论蒸汽蓄热器的特点及节能效益

论蒸汽蓄热器的特点及节能效益

袁恩泽

广东省特种设备检测研究院肇庆检测院526070

摘要：本文重点分析介招蒸汽蓄热器技术特点，并结合设计和应用实践，全面阐述该压力容器设备的节能效益和应用条件。

关键词：蓄热器  锅炉  节能  效益

众所周知，锅炉是广泛应用于化工、冶金、制糖及造纸等行业的特种热力设备，然而由于诸多原因，其在实际运行中的产汽量与生产需要的用气量往往不一致，例如某啤酒厂有三台4吨/时卧式燃气锅炉，全厂用气量变化范围在7.5吨/时至13.5吨/时之间。这种高低峰用气负荷的周期性波动导致供气系统出现蒸汽量供不应求或供大于求的状况，严重地影响了生产的正常运行,同时还使锅炉因燃烧工况恶化而降低热效率。应用实践证明：解决这一问题的有效途径是在锅炉的供气系统中设置蒸汽蓄 热器。蒸汽蓄热器是一种节能设备,是按照GB150-2011《压力容器》标准设计制造的储存式压力容器。它具有均衡蒸汽 热负荷的作用，并能自动储存和释放热能，从而使锅炉在稳定的工况下运行，保证安全并节约能源。本文作者将结合该产品的设计与运用实践，着重分析、探讨蒸汽蓄热器的技术特点和节能效益。

1.蒸汽蓄热器的技术特点

1.1工作原理

图一为某啤酒厂容积为lOOm3蒸汽蓄热器的工作原理图, 其结构是一种典型的储存式压力容器，蒸汽蓄热器的进汽管和出汽管各通过一只自动压力调节阀（V1, V2）与锅炉供汽主管相连, 当生产用汽负荷小于锅炉的供汽量时，锅炉供汽主管中的压力将升高，蒸汽蓄热器进汽口前的自动压力调节阀（V1）自动启，多余的蒸汽蓄热器中冲汽主管均匀扩散到各个支管，再由支管上的喷嘴将蒸汽均匀地喷入蒸汽蓄热器的水中，此时蒸汽凝结为水，将汽化热储藏于水中，随着蒸汽的不断的喷入，蒸汽蓄热器内的水位、水温和容器压力逐渐上升，水的热焓增加，由于喷嘴喷出的蒸汽流起到了引射水流循环和快速加热的作用，使导流筒内外、 上下的水形成了 一个自身流动的循环，导流筒内加热的水向筒的上下层水温迅速达到一均匀一致，最终蒸汽蓄热器内的水位因蒸汽凝结而上升，直到蒸汽蓄热器内的压力与供汽主管压力相同，

图一

冲热过程完成，此时蒸汽蓄热器内储存着高压饱和水及与其压力相当的热量，当用汽负荷大于锅炉的供汽量时，供汽主管中的蒸汽压力下降，蒸汽蓄热器进汽口的自动压力调节阀（V1）自动关闭，岀汽口的自动压力阀调节阀（V2）自动开启，容器内的高压饱和热水温度因高于供汽主管相应压力的饱和温度（因压力下降） 而过热汽化，同时蓄热器内的高压饱和热水因压力下降而迅速蒸发，产生的蒸汽进入供汽主管,以补充锅炉供汽不足的部分，此过程为蓄热器的放热过程。

在放热过程中，饱和热水不断蒸发蒸汽蓄热器内的压力和焓值降低，水位也随之降低，直到蒸汽蓄热器内的压力与生产用汽 最低需要的压力相同时，放热终止。蒸汽蓄热器就是在这样不断 地进行蓄热和放热反复循环变化的条件下运行（实际就是蒸汽和饱和水的相互转化），对用汽负荷起到消峰填谷的作用，从而稳定了锅炉的供汽压力和产汽量达到了节能的目的。

图二

1.2蓄热量和容积的计算

蒸汽蓄热器的单位容积蓄热量q及蓄热器容积V是衡量蓄热器能力（蒸汽发生量）的两个重要参数，在设计中，根据供热系统的蒸汽产出量的情况，正确计算单位容积的蓄热量和蓄热器容积是合理配置蒸汽蓄热器的关键,在一定的供热系统中（冲热压 力，放热压力分别受到锅炉和蒸汽用量的限制），单位容积的蓄热量取决于冲热压力和放热压力的压差，其值可近似地按下式计算：

  （Kg 蒸汽 / M3）

式中：

i1、i2分别为冲热压力P1和放热压力P2时饱和水的焓,KJ/Kg；i1/、 i2/分别为冲热压力P1和放热压力P2时饱和蒸汽的焓， KJ/Kg；

（为蒸汽由冲热压力P1降至放热压力时的平均焓值, KJ/Kg；

r1为冲热压力Pl时饱和水的密度，Kg/M3

蓄热器的容积V按下式计算：

式中：G为平衡供热系统负荷所必须的蓄热量；

为蓄热器的冲水系数，通常取0.7-0.9；

为蓄热器的热效率，一般可取0.98—0.99。

现以某啤酒厂供热系统为例计算，图三为该厂的蒸汽用量日用量负荷图，锅炉额定压力为1.57 MPa，生产用汽压力为 0.6 MPa，蓄热器进岀口管道及阀门压力损失为0. 05MPa，因此，冲热压力 Pl = l. 57 - 0. 05 = 1. 52 MPa；

热放压力 P2 = 0. 6 + 0. 05 = 0. 65 MPa；

查文献［2］可得：

i1 = 866.43 KJ/Kg  i2 = 689.3 KJ/Kg

= 2797 KJ/Kg     = 2770 KJ/Kg   r1 = 903.3 Kg/M3

故：q = 76.5 Kg/M3

根据用户的要求及工艺计算G = 5700 Kg （蒸汽），则蒸汽蓄热的容积为100 M3。

图三

2.蒸汽蓄热器的效益分析

蒸汽蓄热器的效益包括蓄热器的节能效益和因设置蓄热器后在生产中产生的经济效益两部份。

2.1节能效益

由图三可看出，生产用汽是波动的且波动幅度较大，为了满足生产用汽的需要，锅炉必须随着生产用汽量的变化而变化，导致锅炉运行极不正常，时而拼命赶火，时而压火停烧，使得锅炉势效率明显下降，如果在供热系统中配置了参数合适的蒸汽热器后，用汽量的波动部份则基本上由蓄热器通过冲热和放热过程实 现自动调节，使锅炉在相对稳定的工况下运行，从而提高锅炉运行效率。

2.2经济效益

以某啤酒厂为例，该厂有三台4吨/时的快装燃气锅炉， 由于生产的发展，高峰用汽量为15吨/时，低峰用汽量为8 吨/时，显然三台4吨/时锅炉是满足不了生产发展的需要， 为满足生产发展的需要，在供系统中配置了一台100M3的蒸汽蓄热器而不增设锅炉（一台4吨/时），解决了生产发展用汽量的需要，主要表现在：

（1）只用现有的三台锅炉就可满足生产用汽，与重新增设一台锅 炉相比，节省了相应的运行管理费用；

（2）锅炉运行工况稳定，热效率提高了 11.5%；

（3）供汽量充足，保证了生产的需要；

（4）锅炉压力与供汽压力平衡，波动范围在±0.1MPa；

（5）一台100M3蒸汽蓄热器的制造成本比一台4吨/时锅炉少， 且节省天然气（一台4吨/时锅炉，每小时耗气以320m3计算， 每天按两班运行，一年运行按330天计算，则一年燃气为 320×24×330=2534400 m3）；

（6）由于热效率提高了 11.5%，三台4吨/时锅炉年节省燃气 为：2534400×3×11. 5%=874368 m3，若每m3燃气按4元计， 则每年节约燃气费用为：874368×4 = 349.74万元；

此例还证明：蒸汽蓄热器的应用实质上增大了锅炉供汽能力, 因此在设计锅炉供汽时，不必按最大负荷只需按平均负荷设计，减少锅炉设计安装容量，大大节省投资。

3.蒸汽蓄热器的应用条件

蒸汽蓄热器的蓄热和放热是依靠其工作压力的变化而进行的，当蓄热器的容积一定时，蓄热量由容器内的最高压力（蓄热 过程终止时的压力）和放热压力（放热过程终止的压力）之差决定的，该压差称为蓄热器的变化范围，变压范围越大，蓄热量也越大，因此从经济效益的角度考虑,供汽系统设置蒸汽蓄热器必须具备以下条件:

（1）生产用汽量有较大幅度的频繁波动；

（2）锅炉的容量可以小于最大生产用汽量，但必须大于平均生产用汽量；

（3）锅炉蒸汽压力必须高于生产用汽压力，因为压差越大，蓄热器的蓄热能力和产汽能力也越大；

（4）如果生产用汽压力与锅炉供汽压力较接近，则蓄热器的高压范围就很小，要产生一定的蓄热量所需的蓄热器容积将很大，经济效益不显著，只有蓄热器变压范围在0.3 MPa以上设置蒸汽蓄热器才有显著的经济效益。

4.结论

蒸汽蓄热器是一种新型节能设备，在锅炉的供热系统中，借助于该设备可以自动调节锅炉供汽和用汽之间的不平衡工况，当生产用汽量大于锅炉的产汽量时，蒸汽蓄热器能自动地释放热能 蒸发岀一部份蒸汽以补充锅炉供汽的不足，而当生产用汽量小于 锅炉的蒸汽量时，其将自动吸收多余的蒸汽。作者认为蒸汽蓄热器的应用可以提高锅炉的热效率，节约燃煤稳定生产用汽，在目前激烈的市场竞争中有着广泛的使用前景。然而在具体的设计制 造应用中应严格执行国家有关压力容器法规和标准，同时还应结合生产用户的实际充分考虑该设备的应用限定条件，以便能充分 发挥它的节能作用。

参考文献

［1］葛永乐等编  实用节能技术  上海  上海科学技术出版  1990

［2］陈敏恒等编  化工原理 北京 化学工业出版牡 1995

［3］龚崇龄，张清波。蒸汽蓄热器工作过程的热力特性分析【J】武汉汽车工业大学学报，1996,18