蒸汽工程指南 斯派莎克

第1章介绍蒸汽-能量流章节1.1蒸汽和冷凝水系统手册1.1.11.1蒸汽-能量流11第1章介绍蒸汽-能量流章节1.1蒸汽和冷凝水系统手册1.1.2蒸汽-能量流在对蒸汽设备和相应的技术原理进行诠释前，有必要介绍一下蒸汽的众多应用和其带来的好处。蒸汽已经伴随着机车和工业革命走过几个世纪，迄今为止，蒸汽已成为现代技术不可或缺的一部分。如果没有蒸汽，我们现在的食品、纺织、化工、医药、电力、供热等工业就不可能存在，或者说不会像现在这样发展的这么好。蒸汽的使用为能量的输送提供了一种可控制的方法，将能量从集中的、自动化的、高效的锅炉房输送到使用现场。蒸汽从锅炉中产生到用户使用点的输送过程其实就是一种能量传递和供应的过程。由于各种原因，蒸汽是应用最广泛的热量载体之一，它广泛应用于工业系统，例如，发电、空间加热和制程应用中。图1.1.118世纪的蒸汽轮机位于伦敦克佑桥(Kewbridge)蒸汽博物馆的实物照片图1.1.2现代的提供热水的蒸汽热交换机组蒸汽的产生高效而经济地球上水资源相对丰富、价格便宜，并且对健康无害，对环境没有污染。当水汽化变成蒸汽后，它又成为安全、高效的能量载体，蒸汽携带的热量相当于同等质量水所能携带热量的5~6倍。当水在锅炉中被加热，它开始吸收热量，根据锅炉内压力的不同，水会在特定的温度下汽化成蒸汽。这时蒸汽内储存着大量能量，这些能量可以在制程中或空间加热时再释放出来。可以在高压下产生高温的蒸汽，压力越高，蒸汽温度也越高。高温蒸汽内储存的能量更多，它们做功的潜力也更大。现代的锅壳式锅炉设计紧凑，效率高，使用多回程和高效的燃烧技术，可以将燃料中蕴藏的大部分能量传递到水中，只有很少部分排放掉。锅炉燃料可以根据不同的要求来选择，包括可燃废料，这可以使供热的蒸汽锅炉更加符合环境的要求。集中供热的锅炉可以利用低价格的可中断燃气，因为任何合适的备用燃料都可以被储存起来以备燃气中断时使用。高效的热回收系统实际上可以消除排污损耗，将有价值的冷凝水回收到锅炉房可以增加蒸汽和冷凝水系统的总效率。越来越普遍的热电联产系统证明了蒸汽系统对当今环境和节能工业的重要作用。12第1章介绍蒸汽-能量流章节1.1蒸汽和冷凝水系统手册1.1.3图1.1.3蒸汽可以方便地、高效地输送到用汽点蒸汽是应用最广泛的可长距离传递的热量载体之一。由于蒸汽的流动是依靠管道内的压力降，因此省去了昂贵的循环泵系统。由于蒸汽的热容量很高，所以在高压下仅需要很小口径的管道就可以输送大量的热量。如有必要，可以在用汽点再进行减压利用。与其它传热介质相比，蒸汽管道安装简单、价格更便宜。总的来说，由于蒸汽产生、分配和冷凝水回收系统投资少，运行费用低，所以很多用户选择安装新的蒸汽系统而不是选用其它能量载体，如燃气、热水、电力和热油系统等。蒸汽容易控制由于饱和蒸汽的压力和温度有着直接的关系，通过控制饱和蒸汽的压力，就可以很容易地控制加入到过程中的能量。现代蒸汽控制能够非常快地对制程的变化作出反应。图1.1.4中是一个典型的两通控制阀和气动执行器，这是专门为蒸汽系统而设计的。由于使用了定位器，阀门的控制精度大大提高。使用两通阀，而不是像液体系统中经常使用三通阀，可以使安装和控制更加简单，这些都降低了设备使用成本。图1.1.4典型的带定位器的气动二通控制阀13第1章介绍蒸汽-能量流章节1.1蒸汽和冷凝水系统手册1.1.4能量传递方便蒸汽提供了优良的热传递性能。当蒸汽到达设备后通过冷凝过程将热量传递给被加热产品，热传递过程效率非常高。蒸汽可以间接，也可以直接喷射来加热产品，它可以充满整个空间，在恒定的温度下冷凝放热，这就消除了热传递过程中沿换热流程的温度梯度。在高温导热油和热水换热器中这种温度梯度司空见惯，温度梯度的存在会导致诸如被干燥的材料变形之类的质量问题。由于蒸汽热传递性能如此之高，热交换中需要的换热面也就相应较小，这样就使供热设备更为紧凑，安装方便，占地也少。图1.1.2显示的是一个典型的蒸汽加热水从而提供热水的机组，它最大换热功率可以达到3000kW，采用了蒸汽板式换热器和各种控制，占地面积仅有0.7m2，与之相比，管壳式热交换器占地面积是它的2~3倍。现代蒸汽设备管理容易工业能源用户一直在追求能量效率最大化、产品成本和管理费用最小化。京都议定书是推动能量效率提高的外部推动力，而且已经在全球范围内采取了各种措施，例在英国对环境排放进行征税。同样的，在现代的充满竞争的市场里，拥有最低成本是一个很大的竞争优势。通常，产品成本决定了你在市场上生存还是灭亡。提高能量利用效率的方法包括监督和管理相关部门的能量消耗。这可以使管理者了解能源消耗，便于把精力集中到相关管理上以达到预定的目标。各种管理费用可以通过合理的计划、系统的维护等手段降低，使制程效率最大，提高质量并缩短停机时间。大多数蒸汽控制可以借助于现代的网络工具，可以实现集中控制，例如使用数据采集与控制系统或建筑能源管理系统。如果用户愿意，蒸汽系统的部件也可以独立工作。通过适当的维护，蒸汽系统可以使用很多年系统的各环节可以实现自动监测。与其它的系统相比，可以通过疏水阀监测系统来对蒸汽疏水阀进行有计划的管理，如果某个地方有泄漏或者积水，系统会立刻报警引起工程师的注意。与此相比，气体泄漏监测装置耗资巨大,而水系统和油系统的监测需要耗费大量时间和人工。而且，当蒸汽系统需要维护的时候，相关系统可以很方便地进行隔离并很快排除冷凝水，这就意味着蒸汽系统可以快速进行维护。在很多情况下，将一个使用了很久的蒸汽设备更新为最成熟的控制和监测系统所需的成本比选择用其它工业流体如分散的气体系统来代替要低的多，这将在1.2章内详细介绍。现今的技术已与当初工业革命刚开始时有了天壤之别，尤其是蒸汽轮机的材料技术。确实，蒸汽是现代的工业中最好的选择。对任何知名的消费品牌来说，十个里面有九个，蒸汽都在其生产过程中扮演着很重要的角色。图1.1.5现代蒸汽锅炉房图1.1.6部分使用蒸汽生产的产品14第1章介绍蒸汽-能量流章节1.1蒸汽和冷凝水系统手册1.1.5蒸汽应用灵活蒸汽不仅是优良的热量载体，还可以用来杀菌，所以广泛应用在食品、医药、人体健康等工业以及医院的消毒装置上。蒸汽可以应用在大到石化，小到洗衣店。更多的应用包括：造纸、纺织、酿造、食品、橡胶和建筑中的加热和加湿等等。在很多用户那里，可以同时在空间加热和生产制程中使用蒸汽。例如在酿造行业中，不同的生产工艺中都需要用到蒸汽，有直接喷射和盘管加热等不同的应用方式，如图1.1.8所示。图1.1.7用于制药工艺设备的洁净蒸汽管道产品图1.1.8这些酿造工艺都使用蒸汽蒸汽同时是一种非常安全的流体，它不会产生火花，也就不会导致火灾。很多石化工厂采用蒸汽灭火系统，它可以应用在危险区域和爆炸环境中。其它能量分配系统与蒸汽类似的其它热载体包括水和高温热油之类的工业流体，每种介质都有其优点和缺点，都有其最佳的应用场合和温度范围。与蒸汽相比较，水的热容量少，常常需要用泵来使大量水在系统中循环以满足制程或空间加热需求。然而，水在空间加热和低温加工制程（120℃以下）中应用广泛。热媒，例如矿物油，可以应用在那些高温（400℃以下）的情况下，而蒸汽在此时却无法使用。比如有些化学品需要在高温下成批处理。但是热媒很昂贵，而且需要几年就更换，这就决定了它们不适合用于大的系统。同时，它们的管道连接需要使用高质量的接头并小心防范，以防止泄漏。不同流体的比较见表1.1.1，最终选择何种流体取决于技术、可行性和经济因素等，这些每个用户都有所不同。一般来说，用于商业加热和通风以及工业系统中，蒸汽是最可行和最经济的选择。15第1章介绍蒸汽-能量流章节1.1蒸汽和冷凝水系统手册1.1.6表1.1.1不同热媒与蒸汽的比较蒸汽热水高温热油热容量高热容量中等热容量低潜热值近似比热容比热容2100kJ/kg4.19kJ/(kg·℃)1.69-2.93kJ/(kg·℃)便宜便宜需要水处理费用偶尔水处理贵传热系数高传热系数中等传热系数相对较低高温需要高压高温需要高压高温低压不需要循环泵需要循环泵需要循环泵管道小管道大管道更大控制方便控制复杂控制复杂两通阀需要三通阀或差压阀需要三通阀或差压阀温度降低容易通过减压阀实现温度降低困难温度降低困难需要蒸汽疏水阀不需要疏水阀不需要疏水阀冷凝水处理无冷凝水处理无冷凝水处理有闪蒸蒸汽无闪蒸蒸汽无闪蒸蒸汽需要锅炉排污不需要锅炉排污不需要锅炉排污需要水处理以防腐蚀腐蚀少腐蚀忽略管道布置要求合理高流动性流体很高流动性流体通常焊接或法兰连接通常焊接或法兰连接无火灾风险无火灾风险有火灾风险系统非常灵活系统不够灵活系统不灵活蒸汽的好处-总结表1.1.2蒸汽的好处固有的好处系统的好处水资源丰富管道口径小、结构紧凑、质量轻水便宜无需泵、无需平衡阀蒸汽是清洁和纯净的两通阀-便宜蒸汽本质是安全的维护费用少蒸汽热容量高投资少由于蒸汽压力和温度之间相互关联,蒸汽容易控制SCADA兼容产品蒸汽在特定的温度下放热可实现自动化噪声低占地少设备寿命长锅炉燃煤种类灵活、便宜系统灵活，容易扩充环境因素应用锅炉的燃料燃烧充分蒸汽应用广泛：冷凝水管理和热回收冷却器、泵、通风、加湿蒸汽可以计量和管理消毒与CHP相连/废热利用空间加热蒸汽具有环境和经济性意义工业领域16第1章介绍蒸汽-能量流章节1.1蒸汽和冷凝水系统手册1.1.7第1章介绍蒸汽-能量流章节1.1蒸汽和冷凝水系统手册1.1.8第1章介绍蒸汽和组织章节1.2蒸汽和冷凝水系统手册1.2.11.2蒸汽和组织17第1章介绍蒸汽和组织章节1.2蒸汽和冷凝水系统手册1.2.2蒸汽和组织以上所说的种种好处并不是所有的蒸汽用户都关心，根据对事物的不同看法，蒸汽的好处可以再进一步细分，总裁、经理以及操作人员由于职位的不同，对此的感受也不同。他们对于蒸汽所提出的问题也大不相同。总裁作为最高执行者往往关心的是最佳的能量传递方案，以满足战略需求，实现组织的财务目标。如果某公司安装蒸汽系统或是更新已存在的蒸汽系统，就会需要很大的投资，和系统以及系统提供者之间的关系将是长期的。总裁和高级经理可能会提出如下问题：Q.蒸汽系统需要哪些投资呢?蒸汽系统可以通过很小口径的管道传递大量的热量，不需要昂贵的泵及平衡系统，仅需要两通阀。也就是说蒸汽系统比较简单，比起高温热水系统要便宜，蒸汽设备的高效意味着该设备比较紧凑，可以最高程度利用工厂内有限的空间。而且，更新现有的蒸汽系统，安装最新的锅炉和控制系统的费用仅为拆除旧系统和安装新的分散燃气系统费用的50%左右。Q.蒸汽系统的运行和维护成本如何影响间接成本?集中化的锅炉设备非常高效，燃料消耗率也低，锅炉可以以垃圾废料作为燃料，或是进行热电联产。蒸汽设备使用寿命较长，通常需要较少的维护保养就能使用30年或更长的时间。从锅炉房到蒸汽使用设备，这些现代化的蒸汽设备都能实现自动化，大大减少了人工成本。成熟的能量监测系统能够保证设备高效运行，所有的这些因素都会使得蒸汽系统能够维持较低的使用成本。Q.如果安装了蒸汽系统如何充分的利用该系统呢？蒸汽使用广泛，可用于空间加热、复杂的制程和灭菌。以医院作为例子，蒸汽是非常理想的能源，因为蒸汽可以在高压下产生，并可以长距离输送，在使用点减压使用。这意味着一台高压锅炉就能满足整个医院的应用要求：如病房加热、空气加湿、大量食品的烹饪以及灭菌设备，而水系统就很难满足这些需求。Q.将来变化了怎么办呢?蒸汽系统非常灵活，可随公司业务变化进行增减，以满足变化的商业目标。Q.使用蒸汽对公司有什么好处?蒸汽是环保的，由于蒸汽利用燃料效率高，很多公司依然选择蒸汽，现在环保控制越来越严格，以至于很多企业实体都必须在设备安装之前考虑设备的排放处理方式和费用。经理级经理可能会考虑蒸汽能否对管理问题提供解决方案，能否有助于增加业务价值。经理的责任就是主动执行高级执行官分派的任务。经理可能会问：“蒸汽怎样让我成功执行这项任务呢?”。经理注重实效，考虑如何在预算之内完成任务，如果他们相信蒸汽最为方便实用且费用合理，就会选择使用。他们很少考虑蒸汽系统本身的机械结构。也就是说经理只需要最终制成的产品，无需