變壓式蒸汽蓄熱器在熱力系統(tǒng)中的節(jié)能效果

上海重型機(jī)器廠有限公司 翟道和 孫洪艷

1 變壓式蒸汽蓄熱器熱力原理

變壓式蒸汽蓄熱器是蓄熱器系列的一種，是上世紀(jì)七十年代發(fā)展起來的新型、高效、儲(chǔ)能—節(jié)能設(shè)備。

所謂變壓式蒸汽蓄熱器就是依靠容器內(nèi)飽和水壓力的升降變化，使容器內(nèi)飽和水焓值相應(yīng)地變化，從而蓄存或釋放熱能（蒸汽）的設(shè)備。也就是說，利用水的液—汽態(tài)轉(zhuǎn)換特性，將蒸汽的熱能儲(chǔ)存于蓄熱器筒體內(nèi)的水中，使之成為具有一定壓力的飽和水，水的焓值提高到與容器內(nèi)壓力相對(duì)應(yīng)的飽和水焓值（蓄熱），蓄熱終止時(shí)，蓄熱器內(nèi)最高壓力即為變壓范圍的上限壓力（P1）這一過程稱之為蓄熱過程；當(dāng)蓄熱器壓力下降時(shí)，飽和水成為過熱水，迅速沸騰而蒸發(fā)，由液態(tài)變?yōu)槠麘B(tài)即為飽和蒸汽，送往用汽單元。此時(shí)，水溫下降、水位下降、水的焓值降低壓力下降，即為變壓范圍的下限壓力（P2），這一過程稱之為放熱過程。

可見，蒸汽蓄熱器是以水為載熱體，間接蓄儲(chǔ)蒸汽的蓄熱裝置。而容器中的水既是蒸汽和水進(jìn)行熱交換的傳熱介質(zhì)，又是蓄存熱能的載熱體。

這是因?yàn)樗男顭崮芰h(yuǎn)比蒸汽為大的緣故。在一定的壓力下，1千克蒸汽的熱焓雖比同一壓力同一重量的水大，但是水的重度比蒸汽卻大得多，所以單位容積水的熱容量比蒸汽要大得多。

為便于對(duì)比說明，茲將絕對(duì)壓力為0.49MPa時(shí)干飽和蒸汽和水的熱力計(jì)算列成表1。

根據(jù)水的物理特性可知，飽和水的焓隨著壓力的提高而減少，因此在充熱和放熱的壓差相等的條件下，水的蓄熱能力隨放熱壓力的提高而降低。

表1 熱力計(jì)算結(jié)果

蒸汽蓄熱器的蓄熱量和充熱、放熱的壓差成正比。在相同壓差下，蓄熱量隨著放熱壓力的提高而降低。即放熱壓力越低，單位蓄熱量越大。

圖1表示了充熱壓力、放熱壓力、蒸汽發(fā)生量三者之間的關(guān)系。

圖1 充熱壓力、放熱壓力、蒸汽發(fā)生量關(guān)系圖

可以看到，充熱壓力越高、放熱壓力越低、單位容積所產(chǎn)生的蒸汽量就越大。設(shè)定充熱和放熱壓力，通過圖1就可以獲得單位容積蓄熱器所能產(chǎn)生的蒸汽量，從而可知所需蓄熱器的容積。

由于變壓式蒸汽蓄熱器特別適用于蓄—放 蒸汽量較小、汽量變化頻繁的場合，比較接近工礦企業(yè)用汽量的變化規(guī)律和統(tǒng)計(jì)規(guī)律。因此，變壓式臥式蒸汽蓄熱器（見圖2）使用得尤為廣泛。

盡管這種蓄熱器占地面積較大，但由于其具有蒸發(fā)面積大、高度低、安裝檢修方便等突出的優(yōu)點(diǎn)，一般只要場地面積允許，通常都盡可能采用臥式蓄熱器。

圖2 變壓式蒸汽蓄熱器（臥式）

2 變壓式蒸汽蓄熱器的選擇

2.1 用汽負(fù)荷工況

上海重型機(jī)器廠真空脫氣裝置用蒸汽噴射泵抽真空是一個(gè)周期性間斷峰谷用汽的工藝過程（如圖3示）。

圖3 用汽負(fù)荷變化曲線

從圖中可以看到真空裝置用汽負(fù)荷極不均衡，峰谷波動(dòng)很大，迫使供汽鍋爐的負(fù)荷也處于峰谷波動(dòng)。由于鍋爐的蓄熱量有限，供汽壓力總是隨著用汽峰谷的波動(dòng)而時(shí)降時(shí)升，導(dǎo)致鍋爐的燃燒工況很難穩(wěn)定，特別是燃料不能完全、充分燃燒，鍋爐運(yùn)行效率下降，且直接影響真空工藝產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量。

因此，在熱力系統(tǒng)中設(shè)置變壓式蒸汽蓄熱器可以發(fā)揮變壓式蒸汽蓄熱器消除供汽鍋爐負(fù)荷的峰谷波動(dòng)，穩(wěn)定鍋爐燃燒工況、穩(wěn)定供汽壓力、提高鍋爐運(yùn)行效率的技術(shù)優(yōu)勢，達(dá)到節(jié)能的效果。

2.2 熱力系統(tǒng)簡述

我廠蒸汽站現(xiàn)有燃煤蒸汽鍋爐5臺(tái)，其中4臺(tái)10t/h，1臺(tái)20t/h，總裝機(jī)容量為60t/h。鍋爐設(shè)計(jì)壓力2.5MPa，目前工作壓力為1.6～1.8 MPa，工作溫度為204.3～209.8℃。蒸汽站熱力系統(tǒng):5臺(tái)鍋爐的蒸汽管分別接入高壓分汽缸；由高壓分汽缸分5路對(duì)外供汽：A1及A2管Φ219×7送往新真空泵及老真空泵，B管Φ219×7接至第二高壓分汽缸（再分四路對(duì)外供蒸汽），C管Φ89×4.5送往CO2站；自用蒸汽管Φ57×3.5。

高壓蒸汽蓄熱器投運(yùn)前的鍋爐運(yùn)行情況：40t/h容量處于開爐狀態(tài)，20t/h容量處于備用狀態(tài)。2007年耗煙煤量10596t，2008年耗煙煤13948t。

前述，我廠真空脫氣裝置采用蒸汽噴射泵抽真空，這是周期性間斷高峰用汽。目前供汽壓力＞1.2MPa，平均用汽量12～15t/h，瞬間負(fù)荷變動(dòng)很大，達(dá)2～38.4t/h，這是造成鍋爐運(yùn)行效率低的主要根源，因此采用蒸汽蓄熱器平衡熱力系統(tǒng)的負(fù)荷波動(dòng)是有效的節(jié)能措施。

2.3 確定蒸汽蓄熱器參數(shù)

蒸汽蓄熱器具有均衡波動(dòng)負(fù)荷，減少鍋爐運(yùn)行臺(tái)數(shù)的作用和功能。根據(jù)我廠熱力系統(tǒng)運(yùn)行狀況，決定采用變壓式蒸汽蓄熱器串聯(lián)于高壓分汽缸與真空泵之間，即鍋爐高壓蒸汽通過蓄熱器供應(yīng)真空泵，達(dá)到目前減少鍋爐開爐容量、停運(yùn)一臺(tái)鍋爐、也就是以30t/h容量運(yùn)行、保證鍋爐燃燒工況和供汽負(fù)荷穩(wěn)定的目的。當(dāng)真空泵用汽量小時(shí)，將鍋爐產(chǎn)生的多余的蒸汽儲(chǔ)存于蒸汽蓄熱器中；當(dāng)蒸汽噴射真空泵高峰用汽時(shí)，蓄熱器進(jìn)行放熱，補(bǔ)充鍋爐供汽不足。

蒸汽蓄熱器參數(shù)的確定：

1）蓄熱器充熱壓力和放熱壓力

蓄熱器充熱壓力P1:

鍋爐設(shè)計(jì)壓力2.5MPa。目前鍋爐運(yùn)行壓力為1.6～1.8 MPa。為了提高蓄熱器熱力效果，蓄熱器的充熱壓力P1定為2.2 MPa。

蓄熱器放熱壓力P2：

蒸汽噴射泵設(shè)計(jì)用汽壓力為0.9～1.2 MPa，蓄熱器放熱壓力P2定為1.2 MPa。

因此，蓄熱器工作壓力為2.2 MPa～1.2 MPa。

2）單位水容積蓄熱容量

根據(jù)充熱壓力P1為2.2 MPa和放熱壓力P2為1.2 MPa，確定單位水容積的蓄熱容量g0為50kg汽/m3水。

3）蓄熱器的蓄熱容量

裝設(shè)蓄熱器后，目標(biāo)停運(yùn)一臺(tái)10t/h鍋爐。蒸汽噴射真空泵的每個(gè)操作周期用汽時(shí)間為20～30分鐘，并考慮二臺(tái)真空泵同時(shí)用汽的高峰負(fù)荷，蓄熱器的蓄熱容量G0=12000kg。

4）蓄熱器容積

150m3，二臺(tái)。

5）熱態(tài)運(yùn)行模式

二臺(tái)150m3蒸汽蓄熱器并聯(lián)運(yùn)行。

6）蒸汽蓄熱器熱力系統(tǒng)

根據(jù)我廠蒸汽站目前供汽熱力系統(tǒng)運(yùn)行狀況，采用將二臺(tái)蒸汽蓄熱器并聯(lián)運(yùn)行后設(shè)計(jì)的熱力系統(tǒng)。

3 蒸汽蓄熱器節(jié)能效果分析和節(jié)能量核算

3.1 節(jié)能效果預(yù)期分析

1）根據(jù)2008年8月工鍋所的對(duì)我廠五臺(tái)鍋爐熱效率測定報(bào)告：1993年安裝的上海四方鍋爐廠三臺(tái)10t/h鍋爐和2006年安裝的10t/h和20t/h鍋爐各一臺(tái)的測定，平均熱效率為～81.33%，前后二者熱效率差3.68%。停運(yùn)一臺(tái)10 t/h鍋爐后，可全部采用高效率鍋爐運(yùn)行。

2）鍋爐散熱損失q5：1.7%，停運(yùn)一臺(tái)鍋爐后，可減少～1.7%散熱損失。

3）理論和經(jīng)驗(yàn)表明，鍋爐在額定負(fù)荷穩(wěn)定燃燒時(shí)效率最高，在超負(fù)荷和低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)熱效率均要降低，在波動(dòng)負(fù)荷運(yùn)行時(shí)熱效率一般降低～5%。

4）蒸汽噴射真空泵用汽急驟變化，用汽閥門打開，瞬間即達(dá)最大用汽量；汽閥關(guān)閉，用汽為零。鍋爐燃燒工況來不及同步調(diào)整，造成目前大量向空排放，浪費(fèi)蒸汽。

綜合上述分析，節(jié)煤量10%在技術(shù)上是可期的。

3.2 竣工后節(jié)能量核算

兩臺(tái)150m3高壓蒸汽蓄熱器2010年6月竣工，調(diào)試后投入試運(yùn)行。直至目前，運(yùn)行基本正?？煽俊Ｍ瑫r(shí)也積累了一些對(duì)節(jié)能量核算有一定價(jià)值的數(shù)據(jù)資料。

1）從運(yùn)行工況來看，蒸汽蓄熱器投運(yùn)后，基本改變了真空脫氣用蒸汽峰谷波動(dòng)變化極大的狀態(tài)。無論是蒸汽流量還是蒸汽壓力都從原來的峰谷巨變趨于平衡（如圖4示）?？梢姴捎谜羝顭崞髌胶庳?fù)荷波動(dòng)是有效的節(jié)能措施。

圖4 蓄熱器運(yùn)行工況曲線圖

2）蒸汽鍋爐生產(chǎn)的蒸汽約60%～70%用于真空脫氣裝置。

高壓蒸汽蓄熱器投運(yùn)前，由于缺少調(diào)控手段，鍋爐機(jī)組開機(jī)、停機(jī)頻繁，不利于節(jié)能。高壓蒸汽蓄熱器投運(yùn)后，鍋爐機(jī)組頻繁地開爐、停爐、悶爐的作業(yè)狀況得到了根本的改善。可見鍋爐機(jī)組平穩(wěn)運(yùn)行同樣有利于節(jié)能。

2010年11月上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院熱工實(shí)驗(yàn)檢測中心對(duì)蒸汽蓄熱器節(jié)能項(xiàng)目進(jìn)行節(jié)能量審核。

高壓蒸汽蓄熱器所產(chǎn)生蒸汽主要供煉鋼真空工藝使用。所以節(jié)能量計(jì)算以上重廠高壓蒸汽蓄熱器安裝前、后兩年同期兩個(gè)月的脫氣鋼產(chǎn)量與脫氣噸鋼煤耗量的數(shù)值為依據(jù)進(jìn)行計(jì)算。

計(jì)算公式為：

節(jié)能量=（改造前噸鋼脫氣煤耗-改造后噸鋼脫氣煤耗）×改造前鋼產(chǎn)量

噸鋼脫氣煤耗量=（煤耗量÷脫氣鋼產(chǎn)量）×折標(biāo)數(shù)

改造前、后節(jié)能量計(jì)算結(jié)果列成表2。

改造前的真空脫氣鋼產(chǎn)量為71393t/a。

節(jié) 能 量 =（0.11625tce/t-0.09095tce/t）×71393t/a=1806.24tce/a

通過對(duì)蒸汽蓄熱器投運(yùn)前后的節(jié)能預(yù)期分析和節(jié)能核算，可以看到：節(jié)能預(yù)期是科學(xué)的，節(jié)能審核是實(shí)事求是的。

表2 改造前、后各二個(gè)月的耗能計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)論

在熱力系統(tǒng)中設(shè)置蒸汽蓄熱器，可以消除供汽鍋爐負(fù)荷的較大波動(dòng)，穩(wěn)定供汽壓力，提高鍋爐的運(yùn)行熱效率，使鍋爐連續(xù)地按滿負(fù)荷或某一穩(wěn)定的負(fù)荷運(yùn)行。即當(dāng)外界用汽負(fù)荷低，鍋爐供汽有多余時(shí)，就將熱能儲(chǔ)蓄于蓄熱裝置；在發(fā)生高峰負(fù)荷鍋爐供汽不足時(shí)，蓄熱裝置就釋放出所蓄熱能以補(bǔ)不足。這樣就使鍋爐負(fù)荷不必跟隨用汽負(fù)荷的波動(dòng)而變動(dòng)，在穩(wěn)定的燃燒工況下達(dá)到較佳的運(yùn)行熱效率。

可見在熱力系統(tǒng)中采用蓄熱器節(jié)能是一項(xiàng)值得推廣的實(shí)用技術(shù)，且具有很強(qiáng)的復(fù)制性。投資回收期也不長，約1.38年。