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1、根除蒸汽热力系统 “余压余热”的产生 提高蒸汽热能的一次利用率-论将高温饱和水及蒸汽凝液的排出温度控制在100以下王国际天津市单飞科技开发有限公司摘要：1、蒸汽热力系统排放环节包括：锅炉的排污水、供汽管网、间接加热设备蒸汽凝液等，上述环节均存在排放高温饱和水及蒸汽凝液造成高显热的流失浪费；2、饱和蒸汽系统传统设计中的补偿措施 “余压余热”的回收利用，掩盖了提高蒸汽热能一次利用率的实质性问题；3、饱和蒸汽系统热能浪费的根源在于“放热理论”的局限性，导致“高温饱和水及蒸汽凝液显热流失浪费”的合理化；排水器件-疏水阀存在功能缺陷造成15-20%的蒸汽热能浪费；4、解决方案：完善“放热理论”，限定饱和
2、水及蒸汽凝液的排出温度稳定地控制在100以下。创新排水器件的设计理念和设计结构；改间歇性排水为连续排水方式；增加排水控温功能、排量调控功能；将排水控温功能和排量调控功能标准纳入排水器件的国家标准关键词：高显热流失浪费； 排水控温100以下；排水器件；放热理论；提高蒸汽热能的一次利用率引言蒸汽加热广泛用于石油、化工、纺织、印染、橡胶、造纸、制药、粮油食品加工、木业加工等行业。有50%以上的工业企业需用蒸汽进行生产加工。蒸汽的使用方式：过热蒸汽以膨胀做功为主，饱和蒸汽多用于过程加热。蒸汽热力系统的运行包括五个环节：1.锅炉（产生蒸汽）、2.输送系统（管网）、3.使用终端（蒸汽使用设备）、4.饱和水
3、、蒸汽凝液的排放回收系统、5.系统保温。一、蒸汽热力系统热能流失浪费的主要问题1.1、系统运行排放环节中热能流失浪费的现状1.1.1锅炉排污工艺存在的问题锅炉中经加热的水在汽化过程中，由于水中盐分不断累积，造成锅炉内部结垢、腐蚀以及影响蒸汽质量，因此需要进行排污操作。锅炉的排污水压力与锅炉运行压力相等且为饱和水，含有高显热，同时含有一定量的蒸汽，造成蒸汽浪费。虽然目前锅炉排污过程中的高温盐水进行了回收利用，但是该过程会直接影响锅炉的产汽效率。1.1.2蒸汽管网以及间接加热设备蒸汽凝液的排放不同的加热工艺蒸汽凝液的形成压力、温度各有不同，不同的工艺过程蒸汽凝液的产生量也不相等。供汽管网中的蒸汽凝
4、液经管网区间设置的排水井排出；间接加热设备中的蒸汽凝液经低位排水管口排出。蒸汽凝液的排放控制方式有三种：（1）通过系统配置的疏水阀来实现，（设计选型-参见SPIRAX蒸汽和冷凝水系统手册第13章）。疏水阀具有自动排水阻汽功能，能将蒸汽凝液自动排出。但是在使用过程中疏水阀普遍存在着有效周期短、失效快、排水时漏汽等久治不愈的“顽疾”。（2）人工定时排放蒸汽凝液。该方式主要用于供汽管网和用汽设备启动时段，此方法造成蒸汽凝液的囤积，增大输送阻力，降低输送效率，排放末期会造成汽水同排问题。（3）将蒸汽凝液直接排放进行回收利用。由于没安装疏水阀，对不同时段产生蒸汽凝液的排出量无法进行有效控制，很难做到只排
5、水、不排汽。当前汽水同排问题加大了蒸汽热能的浪费。综上所述，蒸汽凝液排放环节造成系统“余压余热”的产生，究其根源在于：蒸汽凝液的排放不管采取上述何种方式，由于所排放的水为高温带压蒸汽凝液，排放过程没有控温手段，排出后由于系统与环境之间的压降会立刻产生二次蒸汽。然而上述现象一直被人们习惯性地认为是系统正常运行中必然要产生的“乏汽”。笔者经过多年的实践探索，通过对蒸汽热力系统的积液装置内不同温度纯蒸汽凝液的排量进行大量检测后发现：“以100蒸汽凝液排量为基准，随着水温的增高，蒸汽凝液排量逐渐减少”。该现象直接反映出高于100的蒸汽凝液体积增大，导致蒸汽凝液质量排量减少。造成凝液体积增大除了热膨胀因
6、素之外的另一重要原因是水中裹挟着不同比例的蒸汽（水中的含汽率）。经测算，不同形状用汽设备在形成不同温度蒸汽凝液过程中，单位体积中蒸汽凝液会裹挟1-8左右的蒸汽，会增大1%-5%的水中显热。结论是：“如不能有效控制含汽凝液的排放，则会加大水中显热的流失浪费”。1.2蒸汽加热系统节能在传统设计上的被动补救措施 “余压余热”的回收利用由于世界上现有技术无法彻底解决蒸汽凝液排放环节存在的“余压余热”问题，因此，对排放环节的“余压余热”加以回收利用，成为饱和蒸汽系统的首选节能方案。1.2.1开放式余压余热的回收利用方式用汽系统排水端经疏水阀将带压蒸汽凝液排入集水点，经水泵送至回用点，产生的二次蒸汽对空排
7、放，只回收利用100以下的蒸汽凝液。该方式可以直接看到疏水阀的失效漏汽，便于诊断和维护。1.2.2密闭式余压余热的回收利用方式用汽系统排水端经疏水阀将带压蒸汽凝液排入回收管网，经管网流回末端回用点进行回收利用。该方式因疏水阀出水端与回收管网并联，疏水阀发生失效漏汽难以发现，一旦设备巡查管理不到位会造成蒸汽的直接流失浪费。 1.2.3梯级式余压余热的回收利用方式 将高温饱和水（锅炉排污水）、蒸汽凝液排入扩容降压罐，使其二次汽化，水中高显热转变成二次蒸汽热焓，对其回收利用，减少直接排放造成水中高显热的流失浪费。对高温饱和水、蒸汽凝液可进行逐级降压产生不同级别的二次蒸汽进行回收利用，但末级扩容降压的
8、最低压力仍在0.05Mpa以上，蒸汽凝液的温度高于100，水中显热大于419kj/kg，低于此压力的水中显热很难实现全部回收利用。梯级回收利用需根据不同的回收工艺，设计增设不同类别的回收设备，配装相关的泵、阀及控制系统，连接不同级别的回收管路，还需占用一定的场地空间。高温蒸汽凝液及二次蒸汽在回收过程中因系统阻力及管路、设施的表面散热损失会造成回收热能的二次浪费。回收利用不超过蒸汽热焓20%的饱和水、蒸汽凝液中的高显热及回收疏水阀正常工作时不超过3%的漏汽，所增设的相关设施及日常维护费用，其投入产出比并不理想，因此梯级利用余压余热不能从根本上解决和提高蒸汽热能的一次利用率。二、饱和蒸汽系统热能流
9、失浪费的根源分析2.1、 “放热理论”的不全面性，导致水中高显热流失浪费成为合理化目前公认的饱和蒸汽放热理论的观点主要是:（1）“饱和蒸汽以放汽化潜热为放热计算依据”【1】，该理论的确立理由是为保证系统的放热速度和传热量；（2）“蒸汽凝液中显热不作为放热计算参数”【5】，（参见SPIRAX蒸汽和冷凝水系统手册11.1.3-P872、14.1.3-P1127、14.6-P1187对此问题的描述。）该理论确立理由是因为蒸汽汽化潜热放出后形成的蒸汽凝液会影响换热面积及增加运行阻力，故必须将其迅速排出排尽。因此，蒸汽凝液中显热不作为放热计算参数。但是，笔者对实际情况进行具体解析是：在常压环境下（PG=
10、0MPa），水的相变温度为100。液态水在100时，显热为419kj/kg，继续吸热至完全相变为100的蒸汽，蒸汽的热焓值为2676 kj/kg，这个过程共吸收2257 kj/kg的汽化潜热热量，其逆过程会释放出同等的热量。该蒸汽凝液排放到常压环境过程中，水中显热不会发生变化（因压差导致出现的闪蒸汽另议），不会影响该蒸汽温度下热能的使用效率。因此，使用100的蒸汽采用上述放热理论（即只计入汽化潜热）来计算其热能利用是合理的。当使用高于100的蒸汽时，汽化潜热放出后会形成高温蒸汽凝液。高温蒸汽凝液的压力大于一个大气压、温度高于100、显热值大于419kj/kg。随着高温蒸汽凝液排放到常压环境时，
11、它会立刻降压降温，产生部分二次蒸汽。部分高温蒸汽凝液汽化后，水的高显热值降至419 kj/kg以下，温度降至100以下，显热值大于419 kj/kg的部分转变成二次蒸汽热焓。二次蒸汽的产生及排放显然降低了一次蒸汽热焓的使用效率。上述二次蒸汽产生量及蒸汽热焓的利用率计算方法如下：1、蒸汽热焓利用率=（1-水的显热/蒸汽热焓）100% -（1）2、排放100蒸汽凝液时蒸汽利用率=（1-419/蒸汽总热焓）100% -（2）注：419kj/kg为100蒸汽凝液的显热值3、高温蒸汽凝液的二次汽化质量=高温蒸汽凝液的显热-100蒸汽凝液显热（419kj/kg）/ 100蒸汽的汽化潜热（2257 kj/k
12、g） -（3）通过以上公式计算得出的不同压力蒸汽的参数见下表:蒸汽压力参数0.0MPaG0.1MPaG0.5MPaG1.0MPaG1.5MPaG温度，100120.42158.92184.13201.45凝液显热值，kj/kg419505.6670.9781.6859汽化潜热，kj/kg22572201.120862000.11935.1总焓，kj/kg26762706.72756.92781.72794一次热焓利用率（%）84.3481.3275.6671.969.26排等压蒸汽凝液时的二次气化质量，kg/kg00.040.110.160.19排放100蒸汽凝液时的热焓利用率（%）84.34
13、84.5284.884.9485蒸汽凝液排出温度控制在100，提高的热焓使用率（%）03.29.1413.0415.75目前蒸汽热力系统蒸汽热能的一次利用率通过上表不难看出：排放100的蒸汽凝液一次热焓利用率为84.34%；排放201.45的蒸汽凝液一次热焓利用率为69.26%。由此得出，排放高于100的高温蒸汽凝液直接降低了蒸汽热焓的一次使用效率；若将201.45的蒸汽凝液排出温度控制在100以下时，其一次热焓利用率为85 %，可提高蒸汽热焓的使用效率15.75%。有效提高了蒸汽热能的一次利用率，真正实现系统运行的节能减排。因此，当前实际应用的饱和蒸汽放热理论，即“蒸汽以放汽化潜热为放热计算
14、依据，蒸汽凝液中显热不作为放热计算参数，排放高温蒸汽凝液是正常的、合理的、必须的。”存在理论上的不足。笔者认为：上述理论不适用于高于100的蒸汽放热的设计中。由于上述理论的不完善，导致饱和蒸汽系统排放高温蒸汽凝液中高显热的流失，造成平均8%-15%的浪费。2.2凝液排放系统常用的排水器件-疏水阀的结构缺陷是造成系统产生“余压余热”，导致水中高显热流失浪费的根源之一2.2.1依据“以蒸汽凝液排出排尽为原则”的设计思想 ，导致疏水阀只有自动排水功能，而不具备温度控制功能，造成系统运行“余压余热”的产生。由于上述蒸汽放热理论对排放高温蒸汽凝液的排出温度不做限定，导致各类疏水阀的设计仅仅“以蒸汽凝液排
15、出排尽”为原则【2】【3】【4】，故疏水阀均不带控温功能（其中热静力型疏水阀只是依靠温度控制驱动启闭元件）。高温蒸汽凝液经疏水阀排出后立刻产生二次蒸汽，导致排放系统“余压余热”的产生，造成蒸汽凝液中高显热的平均流失浪费约达8%-15%。2.2.2疏水阀“自动排水阻汽功能”的习惯设计理念，导致疏水阀使用寿命短、失效快、排水时漏汽等问题，进一步加大了排放系统“余压余热”的产生疏水阀“自动排水阻汽功能”需通过启闭元件来实现，由此决定了疏水阀采用间歇排放方式。而启闭元件不管采取何种驱动方式，必需具备相应的运动部件，造成结构复杂。这些部件在结垢、氧化、充斥杂质等恶劣工况下工作，必然导致疏水阀使用寿命短、
16、失效快、排水时漏汽。2.2.3 疏水阀现行质量检测标准规定了漏汽率及使用寿命，但对蒸汽凝液的排出温度未做规定，使疏水阀的功能缺陷合理化。由于我国现行的国家标准对疏水阀漏汽率明确规定了限定值。造成“疏水阀在功能上漏汽是必然”的错误认识。导致正常使用的疏水阀漏汽量只能减少、不能杜绝的现象一直延续至今。对疏水阀使用寿命的检测，由于其所安装使用的工况多变复杂，很难实现标准中所设定的使用寿命。由于现流通使用的疏水阀没有蒸汽凝液排放温度的控制功能，导致疏水阀质量检测标准中未规定蒸汽凝液的排出温度，造成蒸汽凝液排放时的漏汽及排放高温蒸汽凝液以及蒸汽凝液中的裹汽问题，合计会造成15-20%的蒸汽热能浪费。目前
17、，蒸汽热力系统的浪费问题普遍存在节能潜力巨大。仅以天津市为例，根据专家保守测算，天津市间接用汽量约为6230万吨/年，按上述分析节约蒸汽热能浪费的10%15%计算，每年可节约623万吨934.5万吨蒸汽，按锅炉平均运行热效率70%计算、每吨蒸汽（0.6兆帕）需耗用133kg标准煤，则年节标煤82.86万吨124.29万吨，减少二氧化碳排放207.15万吨310.72万吨，以上仅局限于锅炉产汽计算，除锅炉外还有其他余热产汽来源，节煤数还要增加。笔者认为：要解决饱和蒸汽系统的热能浪费，提高蒸汽热能的一次利用率，必须依据完善的“放热理论”。重新设计蒸汽凝液排放器件，废除普遍使用的耗能疏水装置。对疏水
18、阀重新制定国家标准，大力推广应用创新的蒸汽凝液排放器件，彻底根除余压余热的产生，提高蒸汽热能的一次利用率。三、蒸汽热力系统热能流失浪费问题的解决方案 科学合理的利用蒸汽热能，最大限度的使用蒸汽热能，提高蒸汽热能的使用效率，是完善传统蒸汽放热理论的指导思想。3.1、完善“放热理论” 3.1.1根据常压环境（一个大气压力）汽水相变温度，限定高温饱和水、蒸汽凝液的排出温度必须控制在100以下。从理论上解决排放高温饱和水、蒸汽凝液导致水中高显热的流失浪费问题。3.1.2科学合理的利用饱和蒸汽凝液的高显热将高于100蒸汽凝液的显热值（大于419kj/kg的部分）作为蒸汽放热的有效值。将蒸汽凝液排放温度控
19、制在100以下，蒸汽放热按下式计算：蒸汽焓值（kj/kg）-100蒸汽凝液中显热（419kj/kg）-（4）3.2创新蒸汽凝液排放器件的设计思想、设计结构，增加凝液排放控温功能和凝液排量调控功能，实现蒸汽凝液的常压排放。3.2.1蒸汽凝液排放器件的设计要在满足蒸汽凝液不产生过冷度的前提下，将其迅速排出排尽,把蒸汽凝液的排出温度有效控制在100以下，实现常压排放，减少蒸汽凝液中高显热流失浪费。3.2.2蒸汽凝液排放器件的设计结构，要满足不同规格蒸汽凝液排放器件对凝液排量实现有效控制，并采用无运动部件结构，实现“静态”连续排放，取代传统疏水阀多部件“动态”间歇排放方式，提高蒸汽凝液排放器件的使用寿
20、命。3.2.3根据不同用汽工况、蒸汽凝液产生温度及产生量的随机变化特性，将排水控温功能、排量调控功能纳入蒸汽凝液排放装置的设计规范。3.2.4将蒸汽凝液排放器件的排液控温功能、排量调控功能及控制精度等级列入国家质量检测标准。综上分析得出，蒸汽凝液排放器件必须具备排量调控功能，排液控温功能并能将所排出的高温蒸汽凝液温度控制在100以下且为无运动部件的“静态”连续排放，才能根除疏水阀使用寿命短、失效快、排水时漏汽这个久治不愈的顽疾，才能最终实现饱和蒸汽系统的节能减排。结束语笔者经过多年的实践探索，得出以下结论：1、只有将高温饱和水、蒸汽凝液的排出温度控制在100以下，才能有效控制高温饱和水、蒸汽凝
21、液中所挟带蒸汽的流失； 2、只有将高温饱和水、蒸汽凝液的排出温度控制在100以下，才能从根本上解决高温饱和水、蒸汽凝液排放过程中二次闪蒸汽的产生及流失；3、只有将高温饱和水、蒸汽凝液的排出温度控制在100以下，才能根除排放系统余压余热的产生；4、只有将高温蒸汽凝液的排出温度控制在100以下，才能使蒸汽热能的利用率达到极致，真正实现提高蒸汽热能一次利用率的目的。笔者依据上述结论中总结的理论，自2003年开始研发并推向市场的第一代专利技术“多孔径转盘式喷嘴型疏水器” 历经10余年的艰苦努力，又研发出第三代获得发明专利的“蒸汽凝结水常压排放器”、“多孔同排蒸汽凝结水的常压排放器”，均是用于定量蒸汽凝
22、液的排放。“蒸汽凝结水常压排放系统单元”可通过温度、液位、流量等不同控制方式对变量蒸汽凝液进行自动控制排放。 上述各项专利技术的关键在于：根据不同工况蒸汽凝液的产生量进行排量调控，并将高温蒸汽凝液的排出温度控制在100以下实现常压排放，可彻底根除饱和蒸汽系统“余压余热”的产生，真正实现饱和蒸汽系统节能在15%以上，提高蒸汽热能的一次利用率。 参考文献： 1、化工厂公用设施设计手册出版社:化学工业出版社 作者:汪寿建 出版日期:2000-03-012、疏水阀 分类GB12247-893、疏水阀 术语、标志、结构长度GB12250-20054、蒸汽疏水阀 技术条件GB22654-2008 5、SPIRAX蒸汽和冷凝水系统手册联系信息：联系作者：王国际，电话：13902076305，电子邮箱：地址：天津市河西区福建路144号，天津单飞科技开发有限公司邮编：300202 7
