凝結(jié)水回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的問題分析及對(duì)策

劉昌魁 王光華 林麗紅

摘 要：在工業(yè)企業(yè)中，對(duì)蒸汽產(chǎn)生的凝結(jié)水進(jìn)行回收，是一種非常重要的節(jié)能措施。但在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中存在割裂系統(tǒng)、設(shè)備選型和系統(tǒng)不匹配等諸多問題，造成凝結(jié)水回收系統(tǒng)不能完全發(fā)揮作用，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益大打折扣。本文基于調(diào)查研究的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新地提出了凝結(jié)水回收系統(tǒng)應(yīng)包括收集儲(chǔ)存輸送、處理和利用等三個(gè)部分，對(duì)目前凝結(jié)水回收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作中經(jīng)常出現(xiàn)的問題進(jìn)行了分析，有針對(duì)性地從工藝安全、就地利用、梯級(jí)利用、統(tǒng)籌規(guī)劃、負(fù)荷平衡等方面提出了應(yīng)對(duì)策略。

關(guān)鍵詞：凝結(jié)水；回收系統(tǒng)；設(shè)計(jì)；問題分析；對(duì)策

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

0 引言

在工業(yè)生產(chǎn)中，蒸汽作為一種重要的能源，有著非常廣泛的應(yīng)用。蒸汽在相變時(shí)可以放出巨大的潛熱，用來加熱物料，促進(jìn)物料的化學(xué)反應(yīng)或物理變化；也可以利用蒸汽的壓力能，推動(dòng)汽輪機(jī)或其他動(dòng)力設(shè)備做功。在釋放出潛熱后，蒸汽由汽態(tài)轉(zhuǎn)化為液態(tài)，這些液態(tài)的水就是蒸汽凝結(jié)水，一般簡稱為凝結(jié)水。凝結(jié)水具有一定的顯熱，特別是溫度較高的凝結(jié)水，其蘊(yùn)含的熱能是相當(dāng)大的[1]，如120℃的凝結(jié)水，和25℃的常溫水相比較，大約7t的凝結(jié)水和1t低壓蒸汽的可利用的熱能相當(dāng)，所以對(duì)凝結(jié)水的回收利用具有必要性。隨著節(jié)能減排意識(shí)的逐漸深入，現(xiàn)在項(xiàng)目建設(shè)中，大多會(huì)設(shè)計(jì)凝結(jié)水回收系統(tǒng)作為一種節(jié)能措施。但由于目前凝結(jié)水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中涉及到工藝、熱工、暖通、制冷、給排水、水處理等多個(gè)專業(yè)，運(yùn)用到工程熱力學(xué)、流體力學(xué)和傳熱學(xué)等多方面的知識(shí)，尚未形成設(shè)計(jì)規(guī)范和統(tǒng)一的技術(shù)要求，往往各做各的，無法統(tǒng)籌考慮，產(chǎn)生了凝結(jié)水高質(zhì)低用、管道“水擊”、閃蒸汽無法利用、系統(tǒng)憋壓等諸多問題，致使凝結(jié)水回收系統(tǒng)無法有效地發(fā)揮作用。

1 凝結(jié)水回收系統(tǒng)的界定

根據(jù)一般系統(tǒng)論創(chuàng)始人貝塔朗菲的定義，系統(tǒng)是“相互聯(lián)系相互作用的諸元素的綜合體”[2]。作為一個(gè)系統(tǒng)，凝結(jié)水回收系統(tǒng)應(yīng)包括諸多功能單元，可以從兩個(gè)層次來描述：從狹義上，是指凝結(jié)水的收集、儲(chǔ)存和加壓輸送，這也是目前大多數(shù)文獻(xiàn)和從業(yè)者對(duì)此的理解；從廣義的角度，凝結(jié)水回收系統(tǒng)應(yīng)包括收集儲(chǔ)存輸送、處理和利用，即除了狹義上的范圍，還應(yīng)包括凝結(jié)水的處理和利用單元。因?yàn)槟Y(jié)水回收來是為了利用的，但往往由于回收的凝結(jié)水達(dá)不到利用的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，需要進(jìn)行深一步的凈化處理，這樣回收→處理→利用，就組成了一個(gè)有機(jī)的系統(tǒng)。

2 目前設(shè)計(jì)中存在的問題

2.1 只注重設(shè)備，不關(guān)心系統(tǒng)

對(duì)于凝結(jié)水回收系統(tǒng)，有些設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)時(shí)往往會(huì)片面地注重設(shè)備的配置和功能，卻幾乎很少關(guān)注相對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)，不深入研究上游的用汽設(shè)備和下游用水點(diǎn)的工作特點(diǎn)，造成設(shè)備和系統(tǒng)不匹配，整個(gè)凝結(jié)水系統(tǒng)運(yùn)行不良，進(jìn)而影響設(shè)備的運(yùn)行效果。如某工藝裝置有多臺(tái)用汽設(shè)備，即多個(gè)凝結(jié)水疏水點(diǎn)，操作壓力差別較大，卻要求進(jìn)入同一回收管路，造成低壓凝結(jié)水無法匯入總管。還有的回收點(diǎn)有大量閃蒸汽，需要外送到其他用汽設(shè)備，但設(shè)計(jì)時(shí)沒有考慮，只能直接外排到大氣中，造成資源的浪費(fèi)和環(huán)境的污染。還有的沒有考慮凝結(jié)水回收設(shè)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(shè)備的加熱效果[3]。需要把用汽設(shè)備、疏水閥（或調(diào)節(jié)閥）、凝結(jié)水管線和回收設(shè)備等作為一個(gè)整體，統(tǒng)籌考慮，詳細(xì)計(jì)算出各種工況和運(yùn)行狀態(tài)，方可選出合適的回收設(shè)備。

2.2 設(shè)備選型和系統(tǒng)工作特性不匹配

傳統(tǒng)的凝結(jié)水設(shè)備選型往往是不考慮凝結(jié)水的溫度，均采用開式回收系統(tǒng)[4]，對(duì)于高溫凝結(jié)水系統(tǒng)，造成閃蒸汽或揮發(fā)汽散逸到大氣中，既造成了熱能的浪費(fèi)，還造成一定的熱污染，廠區(qū)到處冒汽，和目前 “清潔生產(chǎn)”的導(dǎo)向背道而馳。而且還會(huì)造成凝結(jié)水的水質(zhì)降低，無法直接利用。還有的項(xiàng)目中，采用動(dòng)力機(jī)械泵對(duì)凝結(jié)水進(jìn)行加壓，但提供的作為動(dòng)力介質(zhì)的蒸汽或壓縮空氣壓力較低，根本不能提供足夠的揚(yáng)程，造成凝結(jié)水無法輸送。隨著技術(shù)的發(fā)展，目前大多選用閉式回收設(shè)備，該設(shè)備無乏汽排放，避免了以上問題。但并非所有的回收系統(tǒng)都可以采用閉式回收設(shè)備，對(duì)于壓力非常低的凝結(jié)水，是無法使用的。因?yàn)殚]式凝結(jié)水回收罐內(nèi)有一定的壓力，即使采取控制壓力的措施，也可能會(huì)影響提高疏水閥的工作背壓，進(jìn)而影響上游用汽設(shè)備的連續(xù)疏水，甚至?xí)绊懝に囋O(shè)備的運(yùn)行效果。

2.3 凝結(jié)水輸送壓力不平衡

對(duì)于大型石化、化工等企業(yè)，設(shè)計(jì)單位往往采用集中式凝結(jié)水回收系統(tǒng)，這樣可以降低運(yùn)行費(fèi)用，提高管理水平。但也有一定的弊端，因?yàn)楦鞴に囇b置的用汽壓力不同，外送的凝結(jié)水壓力也往往有較大區(qū)別，且并不是外送壓力高的位于凝結(jié)水回收主管的遠(yuǎn)端、壓力低的位于近端，在實(shí)際運(yùn)行中往往會(huì)出現(xiàn)水力不平衡的問題，造成壓力低的凝結(jié)水無法進(jìn)入回收主管。有些設(shè)計(jì)單位就硬性規(guī)定所有凝結(jié)水回收點(diǎn)出界區(qū)壓力一致，這個(gè)壓力值一般是按照最不利的情況來考慮的，但這樣就產(chǎn)生另一種情況：回收設(shè)備中的凝結(jié)水泵大多數(shù)選的揚(yáng)程較高，造成初投資的增加，且實(shí)際運(yùn)行中大多在低效率區(qū)間工作，如果不采取電機(jī)變頻調(diào)速或調(diào)節(jié)閥控制，還可能會(huì)造成電機(jī)過載。

2.4 凝結(jié)水回收管道設(shè)計(jì)問題

高溫凝結(jié)水在輸送過程中，各點(diǎn)的運(yùn)行壓力應(yīng)從輸送管道的末端計(jì)算，而不是從起點(diǎn)計(jì)算。工作點(diǎn)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(shè)備的工作壓力。

h：該點(diǎn)到管道末端的高差，如果末端標(biāo)高低于該點(diǎn)，則h值為正，否則為負(fù)。

ρ：凝結(jié)水的密度。

ν：流體速度。

對(duì)于高溫凝結(jié)水（>100℃），在輸送過程中，當(dāng)某點(diǎn)的工作壓力低于該凝結(jié)水溫度對(duì)應(yīng)的飽和壓力時(shí)，凝結(jié)水就會(huì)在管道內(nèi)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(jié)水回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，沒有考慮高溫凝結(jié)水的兩相流，設(shè)計(jì)的管道管徑過小，致使凝結(jié)水無法順利流通；還有管道設(shè)計(jì)的彎頭過多，在彎頭處容易形成“水擊”現(xiàn)場，造成管道震動(dòng)和異響，嚴(yán)重的還會(huì)損壞法蘭間的墊片，造成泄露，進(jìn)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(jié)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(shí)對(duì)于凝結(jié)水來說，熱能的利用價(jià)值要高于水的回收利用價(jià)值。

3 凝結(jié)水回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)的應(yīng)對(duì)策略

3.1 優(yōu)先就地利用

凝結(jié)水回收作為一項(xiàng)節(jié)能措施，應(yīng)優(yōu)先考慮就地利用。凝結(jié)水蘊(yùn)含著大量的熱能，也是品質(zhì)相對(duì)較高的工業(yè)水，且大多數(shù)工藝裝置需要蒸汽、除鹽水或除氧水、工業(yè)水等，如能用凝結(jié)水代替部分負(fù)荷，可以減少新鮮蒸汽或水的制備和輸送費(fèi)用，將是一舉多得。各裝置產(chǎn)生的凝結(jié)水盡量在本單元內(nèi)利用，可以根據(jù)工藝設(shè)備需求副產(chǎn)閃蒸汽用于物料加熱，以及設(shè)備、管道和儀表伴熱等，水質(zhì)較好的凝結(jié)水也可代替除鹽水或除氧水供工藝設(shè)備使用。確實(shí)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(shè)備的投資，節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用，同時(shí)也方便維護(hù)和管理。

3.2 保證工藝安全

工藝裝置的運(yùn)行安全是凝結(jié)水回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)的首要原則，不應(yīng)本末倒置，為了節(jié)能措施影響工藝裝置的安全穩(wěn)定運(yùn)行。對(duì)于利用凝結(jié)水作為熱源或水源的裝置，應(yīng)設(shè)有備用應(yīng)急措施，以防凝結(jié)水無法供應(yīng)，啟動(dòng)備用方案，不影響工藝裝置的連續(xù)運(yùn)行。有些工藝設(shè)備的疏水壓力較低，就要采取措施控制凝結(jié)水回收罐內(nèi)的操作壓力，不得“憋壓”，影響工藝設(shè)備的連續(xù)疏水。凝結(jié)水回收系統(tǒng)管道設(shè)計(jì)時(shí)，要進(jìn)行水力計(jì)算，防止某個(gè)支路的凝結(jié)水無法進(jìn)入主管道。同時(shí)要考慮電動(dòng)凝結(jié)水泵的防汽蝕措施，可以采用引射增壓的方式，提高設(shè)備的NPSHa（有效汽蝕余量），使NPSHa和凝結(jié)水泵的NPSHr（必需汽蝕余量）的差值大于設(shè)計(jì)規(guī)定值。

3.3 余熱梯級(jí)利用

對(duì)于高溫凝結(jié)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(nèi)。

可以采用多級(jí)閃蒸，并通過蒸汽噴射器、水汽引射器、溴化鋰制冷機(jī)、吸收式熱泵、換熱器等設(shè)備，結(jié)合其他用汽設(shè)備的工藝需求，把凝結(jié)水溫度逐級(jí)降低，做到高質(zhì)高用、低質(zhì)低用。如對(duì)于170℃的凝結(jié)水，可以采用如下流程：高溫凝結(jié)水先輸送到一級(jí)閃蒸罐，產(chǎn)生0.4MpaG的飽和蒸汽，輸送到低壓蒸汽管道；一級(jí)閃蒸罐內(nèi)的中溫凝結(jié)水輸送到二級(jí)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(jí)閃蒸罐內(nèi)的低溫凝結(jié)水流入凝結(jié)水罐，會(huì)同其他低溫凝結(jié)水，通過凝結(jié)水泵加壓，輸送到余熱回收單元，熱回收設(shè)備可以是溴化鋰制冷機(jī)、吸收式熱泵或換熱器等，降到設(shè)計(jì)溫度以下，進(jìn)入凝結(jié)水精處理裝置，經(jīng)過除油除鐵除鹽等過程凈化處理，檢測(cè)達(dá)到高壓或中壓鍋爐補(bǔ)給水水質(zhì)要求，可以輸送到除氧器或其他用水設(shè)備，代替除鹽水，可以提高水的循環(huán)利用率，減少除鹽水站的設(shè)計(jì)負(fù)荷和投資規(guī)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(jié)能減排的效果。

3.4 廠區(qū)統(tǒng)籌規(guī)劃

蒸汽系統(tǒng)在工業(yè)中起著重要的作用，在煉油、石化等企業(yè)中的消耗量是僅次于電能，在部分行業(yè)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(tǒng)和凝結(jié)水回收系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)好，對(duì)于企業(yè)節(jié)能減排、降耗增效，起著至關(guān)重要的作用[5]。在設(shè)計(jì)時(shí)，工藝、熱工、暖通、水處理等各專業(yè)要加強(qiáng)溝通，廠區(qū)統(tǒng)籌規(guī)劃，做好物料平衡和熱平衡。對(duì)于各工藝裝置要統(tǒng)計(jì)好最小、操作、最大負(fù)荷，工作運(yùn)行情況，并結(jié)合總圖布置，規(guī)劃出最佳的凝結(jié)水管道走向、管徑、運(yùn)行壓力、運(yùn)行溫度、凝結(jié)水站布置位置等，做好凝結(jié)水回收設(shè)備、處理設(shè)備和余熱利用設(shè)備的選型，從源頭抓起，避免前期考慮不周，后期改動(dòng)較大，造成系統(tǒng)水力失調(diào)，運(yùn)行費(fèi)用較高，經(jīng)濟(jì)效益大打折扣。

3.5 冷熱負(fù)荷平衡

在部分項(xiàng)目中，為了方便凝結(jié)水的輸送，需要對(duì)凝結(jié)水進(jìn)行降溫。由于大多石化、化工等行業(yè)的企業(yè)熱負(fù)荷多，冷負(fù)荷少，在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案中，有些就采用空冷器，或循環(huán)水冷卻，這部分熱能白白浪費(fèi)掉，還需要多消耗電費(fèi)，后一種方式還增加了冷卻水站的負(fù)荷。建議在設(shè)計(jì)中，可以結(jié)合暖通等專業(yè)的意見，用凝結(jié)水作為熱源，通過熱水型溴化鋰制冷機(jī)制備工藝或建筑空調(diào)用冷凍水；對(duì)于需要外購蒸汽的企業(yè)，可以采用二類吸收式熱泵，提取凝結(jié)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(yè)運(yùn)行成本[6]。盡量不要用循環(huán)冷卻水、空冷器來冷卻降溫，以提高能源的利用率。

4 結(jié)論

在工業(yè)企業(yè)的凝結(jié)水回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，要在保證工藝安全的基礎(chǔ)上，因地制宜，各專業(yè)充分溝通，統(tǒng)籌規(guī)劃，充分利用新技術(shù)、新設(shè)備，把凝結(jié)水的熱能和水資源充分利用，節(jié)能減排，降耗增效，一套設(shè)計(jì)合理、運(yùn)行穩(wěn)定的凝結(jié)水回收系統(tǒng)，可以有效降低企業(yè)的運(yùn)行成本，增強(qiáng)企業(yè)的盈利能力，提高企業(yè)的競爭力；同時(shí)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(huì)效益，維持社會(huì)可持續(xù)發(fā)展，發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)，造福社會(huì)，澤被后生。

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作者簡介：劉昌魁（1976-），男，碩士，副總工程師，主要從事研究工業(yè)企業(yè)蒸汽系統(tǒng)節(jié)能、高溫凝結(jié)水回收和處理系統(tǒng)、工業(yè)換熱和冷卻系統(tǒng)，承擔(dān)濟(jì)南市科技計(jì)劃項(xiàng)目（企業(yè)自主創(chuàng)先類，編號(hào)201201134）一項(xiàng)，授權(quán)發(fā)明專利一項(xiàng)，實(shí)用新型專利八項(xiàng)。