(中國電力工程顧問集團(tuán)華東電力設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200063)

發(fā)電廠集中供熱系統(tǒng)通常采用高位膨脹水箱、氣壓罐定壓(不吸納膨脹水)機(jī)組、氣囊罐(吸納膨脹水)定壓機(jī)組三種定壓方式。西北電力設(shè)計(jì)院樊守峰分析了熱網(wǎng)補(bǔ)水系統(tǒng)及定壓系統(tǒng)合并的可行性，提出了熱電廠供熱循環(huán)水管網(wǎng)補(bǔ)水系統(tǒng)和定壓系統(tǒng)合并為一個(gè)系統(tǒng)的方法。北京市建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司房華榮針對(duì)膨脹水箱和膨脹罐二者定壓補(bǔ)水方式進(jìn)行對(duì)比。膨脹水箱方式系統(tǒng)具有簡單、壓力穩(wěn)定、造價(jià)較低等優(yōu)點(diǎn)，但存在布置位置的局限性，初期運(yùn)行時(shí)排氣及充水時(shí)間長的問題。氣壓罐(不吸納膨脹水)及氣囊罐(吸納膨脹水)定壓安裝位置靈活，充水時(shí)間較短，但系統(tǒng)復(fù)雜，占地大，造價(jià)高。

水系統(tǒng)中的空氣主要來源于開式水箱的氣液交界處和供水中所溶解的空氣。在一定的溫度、壓力下溶解于水中的空氣會(huì)達(dá)到飽和狀態(tài)，多余的空氣以氣泡形式存在，若不及時(shí)排除空氣，會(huì)出現(xiàn)降低熱交換器的換熱效果，管道腐蝕壽命變短，系統(tǒng)壓力及水泵工作不穩(wěn)定、產(chǎn)生噪聲等不利后果。

本文將對(duì)氣囊罐定壓脫氣機(jī)組在電廠供熱系統(tǒng)應(yīng)用中設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行分析。

1 基本原理及機(jī)組集成意義

1.1 定壓補(bǔ)水與脫氣基本原理

氣囊罐是由鋼制外殼，內(nèi)置耐熱橡膠(三元乙丙橡膠)囊袋制成，囊袋上、下兩端與罐體法蘭固定，下部接口進(jìn)水，上部可排氣。囊袋與罐體之間充有一定壓力的氮?dú)狻３踹\(yùn)行時(shí)，水溫逐漸升高，熱膨脹水量進(jìn)入囊袋內(nèi)，囊袋體積逐漸增大，囊袋外氮?dú)鈮毫σ矎某跏級(jí)毫ι撸敝辽皆O(shè)計(jì)供水溫度，此時(shí)囊袋體積和氮?dú)鈮毫_(dá)到最大值。系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，因熱水設(shè)定的供回水溫差會(huì)在膨脹罐內(nèi)產(chǎn)生水量的脹縮，引起一定的壓差。補(bǔ)水泵的啟停壓力可根據(jù)該壓差的低限值與高限值來設(shè)定。

由于氣囊罐具有納水穩(wěn)壓作用，在停電或停泵時(shí)，可吸收因循環(huán)水泵停運(yùn)而使回水管突然升高壓力，防止水擊現(xiàn)象發(fā)生。

水系統(tǒng)中的空氣主要以溶解在水中的方式及游離于水中的氣泡的方式存在。

排除的水中的空氣可遵循亨利定律和擴(kuò)容排氣原理。

亨利定律見式(1)：

式中：x為氣體在液體中摩爾分?jǐn)?shù)的溶解度；

p為液體表面氣體的絕對(duì)分壓力(kN/m2)；

H為亨利常數(shù)，與溫度成正比(kN/m)；

從亨利定律我們可知：空氣在水中的溶解度與水表面空氣的分壓力成正比，與溫度成反比。

擴(kuò)容排氣的工作原理：在機(jī)械循環(huán)系統(tǒng)中，管內(nèi)水流速大于氣泡浮升速度，氣泡隨水流動(dòng)。當(dāng)經(jīng)過直徑較大的罐體時(shí)，水流速減慢，氣泡浮升速度大于水流速，氣泡會(huì)從水中分離并聚集在罐體的上部。

機(jī)組脫氣過程如下：打開進(jìn)水電磁閥從系統(tǒng)回水母管上游取水至真空罐，擴(kuò)容作用使水中氣泡浮出水面；關(guān)閉進(jìn)水電磁閥，啟動(dòng)多級(jí)水泵使罐內(nèi)保持負(fù)壓，溶解于水中的空氣析出。脫氣后的水被壓入回水母管下游距離吸水點(diǎn)不小于500mm的位置。浮出水面的氣泡與從水中析出的空氣上升到真空罐頂部并通過自動(dòng)排氣閥排除。

1.2 機(jī)組集成的必要性和可行性

現(xiàn)代化發(fā)電廠建設(shè)規(guī)模正朝著大容量、高參數(shù)方向發(fā)展，在確保安全運(yùn)行的條件下對(duì)系統(tǒng)設(shè)備模塊化、集成化、智能化要求，以及對(duì)節(jié)省用地和建筑面積、優(yōu)化運(yùn)行管理、節(jié)能節(jié)水、環(huán)境美化等方面提都出了更高要求。

大型發(fā)電廠集中供暖系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：

(1)廠區(qū)集中供暖負(fù)荷大。供暖熱源為經(jīng)減溫減壓的高溫高壓蒸汽，熱媒主要為熱水，部分寒冷地區(qū)或嚴(yán)寒采用110℃/70℃高溫水；

(2)集中供暖系統(tǒng)采用定流量質(zhì)調(diào)節(jié)方式運(yùn)行；

(3)室外管網(wǎng)較長，管網(wǎng)內(nèi)水容量較大；且部分管段直埋敷設(shè)，對(duì)防腐蝕要求較高；

(4)廠區(qū)加熱站通常與制冷站合并布置，集中制冷加熱站面積要求較大，難于在緊湊型主廠房內(nèi)設(shè)置；

(5)水系統(tǒng)高點(diǎn)在主廠房，膨脹水箱的位置離獨(dú)立的廠區(qū)集中加熱站較遠(yuǎn)，運(yùn)行不安全。

鑒于上述發(fā)電廠集中供暖系統(tǒng)的特點(diǎn)，以及有效排除空氣對(duì)水系統(tǒng)安全運(yùn)行的重要性，氣囊罐定壓方式與真空脫氣方式的使用在發(fā)電廠越來越受到重視。

氣囊罐定壓與真空脫氣功能集成為一個(gè)整體機(jī)組具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)定壓點(diǎn)與脫氣管同在循環(huán)水泵入口附近，管道接口方便；

(2)節(jié)省布置空間；

(3)共用一套PLC監(jiān)控系統(tǒng)，安全、經(jīng)濟(jì)。

2 氣囊罐定壓脫氣機(jī)組設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 補(bǔ)水泵

《發(fā)電廠供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》DL/T 5035－2016規(guī)定：補(bǔ)水泵應(yīng)設(shè)2×100%配置，1臺(tái)水泵的流量應(yīng)滿足系統(tǒng)循環(huán)流量的2%的正常補(bǔ)水量；定壓點(diǎn)壓力為直接連接用戶最高充水高度與供水溫度相應(yīng)汽化壓力之和并應(yīng)有0.03～0.05 MPa的富裕壓力。

補(bǔ)水泵的揚(yáng)程不但與補(bǔ)水泵啟動(dòng)壓力、停止壓力有關(guān)，而且與水系統(tǒng)承壓值、系統(tǒng)膨脹量、系統(tǒng)初運(yùn)行及正常運(yùn)行工況等因素有關(guān)。

補(bǔ)水泵是維持定壓點(diǎn)壓力的基本保證，如果事故突然停電，不但系統(tǒng)壓力的不穩(wěn)定，而且會(huì)形成 “水擊”現(xiàn)象，因此補(bǔ)水泵宜采用雙電源供電方式，事故時(shí)備用電源自動(dòng)供電。

2.2 水系統(tǒng)膨脹量

水系統(tǒng)膨脹量Vp(m3)與系統(tǒng)水容量Vc、供回水溫度有關(guān)。當(dāng)供回水溫度為110℃/70℃時(shí)，水系統(tǒng)膨脹量可按式(2)簡化計(jì)算：

式中：α為水體積膨脹系數(shù)，簡化為線性相關(guān)，其值取α＝0.0006 m3/(m3·℃)；Δt為系統(tǒng)內(nèi)水溫的最大變動(dòng)值(℃)；Vc為系統(tǒng)水容量(m3)。

由于采用恒定回水溫度的定流量質(zhì)調(diào)節(jié)方式，且在供暖季連續(xù)運(yùn)行，對(duì)于110℃/70℃供暖系統(tǒng)，在保證70℃回水溫度的條件下供水溫度根據(jù)室外溫度自動(dòng)控制。供暖初期供水溫度較低(85℃左右)，隨著氣溫的下降供水溫度升高，最冷月時(shí)水溫達(dá)到設(shè)計(jì)最高值。因此，系統(tǒng)內(nèi)水溫的最大變動(dòng)值出現(xiàn)在從初水溫(取5℃,采暖季開始時(shí)室外溫度較高，采用值班溫度保證系統(tǒng)內(nèi)水溫變動(dòng)值最大)加熱到85℃的初運(yùn)行過程，此時(shí)加熱溫差為80℃。正常運(yùn)行階段供回水溫差為40℃。從式(2)可得：80℃溫差時(shí)Vp/Vc值是40℃溫差的2倍。

系統(tǒng)水容量Vc應(yīng)為換熱設(shè)備、各類末端散熱設(shè)備、室內(nèi)管道與室外管網(wǎng)水容量之和。換熱設(shè)備水容量可由設(shè)備制造商提供，各類末端散熱設(shè)備、室內(nèi)管道的水容量可從參考文獻(xiàn)[3]中表11－59查取。室外管網(wǎng)宜按實(shí)際管網(wǎng)水容量計(jì)算。

需要指出的是末端散熱設(shè)備，包括各類散熱器、暖風(fēng)機(jī)、熱風(fēng)幕、空氣加熱器的水容量應(yīng)根據(jù)各自承擔(dān)的熱負(fù)荷計(jì)算。

表1為系統(tǒng)循環(huán)水量為122 m3/h，水容量約120 m3時(shí)，供暖初期與正常供暖期系統(tǒng)膨脹量及系統(tǒng)調(diào)節(jié)容量的計(jì)算值。

表1 供暖初期和正常運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)調(diào)節(jié)容積、膨脹量比較

2.3 氣囊罐容積與壓力

在完成設(shè)備、管網(wǎng)系統(tǒng)初調(diào)試完成后，此時(shí)氣囊內(nèi)壓力處于低水位，氣側(cè)壓力P1等于系統(tǒng)定壓點(diǎn)壓力，慢慢升高水溫，氣囊內(nèi)逐步吸收膨脹量Vp，氣囊體積變大，囊外氣體壓力升高到P2。當(dāng)吸納最大膨脹量時(shí)，P2最高。當(dāng)系統(tǒng)水溫下降或漏水時(shí)，壓力減小，氣囊內(nèi)水位在接近低水位時(shí)補(bǔ)水泵自動(dòng)啟動(dòng)補(bǔ)水，補(bǔ)水量為調(diào)節(jié)容積Vt。因此氣囊體積應(yīng)等于Vp＋Vt。

氣罐內(nèi)氣體壓縮過程緩慢，可按等溫壓縮過程計(jì)算。

式中：P1為低水位時(shí)初壓力，絕對(duì)壓力(MPa)；P2為終壓力，絕對(duì)壓力(MPa)；V1為氣壓罐氣側(cè)的有效體積(m3)；Vt為氣囊的調(diào)節(jié)容積，不小于3 min平時(shí)運(yùn)行的補(bǔ)水泵流量，變頻泵可按額定轉(zhuǎn)速時(shí)補(bǔ)水泵的1/4～1/3確定(m3)；Vp為系統(tǒng)膨脹水量(m3)。

從式(3)可知，在確定的供暖系統(tǒng)中，P2是定壓點(diǎn)處系統(tǒng)可接受的壓力，且應(yīng)滿足管系中最高壓力點(diǎn)的壓力小于系統(tǒng)承壓值。若P2取大值，V1就小，氣囊罐設(shè)備體積小，但管網(wǎng)系統(tǒng)在較高的壓力下運(yùn)行容易滲漏水。當(dāng)P2取略高于工作壓力時(shí)，由于Vt為定值，V1主要取決于系統(tǒng)膨脹量Vp。

氣囊罐容積可按式(4)計(jì)算：

式中：VZ為氣囊罐實(shí)際總?cè)莘e(L)；VZmin為氣囊罐最小總?cè)莘e(L)；Vxmin為氣囊罐應(yīng)吸納的最小水容量，Vxmin=Vt+Vp(L)；P0為低水位時(shí)氣囊充氣的絕對(duì)壓力，定壓點(diǎn)壓力(kPa)；P2max為氣囊罐正常運(yùn)行的最高絕對(duì)壓力，即最高水溫時(shí)的停泵壓力(kPa)。

式(4)變形后可得：

其中Vxmin/Vzmin比值為設(shè)備設(shè)計(jì)定值，一般取0.3～0.4，故氣壓罐充氣壓力P0：

無論在靜態(tài)還是在動(dòng)態(tài)工況下，水系統(tǒng)內(nèi)任一點(diǎn)的壓力必須小于系統(tǒng)最高耐壓能力，為保證系統(tǒng)安全，氣囊罐定壓系統(tǒng)中設(shè)置壓力式電磁泄水閥與安全閥雙重泄壓保護(hù)措施。

安全閥開啟壓力P4、電磁泄水閥開啟壓力P3、補(bǔ)水泵停止壓力P2、補(bǔ)水泵啟動(dòng)壓力P1、補(bǔ)水泵揚(yáng)程Pb可分別按以下要求設(shè)定：

安全閥開啟壓力P4是限制系統(tǒng)內(nèi)的承壓值，略高于系統(tǒng)工作壓力。

但是在系統(tǒng)初運(yùn)行階段，由于管系內(nèi)空氣來不及排除引起氣塞現(xiàn)象，導(dǎo)致水系統(tǒng)壓力增高，會(huì)造成系統(tǒng)充水時(shí)間長，甚至不能補(bǔ)水。實(shí)際工程中，補(bǔ)水泵采用多級(jí)離心泵，且補(bǔ)水泵揚(yáng)程Pb宜在定壓點(diǎn)P0的基礎(chǔ)上加0.1 ～ 0.15 MPa。

需要注意的是：應(yīng)復(fù)核P4的值是否滿足系統(tǒng)最大壓力點(diǎn)的壓力小于水系統(tǒng)承壓值的要求。

對(duì)調(diào)質(zhì)運(yùn)行的水系統(tǒng)而言，膨脹量Vp與水溫差變化有關(guān)，且Vp變化P2也隨之變化，補(bǔ)水泵停泵壓力需要根據(jù)水溫的設(shè)定來調(diào)整。調(diào)整方法可參見參考文獻(xiàn)[4]中附錄C.2.5節(jié)計(jì)算，這里不再贅述。

2.4 氣囊罐容積優(yōu)選措施

從表1可知，系統(tǒng)膨脹量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于調(diào)節(jié)容積，加上氣罐容積與氣囊容積之比為定值的設(shè)備特性，因此氣罐容積主要取決于系統(tǒng)膨脹量。

查相關(guān)廠商的產(chǎn)品樣本，對(duì)應(yīng)5.76 m3的膨脹量，氣囊罐需要選雙罐體，單罐Φ2000mm，高約3600mm的罐體，氣囊罐占用空間很大，設(shè)備成本也較高。

為減小氣囊罐容積，我們可以通過下述方法合理解決，以達(dá)到降低設(shè)備成本、減小設(shè)備占地空間，使系統(tǒng)安全、節(jié)水節(jié)能運(yùn)行的目的，氣囊罐定壓脫氣機(jī)組示意圖系統(tǒng)詳見圖1。

(1)系統(tǒng)從水溫5℃～85℃升溫過程中的膨脹量(水質(zhì)合格)通過開啟的手動(dòng)閥1(手動(dòng)閥2關(guān))、壓力式電磁泄水閥排入閉式蒸汽凝結(jié)水箱(內(nèi)壓小于泄水壓力)，電磁閥開啟時(shí)聯(lián)動(dòng)凝結(jié)水泵(1用1備配置)運(yùn)行，將膨脹水量回收到工藝系統(tǒng)內(nèi)。

(2)補(bǔ)水箱上部留有膨脹空間，在正常運(yùn)行工況時(shí)通過開啟的手動(dòng)閥2(手動(dòng)閥1關(guān))、壓力式電磁泄水閥將部分膨脹水量泄水至補(bǔ)水箱水池內(nèi)，這樣既可減少補(bǔ)水量又可減少補(bǔ)水中溶解的空氣進(jìn)入系統(tǒng)。

(3)安全閥泄水至補(bǔ)水箱水池內(nèi)回收。

(4)補(bǔ)水箱貯水容積可按1臺(tái)補(bǔ)水泵30～60 min的流量計(jì)算，上部的膨脹容積可根據(jù)加熱站機(jī)房空間的實(shí)際情況，按正常運(yùn)行時(shí)膨脹量的1/3～1/2計(jì)算。

(5)補(bǔ)水箱水源應(yīng)采用工藝軟化水或除鹽水，并設(shè)浮球閥及電磁式快速補(bǔ)水閥。

2.5 真空脫氣設(shè)備

真空脫氣設(shè)備主要按系統(tǒng)的最高工作壓力及溫度、安裝點(diǎn)的工作壓力、系統(tǒng)水容量等參數(shù)查設(shè)備技術(shù)資料來確定。較大供熱系統(tǒng)真空脫氣設(shè)備可二臺(tái)并聯(lián)使用。

水系統(tǒng)初運(yùn)行時(shí)，真空脫氣系統(tǒng)手動(dòng)控制運(yùn)行時(shí)間，以快速排出水中的空氣，縮短系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)間；正常工況時(shí)，重復(fù)脫氣過程的時(shí)間間隔可視供熱系統(tǒng)水容量的大小、真空罐容積大小、補(bǔ)水中空氣的含量而設(shè)定，真空脫氣系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行。

2.6 優(yōu)化后的氣囊罐定壓脫氣機(jī)組

大中型火力發(fā)電廠集中加熱站優(yōu)化后的氣囊罐定壓及脫氣系統(tǒng)，見圖1。

氣囊罐定壓補(bǔ)水脫氣機(jī)組是集定壓、膨脹、補(bǔ)水及脫氣功能的機(jī)電一體化設(shè)備，主要部件包括：氣囊膨脹罐，2臺(tái)補(bǔ)水泵(一用一備)，補(bǔ)水箱與液位儀、浮球閥與快速補(bǔ)水電磁閥，真空罐、脫氣水泵、脫氣電磁閥與自動(dòng)排氣閥，壓力泄水電磁閥與安全閥，凝結(jié)水箱，2臺(tái)凝結(jié)水泵(一用一備)，管路系統(tǒng)及PLC控制系統(tǒng)。

圖1 氣囊罐定壓脫氣機(jī)組示意圖

3 案例分析

3.1 工程背景

某座位于寒冷地區(qū)的2×660 MW機(jī)組新建燃煤電廠，全廠采用供回水溫度為110℃/70℃的高溫?zé)崴┡到y(tǒng)，熱水循環(huán)流量L=122 m3/h，循環(huán)水泵揚(yáng)程H=300 kPa，熱網(wǎng)系統(tǒng)水容量約Vc=120 m3，采用氣囊罐定壓補(bǔ)水脫氣機(jī)組，定壓設(shè)備布置在底層，補(bǔ)水箱與系統(tǒng)最高點(diǎn)高差h=30 m，定壓點(diǎn)位置在循環(huán)水泵入口側(cè)附近，設(shè)備及管網(wǎng)承壓為PN=1.0 MPa，閉式凝結(jié)水罐最高內(nèi)壓0.3 MPa。

下面就全部吸納膨脹水(方案一)及部分吸納膨脹水量(方案二)的條件，對(duì)氣囊罐式定壓脫氣機(jī)組進(jìn)行設(shè)備選型計(jì)算。

3.2 計(jì)算過程及結(jié)果

方案一、方案二計(jì)算過程及計(jì)算結(jié)果詳見表2。

表2 方案一、方案二氣囊罐式定壓脫氣機(jī)組設(shè)備選型比較

4 結(jié)論

結(jié)合發(fā)電廠集中熱水供熱系統(tǒng)特點(diǎn)，分析了定壓設(shè)備與脫氣設(shè)備集成為機(jī)電一體化設(shè)備的必要性與可行性；

通過對(duì)氣囊罐內(nèi)氣體壓縮過程的理論計(jì)算，結(jié)合工程實(shí)際情況，對(duì)氣囊罐定壓系統(tǒng)中氣囊充氣壓力、補(bǔ)水泵啟/停壓力、電磁泄水閥及安全閥的泄水壓力、補(bǔ)水泵揚(yáng)程的計(jì)算提出了建設(shè)性的意見；

減小氣囊罐的體積可采用下列措施：

(1)系統(tǒng)膨脹量按正常運(yùn)行時(shí)計(jì)算。

(2)供暖初期系統(tǒng)膨脹量排入凝結(jié)水回收罐。

(3)供暖正常運(yùn)行階段，氣囊罐僅吸收部分膨脹水量，另一部分被補(bǔ)水箱吸收。

根據(jù)案例分析表2可知，采用減小氣囊罐的體積措施后，設(shè)備的占地面積減少近50%，設(shè)備投資減少近30%。優(yōu)化后的氣囊罐定壓脫氣機(jī)組具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。