凝結水回收系統設計中的問題分析及對策

劉昌魁 王光華 林麗紅

摘 要：在工業企業中，對蒸汽產生的凝結水進行回收，是一種非常重要的節能措施。但在實際工程設計中存在割裂系統、設備選型和系統不匹配等諸多問題，造成凝結水回收系統不能完全發揮作用，經濟效益和社會效益大打折扣。本文基于調查研究的基礎上，創新地提出了凝結水回收系統應包括收集儲存輸送、處理和利用等三個部分，對目前凝結水回收系統的設計工作中經常出現的問題進行了分析，有針對性地從工藝安全、就地利用、梯級利用、統籌規劃、負荷平衡等方面提出了應對策略。

關鍵詞：凝結水；回收系統；設計；問題分析；對策

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.01.012

0 引言

在工業生產中，蒸汽作為一種重要的能源，有著非常廣泛的應用。蒸汽在相變時可以放出巨大的潛熱，用來加熱物料，促進物料的化學反應或物理變化；也可以利用蒸汽的壓力能，推動汽輪機或其他動力設備做功。在釋放出潛熱后，蒸汽由汽態轉化為液態，這些液態的水就是蒸汽凝結水，一般簡稱為凝結水。凝結水具有一定的顯熱，特別是溫度較高的凝結水，其蘊含的熱能是相當大的[1]，如120℃的凝結水，和25℃的常溫水相比較，大約7t的凝結水和1t低壓蒸汽的可利用的熱能相當，所以對凝結水的回收利用具有必要性。隨著節能減排意識的逐漸深入，現在項目建設中，大多會設計凝結水回收系統作為一種節能措施。但由于目前凝結水系統的設計中涉及到工藝、熱工、暖通、制冷、給排水、水處理等多個專業，運用到工程熱力學、流體力學和傳熱學等多方面的知識，尚未形成設計規范和統一的技術要求，往往各做各的，無法統籌考慮，產生了凝結水高質低用、管道“水擊”、閃蒸汽無法利用、系統憋壓等諸多問題，致使凝結水回收系統無法有效地發揮作用。

1 凝結水回收系統的界定

根據一般系統論創始人貝塔朗菲的定義，系統是“相互聯系相互作用的諸元素的綜合體”[2]。作為一個系統，凝結水回收系統應包括諸多功能單元，可以從兩個層次來描述：從狹義上，是指凝結水的收集、儲存和加壓輸送，這也是目前大多數文獻和從業者對此的理解；從廣義的角度，凝結水回收系統應包括收集儲存輸送、處理和利用，即除了狹義上的范圍，還應包括凝結水的處理和利用單元。因為凝結水回收來是為了利用的，但往往由于回收的凝結水達不到利用的水質標準，需要進行深一步的凈化處理，這樣回收→處理→利用，就組成了一個有機的系統。

2 目前設計中存在的問題

2.1 只注重設備，不關心系統

對于凝結水回收系統，有些設計師在設計時往往會片面地注重設備的配置和功能，卻幾乎很少關注相對應的系統，不深入研究上游的用汽設備和下游用水點的工作特點，造成設備和系統不匹配，整個凝結水系統運行不良，進而影響設備的運行效果。如某工藝裝置有多臺用汽設備，即多個凝結水疏水點，操作壓力差別較大，卻要求進入同一回收管路，造成低壓凝結水無法匯入總管。還有的回收點有大量閃蒸汽，需要外送到其他用汽設備，但設計時沒有考慮，只能直接外排到大氣中，造成資源的浪費和環境的污染。還有的沒有考慮凝結水回收設備的背壓，造成疏水閥工作背壓過高，排水不暢，影響上游的用汽設備的加熱效果[3]。需要把用汽設備、疏水閥（或調節閥）、凝結水管線和回收設備等作為一個整體，統籌考慮，詳細計算出各種工況和運行狀態，方可選出合適的回收設備。

2.2 設備選型和系統工作特性不匹配

傳統的凝結水設備選型往往是不考慮凝結水的溫度，均采用開式回收系統[4]，對于高溫凝結水系統，造成閃蒸汽或揮發汽散逸到大氣中，既造成了熱能的浪費，還造成一定的熱污染，廠區到處冒汽，和目前 “清潔生產”的導向背道而馳。而且還會造成凝結水的水質降低，無法直接利用。還有的項目中，采用動力機械泵對凝結水進行加壓，但提供的作為動力介質的蒸汽或壓縮空氣壓力較低，根本不能提供足夠的揚程，造成凝結水無法輸送。隨著技術的發展，目前大多選用閉式回收設備，該設備無乏汽排放，避免了以上問題。但并非所有的回收系統都可以采用閉式回收設備，對于壓力非常低的凝結水，是無法使用的。因為閉式凝結水回收罐內有一定的壓力，即使采取控制壓力的措施，也可能會影響提高疏水閥的工作背壓，進而影響上游用汽設備的連續疏水，甚至會影響工藝設備的運行效果。

2.3 凝結水輸送壓力不平衡

對于大型石化、化工等企業，設計單位往往采用集中式凝結水回收系統，這樣可以降低運行費用，提高管理水平。但也有一定的弊端，因為各工藝裝置的用汽壓力不同，外送的凝結水壓力也往往有較大區別，且并不是外送壓力高的位于凝結水回收主管的遠端、壓力低的位于近端，在實際運行中往往會出現水力不平衡的問題，造成壓力低的凝結水無法進入回收主管。有些設計單位就硬性規定所有凝結水回收點出界區壓力一致，這個壓力值一般是按照最不利的情況來考慮的，但這樣就產生另一種情況：回收設備中的凝結水泵大多數選的揚程較高，造成初投資的增加，且實際運行中大多在低效率區間工作，如果不采取電機變頻調速或調節閥控制，還可能會造成電機過載。

2.4 凝結水回收管道設計問題

高溫凝結水在輸送過程中，各點的運行壓力應從輸送管道的末端計算，而不是從起點計算。工作點壓力：P=Ps+Pe+gh+

Ps：管道的阻力，包括局部阻力和沿程阻力。

Pe：末端接受設備的工作壓力。

h：該點到管道末端的高差，如果末端標高低于該點，則h值為正，否則為負。

ρ：凝結水的密度。

ν：流體速度。

對于高溫凝結水（>100℃），在輸送過程中，當某點的工作壓力低于該凝結水溫度對應的飽和壓力時，凝結水就會在管道內閃蒸，一部分是液體，一部分是汽體，形成了汽液兩相流。在某些凝結水回收系統設計中，沒有考慮高溫凝結水的兩相流，設計的管道管徑過小，致使凝結水無法順利流通；還有管道設計的彎頭過多，在彎頭處容易形成“水擊”現場，造成管道震動和異響，嚴重的還會損壞法蘭間的墊片，造成泄露，進而造成更大的破壞和損失。

2.5 利用方式不合理

目前存在諸多凝結水利用方式，但大多存在著弊端，只考慮利用水，沒有考慮利用熱，其實對于凝結水來說，熱能的利用價值要高于水的回收利用價值。

3 凝結水回收系統設計的應對策略

3.1 優先就地利用

凝結水回收作為一項節能措施，應優先考慮就地利用。凝結水蘊含著大量的熱能，也是品質相對較高的工業水，且大多數工藝裝置需要蒸汽、除鹽水或除氧水、工業水等，如能用凝結水代替部分負荷，可以減少新鮮蒸汽或水的制備和輸送費用，將是一舉多得。各裝置產生的凝結水盡量在本單元內利用，可以根據工藝設備需求副產閃蒸汽用于物料加熱，以及設備、管道和儀表伴熱等，水質較好的凝結水也可代替除鹽水或除氧水供工藝設備使用。確實無法利用的或不能完全利用的，再考慮外送。就地利用可以降低輸送管道、設備的投資，節省運行費用，同時也方便維護和管理。

3.2 保證工藝安全

工藝裝置的運行安全是凝結水回收系統設計的首要原則，不應本末倒置，為了節能措施影響工藝裝置的安全穩定運行。對于利用凝結水作為熱源或水源的裝置，應設有備用應急措施，以防凝結水無法供應，啟動備用方案，不影響工藝裝置的連續運行。有些工藝設備的疏水壓力較低，就要采取措施控制凝結水回收罐內的操作壓力，不得“憋壓”，影響工藝設備的連續疏水。凝結水回收系統管道設計時，要進行水力計算，防止某個支路的凝結水無法進入主管道。同時要考慮電動凝結水泵的防汽蝕措施，可以采用引射增壓的方式，提高設備的NPSHa（有效汽蝕余量），使NPSHa和凝結水泵的NPSHr（必需汽蝕余量）的差值大于設計規定值。

3.3 余熱梯級利用

對于高溫凝結水來說，如果直接回收，在輸送過程存在汽液兩相流、水擊等問題，在后端的凈化處理和利用上也存在著問題，需要把溫度降低到一定的范圍內。

可以采用多級閃蒸，并通過蒸汽噴射器、水汽引射器、溴化鋰制冷機、吸收式熱泵、換熱器等設備，結合其他用汽設備的工藝需求，把凝結水溫度逐級降低，做到高質高用、低質低用。如對于170℃的凝結水，可以采用如下流程：高溫凝結水先輸送到一級閃蒸罐，產生0.4MpaG的飽和蒸汽，輸送到低壓蒸汽管道；一級閃蒸罐內的中溫凝結水輸送到二級閃蒸罐，閃蒸壓力為0.05-0.1MpaG，由于壓力較低，不方便利用，這部分閃蒸汽可以通過蒸汽噴射器增壓后，再輸送到低壓蒸汽管道；二級閃蒸罐內的低溫凝結水流入凝結水罐，會同其他低溫凝結水，通過凝結水泵加壓，輸送到余熱回收單元，熱回收設備可以是溴化鋰制冷機、吸收式熱泵或換熱器等，降到設計溫度以下，進入凝結水精處理裝置，經過除油除鐵除鹽等過程凈化處理，檢測達到高壓或中壓鍋爐補給水水質要求，可以輸送到除氧器或其他用水設備，代替除鹽水，可以提高水的循環利用率，減少除鹽水站的設計負荷和投資規模，更重要的是，把熱能基本上全部利用，提高了能源的利用效率，真正起到節能減排的效果。

3.4 廠區統籌規劃

蒸汽系統在工業中起著重要的作用，在煉油、石化等企業中的消耗量是僅次于電能，在部分行業中蒸汽甚至能占到公用工程總消耗量的40%及以上。把蒸汽系統和凝結水回收系統規劃設計好，對于企業節能減排、降耗增效，起著至關重要的作用[5]。在設計時，工藝、熱工、暖通、水處理等各專業要加強溝通，廠區統籌規劃，做好物料平衡和熱平衡。對于各工藝裝置要統計好最小、操作、最大負荷，工作運行情況，并結合總圖布置，規劃出最佳的凝結水管道走向、管徑、運行壓力、運行溫度、凝結水站布置位置等，做好凝結水回收設備、處理設備和余熱利用設備的選型，從源頭抓起，避免前期考慮不周，后期改動較大，造成系統水力失調，運行費用較高，經濟效益大打折扣。

3.5 冷熱負荷平衡

在部分項目中，為了方便凝結水的輸送，需要對凝結水進行降溫。由于大多石化、化工等行業的企業熱負荷多，冷負荷少，在傳統的設計方案中，有些就采用空冷器，或循環水冷卻，這部分熱能白白浪費掉，還需要多消耗電費，后一種方式還增加了冷卻水站的負荷。建議在設計中，可以結合暖通等專業的意見，用凝結水作為熱源，通過熱水型溴化鋰制冷機制備工藝或建筑空調用冷凍水；對于需要外購蒸汽的企業，可以采用二類吸收式熱泵，提取凝結水的熱能，制出壓力為0.3～0.5MpaG的低壓蒸汽，代替部分新鮮蒸汽，以減少外購蒸汽的消耗量，降低企業運行成本[6]。盡量不要用循環冷卻水、空冷器來冷卻降溫，以提高能源的利用率。

4 結論

在工業企業的凝結水回收系統設計中，要在保證工藝安全的基礎上，因地制宜，各專業充分溝通，統籌規劃，充分利用新技術、新設備，把凝結水的熱能和水資源充分利用，節能減排，降耗增效，一套設計合理、運行穩定的凝結水回收系統，可以有效降低企業的運行成本，增強企業的盈利能力，提高企業的競爭力；同時減少了燃料的消耗，降低了CO2、SO2和粉塵的排放，提高了水資源的利用效率，具有良好的社會效益，維持社會可持續發展，發展循環經濟，造福社會，澤被后生。

參考文獻：

[1]寇超美，雒小坤，雒新峰.生產用汽凝水回收存在問題及解決方法[J].西安航空技術高等專科學校學報，2012（03）：66-67.

[2]于玉林.基于系統論：對"審計免疫系統"的認識[J]. 會計之友，2010（25）：9-13.

[3]鐘新慶，曹忠信，戴志軒.冶煉廠儲槽蒸汽加熱系統疏水問題研究[J].通用機械，2013（04）：68-71.

[4]鄭海莼.凝結水回收系統的分析比較[J].煤氣與熱力，2002（03）：285-286.

[5]楊浩.熱力系統凝結水回收系統工藝[J].城市建設理論研究（電子版），2011（06）.

[6]史路.大型石化企業蒸汽動力系統的優化策略[J].能源工程，2015（01）：64-68.

作者簡介：劉昌魁（1976-），男，碩士，副總工程師，主要從事研究工業企業蒸汽系統節能、高溫凝結水回收和處理系統、工業換熱和冷卻系統，承擔濟南市科技計劃項目（企業自主創先類，編號201201134）一項，授權發明專利一項，實用新型專利八項。