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蒸汽管理节能方案

随着世界能源形势逐步缺乏,能源管理的重要性就愈发显现出来。节约热能作为重要项目越来越受到企业的重视,合理的设计、配套和维护热能系统能够节约大量宝贵的资源,降低生产成本,提高企业的市场竞争力。


从工业革命以来,蒸汽作为最佳的能量载体在工业和民用领域广泛使用。在我国,工业和民用蒸汽管网非常庞大。据2001年统计,全国在用蒸汽锅炉约35万台,总蒸发量达78万吨/小时(不含电站锅炉)。但是,长期以来,国内普遍存在对蒸汽品质和蒸汽输送管网的不重视,甚至在国内一些行业规范中也有这种体现,由此造成了大量能源的浪费,蒸汽加热效率偏低,设备控制不稳定,管道经常性严重水锤等。



一、纯净的蒸汽无色、无味,不含任何杂质和水分


在实际应用中,蒸汽的品质往往不尽如人意。为了获得设备最大效率,减少维护工作量,蒸汽在到达用汽设备前应具备高品质,这主要体现在:


1. 蒸汽应具有稳定和正确的压力和温度


稳定而正确的压力是保证用汽设备安全、控制可靠的重要的条件。为此,首先应选择正确的蒸汽锅炉运行压力;其次保证蒸汽管道的正确选型,确保管道输送不出现过大的压降;再次是排除蒸汽中含有的空气;最后是设备前采用压力控制实现稳压。


2. 蒸汽应干燥,不含水分(冷凝水和锅炉卤水)


蒸汽在从锅炉中产生后,往往会携带大量的锅炉卤水。据测算,国内中小型燃油燃气锅炉蒸汽的含水量平均在10%-15%。尤其在下游蒸汽负荷不稳定,锅炉运行压力偏低时,容易产生汽水共腾现象。大量卤水的存在严重污染蒸汽品质,降低蒸汽热量输出,更严重的是由于卤水中含有很高的氯离子,会使设备出现苛性脆化现象,造成设备损坏,危及生产和人员安全。


同时,蒸汽在输送过程中由于管道散热也会产生大量的冷凝水,这些冷凝水如不能及时排除,将在管道内积聚,产生水锤和冲击。


3. 蒸汽应洁净,不含水垢、焊渣、铁锈及其它固体杂质


蒸汽管道中的杂质会影响蒸汽系统的运行效率,例如,锅炉中的杂质沉积在换热器表面造成传热下降,管道内焊渣、铁锈等杂质会影响控制阀和疏水阀的运行。


4. 蒸汽中应不含空气和其它不凝性气体


当蒸汽中存在空气和其它不凝性气体时,将造成管道和设备的腐蚀,但更重要的是将严重影响蒸汽的换热效率。空气是极差的热导体,仅仅1mm厚的空气层,其热阻就相当于13.2m铜墙的热阻。蒸汽输送系统是连接汽源和用汽设备之间的管网,其目的是向蒸汽用户提供高品质的蒸汽。蒸汽输送管网的运行原则可以为低成本、高效率、安全、安静。


二、蒸汽系统减压原理及减压阀的使用与选择需要注意的几个根本原则:


很多用户喜欢在锅炉房对蒸汽进行集中减压,或锅炉在低压下运行,并认为这样可以降低成本,节约能源。但实际情况却恰恰相反。


1.蒸汽系统为什么减压


● 对于饱和蒸汽来说,一定的压力对应一定的温度,减压后可获得相应得温度,避免温度超高,满足生产工艺的需要,保证公司的正常生产。

● 保护公司的生产设备。因为根据生产工艺的要求,贵公司的生产设备肯定会有压力方面的设计要求。当蒸汽的压力超高的时候,一是对设备产生很大的安全隐患,二是严重影响贵司的生产质量。

● 节约宝贵的蒸汽能源,从而降低生产成本,提高贵司的生产效益。因为根据基本的蒸汽系统的理论知识以及我们的经验,使用低压蒸汽要比高压蒸汽节约5%的能源。


2. 关于蒸汽的高压输送低压使用的基本原理


⑴ 生产和输送高压蒸汽的优势:

● 增加锅炉的蓄热能力和满足峰值负荷的能力

● 低压运行的锅炉对峰值负荷的应变能力弱,容易产生汽水共腾现象

● 高压输送需要的蒸汽管径小,管道和安装费用低,因而减少成本

● 管道表面积小,保温费用低,同时散热损失少

● 通过减压在蒸汽使用点获得更加干燥的蒸汽,改善蒸汽品质

● 蒸汽压力在减压后保持稳定,而无需过于考虑管道输送引起的压力波动

● 低压使用蒸汽的量会比高压使用蒸汽的量少,从而减少能耗,节约蒸汽(我们使用蒸汽主要是利用蒸汽的潜热,也就是饱和蒸汽便成饱和冷凝水所释放出来的这部分热量,对于饱和蒸汽来说,蒸汽的压力越低其释放的潜热越多,因此我们建议,在工艺要求范围内,尽可能降低蒸汽的压力以更有效的利用蒸汽的热量)

● 高压使用蒸汽,冷凝水的排放温度高,其所含的大量热量不能被充分利用,造成浪费,还有排放温度高产生二次蒸汽的几率大大提高,热量白白浪费得不偿失

● 设备在高压的情况下运行,会减少其使用寿命的(譬如说一台正常的设备在正常压力下的使用寿命是15年,而在高压力下工作,其使用寿命会大大折扣,可能只有7-8年的左右),使用寿命的降低,直接导致公司的生产成本提高


⑵ 正确的选择减压阀

正确的选择减压阀的型号是确保减压阀长期稳定工作的关键所在。选择减压阀要根据减压阀的前后压力、生产所需蒸汽流量、还有实际使用环境来确定合适的减压阀,减压阀通常比蒸汽管道小1-2号管径。对于系统负载变化大的情况,应使用2个甚至更多的减压阀并联,以避免大减压阀长期工作在小负载的情况。否则造成减压阀容易磨损,使用寿命短

减压阀的大部分问题来自蒸汽系统的水分和杂质,为了确保减压阀的高效运行,提供高品质的蒸汽对减压阀很重要,我们强烈建议在减压阀前面安装100目的过滤器以及疏水装置,过滤器应侧向安装。


由于国产减压阀的材质和技术方面跟进口的比,有一定的差距,所以国产减压阀用一段时间之后就会出现减压不稳定,且当下游不用蒸汽时,不能及时准确的关闭减压阀,造成蒸汽泄漏,浪费蒸汽严重,并产生安全隐患,现在国产活塞式减压阀的寿命一般在三个月左右,而一台进口减压阀的使用寿命在10-15年左右(除了几个相应的易损件外),而且进口导阀型减压阀能够提供一个稳定的压力(无论是静态还是动态都能够准确的工作),压力稳定了还可以节省蒸汽(可以节省35%左右),这是国产减压阀所做不到的,所以建议贵公司选用进口减压阀。


三、冷凝水排除注意事项及正确的选择疏水阀


蒸汽疏水阀的工作,就是要尽快的把积存在系统中的凝结水、空气和二氧化碳气体排到系统之外。而且,还要求高效、经济的工作。对好的蒸汽疏水阀的要求是什么?


1. 蒸汽损失最小(见附表3)

2. 寿命长,性能可靠  部件如果易损,会使疏水阀显得不可靠。使用高效疏水阀可以减少试验、修理、清洁、检查和其它损失以节省费用。

3. 耐腐蚀  疏水阀的工作部件应该是耐腐蚀的,应该能够防止凝结水中的酸和氧气的破坏。

4. 能排出空气  蒸汽中总是含有空气,特别是在开车时。为了提高传热效率,防止产生气阻,必须把系统中的空气排掉。

5. 能排出二氧化碳气体  在蒸汽温度下排出二氧化碳气体,可以防止碳酸的形成。所以,疏水阀必须能够在或接近蒸汽温度下工作,因为二氧化碳气体能够溶解在比蒸汽温度低的凝结水里。

6. 能在背压下工作  回水管线里的压力可能是设计的要求,也可能是无意中产生的。所以,回水系统中的蒸汽疏水阀,应该能在实际背压下工作。

7. 能防止污物堵塞  由于疏水阀都是安装在蒸汽系统中的低点,所以容易产生污物堵塞问题。凝结水把污物和管路中的水垢带来,也会把锅炉中的固体物带来。甚至过滤器滤网腐蚀后,有些颗粒也会跑到系统中来,所以蒸汽疏水阀必须能够在有污物的情况下正常工作。

8. 能够适应特殊工作情况。 主要针对造纸行业与纺织行业的加热烘缸、橡胶行业的轧延机等而言,因为它们的冷凝水排放方式为虹吸式,极易产生蒸汽汽锁,阻止冷凝水顺利排除!


一台疏水阀如果没有达到对上述全部工作/设计特点要求的话,就会降低系统效率,增加成本。一旦疏水阀达到了上述要求,那么,该蒸汽系统就会:

1. 减少冷车启动时间。

2. 提高蒸汽换热效率,使设备达到最高温度。

3. 使设备能力达到最高。

4. 取得最佳燃料效益。

5. 减少单位产量所需的劳动力成本。

6. 减少维修量,增加无故障工作寿命。

也许有时候在一定场合,可能不需要疏水阀具备全部上述设计特点,但是,在绝大多数情况下,具备这些特点的疏水阀,会带来最佳效果

疏水阀的选择与使用对设备是至关重要的,世界上没有那一种疏水阀能够适用于所有的应用场合,要根据具体的工艺条件以及工艺要求,选择合适的疏水阀。


目前世界上常用的疏水阀大体分为三大类:

1 热静力型  ——这种疏水阀是利用蒸汽和冷凝水之间的温度差来操作疏水阀的感温元件而控制阀门的开关,冷凝水排放前必须被冷却至饱和温度以下!适用于过冷态排水以利用冷凝水中显热的场合!例如:压力平衡式疏水阀、双金属式疏水阀

2 机械型    ——这种疏水阀主要感应蒸汽和冷凝水的密度差(即浮力的大小)来操作疏水阀的开关,此类疏水阀以饱和温度排放冷凝水!适用于要求及时排除冷凝水且排量大的场合!例如:浮球式疏水阀、倒吊桶式疏水阀。

3 热动力型   ——根据高温高压冷凝水通过疏水阀时产生二次蒸汽,而高速运动的二次蒸汽会产生一个低压区的简单原理来控制阀门的开关。此阀有一个简单的碟片,对高速的蒸汽关闭,而对冷凝水开放。主要用于主管道疏水而排水量较少的场合!


总之,应根据现场蒸汽的实际使用情况来选择最适用的蒸汽疏水阀,以确保蒸汽设备的最佳运行效率。要做出正确的选型,还必须掌握以下情况:

● 系统的压力、压差、背压和冷凝水流量以确定疏水阀的口径大小和型号

● 要求的材质,连接方式等

● 考虑水锤、振动、冰冻、排空气等问题


在选择了正确的疏水阀型号和口径后,正确的安装能确保疏水阀最有效的工作!疏水阀安装时应遵循以下原则:

1 疏水阀上游安装过滤器,以避免管道中的杂质、焊渣等进入疏水阀,引起堵塞,从而导致疏水阀的泄漏或损坏!

2 当排水管中存在背压,为防止疏水阀进口压力降低或停机时蒸汽空间积水,应在疏水阀下游安装止回阀!

3 有些用户为节约费用,使用一个疏水阀来排放多个设备的冷凝水,这被称为群组疏水,但实际上由于各设备不同的工作情况,会导致系统积水现象,因此应避免群组疏水!

4 疏水阀应尽可能接近被疏水设备的出口以防止出现蒸汽汽锁!当冷凝水出口和疏水阀之间的管道中充满蒸汽时,冷凝水将无法到达疏水阀,从而造成汽锁,设备积水,

5 如双金属疏水阀安装于有背压的系统中,背压的变化会影响冷凝水的排放温度,背压增大排放温度下降,会增加设备积水的可能!

6 机械式疏水阀安装于室外低温环境中应加予保温!


尽管从1kg凝结水中可以得到的热,比起从1kg蒸汽里的热要少很多,但凝结水还是有利用价值的热水,应该把它送回锅炉。


四、管道布置和疏水选择


蒸汽系统中水锤是最大的危害。此外管道杂质、蒸汽中含有的空气也会影响设备性能。因此必须在管道布置和排水点的设置上来避免这些问题。


1. 主管疏水点:由于管道的散热损失,蒸汽在管网中输送时将不断冷凝。一段保温良好的蒸汽主管,口径200mm,输送压力10bar,环境温度21℃,每50m产生的冷凝水量为35kg/h(80 kg/h起动负荷)。如果不能迅速排除,则冷凝水在管道内不断积聚并最终造成水锤。因此,我们建议每30-50m应安装一个蒸汽疏水阀,在管道向上时应在底部安装疏水阀,蒸汽主管沿流动方向应有一定斜度,使冷凝水可依靠自重流动;集水点应与管道同口径或小一号口径,保证冷凝水能被集水点收集。


2. 汽水分离器:汽水分离器可以有效的将蒸汽中含有的液滴分离出来,保证蒸汽的干燥。因此应在锅炉房的出口、控制阀前或用汽设备进口安装汽水分离器。


3. 过滤器;为了获得干净的蒸汽,过滤器在蒸汽系统中必不可少。但用户往往不重视过滤器的选择和安装。蒸汽系统过滤器不同于水系统用过滤器,其滤网必须更密,通常应选择100目不锈钢网,确保可充分过虑焊渣、水垢和铁锈等。同时Y型过滤器安装于水平管道时,应为侧向安装。否则过滤器的滤帽部分将积聚大量冷凝水,减少过虑面积,在设备起动时还会成为水锤的根源。


4. 管道变径:当管道需要变径时,常见的做法是采用同心变径连接,造成冷凝水在管道内积聚,产生水击现象。一个改善的办法是采用偏心变径。


5. 分支管取汽和疏水:当分支管从主蒸汽管道取蒸汽时,常见的做法是直接在主管底部连接。这样虽然焊接简单,但不可避免冷凝水也进入分支管道。因此正确的做法是从主管上部连接,同时,在分支管道底部,应注意安装一个疏水阀组,否则在控制阀关闭期间,冷凝水会再积聚,当控制阀开启时造成严重水锤。


6. 管道末端排空气:这是一个经常被忽视的问题。在锅炉停炉后,管道内通常充满空气。当锅炉重新起动时,蒸汽就象一个活塞,将空气推至末端,此时在管道末端应安装一个排空气阀。否则,空气的存在将阻碍传热,加大腐蚀。


7. 管道保温:蒸汽输送管网必须有合适的保温来减少沿程热量损失。一段未保温的钢管或法兰均会带来大量的蒸汽损失。例如,未保温的150mm口径钢管在10bar压力环境温度21℃时,散热率为1600W/m.一段5m长大的管道每小时浪费约15kg蒸汽,相当于一年浪费9吨燃油。同样,一片未保温的150mm法兰,一年会浪费约1吨燃油。所以管道做保温很重要而且管道上的保温材料应该完好无损,应该加强这方面的管理。


8. 管路附件的管理:现在我们使用的阀门大多是带填料密封的,在阀门的使用过程中不可避免的存在泄漏,下面举例来计算一下这部分的损失:

根据基本的蒸汽系统理论,在5bar的蒸汽压力下,蒸汽输送管路上一个3mm的小孔,每小时泄露的蒸汽量为50kg.

现虚拟设定贵公司的各种参数如下:

蒸汽成本:        120  元/t   ( 0.12元/kg)

设备工作时间:     8小时/天  300天/年

则每年因蒸汽泄露造成的损失,保守的计算如下:

50kg×8h/天×300天×0.12元/KG=14400,00元


中国是个能源极度匮乏的国家,能源的节约直接影响到企业的生产成本与市场的竞争能力。而蒸汽更是一种宝贵的换热介质,在生产过程中浪费的蒸汽就如直接从企业的帐户上往外丢钱,其中蕴涵着企业管理者与工人的血汗,直接影响公司的生产成本。所以在日常的工作中应该加强这方面的管理,阀门的密封填料处漏汽应及时的补加填料,避免浪费。也可以使用波纹管密封阀门,这种阀门的阀杆与阀体之间是用波纹管连接在一起的,阀杆的上下运动带动波纹管运动,不存在填料密封的磨损现象,所以波纹管密封可以做到零泄漏。


综上所述,为了获得高品质的蒸汽,在蒸汽输送系统中必须充分考虑输送压力、管道口径、疏水和保温等各方面因素。以上我公司的几点建议,仅供您的参考。无论贵公司采用何种情况,我公司一定为您提供合理有效地技术方案,并且保证贵公司的使用效果。

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