工業供熱蒸汽冷凝水回收方案研究

謝標林

(中國神華能源股份有限公司國華惠州熱電分公司，廣東 惠州516082)

隨著人們節能環保意識的提高，人們對冷凝水的看法也在發生轉變。 曾經被視為蒸汽輸送中低廉副產品的冷凝水，由于冷凝水回收技術的應用，如今已被視為寶貴的資源，把冷凝水直接排掉，無異于丟棄可觀的經濟效益。

化工園區的工業蒸汽一般運用于換熱器和反應釜，冷凝水多為表面式換熱產生的冷凝水，水質較好。目前國內大型綜合型工業園區的供熱企業為了搶占熱力市場、鞏固與化工廠的商業關系，通常對有需要的化工廠冷凝水進行回收。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）鍋爐因環保政策要求需拆除。經與化工廠、熱電廠達成初步的意向，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，其冷凝水大量無法消耗，按現行的環保政策，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和運行費用增加。從園區循環經濟，資源充分利用的角度，熱電廠考慮進行該廠冷凝水的回收利用。

冷凝水水量及水質分析:

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。根據熱電廠對化工廠汽水進行取樣分析以及化工廠提供的逐月監測數據，目前正在運行的冷凝水水質如下：

表1 冷凝水水質

取樣分析其它水質數據（化工廠采用自備鍋爐數據）如表2。

表2 化工廠水質數據

目前的數據僅為化工廠采用自備鍋爐的水質數據，蒸汽冷凝水中的雜質由換熱設備的腐蝕和泄漏產生，假設冷凝水水質為蒸汽品質和系統換熱的泄漏量（腐蝕和泄漏總量）總和，則預測化工廠蒸汽冷凝系統泄漏量預估如表3。

表3 化工廠蒸汽冷凝系統泄漏量預估

由于熱電廠蒸汽品質較化工廠自備鍋爐要好，冷凝水水質數據應該較目前冷凝水水質好，如果采用熱電廠供汽后，假設化工廠換熱系統泄露量不變，且冷凝水水質為蒸汽品質和系統換熱的泄漏量（腐蝕和泄漏總量）總和，則預測采用熱電廠供汽后的冷凝水水質如下：

從表4 數據可以分析得出，采用熱電廠蒸汽后，化工廠冷凝水水質電導水平在1.34-10μs/cm 之間，鐵離子、二氧化硅等雜質含量較上升，無法直接補入熱電廠鍋爐補給水系統，需要進行除鹽處理。

表4 采用熱電廠供汽后的冷凝水水質

2 可行性方案及分析

2.1 總體方案

根據現有化工廠冷凝水水質和采用熱電廠供汽后冷凝水水質預估，冷凝水水質設計指標按照如下：

表5 冷凝水水質設計指標

充分利用現有設備及系統情況下，化工廠至熱電廠冷凝水回收總體方案如圖1。

正常水質時，冷凝水經過換熱降溫后，送至鍋爐補給水處理系統前端清水箱，經過“一級除鹽+混床”處理。在啟動或者水質異常時，供汽回水水質超過最大濃度時，不進行回收處理，管道內的存水經過換熱降溫后排至廢水中轉池，利用現有廢水泵送至工業廢水處理站進行處理復用（圖2）。

2.2 可行性方案

本方案設置兩級冷卻裝置，第一級采用板式換熱器，供熱回水用來加熱汽輪機系統的凝結水，板片材質可采用TP304。被加熱的凝結水來自汽輪機軸封加熱器旁路。根據汽機廠提供的熱平衡圖，額定供熱工況下軸加旁路的凝結水溫度為36.6℃，加熱后按93℃回至6 號低加進口凝結水管道。熱網回水可以被冷卻至42℃，42℃的水再與原水混合后降至38℃以下進入鍋爐補給水車間進行處理。

但在夏季，軸加旁路水溫為48℃，供熱冷凝水通過一級冷卻后為53℃，在此溫度下與原水混合無法滿足現有水處理設備的進水溫度要求。且當熱網回水率大于50%時，會出現混合水溫度偏高的情況。為滿足這些工況下鍋爐補給水進水溫度要求，考慮在一級換熱器后設置二級換熱器，經過一級換熱后的熱網回水在二級換熱器中與循環水（海水）進行進一步的換熱，被冷卻至38℃以下再進入鍋爐補給水車間進行處理（圖3）。

2.3 方案對機組原系統影響分析

2.3.1 方案對汽輪機、低加和軸加的影響

一級冷卻器采用凝結水回收熱網回水熱量的方案，從軸加旁路抽取了部分凝結水經過換熱后回至6 號低加進口，流經7、8 號低加的凝結水流量變小，相應7、8 段抽汽的抽汽量也相應減小，更多的抽汽返回至汽輪機做功，從而增加了汽輪機的出力，汽輪機的排汽量也會相應增加。由于凝結水換熱后的溫度與未換熱之前6 號低加進口的凝結水溫度一致，因此不會對6號低加以及6 段抽汽產生影響。

采用本方案后，7、8 段抽汽量雖然有所減少，但是在達到汽水平衡后，對7、8 號低加的水位不會產生影響。

凝結水至一級換熱器取水位置定在軸加旁路管道，此處凝結水溫度未經過軸加加熱，溫度相對較低。從此位置抽取凝結水，對軸加本體的換熱及水位均不會產生影響。

考慮到園區供熱回水存在突然中斷的情況，此時在很短的時間內，由于從8 號低加進口抽取的凝結水無法被加熱，將以較低的溫度進入6 號低加進口。由于進入6 號低加的凝結水溫突降，6 段抽汽量也會相應發生變化。經過核算，在此工況下，6 段抽汽的抽汽量將會增加約9.5t/h,因此6 號低加疏水量也會增加9.5t/h。假設此時6 號低加水溫為正常水位，則上升至高水位報警線的時間為247s，上升至高水位切除線的時間為380s。

一般電動執行機構的全行程時間為60s 左右，當熱網回水突然中斷時，設置在回水管道上的溫度測點應有感應并連鎖關閉凝結水引出管道上的電動關斷門，電動關斷門在60s 內可以實現全關，此時加熱器水位還在未達到報警水位，因此不會對6 號加熱器水位造成較大的波動。

圖1 冷凝水回收總體方案示意圖

圖2 冷凝水化學處理流程示意圖

對于7、8 號低加，在熱網回水中斷的情況下，隨著凝結水管道引出管道上的電動關斷閥逐步關閉，流經7、8 號低加的凝結水量會相應增加100t/h,7、8 段抽汽的抽汽量也會相應分別增加3.7t/h 和5.7t/h, 由于抽汽量隨著凝結水流量的增加逐步增加的，且增加量相應較少，通過疏水閥門開度的調整，完全可以將7、8 號低加的水位控制在安全的范圍內。同時，因7、8 號低加的抽汽量增加而造成汽輪機功率減少分別為0.374MW 和0.367MW，對汽輪機功率影響甚微。

2.3.2 回水處理對除鹽系統影響分析

在夏季極端工況下，循環水為35℃時，可以保證進除鹽系統水溫小于38℃。根據DL 5068《發電廠化學設計規范》表5.1.2-1 要求，陽、陰離子交換樹脂進水水溫5-45℃。離子交換樹脂一般為001×7 和201×7 樹脂，根據資料，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《發電廠化學設計規范》表5.1.2-2 要求， 在滿足電導率<10μS/cm,二氧化硅<100μg/L 時，混床周期出水可以保證二氧化硅≤20 g/L，電導率(25℃)≤0.2 S/cm，且運行周期大于168h。假設冷凝水回水電導率小于<10μS/cm，pH 為9.2，折算在pH 在9.2 時，純水電導率為4μS/cm，NH3 含量為0.5mg/L，減去NH3 部分電導率，其它鹽分電導率為6μS/cm，假設全部為NaCl含量，則近似NaCl 含量為2.5mg/L。

從表中可知，如果在冷凝水電導率為10μS/cm，計算比較采用原水67.8μS/cm 進水時，處理100t/h 原水系統節約的酸堿及除鹽水量如表6。

從以上數據可以看出，在冷凝水電導率為10μS/cm 時，冷凝水回一級除鹽系統可節約大量酸堿和再生用酸堿。根據上海漕涇電廠類似供熱工程調研，回水最大電導率為5μS/cm，正常電導率小于1.5μS/cm，實際運行再生周期將更長，酸堿耗量將進一步減少。

2.4 經濟性分析

按年費用法進行的經濟性比較分析如表7。

從表7 可以看出，冷凝水回收后每年可節省運行費用約65萬元。

3 結論

圖3 冷卻水系統示意圖

表6 節約的酸堿及除鹽水量

表7 冷凝水回收前后運行費用對比

通過方案分析，設計方案采用兩級冷卻方案（第二級水冷），即冷凝水冷卻系統采用兩級冷卻。第一級采用板式換熱器使用凝結水冷卻并回收冷凝水中的熱量，凝結水取水自精處理出口，回水至7 號低加出口。第二級采用管式換熱器使用循環水進一步對冷凝水進行冷卻降溫，以確保在夏季凝結水溫度高時能夠將冷凝水溫度降低到滿足化學制水的補水溫度要求，循環水取回水接到凝汽器的循環水進回水管道。兩級冷卻系統做為公用系統，兩級換熱器均按2×65%配置，凝結水和循環水分別從兩臺機組取水，確保系統運行可靠性。

冷凝水接入系統方式：冷凝水經兩級換熱器冷卻后進入化學制水系統進行凈化處理。在冷凝水進入熱電廠時設置Na、TOC、電導率等化學儀表檢測水質，根據水質情況確定冷凝水接入系統方式，大部分時間水質較好時補入制水系統清水箱。當系統檢測冷凝水水質不合格時，立即關斷閥門停止回收，管道內的存水經過換熱降溫后排至廢水中轉池，利用現有廢水泵送至工業廢水處理站進行處理復用。