彭 超

(上海汽輪機(jī)廠有限公司，上海 200240)

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

目前，旁路末級(jí)減溫減壓裝置主要結(jié)構(gòu)形式有兩種：一種是環(huán)形逐級(jí)膨脹式減溫減壓裝置(下文簡(jiǎn)稱“逐級(jí)膨脹式”)，另一種是兩級(jí)多孔節(jié)流式減溫減壓裝置(下文簡(jiǎn)稱“多孔節(jié)流式”)。兩種裝置均在垃圾發(fā)電項(xiàng)目中有應(yīng)用[1-2]。

本文將介紹兩種裝置的熱力計(jì)算方法，通過技術(shù)對(duì)比并結(jié)合工程項(xiàng)目算例，分析兩種裝置結(jié)構(gòu)的異同點(diǎn)，給出垃圾發(fā)電項(xiàng)目旁路裝置的選用建議。該分析計(jì)算可為后續(xù)垃圾發(fā)電項(xiàng)目旁路末級(jí)減溫減壓裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)選型提供參考。

1 垃圾發(fā)電廠旁路系統(tǒng)

汽輪機(jī)旁路系統(tǒng)是指與汽輪機(jī)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(jī)構(gòu)和閥門組成。其作用是使鍋爐產(chǎn)生的蒸汽不經(jīng)過汽輪機(jī)，而將其引至下一級(jí)壓力蒸汽管道或凝汽器，從而起到匹配機(jī)爐參數(shù)、縮短啟動(dòng)時(shí)間、回收工質(zhì)、保護(hù)再熱器、甩負(fù)荷時(shí)實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)空轉(zhuǎn)或帶廠用電運(yùn)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(chǎn)生的新蒸汽分別接入主蒸汽母管，汽輪機(jī)所用主蒸汽從母管接至汽輪機(jī)自動(dòng)主汽門前[3]。

垃圾焚燒發(fā)電廠的機(jī)組容量都不會(huì)太大，在主蒸汽母管后一般配有多臺(tái)汽輪機(jī)，多為單缸機(jī)組，并配有獨(dú)立的旁路凝汽器。其旁路系統(tǒng)為一級(jí)大旁路系統(tǒng)：母管蒸汽旁通整臺(tái)汽輪機(jī)，經(jīng)旁路閥減溫減壓后引入旁路凝汽器喉部(末級(jí)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(jié)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(zhǔn)則，旁路蒸汽需要經(jīng)過凝汽器喉部自帶的末級(jí)減溫減壓裝置進(jìn)一步減溫減壓后，方能排入凝汽器[2]。

末級(jí)減溫減壓裝置出口蒸汽溫度應(yīng)盡量控制在80 ℃以下，而實(shí)際上出汽溫度是由中間噴水的那一級(jí)壓力決定的。噴水減溫后，蒸汽經(jīng)過下一級(jí)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(duì)鋼結(jié)構(gòu)件造成沖蝕。

2 環(huán)形逐級(jí)膨脹式減溫減壓裝置

蒸汽在凝汽器喉部末級(jí)排放裝置的減溫減壓原理可以理解為兩個(gè)獨(dú)立的過程，即等焓節(jié)流減壓過程和噴水減溫過程。而實(shí)際上，這兩個(gè)過程是可以同時(shí)進(jìn)行的，可以在節(jié)流減壓的過程中同時(shí)噴入減溫水減溫，也可以先減壓后減溫再減壓。圖1為逐級(jí)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(jìn)入減溫減壓裝置后，逐級(jí)進(jìn)行膨脹減壓，每一級(jí)的膨脹過程中焓值不變；在第4級(jí)出口進(jìn)行噴水減溫，減溫至該級(jí)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(jí)中進(jìn)行臨界膨脹，一般設(shè)計(jì)成6～7級(jí)[2]。

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

pn=0.577pn-1

(1)

由pn及上一級(jí)熵值Sn-1求出第n級(jí)出口焓Hn，再根據(jù)pn、H0求出第n級(jí)出口熵Sn。該n級(jí)出口流速為：

(2)

已知流量W0和流速vn，假定裝置長(zhǎng)度為L(zhǎng)，即可求得各級(jí)喉部界面最小尺寸。若假設(shè)共有6級(jí)膨脹，在第4級(jí)出口進(jìn)行噴水減溫，則噴水量Q為：

(3)

式中：Hw表示凝結(jié)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(jí)旁路排放減溫減壓裝置。該裝置總共進(jìn)行6級(jí)膨脹(Ⅰ～Ⅵ)，并且第6級(jí)膨脹孔設(shè)在了凝汽器接頸側(cè)板上。

圖2 環(huán)形逐級(jí)膨脹式減溫減壓裝置

該裝置第1級(jí)為小孔形式，即進(jìn)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(gè)小孔通流能力W:

(4)

式中：V0為進(jìn)汽質(zhì)量體積。

由式(5)確定節(jié)流孔數(shù)量N：

(5)

經(jīng)第1級(jí)節(jié)流之后旁路蒸汽逐級(jí)繞流膨脹減壓，并在第4級(jí)出口被噴水減溫，減溫水取自凝結(jié)水泵出口的凝結(jié)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(cè)裝于接頸上，因此在每一級(jí)的低點(diǎn)需要設(shè)有一定數(shù)量的疏水孔。

該裝置存在缺點(diǎn)，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(zhì)量亦增大，特別是當(dāng)汽輪機(jī)單機(jī)功率較大時(shí)，這個(gè)缺點(diǎn)尤其突出。在相同的旁路蒸汽流量下，此種裝置比兩級(jí)多孔節(jié)流式的裝置要大很多，同時(shí)該裝置結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，且外置于凝汽器接頸側(cè)板上，比較占用空間。上述原因限制了其使用范圍。

3 兩級(jí)多孔節(jié)流式減溫減壓裝置

兩級(jí)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(jí)排放裝置，具有節(jié)流能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)，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(jīng)第1級(jí)孔板膨脹減壓后立即由凝結(jié)水噴淋減溫，減溫至第1級(jí)出口壓力下的飽和溫度。再進(jìn)行第2級(jí)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(jí)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(jí)孔中均進(jìn)行超臨界膨脹。節(jié)流孔孔徑d應(yīng)不小于6.35 mm，否則易堵塞。第1、2級(jí)的節(jié)流孔數(shù)量按式(4)、(5)確定。各級(jí)間為等壓比膨脹。凝汽器背壓為pb，則第1級(jí)出口，即第2級(jí)入口壓力為pm：

(6)

在兩級(jí)之間進(jìn)行噴水減溫，為保證減溫效果，筒體內(nèi)流速vm不應(yīng)過高(以每一級(jí)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(duì)凝汽器結(jié)構(gòu)件的沖擊侵蝕，應(yīng)計(jì)算確定汽流的安全擴(kuò)散距離L，見式(7)。按式(8)計(jì)算出汽流的馬赫數(shù)后，查圖5確定超聲速長(zhǎng)度系數(shù)Ls。

L=1.8Lsd

(7)

(8)

圖5 確定超聲速長(zhǎng)度系數(shù)曲線

同時(shí)為了避免孔和孔噴射后汽流之間的干涉，還應(yīng)計(jì)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(jí)間的噴水量按公式(3)確定。

該裝置的特點(diǎn)是：(1)第2級(jí)蒸汽膨脹在凝汽器喉部?jī)?nèi)，并且在第1級(jí)后進(jìn)行噴水減溫，第1級(jí)與第2級(jí)之間留有一定的空間距離，以保證汽水混合；(2)第1級(jí)節(jié)流孔不是布置在接管上，而是開設(shè)在單獨(dú)的孔板上；(3)第2級(jí)節(jié)流孔不是均勻地布置在集管的整個(gè)環(huán)形面上，而是開設(shè)在集管兩側(cè)某一圓心角范圍內(nèi)，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(shí)例計(jì)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(jī)組為例，其旁路蒸汽參數(shù)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(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行匯總，結(jié)果如表1和表2所示。

表1 環(huán)形逐級(jí)膨脹式減溫減壓裝置計(jì)算

表2 兩級(jí)多孔節(jié)流式減溫減壓裝置計(jì)算

(續(xù)表2)

5 結(jié) 論

本文對(duì)垃圾焚燒電站旁路系統(tǒng)進(jìn)行了介紹，并重點(diǎn)介紹了“逐級(jí)膨脹式”和“多孔節(jié)流式”兩種結(jié)構(gòu)形式的減溫減壓裝置。從工作原理、熱力計(jì)算、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等方面針對(duì)二者進(jìn)行了對(duì)比，得出了如下結(jié)論：

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

2)逐級(jí)膨脹式的出汽溫度更低，噴水量更大，這是因?yàn)樗趬毫Ω偷某隹趯?duì)蒸汽進(jìn)行噴水減溫。

3)逐級(jí)膨脹式內(nèi)部是臨界膨脹，而多孔節(jié)流式內(nèi)部是超臨界膨脹，因此多孔節(jié)流式裝置能達(dá)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(jí)膨脹式則安裝于凝汽器接頸的外側(cè)板。

5)多孔節(jié)流式采用霧化噴嘴的減溫方式，而逐級(jí)膨脹式由內(nèi)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(jí)膨脹式在應(yīng)用上受到單機(jī)功率、結(jié)構(gòu)復(fù)雜性的限制，而多孔節(jié)流式因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、節(jié)流能力強(qiáng)、出汽壓力更低，在現(xiàn)代工業(yè)透平機(jī)組中受到更多應(yīng)用。對(duì)于垃圾焚燒發(fā)電廠同樣建議采用多孔節(jié)流式，同時(shí)宜在排汽接管上設(shè)置水幕保護(hù)，防止末級(jí)葉片受沖刷。