基于集中疏水技術(shù)的用汽設(shè)備疏水系統(tǒng)的改進(jìn)

榮先奎，李 果，許 成，張 寧，穆郡江，文 剛，吳 江

1.貴州煙葉復(fù)烤有限責(zé)任公司，貴陽(yáng)市南明區(qū)富源南路350號(hào) 550005

2.廣州元印環(huán)境科技有限公司，廣州市白云區(qū)永平街集賢路280號(hào) 510000

蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)是過(guò)程工業(yè)企業(yè)能量系統(tǒng)不可或缺的一部分［1］，該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)水平、運(yùn)行和控制性能對(duì)過(guò)程工業(yè)的能量利用率和經(jīng)濟(jì)性具有重要影響［2］。作為過(guò)程工業(yè)企業(yè)，打葉復(fù)烤在生產(chǎn)中需要使用蒸汽以滿足煙葉潤(rùn)葉、復(fù)烤等工藝需求，有些企業(yè)還需要用蒸汽進(jìn)行生活采暖，蒸汽能源消耗是企業(yè)重要生產(chǎn)成本之一。當(dāng)前，復(fù)烤企業(yè)的蒸汽動(dòng)力疏水系統(tǒng)主要依賴于疏水閥，蒸汽疏水閥是一種能自動(dòng)從蒸汽系統(tǒng)中排出凝結(jié)水和其他不凝結(jié)氣體，并阻止蒸汽泄漏的閥門［3］。蒸汽在輸送過(guò)程中產(chǎn)生的大量凝結(jié)水［4］有些回收到鍋爐中，有些回收冷卻后作為生活用水使用，有些則直接排放到大氣中。因此，這種系統(tǒng)設(shè)計(jì)存在以下問(wèn)題：一是系統(tǒng)需要配置大量疏水閥，增加了管理難度和生產(chǎn)費(fèi)用；二是疏水閥長(zhǎng)期使用后，容易產(chǎn)生堵塞或漏汽，工作人員為了保證用汽設(shè)備正常工作通常會(huì)打開(kāi)旁通管道，增加了蒸汽的泄漏；三是凝結(jié)水和二次蒸汽回收裝置設(shè)計(jì)不合理，導(dǎo)致熱能利用率降低。二次蒸汽是由于凝結(jié)水壓力降低，部分凝結(jié)水重新汽化而產(chǎn)生的蒸汽［5］。夏常青［6］通過(guò)改進(jìn)實(shí)現(xiàn)了對(duì)二次蒸汽熱能的回收利用，提高了節(jié)能效果，但未能解決生產(chǎn)中蒸汽泄漏問(wèn)題；張志剛等［7］對(duì)卷煙廠蒸汽冷凝水實(shí)現(xiàn)了冷卻后回收利用，但浪費(fèi)了熱能。蒸汽系統(tǒng)的效率可表示為η系統(tǒng)＝η鍋爐×η管網(wǎng)×η設(shè)備+η凝結(jié)水回收+η廢蒸汽回收-η排污。據(jù)統(tǒng)計(jì)，通過(guò)提高各過(guò)程的效率，蒸汽產(chǎn)生過(guò)程（鍋爐）、輸送和設(shè)備使用過(guò)程、回收過(guò)程可分別節(jié)能25%～35%、40%～45%、20%～25%［8］?？梢?jiàn)，蒸汽輸送、使用及凝結(jié)水回收過(guò)程具有較大節(jié)能空間。為此，以畢節(jié)復(fù)烤廠為對(duì)象，設(shè)計(jì)了一種無(wú)動(dòng)力閉式集中疏水系統(tǒng)，以期減少蒸汽浪費(fèi)，增加熱能利用率，降低企業(yè)能耗。

1 問(wèn)題分析

畢節(jié)復(fù)烤廠蒸汽動(dòng)力疏水系統(tǒng)主要由疏水閥、凝結(jié)水回收管道、凝結(jié)水回收罐、冷卻塔等部分組成，見(jiàn)圖1。蒸汽來(lái)源為外部直接采購(gòu)，蒸汽壓力1.0 MPa，夏季平均流量約為8 t/h，冬季平均流量約為11 t/h，蒸汽進(jìn)入廠區(qū)后分為兩部分：一部分作為工藝用汽進(jìn)入打葉復(fù)烤車間，供給一次潤(rùn)葉機(jī)、二次潤(rùn)葉機(jī)、烤片機(jī)、烤梗機(jī)等設(shè)備；另一部分作為冬季生活采暖用汽，供給辦公、餐廳、招待所等。通過(guò)對(duì)整個(gè)廠區(qū)蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)分析，發(fā)現(xiàn)存在以下問(wèn)題：一是生產(chǎn)凝結(jié)水通過(guò)管道回收到動(dòng)力站的回收罐中進(jìn)行汽水分離，其中凝結(jié)水采用水泵輸送到冷卻塔，而閃蒸汽則通過(guò)排汽管由屋面排放到大氣中，造成熱能浪費(fèi)。二是疏水閥長(zhǎng)期使用后，存在蒸汽泄漏現(xiàn)象，為保證正常生產(chǎn)存在開(kāi)旁通管道現(xiàn)象，造成蒸汽直排；泄漏的蒸汽也通過(guò)凝結(jié)水回收裝置的排汽管排放到大氣中，造成能源浪費(fèi)。三是凝結(jié)水通過(guò)冷卻塔進(jìn)行冷卻降溫后，再泵送回生產(chǎn)車間，用于回潮噴水及地面清洗，凝結(jié)水的余熱未得到利用。四是冬季采暖系統(tǒng)蒸汽消耗較高，且部分生活采暖凝結(jié)水直排。分析可見(jiàn)，由于蒸汽動(dòng)力疏水系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理，造成汽水系統(tǒng)存在嚴(yán)重的熱能不平衡。

圖1 改造前蒸汽動(dòng)力疏水系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of steam trap system for steam consuming equipment before improvement

2 改進(jìn)方法

針對(duì)復(fù)烤廠汽水系統(tǒng)熱能不平衡的問(wèn)題，基于等壓系統(tǒng)原理［9］設(shè)計(jì)了無(wú)動(dòng)力閉式集中疏水系統(tǒng)，以取代傳統(tǒng)疏水閥系統(tǒng)，避免出現(xiàn)蒸汽泄漏現(xiàn)象，并將收集的凝結(jié)水用于冬季生活采暖，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)和采暖雙重節(jié)汽。

2.1 無(wú)動(dòng)力閉式集中疏水技術(shù)

多臺(tái)用熱設(shè)備在用汽壓力基本相等的條件下并聯(lián)工作，稱為等壓系統(tǒng)。在等壓系統(tǒng)工況下，可以取消傳統(tǒng)疏水閥系統(tǒng)中每臺(tái)設(shè)備單獨(dú)配置的疏水閥，即每臺(tái)設(shè)備的凝結(jié)水通過(guò)各自的支管匯合到同一根凝結(jié)水總管中，然后再接入到集中疏水裝置中，將獨(dú)立疏水改為集中疏水。

集中疏水裝置具有液位調(diào)節(jié)功能，可以在凝結(jié)水總管系統(tǒng)中維持穩(wěn)定的超大厚度液封，從而對(duì)多臺(tái)設(shè)備進(jìn)行可靠的阻汽疏水，確保蒸汽不外漏。而每臺(tái)設(shè)備獨(dú)立設(shè)置的疏水閥，由于液封厚度較小，容易被擊穿形成漏汽。改進(jìn)后系統(tǒng)采用集中疏水裝置取代疏水閥，有效減少了蒸汽泄漏點(diǎn)。此外，利用凝結(jié)水自身壓力進(jìn)行輸送，不需使用水泵增壓輸送。

2.2 工藝用汽系統(tǒng)

蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)通常以全系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)為目標(biāo)準(zhǔn)則［10］。改進(jìn)后的蒸汽動(dòng)力疏水系統(tǒng)主要由凝結(jié)水回收管道、集中疏水裝置等部分組成，見(jiàn)圖2。首先，利用無(wú)動(dòng)力閉式集中疏水系統(tǒng)代替原疏水閥，將每個(gè)蒸汽薄膜閥下的多個(gè)并行用汽設(shè)備看作一個(gè)等壓系統(tǒng)，用汽設(shè)備后端的疏水閥全部取消，增加一個(gè)集中疏水裝置，所有凝結(jié)水支管全部匯集到集中疏水裝置，實(shí)現(xiàn)凝結(jié)水的集中回收。其次，將原蒸汽采暖系統(tǒng)改為熱水采暖系統(tǒng)，增加一套水-水換熱器。集中疏水裝置將凝結(jié)水輸送到水-水換熱器，利用凝結(jié)水余熱加熱采暖循環(huán)水，實(shí)現(xiàn)凝結(jié)水余熱充分利用。在此過(guò)程中凝結(jié)水經(jīng)過(guò)熱交換后進(jìn)入冷卻塔，實(shí)現(xiàn)了熱能釋放，減少了能源浪費(fèi)。新增的集中疏水裝置分別安裝在打葉復(fù)烤車間一次潤(rùn)葉機(jī)、二次潤(rùn)葉機(jī)、烤片機(jī)、烤梗機(jī)等用汽設(shè)備后端，依靠凝結(jié)水自身的壓力實(shí)現(xiàn)集中疏水。

2.3 采暖系統(tǒng)

據(jù)統(tǒng)計(jì)，冬季平均用汽約為11 t/h。其中，生產(chǎn)用汽約8 t/h，采暖用汽約3 t/h，采暖蒸汽消耗約3 200 t/年，耗汽量較大。改進(jìn)后采暖系統(tǒng)主要由熱水循環(huán)泵、換熱器、集中疏水裝置等部分組成，見(jiàn)圖3。改進(jìn)后凝結(jié)水回收量約6 t/h，溫度為120 ℃。利用回收凝結(jié)水對(duì)采暖循環(huán)水進(jìn)行加熱，凝結(jié)水通過(guò)換熱器后出水溫度約為70 ℃，則可利用熱負(fù)荷Q1為：

圖3 改進(jìn)后采暖系統(tǒng)示意圖Fig.3 Schematic diagram of domestic heating system after improvement

式中：c 為水的比熱容，kJ/(kg·℃)；m 為水的質(zhì)量，kg；△T 為水溫變化量，℃；t 為時(shí)間，s。

式（1）中，c值取4.2 kJ/（kg·℃），m值取6 000 kg，△T=120-70=50 ℃，t 取 3 600 s，計(jì)算可得 Q1= 350 kW?？紤]到散熱、泄漏等因素，實(shí)際利用熱量系數(shù)K 取0.85，則實(shí)際可利用熱負(fù)荷Q2為：

式中：K 為實(shí)際利用熱量系數(shù)。

根據(jù)式（2）計(jì)算可得 Q2=350×0.85=298 kW。本設(shè)計(jì)中熱水采暖系統(tǒng)的供/回水溫度為80/60 ℃，采暖面積3 000 m2，采暖熱指標(biāo)按80 W/m2計(jì)算，則采暖總熱負(fù)荷Q3為：

式中：S為采暖面積，m2；qf為采暖熱指標(biāo)，W/m2。

根據(jù)式（3）計(jì)算可得Q3= 3 000×80=240 kW。因此，凝結(jié)水實(shí)際可利用熱負(fù)荷Q2大于采暖總熱負(fù)荷Q3，凝結(jié)水余熱可以滿足冬季采暖需求。

3 應(yīng)用效果

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

設(shè)備：12 000 kg/h 打葉復(fù)烤生產(chǎn)線一條，改進(jìn)后工藝用汽系統(tǒng)設(shè)備和采暖系統(tǒng)設(shè)備各一套（畢節(jié)復(fù)烤廠）。

方法：①統(tǒng)計(jì)2011—2017年片煙消耗蒸汽量（剔除真空回潮工藝影響）等歷史數(shù)據(jù)，取平均值；②統(tǒng)計(jì)2018年1—5月片煙消耗蒸汽量（剔除真空回潮工藝影響）等實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，取平均值。根據(jù)企業(yè)綜合能耗指標(biāo)對(duì)改進(jìn)前后片煙消耗蒸汽量進(jìn)行對(duì)比分析。

3.2 數(shù)據(jù)分析

由表1 可見(jiàn)，改進(jìn)前2011—2017年每噸片煙消耗蒸汽量分別為1.453 5、1.020 1、1.420 6、1.337 0、1.326 4、1.525 0 t，平均為1.398 1 t，每加工500 t（1 萬(wàn)擔(dān)）原煙平均消耗蒸汽量454.38 t。

表1 改進(jìn)前打葉復(fù)烤蒸汽消耗量①Tab.1 Steam consumption of tobacco threshing and redrying before improvement

由表2 可見(jiàn)，改進(jìn)后每噸片煙平均消耗蒸汽量1.163 4 t，每加工500 t 原煙平均消耗蒸汽量378.11 t，與改進(jìn)前相比蒸汽消耗量下降16.79%。按照當(dāng)前蒸汽采購(gòu)價(jià)格核算，2018年可節(jié)約蒸汽費(fèi)用14.05 萬(wàn)元/月，每加工500 t 原煙節(jié)約蒸汽費(fèi)用1.31萬(wàn)元。

表2 改進(jìn)后打葉復(fù)烤蒸汽消耗量Tab.2 Steam consumption of tobacco threshing and redrying after improvement

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)蒸汽等壓系統(tǒng)進(jìn)行研究，基于打葉復(fù)烤生產(chǎn)線設(shè)計(jì)了無(wú)動(dòng)力閉式集中疏水系統(tǒng)。改進(jìn)后系統(tǒng)解決了蒸汽泄漏等問(wèn)題，提高了蒸汽熱能利用率；通過(guò)對(duì)回收凝結(jié)水的余熱進(jìn)行綜合利用，實(shí)現(xiàn)了熱能利用最大化，減少了熱能浪費(fèi)。以畢節(jié)復(fù)烤廠12 000 kg/h 打葉復(fù)烤生產(chǎn)線為對(duì)象進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明：改進(jìn)后每噸片煙平均消耗蒸汽量比改進(jìn)前下降16.79%，節(jié)約蒸汽費(fèi)用14.05 萬(wàn)元/月，每500 t 原煙節(jié)約蒸汽費(fèi)用1.31 萬(wàn)元，有效降低了打葉復(fù)烤企業(yè)生產(chǎn)成本。