基于Excel平臺的工業(yè)企業(yè)蒸汽平衡方法

馬 輝

（中國石化集團上海工程有限公司，上海 200120）

在工業(yè)企業(yè)中，蒸汽平衡的內(nèi)容不僅僅是單純的蒸汽，而是包括了除鹽水、凝結(jié)水、鍋爐給水等其它所有熱工介質(zhì)的平衡，特別是在具有復雜蒸汽系統(tǒng)的大型企業(yè)中，蒸汽平衡結(jié)果對企業(yè)運行的經(jīng)濟性影響尤其重要。

由蒸汽鍋爐、余熱鍋爐或其他蒸汽發(fā)生設備產(chǎn)生的蒸汽，通過管網(wǎng)送至工業(yè)企業(yè)的各個生產(chǎn)裝置或生活用汽設備，用以加熱工藝介質(zhì)，驅(qū)動各類機泵，或作為工藝原料參與化學反應，以及用來吹掃、抽真空和采暖等。在使用過程中，能回收的蒸汽凝結(jié)水經(jīng)檢測和適當?shù)奶幚砗螅瑓R同補充軟水或脫鹽水回到除氧器重新投入使用[1]。這種以蒸汽和水為工質(zhì)，實現(xiàn)全廠或裝置的熱量平衡、能量平衡和質(zhì)量平衡的系統(tǒng)稱為工業(yè)企業(yè)蒸汽系統(tǒng)，也稱為熱力系統(tǒng)。蒸汽系統(tǒng)設計的過程，也稱為蒸汽平衡，它的目的是使工業(yè)企業(yè)中不同耗能單元的供熱和余熱利用系統(tǒng)達到優(yōu)化，使其產(chǎn)品能耗和成本最低。蒸汽平衡的方法很多，簡單的蒸汽系統(tǒng)可以使用手工計算，復雜的系統(tǒng)可以使用ASPEN等軟件計算，但它們相較于使用Excel軟件，前者效率較低，后者建立計算模型復雜，并且蒸汽系統(tǒng)中使用的很多經(jīng)驗數(shù)據(jù)較難被軟件采用，計算結(jié)果也不容易收斂。筆者在實際工作中，總結(jié)了幾個項目蒸汽平衡過程中的思路，在Excel軟件平臺上，編制了蒸汽系統(tǒng)的計算模型，完成蒸汽平衡和關鍵數(shù)據(jù)的計算。

1 建立蒸汽系統(tǒng)的基礎

1.1 蒸汽系統(tǒng)中熱工工質(zhì)的種類

在一個完整的工業(yè)企業(yè)蒸汽系統(tǒng)中，熱工工質(zhì)將包括：蒸汽、鍋爐給水、除鹽水、蒸汽凝結(jié)水等。按照蒸汽輸送管網(wǎng)壓力的不同，蒸汽又將分成幾個等級，一般將不超過四個。在石化行業(yè)中，蒸汽管網(wǎng)壓力等級的命名與電力行業(yè)有所不同，見表1。在蒸汽平衡時，如果蒸汽由熱電廠供入，需要對蒸汽參數(shù)進行復核，確保輸入的蒸汽滿足企業(yè)的需求。蒸汽凝結(jié)水一般分成三種：透平凝結(jié)水、清潔凝結(jié)水、可疑凝結(jié)水，前兩種可視為同一種水質(zhì)，采用同一種凝水處理方法，第三種一般是工藝換熱器排出的凝結(jié)水，需要單獨處理。

表1 電力、石化行業(yè)蒸汽等級命名對比

1.2 全廠熱工工質(zhì)統(tǒng)計

收集全廠各單元的熱工工質(zhì)消耗數(shù)據(jù)，根據(jù)其參數(shù)確定其所屬的等級，并分類匯總。匯總過程中，應遵守以下原則：當出現(xiàn)某個單元熱工工質(zhì)參數(shù)與總體管網(wǎng)的參數(shù)不同時，如果是由總體向單元供應，則將它歸到上一等級管網(wǎng)；如是由單元向總體送，則應歸到下一等級。全廠熱工工質(zhì)統(tǒng)計數(shù)據(jù)是工廠建設供熱設施的基礎，根據(jù)各單項熱工工質(zhì)的總計量，可初步確定動力中心的鍋爐和汽輪機的規(guī)模。

1.3 物性數(shù)據(jù)

由于蒸汽系統(tǒng)的平衡涉及到熱平衡和物料平衡，僅有匯總的熱工工質(zhì)消耗量是難以完成整個工廠系統(tǒng)蒸汽平衡的。因此，在進行平衡計算時，需要列出各工、質(zhì)的參數(shù)，至少需要列出壓力、溫度、比焓、比容等，供計算模型調(diào)取。蒸汽的物性數(shù)據(jù)一般采用管網(wǎng)公稱壓力、溫度下的數(shù)據(jù)。鍋爐給水的物性參數(shù)取決于鍋爐或余熱鍋爐的進水要求，選定給水溫度后再定壓力及焓值。返回的凝結(jié)水焓的取值要根據(jù)工廠設計的總體規(guī)定決定，一般取最低級蒸汽管網(wǎng)壓力下的飽和水參數(shù)，或者取100℃下的飽和水參數(shù)。新鮮脫鹽水按照20℃取值。這些數(shù)據(jù)集中匯總在“物性數(shù)據(jù)區(qū)”，以方便計算過程中調(diào)用。

2 計算過程

按照蒸汽平衡的計算過程，筆者編制了一個表格，見表2，根據(jù)這個表格的內(nèi)容，按照下文的說明，可以比較順利完成工廠蒸汽平衡。

2.1 原始數(shù)據(jù)錄入

表2 蒸汽平衡模型格

收集各用汽單元的各種熱工工質(zhì)消耗量，填入表中相應的位置。在數(shù)據(jù)錄入時規(guī)定，數(shù)值前加負號表示該數(shù)值為單元向總體輸出，否則表示單元的消耗量。在“總計”欄目中對每種工質(zhì)作累加，累加使用“SUMIF（）”功能，條件為“>0”，累加得出的數(shù)據(jù)為工廠某種熱工工質(zhì)的消耗總量。在“和值”一行內(nèi)對各單元的數(shù)據(jù)做累加，使用“SUM（）”命令，平衡結(jié)束時，該數(shù)值應該為“0”，表示該種工質(zhì)的供應量、消耗量一致，沒有短缺或富余。

在項目的前期階段，由于設備尚未完成詢價，故某些工業(yè)汽輪機驅(qū)動的機泵，如：循環(huán)水泵、鍋爐的風機及給水泵等的耗汽量未能準確提供，需要執(zhí)行蒸汽平衡的工程師估算。筆者在計算區(qū)域內(nèi)設置泵機蒸汽耗量的計算公式，根據(jù)機泵的計算軸功率，換算到相應的蒸汽用量，計算公式見公式（1）。

式中：G指汽輪機的耗汽量（kg/h）；N指機泵所需的軸功率（kW）；Ht指蒸汽在汽輪機中的等墑焓差（kJ/kg）；TSR指理論汽耗率（kg/(kW·h)）；ASR指實際汽耗率（kg/(kW·h)）；ηgn指汽輪機相對內(nèi)效率（%）；ηgj指機械效率（%）。使用公式（1）時，由于等墑焓差較難求出，一般使用實際汽耗率這項來求汽耗量，即ASR = 3600/（hj- hc），hj和hc分別指汽輪機實際的進出口焓值，在“物性數(shù)據(jù)區(qū)”內(nèi)引用。機械效率則應按照軸功率的不同，分別取值。

原始數(shù)據(jù)錄入完成后，根據(jù)“和值”和“總計”欄內(nèi)的數(shù)據(jù)，可以基本估算出需要動力中心提供的各種工質(zhì)數(shù)量，以及動力中心所需的供熱設備規(guī)模。當“和值”行內(nèi)的數(shù)據(jù)大于零時，該值表示系統(tǒng)內(nèi)還缺“和值”格內(nèi)所顯示的供應量；小于零時，表示系統(tǒng)內(nèi)應增加耗汽設備，消耗掉“和值”格內(nèi)顯示的蒸汽量。

2.2 動力中心內(nèi)部平衡計算

原始數(shù)據(jù)錄入完成后，在“和值”行內(nèi)顯示各種需要動力中心提供，或者需要動力中心接收的各種工質(zhì)的量，動力中心依據(jù)這個數(shù)據(jù)確定各系統(tǒng)規(guī)模。蒸汽系統(tǒng)的平衡，最終轉(zhuǎn)化為動力中心的平衡。

2.2.1 凝結(jié)水平衡

動力中心內(nèi)部的平衡，首先應完成凝結(jié)水的平衡。一般大型企業(yè)中，回收的凝結(jié)水都需經(jīng)過處理，然后作為除鹽水回用到蒸汽系統(tǒng)中。在“凝2”和“凝3”格內(nèi)填入數(shù)據(jù)，直到“和7”和“和8”欄內(nèi)分別為零，填入的數(shù)據(jù)表示從系統(tǒng)中回收的凝結(jié)水量?！澳?”格內(nèi)填入處理合格后的凝結(jié)水量，該格內(nèi)數(shù)據(jù)應為負值，表示向系統(tǒng)輸入除鹽水?？紤]凝水處理處理過程中的損失，“凝1”格內(nèi)數(shù)據(jù)應等于 “凝2”和“凝3”總量的95%～98%?！澳?”格內(nèi)填入凝結(jié)水站的排放量，數(shù)值上等于“凝1”～“凝3”的代數(shù)和。

2.2.2 除鹽水平衡

除鹽水站對系統(tǒng)的補水量計算應在凝結(jié)水回收計算后進行。在“除2”格內(nèi)，除氧器的耗水量是一個變量，隨除氧器熱平衡計算不斷變化，最終的數(shù)值應該是除氧器熱平衡和物料平衡的結(jié)果，在計算時，使它等于計算區(qū)內(nèi)除氧器計算結(jié)果的“除鹽水補充量JQm”。所有耗水裝置水量填完后，在“鹽1”內(nèi)填入數(shù)據(jù)，使“和5”格內(nèi)數(shù)據(jù)為零，“鹽1”格數(shù)據(jù)即為除鹽水站的輸出數(shù)量，除鹽水站的設計規(guī)模就可以根據(jù)這個量來確定。

2.2.3 蒸汽平衡

蒸汽平衡按照參數(shù)“先中間，后兩頭”的原則進行。動力中心的機泵用汽，主要指鍋爐風機、給水泵的驅(qū)動透平用汽，一般進汽采用高壓或者中壓參數(shù)，排汽采用中壓或者低壓參數(shù)，耗汽量可以按照公式（1）計算。在平衡開始階段，可以根據(jù)“總計”行內(nèi)的數(shù)量，估算一個鍋爐、汽輪機規(guī)模，然后計算機泵耗汽量，填入“動1”～“動3”。動力中心自用汽指汽輪機回熱用汽、燃料霧化用汽、軸封用汽等，工程師可以視需要在表2中每項單獨成行，或者將各項代數(shù)和填入“自1”～“自4”。自用汽的計算方法可以參照《中小型熱電聯(lián)產(chǎn)工程設計手冊》[2]第5-3章節(jié)計算?！皳p失”行內(nèi)的數(shù)據(jù)，表示該蒸汽管網(wǎng)的正常汽水損失，一般按照“總計”行1%～3%計算，視蒸汽參數(shù)和平衡的結(jié)果取值。在蒸汽系統(tǒng)中，高中壓蒸汽系統(tǒng)中的供汽一般都由動力中心供熱汽輪機抽汽提供，因此，在“汽2”和“汽3”格內(nèi)填入抽汽量數(shù)據(jù)，使“和2”和“和3”格內(nèi)為零。汽輪機抽汽量決定后，基本可以確定汽輪機的型號，然后在“汽4”格內(nèi)填入汽輪機的凝汽量。抽凝式汽輪機的最小凝汽量一般在額定進汽量的8%～12%左右，筆者建議在填寫“汽4”格時，凝水量要保持不小于20%，增加供汽的靈活性?！捌?”格內(nèi)為汽輪機輸入量，使用“SUM”命令，求和“汽2”～“汽4”，但需要注意汽輪機進汽應為正值。如果供熱汽輪機使用的是背壓機，則凝汽量可填零。超高壓蒸汽消耗量統(tǒng)計完成后，需要在“鍋1”填入鍋爐的發(fā)汽量，使“和1”為零。在填鍋爐發(fā)汽量時，需要調(diào)整“損1”，使其滿足汽水損失的百分比要求。填完“鍋1”，再填鍋爐給水量“鍋2”，它應等于鍋爐發(fā)汽量加上鍋爐正常汽水損失和排污量，損失率和排污率可按照《火力發(fā)電廠化學設計技術規(guī)程》的規(guī)定取值。

2.2.4 除氧器的計算及低壓蒸汽平衡

高等級蒸汽完成后，最后完成低壓蒸汽平衡，這是蒸汽平衡中最重要的環(huán)節(jié)，一個良好的蒸汽平衡，應該是各單元優(yōu)化的低壓蒸汽排放量和消耗量和值為零，系統(tǒng)沒有需要使用循環(huán)冷卻水或空冷來冷凝回收的蒸汽量，也沒有從上一級來的減壓蒸汽，管網(wǎng)間減壓閥旁路的正常流量除外。一個蒸汽系統(tǒng)中，低壓蒸汽除用作工藝設備的加熱、管線伴熱之外，最大的用戶是動力中心的熱力除氧器，工藝裝置及公用工程排出的低壓蒸汽最后都將輸入除氧器回收。除氧器的計算應通過熱平衡和物料平衡來進行，一般情況下，按照公式（2）、公式（3）計算。

式中： JQm表示根據(jù)假設的“除1”格內(nèi)的蒸汽量計算得到的除鹽水補給水量；Qbfw表示鍋爐給水量，等于“總6”格內(nèi)數(shù)據(jù)；Qf為其他用途的除氧水；Qex表示除氧器排汽量，它等于[（Qbfw+Qf）× αd]；Qss表示動力中心回收的疏水；JQg表示假設的除氧器耗汽量，它等于“除1”的數(shù)據(jù)；Qn表示直接進除氧器回收的凝結(jié)水；Dlpz表示連排的閃蒸汽量；Hds表示除氧水熱焓；αd表示除氧器排汽蒸汽損失率，一般按照1～3 kg/t除氧水計算；Hdz除氧器排汽熱焓；ηd除氧器熱效率，可取98%計算；Hsx表示除氧器加熱用汽熱焓，如果加熱蒸汽為高等級減壓到低壓蒸汽的，可取高等級蒸汽的焓值；Hn直接進除氧器的凝結(jié)水焓值；Hm進除氧器補給水熱焓；Hlpz連排閃蒸汽焓。在計算時，物料流量都應按正值代入公式計算，表示輸出的負號不應在公式中采用。

計算除氧器時，先在“除1”中假設耗汽量，然后根據(jù)公式（2）就算得出需要補充的除鹽水量JQm，再將它代入公式（3），計算Dg，直到“除1”格內(nèi)的數(shù)據(jù)與Dg偏差小于0.2%。Dlpz的計算可放在計算區(qū)內(nèi)進行，同樣，用物料平衡和熱量平衡兩個公式計算，使“連1”等于連排的閃蒸汽排量，閃蒸汽量計算這里不做介紹，可參照《熱能工程設計手冊》中的公4-29計算。

2.2.5 平衡優(yōu)化

除氧器計算完成后，需要觀察“和4”的值，如果它大于零，表示低壓蒸汽供汽量偏少，需要減溫減壓器從上級蒸汽管網(wǎng)降參數(shù)引入蒸汽。在“減4”格內(nèi)填入數(shù)據(jù)，使“和4”的值為零。在計算區(qū)內(nèi)建立減溫減壓器的計算模型，以“減4”格內(nèi)的數(shù)據(jù)為輸出值，計算出上一級蒸汽及鍋爐給水的量，分別引入“減3”和“減5”。如果有幾個等級都需要使用減溫減壓器來提供蒸汽，筆者建議每臺減溫減壓器單獨設一行，方便它們的計算結(jié)果引入?yún)R總表計算?；蛘咄ㄟ^調(diào)整用汽單元的用汽量來彌補蒸汽的短缺，比如：增加透平泵的數(shù)量等。如果它小于零，表示低壓蒸汽有富余，需要冷凝回收或者排入大氣。但是這樣的回收方法能源利用效率太低，比較合理的方式是減少透平泵的使用；升高某些背壓透平的排汽參數(shù)，使低壓蒸汽供汽量減少；提高工藝裝置余熱回收蒸汽的等級等。在采用這些方法時，需要考慮到合理性，如果出現(xiàn)大量的降參數(shù)使用蒸汽，說明該系統(tǒng)使用減溫減壓器補充供應量并不合適，需要調(diào)整供需雙方的數(shù)據(jù)。如果采用改變背壓透平排汽方式可以較快的滿足蒸汽平衡，那需要注意單元內(nèi)供排汽方式的合理性。一般在一個泵組內(nèi)，它的進排汽參數(shù)都是一樣的，我們不能因為更改透平泵組中的一臺就可以滿足平衡，就采用修改排汽參數(shù)的方法來完成蒸汽的平衡。

3 結(jié)論

在Excel平臺上，通過上述方法建立的蒸汽平衡數(shù)學模型，就可以清晰的分析出整個系統(tǒng)中各個單元的各項熱工工質(zhì)的使用情況，方便的計算出工廠水汽的損失部位及損失量。蒸汽平衡是一項復雜的工作，針對不同的工藝裝置生產(chǎn)工況，需要做出許多平衡的方案，每種方案又有幾種,采用Excel平臺搭建數(shù)學模型，它可以隨著模型中某一個參數(shù)的變化而對整個平衡自動重新計算，工程師可以很快的發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中存在的問題。軟件自動重算后，人工修改關鍵數(shù)據(jù)使系統(tǒng)重新平衡，可以提醒工程師對熱工處理設備的規(guī)模做出修改。

筆者在幾個項目的工作中，驗證了這個方法的實用性，本文的目的是希望這種方法能提供給同行共享，并希望得到同行的斧正。

[1] 化工部熱工設計技術中心站. 熱能工程設計手冊[M]. 北京：化學工業(yè)出版社，1998.

[2] 《中小型熱電聯(lián)產(chǎn)工程設計手冊》編寫組. 中小型熱電聯(lián)產(chǎn)工程設計手冊[M]. 北京：中國電力出版社, 2006.