工業(yè)換熱設(shè)備節(jié)能降耗技術(shù)研究

孟亞惠，馬曉飛

(甘肅省特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測研究院，國家節(jié)能換熱換熱設(shè)備質(zhì)檢中心，甘肅 蘭州 730050)

工業(yè)換熱設(shè)備作為能量系統(tǒng)中使用最廣泛的單元設(shè)備之一，中國在用工業(yè)換熱設(shè)備將近60萬臺，其中石油、化工、冶金、電力四大行業(yè)在用換熱設(shè)備就達(dá)20 萬臺左右，年回收熱量(主要是二次能源)折合標(biāo)準(zhǔn)煤約5.7 億t，但長期以來工業(yè)換熱設(shè)備的節(jié)能是高耗能特種設(shè)備節(jié)能工作中的一塊“硬骨頭”，節(jié)能監(jiān)管工作并未取得有效發(fā)展。工業(yè)換熱設(shè)備運(yùn)行的高效性、合理性和可靠性直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量、數(shù)量和經(jīng)濟(jì)成本以及能源的消耗量。

近十幾年來，鍋爐能效評價(jià)方面出臺了GB/T10184-2015 《電站鍋爐性能試驗(yàn)規(guī)程》、GB/T10180-2003 《工業(yè)鍋爐熱工性能試驗(yàn)規(guī)程》、TSG G00 03-2010《工業(yè)鍋爐能效測試與評價(jià)規(guī)則》、TSG G0002-2010《鍋爐節(jié)能技術(shù)監(jiān)督管理規(guī)程》等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。然而，同樣屬于高耗能特種設(shè)備的換熱壓力容器能效評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)僅有《TSGR0010-2019 熱交換器能效測試與評價(jià)規(guī)則》，且僅針對為板式熱交換器。為了加強(qiáng)對高耗能工業(yè)換熱設(shè)備的管理，規(guī)范工業(yè)換熱設(shè)備的設(shè)計(jì)、制造和使用管理工作，全面提高工業(yè)換熱設(shè)備的能效水平，滿足《特種設(shè)備安全法》和《高耗能特種設(shè)備節(jié)能監(jiān)督管理辦法（國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局令第116 號）》關(guān)于“節(jié)能環(huán)保”的工作原則，研究工業(yè)換熱設(shè)備節(jié)能降耗技術(shù)就顯得尤為重要。

1 能效評價(jià)指標(biāo)

熱交換器能效評價(jià)指標(biāo)眾多，其中大多數(shù)指標(biāo)以熱交換器的熱工性能為基礎(chǔ)，只有少數(shù)指標(biāo)考慮熱交換器的經(jīng)濟(jì)性能。從熱力學(xué)角度出發(fā)，可分為熱力學(xué)第一定律的評價(jià)指標(biāo)、熱力學(xué)第二定律的評價(jià)指標(biāo)和熱經(jīng)濟(jì)學(xué)評價(jià)指標(biāo)三類，見表1。

其中，張延豐等人[1]提出了一種能效評價(jià)指標(biāo)EEI(=k/△pn,總傳熱系數(shù)k 與壓力梯度△p)，該指標(biāo)反映了熱交換器的固有能效屬性，代表熱交換器消耗單位折合流動壓降獲得的傳熱系數(shù)。當(dāng)溫差與流體流量相同時(shí)，對于相同換熱面積和相同流體流動長度的熱交換器而言，能效指標(biāo)EEI 越大，消耗單位折合泵功獲得的熱流量越大。通過大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到了我國板式熱交換器能效指標(biāo)k/△p0.31與總體能效分布f(x)=N(191.2,22.12)，據(jù)此可對我國板式熱交換器進(jìn)行定量能效評價(jià)與能效水平劃分。該方法已被納入NB/T 47004.1-2017《板式熱交換器第1 部分：可拆卸板式熱交換器》和TSG R0010-2019《熱交換器能效測試與評價(jià)規(guī)則》，為劃分板式熱交換器能效水平提供了依據(jù)。

2 設(shè)計(jì)與選型節(jié)能

2.1 設(shè)計(jì)節(jié)能

工業(yè)換熱設(shè)備的設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮節(jié)能降耗原則：（1）充分考慮換熱設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性，合理選材，合理確定結(jié)構(gòu)尺寸；（2）優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高換熱效率，滿足能效要求；（3）對有保溫或者保冷要求的換熱設(shè)備，要在設(shè)計(jì)文件中提出有效的保溫或者保冷措施；（4）同時(shí)滿足換熱設(shè)備允許壓力降和傳熱系數(shù)的要求；（5）換熱設(shè)備在設(shè)計(jì)上盡量選用高效傳熱元件來強(qiáng)化傳熱；（6）設(shè)計(jì)時(shí)，宜采用以減小流體流動阻力、減少傳熱死區(qū)、減少管子的誘導(dǎo)震動，強(qiáng)化熱交換器換熱能力，提高換熱設(shè)備使用壽命。

表1 不同性能指標(biāo)對比[2]

2.2 選型節(jié)能

所選擇的換熱設(shè)備應(yīng)滿足以下特點(diǎn)：具有較高的傳熱系數(shù)、較低的壓力降、重量輕且能承受操作壓力、有可靠的使用壽命、產(chǎn)品質(zhì)量好、操作安全可靠、所使用的材料與過程流體相容；設(shè)計(jì)計(jì)算方便、制造簡單、安裝容易、易于維護(hù)和維修。

基本的選擇標(biāo)準(zhǔn)如下：（1）換熱設(shè)備需要能夠抗工作環(huán)境和介質(zhì)腐蝕，并且具有合理的抗結(jié)垢性能；（2）換熱設(shè)備容易清理，對于易腐蝕、強(qiáng)振動等破壞的元件應(yīng)便于更換；（3）換熱設(shè)備應(yīng)具有經(jīng)濟(jì)性，選用時(shí)應(yīng)綜合考慮熱交換器的設(shè)計(jì)成本、制造成本、安裝費(fèi)用、維護(hù)費(fèi)用等，應(yīng)使換熱設(shè)備盡可能地經(jīng)濟(jì)。

換熱設(shè)備的選型應(yīng)考慮下列因素：（1）合理選擇型式及基本參數(shù)，滿足傳熱、安全可靠性及能效要求；（2）考慮經(jīng)濟(jì)性，合理選材；（3）滿足熱交換器安裝、操作、維修等要求。

3 制造與安裝節(jié)能

3.1 制造節(jié)能

（1）屬于高耗能特種設(shè)備的熱交換器應(yīng)進(jìn)行產(chǎn)品能效測試（適用于批量制造的熱交換器），同型號的只進(jìn)行一次定型產(chǎn)品能效測試；

（2）能效測試符合相關(guān)要求時(shí)，熱交換器監(jiān)督檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)出具合格的監(jiān)督檢驗(yàn)報(bào)告，合格的定型產(chǎn)品能效測試報(bào)告作為熱交換器出廠的資料。

3.2 安裝節(jié)能

（1）工業(yè)換熱設(shè)備安裝時(shí)，應(yīng)按照相應(yīng)安全技術(shù)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)或者出廠文件的要求配備、安裝輔機(jī)設(shè)備和能效監(jiān)控裝置、能源計(jì)量器具等；

（2）工業(yè)換熱設(shè)備的安裝、改造、維修，不得降低產(chǎn)品及其系統(tǒng)的原有能效指標(biāo)；

（3）工業(yè)換熱設(shè)備及其附屬設(shè)備和熱力管道的保溫應(yīng)符合GB151 的要求；

(4) 新安裝工業(yè)換熱設(shè)備的輔機(jī)應(yīng)選用符合最新國家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求的高效節(jié)能產(chǎn)品。

4 改造節(jié)能

工業(yè)換熱設(shè)備的節(jié)能改造應(yīng)執(zhí)行相關(guān)法律、法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的要求，其附屬設(shè)備和熱力管道的保溫應(yīng)符合GB/T 4272 的要求，應(yīng)采用蓄熱式、預(yù)熱式、余熱節(jié)能器、污水回收和冷凝水回收利用等技術(shù)提高節(jié)能效果。

5 管理節(jié)能

工業(yè)換熱設(shè)備使用單位應(yīng)借助現(xiàn)場測試得到熱交換器的污垢熱阻，根據(jù)熱交換器的結(jié)垢情況進(jìn)行清洗以維持熱交換器的換熱性能。

5.1 經(jīng)濟(jì)運(yùn)行

1）使用單位應(yīng)定期維護(hù)能效監(jiān)控裝置、能源計(jì)量器具，并記錄相關(guān)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行數(shù)據(jù)；

2）使用單位應(yīng)當(dāng)建立健全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、能效計(jì)量監(jiān)控與統(tǒng)計(jì)、能效考核等節(jié)能監(jiān)管制度和崗位責(zé)任制度；

3）使用單位應(yīng)當(dāng)開展節(jié)能教育和培訓(xùn)，不斷提高作業(yè)人員的節(jié)能意識和操作水平，確保熱交換器安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行；

4）使用單位應(yīng)定期檢查換熱設(shè)備及管道附件的絕熱層是否完好，如發(fā)現(xiàn)有破損、脫落等情況，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行維護(hù)，必要時(shí)委托第三方檢測機(jī)構(gòu)對換熱設(shè)備的保溫效果進(jìn)行測試評價(jià)；

5）非工藝要求，如果換熱設(shè)備保溫表面溫度超過50℃或保冷表明出現(xiàn)冷凝水時(shí)，使用單位應(yīng)委托第三方檢測機(jī)構(gòu)對換熱設(shè)備的保溫保冷效果進(jìn)行測試評價(jià)，并根據(jù)測試評價(jià)結(jié)果進(jìn)行整改；

6）應(yīng)監(jiān)視換熱設(shè)備的振動和噪音，防止流體誘發(fā)振動引起的失效；

7）對涂敷防腐層的換熱設(shè)備，在操作運(yùn)行或吹掃時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制溫度，防止防腐涂層損壞失效。

5.2 介質(zhì)流向節(jié)能

1）蒸發(fā)或汽化的流體和冷凝液化的流體，宜走殼程，水蒸汽及熱載體宜走管程，以提高傳熱效率和減少壓力損失；

2）易結(jié)垢的流體、高溫介質(zhì)宜走管程，但易結(jié)垢的流體應(yīng)避免走U 型管；有沉淀物或夾雜物的介質(zhì)、大流量的氣體宜走殼程；

3）具有腐蝕的流體宜走管程。如果是具有腐蝕性的流體走殼程，則殼程必須使用耐腐蝕材料制造；若腐蝕性流體走管程時(shí)，則管程要采用耐腐蝕材料。

5.3 維護(hù)節(jié)能

1）工業(yè)換熱設(shè)備宜在工藝設(shè)計(jì)文件規(guī)定的負(fù)荷下運(yùn)行，運(yùn)行期間應(yīng)監(jiān)測、記錄換熱設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)，評定換熱設(shè)備的工藝性能和結(jié)垢程度；

2）當(dāng)傳熱與阻力降偏離設(shè)計(jì)值過大，或不能滿足工藝系統(tǒng)要求時(shí)，使用單位應(yīng)根據(jù)介質(zhì)特性和換熱設(shè)備的結(jié)構(gòu)，選擇有效的方法進(jìn)行清洗污垢，恢復(fù)換熱設(shè)備的工藝性能；

3）使用單位發(fā)現(xiàn)換熱設(shè)備傳熱效果不良時(shí)，應(yīng)自行或委托第三方現(xiàn)場測試得到換熱設(shè)備的污垢熱阻，根據(jù)換熱設(shè)備的結(jié)垢情況進(jìn)行清洗以維持換熱設(shè)備的換熱性能。

6 節(jié)能降耗技術(shù)方面存在的問題

1）節(jié)能降耗技術(shù)尚在起步階段。由于歷史原因，我國對高耗能特種設(shè)備能效的監(jiān)管逐漸弱化，甚至取消。沒有建立有效的市場準(zhǔn)入與退出機(jī)制，更無法對高耗能特種設(shè)備實(shí)施設(shè)計(jì)、制造、安裝、維修、改造、使用、檢驗(yàn)檢測全過程的節(jié)能監(jiān)管。在大力提倡節(jié)能減排的歷史背景下，重新修訂的《節(jié)約能源法》和《特種設(shè)備安全監(jiān)察條例》明確要求對高耗能特種設(shè)備實(shí)行節(jié)能監(jiān)管。高耗能特種設(shè)備節(jié)能監(jiān)管體系的建立剛剛起步，必須加快推進(jìn)，才能促進(jìn)節(jié)能降耗技術(shù)的發(fā)展；

2）節(jié)能法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)不完善。目前高耗能特種設(shè)備節(jié)能法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)尚處于起步階段。工業(yè)換熱設(shè)備現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)側(cè)重安全性能，無節(jié)能技術(shù)規(guī)范；

3）企業(yè)節(jié)能意識不強(qiáng)。由于我國能源價(jià)格偏低，能源消費(fèi)成本占生產(chǎn)總成本的比重較小，作為節(jié)能主體的壓力容器生產(chǎn)和使用企業(yè)普遍缺乏節(jié)能動力，對節(jié)能重要性缺乏足夠的認(rèn)識，節(jié)能優(yōu)先的方針沒有落到實(shí)處。設(shè)計(jì)、制造、使用單位節(jié)能意識亟待提高，節(jié)能方面投入嚴(yán)重不足；

4）節(jié)能服務(wù)機(jī)構(gòu)培育發(fā)展不足。特種設(shè)備節(jié)能服務(wù)市場尚未形成，對節(jié)能服務(wù)機(jī)構(gòu)鼓勵培育不夠，促進(jìn)節(jié)能服務(wù)機(jī)構(gòu)發(fā)展的政策體系不完善，社會和使用單位對節(jié)能服務(wù)認(rèn)識不足，現(xiàn)有節(jié)能服務(wù)機(jī)構(gòu)起點(diǎn)低、底子薄、能力弱，節(jié)能服務(wù)領(lǐng)域和范圍還比較窄，難以滿足市場對特種設(shè)備節(jié)能咨詢、設(shè)計(jì)、評估、檢測、審計(jì)、認(rèn)證等服務(wù)的需要；

5）節(jié)能監(jiān)管技術(shù)支撐條件不足。工業(yè)換熱設(shè)備節(jié)能必須依靠技術(shù)進(jìn)步，需要技術(shù)機(jī)構(gòu)的技術(shù)支撐。但目前檢驗(yàn)檢測機(jī)構(gòu)的人員技術(shù)素質(zhì)、設(shè)備條件等難以完全適應(yīng)節(jié)能技術(shù)推廣工作的開展，制約了高耗能特種設(shè)備節(jié)能技術(shù)工作的推進(jìn)。