闪蒸蒸汽

闪蒸蒸汽章节14.6 14.6.1 第14章 冷凝水回收 蒸汽和冷凝水系统手册 14.67 闪蒸蒸汽 1011 闪蒸蒸汽章节14.6 14.6.2 第14章 冷凝水回收 蒸汽和冷凝水系统手册 图14.6.1 冷凝水中的过剩生热量闪蒸成蒸汽 蒸汽压力恒定为 7 bar g 球阀 7 bar g饱和蒸汽 排空气阀 冷凝水压力为 7 bar g hf = 721 kJ/kg 冷凝水压力为 0 bar g hf = 419 kJ/kg 0 bar g下多余的热量 = 721 - 419 kJ/kg = 302 kJ/kg 闪蒸蒸汽 关于闪蒸蒸汽已经在2.2节中讨论过了，关于闪蒸蒸汽的主要应用在13.3节中也已经阐述。本节将会 对前面一些章节进行简单地回顾，讨论闪蒸蒸汽是如何形成的，如何有效利用闪蒸蒸汽以进一步提高蒸汽 设备的使用效率。 什么是闪蒸蒸汽？为何要使用闪蒸蒸汽? 例如，当锅炉压力降低后，一部分水就会闪蒸成蒸汽，和靠锅炉燃料热量产生的直接蒸汽混在一起， 由于两种蒸汽都在锅炉内产生，因此很难区分它们。仅当在闪蒸发生在压力较低的时候，如在疏水阀的排 放侧才会广泛使用闪蒸蒸汽的称呼。不幸的是，这样经常会得出闪蒸蒸汽和直接蒸汽相比在一定程度上价 值要低这一错误的论断。 回收闪蒸蒸汽非常重要，和回收冷凝水一样，不仅是有经济性而且有环境意义。 有多少可用的闪蒸蒸汽? 如果想利用闪蒸蒸汽，应知道有多少闪蒸蒸汽能够利用，通过计算可以得出，也可以查图表。 例14.6.1 - 考虑图14.6.1所示的夹套加热槽 当热的冷凝水压力降低后，就会释放出闪蒸蒸汽。如果压力低到一定程度，即使在20的环境温度 下，水也能够沸腾。值得注意的是，170的水只要低于6.9 bar g就会沸腾。释放出的闪蒸蒸汽和锅炉产 生的蒸汽一样有用。 在效率最大化的系统中，闪蒸蒸汽和冷凝水分离以补足低压加热应用，多利用1kg闪蒸蒸汽，就会少 用1kg锅炉来的蒸汽，否则闪蒸蒸汽就会排到大气当中白白浪费。 饱和的冷凝水进入疏水阀，其压力为7 bar g，温度为170，该压力下冷凝水的热量为721 kJ/kg。经 过疏水阀排放到压力为0 bar g的冷凝水回收管中，该压力下冷凝水的热量为419kJ/kg，最高温度为100，有 302kJ/kg的多余热量，从而使得一些冷凝水闪蒸成了蒸汽，闪蒸蒸汽的量按下式计算： 在0 bar g 下，饱和水产生1kg的蒸汽需要2257 kJ的热量，302 kJ能产生的蒸汽量为： 在该例中，闪蒸蒸汽的比例为13.4%。 如果在7 bar g下，设备使用的蒸汽量为250kg/h，则在0 bar g下释放出的闪蒸蒸汽量为 0.134 x 250 kg/h = 33.5 kg/h 闪蒸蒸汽 也可以通过图14.6.2，直接读出低压下的闪蒸蒸汽量。 上面的例子我们可以通过查图14.6.2，得出7 bar g压力下每kg冷凝水可产生0.134kg的闪蒸蒸汽。 302 kJ 2257 kJ 0.134 kg 蒸汽/1kg冷凝水 1012 闪蒸蒸汽章节14.6 14.6.3 第14章 冷凝水回收 蒸汽和冷凝水系统手册 每千克冷凝水产生的二次蒸汽量 (kg) 疏水阀前压力 (bar g) 图14.6.2 闪蒸蒸汽曲线图 过冷冷凝水 如果蒸汽疏水阀是热静力式疏水阀，则排放冷凝水的温度低于饱和温度，冷凝水中的热量将会减少， 产生的闪蒸蒸汽数量也会减少。 如果例14.6.1中，排放的冷凝水温度低于饱和温度15，冷凝水中可利用的热量就会减少。 7 bar g压力下饱和冷凝水的温度 = 170 过冷度 = 15 7 bar g压力下过冷的冷凝水温度 = 155 从蒸汽表中： 155冷凝水中的热量 = 654 kJ/kg 0 bar g压力下饱和冷凝水所能携带的热量 = 419 kJ/kg 0 bar g冷凝水中多余的热量 = 235 kJ/kg 0 bar g压力下沦化潜热 = 2257 kJ/kg 二次蒸汽的比例 = 235 kJ/kg 2257 kJ/kg 冷凝水中二次蒸汽的比例 = 0.104 (10.4%) 例14.6.2假定冷凝水的排放温度有15的过冷度，其压力为7 bar g。 因为在该例中排放的冷凝水温度由于比饱和温度低，所以闪蒸蒸汽的比例也从13.4%降到了10.4%。 1013 闪蒸蒸汽章节14.6 14.6.4 第14章 冷凝水回收 蒸汽和冷凝水系统手册 闪蒸压力提高 如果回收管和1 bar g的闪蒸罐相连，由蒸汽表可以看出疏水阀后冷凝水的热量最大为505 kJ/kg，1 bar g下的蒸发焓为2201 kJ/kg，1 bar g下闪蒸蒸汽的比例可以这样计算： 7 bar g压力下冷凝水中的热量 = 721 kJ/kg 1 bar g压力下冷凝水所能携带的最大热量 = 505 kJ/kg 1 bar g压力下冷凝水中多余的热量 = 216 kJ/kg 1 bar g压力下汽化潜热 = 2201 kJ/kg 二次蒸汽的比例 = 216 kJ/kg 2201 kJ/kg 冷凝水中二次蒸汽的比例 = 0.098 (9.8%) 本例中，如果设备使用的蒸汽量为250kg/h ，压力为7 bar g，则1 bar g下闪蒸蒸汽量为0.098 x 250 kg/h = 24.5kg/h。 所以闪蒸蒸汽的数量由疏水阀的形式，疏水阀前的压力和疏水阀后的冷凝水压力决定。 闪蒸罐 冷凝水和闪蒸蒸汽进入闪蒸罐后，冷凝水在重力作用下进入罐底部，通过浮球式疏水阀排出到一开式 集水槽内，而闪蒸蒸汽通过闪蒸罐上部的管道输送到低压蒸汽设备。 闪蒸罐用于从冷凝水中分离闪蒸蒸汽，图14.6.3为典型的闪蒸罐结构，符合欧洲压力设备指令97/23/EC。 例14.6.3假定例14.6.1排放的冷凝水进入到压力为1 bar g闪蒸罐里面。 图14.6.3 根据欧洲标准设计闪蒸罐 冷凝水出口 冷凝水 闪蒸蒸汽 1014 闪蒸蒸汽章节14.6 14.6.5 第14章 冷凝水回收 蒸汽和冷凝水系统手册 闪蒸罐的选型 要确定闪蒸罐的尺寸，需要知道： 疏水阀前的蒸汽压力； 进入闪蒸罐的冷凝水流量； 罐内的闪蒸蒸汽压力。 利用这些信息查选型图14.6.4即可确定闪蒸罐的尺寸，例14.6.4就使用该图来确定闪蒸罐尺寸。 疏水阀前的压力为12 bar g，冷凝水量为2500 kg/h，闪蒸蒸汽的压力为1 bar g 方法: 1. 由疏水阀前的压力12 bar g作水平线和1 bar g的闪蒸蒸汽曲线相交于A点。 2. 由A点做垂线和2500kg/h的流量曲线相交于B点，并沿该曲线找到C点； 3. 由C点作水平线和1 bar g的闪蒸蒸汽线相交于D点； 4. 由D点向上确定闪蒸罐的大小。 该例选择FV8闪蒸罐。 图14.6.4 闪蒸罐选型图 冷凝水式排污水量 (kg/h)疏水阀前压力 (bar g) 闪蒸蒸汽压力(bar g) 闪蒸罐尺寸 举例 FV18 FV15 FV12 FV8 FV6 二次蒸汽压力 (bar g) 例14.6.4根据如下条件确定闪蒸罐的大小。 1015 闪蒸蒸汽章节14.6 14.6.6 第14章 冷凝水回收 蒸汽和冷凝水系统手册 使用闪蒸蒸汽的条件 要想充分利用闪蒸蒸汽，必须要满足： 持续的冷凝水供应，且冷凝水的压力较高，以保证有足够的闪蒸蒸汽。 疏水阀和设备必须能够适应闪蒸蒸汽的背压。 如果想回收温控设备的冷凝水产生的闪蒸蒸汽，应该特别注意，当温控设备的负荷较低时，控制阀的 开度较小，蒸汽空间内的压力也较低，如果压力低到闪蒸蒸汽的压力时，闪蒸蒸汽就不会产生，因此 像这种情况，回收闪蒸蒸汽是否有价值就是一个问题了。 另一个很重要的因素是要有使用低压闪蒸蒸汽的用汽设备，用汽量大于或等于产生的蒸汽量，如果闪蒸 蒸汽不够可以用直接蒸汽来补足；如果闪蒸蒸汽的量超过了需求，则闪蒸蒸汽系统的压力就会上升， 就不得不通过溢流阀直接排空浪费掉。 当然也可利用闪蒸蒸汽来进行空间加热，但只能用于需要加热的季节。当不需要加热时，回收系统就 没有什么用了。如果可能，最好的布置是把制程冷凝水产生的闪蒸蒸汽补给制程需要，例如闪蒸蒸汽 用于制程预热，这样供给与需求更为同步。 在实际应用中，使用闪蒸蒸汽的设备需要尽可能地接近高压冷凝水源。因为闪蒸蒸汽的压力较低需要 较大的管道以降低流速、减少压降，这就意味着如果用汽点较远，安装管道成本就会很高。 闪蒸蒸汽压力的控制 另一个需要考虑的就是闪蒸蒸汽压力的控制方法。 有些情况下，闪蒸蒸汽会自己维持在某一压力水平上，无需进行控制。当供需保持同步时，尤其是低 压蒸汽用于同一台产生高压冷凝水的设备上，仅需要把闪蒸蒸汽输送回到用汽设备上。 来自于高压加热组的冷凝水进入闪蒸罐，产生的低压闪蒸蒸汽用于预热进入加热组的冷空气，预热组的换 热表面和相对较低的空气温度使得闪蒸蒸汽能够顺利放热并冷凝。 图14.6.5 空气加热器组的闪蒸蒸汽回收 温度控制阀 高压蒸汽供给 闪蒸蒸汽 空气 闪蒸罐旁通 低压 冷凝水 闪蒸罐 高压疏 水阀 由于工作温度的原因，闪蒸蒸汽可能会在较低的压力下冷凝，甚至会低于大气压，如果现场条件允许， 蒸汽疏水阀应尽可能低于预热器，以保证疏水阀前的排水管有足够的压头推动冷凝水排出疏水阀；如果不允 许，可使用疏水泵阀排除预热器和闪蒸罐中的冷凝水。 如图14.6.5所示，该设备为多组空气加热器，向制程供应高温空气，该设备即可使用回收的闪蒸蒸汽， 1016 闪蒸蒸汽章节14.6 14.6.7 第14章 冷凝水回收 蒸汽和冷凝水系统手册 蒸汽在预热器中冷凝后可能会低于大气压，这就需要在使用闪蒸蒸汽的预热器上安装破真空器，防止 换热器中的压力低于大气压，帮助冷凝水流向疏水阀，疏水阀在重力作用下进行排水。 能满足负荷需求可以通过减压阀补充维持。 闪蒸蒸汽的典型应用 闪蒸蒸汽供需同步 有时候产生的闪蒸蒸汽供一个加热器使用则太多，供两个加热器使用又不够。这种情况下，闪蒸蒸汽 供两个加热器一起使用比较好，否则就会浪费掉一部分闪蒸蒸汽，由于两个加热器共同使用相对有限的闪 蒸蒸汽，压力会下降很多，甚至会低于大气压力，为解决这个问题可以通过直接蒸汽减压来补足。 另一个供需同步的例子就是使用容积式换热器，在底部冷水进口处安装有二次盘管。一次盘管疏 水阀后的冷凝水和闪蒸蒸汽直接进入二级盘管，在这里由于疏水阀后压降而产生的闪蒸蒸汽放出热量 图14.6.6 闪蒸蒸汽产生与需求 高压 蒸汽 高压加热器 减压阀组 低压 低压 高压 闪蒸罐旁路 闪蒸罐 疏水阀组 低压 图14.6.7 容积式换热器安装二级盘管利用闪蒸蒸汽 蒸汽 一级盘管 二级盘管 回水入口 低温冷凝水 热水出口 一级盘管疏水阀组 如图14.6.6的应用中，闪蒸蒸汽维持在一个比较稳定的压力下，靠减压阀补足蒸汽，如果闪蒸蒸汽不 这可以最大限度地利用闪蒸蒸汽，如图14.6.5空气加热组就是这样一个系统。其它的空间加热装置如 辐射板或加热单元也有类似的应用。图14.6.6显示的为一系列的加热器，其中90%使用高压蒸汽，冷凝水 收集到闪蒸罐，进而回收闪蒸蒸汽，供给剩下的10%使用低压蒸汽的加热器。该系统由于有10%的加热器 使用低压蒸汽所以整个系统的热量输出略有减少，但影响并不大，因为一般换热器都有高于正常负荷的输 出余量。 后冷凝。图14.6.7为一典型布置。 1017 闪蒸蒸汽章节14.6 14.6.8 第14章 冷凝水回收 蒸汽和冷凝水系统手册 闪蒸蒸汽的供需不同步 加热器，在冬季，只要加热负荷所需蒸汽量超过了产生的蒸汽就能全部利用闪蒸蒸汽。而在夏季并不需要加 热，即使在春秋两季，由于热负荷较低也不能全部用完产生的闪蒸蒸汽，所以说这种布置不是很理想。 有时候，过剩的闪蒸蒸汽不得不排放到大气中去，所以安装一个溢流阀更为合适，可频繁开关， 而安全阀却不能。只要比设定压力高一点溢流阀就会打开，当加热负荷降低后系统的闪蒸蒸汽压力就 多余的闪蒸蒸汽。 虽然有溢流阀但我们仍然需要安装安全阀，以防止溢流阀失效。安全阀的设定压力在溢流阀的设定压 力和系统的设计压力之间。通常把安全阀安装在闪蒸罐上。 接排放到集水箱里，在这里闪蒸蒸汽排至大气。 回收锅炉排污水的热量 量，节约成本相当可观。 锅炉排污水中包含有很多的热量，可容易地通过闪蒸蒸汽回收，流经排污水控制阀后，压力较低的排 续排污水热量会被回收。 热器（又称闪蒸蒸汽冷凝器），在这里闪蒸蒸汽冷凝成温度更低的冷凝水，管壳式换热器二次侧和加热器 串联，这样可以保证进入到换热器的二次侧水提前预热，可节省直接蒸汽。 闪蒸蒸汽冷凝器内的冷凝水压力可能会低于大气压，此时需要机械泵把冷凝水提升到较高的回收管 内。动力蒸汽的乏汽排至闪蒸蒸汽冷凝器内冷凝成冷凝水，实际上泵送冷凝水的动力蒸汽 又 全部回收。 安装机械泵时必须考虑有一定的泵压头，且不小于满负荷时经过闪蒸蒸汽冷凝器的压降，一般最少需 要600mm。 图14.6.8 换热器和闪蒸蒸汽冷凝器机组 二次侧流体出口 加热器 蒸汽 温度控制 疏水阀二次侧流体通路 管壳式换热器 （二次蒸汽冷凝器） 集水罐 * 平衡管 动力 蒸汽 冷凝水回收 泵 排汽阀 * 注水压头 600 mm 图14.6.8是另一个典型应用，一个普通的汽水加热器产生的冷凝水通过疏水阀排到较小的管壳式换 如图14.6.9的布置闪蒸蒸汽的供需并不总是同步，夹套锅冷凝水和管道疏水释放的闪蒸蒸汽供给空间 上升，使得图中的减压阀关闭，压力进一步上升，上升0.150.2 bar，溢流阀就会打开释放出 有时候，在夏天更可能通过手动旁通阀把闪蒸蒸汽排走（图14.6.9未示出），冷凝水连同闪蒸蒸汽直 为控制锅炉炉水的TDS（总可溶固形物）需进行连续的锅炉排污，可以回收连续锅炉排污水中的热 污水流向闪蒸罐，闪蒸蒸汽在此处和锅炉排污水分离，可用于加热锅炉给水（见图14.6.10）。 闪蒸罐排出的冷凝水经过板式换热器，在排放掉之前最大限度的回收热量，这样大约80%的锅炉连 1018 闪蒸蒸汽章节14.6 14.6.9 第14章 冷凝水回收 蒸汽和冷凝水系统手册 图14.6.9 闪蒸蒸汽的产生和需求不同步 中压蒸汽 减压阀 溢流阀 闪蒸蒸汽 闪蒸罐 冷凝水 冷凝水 冷凝水 冷凝水 冷凝水 蒸汽 低压蒸汽 图14.6.10 典型的锅炉排污水余热回收系统 冷水 补水箱 蒸汽直接 喷射 闪蒸罐 浮球疏水阀 换热器 排放 给水泵 排污阀 锅炉 蒸汽 冷凝水 锅炉给水箱 液位控制 1019 闪蒸蒸汽章节14.6 14.6.10 第14章 冷凝水回收 蒸汽和冷凝水系统手册 冷凝水喷射 最后，我们要考虑这些情况：低压时不可避免地会产生闪蒸蒸汽，但又无处利用。这时候我们可以如 图14.6.11那样进行处理，而不是把闪蒸蒸汽浪费掉。 当冷凝水集水箱的排空管不能通到外面时，这种布置很有用，如果闪蒸蒸汽排放到车间内会有危险或污 染环境，在集水箱的排空管上安装重量很轻的不锈钢装置，足够的冷水在此喷射以冷凝闪蒸蒸汽，冷水的流 量通过自作用温控进行控制，尽可能使得排出的闪蒸蒸汽最少，6kg的冷水大概能冷凝1kg的闪蒸蒸汽。 如果冷水和锅炉给水的质量相同，那么冷凝闪蒸蒸汽后的热水流回集水箱被重新利用，这样每年也会 节约很多成本。 若冷水质量不适合回收利用，则喷射管可以按照图中虚线所示进行安装，冷水和闪蒸蒸汽冷凝水向下 排放掉。 图14.6.11 喷射冷凝闪蒸蒸汽 排放至大气 冷凝水 泵出的冷凝水 离心泵 集水罐 带U型封的溢流管 冷凝水排放 自作用 温度控制 冷水入口 可选的布置 1020 闪蒸蒸汽章节14.6 14.6.11 第14章 冷凝水回收 蒸汽和冷凝水系统手册 1: c 2: c, 3: a, 4: b, 5: b, 6: d Answers Questions 1. What is the difference between live steam and flash steam? a| Live steam is made from water, flash steam is made from condensate b| Live steam is always hotter than flash steam c| Live steam is made by adding heat to water, flash steam is made from heat already contained in water d| Live steam is always at a higher pressure than flash steam 2. What percentage of flash steam is made from condensate at 10 bar g passing into a flash vessel at 0.5 bar g? a| 12% b| 13% c| 14% d| 5% 3. What is the effect on the production of flash steam from sub-satura