輪胎廠使用蒸汽蓄熱器提高鍋爐熱效率的探索

楊光照，聶慶孟

（四川海大橡膠集團有限公司，四川 簡陽 641402）

在輪胎廠中，蒸汽被廣泛應用在原材料加熱脫水、設備預熱、水加熱和輪胎硫化等方面。受蒸汽使用不均衡影響，鍋爐產汽負荷隨之波動，造成鍋爐熱效率下降。蒸汽蓄熱器是熱能的吞吐倉庫，一般為臥式圓筒體，內裝軟化水。蒸汽蓄充熱過程：當用汽負荷下降時，鍋爐產生的多余蒸汽以熱能的形式通過充熱裝置充入軟化水中貯存，使容器內壓力、溫度上升，形成一定壓力下的飽和水。蒸汽蓄放熱過程：當用汽負荷上升，鍋爐供汽不足時，隨著壓力下降，容器內的飽和水成為過熱水而形成自蒸發，向用戶供汽。通過蓄熱器對熱能的吞吐作用，使供、用熱系統平穩運行，從而可使鍋爐在滿負荷或某一穩定負荷下平穩運行，一般可提高熱效率2%～10%[1]。

本工作針對公司用汽負荷波動率較大的情況，探索使用蒸汽蓄熱器，以提高鍋爐的熱效率。

1 工藝設計

根據公司動力分廠改造前記錄的某日蒸汽負荷曲線顯示，在實際生產過程中，用汽負荷不均衡，波動較大，波動范圍在5.25～7.65 t·h-1之間，平均波動率為23.7%。用汽負荷波動對鍋爐運行操作帶來很多不利因素，造成如下的弊端。

（1）用汽負荷波動迫使供汽鍋爐的負荷隨之波動。由于鍋爐的蓄熱量有限，當外界用汽負荷達到高峰或低谷時，鍋爐的供汽壓力往往隨之升降，司爐難以跟隨用汽負荷進行調整操作，鍋爐的燃燒工況惡化，導致熱效率下降。

（2）供汽鍋爐的燃燒強度隨用汽負荷波動而變化，有時趕火，猛加燃料，爐膛內燃燒劇烈，使爐壁過熱；有時壓火，爐膛內燃燒緩慢，爐膛溫度下降。這樣易導致爐墻開裂、爐管彎曲變形和水冷壁上結渣；爐內燃燒不盡，火焰延伸，可使蒸汽過熱器或對流管超溫，易導致鍋爐故障。

（3）鍋爐蓄熱量有限，遇高峰用汽時供汽壓力下降和蒸汽嚴重帶水，影響生產工藝，進而影響產品的質量和產量。

（4）鍋爐的燃燒不穩定，燃料的燃燒與所需空氣量失去平衡，發生不完全燃燒，造成環境污染。

因此，設計裝用蒸汽蓄熱器以提高鍋爐熱效率，工藝流程如圖1所示，工藝控制如下。

圖1 蒸汽蓄熱器工藝流程

（1）蒸汽進入蓄熱器：鍋爐產汽先進入分汽缸1，設定壓力為1.7～1.9 MPa，當壓力低于1.7 MPa時，電動閥1開度減小，蓄熱器進汽量減小，鍋爐分汽缸壓力得到穩定，當壓力大于1.9 MPa時，電動閥2開度增大，大量蒸汽進入蓄熱器儲存。

（2）蒸汽排出蓄熱器：分汽缸2壓力設定為生產工藝要求的1.2～1.3 MPa，當壓力低于1.2 MPa時，電動閥2開度增大，滿足用戶側蒸汽需求，當壓力高于1.3 MPa時，電動閥2開度減小，蓄熱器外供蒸汽減少，蒸汽被儲存起來。

（3）汽水分離：蒸汽排出蓄熱器進入汽水分離器，蒸汽里含有的少量水分被分離，蒸汽從頂部送入分汽缸2，當分離器液位達到設定高度時，電動閥3開度增大，分離出的凝結水排入軟化水箱回收利用。

（4）軟化水補充蓄熱器：軟化水泵將軟化水從蓄熱器底部送入蓄熱器，水泵出口端設置止回閥，防止回流。當蓄熱器水位低于設定值，且蓄熱器壓力高于用戶側蒸汽需求壓力1.3 MPa時，軟化水小流量均勻進入蓄熱器，通過分水器與蒸汽充分接觸，儲存熱能。

以上各部位壓力可根據生產工藝需求設定，分汽缸1與分汽缸2壓差越大，蓄熱器儲能容量越大。同時為了得到更穩定的儲能效果，補充到蓄熱器的軟化水溫度不宜過低。

2 改造功效

2.1 減小負荷波動對鍋爐熱效率的影響

鍋爐的運行熱效率隨鍋爐負荷的變化而不同，鍋爐負荷急劇、頻繁波動時效率較低。鍋爐的熱效率曲線呈拋物線形狀[2]，因此，鍋爐在低負荷和超負荷運行時，熱效率均會降低。蒸汽鍋爐的最佳熱效率在額定蒸發量以下或其附近，最佳效率區在額定蒸發量的85%～100%范圍之內[3]。

在用汽負荷劇烈波動的供熱系統中，供汽鍋爐配用蒸汽蓄熱器后，鍋爐就不再追隨波動負荷而改變蒸發量，基本上保持連續穩定的運行工況，因此可避免燃燒工況變動造成的各種熱損失，節省鍋爐燃料。

2.2 增大供熱能力

當鍋爐供汽能力低于用汽負荷峰值時，使用蓄熱器可使鍋爐壓力穩定，提高供汽量，避免為滿足用汽峰值需求而額外增加鍋爐，其余時間為維持鍋爐燃燒又會導致散熱損失。

2.3 減少鍋爐故障

裝用蒸汽蓄熱器后，鍋爐負荷穩定，燃燒工況和蒸汽壓力平穩，可以避免發生不良現象。因此，鍋爐檢修工作量減小，維修費用降低，使用壽命延長，這些是短時間內不易確切計算的效益。

2.4 保持供汽壓力穩定

供汽鍋爐配用蒸汽蓄熱器可保持供汽壓力穩定，提高產品的產量或質量。

2.5 保護環境

鍋爐工況穩定后，可以方便地控制風煤比，穩定鼓風引風比，改善燃燒過程，減少因不完全燃燒造成的環境污染。

3 經濟效益

3.1 提高熱效率，節約耗煤

對于用汽的尖峰負荷未超過鍋爐最大產汽量，用汽的波動幅度也未產生不允許的鍋爐壓降幅度和壓降速度，但用汽波動的頻度很高（例如達到每小時四五次以上的頻率）的情況，從節能的觀點考慮，也應該裝用蓄熱器。裝用蓄熱器后，可以使鍋爐工況穩定，避免了頻繁改變工況操作過程中經常出現的跑紅火、冒黑煙和過量空氣系數過大或過小等問題，一般可以節能5%～7%[4]。

我公司參照鍋爐負荷變化與熱效率曲線并結合鍋爐波動情況，增加蓄熱器后至少可提高鍋爐熱效率3%。

節能計算以年蒸汽產量（Q）為234 640 t，耗煤量（M）為61 666 t，原煤發熱量（K）為16 744 kJ·kg-1，蒸汽熱焓（H）為2 794 kJ·kg-1計（下同），改造前鍋爐平均熱效率（η）按下式計算：

以增加蒸汽蓄熱器后提高鍋爐熱效率為3%計，改造后鍋爐熱效率（η′）為66.5%。在保持蒸汽產量不變的情況下，每年節約煤量（ΔM）按下式計算：

計算全年節約原煤2 782 t，以原煤價格為500元·t-1計（下同），則全年節煤價值139.1萬元。

3.2 減少1臺鍋爐運行，降低鍋爐散熱損失

對于平均用汽負荷未超過鍋爐的最大產汽量，但在短時間的尖峰用汽期間需要增加1臺鍋爐運行，而尖峰需汽量并不多且時間又短（例如每天1～2次、每次2～3 h）的情況，適宜裝用蓄熱器。裝用蓄熱器后可以不用每天短時間多運行1臺鍋爐，從而可以取得更大的節能效果[4]。

近3年我公司每年至少有4個月（以120天計）的時間投入1臺35 t·h-1鍋爐和1臺10 t·h-1鍋爐或1臺25 t·h-1鍋爐和2臺10 t·h-1鍋爐運行，增加蒸汽蓄熱器之后可減少1臺10 t·h-1鍋爐運行，只投運1臺35 t·h-1鍋爐或1臺25 t·h-1鍋爐和1臺10 t·h-1鍋爐，節約了1臺10 t·h-1鍋爐運行時的散熱損失。

1臺10 t·h-1鍋爐本身散熱損失率為1.7%[4]，能量損失率約為668 666.6 kJ·h-1，則4個月鍋爐散熱導致的煤耗為114.9 t，散熱損失價值約為5.745 6萬元。

3.3 蓄熱器的散熱損失

容積為100 m3蓄熱器的散熱量為59 000 kJ·h-1[4]，蓄熱器運行1年（以365天計）的熱損失相當于耗煤30.66 t，則蓄熱器年散熱損失價值約1.533萬元。

3.4 運行成本

蒸汽蓄熱器日常管理與一般壓力容器管理相同，不需增加人工管理；消耗水、電量極低，可忽略不計。

3.5 維修成本

蒸汽蓄熱器運行方便，基本不需要維修。

3.6 折舊費用

蒸汽蓄熱器一般可穩定運行20年，年折舊率（γ）按下式計算：

式中，δ為預計凈殘值率，取值5%；S為預計使用壽命，取值20年。則年折舊率為4.75%。以總投資為150萬元計，年折舊費為8.55萬元。

3.7 其他節能因素

多運行1臺10 t·h-1鍋爐時，需要經常壓火，壓火過程中不產生蒸汽，造成的燃煤損失、鍋爐輔機電耗、人工費難以統計，故未納入節能計算。

3.8 投資預算和經濟效益分析

蓄熱器主體為一臥式圓筒形壓力容器，一般用Q325鋼材制造，內部裝有充熱和放熱設備，外部設有人孔、液位計、控制閥門和安全閥門等，設計、制造、安裝費用約150萬元，土建設計和施工費約30萬元，合計180萬元。

綜上所述，使用蒸汽蓄熱器后每年可節約費用計算如下：

由此可見，一年半即可收回投資。

4 結語

由該設計實例可以看出，輪胎廠在蒸汽需求量波動較大的情況下，可考慮采用鍋爐配用蓄熱器的措施。通過蓄熱器的熱能吞吐作用，可以有效提高鍋爐熱效率，節能減排效果明顯，經濟效益顯著。