空分裝置汽輪機凝汽器的選型

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地的空分裝置（以下稱1#空分裝置和2#空分裝置）為研究對象，分析了空冷凝汽器和水冷凝汽器兩種空分汽輪機乏汽冷卻方案，對比了兩種凝汽器裝置的工藝要求、能量消耗設備投資和維護、總圖布置等因素。結果表明：空冷凝器和水冷器均能滿足汽輪機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，適用于建設地氣溫低、冷卻水價格高且占地大的空分裝置；水冷凝器操作維護費受冷卻水價格影響明顯，適用于建設地冷卻水價格低的空分裝置。

空分；汽輪機；壓縮機；水冷凝汽器；空冷凝汽器

空分裝置的壓縮系統功率較高，汽輪機拖動比電機拖動具有明顯的節能優勢。一般鍋爐和熱網條件允許時，空分裝置的空壓機和增壓機均采用汽輪機拖動，提高全廠經濟性。

汽輪機乏汽需冷凝形成并維持負壓而增加汽輪機做功推動力，增加高壓蒸汽利用效率；冷凝同時產出具有一定過冷度的透平凝液，避免凝液泵發生氣蝕，方便回收輸送。凝汽設備是凝汽式汽輪機的主要設備，其工作性能直接影響整個汽輪機的功、熱效率和運行可靠性。乏汽凝汽器常用的形式有空冷凝汽器和水冷凝汽器。空冷凝汽器利用電機拖動風機以增強空氣對流并與換熱管另一側的蒸汽進行換熱，主要消耗為電能；水冷凝汽器利用循環冷卻水與換熱管另一側的蒸汽進行換熱，主要能耗為循環水消耗，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需保證空分裝置有足夠的循環水供應。

空分規模、氣象條件、汽輪機選型、蒸汽參數、電價、水價、廠區面積等因素均能影響凝汽器的選型。本文以兩套不同建設地的空分裝置為研究對象，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。

1 地域條件

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

表1-1 建設地氣候與公用工程條件表

注：蒸汽規格：10MPaG，508℃。

2 壓縮系統

空分裝置中的壓縮機組由汽輪機拖動。若氧氣收率以95%計算，基于ProⅡ模擬1#空分裝置和2#空分裝置的壓縮系統。1#空分裝置壓縮系統功率模擬結果為16816 kW，2#空分裝置壓縮系統功率模擬結果為23569 kW。

3 凝汽器的設計與選型分析

3.1 汽輪機選型[1]

通常汽輪機可選用背壓式、中抽凝汽式和全凝式，全背壓式汽輪機不需要設置凝汽器。

功率一定時，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，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，并可根據全廠熱網需要外供一定量低品位的蒸汽。

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

3.2 凝汽器操作參數

3.2.1 蒸汽介質操作參數的選取

汽輪機末級葉片的前后壓差達到臨界壓力比時，末級葉片排氣壓力達到極限真空值。在極限真空值以內，降低排汽壓力可以提高蒸汽循環熱效率，提高整體經濟性，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，轉折處壓力約為10-20kPaA。排汽壓力取值過低，此時需提供較大的做功空間和冷凝換熱面積，設備尺寸增大，造價增高；同時，末級葉片直徑增加，容易引起振動。排汽壓力取值過高，同時動力蒸汽焓降降低，蒸汽利用率低。

由P-T曲線可以看出：低排汽壓力乏汽對應飽和溫度較低，凝汽器所需冷卻介質的溫度越低。故，汽輪機排汽壓力受凝汽器換熱介質參數限制。

水冷凝汽器和空冷凝汽器一般取值分別為12kPaA、20kPaA，對應飽和蒸汽溫度為50℃、60℃。為防止凝液泵汽蝕，常將泵低點安裝并將凝液冷卻至過冷，過冷度以2℃計算，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#空分裝置循環水上水溫度分別為33℃，均小于48℃，水冷凝汽器存在換熱推動力；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力。故兩種凝汽器均能滿足兩套空分裝置汽輪機乏汽冷凝工藝要求。

3.2.2 凝汽器排液參數

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蒸汽。過高的過冷度將增加凝汽器及下游鍋爐裝置熱負荷；同時會增加凝液中的溶解氧，增加下游鍋爐裝置除氧難度。故，在保證凝液泵不發生汽蝕范圍內，應減小凝汽器排液過冷度。一般取值在2℃以下。

圖3-1 飽和水蒸氣性質曲線

3.3 凝汽器本體設計[3,4]

以給定的壓縮機計算功率為基準，模擬出汽輪機拖動系統；以3.2中得出的汽輪機排汽參數及凝汽器排液參數為基準，基于Aspen Plus和HTRI設計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算結果如表3-2所示。

表3-2 凝汽器模擬結果

3.3.1 氣象條件的影響

（1）水冷凝汽器

循環水進水溫度由循環水場的冷卻系統熱負荷決定，主要受大氣濕度的影響。大氣濕度變化時，循環水場需通過調節冷卻水塔風機抽氣量或雙曲線型冷卻塔的進水量保證供水溫度相對平穩，故水冷凝汽器用水量不存在大范圍波動。

（2）空冷凝汽器

氣溫對空冷凝汽器的設計影響較大，以1#空分裝置為例，當空氣凝汽器設計溫度為34℃時，換熱面積（光管基準）為2720m2。對比表3-2可知，設計溫度越高，空冷凝汽器的經濟性越差。

3.3.2 空冷凝汽器耗電量計算[5]

空冷凝汽器熱通量和空氣溫度有關，環境溫度越低，冷熱介質溫差越大，熱通量越大。

由表1-1可知：1#空分建設地年平均氣溫為7℃。以空氣側排氣溫度均為50℃計算，年平均氣溫下耗電量為約為：

式中：PD設計溫度下的功率,QD設計溫度下的風量,-Q平均溫度下的風量,?TD設計溫度下的氣側溫差,----?T平均溫度下的氣側溫差。

以此計算2#空分平均運行功率為-P2為471kW。

4 實際運用的比較

4.1 一次性投資與操作費用計算

以表2-3中凝汽器參數、表3-2中循環水消耗量、3.3.2小節中耗電量為基準，以表1-1中所示價格，年操作時數8000小時/年,計算操作費用（不含折舊費和員工工資等）。結果如表4-1所示。

表4-1 凝汽器設備投資與操作費對比表

水冷凝汽器同時還需考慮自建循環水場的投資及運行費用（冷卻水塔風機及循環水泵的耗電）。最終直接投資和操作費用如表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，以此計算2#空分裝置ΔS2、ΔP2，N2分別為：2474萬元、106萬元、23.3年。

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

而當考慮自建循環水場時，以表4-2所示，計算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，由經濟角度考慮：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 設備布置

水冷凝汽器的安裝位置通常位于廠房內、汽輪機下方，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。若考慮循環水場，則占地分別約2200m2、2500m2。

對于空冷凝汽器，其安裝位置位于室外通風處，由于有多個風機，占地面積較大。1#空分裝置空冷凝汽器以六臺風機3x2排列計算，占地面積約600m2；2#空分裝置空冷凝汽器以九臺風機3x3排列計算，占地面積約1400m2。空冷凝汽器占地面積較大，更適合裝置可用操作面積較大的項目。

5 結語

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，運行費用低；水冷凝汽器水耗高，占地小，水冷卻系統投資少（不考慮自建循環水場），運行效率高，運行費用受水價影響大，長期看運行費用較大。故空冷凝汽器適用于建設地氣溫低和循環水價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地循環水價格偏低的空分裝置。對于1#空分裝置，采取操作費用較低的空冷凝汽器具有明顯的經濟性優勢。對于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濟性優勢。

[1]黃樹紅;汽輪機原理[M].北京：中國電力出版社，2008: 129-140.

[2]王國清，楊世斌，梁建勇.汽輪機設備運行技術問答[M].北京：中國電力出版社，2003：289-290.

[3]王松漢.石油化工設計手冊[M].北京：化學工業出版社，2002：703-773.

[4]劉巍.冷換設備工藝計算手冊[M].北京：中國石化出版社，2003:81-199.

[5]馬義偉.空冷器設計與應用[M].哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，1998:10.