變壓式蒸汽蓄熱器在熱力系統中的節能效果

上海重型機器廠有限公司 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，是上世紀七十年代發展起來的新型、高效、儲能—節能設備。

所謂變壓式蒸汽蓄熱器就是依靠容器內飽和水壓力的升降變化，使容器內飽和水焓值相應地變化，從而蓄存或釋放熱能（蒸汽）的設備。也就是說，利用水的液—汽態轉換特性，將蒸汽的熱能儲存于蓄熱器筒體內的水中，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壓力相對應的飽和水焓值（蓄熱），蓄熱終止時，蓄熱器內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；當蓄熱器壓力下降時，飽和水成為過熱水，迅速沸騰而蒸發，由液態變為汽態即為飽和蒸汽，送往用汽單元。此時，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，間接蓄儲蒸汽的蓄熱裝置。而容器中的水既是蒸汽和水進行熱交換的傳熱介質，又是蓄存熱能的載熱體。

這是因為水的蓄熱能力遠比蒸汽為大的緣故。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。

為便于對比說明，茲將絕對壓力為0.49MPa時干飽和蒸汽和水的熱力計算列成表1。

根據水的物理特性可知，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 熱力計算結果

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、蒸汽發生量三者之間的關系。

圖1 充熱壓力、放熱壓力、蒸汽發生量關系圖

可以看到，充熱壓力越高、放熱壓力越低、單位容積所產生的蒸汽量就越大。設定充熱和放熱壓力，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，比較接近工礦企業用汽量的變化規律和統計規律。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，但由于其具有蒸發面積大、高度低、安裝檢修方便等突出的優點，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 用汽負荷工況

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

圖3 用汽負荷變化曲線

從圖中可以看到真空裝置用汽負荷極不均衡，峰谷波動很大，迫使供汽鍋爐的負荷也處于峰谷波動。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而時降時升，導致鍋爐的燃燒工況很難穩定，特別是燃料不能完全、充分燃燒，鍋爐運行效率下降，且直接影響真空工藝產品的產量和質量。

因此，在熱力系統中設置變壓式蒸汽蓄熱器可以發揮變壓式蒸汽蓄熱器消除供汽鍋爐負荷的峰谷波動，穩定鍋爐燃燒工況、穩定供汽壓力、提高鍋爐運行效率的技術優勢，達到節能的效果。

2.2 熱力系統簡述

我廠蒸汽站現有燃煤蒸汽鍋爐5臺，其中4臺10t/h，1臺20t/h，總裝機容量為60t/h。鍋爐設計壓力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:5臺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前的鍋爐運行情況：40t/h容量處于開爐狀態，20t/h容量處于備用狀態。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，瞬間負荷變動很大，達2～38.4t/h，這是造成鍋爐運行效率低的主要根源，因此采用蒸汽蓄熱器平衡熱力系統的負荷波動是有效的節能措施。

2.3 確定蒸汽蓄熱器參數

蒸汽蓄熱器具有均衡波動負荷，減少鍋爐運行臺數的作用和功能。根據我廠熱力系統運行狀況，決定采用變壓式蒸汽蓄熱器串聯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真空泵，達到目前減少鍋爐開爐容量、停運一臺鍋爐、也就是以30t/h容量運行、保證鍋爐燃燒工況和供汽負荷穩定的目的。當真空泵用汽量小時，將鍋爐產生的多余的蒸汽儲存于蒸汽蓄熱器中；當蒸汽噴射真空泵高峰用汽時，蓄熱器進行放熱，補充鍋爐供汽不足。

蒸汽蓄熱器參數的確定：

1）蓄熱器充熱壓力和放熱壓力

蓄熱器充熱壓力P1:

鍋爐設計壓力2.5MPa。目前鍋爐運行壓力為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：

蒸汽噴射泵設計用汽壓力為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

裝設蓄熱器后，目標停運一臺10t/h鍋爐。蒸汽噴射真空泵的每個操作周期用汽時間為20～30分鐘，并考慮二臺真空泵同時用汽的高峰負荷，蓄熱器的蓄熱容量G0=12000kg。

4）蓄熱器容積

150m3，二臺。

5）熱態運行模式

二臺150m3蒸汽蓄熱器并聯運行。

6）蒸汽蓄熱器熱力系統

根據我廠蒸汽站目前供汽熱力系統運行狀況，采用將二臺蒸汽蓄熱器并聯運行后設計的熱力系統。

3 蒸汽蓄熱器節能效果分析和節能量核算

3.1 節能效果預期分析

1）根據2008年8月工鍋所的對我廠五臺鍋爐熱效率測定報告：1993年安裝的上海四方鍋爐廠三臺10t/h鍋爐和2006年安裝的10t/h和20t/h鍋爐各一臺的測定，平均熱效率為～81.33%，前后二者熱效率差3.68%。停運一臺10 t/h鍋爐后，可全部采用高效率鍋爐運行。

2）鍋爐散熱損失q5：1.7%，停運一臺鍋爐后，可減少～1.7%散熱損失。

3）理論和經驗表明，鍋爐在額定負荷穩定燃燒時效率最高，在超負荷和低負荷運行時熱效率均要降低，在波動負荷運行時熱效率一般降低～5%。

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

綜合上述分析，節煤量10%在技術上是可期的。

3.2 竣工后節能量核算

兩臺150m3高壓蒸汽蓄熱器2010年6月竣工，調試后投入試運行。直至目前，運行基本正常可靠。同時也積累了一些對節能量核算有一定價值的數據資料。

1）從運行工況來看，蒸汽蓄熱器投運后，基本改變了真空脫氣用蒸汽峰谷波動變化極大的狀態。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）。可見采用蒸汽蓄熱器平衡負荷波動是有效的節能措施。

圖4 蓄熱器運行工況曲線圖

2）蒸汽鍋爐生產的蒸汽約60%～70%用于真空脫氣裝置。

高壓蒸汽蓄熱器投運前，由于缺少調控手段，鍋爐機組開機、停機頻繁，不利于節能。高壓蒸汽蓄熱器投運后，鍋爐機組頻繁地開爐、停爐、悶爐的作業狀況得到了根本的改善。可見鍋爐機組平穩運行同樣有利于節能。

2010年11月上海應用技術學院熱工實驗檢測中心對蒸汽蓄熱器節能項目進行節能量審核。

高壓蒸汽蓄熱器所產生蒸汽主要供煉鋼真空工藝使用。所以節能量計算以上重廠高壓蒸汽蓄熱器安裝前、后兩年同期兩個月的脫氣鋼產量與脫氣噸鋼煤耗量的數值為依據進行計算。

計算公式為：

節能量=（改造前噸鋼脫氣煤耗-改造后噸鋼脫氣煤耗）×改造前鋼產量

噸鋼脫氣煤耗量=（煤耗量÷脫氣鋼產量）×折標數

改造前、后節能量計算結果列成表2。

改造前的真空脫氣鋼產量為71393t/a。

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

通過對蒸汽蓄熱器投運前后的節能預期分析和節能核算，可以看到：節能預期是科學的，節能審核是實事求是的。

表2 改造前、后各二個月的耗能計算結果

4 結論

在熱力系統中設置蒸汽蓄熱器，可以消除供汽鍋爐負荷的較大波動，穩定供汽壓力，提高鍋爐的運行熱效率，使鍋爐連續地按滿負荷或某一穩定的負荷運行。即當外界用汽負荷低，鍋爐供汽有多余時，就將熱能儲蓄于蓄熱裝置；在發生高峰負荷鍋爐供汽不足時，蓄熱裝置就釋放出所蓄熱能以補不足。這樣就使鍋爐負荷不必跟隨用汽負荷的波動而變動，在穩定的燃燒工況下達到較佳的運行熱效率。

可見在熱力系統中采用蓄熱器節能是一項值得推廣的實用技術，且具有很強的復制性。投資回收期也不長，約1.38年。