熱力系統(tǒng)的運(yùn)行與節(jié)能
企業(yè)主要能耗為兩大類——熱能和電能，對(duì)許多化工企業(yè)來(lái)說(shuō)，熱能消耗往往要比電能消耗還多。節(jié)能不但關(guān)系到企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，更關(guān)系到我省乃至我國(guó)經(jīng)濟(jì)持久發(fā)展的頭等大事，各行各業(yè)必須加強(qiáng)加深節(jié)能意識(shí)。
工業(yè)二次熱能主要來(lái)源于蒸汽，這些年來(lái)，導(dǎo)熱油傳熱也得到了廣泛應(yīng)用，而電加熱，雖方便靈活，但代價(jià)大，通常不提倡連續(xù)大量應(yīng)用，因?yàn)殡娔軄?lái)之燃煤傳熱產(chǎn)汽而發(fā)電，若再把電轉(zhuǎn)回去發(fā)熱甚至產(chǎn)汽，多少存在著逆向倒退含意。
毒性氣體 |
氣體檢測(cè)儀 |
溫濕度記錄儀 |
變送器 |
GPS |
校正器 |
鹽度計(jì) |
電源供應(yīng)器 |
沼氣檢測(cè)儀 |
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轉(zhuǎn)換器 |
溫度表 |
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臭氧檢測(cè)儀 |
測(cè)速儀 |
噪音計(jì) |
濃度計(jì) |
例如：5000千卡/公斤的普煤，通過(guò)鍋爐燃燒產(chǎn)出4000千卡熱值的蒸汽，價(jià)值約0.8元。1度電100%效率的換熱，也只能換成860千卡熱值，4000千卡的熱要用4000÷860=4.65度電來(lái)?yè)Q得，4.65度電的谷電和尖峰電代價(jià)分別為1.6元和4.4元(尖峰谷電均價(jià)也要2.8元)，顯然電熱比蒸汽發(fā)熱代價(jià)大的多。
熱力系統(tǒng)節(jié)能包含：燃煤、產(chǎn)熱、輸送、使用、回用及系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)作等環(huán)節(jié)，我們這里側(cè)重從蒸汽及導(dǎo)熱油的日常運(yùn)行，用一些簡(jiǎn)化了的計(jì)算和介紹一些節(jié)能知識(shí)及經(jīng)驗(yàn)，供企業(yè)里從事項(xiàng)目設(shè)計(jì)、布局、施工和生產(chǎn)使用、操作、保養(yǎng)、維修及管理工作者參考。
一、 空氣是傳熱系統(tǒng)的一大隱患 空氣只有流動(dòng)起來(lái)才有利于傳熱，而靜止不動(dòng)的空氣是傳熱系統(tǒng)中的一大障礙，這是因?yàn)榭諝庾陨韺?dǎo)熱系數(shù)很小，在100℃時(shí)，棉花的導(dǎo)熱系數(shù)為0.07W/m.℃，而空氣的導(dǎo)熱系數(shù)僅為0.032W/m.℃,空氣導(dǎo)熱系數(shù)要比棉花小一倍多，熱阻與導(dǎo)熱系數(shù)成反比，故靜止空氣的熱阻很大，這將嚴(yán)重阻礙著熱的傳遞。
(一) 空氣來(lái)源： �、� 空氣隨鍋爐給水一并進(jìn)入鍋爐，然后隨蒸汽進(jìn)入系統(tǒng);
�、� 在蒸汽系統(tǒng)停用時(shí)，系統(tǒng)的剩余蒸汽會(huì)凝結(jié)，凝結(jié)會(huì)產(chǎn)生真空，容易將外邊空氣從系統(tǒng)各種連接部件縫隙中吸入;
�、� 蒸汽系統(tǒng)在拆裝維修時(shí)進(jìn)入的空氣。
(二) 空氣危害：
�、� 蒸汽管道系統(tǒng)的空氣會(huì)降低蒸汽輸送速度;
�、� 空氣積在傳熱設(shè)備或盤(pán)管內(nèi)表面會(huì)產(chǎn)生冷點(diǎn)，冷點(diǎn)成為應(yīng)力集中點(diǎn)(1毫米氣膜的熱阻相當(dāng)于13米厚銅的熱阻,兩者熱阻相差13000倍)，造成散熱器等的局部應(yīng)力損壞;
�、� 有報(bào)道：如果蒸汽中存在重量含量1%的空氣，約使換熱系數(shù)降低60%;
④ 換熱設(shè)備疏水器端積聚空氣，會(huì)產(chǎn)生氣鎖，阻礙冷凝水的排放;
⑤ 空氣中的氧氣等是金屬氧化腐蝕的根源，空氣中的二氧化硫、二氧化碳及氮氧化物等酸性成分會(huì)酸蝕金屬部件;
�、� 空氣屬于不凝性氣體，混合在蒸汽里，會(huì)減少單位容積的蒸汽所含熱能，使蒸汽冷凝溫度降低(由于空氣的分壓存在，使蒸汽的實(shí)際壓力要比顯示的表壓要低，蒸汽實(shí)際壓力低，冷凝溫度就低)。
【注】道爾頓分壓定律：混合氣體的總壓，等于各組成氣體的分壓總和，每一組成氣體都單獨(dú)占據(jù)空間，而各氣體的性質(zhì)不變。(例如：某設(shè)備管道指示壓力為0.8Mpa，假如其中的空氣壓力為0.2Mpa，那么實(shí)際蒸汽壓力僅為0.6Mpa，0.6Mpa飽和蒸汽的溫度為165℃，不會(huì)是0.8Mpa飽和蒸汽的溫度175℃。
�、� 這些年來(lái)，在我省紹興地區(qū)的導(dǎo)熱油鍋爐就有一千多臺(tái)，導(dǎo)熱油管道系統(tǒng)內(nèi)也會(huì)積聚空氣和揮發(fā)氣體，同樣影響著傳熱。更怕氣體使導(dǎo)熱油鍋爐循環(huán)油泵產(chǎn)生空轉(zhuǎn)，空轉(zhuǎn)會(huì)使高溫爐膛盤(pán)管內(nèi)的導(dǎo)熱油流速變慢、甚至停止不流動(dòng)，引起導(dǎo)熱油過(guò)熱、過(guò)燒或結(jié)焦，而這時(shí)的爐外
溫度計(jì)是顯示不出爐內(nèi)靜止油的高溫情況，這種隱患會(huì)使導(dǎo)熱油過(guò)早、粘稠、劣化，甚至爆管，威脅鍋爐安全運(yùn)行。
(三) 排除空氣：
我們?cè)诠艿腊惭b布置和走向中盡量減少聚氣死角，在系統(tǒng)設(shè)備的高端及末端可能積聚氣體處，裝手動(dòng)或自動(dòng)排氣閥，減少聚氣隱患，提高換熱效果;
導(dǎo)熱油鍋爐系統(tǒng)的油氣分離器、高位槽高度、膨脹管坡度及流量、超溫或壓差報(bào)警保護(hù)裝置等都要按《有機(jī)熱載體爐安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》規(guī)范制作和施工，司爐工要正確無(wú)誤按操作規(guī)程司爐。
二、冷凝水的排放和利用
冷凝水排放不良是造成蒸汽系統(tǒng)運(yùn)行不良的主要問(wèn)題，它會(huì)形成腐蝕和侵害蒸汽熱力系統(tǒng)，造成換熱設(shè)備及閥門(mén)、閥芯等部件過(guò)早的蝕損失效。
(一)冷凝水積聚和滯留帶來(lái)的危害：
�、倭魅牍艿涝O(shè)備死角區(qū)的冷凝水，會(huì)吸收二氧化碳和氧氣形成酸性腐蝕液;
②蒸汽凝結(jié)水滴，其密度比蒸汽增加千余倍，水滴隨蒸汽高速運(yùn)行(通常水速僅1-3米/秒，而蒸汽流速往往達(dá)20-40米/秒)成“高速子彈”(稱之為水錘)，撞擊和沖刷設(shè)備、管道、彎頭外側(cè)、閥座和閥芯等。
�、墼O(shè)備容器積留的冷凝水，會(huì)被開(kāi)啟時(shí)的大量蒸汽汽化，體積瞬間膨脹千余倍(常壓100℃時(shí)的水,汽化后體積增加1700倍)，會(huì)膨脹損壞相關(guān)閥門(mén)等部件。
�、軗Q熱設(shè)備冷凝水不及時(shí)排出或堵塞嚴(yán)重，會(huì)影響換熱或無(wú)法進(jìn)行熱量交換。水的熱阻是鋼板的60倍，傳熱表面水膜增厚不但影響傳熱，更會(huì)占據(jù)蒸汽空間，會(huì)使蒸汽凝結(jié)潛熱放熱逐漸變成單相對(duì)流顯熱放熱，換熱效率大大降低。
所以，我們?cè)诎惭b管道系統(tǒng)時(shí)要減少積水死角，在冷凝水容易聚集的管道與設(shè)備低處，必須安裝疏水閥，以便及時(shí)有效排放冷凝水。
(二)冷凝水的價(jià)值(熱值單位：千卡、kcal)
冷凝水是蒸汽換熱的必然產(chǎn)物，其本質(zhì)與汽化前的飽和水并無(wú)區(qū)別，仍具有可觀價(jià)值，絕不可視為廢水。
假如，某設(shè)備用汽量為10噸/時(shí)(10000公斤/時(shí))，冷凝水排放溫度為90℃，環(huán)境溫度為20℃，水比熱為1千卡/公斤.℃，一年按7200小時(shí)計(jì)算，則：
�、� 熱量?jī)r(jià)值：(90-20)×1×10000×7200=504000萬(wàn)千卡，若蒸汽按65萬(wàn)千卡/噸、130元/噸計(jì)，其熱量?jī)r(jià)值504000÷65×130=100.8萬(wàn)元。
�、� 水處理價(jià)值：冷凝水是軟化水，可供鍋爐用水，處理費(fèi)按2元/噸計(jì)，
水處理價(jià)值=10×2×7200=14.4萬(wàn)元。
�、� 水本身價(jià)值：按1.5元/噸計(jì)，10×1.5×7200=10.8萬(wàn)元.
�、� 熱水排放負(fù)面價(jià)值:通常熱水排放的處理費(fèi)要高于購(gòu)水費(fèi),法規(guī)規(guī)定：液體排放至公共下水道溫度不得超過(guò)43℃。
僅比較①②③項(xiàng)就可看出凝結(jié)水的熱量?jī)r(jià)值很高。更何況不少疏水閥漏率汽高達(dá)6%，另外，汽壓高、背壓大的凝結(jié)水溫都超過(guò)100℃，在排到大氣時(shí)形成二次蒸汽，其熱量的利用價(jià)值將更大。
不少凝結(jié)水管道保溫差或未保溫，其實(shí)只回用了水的本身價(jià)值，未利用其價(jià)值高的熱能價(jià)值。我們應(yīng)設(shè)法在冷凝水溫度盡可能高的時(shí)候加以充分回收。
三、疏水閥的失效、泄漏及損失
疏水閥英文常寫(xiě)成“steam trap”意為“蒸汽捕集器”，我們稱其為“蒸汽節(jié)能器”更為恰當(dāng)。疏水閥雖小，卻是蒸汽節(jié)能的關(guān)鍵之一。一些企業(yè)習(xí)慣用明令淘汰的價(jià)廉質(zhì)次的萬(wàn)能型熱動(dòng)力式疏水閥，這種疏水閥正常工作，在排水時(shí)被帶出的蒸汽也達(dá)3%以上，且其使用壽命短。人們?nèi)绻狈?duì)疏水閥價(jià)值的理解，常會(huì)使疏水閥形同虛設(shè)。我們發(fā)現(xiàn)一些企業(yè)對(duì)疏水閥存在如下欠缺：
選型缺依據(jù)、購(gòu)買擇便宜、安裝欠監(jiān)管、光用不維護(hù)、故障走旁通。
疏水閥是處在溫度、壓力、汽液混相、頻繁動(dòng)作和沖擊腐蝕等惡劣條件下工作，選型、購(gòu)置、安裝、使用及維護(hù)等方面的欠缺都會(huì)加劇其失效。
(一)疏水閥失效原因及措施：
�、僬Ｊ褂玫哪p。及時(shí)拆修換件;
�、谖酃鸽s質(zhì)的堵塞。及時(shí)清理維護(hù);
③蒸汽系統(tǒng)的水錘等損傷。要緩慢開(kāi)啟進(jìn)汽，冷車開(kāi)旁通閥前，應(yīng)將疏水閥前的截止閥關(guān)閉(疏水閥與旁通閥同時(shí)打開(kāi)易破壞疏水閥水封和損壞密封件)，當(dāng)旁通閥出蒸汽時(shí)，及時(shí)關(guān)閉旁通閥，開(kāi)通疏水閥;
�、苠仩t給水經(jīng)水處理后，水中硬度成分(鈣鎂離子)基本被去除，但水中堿度成分(碳酸根離子等)卻沒(méi)有變化。這些堿度成分在高溫、高壓下會(huì)分解出二氧化碳進(jìn)入蒸汽、冷凝水系統(tǒng)。二氧化碳溶于冷凝水中成碳酸，使冷凝水呈酸性(10ppm的 CO2濃度就可將pH值從7降至5以下)。酸性冷凝水對(duì)碳鋼管路腐蝕性很強(qiáng)，故要盡量減少或防止?fàn)t水隨蒸汽帶出(爐水害處后述);
另外，大氣中CO、NOX、SO2、CO2等酸性成分也會(huì)使冷凝水產(chǎn)生腐蝕，所以，我們要盡量減少系統(tǒng)進(jìn)空氣，并及時(shí)排出各種積聚的空氣;
�、荻旆e水未放盡，使閥體冷凍開(kāi)裂損壞。冬天疏水閥停用前要放盡積水;
�、薨惭b保養(yǎng)欠缺。閥前要裝過(guò)濾器，應(yīng)水平安裝，每3-6月拆檢保養(yǎng)一次;
⑦選型失誤(不看樣本說(shuō)明和資料，不考慮各種類型的疏水器特點(diǎn)及過(guò)冷度、壓差、耐溫、排量等參數(shù))。要熟悉使用條件后再選型和購(gòu)置。
(二)疏水閥失效和泄漏的危害和損失
顧名思義，疏水閥就是一種具有“疏水堵汽”之功能的閥門(mén)。
�、偃绻杷粫�，冷凝水排不掉，換熱效果就會(huì)差，此時(shí)操作工只能開(kāi)旁通閥運(yùn)行，甚至產(chǎn)生“旁通操作效果好”的錯(cuò)覺(jué)，這樣，用大流量供汽、蒸汽大進(jìn)大出來(lái)維持生產(chǎn)，使大量尚未“消化吸收”的蒸汽直接排出，將更加浪費(fèi)熱能，漏氣能耗往往要超10%!
②如果疏水閥堵汽不嚴(yán)，或其旁通閥關(guān)閉不嚴(yán)，都在漏汽，積少成多，一年將會(huì)造成上萬(wàn)元的損失浪費(fèi)。
例如：一個(gè)φ8的漏孔，取蒸汽流速20米/秒、表壓0.4Mpa(密度2.7公斤/米3)、 價(jià)格0.13元/公斤，試算一年的漏汽損失為多少?
解答：一年漏損=(0.008/2)2×3.14×20×3600×7200×2.7×0.13=9142元/年;
例如：一臺(tái)用汽量只有1噸/時(shí)的設(shè)備，若按疏水閥的一般泄漏率3%計(jì)算，
一年也將浪費(fèi)蒸汽=1×3%×7200=216噸。價(jià)值約2.8萬(wàn)元。
�、坌孤┻�會(huì)使同一排水系統(tǒng)的其它疏水閥的背壓過(guò)高而無(wú)法正常工作;
�、茌^多蒸汽漏進(jìn)冷凝水管道，還易產(chǎn)生水擊或汽化等危害。
值得介紹的還是多年前國(guó)家經(jīng)貿(mào)委、機(jī)電部、能源部及杭州節(jié)能中心等單位推薦杭州西湖閥門(mén)廠生產(chǎn)的“李氏”牌新型自由半浮球式疏水閥，它是八十年代初，在日本“UFO” 飛碟式疏水閥基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新研制、并獲得“中國(guó)專利新技術(shù)新產(chǎn)品博覽會(huì)”金獎(jiǎng)的產(chǎn)品，價(jià)格雖比其他國(guó)產(chǎn)疏水閥貴些，但比進(jìn)口疏水閥價(jià)格便宜，且比同口徑熱動(dòng)力式疏水閥的排量大得多，使用壽命也長(zhǎng)(十年前的疏水閥仍有正常在用的)，泄漏量≤0.1%，背壓率≥85%，雖貴但值，一只長(zhǎng)時(shí)連續(xù)使用的疏水閥，往往半年節(jié)能就能收回投資。
能量浪費(fèi)是分分秒秒在發(fā)生，節(jié)能要靠日積月累來(lái)核算，我們不可忽視小小疏水閥，務(wù)必要做到：合理選型購(gòu)置，正確安裝使用，及時(shí)保養(yǎng)維修，使疏水閥真正做到疏水堵汽之作用。
四、蒸汽換熱的特點(diǎn)
除了民用和煉鋼用煤外，絕大部分的煤是用來(lái)生產(chǎn)蒸汽，蒸汽由于清潔無(wú)毒便于輸送，除了發(fā)電用蒸汽外，絕大部分蒸汽用于加熱物料和換取熱量。
蒸汽熱值由兩部分組成：相態(tài)不變而溫度下降時(shí)放出的熱稱為“顯熱”，相態(tài)變化而溫度不變時(shí)放出的熱稱為“潛熱”。
1公斤水，若溫升1℃，需1千卡熱量，若從20℃溫升至100℃，要80千卡熱量;而1公斤、100℃水全變成為100℃的蒸汽，卻要539千卡熱量，前者80千卡就是顯熱，而后者539千卡卻為潛熱，蒸汽換熱的關(guān)鍵在于潛熱。
(一)介紹一些常用物理參數(shù)(供一般參考使用)：
1)比熱(單位：千卡/公斤.℃)：
①水(20-220℃)≈1-1.1 ②冰≈0.5 ③蒸氣≈0.4-0.45 ④空氣、煙氣≈0.24-0.26 ⑤導(dǎo)熱油(100-320℃)≈0.5-0.7 ⑥氯化鈣鹽水(-20-+20℃、25%濃度)≈0.64-0.69
2)飽和蒸汽對(duì)應(yīng)參數(shù)如下：
表壓 (Mpa) 0 0.2 0.4 0.6 0.9 1.1 2.26 … 22.5
溫度 (℃) 100 133 152 165 180 183 220 … 374
密度(Kg/m3) 0.59 1.65 2.66 3.66 5.14 5.63 11.6 … 322.6
汽 化 熱( Kcal/ Kg) 539 519 505 495 482 480 443 … 501
總 熱 值 Kcal/ Kg) 639 652 657 660 664 665 669 … 0
從上述數(shù)據(jù)可以看出：
a)飽和蒸汽熱值≈汽化熱+溫度×1(水的比熱);
例如： 壓力0.2Mpa、溫度133℃的飽和溫度蒸汽的熱值≈519+133×1=652 Kcal/Kg。
b)蒸汽密度與蒸汽絕對(duì)壓力基本成正比例關(guān)系;
例如：表壓0.4Mpa=絕對(duì)壓力0.5Mpa的蒸汽密度為2.66 Kg/m3，與表壓0.9Mpa=絕對(duì)壓力1.0Mpa的蒸汽密度為5.14 Kg/m3相比，兩者的絕對(duì)壓力比=1.0/0.5=2，正好差一倍;兩者的密度比=5.14/2.66=1.93233，也接近增加1倍。
c)隨著蒸汽壓力增加，蒸汽溫度也增加，但蒸汽總熱值增加不多，增加只是液體水的熱值(1公斤，升1℃，增1千卡)，而汽化熱隨壓力增加反而在減少。
例如：壓力0.2Mpa與0.9Mpa的飽和蒸汽相比，蒸汽總熱值僅增加664-652=12千卡/公斤，而汽化熱反而減少了519-482=37千卡/公斤;
d)當(dāng)飽和蒸汽壓力到2.26Mpa時(shí)，熱值為最高值669 Kcal/Kg(千卡/公斤)此時(shí)如果壓力和溫度再上升，熱值和汽化熱都反而在減少了。當(dāng)飽和蒸汽到了臨界溫度374℃時(shí)，其汽化熱為0，熱值僅501 Kcal/Kg。
3)過(guò)熱蒸汽對(duì)應(yīng)參數(shù)如下：
表壓 (Mpa) 0.4 0.4 0.6 0.6 0.8 0.8 1.2 1.2
溫度 (℃) 200 280 200 280 200 280 200 280
密度(Kg/m3) 2.35 1.98 3.33 2.79 4.34 3.69 6.44 5.29
熱 值 Kcal/ Kg) 683 721 681 717 677 715 674 712
分析上述飽和蒸汽和過(guò)熱蒸汽之參數(shù)，我們得出如下一些結(jié)論：
a)同壓力的過(guò)熱蒸汽，密度隨蒸汽溫度增加而減小(這道理與空氣一樣);
例如：同0.4Mpa蒸汽，其溫度在280℃時(shí)比200℃時(shí)的密度小2.35-1.98=0.37 Kg/m3
b)同溫度過(guò)熱蒸汽，密度隨蒸汽壓力增加而增加，熱值隨壓力增加反而略減一些;
例如：同是280℃的過(guò)熱蒸汽，壓力0.8Mpa蒸汽的熱值反而比壓力0.4Mpa蒸汽的熱值小了721-715=6千卡/公斤。
c)在較高壓力下輸送蒸汽，管道壓力損失就會(huì)少些，這是因?yàn)槠麎捍�，密度�?密度大，蒸汽的質(zhì)量流量就小;也即蒸汽在管內(nèi)流速就小，因?yàn)榱魉俚?次方與管道阻力成正比，故，流速小，壓力損失就小。
d)進(jìn)換熱設(shè)備的蒸汽壓力過(guò)高，會(huì)使蒸汽在高壓高溫下冷凝，使之凝結(jié)水排出溫度過(guò)高，從而降低蒸汽換熱效率，帶來(lái)更多的熱損;
e)過(guò)熱蒸汽熱值≈飽和蒸汽熱值+超過(guò)飽和溫度值×0.44(過(guò)熱蒸汽比熱);
例如：0.4Mpa280℃過(guò)熱蒸汽熱值=657+(280-152)×0.44 =713≈721(Kcal/ Kg)
f)同樣壓力下，過(guò)熱蒸汽熱值比飽和蒸汽熱值高得并不多，增加的熱值約等于溫度增加值×0.44(比熱);
例如：過(guò)熱溫度增加值280-152=128℃，熱值只增加128×0.44=56.32(Kcal/ Kg)g)蒸汽從飽和點(diǎn)汽相轉(zhuǎn)為液相，溫度不變，就能釋放500大卡左右的潛熱;
例如：常壓下1公斤100℃(飽和溫度點(diǎn))的蒸汽，冷凝成為1公斤100℃的水時(shí)，就能釋放出539大卡的熱量。同理，常壓下每汽化1公斤水，需要吸收539大卡的熱量。這都是一種潛熱交換。
然而，1公斤汽冷凝成水，每降1℃,只釋放出1大卡熱量,這是一種顯熱。
同理，1公斤水汽化后再升溫，每升1℃，只吸收不到半大卡的熱量，這也是一種顯熱。這種無(wú)相變的顯熱與汽液相變的潛熱有著本質(zhì)的差別。
h)通常工業(yè)鍋爐產(chǎn)出的是飽和蒸汽，它在一定壓力下都有著嚴(yán)格對(duì)應(yīng)的飽和溫度點(diǎn)，超過(guò)飽和溫度點(diǎn)的蒸汽就成為過(guò)熱蒸汽，所超過(guò)的溫度即為過(guò)熱度。
例如：在同是0.8 Mpa汽壓下，其飽和溫度為175℃，當(dāng)溫度降至174℃，就會(huì)成為液體水;當(dāng)溫度升至176℃時(shí)就成為有1℃過(guò)熱度的過(guò)熱蒸汽。
例如：0.8 Mpa壓力、275℃溫度的蒸汽，就是一種有275-175=100℃過(guò)熱度的過(guò)熱蒸汽(100℃過(guò)熱度所帶來(lái)的顯熱≈100℃×0.4=40千卡/公斤)。
i)蒸汽換熱，主要靠蒸汽冷凝換熱，它是一種從氣相變?yōu)橐合�、具有相變的潛熱換熱，與單純氣相(空氣)或液相(導(dǎo)熱油、熱水等)那種無(wú)相變的顯熱換熱相比，其換熱系數(shù)往往要大十至百余倍，換熱量=換熱系數(shù)×換熱面積×溫差，換熱系數(shù)大，在同樣溫差條件下獲取同樣熱量所需的設(shè)備換熱面積就小;
j)過(guò)熱蒸汽主要用于汽輪機(jī)發(fā)電，供汽輪機(jī)組的蒸汽必須是壓力和過(guò)熱度都很高的絕對(duì)干燥的過(guò)熱蒸汽;
k)由于過(guò)熱蒸汽的傳熱系數(shù)小，傳熱能力差，換熱效率低，因而散熱也就少，故蒸汽留有適當(dāng)?shù)倪^(guò)熱度，能減少蒸汽管道輸汽時(shí)的熱損和凝結(jié)水量。
L)過(guò)熱蒸汽通常不宜作換熱設(shè)備的熱媒使用，進(jìn)換熱設(shè)備的蒸汽還是沒(méi)有過(guò)熱度的飽和蒸汽更有利提高熱效率;
m)潛熱與顯熱的差異，還可從一些日常例子來(lái)驗(yàn)證：
�、偈⑾难谉岬牡孛婊蛉萜魃蠂娏芩�，很快就感到?jīng)隹旎蛉萜鞯玫浇禍�，那是水的蒸發(fā)汽化，吸收了大量潛熱緣故;
②下雪比化雪感到暖和，是因?yàn)樗Y(jié)成冰雪，在釋放潛熱，而化雪時(shí)需要大量吸收潛熱的緣故;
�、劬凭疗つw感到?jīng)鏊彩蔷凭舭l(fā)汽化而吸取潛熱之緣故;
�、鼙狈綒鉁亓阆聨资炔挥X(jué)太冷，而南方氣溫零度或零上就能凍傷手腳;煉鋼爐旁空氣溫度高達(dá)二三百度工人還能工作，而不到一百度的水就能燙傷皮膚，都是因?yàn)楦蔁峄蚋衫渑c濕熱或濕冷的潛熱多少之差異;
n)溫度和熱量不是同一物理量，溫度高并不等同熱量多，熱量要靠流體的流量及傳熱系數(shù)等來(lái)保障，用過(guò)高溫度的過(guò)熱蒸汽來(lái)?yè)Q熱的缺點(diǎn)：
�、龠^(guò)熱蒸汽換熱過(guò)程中，從過(guò)熱溫度降到飽和溫度的降溫梯度很大(有達(dá)百余度)，它的無(wú)相變的顯熱交換階段較長(zhǎng)，而此階段傳熱系數(shù)小，實(shí)際換得熱量并不多，此階段所需要設(shè)備的換熱面積卻較多，從蒸汽中獲得大量熱量還得過(guò)熱蒸汽成為飽和蒸汽后才能釋放的大量潛熱;
�、谶^(guò)熱蒸汽降溫梯度大，換熱設(shè)備表面溫度變化也大，易使各種換熱設(shè)備(搪瓷鍋夾套式、石墨換熱器、列管式和螺旋板式等)因溫差應(yīng)力變化大而引起疲勞損傷、縮短使用壽命(一般搪玻璃反應(yīng)鍋的搪瓷耐冷熱沖擊規(guī)定≤110-120℃);
�、垡蜻^(guò)熱蒸汽換熱能力差，當(dāng)設(shè)備開(kāi)始預(yù)熱階段或加大負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，員工為了盡快滿足熱量的需求，往往大開(kāi)閥門(mén)，但過(guò)熱蒸汽卻來(lái)不及降溫、冷凝釋放潛熱而積聚在疏水閥前，引起疏水閥超溫?fù)p壞而漏氣;
④有時(shí)過(guò)熱蒸汽溫度雖高，但壓力很低，員工把蒸汽減壓閥的旁通閥打開(kāi)。這樣，當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷減小時(shí)易超壓運(yùn)行(還會(huì)危及設(shè)備安全)，使進(jìn)出換熱器的壓力過(guò)高(疏水閥承壓升高，易損壞)，產(chǎn)生的高溫凝結(jié)水被疏水閥排到空間成二次蒸汽(閃蒸汽)排出，而蒸汽在高壓下冷凝比低壓下冷凝所放出的潛熱小;
⑤因過(guò)熱蒸汽換熱系數(shù)小，為了滿足生產(chǎn)不得不增加換熱器面積，那樣話，在低負(fù)荷運(yùn)行或負(fù)荷變動(dòng)時(shí)運(yùn)行又易產(chǎn)生末端換熱片汽水混相，產(chǎn)生水擊和蝕損，這樣也易使疏水閥損壞或產(chǎn)生氣阻而失靈;
�、迵Q熱面積增大，過(guò)多的換熱片串聯(lián)疊加，既增加換熱設(shè)備的投資和安裝費(fèi)用，又增加被加熱的流體阻力，從而使泵或風(fēng)機(jī)的功耗也加大;
⑦如果換熱器重疊過(guò)多過(guò)密集，污垢灰塵日積月累，易引起的阻塞，而污垢的熱阻與保溫材料相近,從而進(jìn)一步降低換熱效率和增加風(fēng)機(jī)等動(dòng)力費(fèi)用;
⑧常用的設(shè)備、
流量計(jì)、溫控閥、疏水閥的使用溫度均約200℃，而過(guò)熱蒸汽往往超過(guò)200℃，容易使這些設(shè)備、閥門(mén)及儀表壽命均縮短;
�、徇^(guò)熱蒸汽溫度高，使整個(gè)設(shè)備和管道系統(tǒng)的保溫費(fèi)用相應(yīng)也增加。
⑩飽和蒸汽是靠釋放冷凝時(shí)的潛熱來(lái)?yè)Q熱，潛熱交換的換熱器并聯(lián)布置，可提高換熱速度，其傳熱系數(shù)大，熱效率也高。同熱量交換，飽和蒸汽所需設(shè)備換熱面積要比過(guò)熱蒸汽小，故綜合費(fèi)用低，又能做到在飽和溫度點(diǎn)恒溫冷凝換熱，避免了換熱部件因溫差大帶來(lái)的隱患。
五、蒸汽系統(tǒng)運(yùn)行的原則
(一) 在系統(tǒng)壓力能承受的前提下，盡可能用高壓力輸送蒸汽
1、在額定工作壓力下的工業(yè)鍋爐通常能保證提供國(guó)家規(guī)定含水量≤5%的飽和蒸汽。人們習(xí)慣鍋爐低壓運(yùn)行，這對(duì)役齡老的陳舊爐子或許不得已而為之。然而，鍋爐出汽口徑是按額定壓力下的產(chǎn)汽量來(lái)設(shè)計(jì)的,在額定供汽量時(shí)的低壓供汽，會(huì)使鍋爐出口的蒸氣流速倍增(蒸汽壓力與密度成正比，壓力低一半，流速約增一倍)，導(dǎo)致過(guò)多的爐水隨汽帶出，汽中含水量過(guò)多，既降低蒸汽品質(zhì)和換熱效率，又易損壞設(shè)備管線(水隨汽高速流動(dòng)，加速磨損)，還有爐水會(huì)污染熱力系統(tǒng)的管道閥門(mén)和換熱部件，這些污垢不但影響換熱傳熱，還會(huì)引起設(shè)備故障，這對(duì)有過(guò)熱器管束的鍋爐，還會(huì)因爐水過(guò)多而堵塞爆管，迫使鍋爐停爐。
同時(shí)，流體阻力與流速的平方成正比，流速高，壓力損失就大,使之下游管道的汽壓更小,甚至難以滿足生產(chǎn),故應(yīng)在額定壓力下盡量用高的壓了輸送蒸汽。
【注】這道理類似用高壓輸送電一樣，高壓送電也能減少電能在電纜上的線損。
2、蒸汽壓力高，密度大，同流量的輸送管徑也小，故管材、保溫及設(shè)施安裝等綜合費(fèi)用也少(詳見(jiàn)蒸汽管道口徑選型圖表2)。
3、蒸汽管徑小，管道表面積也小，相對(duì)來(lái)說(shuō)，管子的散熱損失也少些。
(二) 在滿足生產(chǎn)所需溫度前提下，盡可能使用較低的蒸汽壓力
進(jìn)換熱設(shè)備的汽壓不要盲目“追高”。依據(jù)介質(zhì)所需的溫度，找出滿足生產(chǎn)溫度的飽和蒸汽壓力(飽和蒸汽壓力與溫度均有嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可留些余量)，在較低壓力下使用蒸汽，能使飽和蒸汽在接觸冷介質(zhì)換熱后，迅速冷凝釋放出較多潛熱，并在飽和點(diǎn)溫度下保持恒溫傳熱。這樣傳熱效率高，傳熱量大，疏水閥排水溫度也小，其閃蒸(二次蒸氣)損失少。
但如果是過(guò)熱蒸汽，當(dāng)其減壓后的過(guò)熱度將會(huì)更大，更不利于換熱。
(三) 其他節(jié)能原則
1、如果生產(chǎn)需要大量熱水，要盡可能選用熱水鍋爐，直接產(chǎn)熱水和供熱水;
2、如用蒸汽加熱水，要盡量不用高品位的過(guò)熱蒸汽或高壓力飽和蒸汽，應(yīng)用低壓力飽和蒸汽，或充分利用一些換熱設(shè)備的自然高度差, 使高溫凝結(jié)水自流入熱水槽或軟水箱內(nèi)，減少水泵輸送的電耗。并做好管道、儲(chǔ)槽的保溫，減少貯運(yùn)過(guò)程中熱量損失。如果采用泵輸送凝結(jié)水，要避免多次傳遞或多泵并聯(lián)，各路回水并聯(lián)泵輸入同一根管道，會(huì)造成各泵之間壓差所造成的壓損內(nèi)耗……。
3、利用熱力源的中心位置，合理布置用熱設(shè)備(同類設(shè)備集中布局)，飽和蒸汽溫度、壓力進(jìn)行梯度分級(jí)使用、凝結(jié)水高低落差和兼顧距離遠(yuǎn)近、盡量使能源平穩(wěn)、平衡、少走彎路和良性循環(huán)，達(dá)到綜合利用、物盡其用。
4、通常化工換熱設(shè)備都是以飽和蒸汽為介質(zhì)來(lái)設(shè)計(jì)的。如果用0.6 Mpa 265℃的過(guò)熱蒸汽，也是要降溫到165℃飽和溫度時(shí)才釋放出大量潛熱(495千卡/公斤)，一些企業(yè)簡(jiǎn)單以為蒸汽溫度高，得到的熱量一定多,如果此時(shí)實(shí)際被交換得到的熱量，小于物料所需熱量(能量供需不平衡)，蒸汽溫度再高，也無(wú)濟(jì)于事的(除非蒸汽大進(jìn)大出，不計(jì)能源浪費(fèi))。
5、搪瓷鍋的搪瓷是脆性材料，搪瓷的冷熱沖擊性能指標(biāo)為110-120℃，過(guò)熱蒸汽溫度過(guò)高，在溫度高低突變時(shí)易爆瓷，所以員工在開(kāi)閥門(mén)送蒸汽時(shí)或送冷凍鹽水時(shí)都要緩慢，減少冷熱沖擊帶來(lái)不必要的損失。
6、為了幫助“消化吸收”過(guò)熱蒸汽，把高溫、高壓過(guò)熱蒸汽，通過(guò)減溫減壓裝置，變?yōu)轱柡驼羝M(jìn)入換熱設(shè)備。過(guò)熱蒸汽通過(guò)噴水減溫時(shí)，所增加的蒸汽量約為千分之一的過(guò)熱度。但用于減溫減壓所噴水絕不可短期行為用硬水，否則將給換熱設(shè)備帶來(lái)結(jié)垢的嚴(yán)重隱患，最終影響換熱效率。
7、用蒸汽加熱空氣的多組重疊安裝的空氣換熱器，為了加快蒸汽潛熱交換，多組換熱片的進(jìn)汽端應(yīng)并聯(lián)接入，隨著熱交換的蒸汽冷凝、體積縮小，可逐步減少并聯(lián)換熱器的片數(shù)，在進(jìn)入末端換熱片，可串聯(lián)成單片排出冷凝水，這種并聯(lián)串聯(lián)組合，既能通過(guò)換熱升溫速度，還能充分利用蒸汽熱能，降低冷凝水溫度。
8、當(dāng)生產(chǎn)要求被加熱物料介質(zhì)溫度高于現(xiàn)有蒸汽溫度，有采用蒸汽增壓等辦法來(lái)提高蒸汽溫度，還有使物料在負(fù)壓下蒸發(fā)來(lái)提高汽化熱效率。
9、一些生產(chǎn)線僅白天數(shù)小時(shí)用蒸汽，晚上不用蒸汽，一整夜的冷卻，熱力管道中的蒸汽全凝結(jié)成水，第二天開(kāi)冷車，重新暖管又要耗費(fèi)。這樣蒸汽的損失就遠(yuǎn)不不止10%，所以還要充分安排調(diào)度好生產(chǎn)，避免熱熱冷冷的浪費(fèi)。
10、還有，蒸汽運(yùn)行系統(tǒng)的均衡用汽非常重要，某時(shí)間段大量用汽(加熱水)，會(huì)使汽壓大降，引起其他用汽設(shè)備癱瘓，甚至造成系統(tǒng)的故障和事故……。
上述提高熱能利用率的舉措和原則都得靠人完成，所以人始終是節(jié)能第一要素，我們要從設(shè)備購(gòu)置使用及維護(hù)全過(guò)程、生產(chǎn)投料開(kāi)啟操作全方位來(lái)抓節(jié)能。
六、平衡與匹配
節(jié)能的關(guān)鍵理念和要領(lǐng)就是要做到能源的平衡與匹配，這里包含著能源產(chǎn)銷和供需的平衡與匹配;上下和進(jìn)出流程的平衡與匹配;管網(wǎng)和布局的平衡與匹配，換熱設(shè)備的串聯(lián)并聯(lián)要平衡與匹配……。
換熱系統(tǒng)中，設(shè)備和管道閥門(mén)等都是熱量供需雙方的載體，熱量供需要平衡，系統(tǒng)各載體通道要匹配，任何環(huán)節(jié)的瓶頸或失配，都會(huì)長(zhǎng)期帶來(lái)?yè)p失和浪費(fèi)。
比如管徑選大了，會(huì)帶來(lái)綜合損失(含管材、安裝、保溫和散熱)，管徑大形成冷凝水也增加，這些損失不是隨產(chǎn)量而同步變動(dòng)的變量成本，是一種固定成本，產(chǎn)量越少，占有成本比例越大;
管徑選小了，壓降大，流速快，易產(chǎn)生水錘和沖蝕，同時(shí)卡喉嚨，供汽量不夠，也限制換熱能力。
例如，用DN250的管道輸熱媒給某換熱器，施工中只取2路DN80的支管并聯(lián)接入換熱器，這樣，總管與支管兩個(gè)通道截面積約差2502÷(2×802)=4.9倍!很不匹配。這里不是DN250選大浪費(fèi)了，就是DN80選小阻塞了。
【注】有關(guān)蒸汽管道口徑選型詳見(jiàn)表2。
我們無(wú)論是搞項(xiàng)目，還是抓生產(chǎn)，要因地制宜、集思廣益和講究科學(xué)，要充分整合、挖掘和發(fā)揮各種資源的內(nèi)在潛能。
管道熱量損失表 表1
表面溫度 管 徑(mm)
℃ 15 20 25 32 40 50 65 80 100 150
熱量損失 W/m(瓦/米)=0.86kcal/mh(大卡/米時(shí))
56 54 65 79 103 108 132 155 188 233 324
67 68 82 100 122 136 168 198 236 296 410
78 83 100 122 149 166 203 241 298 360 500
89 99 120 146 179 206 246 289 346 464 601
100 116 140 169 208 234 285 337 400 501 696
111 134 164 198 241 271 334 392 469 598 816
125 159 191 233 285 321 394 464 555 698 969
139 184 224 272 333 373 458 540 622 815 1133
153 210 255 312 382 429 528 623 747 939 1306
167 241 292 367 437 489 690 713 838 1093 1492
180 274 329 408 494 556 676 808 959 1190 1660
194 309 372 461 566 634 758 909 1080 1303 1852
蒸汽管道口徑選型表 蒸汽流量(Kg/h) 表2
壓力
Kg/cm2 流速
m/S 管 徑(mm)
15 20 25 32 40 50 65 80 100 125 150
0.4 15 9 15 25 43 58 85 136 210 362 569 822
25 14 25 41 71 97 150 227 350 603 948 1369
40 23 40 66 113 154 254 363 561 965 1517 2191
0.7 15 10 18 29 51 69 114 163 251 433 651 963
25 17 30 49 85 115 190 271 410 722 1135 1630
40 28 48 78 136 185 304 434 671 1155 1615 2821
1 15 12 21 34 59 81 133 189 292 503 791 1142
25 20 35 57 88 134 221 315 467 830 1319 1804
40 32 66 91 158 215 354 505 779 1342 2110 3046
2 15 18 31 50 86 118 194 277 427 735 1156 1669
25 29 51 83 144 196 323 461 712 1226 1927 2782
40 47 82 133 230 314 517 737 1139 1961 3083 4451
3 15 23 40 65 113 154 254 382 558 982 1512 2183
25 38 67 100 166 256 423 603 931 1603 2520 3839
40 61 107 174 301 410 676 964 1490 2565 4032 5822
4 15 28 60 80 139 190 313 446 888 1186 1864 2891
25 47 83 134 232 316 521 743 1140 1976 3108 4485
40 75 132 215 371 508 833 1189 1836 3162 4970 7176
5 15 34 50 96 165 225 371 529 617 1408 2213 3195
25 58 95 159 276 375 610 882 1362 2347 3685 5325
40 90 157 255 441 601 990 1411 2180 3755 5001 8521
6 15 39 68 111 191 261 430 613 947 1631 2583 3700
25 65 114 164 319 435 716 1022 1578 2715 4271 6167
40 104 182 295 511 696 1146 1635 2525 4346 6634 9857
7 15 44 77 125 217 296 467 895 1073 1846 2904 4194
25 74 129 209 362 493 812 1156 1788 3056 4541 8989
40 110 206 334 579 785 1299 1853 2961 4926 7745 11185
一流能效熱力系統(tǒng)的指標(biāo)應(yīng)該是：鍋爐效率≥80%、保溫及疏水閥完好率≥95%、冷凝水回收率及導(dǎo)熱油爐的煙氣余熱利用率≥80%，再加上專業(yè)的系統(tǒng)維護(hù)和科學(xué)的能源管理。
節(jié)能不僅可降低生產(chǎn)成本，也是企業(yè)最終戰(zhàn)勝競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的強(qiáng)有力武器。所以各行各業(yè)都要圍繞一流能效指標(biāo)去努力，以降低成本能耗來(lái)提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。
業(yè)務(wù)：