（工程热物理专业论文）蒸汽冷凝水回收系统热经济性研究.pdf

、 塑垩查兰堡主堂垡堡塞 鍪盗堡塑查旦些墨堕垫丝堡丝! ! 生 繁4 0 t 2 3 摘要 ( ，蒸汽冷凝水回收是节能的项重要措施，广泛应用于各行各业矿本文在分析 研究了蒸汽冷凝水回收系统的各种形式和设备之后，针对印染企业的蒸汽冷凝水 回收系统进行了热经济性分析。 首先对印染企业的冷凝水回收进行调查研究，提出了两种蒸汽冷凝水回收方 案，对两种回收系统进行了管路水力和热力计算，确定了系统各点的热力学参数 用传统的技术经济分析方法，对热泵式蒸汽冷凝水回收系统、喷射泵式蒸汽冷凝 水回收系统进行了技术经济比较，得到喷射泵式蒸汽冷凝水回收系统较为适合。 然后在研究了各种热经济学模式之后，选用会计学热经济模式对喷射泵式蒸 汽冷凝水回收系统进行了热经济性分析。( 基于热经济学是将热力学和经济学相结 合的学科，能量的定价是两者结合的关键，以炯分析使得系统从“质”和“量” 两方面将能量的使用价值与经济价值相吻合，更好地反映了系统的热经济性。所 以首先从热力学即用媚分析方法研究了喷射泵式回收系统的热力学不完善程度。 然后在此基础上，以烟定价通过建立会计学热经济数学模型，计算得到了回收系 统的热经济学角度的“薄弱环节”和系统的改进方向。 本文的研究结果，对于蒸汽冷凝水回收系统的可行性、系统设计和优化具有 重要的指导意义。 【关键词】 热经济学炯分析会计学模式。冷凝水回收节能 塑垩查兰堡圭兰堡垒壅鲞塑堡塑查旦些墨茎垫丝堕丝! ! 型 a b s t r a c t t h es t e a i nc o n d e n s e d w a t e r r e c o v e r y ( s c w r ) i s a n i m p o r t a n t m e a s u r eo ft h ee n e r g yc o n s e r v a t i o na n di sa p p l i e dt ok i n d so f i n d u s t r i e s b a s e do nt h ea n a l y s i so f t h ef o r m sa n df a c i l i t i e so ft h es c w r s y s t e m ，t h e s t a t u so fs c w rw a si n v e s t i g a t e di nt h ei n d u s t r yo fp r i n t i n ga n dd y e i n g t w op r o j e c t so fs c w r s y s t e mw e r eb r o u g h tf o r w a r da n dt h e t h e r m a l e c o n o m i c so ft h es c w r s y s t e m w a ss t u d i e d i nt h i sp a p e r , a tf i r s t ，t h eb e n e f i t so fe n e r g yc o n s e r v a t i o n ，t h ef i x e d n u m b e ro fi n v e s t e d - r e c l a i m e d y e a r a n dt h er a t eo fr e c l a i m i n gw e r e c a l c u l a t e dw i t ht h ec o n v e n t i o n a lm e t h o d - - - t h et e c h - e c o n o m ym e a n sf o r t h et w os c w r p r o j e c t sw h i c h w e r eh e a tp u m pm o d e ls c w r s y s t e ma n d j e tp u m pm o d e ls c w rs y s t e m b yt h ec o m p a r eo f t w op r o j e c t s ，i tw a s c o n s i d e r e dt h a tt h e j e tp u m p m o d e ls c w r s y s t e mw a s b e t t e r s e c o n d l y , a f t e rc a l c u l a t i n gt h ep i p e l i n ew a t e rp o w e r a n ds y s t e mh e a t p o w e r o f t h es c w r s y s t e m ，t h et h e r m a le c o n o m i c n a t u r eo f t h e j e tp u m p m o d e ls c w r s y s t e mw a ss t u d i e d i tc o n s i d e r se n e r g yw i t hn o to n l yi t s q u a n t i t y ”b u ta l s oi t s q u a l i t y ”a sw e l l t h et h e r m a le c o n o m i c si st h e s u b j e c tt h a tt h et h e r m o d y n a m i c si sa s s o c i a t e dw i t ht h ee c o n o m i c s ，s ot h e p r i c eo fe n e r g y i st h ek e yo ft h ea s s o c i a t i o n t h ee x e r g ya n a l y s i sa n dt h e p r i c eo fe x e r g ya r eb a s e do nt h et h e r m a le c o n o m i ca n a l y s i s a f t e rt h e e x e r g ya n a l y s i so ft h ej e tp u m pm o d e ls c w rs y s t e m ，t h ea c c o u n t i n g t h e r m a le c o n o m i c sw a su s e dt op e r f o r mt h es y s t e m sa n a l y s i s a t l a s t ，t h e l i 塑垩查兰堡主堂垡堕奎 整整堡堂查壁堕墨竺垫丝堕丝! 堕 “w e a k n e s st a c h e ”i nt h es y s t e mw a sr e c e i v e da n dt h ei m p r o v e m e n to f s y s t e m w a s p u tf o r w a r d f i n a l l yt h er e s u l t sa n d m e t h o d so f c a l c u l a t i n gf o rt h es c w rs y s t e m w a sg i v e na st h er e f e r e n c e so ft h ef e a s i b i l i t y 、t h e d e s i g n a n dt h e o p t i m i z a t i o no f t h es c w r s y s t e m k e y w o r d s t h e r m a le c o n o m i c s a c c o u n t i n g m o d e l e n e r g y c o n s e r v a t i o n i l l e x e r g ya n a l y s i s c o n d e n s e dw a t e r r e c o v e r y 浙江大学硕士学位论文 蒸汽冷凝水回收系统热经济性研究 第一章概 述 第一节蒸汽冷凝水回收的意义 能源是人类生存和发展的重要物质基础。每一种能源的发现、发展和利用， 都伴随着生产技术的重大变革，引发社会生产的发展，把国民经济在原有的基础 上推向更高的发展阶段。 能源为国民经济发展提供动力，为人民生活提供必需品。因此，能源的人 均占有量、能源的构成、能源的使用率往往作为衡量一个国家的现代化发展程度。 随着社会的发展和工业的进步，能源危机己成为全世界急待解决、关系人类生死 存亡的大问题。据专家估计，如果不改变目前的能源消耗结构和速度，不开发新 能源，在距今2 0 0 3 0 0 年后，世界上的全部能源将消耗殆尽。因此，开发新能 源和有效节能已成为全球性能源问题研究的核心。 能量系统中存在三种重要的环节，即能量的转换与输送环节、能量的利用 环节和能量的回收环节，这三个环节是密切联系，相互影响的。其中，能量的利 用环节是最重要的，它决定了所需能量的情况，主要跟工艺过程有关：能量转换 与输送环节也相当重要，它把原始的能量形式( 如燃料) 转换成工艺上可使用的 能量( 如蒸汽) ，并且输送至所需之处；而能量的回收环节则主要是考虑到节能 及环保因素，随着能源的紧张，能源回收变得越来越重要。 蒸汽作为一种能源在各行各业中被广泛应用，如发电、石油、化工、印染、 造纸、轻纺、酿造、橡胶、制陶等工业领域中。蒸汽多用作热源，而实际上被使 用的仅仅是蒸汽的潜热，蒸汽的显热冷凝水所具有的热量几乎全部被丢弃。 这是因为要提高蒸汽使用设备的生产效率，即加热效率，就必须尽快把传热效率 低的冷凝水从蒸汽中排出去。然而，蒸汽作功后的冷凝水仍具有很多热量，利用 好这部分热量可收到很大的节能效益。 蒸汽在各用汽设备中放出汽化潜热后，变为近乎同温同压下的饱和冷凝水， 由于蒸汽的使用压力大于大气压力，所以冷凝水所具有的热量可达蒸汽全热量的 2 0 3 0 ，且压力、温度越高，冷凝水具有的热量就越多，占蒸汽总热量的比例 也就越大，这一点我们可从蒸汽表中看出，如图l 一1 所示。如果能够1 0 0 的回 收冷凝水的热量，并加以有效利用，则锅炉所需要的燃料可节约2 0 3 0 。 浙江大学硕士学位论文 蒸汽冷凝水回收系统热经济性研究 压力( n 1 1 v f p a ) 图1 1 冷凝水的热量比例 冷凝水的回收，就是对蒸汽冷凝水的热量和水量进行回收再利用，其效益可 归纳为以下几点： 1 节约锅炉燃料。如上所述。 2 节约工业用水。冷凝水般可以直接作为锅炉补给水用，这样可以大幅 度降低工业用水。经处理后的水仍可有效利用。 3 节约锅炉给水处理费用。由于冷凝水可直接用于锅炉给水，因此可节约 这部分水的软化处理费用。 4 因燃料燃烧量的减少可减轻大气污染，热量的回收可减少锅炉的燃料耗 量，也就减少了烟尘和二氧化硫的排放量。同时，消除了因排放冷凝水而产生的 热气，改善了工作环境。 5 提高锅炉实际热效率。由于冷凝水的利用，使锅炉给水温度上升，节省 燃料，使锅炉实际热效率提高，充分发挥了锅炉的潜力。 从上所述可以看出，冷凝水回收的节能潜力是巨大的。若每小时回收1 吨冷 凝水，相当于一年节约标准煤3 0 吨。如果全国供热系统中，间接加热的冷凝水 回收率由5 4 提高到8 0 ，则一小时可多回收冷凝水6 6 4 万吨，折合标准煤约 2 0 0 万吨，若每吨标准煤按1 3 0 元计算，全国可节约2 亿6 千万元。另外还可节 约水处理费用，还有一定的环保效益和社会效益。针对冷凝水回收的巨大效益， 国内外的研究部门做了大量工作，对于回收过程中的技术问题进行了研究开发， 并取得了一定的成果。在推广应用中，取得了较好的节能效果。 塑望查堂堡主兰垡堡苎整壅堡塑查旦坚至竺垫丝塑丝堕塑一 第二节蒸汽冷凝水回收的现状及发展 近年来，随着节能工作的深入开展，各地对蒸汽冷凝水的回收有所重视， 但与供热系统中的锅炉及水处理相比，仍是较为薄弱的环节。 一般的讲，冷凝水回收系统回收蒸汽系统排出的高温冷凝水，可最大限度地 利用冷凝水的热量，节约用水，节约燃料。冷凝水回收系统大致可分为开式回收 系统和闭式回收系统。 开式回收系统是把冷凝水回收到锅炉的给水罐中，在冷凝水的回收和利用过 程中，回收管路的一端是向大气敞开的，通常是冷凝水的集水箱敞开于大气。当 冷凝水的压力较低时，靠自压不能达到在利用场所时，可利用泵对冷凝水进行压 送。这种系统的优点是设备简单，操作方便，初始投资小；但是系统所得的经济 效益差，且由于冷凝水直接与大气接触，冷凝水中的溶氧浓度提高，易产生设备 腐蚀。这种系统适用于小型蒸汽供应系统，冷凝水量较小，二次蒸汽量较少的系 统。该系统被采用时，应尽量减少冒汽量，从而减少热污染和工质、能量损失。 闭式回收系统是冷凝水集水箱以及所有管路都处于恒定的正压下，系统是封 闭的。系统中冷凝水所具有的能量大部分通过一定的回收设备直接回收到锅炉 里，冷凝水的回收温度仅丧失在管网降温部分，由于封闭，水质有保证，减少了 回收进锅炉的水处理费用。其优点是冷凝水回收的经济效益好，设备的工作寿命 长，但是系统的初始投资大，操作不方便。 在开式和闭式回收系统中，人们越来越认为闭式回收系统是一种较为理想的 回收方式，所以，被广大厂家和研究单位采用和研究。 在我国冷凝水回收技术的发展较晚，尤其闭式回收系统，在2 0 世纪8 0 年代 后期，能源问题紧迫之后才开始。本文所讨论的蒸汽冷凝水回收系统( 如无特别 说明) 为闭式回收系统，下面是几种常用的闭式冷凝水回收模式： 1 在原有开式回收系统上的技改 典型的有扩容换热回收法和密闭水箱回收法。 扩容换热回收法的技术特点是尽可能利用冷凝水的排放热量，一方面通过扩 容闪蒸，产生低压蒸汽送给低压蒸汽用户，不足部分用新鲜蒸汽补充。另一方面 塑婆查兰堡主堂垡堕塞垄垒堡鳖查旦堕墨竺垫丝堕丝! ! ! i 一 通过热交换器换热，利用高温冷凝水的温度加热锅炉上水。高温冷凝水也可作为 锅炉补充水。缺点是设备布置复杂，闪蒸依然存在，热能利用率低。 密闭水箱回收法其特点是：用汽设备不安装疏水器，冷凝水连水带汽进入 密闭水箱而形成带压的汽水两相饱和状态。锅炉上水泵和水箱均设在地下，且 水箱高出泵4 5 m 左右，利用闪蒸汽压和水箱与泵的位差将冷凝水泵入锅炉。缺 点主要有：一是用汽设备不安装疏水器，漏汽损失较大。二是当冷凝水温度较高 时，为防止泵汽蚀还要加入一定的新鲜蒸汽给水箱加压，且泵抽完水后水箱中的 残余蒸汽要排放，热能利用率相应降低。三是为保证疏水畅通，水箱以及给水泵 需地下设置，建筑施工量大，另外还要增加一套排水系统。 2 利用现有设备的技改 废汽回收压缩机属这类，其将活塞式空气压缩机进行技术改造，用于回收连 水带汽的冷凝水。特点是用汽设备不安装疏水器，活塞式压缩机将连水带汽的冷 凝水全部输入锅炉。同样存在设备热能利用率低的问题，且受压缩机容量限制， 仅适合小流量、用汽设备压力比较均等的冷凝水回收。 3 引进国外先进节能设备 以高温冷凝水回收装置为主体的密闭式冷凝水回收技术是在引进国外同类 设备基础上消化吸收而研制开发的。高温冷凝水经回收装置直接泵入锅炉。特点 是利用喷射泵增压原理来防止离心泵在泵送高温饱和水时的汽蚀问题。喷射泵压 送法是冷凝水回收技术的一个发展前沿，它是利用喷射增压原理来防止离心泵在 泵送高温饱和水时的汽蚀问题。它是靠喷射器的增压对泵的进e l 强制加压，流入 的冷凝水，一部分从泵喷出，送到喷射器进行经常性的循环，保证泵的入口压力； 另一部分经压力调整阀后被泵连续压送。使用这种泵的回收系统，冷凝水回收管 直接接在回收系统中，不需要冷凝水箱。可以连续回收冷凝水，不同压力的冷凝 水可以用不同管道来回收。冷凝水在饱和压力下泵入锅炉，热能利用率较高。存 在的问题是：当用汽设备用汽压力高时，集水罐排汽损失较大；喷射泵和离 心泵结合，仅考虑了离心泵的防汽蚀问题，而喷射泵本身的汽蚀并没有解决。因 此，装置设计效率和输送冷凝水的温度相对较低，耗电量较大。 在冷凝水回收技术中，目前还有其他的一些技术，如无疏水阀的热泵式冷凝 水回收装置，它是采用蒸汽喷射式热泵，将冷凝水的闪蒸汽升压，回收利用。在 塑翌奎兰堡主兰垡丝苎 鲞壅堡塑查里坚墨堑垫丝鲨丝塑茎 回收汽水的同时将冷凝水的温度降低，解决泵的汽蚀问题。还有，设有自动调压 装置及汽蚀消除装置等设施的冷凝水回收器，带自增压环的蒸汽回收压缩机等。 第三节蒸汽冷凝水回收的热经济性研究 随着冷凝水回收装置的普及应用，发现单纯的装置使用并不能达到完善的节 能效果。而是要根据冷凝水参数，回收的现场条件等影响因素提出较为合理有效 的冷凝水回收系统，从而达到系统节能的目的，并且要考虑经济性。即，在考虑 了系统本身的技术性，如不同的冷凝水温度，压力，流量，采用何种冷凝水回收 方式，利用何种回收装置能达到更好的效果，回收管网中是否会出现水击现象， 泵在采用的回收系统中是否能避免汽蚀问题，能否是节能效率最佳等，还要考虑 系统的经济性，采用的回收系统的投入和回收效益是否成比例，以怎样的比例为 佳等经济技术比较。 热经济学分析正是这种能兼而考虑技术与经济两方面因素，提供技术经济决 策的依据的新技术和新方法。 热经济学又叫炯经济学”1 ，是一种把热力学分析与经济因素统一考虑的交叉 学科。它是在炯分析的基础上发展起来的，又为炯方法进一步实用化开辟一条新 途径。一般说来，对一个工程系统的技术方案的最终决策，除了技术上优越，还 必须是经济上合理，佣分析可以给出技术上最优化的方案，提供技术决策的参考， 而热经济学分析却能兼而考虑技术与经济两方面的因素进行优化，提供技术经济 决策的依据。 热经济学的基本思路是把要分析的系统放到两个环境中去进行考察：一个是 物理环境，描述这个环境的参量为热力学的物理量，如温度、压力等；另一个环 境则是经济环境，描述这个环境的参量是一系列的经济信息，如价格、成本和利 润等。 热经济学发展的历史不长，它是以炯分析为基础发展起来的。5 0 年代南斯 浙江大学硕士学位论文 蒸汽冷凝水回收系统热经济性研究 拉夫的r a n t 提出了e x e r g i e 的术语统一了炯的名称，奠定了分析能量系统的炯 分析基础。5 0 年代末在美国诞生了热经济学，直到6 0 年代中期才初步形成了体 系。发生在7 0 年代初的席卷全球的“能源危机”，使能源变成举世瞩目的问题， 热经济学与炯分析一道，从单纯的学术探讨跨进t i 程应用的领域，并随着人们 的节能意识的增长而得到长足发展。 在8 0 年代，热经济学传入我国，伴随着我国科学春天的来临在我国生根发 芽。当前的主要问题是如何尽快地从学术探讨推广到工程应用中，使学术研究地 成果尽快地转化为生产力。热经济学还在发展中，各种新的模式和研究目标不断 出现，综合国内外的研究现状，以下几方面的问题尚需进行深入的研究和探索。 ( 1 ) 关于能量定价的问题。这是热经济学的核心问题，首先是以能定价还 是以炯定价的问题。一直以来是以能定价，随着热力学第二定律和炯分析理论的 产生和发展，人们开始认识到能量不仅有数量之分，而且有质量差别，热力学第 一定律所表述的是能量在数量上的守恒与转换，不能表明能量的实际利用价值。 自然界中存在的能量中，只有炯是高品位能量，它是可百分之百转换为功的有效 能，是能质与能量完全统一的高级能。以炯定价更好的反映了能量利用的实质。 ( 2 ) 关于热经济学优化的问题。随着热经济学的发展出现了若干不同模式 的优化，如代数模式、微分模式、热经济学孤立化模式、结构系数模式及矩阵模 式，各自有自己的优点，但也不同程度地存在一些欠缺与问题。 ( 3 ) 关于热经济学系统优化综合的问题。这是刚发展起来的新领域，目前 只在换热器网络及蒸发器网络方面有了一些较成熟的方法，然而就整个能量系统 的优化综合，尚无一种规范的方法。 ( 4 ) 关于热经济学边界条件的问题。这是炯的价格化和热经济学优化的必 要条件。通常在代数模式的炯优化中，总会出现方程组不能封闭或矩阵模式中矩 阵不能满秩的问题，这就需要建立补充方程，因而需要边界条件，以边界条件来 建立补充方程。这些条件都不是任选的而与生产过程及其目的产品密切相关。 当然还有一些其它的问题。近年来，国内外对热电站、制氧系统、化工系统 的炯分析与优化取得了一些研究成果，但对于蒸汽冷凝水的回收系统尚未有这方 面的研究。 本文针对蒸汽冷凝水回收系统进行分析研究，在炯分析的基础上，对整个回 收系统进行热经济性分析和研究，利用热经济学手段和方法，期望获得蒸汽冷凝 塑垩查兰堡主兰堡堡壅蔓垒堡堂查塑坚塑丝堕丝! ! 壅一 水回收系统的“薄弱环节”和改进方向。这一研究工作具有实际工程意义和一定 的学术价值。 第四节本文的研究任务和目的 本文在分析和研究蒸汽冷凝水回收系统的回收方法和发展现状的基础上， 对于典型蒸汽冷凝水回收系统进行了热经济性的分析和研究，涉及冷凝水回收系 统、炯分析理论、热经济学、工程热力学、流体力学、工程经济学等多个领域。 首先，对于国内印染企业的冷凝水回收现状，通过对绍兴印染厂的调研， 提出两种冷凝水回收方案，并通过传统的经济技术比较，分析两种方案的优劣和 投资方案的可行性。 然后，研究了热经济学中目前在国内外对于系统热经济性分析应用较为广 泛的几种热经济学分析模式之后，对于典型蒸汽冷凝水回收系统，选用会计热经 济学模式分析和研究回收系统的热经济性。会计热经济学模式是在系统炯分析的 基础上，对系统进行分析研究的，所以在研究系统的热经济性之前，运用系统的 煳分析理论，研究典型回收系统的热力学特性，并得出从热力学角度出发的回收 系统的“薄弱环节”以及改进方向。 最后，在系统炯分析的基础上，分析典型回收系统的热经济性，并得出热 经济学角度的系统的“薄弱环节”，并与炯分析方法得到的“薄弱环节”相比较， 提出从热经济角度出发的改进系统的方向。 浙江大学硕士学位论文 蒸汽冷凝水回收系统热经济性研究 第二章蒸汽冷凝水回收系统的选择和计算 第一节冷凝水回收方法和系统 一冷凝水回收方法 所谓冷凝水的回收，就是对冷凝水的热量和水进行回收再利用。回收蒸汽系 统排出的高温冷凝水，可最大限度地利用冷凝水的热量，节约用水，节约燃料。 冷凝水的利用方法因厂家不同而多种多样。在原理上，冷凝水的回收利用方法可 分为三种：直接利用：间接利用：闪蒸蒸汽的利用。 直接利用，即将冷凝水直接供给锅炉，或先输入给水罐再进行利用。直接利 用冷凝水时必须预先对冷凝水的水质进行分析，保证锅炉给水水质符合规定，不 然要进行净化处理。然后要考虑有没有能有效充分利用的冷凝水热量。 间接利用是化工厂和印染厂常用的方法，它是利用热交换器把冷凝水所具有 的热量用于锅炉给水和其它流体的加热。采用热交换器回收热量，冷凝水温度和 被加热介质的温差越大，回收热量就越多。除冷凝水被污染时采用间接利用外， 当冷凝水产生处距最终使用场所较远时，可设置间接回收冷凝水热量的工程。 闪蒸蒸汽的利用是充分利用冷凝水在低压的地方再蒸发生成的闪蒸蒸汽。闪 蒸蒸汽的产生量，不仅与冷凝水量有关，还与闪蒸后压力差有很大关系。在闪蒸 蒸汽利用时，事先要充分核算回收效益和实施费用，再考虑有效的回收方法。闪 蒸蒸汽一般的利用方法是作为低压蒸汽管的补充：不能作为低压蒸汽利用时，也 可把闪蒸蒸汽直接回收到给水罐内作为锅炉给水利用，或者采用气压冷凝器向闪 蒸蒸汽喷射冷水，作为热水使用。这些方法，对于蒸汽使用工厂并不都适用的， 这需要掌握工厂的整体蒸汽使用情况和设备配置及热的收支情况。要在研究冷凝 水回收的效益和实施费用的基础上，采用效果最大且最经济的实施方法。 二- 两种回收系统特点 前面对于回收方法进行了分析，而如何完成冷凝水的回收，则是由回收系统 来完成的，不同的回收系统有其不同的特点。对于开式回收系统，它一般是把冷 凝水回收到锅炉的给水罐，在冷凝水的回收和利用过程中，回收管路的一端是向 浙江大学硕士学位论文 蒸汽冷凝水回收系统热经济性研究 大气敞开的：当冷凝水压力较低，靠自压不能到达再利用场所时，可先把冷凝水 收集到开式水罐中，再用泵压送。这类系统，多数情况下仅设置回收管即可实施 回收，因此，施工费比较少。但因其一部分回收管路向大气敞开，能回收的冷凝 水温度从理论上讲最高仅为1 0 0 。c 。而实际上，由于通过泵压送，一般冷凝水温 度仅在8 0 c 左右，因此回收所得经济效益较差，而且由于冷凝水与大气接触， 冷凝水中的溶氧浓度提高，易产生设备腐蚀。这种系统适用于小型蒸汽供应系统， 冷凝水量较小，二次蒸汽量较少的系统。 闭式回收系统则是将高温冷凝水所拥有的热量大部分通过一定的回收设备 直接回收到锅炉里，其冷凝水的回收温度仅丧失在管网降温部分，当回收半径为 2 0 0 m 时，理想温降仅为i o c 左右，因此回收温度可达1 0 0 。c 以上，且其系统为 封闭的，水质可以保证，减少了回收进锅炉的水处理费用。其节能率达2 0 以上， 因此经济效益和节能效果俱佳。 三回收装置的发展 回收系统中，回收装置是保证回收系统完成其作用的关键设备。随着对回收 系统要求的提高，回收装置也在不断地开发和改进。早期的冷凝水回收，是通过 蒸汽疏水阀的自压回收阀实施回收的。这种方法无须特别的回收装置，仅靠蒸汽 疏水阀的蒸汽压力对冷凝水进行回收，方法简单，成本低。但其仅靠蒸汽压力回 收冷凝水，回收距离受到限制。这种方法目前广泛应用于开式系统，系统关键的 问题是蒸汽疏水阀的适当选择。考虑到蒸汽自压有时不能达到回收所要的压力， 则出现了一种靠来自外部气体的操作压力间断地压送冷凝水的泵式疏水阀压送 系统。但因其回收方式的运行费用高，而不被使用。 由于疏水阀本身的限制和冷凝水回收现场的多样性，冷凝水回收装置的开发 成为了可能。首先为了满足冷凝水输送距离和水量的需要，考虑在回收系统中采 用泵送冷凝水方式，由于冷凝水多为饱和水，考虑到泵的汽蚀余量等因素，所以 回收系统多采用开式，这样泵不容易发生汽蚀现象，但是，冷凝水温度会降低很 多，热能损失较大，而且由于是开式，冷凝水中混有空气，而对管道和设备产生 腐蚀作用。 为了在较高温度回收冷凝水，把冷凝水直接压送到具有一定压力的锅炉系统 中，减少热能损失，系统考虑采用闭式系统，但是泵的汽蚀问题成为一个较为严 浙江大学硕士学位论文 蒸汽冷凝水回收系统热经济性研究 重的问题。为了保证泵不汽蚀，国内外做了大量研究，日本在八十年代初提出了 喷射增压防汽蚀技术，在此基础上，研制了带有防汽蚀泵的冷凝水回收装置。这 种装置解决了部分泵汽蚀问题，但仍存在着问题。 我国根据国内外对喷射泵实验研究，分析了高温饱和水在喷射泵和离心泵中 运行时的压力变化影响机理，在试验基础上提出了不同于一般喷射泵的设计，解 决了喷射防汽蚀技术在工业生产中的应用和所存在的问题。它把喷射增压防汽蚀 技术拓宽到所有的饱和水工况输送领域；就单一装置来说，减少了装置用于隐射 和增压的内循环量，增加了装置的被引射量，提高装置效率5 左右；喷射泵本 身汽蚀问题通过水冷方式的解决，大大提高了装置的输水温度，理论表明，只要 系统允许，可输送任何压力下的饱和水，输送水温可达1 8 0 。 我国自行研发的凝液回收器，解决了水泵汽蚀的难题，根据下水管径增大， 高温水汽化率会明显降低的试验原理，凝液回收器用罐体型的集水容器取代高位 水箱和硕径的下水管路，为确保泵进口处有一定的饱和正压水头，在集水容器内 增设自动调压装置，采用多级水封和“u ”型管原理，不同的调压装置内设置了 若干特定压力阀。从总体结构上，消除了负压下高温水汽蚀发生的条件。另外， 回收器内装有除污装置、自动调压装置、汽蚀消除装置、水泵最佳流态和自控， 使得冷凝水回收更具有安全和经济性。 随着节能法、环保法的实施，同时也随着冷凝水回收装置的研发，许多行业 热用户试将通过冷凝水回收来实现节能降耗、环保治污的目标，而冷凝水回收的 可行性也成为可能。本文在对冷凝水回收系统进行热经济分析研究之前，首先要 先选择几种冷凝水回收系统，然后对冷凝水回收系统进行水力计算和经济技术比 较，来确定冷凝水回收系统。 浙江大学硕士学位论文 蒸汽冷凝水回收系统热经济性研究 第二节几种冷凝水回收系统的分析 冷凝水回收系统从其发展来看，可分为重力式、背压式、压力式三种输水管 路”，根据冷凝水参数的不断变化，是否利用闪蒸蒸汽等条件，从而使冷凝水 回收系统有着不断的发展变化。本文分析研究了几种传统上的冷凝水回收系统， 以及其适用条件，并在此基础上分析了现在应用较为广泛的回收系统，为后面典 型系统的计算研究提供选择依据。 一重力开式冷凝水回收系统 重力开式冷凝水回收系统又可称为自流式冷凝水回收系统，是用户处于高 位，冷凝水回水箱处于低位，冷凝水完全靠用户和冷凝水箱之间的位差来克服冷 凝水在管道中的流动阻力。因为为开式回收系统，冷凝水一般在1 0 0 0 以下，且 不含二次蒸汽。 当用户蒸汽压力较低( p o ，则为闭式回收系统。 疏水阀排水量g 与工作压差a n 和排放孔径d 的关系为： g = a d 2 p( 2 4 ) 式中：a 为排水系数。 从公式( 2 2 ) 、( 2 3 ) 和( 2 4 ) 中可以看出，背压只与用汽设备和 回收系统有关，对于用汽设备来讲，只减小，可使疏水阀排水量增大，有利于 疏水；对于回收系统来讲，只增大可使回收系统距离和运行压力增加，有利于 输水；两者刚好矛盾。由此可见，只确定对于整个回收系统来讲使至关重要的， 需要充分考虑疏水和输水的制约关系。因而疏水阀的选型计算要与回水管道的计 算同步进行。可采用疏水和输水背压比较计算的方法，确定只的大小。 2 疏水阀后管道的水力计算 流体力学的基本理论和规律，是管道水力计算的理论基础。从流体力学可知， 管道的压力损失等于管道中的摩擦阻力损失、局部阻力损失和管内介质的静压头 之和，即 鹋= 嵋+ 嵋+ ( z 2 一z j ) p g ( 2 5 ) 式中：p 为局部阻力损失； p ，为摩擦阻力损失，亦称沿程阻力损失； p 为冷凝水密度； z 。，z ：为管路始端和末端的标高； 根据达西一魏斯巴赫公式，有摩擦阻力损失为， 浙江大学硕士学位论文 蒸汽冷凝水回收系统热经济性研究 嵋= 旯刍p 了v 2 ( 2 - - 6 ) 式中：丑为摩擦阻力系数，与雷诺数和管壁粗糙度有关，是一个无因次变量。 l 为管道长度： d 为管道内径： v 为管道中有效截面上的平均流速。 管道流动中局部阻力损失可用下式， 嵋= 和罢( 2 - - 7 ) 式中：毒为局部阻力系数，它为无因次变量，根据不同的局部装置由实验确定。 ( 1 ) 压力损失的简化计算 工程上为了简化计算管路系统的压力损失，常采用当量长度法，即把管道的 各局部阻力损失折合为相当直管段的摩擦阻力损失。如果一管段的局部阻力系数 总和为掌，设它的阻力损失相当于流经管段长度为岛的摩擦阻力损失，即有 和罢= 皤。 c z s ， 得：铲孝要 ( 2 9 ) 0 称为局部阻力当量长度。 压力损失计算的公式可改写为： 日= a h ( l + d ) + ( 2 一h 1 ) 卢g ( 2 1 0 ) 式中：a h 为单位长度摩擦阻力损失，可按公式 幽= 五百p v 2 或 = 。6 2 5 万2 g 2 ( 2 - - 1 1 ) g 为计算管段的介质流量，t h ： 令+ l 一= l ，l j 称为管段的计算长度，是管段总长度与局部阻力当量长 度之和，为简化计算，设局部阻力当量长度系数口，即局部阻力损失与摩擦阻力 损失的比值，则有 塑垩查兰堡主堂垡堡塞 鍪皇堡鳖查堕坚墨竺垫墨堑丝! ! ! l 三，= ( 1 + 口) ( 2 1 2 ) 口可查表得出。 ( 2 ) 冷凝水管网的水力计算 由前面压力损失的计算可以看出，压力损失归结为单位长度摩擦阻力损失 的计算，也即归结为摩擦阻力系数的选择、管径的计算、以及管内流速和介质密 度的计算。 摩擦阻力系数 摩擦阻力系数由实验方法确定，根据实验数据整理曲线，得出经验公式。 在冷凝水回收系统计算中，使用的公式由如下， 层流流动 当r e 2 3 2 0 时，摩擦阻力系数可用 刎- 伊矿( 2 - - 1 4 ) idr ej 式中：托为管壁等值粗糙度。 管壁等值粗糙度与管予的使用状况和使用时间等因素有关，在冷凝水回收系 统中，等值粗糙度常采用下列数值： i 闭式冷凝水回收系统及通过除氧补水的热力管道，k 。= o 5 m m ： i i 开式冷凝水回收系统及未经过除氧补水的热力管道，k 。= 1 0 m m ； i i i 饱和蒸汽管道及过热蒸汽管道，k 户o 2 m m 。 管道直径 按流速计算 浙江大学硕士学位论文 蒸汽玲凝水回收系统热经济性研究 d ：5 9 4 7 ，旦 mm(2-15) v 1 咿 式中：6 为介质的质量流量，t h ； 按允许压力降计算 删朋a 刊筹 m(2-16) 介质密度 在冷凝水回收系统中，由于大多数冷凝水为饱和水，在流动过程中由于压力 降，而产生闪蒸蒸汽，使介质中含汽，影响介质密度。所以介质含汽量的计算， 是确定管道中介质密度的重要参数。 3 集水罐中的压力确定 集水罐的压力是根据实际条件下低压蒸汽的可用程度，并考虑管道阻力得到 的。在考虑了低压蒸汽的情况下，一般选择集水罐压力低的系统，系统运行较为 稳定，不易出现管道水击或者管道阻塞现象，但是集水罐压力低，冷凝水的热量 多数消耗在管道阻力等不可逆损失上，回收效益降低。选择集水罐压力较高时， 要充分考虑管道水力计算，并考虑冷凝水回收装置的性能影响，虽然压力高时， 冷凝水回收效益较好，但对系统有较高的要求。所以要在技术经济分析和比较下， 考虑集水罐的压力。 塑翌盔兰堡主兰垡堡苎 薹i 塑丝查旦堕墨塑垫丝堑生! ! ! l 第三章印染企业蒸汽冷凝水回收系统的分析计算 第一节印染企业蒸汽冷凝水回收系统的确定 蒸汽作为直接或间接加热热源或者其它用途被用于各行各业中，从而就存 在着在蒸汽不被严重污染的情况下，被利用后的蒸汽的热量和质量的回收问题， 这是目前节能措施的一种有效方法。可以说，凡有蒸汽利用的地方，或多或少都 有蒸汽冷凝水的回收问题。也是由于蒸汽冷凝水回收的广泛性，所以回收系统存 在着多样性问题，但是现在对于节能效益的重视，对于回收系统的改进和研究越 来越受到关注，期望在回收系统及其设备的改进上，达到较好的回收效益和效果。 密闭式回收系统则是在总结以往回收系统存在的现象和问题后，研制防汽蚀回收 泵来解决回收系统中存在的问题，以期能更好的回收利用冷凝水，这种系统具有 较好的的适应性和代表性。本文则是对于典型企业印染企业冷凝水状况的研 究分析，提出典型的冷凝水回收系统方案，并通过热经济性分析研究这种典型冷 凝水回收系统的“薄弱环节”和改进方向。 一印染企业冷凝水回收系统的情况 我国许多印染企业的蒸汽冷凝水回收方法落后，管理不善，能源浪费严重。 在科学、合理地回收系统的余热方面有很大的发展潜力。一些规模较大的企业尽 管有冷凝水回收设施，但普遍存在问题和隐患，回收系统带汽量大，管网压力偏 高，系统工况恶化，冷凝水回收效率低，尾汽排放浪费严重，对自然环境造成噪 声及热污染。一些大型企业因回收困难，迫不得已在，。区分设多个区域性回收站， 排放余热，回收冷凝水，加上运行管理方面存在许多缺陷等，许多印染厂在蒸汽 能源利用方面处于不良状态，蒸汽用量增大，负荷超指标，供汽品位降低，设备 热效率下降，影响正常生产。因蒸汽用量增大，回水率达不到指标等，企业的动 力能源费用增加，外购汽型企业要受到供汽单位的限制和经济处罚。因而许多企 业聃存在着这样一些极不合理的现象，蒸汽供不应求却同时在大量排放余汽及冷 凝水，能源费用居高不下，却不断地浪费能源。 凼此，回收利用生产系统的人量余热，改善供、用汽及冷凝水回收系统运行 浙江大学硕士学位论文 蒸汽冷凝水回收系统热经济性研究 状况，提高系统热能利用率等是印染企业亟待解决的问题。 印染企业用汽设备一般较多，分布范围较广，所以冷凝水回收系统可能会较 为庞大、复杂。考虑到印染企业生产设备开台不确定，蒸汽冷凝水量也随开台率、 班次、加工品种及季节等波动较大，所以冷凝水量计算及回收方式的选择对于印 染企业的回收效益和效率有较大影响。 传统上，印染企业因其设备开机不同步、二次汽利用困难等原因绝大多数采 用开式回收方法，它具有设备简单、适应性强、操作及维修方便等特点。但余汽 及热能浪费非常大，实际回收的冷凝水最终温度仅为8 0 。c 左右。现在该系统已 被普遍淘汰。 近年来的一种新的回收技术冷凝水回收装置被广泛应用在蒸汽冷凝水 回收系统中，有着较好的节能效果。针对印染企业的这种情况，本文提出用这种 密闭式冷凝水回收系统回收印染企业中的冷凝水，并进行热经济性分析。 二绍兴某印染厂冷凝水状况的分析” 印染的加工过程中蒸汽的利用可分为直接汽( 直接加热工质) 和间接汽( 间 接加热工质) 两种方式。直接汽的用汽设备主要是汽蒸机、平洗机等，此项不能 回收冷凝水。间接汽的用汽设备有染缸、干燥机，以及供暖空调设备等，此项的 供入蒸汽 图3 - 1印染企业蒸汽热能分布流向图 ：直接用汽设各 2 ：间接用汽设备 3 ：供暖空调设备 4 ：同收装置 炉 浙江大学硕士学位论文 蒸汽冷凝水回收系统热经济性研究 用汽大致占全厂3 0 ，也就是说，印染企业的冷凝水回收率大约为3 0 左右，如 若回收这部分冷凝水及热量，则可有较大的经济效益。 从印染企业蒸汽热能流向分布图，如图3 1 可直观的看出，其回收热量的 必要性。因此，我们对绍兴某印染厂“作了详细的调查和研究，分析情况如下。 绍兴某印染厂有两台3 0 t h 和两台l o t h 的锅炉，锅炉产生的蒸汽除小部分 用来发电外，大部分用于印染过程中。该厂有6 0 多台“j ”型和“0 ”型染缸是 该厂的用汽大户，蒸汽经染缸后的冷凝水通过疏水阀直接排入地沟，而没有回收 利用。锅炉用水来自新鲜水，耗费大，锅炉煤耗也较大。 该单位的一些原始技术参数如表3 一l ： 主蒸汽流量3 0 t h 21 0 t h x2 主蒸汽压力 2 5 m p a 主蒸汽温度4 0 0 锅炉： 给水压力3 3 m p a 给水温度1 0 4 锅炉效率7 4 抽汽压力0 5 m p a 抽汽温度 2 5 0 抽汽流量1 2 t h x2 汽轮机： 背压0 5 m p a 背压流量9 t h 2 背压温度2 5 0 工作压力 o 1 2m p a 除氧器： 工作温度 1 0 4 工作压力o 5m p a 染缸： 工作温度2 5 0 。c 疏水阀：工作压力0 2 m p a 厂区用汽设备与供汽设备间的距离为2 0 0 m 左右，且厂区地势平坦。 三冷凝水回收系统的确定 首先，对于绍兴某印染厂的回收系统提出解决方案，并对其进行技术经济 3 0 塑坚查堂堡圭兰垡堡壅 鳌皇堡鳖查墅堕墨竺垫丝鎏丝! ! ! l 比较。 根据该厂的实际条件和情况，提出冷凝水回收系统的方案有二：一是，采用 热泵式冷凝水回收系统，如图3 2 所示。 1 ，2 ：锅炉，3 ：汽轮机，4 ：集水箱， 5 ： 除氧器，6 ：软水箱，7 ：凝水监测装置 图3 - 2 热泵式冷凝水回收系统 一是，采用喷射泵式泵送回收系统，系统图如图3 3 。 考虑到印染企业生产设备开台不确定，蒸汽冷凝水量也随开台率、班次、加 工品种及季节等波动较大，按照染缸同时工作4 0 台计算。采用冷凝水集中回水 进集水箱中。用蒸汽喷射热泵，将集水箱中的闪蒸蒸汽抽出，升压再利用。集水 箱中的冷凝水经过防汽蚀装置回收进除氧器，回收冷凝水的热量和工质。 与第一种方案相同的是，喷射泵式冷凝水回收系统也采用冷凝水集中回水， 进集水箱。而集水箱中闪蒸出来的闪蒸蒸汽则是通过压力调节阀，进入除氧器的 水箱中。集水箱中的冷凝水通过防汽蚀装置进入除氧器中，在除氧器t 扣完成冷凝 水热量和质量的回收利用。 浙江大学硕士学位论文 蒸汽冷凝水回收系统热经济性研究 7 ：凝水监 测装置 图3 - 3喷射泵送冷凝水回收系统 四系统确定中一些问题的处理 1 疏水阀的确定 疏水阀的选用主要从能准确无误地排除冷凝水，不泄漏蒸汽；具有排除空气 的能力：能提高蒸汽利用率；耐用性能良好；背压容许度范围大；容易维修等性 能方面来确定。在选择疏水阀时，必须充分考虑以下几点： 疏水阀的形式( 工作特性) ： 疏水阀的容量( 排放量) ，即冷凝水的排放能力； 疏水阀的最高使用压力； 疏水阀的最高使用温度； 常规状态下疏水阀的进口压力； 常规状态下疏水阀的出口压力； 疏水阀的连接管径( 配管尺寸) ； 疏水阀的进出口连接方式； 根据前面对疏水阀的介绍，以及现阶段对疏水阀的研制和节能的要求，我们 浙江大学硕士学位论文 蒸汽冷凝水回收系统热经济性研究 选用自由浮球疏水阀，其为节能的良好产品，且为广大密闭回收系统的用户广泛 使用。 2 管网水力计算 在前面已经介绍过冷凝水管网水力计算的一般形式。在这里主要介绍冷凝水 水量的确定、闪蒸汽量的确定、在管网水力计算中冷凝水密度的计算以及疏水阀 背压的计算，对于冷凝水管网管径的大小，以及各点压力的确定则可按照前面介 绍的公式和方法进行计算。 一般认为冷凝水的产生量等于蒸汽用汽设备的消耗量。在由于某种原因无法 判断设备的容量时，可通过实测或者计算式求出。 计算可通过下式算出： 睨：型( 3 - - 1 ) 式中：为需要的蒸汽量，k g ； c 为加热介质的比热容，k j ( k g ) ； g ，为加热介质的重量，k g ； 疋一正为上升温度，； r 为蒸汽的潜热，k j k g 。 则冷凝水量为 g=。了60(3-2) 式中：t 为加热所需要的时间，m i n 。 冷凝水回收利用，不仅是将冷凝水用泵送回锅炉，循环利用，而且重要的是 将相对高压的冷凝水降压后产生的闪蒸蒸汽有效的利用。闪蒸蒸汽量的计算，对 于饱和冷凝水来说，可以用下式： ：生鱼。1 0 0 ( 3 - - 3 ) g ，= g ( 半 = g x 厂 c s 训 式中：g 为闪蒸前的冷凝水量，k g h ； 浙江大学硕士学位论文 蒸汽冷凝水回收系统热经济性研究 e 为闪蒸蒸汽量，k g h f 为闪蒸率，； _ l l _ 为闪蒸前冷凝水的热焓，k j k g h ，为闪蒸后冷凝水的热焓，k j k g 吃为闪蒸后冷凝水的汽化前热