气囊罐定压脱气机组在供热系统中的应用

(中国电力工程顾问集团华东电力设计院有限公司，上海 200063)

发电厂集中供热系统通常采用高位膨胀水箱、气压罐定压(不吸纳膨胀水)机组、气囊罐(吸纳膨胀水)定压机组三种定压方式。西北电力设计院樊守峰分析了热网补水系统及定压系统合并的可行性，提出了热电厂供热循环水管网补水系统和定压系统合并为一个系统的方法。北京市建筑设计研究院有限公司房华荣针对膨胀水箱和膨胀罐二者定压补水方式进行对比。膨胀水箱方式系统具有简单、压力稳定、造价较低等优点，但存在布置位置的局限性，初期运行时排气及充水时间长的问题。气压罐(不吸纳膨胀水)及气囊罐(吸纳膨胀水)定压安装位置灵活，充水时间较短，但系统复杂，占地大，造价高。

水系统中的空气主要来源于开式水箱的气液交界处和供水中所溶解的空气。在一定的温度、压力下溶解于水中的空气会达到饱和状态，多余的空气以气泡形式存在，若不及时排除空气，会出现降低热交换器的换热效果，管道腐蚀寿命变短，系统压力及水泵工作不稳定、产生噪声等不利后果。

本文将对气囊罐定压脱气机组在电厂供热系统应用中设计要点进行分析。

1 基本原理及机组集成意义

1.1 定压补水与脱气基本原理

气囊罐是由钢制外壳，内置耐热橡胶(三元乙丙橡胶)囊袋制成，囊袋上、下两端与罐体法兰固定，下部接口进水，上部可排气。囊袋与罐体之间充有一定压力的氮气。初运行时，水温逐渐升高，热膨胀水量进入囊袋内，囊袋体积逐渐增大，囊袋外氮气压力也从初始压力升高，直至升到设计供水温度，此时囊袋体积和氮气压力均达到最大值。系统正常运行时，因热水设定的供回水温差会在膨胀罐内产生水量的胀缩，引起一定的压差。补水泵的启停压力可根据该压差的低限值与高限值来设定。

由于气囊罐具有纳水稳压作用，在停电或停泵时，可吸收因循环水泵停运而使回水管突然升高压力，防止水击现象发生。

水系统中的空气主要以溶解在水中的方式及游离于水中的气泡的方式存在。

排除的水中的空气可遵循亨利定律和扩容排气原理。

亨利定律见式(1)：

式中：x为气体在液体中摩尔分数的溶解度；

p为液体表面气体的绝对分压力(kN/m2)；

H为亨利常数，与温度成正比(kN/m)；

从亨利定律我们可知：空气在水中的溶解度与水表面空气的分压力成正比，与温度成反比。

扩容排气的工作原理：在机械循环系统中，管内水流速大于气泡浮升速度，气泡随水流动。当经过直径较大的罐体时，水流速减慢，气泡浮升速度大于水流速，气泡会从水中分离并聚集在罐体的上部。

机组脱气过程如下：打开进水电磁阀从系统回水母管上游取水至真空罐，扩容作用使水中气泡浮出水面；关闭进水电磁阀，启动多级水泵使罐内保持负压，溶解于水中的空气析出。脱气后的水被压入回水母管下游距离吸水点不小于500mm的位置。浮出水面的气泡与从水中析出的空气上升到真空罐顶部并通过自动排气阀排除。

1.2 机组集成的必要性和可行性

现代化发电厂建设规模正朝着大容量、高参数方向发展，在确保安全运行的条件下对系统设备模块化、集成化、智能化要求，以及对节省用地和建筑面积、优化运行管理、节能节水、环境美化等方面提都出了更高要求。

大型发电厂集中供暖系统具有以下特点：

(1)厂区集中供暖负荷大。供暖热源为经减温减压的高温高压蒸汽，热媒主要为热水，部分寒冷地区或严寒采用110℃/70℃高温水；

(2)集中供暖系统采用定流量质调节方式运行；

(3)室外管网较长，管网内水容量较大；且部分管段直埋敷设，对防腐蚀要求较高；

(4)厂区加热站通常与制冷站合并布置，集中制冷加热站面积要求较大，难于在紧凑型主厂房内设置；

(5)水系统高点在主厂房，膨胀水箱的位置离独立的厂区集中加热站较远，运行不安全。

鉴于上述发电厂集中供暖系统的特点，以及有效排除空气对水系统安全运行的重要性，气囊罐定压方式与真空脱气方式的使用在发电厂越来越受到重视。

气囊罐定压与真空脱气功能集成为一个整体机组具有以下优点：

(1)定压点与脱气管同在循环水泵入口附近，管道接口方便；

(2)节省布置空间；

(3)共用一套PLC监控系统，安全、经济。

2 气囊罐定压脱气机组设计要点

2.1 补水泵

《发电厂供暖通风与空气调节设计规范》DL/T 5035－2016规定：补水泵应设2×100%配置，1台水泵的流量应满足系统循环流量的2%的正常补水量；定压点压力为直接连接用户最高充水高度与供水温度相应汽化压力之和并应有0.03～0.05 MPa的富裕压力。

补水泵的扬程不但与补水泵启动压力、停止压力有关，而且与水系统承压值、系统膨胀量、系统初运行及正常运行工况等因素有关。

补水泵是维持定压点压力的基本保证，如果事故突然停电，不但系统压力的不稳定，而且会形成 “水击”现象，因此补水泵宜采用双电源供电方式，事故时备用电源自动供电。

2.2 水系统膨胀量

水系统膨胀量Vp(m3)与系统水容量Vc、供回水温度有关。当供回水温度为110℃/70℃时，水系统膨胀量可按式(2)简化计算：

式中：α为水体积膨胀系数，简化为线性相关，其值取α＝0.0006 m3/(m3·℃)；Δt为系统内水温的最大变动值(℃)；Vc为系统水容量(m3)。

由于采用恒定回水温度的定流量质调节方式，且在供暖季连续运行，对于110℃/70℃供暖系统，在保证70℃回水温度的条件下供水温度根据室外温度自动控制。供暖初期供水温度较低(85℃左右)，随着气温的下降供水温度升高，最冷月时水温达到设计最高值。因此，系统内水温的最大变动值出现在从初水温(取5℃,采暖季开始时室外温度较高，采用值班温度保证系统内水温变动值最大)加热到85℃的初运行过程，此时加热温差为80℃。正常运行阶段供回水温差为40℃。从式(2)可得：80℃温差时Vp/Vc值是40℃温差的2倍。

系统水容量Vc应为换热设备、各类末端散热设备、室内管道与室外管网水容量之和。换热设备水容量可由设备制造商提供，各类末端散热设备、室内管道的水容量可从参考文献[3]中表11－59查取。室外管网宜按实际管网水容量计算。

需要指出的是末端散热设备，包括各类散热器、暖风机、热风幕、空气加热器的水容量应根据各自承担的热负荷计算。

表1为系统循环水量为122 m3/h，水容量约120 m3时，供暖初期与正常供暖期系统膨胀量及系统调节容量的计算值。

表1 供暖初期和正常运行时系统调节容积、膨胀量比较

2.3 气囊罐容积与压力

在完成设备、管网系统初调试完成后，此时气囊内压力处于低水位，气侧压力P1等于系统定压点压力，慢慢升高水温，气囊内逐步吸收膨胀量Vp，气囊体积变大，囊外气体压力升高到P2。当吸纳最大膨胀量时，P2最高。当系统水温下降或漏水时，压力减小，气囊内水位在接近低水位时补水泵自动启动补水，补水量为调节容积Vt。因此气囊体积应等于Vp＋Vt。

气罐内气体压缩过程缓慢，可按等温压缩过程计算。

式中：P1为低水位时初压力，绝对压力(MPa)；P2为终压力，绝对压力(MPa)；V1为气压罐气侧的有效体积(m3)；Vt为气囊的调节容积，不小于3 min平时运行的补水泵流量，变频泵可按额定转速时补水泵的1/4～1/3确定(m3)；Vp为系统膨胀水量(m3)。

从式(3)可知，在确定的供暖系统中，P2是定压点处系统可接受的压力，且应满足管系中最高压力点的压力小于系统承压值。若P2取大值，V1就小，气囊罐设备体积小，但管网系统在较高的压力下运行容易渗漏水。当P2取略高于工作压力时，由于Vt为定值，V1主要取决于系统膨胀量Vp。

气囊罐容积可按式(4)计算：

式中：VZ为气囊罐实际总容积(L)；VZmin为气囊罐最小总容积(L)；Vxmin为气囊罐应吸纳的最小水容量，Vxmin=Vt+Vp(L)；P0为低水位时气囊充气的绝对压力，定压点压力(kPa)；P2max为气囊罐正常运行的最高绝对压力，即最高水温时的停泵压力(kPa)。

式(4)变形后可得：

其中Vxmin/Vzmin比值为设备设计定值，一般取0.3～0.4，故气压罐充气压力P0：

无论在静态还是在动态工况下，水系统内任一点的压力必须小于系统最高耐压能力，为保证系统安全，气囊罐定压系统中设置压力式电磁泄水阀与安全阀双重泄压保护措施。

安全阀开启压力P4、电磁泄水阀开启压力P3、补水泵停止压力P2、补水泵启动压力P1、补水泵扬程Pb可分别按以下要求设定：

安全阀开启压力P4是限制系统内的承压值，略高于系统工作压力。

但是在系统初运行阶段，由于管系内空气来不及排除引起气塞现象，导致水系统压力增高，会造成系统充水时间长，甚至不能补水。实际工程中，补水泵采用多级离心泵，且补水泵扬程Pb宜在定压点P0的基础上加0.1 ～ 0.15 MPa。

需要注意的是：应复核P4的值是否满足系统最大压力点的压力小于水系统承压值的要求。

对调质运行的水系统而言，膨胀量Vp与水温差变化有关，且Vp变化P2也随之变化，补水泵停泵压力需要根据水温的设定来调整。调整方法可参见参考文献[4]中附录C.2.5节计算，这里不再赘述。

2.4 气囊罐容积优选措施

从表1可知，系统膨胀量远远大于调节容积，加上气罐容积与气囊容积之比为定值的设备特性，因此气罐容积主要取决于系统膨胀量。

查相关厂商的产品样本，对应5.76 m3的膨胀量，气囊罐需要选双罐体，单罐Φ2000mm，高约3600mm的罐体，气囊罐占用空间很大，设备成本也较高。

为减小气囊罐容积，我们可以通过下述方法合理解决，以达到降低设备成本、减小设备占地空间，使系统安全、节水节能运行的目的，气囊罐定压脱气机组示意图系统详见图1。

(1)系统从水温5℃～85℃升温过程中的膨胀量(水质合格)通过开启的手动阀1(手动阀2关)、压力式电磁泄水阀排入闭式蒸汽凝结水箱(内压小于泄水压力)，电磁阀开启时联动凝结水泵(1用1备配置)运行，将膨胀水量回收到工艺系统内。

(2)补水箱上部留有膨胀空间，在正常运行工况时通过开启的手动阀2(手动阀1关)、压力式电磁泄水阀将部分膨胀水量泄水至补水箱水池内，这样既可减少补水量又可减少补水中溶解的空气进入系统。

(3)安全阀泄水至补水箱水池内回收。

(4)补水箱贮水容积可按1台补水泵30～60 min的流量计算，上部的膨胀容积可根据加热站机房空间的实际情况，按正常运行时膨胀量的1/3～1/2计算。

(5)补水箱水源应采用工艺软化水或除盐水，并设浮球阀及电磁式快速补水阀。

2.5 真空脱气设备

真空脱气设备主要按系统的最高工作压力及温度、安装点的工作压力、系统水容量等参数查设备技术资料来确定。较大供热系统真空脱气设备可二台并联使用。

水系统初运行时，真空脱气系统手动控制运行时间，以快速排出水中的空气，缩短系统稳定时间；正常工况时，重复脱气过程的时间间隔可视供热系统水容量的大小、真空罐容积大小、补水中空气的含量而设定，真空脱气系统自动运行。

2.6 优化后的气囊罐定压脱气机组

大中型火力发电厂集中加热站优化后的气囊罐定压及脱气系统，见图1。

气囊罐定压补水脱气机组是集定压、膨胀、补水及脱气功能的机电一体化设备，主要部件包括：气囊膨胀罐，2台补水泵(一用一备)，补水箱与液位仪、浮球阀与快速补水电磁阀，真空罐、脱气水泵、脱气电磁阀与自动排气阀，压力泄水电磁阀与安全阀，凝结水箱，2台凝结水泵(一用一备)，管路系统及PLC控制系统。

图1 气囊罐定压脱气机组示意图

3 案例分析

3.1 工程背景

某座位于寒冷地区的2×660 MW机组新建燃煤电厂，全厂采用供回水温度为110℃/70℃的高温热水供暖系统，热水循环流量L=122 m³/h，循环水泵扬程H=300 kPa，热网系统水容量约Vc=120 m³，采用气囊罐定压补水脱气机组，定压设备布置在底层，补水箱与系统最高点高差h=30 m，定压点位置在循环水泵入口侧附近，设备及管网承压为PN=1.0 MPa，闭式凝结水罐最高内压0.3 MPa。

下面就全部吸纳膨胀水(方案一)及部分吸纳膨胀水量(方案二)的条件，对气囊罐式定压脱气机组进行设备选型计算。

3.2 计算过程及结果

方案一、方案二计算过程及计算结果详见表2。

表2 方案一、方案二气囊罐式定压脱气机组设备选型比较

4 结论

结合发电厂集中热水供热系统特点，分析了定压设备与脱气设备集成为机电一体化设备的必要性与可行性；

通过对气囊罐内气体压缩过程的理论计算，结合工程实际情况，对气囊罐定压系统中气囊充气压力、补水泵启/停压力、电磁泄水阀及安全阀的泄水压力、补水泵扬程的计算提出了建设性的意见；

减小气囊罐的体积可采用下列措施：

(1)系统膨胀量按正常运行时计算。

(2)供暖初期系统膨胀量排入凝结水回收罐。

(3)供暖正常运行阶段，气囊罐仅吸收部分膨胀水量，另一部分被补水箱吸收。

根据案例分析表2可知，采用减小气囊罐的体积措施后，设备的占地面积减少近50%，设备投资减少近30%。优化后的气囊罐定压脱气机组具有明显的经济效益。