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吸收式冰水機的蒸汽減溫系統規劃

已更新:2023年5月20日

#焚化廠 吸收式冰水機的蒸汽減溫系統規劃


吸收式冰水機與壓縮式冰水機的主要差異在於壓縮式冰水機是以電力驅動壓縮機來製冷,而吸收式冰水機則是靠熱能來製冷。原理上,吸收式冰水機是以真空槽讓滴附在空調水管上的水更容易蒸發,藉由蒸發的相變所帶走的熱能來製造低至7C的冰水。隨著槽內的水氣越多,真空槽會開始喪失真空度,此時就以溴化鋰來吸附增加的水氣維持槽內的真空度。但隨著溴化鋰所含的水分越來越多,吸附效果也就越來越差,因此需要熱能將溴化鋰中的水分蒸發分離。這個熱能可以是燃燒燃料得到的高溫氣體,或是高溫蒸汽。


吸收式冰水機原理 (圖片來源 北科大 柯明村博士 Absorption Chiller 講義)

以垃圾焚化廠來說,焚燒廢棄物所得的廢熱會先用來產生高壓高溫的過熱蒸汽供渦輪發電機Steam Turbine發電所用,排出的蒸汽再經由冷卻水塔冷凝回水,但這樣不僅會消耗大量的水資源也是浪費電。 若使用吸收式冰水機, 這蒸汽可以作為還原溴化鋰所需的熱源,在冷凝回水的過程中不僅不需增加用電跟用水,還能提供廠區空調所需的冷氣冰水,更進一步的降低廠區的用電量,減少溫室氣體的排放。 也能避免民眾對於白煙(蒸汽)排放的疑慮跟抗爭。


吸收式冰水機目前分有高效率的雙效機型與較低效率的單校機型,差異在於設備成本,性能與對熱能的需求量。


以1200RT為例,使用瓦斯驅動的吸收冰水機與電力驅動的壓縮冰水機相比,吸收式冰水機的運行成本僅為壓縮式冰水機的6成,若使用廢熱,可幾乎免除製冷的能源成本。


吸收式冰水機的蒸汽系統設計:

吸收式冰水機蒸汽系統標準配置圖

焚化廠吸收式冰水主機的蒸汽系統分為五大部分:

1. 過熱蒸汽減壓閥與控制系統

2. 過熱蒸汽減溫器與冷卻系統

3. 蒸汽汽水分離器與祛水系統

4. 吸收式冰水機溫控閥與儀表系統

5. 冷凝水回收泵與儲水系統


1. 過熱蒸汽減壓閥與控制系統:

焚化廠焚燒垃圾所產生的熱能藉由廢熱鍋爐轉為約40barg, 400C的過熱蒸汽供蒸汽渦輪機 Steam Turbine作為發電用途。提供給吸收式冰水機的蒸汽可能為減壓後或未減壓,若未減壓則須設置自作動減壓閥或比例控制閥先將壓降低到冰水機所需的供應壓力,並於減壓組後方設置安全閥以防超壓造成後方的低壓管線與冰水機受損。


直作動減壓閥


氣動比例式 壓力控制閥

2. 過熱蒸汽減溫器與冷卻系統:

由於過熱蒸汽性質與熱風相當,為確保冰水機溴化鋰的純化效率,過熱蒸汽需先降溫為飽和蒸汽(釋放潛熱),而所用的減溫器稱為Desuperheater或attemperator。


減溫器的原理是於減溫器後方設置溫度感測器,再依所需溫度噴入冷卻水使過熱蒸汽降溫。當冷卻水噴入後管線後,會與過熱蒸汽混合,藉由冷卻水蒸發時所需的蒸發焓帶走過熱蒸汽的溫度,達到減溫的效果。為此,減溫器的冷卻水溫度是越高越好,越低反而會降低減溫器的效能。

過熱蒸汽減溫器

減溫器的形式:

可分為單噴嘴 (nozzle),多噴嘴 (multiple nozzle),蒸汽輔助汽化噴嘴(steam atomizing nozzle),文丘里式(venturi desuperheater)等多種形式。不同形式的目的是要應對流量變化範圍的大小。基本上,蒸汽量變化的幅度越大,減溫器就要更複雜與先進,成本也會隨之增加。


減溫器的水源:

由於進入蒸汽管線的冷卻水會轉變成蒸汽,因此冷卻水的水源必須同鍋爐用水的水質,如純化水/軟水或蒸汽冷凝水。減溫器的溫度控制系統是由溫度傳感器,溫度控制器,冷卻水控制閥與周邊閥件所組成。



經由減溫器後的蒸汽由於冷卻水的加入,蒸汽量會比減溫器前的蒸汽量更大。


3. 蒸汽汽水分離器與祛水系統

過熱蒸汽管線基本上是不太會有冷凝水產生的,但在系統剛起機時,蒸汽管線中仍有大量的冷凝水需要在管線的低點,固定間距位置與末端設置蒸汽祛水器排除,否則容易產生具強大破壞力的水錘。


經驗上發現焚化廠的蒸汽供應可能一整天都不會達到過熱的狀態,因此管線中的冷凝水若無法完全排除,極易形成水錘。除此外,若減溫器的冷卻水溫度過低或發生異常也會有多餘的積水在減溫器後方形成。因此,建議減溫器後方都應設置汽水分離器來攔截蒸汽管線中挾帶的冷凝水,減少水錘產生的機率,並提升蒸汽的品質,以提升吸收式冰水機的製冷效率。




汽水分離器的類型可分為檔板或氣旋式,汽水分離器下方需設置有蒸汽祛水器與相關閥件組。汽水分離器由於沒有可動元件,除了具有成本低廉的優點外,也有耐用免保養的好處。唯一需留意的是汽水分離器除了會分離水份之外,蒸汽中挾帶的管線鐵渣也會被分離出來,因此汽水分離器下方的祛水組須配置有排汙閥以避免阻塞。


4. 吸收式冰水機溫度控制閥與儀控系統

蒸汽控制閥是冰水機溫度控制系統的一部分,藉由蒸汽比例閥的控制,可以調節進入設備的蒸汽量。基本上,冰水機的出水溫度高時,蒸汽的壓力與用量會比較大。隨著出水溫度的降低,蒸汽的壓力與用量會逐漸降低。




5. 蒸汽冷凝水回收泵與儲水系統

吸收式冰水機排出的蒸汽冷凝水溫度介於常溫至60C之間,由於屬於過冷(SUBCOOLED)的蒸汽冷凝水,本身已不具備壓力,需要輔助動力協助送回到冷凝水槽。 所用的輔助動力多為電動冷凝水泵,氣動冷凝水泵兩種類型。電動冷凝水泵為常見的電動泵,以浮球液位做控制。氣動冷凝水泵則以蒸汽或壓縮空氣為驅動源,沒有馬達。 隨著泵內水位的高低,內部機構會自動切換驅動氣體的進出來推送冷凝水回到冷凝水槽。


在選用上,氣動冷凝水泵的費用較高,但因為沒有電動泵,因此不須接電或維護電動馬達跟泵。


6. 蒸汽計量系統 (選配)

在高度資訊化的現代管理制度下,吸收式冰水機的蒸汽使用狀態可藉由蒸汽流量計的量測來管理。蒸汽流量計的選用應為具可量測蒸汽溫度或壓力來進行密度補償的專用型流量計。


安裝過熱蒸汽減溫器的注意事項:

由於過熱蒸汽的高溫特性,管線的脹縮可能需要脹縮接頭來吸收停機與運行時的管線脹縮。一般來說,U型管的配置應足於滿足這需求。

U型脹縮管的配置會依溫差,固定點間距,口徑,管線材質等而不同:

以吸收式冰水機常見的蒸汽供應源來說,4barg @ 230C的DN100過熱蒸汽管若以30m間距支撐.. 管線膨脹為75.6mm... U型脹縮管的W可從以下算式計算:





結論:

吸收式冰水機由於採用熱能而非電能來製冷,對於廠內有大量廢熱與蒸汽又有製冷需求極為適合。當以蒸汽為主要熱源時,需留意供應端為廢棄蒸汽,因此蒸汽品的品質與量可能需要調節與優化以避免冰水機效率下降,甚至無法運作。減溫器所用的冷卻水的溫度與水質也至關重要,建議以蒸汽冷凝水為優先選擇。


由於系統與現場條件多有不同,本文所說明的配置僅為標準配置,若您對本文章的內容有問題,建議或需求.. 歡迎留言或來電與我們聯繫。

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