闪蒸器与废热回收系统

江号叶，朱喜军，周大坤

（1.哈尔滨锅炉厂有限责任公司，黑龙江 哈尔滨 150046；2.中国石油兰州石化公司，甘肃 兰州 730060）

1 概 述

在现代工业中，常利用废热回收装置回收生产过程中的废热并用于发电。经生产利用后排放的废热，其废热的品质较低，因此，合理配置废热回收系统和优化系统运行参数，可最大限度地提高废热回收率。对节约能源和环境保护均有显著作用。

2 废热回收系统

图1 多级闪蒸－混汽热力系统

大型水泥企业常采用低温废热回收系统，其多级闪蒸—混合热力系统，见图1所示。系统中AQC炉（Air Quick Cooler，空气快速冷却器）实质上是汽水换热器，即将废弃热空气的热量传给工质水，使之蒸发并过热，然后引入汽轮机膨胀做功并带动发电机发电。该系统采用多压式汽轮机，即将来自各级闪蒸器的低压蒸汽，分别引入汽轮机与之相匹配的压力级膨胀做功，以提高废热回收效率。

单级闪蒸—混汽热力系统，如图2所示。

图2 单级闪蒸－混汽热力系统

3 闪蒸器在热力系统中的作用

闪蒸器是蒸汽、热水闪蒸发电系统中产生低压二次饱和蒸汽的关键设备，用于余热锅炉来水的扩容，使来水在闪蒸器的工作压力下进行汽水分离，得到饱和蒸汽和饱和水。饱和蒸汽去汽轮机，闪蒸后余下的低压饱和水，被送入下一级闪蒸器或给水泵前的混合器。

4 主要技术参数

闪蒸器属于Ⅰ类压力容器，工作介质是水和蒸汽。以某余热发电厂的闪蒸器设备为例，其技术参数见表1所示。

表1 闪蒸器设备的技术参数

5 设计中应该注意的问题

闪蒸器的内部空间必须足够大，以提高汽、水的分离效果。在启、停和瞬态条件下，能进行水位调节；闪蒸器的内部结构设计，应考虑防冲蚀和降低运行噪声，满足设备启、停机和变工况下运行的要求，同时避免闪蒸器的震动；闪蒸器的喷嘴应具有良好的雾化性能；具有高效的汽水分离装置，使闪蒸器出口处的闪蒸蒸汽的干度满足汽轮机的进汽要求；为了便于维护，在闪蒸器上设置必要的人孔；闪蒸器应具有排气口，以及压力和温度的就地测量装置和远传接口。

6 闪蒸器的直径和容积计算

对闪蒸器的计算参数，见表2所示。

表2 闪蒸器的计算参数

设定：υ″——饱和汽的比容；υ′——饱和水的比容；h″——饱和汽的焓值；h′——饱和水的焓值；V——蒸发 器 总 容 积 m3；c——蒸 汽 流 速 m／s；A——汽水分离最小表面积m2；w——闪蒸器容积参数 m3／（h·m3）。

1号前置锅炉热水和2号前置锅炉：

进入闪蒸器降压扩容产生工作压力下的饱和蒸汽：

1号后置锅炉热水和2号后置锅炉：

进入闪蒸器降压扩容产生工作压力下的饱和蒸汽：

产生的总的蒸汽量为：qs＝qs1＋qs2＞qs″

蒸发器总容积：V＝V″＋V′

7 本体结构和附件

7.1 本体结构

闪蒸器由壳体、进水装置、汽水分离装置、人孔以及接管和支座等组成。见图3所示。

图3 闪蒸器结构简图

闪蒸器的进水装置设在壳体中部，来自4个余热锅炉的热水进入后，经母管和支管上的喷嘴呈雾状喷洒而出，在汽空间内，均匀地进行汽水的首次分离；蒸汽上升进入汽水分离装置，饱和水则流入闪蒸器下部。

旋流式喷嘴工作时，水在喷嘴内旋转流向喷口，然后从喷口成膜状喷出。旋流式喷嘴的结构，见图4所示。

图4 旋流式喷嘴结构图

经过旋流式喷嘴的水流量：

式（4）中：qm—— 喷嘴出力，t／h；

μ——流量系数；

υ —— 水的比体积，m3／kg；

rc——喷嘴出口半径，m；

Δp—— 喷嘴压差，MPa。

闪蒸器的分离装置可分为交错挡板、金属网、百叶窗等。挡板的结构简单，分离效果差。金属网效果好但阻力大。百叶窗由波形板、筋板、隔板、钢板等组成，百叶窗常用于进一步的汽、水分离，以提高蒸汽品质，然后，经上封头顶部的蒸汽出口管排出。百叶窗的结构，见图5所示。

图5 百叶窗的结构图

分离临界粒径可从下式求得：

式（5）中：d—— 分离临界粒径，m；

Vυ—— 分离器前蒸汽平均流速，m／h；

θ——折板的弯曲角，弧度；

μυ—— 蒸汽黏度，kg／（m·h）；

ρl—— 雾沫密度，kg／m3；

l——折板的长度，m；

p——折板的间距，m。

计算压力损失：

式（6）中：ξ——阻力系数；

ρυ——蒸汽密度，kg／m3；

Δp——压力损失，kg／m2；

gC——重力换算系数1.27×108m／h2。

7.2 附件

闪蒸器的主要附件由安全阀、电动截止阀、压力表、温度计、水位计及平衡容器等组成。

8 安装调试和检修

8.1 安装

闪蒸器的安装、运行和检修，应遵循国家技术监督局颁发的《固定式压力容器安全技术监察规程》，并符合电厂的有关规定。设备总装后，需检查各阀门的安装是否完好。水压试验前，应隔绝安全阀。需重新标定安全阀的开启压力并确认。必须注意安全阀排放管口的方位和口径，确保设备的安全运行。热水流量调节阀应尽量布置在靠近闪蒸器的入口处，以减少振动。

8.2 调试和运行

水压试验合格后，检查阀门的开闭是否灵活，仪表显示是否正常，拧紧连接法兰处的螺栓，再投入运行。

关闭热水出口阀、蒸汽出口阀和排净口阀，手动半开排汽口的截止阀。缓慢开启热水进口阀，让热水慢慢进入闪蒸器内，使设备逐步加热到100℃左右，时间为3～4h，观察设备水位的变化，如果超出正常水位，需打开热水出口阀，之后再逐渐开大热水进口阀。当设备压力到达工作压力时，渐渐开启蒸汽出口阀，此时，流出的蒸汽是对应于工作压力（0.153 MPa）下的饱和蒸汽（112℃）。

在调试过程中，适当调整蒸汽出口阀的开度，以获得理想的蒸汽品质（干度）。设备运行正常后，应关闭排汽阀，投入水位自动调节系统，使水位处于正常水位范围内。

运行时，应经常监测设备的压力。当压力超过正常值（0.153MPa）时，应减少进入闪蒸器的热水流量，加大蒸汽的排出量，以免设备超压。

8.3 检修

检修闪蒸器前，需确认闪蒸器已与其他系统隔离；确认闪蒸器的压力与温度已降至外部环境值；确认设备内的氧气供给充足。

长期运行后，如果闪蒸器的出力或输出蒸汽的品质下降，应对其进行检修。检查汽水分离装置是否脱落，若有开焊及被腐蚀等现象，应及时进行补焊或更换；疏水收集管的漏焊或脱落，会造成蒸汽短路现象；清理被堵塞的喷嘴；检查磁翻板水位表的磁性滚珠是否失磁，磁头失磁将使水位的显示失常；安全阀和各种仪表应按标准定期校验。

设备停运后，必须关闭各阀门（排汽阀除外），放尽设备内的存水，以减少腐蚀。设备的检修和维护工作，必须符合《固定式压力容器安全技术监察规程》的相应规定。

9 结 语

闪蒸器是废热回收系统中的重要设备，设计时要充分考虑设备的安全性和经济性。选取合理的蒸汽流速和容积参数，提升喷嘴和汽水分离的效率，加强水位的自动化控制是设计中的重点。

［1］于淑梅，傅松.等.中低温废热发电的思路与方法［J］.节能，2001（1）：17－20.

［2］于淑梅，傅松.低温废热高效回收系统及其火用分析［J］.热能动力工程，2002（3）：285－287.

［3］蔡锡琮，蔡文钢.火电厂除氧器［M］.北京：中国电力出版社，2007.

［4］尾花英朗.热交换器设计手册［M］.北京：石油工业出版社，1984.