(shí)間為60s 左右，當(dāng)熱網(wǎng)回水突然中斷時(shí)，設(shè)置在回水管道上的溫度測(cè)點(diǎn)應(yīng)有感應(yīng)并連鎖關(guān)閉凝結(jié)水引出管道上的電動(dòng)關(guān)斷門，電動(dòng)關(guān)斷門在60s 內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)全關(guān)，此時(shí)加熱器水位還在未達(dá)到報(bào)警水位，因此不會(huì)對(duì)6 號(hào)加熱器水位造成較大的波動(dòng)。

圖1 冷凝水回收總體方案示意圖

圖2 冷凝水化學(xué)處理流程示意圖

對(duì)于7、8 號(hào)低加，在熱網(wǎng)回水中斷的情況下，隨著凝結(jié)水管道引出管道上的電動(dòng)關(guān)斷閥逐步關(guān)閉，流經(jīng)7、8 號(hào)低加的凝結(jié)水量會(huì)相應(yīng)增加100t/h,7、8 段抽汽的抽汽量也會(huì)相應(yīng)分別增加3.7t/h 和5.7t/h, 由于抽汽量隨著凝結(jié)水流量的增加逐步增加的，且增加量相應(yīng)較少，通過(guò)疏水閥門開度的調(diào)整，完全可以將7、8 號(hào)低加的水位控制在安全的范圍內(nèi)。同時(shí)，因7、8 號(hào)低加的抽汽量增加而造成汽輪機(jī)功率減少分別為0.374MW 和0.367MW，對(duì)汽輪機(jī)功率影響甚微。

2.3.2 回水處理對(duì)除鹽系統(tǒng)影響分析

在夏季極端工況下，循環(huán)水為35℃時(shí)，可以保證進(jìn)除鹽系統(tǒng)水溫小于38℃。根據(jù)DL 5068《發(fā)電廠化學(xué)設(shè)計(jì)規(guī)范》表5.1.2-1 要求，陽(yáng)、陰離子交換樹脂進(jìn)水水溫5-45℃。離子交換樹脂一般為001×7 和201×7 樹脂，根據(jù)資料，001×7 樹脂H 型最高允許溫度為100℃，201×7 樹脂OH 型最高允許溫度為40℃。故在夏季極端工況下，水溫可以滿足樹脂要求。

根據(jù)《發(fā)電廠化學(xué)設(shè)計(jì)規(guī)范》表5.1.2-2 要求， 在滿足電導(dǎo)率<10μS/cm,二氧化硅<100μg/L 時(shí)，混床周期出水可以保證二氧化硅≤20 g/L，電導(dǎo)率(25℃)≤0.2 S/cm，且運(yùn)行周期大于168h。假設(shè)冷凝水回水電導(dǎo)率小于<10μS/cm，pH 為9.2，折算在pH 在9.2 時(shí)，純水電導(dǎo)率為4μS/cm，NH3 含量為0.5mg/L，減去NH3 部分電導(dǎo)率，其它鹽分電導(dǎo)率為6μS/cm，假設(shè)全部為NaCl含量，則近似NaCl 含量為2.5mg/L。

從表中可知，如果在冷凝水電導(dǎo)率為10μS/cm，計(jì)算比較采用原水67.8μS/cm 進(jìn)水時(shí)，處理100t/h 原水系統(tǒng)節(jié)約的酸堿及除鹽水量如表6。

從以上數(shù)據(jù)可以看出，在冷凝水電導(dǎo)率為10μS/cm 時(shí)，冷凝水回一級(jí)除鹽系統(tǒng)可節(jié)約大量酸堿和再生用酸堿。根據(jù)上海漕涇電廠類似供熱工程調(diào)研，回水最大電導(dǎo)率為5μS/cm，正常電導(dǎo)率小于1.5μS/cm，實(shí)際運(yùn)行再生周期將更長(zhǎng)，酸堿耗量將進(jìn)一步減少。

2.4 經(jīng)濟(jì)性分析

按年費(fèi)用法進(jìn)行的經(jīng)濟(jì)性比較分析如表7。

從表7 可以看出，冷凝水回收后每年可節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用約65萬(wàn)元。

3 結(jié)論

圖3 冷卻水系統(tǒng)示意圖

表6 節(jié)約的酸堿及除鹽水量

表7 冷凝水回收前后運(yùn)行費(fèi)用對(duì)比

通過(guò)方案分析，設(shè)計(jì)方案采用兩級(jí)冷卻方案（第二級(jí)水冷），即冷凝水冷卻系統(tǒng)采用兩級(jí)冷卻。第一級(jí)采用板式換熱器使用凝結(jié)水冷卻并回收冷凝水中的熱量，凝結(jié)水取水自精處理出口，回水至7 號(hào)低加出口。第二級(jí)采用管式換熱器使用循環(huán)水進(jìn)一步對(duì)冷凝水進(jìn)行冷卻降溫，以確保在夏季凝結(jié)水溫度高時(shí)能夠?qū)⒗淠疁囟冉档偷綕M足化學(xué)制水的補(bǔ)水溫度要求，循環(huán)水取回水接到凝汽器的循環(huán)水進(jìn)回水管道。兩級(jí)冷卻系統(tǒng)做為公用系統(tǒng)，兩級(jí)換熱器均按2×65%配置，凝結(jié)水和循環(huán)水分別從兩臺(tái)機(jī)組取水，確保系統(tǒng)運(yùn)行可靠性。

冷凝水接入系統(tǒng)方式：冷凝水經(jīng)兩級(jí)換熱器冷卻后進(jìn)入化學(xué)制水系統(tǒng)進(jìn)行凈化處理。在冷凝水進(jìn)入熱電廠時(shí)設(shè)置Na、TOC、電導(dǎo)率等化學(xué)儀表檢測(cè)水質(zhì)，根據(jù)水質(zhì)情況確定冷凝水接入系統(tǒng)方式，大部分時(shí)間水質(zhì)較好時(shí)補(bǔ)入制水系統(tǒng)清水箱。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)冷凝水水質(zhì)不合格時(shí)，立即關(guān)斷閥門停止回收，管道內(nèi)的存水經(jīng)過(guò)換熱降溫后排至廢水中轉(zhuǎn)池，利用現(xiàn)有廢水泵送至工業(yè)廢水處理站進(jìn)行處理復(fù)用。