空分装置汽轮机凝汽器的选型

王艳虹(中石化宁波工程有限公司，浙江 宁波 315103)

空分装置汽轮机凝汽器的选型

王艳虹(中石化宁波工程有限公司，浙江 宁波 315103)

本文以两套不同建设地的空分装置（以下称1#空分装置和2#空分装置）为研究对象，分析了空冷凝汽器和水冷凝汽器两种空分汽轮机乏汽冷却方案，对比了两种凝汽器装置的工艺要求、能量消耗设备投资和维护、总图布置等因素。结果表明：空冷凝器和水冷器均能满足汽轮机乏汽冷凝的工艺要求；空冷凝器受气温影响明显，占地面积大，适用于建设地气温低、冷却水价格高且占地大的空分装置；水冷凝器操作维护费受冷却水价格影响明显，适用于建设地冷却水价格低的空分装置。

空分；汽轮机；压缩机；水冷凝汽器；空冷凝汽器

空分装置的压缩系统功率较高，汽轮机拖动比电机拖动具有明显的节能优势。一般锅炉和热网条件允许时，空分装置的空压机和增压机均采用汽轮机拖动，提高全厂经济性。

汽轮机乏汽需冷凝形成并维持负压而增加汽轮机做功推动力，增加高压蒸汽利用效率；冷凝同时产出具有一定过冷度的透平凝液，避免凝液泵发生气蚀，方便回收输送。凝汽设备是凝汽式汽轮机的主要设备，其工作性能直接影响整个汽轮机的功、热效率和运行可靠性。乏汽凝汽器常用的形式有空冷凝汽器和水冷凝汽器。空冷凝汽器利用电机拖动风机以增强空气对流并与换热管另一侧的蒸汽进行换热，主要消耗为电能；水冷凝汽器利用循环冷却水与换热管另一侧的蒸汽进行换热，主要能耗为循环水消耗，水冷凝汽器耗水量约占空分装置总耗水量的60%左右，故选用水冷凝汽器时需保证空分装置有足够的循环水供应。

空分规模、气象条件、汽轮机选型、蒸汽参数、电价、水价、厂区面积等因素均能影响凝汽器的选型。本文以两套不同建设地的空分装置为研究对象，基于公用工程条件满足空分装置需要的前提下，分析了上述因素对凝汽器的选型的影响，为空分装置的方案选取提供了一定的理论依据。

1 地域条件

1#空分装置建设地位于内蒙古自治区，制氧规模为25000Nm3/h；2#空分装置建设地位于浙江省，制氧规模为35000Nm3/h。建设地气候与公用工程条件见表1-1。

表1-1 建设地气候与公用工程条件表

注：蒸汽规格：10MPaG，508℃。

2 压缩系统

空分装置中的压缩机组由汽轮机拖动。若氧气收率以95%计算，基于ProⅡ模拟1#空分装置和2#空分装置的压缩系统。1#空分装置压缩系统功率模拟结果为16816 kW，2#空分装置压缩系统功率模拟结果为23569 kW。

3 凝汽器的设计与选型分析

3.1 汽轮机选型[1]

通常汽轮机可选用背压式、中抽凝汽式和全凝式，全背压式汽轮机不需要设置凝汽器。

功率一定时，背压式耗汽量随排汽背压的升高呈迅速增加，排汽压力为5.0MPaG时，其耗汽量为全凝式耗汽量的5倍。中抽凝汽式耗汽量随排汽背压的升高而缓慢增加，并可根据全厂热网需要外供一定量低品位的蒸汽。

本文中汽轮机均选用全凝式汽轮机.以功率为20000kW的汽轮机为例，动力蒸汽采用10MPaG、508℃，全凝式汽轮机排汽工作点，排汽压力为12kPaA，蒸汽耗量为70.5t/h。

3.2 凝汽器操作参数

3.2.1 蒸汽介质操作参数的选取

汽轮机末级叶片的前后压差达到临界压力比时，末级叶片排气压力达到极限真空值。在极限真空值以内，降低排汽压力可以提高蒸汽循环热效率，提高整体经济性，而排气压力低于此值的蒸汽焓降不能用于做功[2]。

饱和水蒸汽性质曲线如图3-1所示。由P-V曲线可知：随着体积压力的上升，饱和水蒸汽摩尔体积先是迅速下降，而后趋于平缓，转折处压力约为10-20kPaA。排汽压力取值过低，此时需提供较大的做功空间和冷凝换热面积，设备尺寸增大，造价增高；同时，末级叶片直径增加，容易引起振动。排汽压力取值过高，同时动力蒸汽焓降降低，蒸汽利用率低。

由P-T曲线可以看出：低排汽压力乏汽对应饱和温度较低，凝汽器所需冷却介质的温度越低。故，汽轮机排汽压力受凝汽器换热介质参数限制。

水冷凝汽器和空冷凝汽器一般取值分别为12kPaA、20kPaA，对应饱和蒸汽温度为50℃、60℃。为防止凝液泵汽蚀，常将泵低点安装并将凝液冷却至过冷，过冷度以2℃计算，水冷凝汽器和空冷凝汽器热流体出口温度分别为48℃和58℃。

由表1-1可知：1#和2#空分装置循环水上水温度分别为33℃，均小于48℃，水冷凝汽器存在换热推动力；1#和2#空分装置年最高气温分别为34.7℃和39.0℃，均小于58℃，空冷凝汽器存在换热推动力。故两种凝汽器均能满足两套空分装置汽轮机乏汽冷凝工艺要求。

3.2.2 凝汽器排液参数

凝液可冷却至过冷以防止凝液泵汽蚀，凝液泵输送凝液至锅炉装置用于生产蒸汽。过高的过冷度将增加凝汽器及下游锅炉装置热负荷；同时会增加凝液中的溶解氧，增加下游锅炉装置除氧难度。故，在保证凝液泵不发生汽蚀范围内，应减小凝汽器排液过冷度。一般取值在2℃以下。

图3-1 饱和水蒸气性质曲线

3.3 凝汽器本体设计[3,4]

以给定的压缩机计算功率为基准，模拟出汽轮机拖动系统；以3.2中得出的汽轮机排汽参数及凝汽器排液参数为基准，基于Aspen Plus和HTRI设计并核算两套空分装置的凝汽器，并估算重量。两套空分装置的乏汽凝汽器模拟计算结果如表3-2所示。

表3-2 凝汽器模拟结果

3.3.1 气象条件的影响

（1）水冷凝汽器

循环水进水温度由循环水场的冷却系统热负荷决定，主要受大气湿度的影响。大气湿度变化时，循环水场需通过调节冷却水塔风机抽气量或双曲线型冷却塔的进水量保证供水温度相对平稳，故水冷凝汽器用水量不存在大范围波动。

（2）空冷凝汽器

气温对空冷凝汽器的设计影响较大，以1#空分装置为例，当空气凝汽器设计温度为34℃时，换热面积（光管基准）为2720m2。对比表3-2可知，设计温度越高，空冷凝汽器的经济性越差。

3.3.2 空冷凝汽器耗电量计算[5]

空冷凝汽器热通量和空气温度有关，环境温度越低，冷热介质温差越大，热通量越大。

由表1-1可知：1#空分建设地年平均气温为7℃。以空气侧排气温度均为50℃计算，年平均气温下耗电量为约为：

式中：PD设计温度下的功率,QD设计温度下的风量,-Q平均温度下的风量,∆TD设计温度下的气侧温差,----∆T平均温度下的气侧温差。

以此计算2#空分平均运行功率为-P2为471kW。

4 实际运用的比较

4.1 一次性投资与操作费用计算

以表2-3中凝汽器参数、表3-2中循环水消耗量、3.3.2小节中耗电量为基准，以表1-1中所示价格，年操作时数8000小时/年,计算操作费用（不含折旧费和员工工资等）。结果如表4-1所示。

表4-1 凝汽器设备投资与操作费对比表

水冷凝汽器同时还需考虑自建循环水场的投资及运行费用（冷却水塔风机及循环水泵的耗电）。最终直接投资和操作费用如表4-1所示。

4.2 偿还年限比较

由表4-1可以看出，1#空分装置空冷凝汽器与水冷凝汽器一次性投资差值ΔS1为：ΔS1=1080-263=817万

年操作费差值ΔP1为：ΔP1=7738-5105=2633万元/年

偿还年限N1为：N1=817÷2633=0.31年

同理，以此计算2#空分装置ΔS2、ΔP2，N2分别为：2474万元、106万元、23.3年。

循环水的价格在一定范围内为主导因素。以1#空分装置为例，空冷凝汽器偿还年限随循环水价格的升高而降低，最佳偿还期限以5年计算时，循环水价格为0.17元/吨；循环水价格在0.3元/吨以下时，偿还年限随着循环水价格升高迅速降低，即在此范围内，偿还年限主要受循环水价格影响。

而当考虑自建循环水场时，以表4-2所示，计算1#空分ΔS1'、ΔP1'，N1'分别为：127万元、3004万元、0.04年；2#空分ΔS2’、ΔP2’，N2’分别为：1574万元、655万元、2.4年。

故，由经济角度考虑：1#空分装置适合选择空冷凝汽器，2#空分装置适合选择水冷凝汽器。除考虑投资回收期外，还需综合考虑其他因素。

4.3 设备布置

水冷凝汽器的安装位置通常位于厂房内、汽轮机下方，占地面积较小。1#和2#空分装置水冷凝汽器占地分别约为40m2、50m2。若考虑循环水场，则占地分别约2200m2、2500m2。

对于空冷凝汽器，其安装位置位于室外通风处，由于有多个风机，占地面积较大。1#空分装置空冷凝汽器以六台风机3x2排列计算，占地面积约600m2；2#空分装置空冷凝汽器以九台风机3x3排列计算，占地面积约1400m2。空冷凝汽器占地面积较大，更适合装置可用操作面积较大的项目。

5 结语

从工艺角度上看，水冷凝汽器与空冷凝汽器均能满足乏汽冷凝的要求；空冷凝汽器水耗小，占地大，受气象影响大，一次性投资大，运行费用低；水冷凝汽器水耗高，占地小，水冷却系统投资少（不考虑自建循环水场），运行效率高，运行费用受水价影响大，长期看运行费用较大。故空冷凝汽器适用于建设地气温低和循环水价格偏高且可操作面积大的空分装置，水冷凝汽器适用于建设地循环水价格偏低的空分装置。对于1#空分装置，采取操作费用较低的空冷凝汽器具有明显的经济性优势。对于2#空分装置，采取一次性投资较低的水冷凝汽器具有明显的经济性优势。

[1]黄树红;汽轮机原理[M].北京：中国电力出版社，2008: 129-140.

[2]王国清，杨世斌，梁建勇.汽轮机设备运行技术问答[M].北京：中国电力出版社，2003：289-290.

[3]王松汉.石油化工设计手册[M].北京：化学工业出版社，2002：703-773.

[4]刘巍.冷换设备工艺计算手册[M].北京：中国石化出版社，2003:81-199.

[5]马义伟.空冷器设计与应用[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1998:10.