蒸汽系統(tǒng)節(jié)能減排2015 GBK 214王總定稿201539

1、根除蒸汽熱力系統(tǒng) “余壓余熱”的產(chǎn)生 提高蒸汽熱能的一次利用率-論將高溫飽和水及蒸汽凝液的排出溫度控制在100以下王國際天津市單飛科技開發(fā)有限公司摘要：1、蒸汽熱力系統(tǒng)排放環(huán)節(jié)包括：鍋爐的排污水、供汽管網(wǎng)、間接加熱設(shè)備蒸汽凝液等，上述環(huán)節(jié)均存在排放高溫飽和水及蒸汽凝液造成高顯熱的流失浪費；2、飽和蒸汽系統(tǒng)傳統(tǒng)設(shè)計中的補償措施 “余壓余熱”的回收利用，掩蓋了提高蒸汽熱能一次利用率的實質(zhì)性問題；3、飽和蒸汽系統(tǒng)熱能浪費的根源在于“放熱理論”的局限性，導致“高溫飽和水及蒸汽凝液顯熱流失浪費”的合理化；排水器件-疏水閥存在功能缺陷造成15-20%的蒸汽熱能浪費；4、解決方案：完善“放熱理論”，限定飽和

2、水及蒸汽凝液的排出溫度穩(wěn)定地控制在100以下。創(chuàng)新排水器件的設(shè)計理念和設(shè)計結(jié)構(gòu)；改間歇性排水為連續(xù)排水方式；增加排水控溫功能、排量調(diào)控功能；將排水控溫功能和排量調(diào)控功能標準納入排水器件的國家標準關(guān)鍵詞：高顯熱流失浪費； 排水控溫100以下；排水器件；放熱理論；提高蒸汽熱能的一次利用率引言蒸汽加熱廣泛用于石油、化工、紡織、印染、橡膠、造紙、制藥、糧油食品加工、木業(yè)加工等行業(yè)。有50%以上的工業(yè)企業(yè)需用蒸汽進行生產(chǎn)加工。蒸汽的使用方式：過熱蒸汽以膨脹做功為主，飽和蒸汽多用于過程加熱。蒸汽熱力系統(tǒng)的運行包括五個環(huán)節(jié)：1.鍋爐（產(chǎn)生蒸汽）、2.輸送系統(tǒng)（管網(wǎng)）、3.使用終端（蒸汽使用設(shè)備）、4.飽和水

3、、蒸汽凝液的排放回收系統(tǒng)、5.系統(tǒng)保溫。一、蒸汽熱力系統(tǒng)熱能流失浪費的主要問題1.1、系統(tǒng)運行排放環(huán)節(jié)中熱能流失浪費的現(xiàn)狀1.1.1鍋爐排污工藝存在的問題鍋爐中經(jīng)加熱的水在汽化過程中，由于水中鹽分不斷累積，造成鍋爐內(nèi)部結(jié)垢、腐蝕以及影響蒸汽質(zhì)量，因此需要進行排污操作。鍋爐的排污水壓力與鍋爐運行壓力相等且為飽和水，含有高顯熱，同時含有一定量的蒸汽，造成蒸汽浪費。雖然目前鍋爐排污過程中的高溫鹽水進行了回收利用，但是該過程會直接影響鍋爐的產(chǎn)汽效率。1.1.2蒸汽管網(wǎng)以及間接加熱設(shè)備蒸汽凝液的排放不同的加熱工藝蒸汽凝液的形成壓力、溫度各有不同，不同的工藝過程蒸汽凝液的產(chǎn)生量也不相等。供汽管網(wǎng)中的蒸汽凝

4、液經(jīng)管網(wǎng)區(qū)間設(shè)置的排水井排出；間接加熱設(shè)備中的蒸汽凝液經(jīng)低位排水管口排出。蒸汽凝液的排放控制方式有三種：（1）通過系統(tǒng)配置的疏水閥來實現(xiàn)，（設(shè)計選型-參見SPIRAX蒸汽和冷凝水系統(tǒng)手冊第13章）。疏水閥具有自動排水阻汽功能，能將蒸汽凝液自動排出。但是在使用過程中疏水閥普遍存在著有效周期短、失效快、排水時漏汽等久治不愈的“頑疾”。（2）人工定時排放蒸汽凝液。該方式主要用于供汽管網(wǎng)和用汽設(shè)備啟動時段，此方法造成蒸汽凝液的囤積，增大輸送阻力，降低輸送效率，排放末期會造成汽水同排問題。（3）將蒸汽凝液直接排放進行回收利用。由于沒安裝疏水閥，對不同時段產(chǎn)生蒸汽凝液的排出量無法進行有效控制，很難做到只排

5、水、不排汽。當前汽水同排問題加大了蒸汽熱能的浪費。綜上所述，蒸汽凝液排放環(huán)節(jié)造成系統(tǒng)“余壓余熱”的產(chǎn)生，究其根源在于：蒸汽凝液的排放不管采取上述何種方式，由于所排放的水為高溫帶壓蒸汽凝液，排放過程沒有控溫手段，排出后由于系統(tǒng)與環(huán)境之間的壓降會立刻產(chǎn)生二次蒸汽。然而上述現(xiàn)象一直被人們習慣性地認為是系統(tǒng)正常運行中必然要產(chǎn)生的“乏汽”。筆者經(jīng)過多年的實踐探索，通過對蒸汽熱力系統(tǒng)的積液裝置內(nèi)不同溫度純蒸汽凝液的排量進行大量檢測后發(fā)現(xiàn)：“以100蒸汽凝液排量為基準，隨著水溫的增高，蒸汽凝液排量逐漸減少”。該現(xiàn)象直接反映出高于100的蒸汽凝液體積增大，導致蒸汽凝液質(zhì)量排量減少。造成凝液體積增大除了熱膨脹因

6、素之外的另一重要原因是水中裹挾著不同比例的蒸汽（水中的含汽率）。經(jīng)測算，不同形狀用汽設(shè)備在形成不同溫度蒸汽凝液過程中，單位體積中蒸汽凝液會裹挾1-8左右的蒸汽，會增大1%-5%的水中顯熱。結(jié)論是：“如不能有效控制含汽凝液的排放，則會加大水中顯熱的流失浪費”。1.2蒸汽加熱系統(tǒng)節(jié)能在傳統(tǒng)設(shè)計上的被動補救措施 “余壓余熱”的回收利用由于世界上現(xiàn)有技術(shù)無法徹底解決蒸汽凝液排放環(huán)節(jié)存在的“余壓余熱”問題，因此，對排放環(huán)節(jié)的“余壓余熱”加以回收利用，成為飽和蒸汽系統(tǒng)的首選節(jié)能方案。1.2.1開放式余壓余熱的回收利用方式用汽系統(tǒng)排水端經(jīng)疏水閥將帶壓蒸汽凝液排入集水點，經(jīng)水泵送至回用點，產(chǎn)生的二次蒸汽對空排

7、放，只回收利用100以下的蒸汽凝液。該方式可以直接看到疏水閥的失效漏汽，便于診斷和維護。1.2.2密閉式余壓余熱的回收利用方式用汽系統(tǒng)排水端經(jīng)疏水閥將帶壓蒸汽凝液排入回收管網(wǎng)，經(jīng)管網(wǎng)流回末端回用點進行回收利用。該方式因疏水閥出水端與回收管網(wǎng)并聯(lián)，疏水閥發(fā)生失效漏汽難以發(fā)現(xiàn)，一旦設(shè)備巡查管理不到位會造成蒸汽的直接流失浪費。 1.2.3梯級式余壓余熱的回收利用方式 將高溫飽和水（鍋爐排污水）、蒸汽凝液排入擴容降壓罐，使其二次汽化，水中高顯熱轉(zhuǎn)變成二次蒸汽熱焓，對其回收利用，減少直接排放造成水中高顯熱的流失浪費。對高溫飽和水、蒸汽凝液可進行逐級降壓產(chǎn)生不同級別的二次蒸汽進行回收利用，但末級擴容降壓的

8、最低壓力仍在0.05Mpa以上，蒸汽凝液的溫度高于100，水中顯熱大于419kj/kg，低于此壓力的水中顯熱很難實現(xiàn)全部回收利用。梯級回收利用需根據(jù)不同的回收工藝，設(shè)計增設(shè)不同類別的回收設(shè)備，配裝相關(guān)的泵、閥及控制系統(tǒng)，連接不同級別的回收管路，還需占用一定的場地空間。高溫蒸汽凝液及二次蒸汽在回收過程中因系統(tǒng)阻力及管路、設(shè)施的表面散熱損失會造成回收熱能的二次浪費?；厥绽貌怀^蒸汽熱焓20%的飽和水、蒸汽凝液中的高顯熱及回收疏水閥正常工作時不超過3%的漏汽，所增設(shè)的相關(guān)設(shè)施及日常維護費用，其投入產(chǎn)出比并不理想，因此梯級利用余壓余熱不能從根本上解決和提高蒸汽熱能的一次利用率。二、飽和蒸汽系統(tǒng)熱能流

9、失浪費的根源分析2.1、 “放熱理論”的不全面性，導致水中高顯熱流失浪費成為合理化目前公認的飽和蒸汽放熱理論的觀點主要是:（1）“飽和蒸汽以放汽化潛熱為放熱計算依據(jù)”【1】，該理論的確立理由是為保證系統(tǒng)的放熱速度和傳熱量；（2）“蒸汽凝液中顯熱不作為放熱計算參數(shù)”【5】，（參見SPIRAX蒸汽和冷凝水系統(tǒng)手冊11.1.3-P872、14.1.3-P1127、14.6-P1187對此問題的描述。）該理論確立理由是因為蒸汽汽化潛熱放出后形成的蒸汽凝液會影響換熱面積及增加運行阻力，故必須將其迅速排出排盡。因此，蒸汽凝液中顯熱不作為放熱計算參數(shù)。但是，筆者對實際情況進行具體解析是：在常壓環(huán)境下（PG=

10、0MPa），水的相變溫度為100。液態(tài)水在100時，顯熱為419kj/kg，繼續(xù)吸熱至完全相變?yōu)?00的蒸汽，蒸汽的熱焓值為2676 kj/kg，這個過程共吸收2257 kj/kg的汽化潛熱熱量，其逆過程會釋放出同等的熱量。該蒸汽凝液排放到常壓環(huán)境過程中，水中顯熱不會發(fā)生變化（因壓差導致出現(xiàn)的閃蒸汽另議），不會影響該蒸汽溫度下熱能的使用效率。因此，使用100的蒸汽采用上述放熱理論（即只計入汽化潛熱）來計算其熱能利用是合理的。當使用高于100的蒸汽時，汽化潛熱放出后會形成高溫蒸汽凝液。高溫蒸汽凝液的壓力大于一個大氣壓、溫度高于100、顯熱值大于419kj/kg。隨著高溫蒸汽凝液排放到常壓環(huán)境時，

11、它會立刻降壓降溫，產(chǎn)生部分二次蒸汽。部分高溫蒸汽凝液汽化后，水的高顯熱值降至419 kj/kg以下，溫度降至100以下，顯熱值大于419 kj/kg的部分轉(zhuǎn)變成二次蒸汽熱焓。二次蒸汽的產(chǎn)生及排放顯然降低了一次蒸汽熱焓的使用效率。上述二次蒸汽產(chǎn)生量及蒸汽熱焓的利用率計算方法如下：1、蒸汽熱焓利用率=（1-水的顯熱/蒸汽熱焓）100% -（1）2、排放100蒸汽凝液時蒸汽利用率=（1-419/蒸汽總熱焓）100% -（2）注：419kj/kg為100蒸汽凝液的顯熱值3、高溫蒸汽凝液的二次汽化質(zhì)量=高溫蒸汽凝液的顯熱-100蒸汽凝液顯熱（419kj/kg）/ 100蒸汽的汽化潛熱（2257 kj/k

12、g） -（3）通過以上公式計算得出的不同壓力蒸汽的參數(shù)見下表:蒸汽壓力參數(shù)0.0MPaG0.1MPaG0.5MPaG1.0MPaG1.5MPaG溫度，100120.42158.92184.13201.45凝液顯熱值，kj/kg419505.6670.9781.6859汽化潛熱，kj/kg22572201.120862000.11935.1總焓，kj/kg26762706.72756.92781.72794一次熱焓利用率（%）84.3481.3275.6671.969.26排等壓蒸汽凝液時的二次氣化質(zhì)量，kg/kg00.040.110.160.19排放100蒸汽凝液時的熱焓利用率（%）84.34

13、84.5284.884.9485蒸汽凝液排出溫度控制在100，提高的熱焓使用率（%）03.29.1413.0415.75目前蒸汽熱力系統(tǒng)蒸汽熱能的一次利用率通過上表不難看出：排放100的蒸汽凝液一次熱焓利用率為84.34%；排放201.45的蒸汽凝液一次熱焓利用率為69.26%。由此得出，排放高于100的高溫蒸汽凝液直接降低了蒸汽熱焓的一次使用效率；若將201.45的蒸汽凝液排出溫度控制在100以下時，其一次熱焓利用率為85 %，可提高蒸汽熱焓的使用效率15.75%。有效提高了蒸汽熱能的一次利用率，真正實現(xiàn)系統(tǒng)運行的節(jié)能減排。因此，當前實際應用的飽和蒸汽放熱理論，即“蒸汽以放汽化潛熱為放熱計算

14、依據(jù)，蒸汽凝液中顯熱不作為放熱計算參數(shù)，排放高溫蒸汽凝液是正常的、合理的、必須的?！贝嬖诶碚撋系牟蛔恪９P者認為：上述理論不適用于高于100的蒸汽放熱的設(shè)計中。由于上述理論的不完善，導致飽和蒸汽系統(tǒng)排放高溫蒸汽凝液中高顯熱的流失，造成平均8%-15%的浪費。2.2凝液排放系統(tǒng)常用的排水器件-疏水閥的結(jié)構(gòu)缺陷是造成系統(tǒng)產(chǎn)生“余壓余熱”，導致水中高顯熱流失浪費的根源之一2.2.1依據(jù)“以蒸汽凝液排出排盡為原則”的設(shè)計思想 ，導致疏水閥只有自動排水功能，而不具備溫度控制功能，造成系統(tǒng)運行“余壓余熱”的產(chǎn)生。由于上述蒸汽放熱理論對排放高溫蒸汽凝液的排出溫度不做限定，導致各類疏水閥的設(shè)計僅僅“以蒸汽凝液排

15、出排盡”為原則【2】【3】【4】，故疏水閥均不帶控溫功能（其中熱靜力型疏水閥只是依靠溫度控制驅(qū)動啟閉元件）。高溫蒸汽凝液經(jīng)疏水閥排出后立刻產(chǎn)生二次蒸汽，導致排放系統(tǒng)“余壓余熱”的產(chǎn)生，造成蒸汽凝液中高顯熱的平均流失浪費約達8%-15%。2.2.2疏水閥“自動排水阻汽功能”的習慣設(shè)計理念，導致疏水閥使用壽命短、失效快、排水時漏汽等問題，進一步加大了排放系統(tǒng)“余壓余熱”的產(chǎn)生疏水閥“自動排水阻汽功能”需通過啟閉元件來實現(xiàn)，由此決定了疏水閥采用間歇排放方式。而啟閉元件不管采取何種驅(qū)動方式，必需具備相應的運動部件，造成結(jié)構(gòu)復雜。這些部件在結(jié)垢、氧化、充斥雜質(zhì)等惡劣工況下工作，必然導致疏水閥使用壽命短、

16、失效快、排水時漏汽。2.2.3 疏水閥現(xiàn)行質(zhì)量檢測標準規(guī)定了漏汽率及使用壽命，但對蒸汽凝液的排出溫度未做規(guī)定，使疏水閥的功能缺陷合理化。由于我國現(xiàn)行的國家標準對疏水閥漏汽率明確規(guī)定了限定值。造成“疏水閥在功能上漏汽是必然”的錯誤認識。導致正常使用的疏水閥漏汽量只能減少、不能杜絕的現(xiàn)象一直延續(xù)至今。對疏水閥使用壽命的檢測，由于其所安裝使用的工況多變復雜，很難實現(xiàn)標準中所設(shè)定的使用壽命。由于現(xiàn)流通使用的疏水閥沒有蒸汽凝液排放溫度的控制功能，導致疏水閥質(zhì)量檢測標準中未規(guī)定蒸汽凝液的排出溫度，造成蒸汽凝液排放時的漏汽及排放高溫蒸汽凝液以及蒸汽凝液中的裹汽問題，合計會造成15-20%的蒸汽熱能浪費。目前

17、，蒸汽熱力系統(tǒng)的浪費問題普遍存在節(jié)能潛力巨大。僅以天津市為例，根據(jù)專家保守測算，天津市間接用汽量約為6230萬噸/年，按上述分析節(jié)約蒸汽熱能浪費的10%15%計算，每年可節(jié)約623萬噸934.5萬噸蒸汽，按鍋爐平均運行熱效率70%計算、每噸蒸汽（0.6兆帕）需耗用133kg標準煤，則年節(jié)標煤82.86萬噸124.29萬噸，減少二氧化碳排放207.15萬噸310.72萬噸，以上僅局限于鍋爐產(chǎn)汽計算，除鍋爐外還有其他余熱產(chǎn)汽來源，節(jié)煤數(shù)還要增加。筆者認為：要解決飽和蒸汽系統(tǒng)的熱能浪費，提高蒸汽熱能的一次利用率，必須依據(jù)完善的“放熱理論”。重新設(shè)計蒸汽凝液排放器件，廢除普遍使用的耗能疏水裝置。對疏水

18、閥重新制定國家標準，大力推廣應用創(chuàng)新的蒸汽凝液排放器件，徹底根除余壓余熱的產(chǎn)生，提高蒸汽熱能的一次利用率。三、蒸汽熱力系統(tǒng)熱能流失浪費問題的解決方案 科學合理的利用蒸汽熱能，最大限度的使用蒸汽熱能，提高蒸汽熱能的使用效率，是完善傳統(tǒng)蒸汽放熱理論的指導思想。3.1、完善“放熱理論” 3.1.1根據(jù)常壓環(huán)境（一個大氣壓力）汽水相變溫度，限定高溫飽和水、蒸汽凝液的排出溫度必須控制在100以下。從理論上解決排放高溫飽和水、蒸汽凝液導致水中高顯熱的流失浪費問題。3.1.2科學合理的利用飽和蒸汽凝液的高顯熱將高于100蒸汽凝液的顯熱值（大于419kj/kg的部分）作為蒸汽放熱的有效值。將蒸汽凝液排放溫度控

19、制在100以下，蒸汽放熱按下式計算：蒸汽焓值（kj/kg）-100蒸汽凝液中顯熱（419kj/kg）-（4）3.2創(chuàng)新蒸汽凝液排放器件的設(shè)計思想、設(shè)計結(jié)構(gòu)，增加凝液排放控溫功能和凝液排量調(diào)控功能，實現(xiàn)蒸汽凝液的常壓排放。3.2.1蒸汽凝液排放器件的設(shè)計要在滿足蒸汽凝液不產(chǎn)生過冷度的前提下，將其迅速排出排盡,把蒸汽凝液的排出溫度有效控制在100以下，實現(xiàn)常壓排放，減少蒸汽凝液中高顯熱流失浪費。3.2.2蒸汽凝液排放器件的設(shè)計結(jié)構(gòu)，要滿足不同規(guī)格蒸汽凝液排放器件對凝液排量實現(xiàn)有效控制，并采用無運動部件結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)“靜態(tài)”連續(xù)排放，取代傳統(tǒng)疏水閥多部件“動態(tài)”間歇排放方式，提高蒸汽凝液排放器件的使用壽

20、命。3.2.3根據(jù)不同用汽工況、蒸汽凝液產(chǎn)生溫度及產(chǎn)生量的隨機變化特性，將排水控溫功能、排量調(diào)控功能納入蒸汽凝液排放裝置的設(shè)計規(guī)范。3.2.4將蒸汽凝液排放器件的排液控溫功能、排量調(diào)控功能及控制精度等級列入國家質(zhì)量檢測標準。綜上分析得出，蒸汽凝液排放器件必須具備排量調(diào)控功能，排液控溫功能并能將所排出的高溫蒸汽凝液溫度控制在100以下且為無運動部件的“靜態(tài)”連續(xù)排放，才能根除疏水閥使用壽命短、失效快、排水時漏汽這個久治不愈的頑疾，才能最終實現(xiàn)飽和蒸汽系統(tǒng)的節(jié)能減排。結(jié)束語筆者經(jīng)過多年的實踐探索，得出以下結(jié)論：1、只有將高溫飽和水、蒸汽凝液的排出溫度控制在100以下，才能有效控制高溫飽和水、蒸汽凝液中所挾帶蒸汽的流失； 2、只有將高