技术无疏水阀不等压蒸汽加热技术Word格式.docx
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为解决这一问题,本所通过研究和实践探索,在《高效蒸汽供热系统》发明专利的系统构成基础上又提出了新的系统构成理念,即在《高效蒸汽供热系统》发明专利的系统构成基础上,新增加了专用设备“压力均衡器”,利用其具有的压力均衡功能,使各用热设备产生的凝结水的排放压力,在进入凝结水汇集管时达到基本相等的状态,即所谓的准均压状态,再实行集中疏水。
由此,不等压系统也达到了完善紧闭运行的目的。
经过十余年在化工、烟草、覆铜板等行业的应用,均达到了预期的目的,实现了预期的发明构想。
为此,本所又以《无疏水阀不等压蒸汽供热系统》为题向国家知识产权局申请了发明专利,继续为企业节能降耗增效和低碳经济服务。
下图为《无疏水阀不等压蒸汽供热系统》(注:
简称“新发明”)工作流程图:
新发明是不等压蒸汽供热系统的一种新的系统构成形式。
压力均衡器为新增的专用设备。
定压装置和调节装置是《高效蒸汽供热系统》发明专利已经成功应用的技术。
根据图示,其工作流程如下:
锅炉生产的蒸汽经分汽缸、输汽管网B送入各用热设备C,在其内完成热交换,所产生的凝结水通过压力均衡器D阻汽排水,并使不同压力等级的凝结水转换成为压力基本相等的准均压状态后进入定压装置F,由于定压装置F的定压作用,使之前共网的凝结水管道E内压力略低于系统压力再进入调节装置G,由于压力均衡器D和调节装置G内的调节阀流通口径足够大,没有疏水阀节流降压的问题存在,因而凝结水能够凭借自身拥有的压力返回除氧器或软水箱H。
由此,新系统实现了真正意义上的紧闭。
疏水阀已被取消,由此而造成的蒸汽泄漏已不复存在,新蒸汽不可能通过压力均衡器D、更不可能通过调节装置G泄漏入凝结水管道E。
从而消除了破坏系统紧闭的各种因素。
新系统除自然散热损失外,蒸汽携带的潜热已全部得到有效利用。
凝结水和显热也全部回收。
这样的系统,其热效率已非常接近理想用能状态,已得到所有实施案例的证明。
系统新增专用设备简介
压力均衡器该设备是专为不等压蒸汽供热系统设计的。
以卷烟厂烟机设备膨化塔使用的疏水阀和系统改造后使用的压力均衡器为例作比较,两者凝结水流通孔径之比为5∶25(mm)后者流通面积是前者(疏水阀)的25倍。
因此,使用压力均衡器后膨化塔内积水的可能性几乎为零,从而保证了膨化塔的工艺加热处于最佳工作状态。
疏水阀通径小,容易被杂物堵塞。
压力均衡器孔径大,被堵塞的可能性极小。
因而压力均衡器能够在相当长的时间内正常工作而勿需维修。
压力均衡器还具有自动节流降压适应系统压力关系,拥有让不同用汽压力设备顺利共网的功能,并能适应高背压工作条件的要求。
由于使用压力均衡器后消除了疏水阀存在的各种问题,从而为系统的完善紧闭和集中疏水创造了条件。
根据用户要求,为了不影响生产,新增的压力均衡器只能与原疏水阀并联安装。
当调试投运完成后,疏水阀前后的阀门被关闭,可视为被旁路取消。
其后,拆除与否由企业自主决定。
压力均衡器与疏水阀的功能比较见下表。
定压装置顾名思义,可以起到为系统某个环节定压的作用。
以车间单元系统为例,定压装置处的压力应略低于车间系统内最低用热设备压力的压力值,以保证车间内所有用热设备的凝结水能够顺利流向定压装置而不会相互干扰。
定压装置处的压力由设计人员根据工艺参数要求设定。
调节装置该装置内设置有大口径精密调节阀,是杜绝新蒸汽泄漏的忠实守护神。
装置内部设计有感知水位元件,无凝结水时调节阀可靠关闭。
正常工作时,调节阀在水位感知元件的控制下,变成了一个大小可调的通道,凝结水凭借自身拥有的压力返回除氧器或软水箱,不再需要任何动力机械。
在系统完善紧闭后,因疏水阀造成的泄漏全部被挽回,系统漏汽率为零。
由此,本发明通过新的系统构成形式,使不等压蒸汽供热系统也得到完善紧闭,并同样具有了《高效蒸汽供热系统》发明专利具有的所有技术特征,再简要归纳如下:
1)不使用疏水阀,彻底消除了疏水阀堵塞和蒸气泄漏
2)设备积水问题彻底消除,实现了最佳工艺加热要求
3)不使用电泵动力输送机械,凝结水及显热全部回收
4)封闭式结构专用设备无易损件,保证≥三年不维修
上述技术特征归纳后可作为验收条件写入合同。
蒸汽应用于工业生产,凝结水从人工排放到发明疏水阀自动疏水,再到“密闭式冷凝水回收装置”技术的应用,凝结了无数科技人员的心血,功不可没。
但是,随着科学技术的不断向前发展,今天的先进技术明天就有可能成为过去。
这是历史发展的必然规律。
《高效蒸汽供热系统》和《无疏水阀不等压蒸汽供热系统》两项发明专利正是遵循这一规律诞生的。
两项专利均不再使用疏水阀,解决了因疏水阀负面影响带来的一系列问题,使系统的漏汽率可以作到为零。
压力均衡器允许在任何背压下工作,由于其流通孔径足够大,没有如疏水阀节流降压的问题存在,因此,凝结水能够依凭自身拥有的压力返回除氧器或软水箱,因而系统不再需要电泵输送凝结水。
通过上述介绍,可以得出这样的结论,采用本发明专利改造传统供热系统,不仅大幅度减少了能源的消耗,也免除了因疏水阀和动力机械存在而带来的维修工作。
更重要的是,用热设备疏水不畅的问题彻底解决,使加热时间缩短,工艺加热处于最佳工作状态,这极有利于产品质量和产能的提高。
陕西生益华电科技有限公司是原电子工业部生产覆铜板的企业,生产线由日本引进。
由于设计的供热系统存在问题,其年产量一直徘徊在237万张水平上,多年未能解决,制约了企业的发展。
2005年该公司采用本所专利技术对其供热系统改造后,原24层大型热压机疏水不畅、积水和模具层间温差过大(有的高达)的问题彻底消除,加热时间的缩短和系统免维修,增加了大量的有效生产时间,使该公司2006年的年产量突破了原产能设计能力,从原年产量237万张一下跃升至337万张,增产约三分之一,因此而产生的经济效益远远超过了节能效益。
在这个问题上,一些使用了本所发明专利技术的企业体会深刻。
《高效蒸汽供热系统》和《无疏水阀不等压蒸汽供热系统》——面向二十一世纪的供热系统发明专利技术,值得企业关注。
资料二
内容提要:
本讲座向本网站读者介绍无疏水阀《高效蒸汽供热系统》发明专利。
该发明专利是一种系统构成理论严谨、完备、效能更高、不使用传统疏水阀的供热系统技术。
其蒸汽潜热利用率(除表面散热外)近百分之百;
除接口、破口等泄漏点外,凝结水回收率为百分之百,且自动返回热源勿需外施动力,凝结水显热随同回收。
此外,专用装置没有动力机械、易损件和对大气的动密封组件,因此,可靠性很高,不维修周期很长。
根据查新报告、监测报告以及专家鉴定意见,本专利技术优于当前其他供热系统技术。
讲座题目
第一讲前言
第二讲供热系统现状
第三讲全面认识、评价疏水阀
第四讲供热系统技术流派简介
第五讲提高供热系统效能的方向
第六讲无疏水阀《高效蒸汽供热系统》基本原理
第七讲《高效蒸汽供热系统》的局限性及其发展
第八讲无疏水阀供热系统技术的的适用范围
第九讲无疏水阀供热系统效能分析
第十讲节能效益的规范计算方法
结语
参考文献
《高效蒸汽供热系统》发明专利是我国供热系统技术领域中唯一获得国家发明专利授权的新型供热系统技术,也是首例优于发达国家技术水平的专利技术。
本专利使用热设备中蒸汽潜热的有效利用率(除表面散热外)近百分之百、蒸汽凝结水近全部回收,其显热随同回收。
可以预见,本专利技术在提高供热系统热能利用率方面将会起到一定推动作用。
众所周知,提高供热系统的热能利用率是非常困难的。
从1911年美国人阿姆斯特朗发明疏水阀应用于间接加热的供热系统,至今已近100年,但系统的构成还没有出现质的变化。
特别是现行的间接加热供热系统(简称“现行系统”)中的疏水阀,历来被看作是获得系统高效能极其重要、必不可少的部件,甚至称之为”节能阀”。
由于它在系统中的作用如此重要,以至于各发达国家都把研制、开发高可靠性、长寿命疏水阀作为提高系统效能的主要研究方向,至今仍然如此。
但是,疏水阀所带来的负面影响也早已引起人们的关注,如:
由疏水阀自身阻汽排水功能所决定,系统中每台用热设备必须配用一只。
热负荷大的用热设备还可能需要并联多只疏水阀。
其用量必然很大;
难于保证在线的每只疏水阀都不失效(严重漏汽或堵塞);
饱和状态下蒸汽凝结水通过疏水阀的流通孔时,要产生闪蒸汽,工作压力越高闪蒸量越大;
泄漏的新蒸汽和凝结水闪蒸汽充斥凝结水管道,最终使系统难以紧闭,严重时使系统成为事实上的开式系统,能源浪费严重。
……
我国一些大型企业采用了发达国家的技术,系统走向紧闭,但由于各种原因效果不尚理想。
而大多数供热系统仍处于实际上的半开式或开式的低效状态。
我们认为,我国供热系统的效能低于发达国家(系统不能或难以紧闭)与疏水阀自身功能所带来的上述负面影响密切相关,企业对此体会尤深。
尽管上世纪70年代末,发达国家相继开发了以电、汽、气为动力源的各类高温凝结水回收装置(实为不同动力源的凝结水输送泵,如日本直呼为“输送机”)应用于供热系统,但都不能从根本上消除疏水阀的负面影响。
怎样才能解决疏水阀不利于系统紧闭的问题?
能否考虑不使用传统的疏水阀?
逆向思维使我们找到了大幅度提高供热系统热能利用率新的研究方向,发明了《高效蒸汽供热系统》技术。
这项技术应用于开式系统的改造,节能率达40~50%;
应用于引进技术的系统改造,节能率也达20%以上,取得了很高的节能率。
由重庆市经委组织实施的本专利技术第一个(重庆长江橡胶厂)示范工程于1994年3月投运,(已稳定、免维修地运行了十余年。
)当年10月25日由重庆市经委主持通过了技术鉴定。
与会专家一致认为:
“《高效蒸汽供热系统》发明专利技术”(以下简称“本专利技术”。
)构思巧妙,技术先进,优于国内外现有技术,应予大力推广。
”原国家经贸委组织了本专利技术“扩大应用研究项目”的项目验收和技术鉴定。
鉴定委员会一致认为,本专利技术已具国内外同类技术的领先水平。
1999年8月经原国家经贸委节能信息传播中心反复多次的现场考察后,将本专利技术的实施案例录选为供热系统领域中的最佳节能技术,并将其在橡胶行业的应用实例编制成“最佳节能实践案例向全国发布。
此后,本专利技术在化工、橡胶、卷烟、造纸、电子工业(敷铜板加热工艺)等行业广泛应用,均取得了比其它先进技术更高的节能率。
其高效能和高可靠性不断得到验证。
本专利于2003年终止专利权保护。
为继续服务社会节能,本研究所又申请了应用更加广泛的无疏水阀《不等压高效蒸汽供热系统》发明专利。
目前处于实审阶段。
在研究供热系统时,人们习惯把系统分`为锅炉、管网和用热设备三大部分。
前国家计委、国家经委曾于1983年组建过一个全国性的供热系统调查小组,对全国六大区九十八个大中型企业进行了近一年的广泛调查,并于1984年提出了我国首例名为《供热系统节能调查与分析》的权威性调查报告。
该报告指出:
我国工业锅炉平均热效率为60%
管网效率为90%
设备效率为55%
(注:
以上三个效率将作为现行系统各环节的平均效率在下文中继续引用。
)
该报告由此得出我国供热系统的平均热效率(三个效率的乘积,下同。
)为:
ηt1=60%×
90%×
55%=29.7%
然而,当查阅了大量的企业能平衡资料后我们就会发现,就我国大多数企业而言,其系统的实际热效率比29.7%还要低得多。
这种状况至今并未有根本改变。
发达国家供热系统的热效率比我们国家要高得多。
因为:
发达国家工业锅炉热效率可达76%~90%
管网效率可达95%
设备效率可达75%
因此,发达国家供热系统的平均热效率可达:
η=(76~90%)×
95%×
75%=54.15~64.13%
实际的系统热效率一般在60%左右。
在系统热效率方面,我国仅达发达国家的50%左右。
以上引用的虽然是1983年的调查报告数据,但就我国的大多数供热系统而言,并未有根本改变。
这些数据仍能反映我国大多数企业的用能状况。
数据表明,我国系统低效是锅炉效率和设备效率远低于发达国家所致。
国外工业锅炉由于自动化技术应用普遍,运行热效率较高。
另一方面国外也非常重视设备和管道保温,热损较小。
设备效率方面则得益于对疏水阀的严格管理和普遍使用“高温冷凝水回收装置”。
某些工艺加热还采用了计算机(温度——蒸汽量)控制,也有利于系统热效率的提高。
面对我国与发达国家的巨大差距,原国家计委和国家经委曾组织我国技术专家寻求对策,并于1984年提出《供热系统节能调查与分析》调查报告,称:
投资34.70亿元(1984年估价,下同。
)改造锅炉,使我国的工业锅炉的平均热效率由60%提高到70%;
投资6.20亿元改进管网保温,使我国管网平均热效率由90%提高到95%;
投资3.63亿元更换优质疏水阀,使用热设备平均热效率由55%提高到58%。
按照这个思路,我国供热系统的平均热效率就可提高到:
ηt2=70%×
58%=38.57%
那么这种对策究竟能使我国供热系统的平均热效率有多大的提高呢?
上述三项合计投资44.53亿元所取得的系统平均热效率的提高幅度为:
δη=ηt2-ηt1
=38.57%-29.7%=8.87%
如此大的投入仅取得了8.87%的提高幅度,显得获益太小。
这说明提高供热系统热能利用率是非常困难的课题。
上世纪80年代初,国家组织一些企业引进发达国家的疏水阀生产技术,开始向国内用户提供优质疏水阀。
同时,国外如斯派•沙克、阿姆斯壮、藤原、南韩等先进疏水阀公司的产品也在国内逐鹿供热系统装备市场。
一些企业还引进了以蒸汽为动力源的冷凝水输送装置用于系统。
此外,一些技术开发机构还仿制和改进了发达国家以电动泵与喷射器组合的冷凝水输送机,取名为“高温冷凝水回收装置”,并按照发达国家“疏水阀+高温冷凝水输送装置”的模式,取名为“密闭式冷凝水回收”的技术在我国应用。
大量引进的生产工艺和设备,还配套引进了加热工艺计算机(温度—蒸汽量)控制系统。
这些代表发达国家先进技术的引进和应用,缩短了我国与发达国家的差距,对提高我国供热系统的热能利用率大有益。
但是,这些先进技术大多以使用疏水阀为前提,在我国管理相对较差的情况下,这些先进技术在我国的应用不乏失败案例。
因为当系统中即使是个别疏水阀出现严重漏汽,最终导致冷凝水汇内管内汽多水少,系统异常,高温冷凝水回收装置很难正常工作,计算机控制也不能发挥应有的作用。
引进发达国家先进技术20余年的实践证明,很难从根本上改变我国供热系统的低效状态。
我们改造过不少引进技术的企业。
改造前,他们的供热系统都采用了世界上一流的疏水阀和冷凝水输送装置(国内称“冷凝水回收装置”),但是,安装投运后不久就开始不同程度的对空排汽排水。
有的甚至形同开式系统,能源浪费相当严重。
因此,提高我国供热系统的能源利用率,确实还任重道远。
在我国国民经济高速发展的情况下,能源消耗也在高速增长。
而我国总体能耗高于发达国家,能源利用效率相对较低。
特别是地球温室效应的影响速度超乎预料,节能和减排成为各国国家管理、科技进步、技术开发异常专注的课题。
自然,所有新项目的供热系统设计都按闭式系统设计,以期实现尽可能高的系统热效率。
当前供热系统设计的要点是:
所有用汽设备的凝结水都通过疏水阀后接入凝结水汇集管,凝结水汇集管管径按照凝结水生成量和沿程压损产生后的闪蒸汽量两相流状态,以试算法求取。
凝结水(含汽)汇集于一个集水罐中,最后由冷凝水输送回热源。
由于凝水回收装置只能输送凝结水,并不能输送蒸汽。
因此,凝结水汇集管内因各种原因引起的蒸汽过多,都会影响系统紧闭。
严重时凝结水输送装置难以正常工作。
由此出现了在设计、安装时已经紧闭的系统,还会变成了严重跑汽跑水的不完善系统,甚至成为开式系统。
非正常情况下,系统凝结水汇集管中蒸汽多的问题是怎样形成的?
请注意下述四方面因素:
凝结水经疏水阀流通孔节流后,因状态变化而出现闪蒸汽;
输送过程中压损导致的汽化二次汽:
疏水阀的法定漏汽;
疏水阀失效后(直通失效和堵塞失效后开旁通阀)的直通蒸汽。
凝结水经疏水阀流通孔节流气化产生闪蒸汽,是工质状态变化引起的,不能消除。
以疏水阀阀前0.5MPa的饱和凝结水为例,通过疏水阀流通孔后降到大气压状态,闪蒸率约为11%;
如疏水阀前的用汽压力为0.8MPa,则闪蒸率约为14%。
这就是说,疏水阀前凝结水的压力越高,通过疏水阀后的闪蒸率(也叫汽化率)也越高,不利系统紧闭的影响也越大。
输送过程中压损导致的汽化二次汽,严格地讲,也是凝结水状态变化引起的,也不能消除。
但是,管道设计合理时其量甚微,一般情况下可以不予考虑其影响。
我国规定合格疏水阀的允许漏汽率≤3%以下,严格地讲,其对系统紧闭与否的影响不大。
然而疏水阀直通失效或堵塞失效的后果是非常严重的。
众所周知,疏水阀的工作条件非常恶劣,表现为:
设计选型时,根据不同生产工艺情况,疏水阀的排水量按凝结水生成量的3~5倍选型,这就决定了正常运行情况下将处于急速、间断排水状态,密封面必然不断地撞击、磨损,密封面状况越来越坏;
续前)以年工作8000小时计,疏水阀平均15秒钟动作一次,一年动作次数约200万次。
频繁地作,必定严重威胁疏水阀的有效寿命;
疏水阀是小部件,不少企业将其安装在用热设备的下部,检测维修均不方便;
大多数疏水阀是小流量疏水阀,流通孔很容易为脏物堵塞。
鉴于此,疏水阀自然面临有效寿命较短的问题,或因赃物而堵塞,或因密封面损坏而出现超标漏汽率。
当疏水阀堵塞时,工艺加热恶化,运行工人为维持正常加热热,必须开疏水阀的旁通阀排除凝结水。
实际上,工人往往开了旁通阀就不再关闭。
由此,新蒸汽大量直通进入凝结水汇集管。
由图1可知,大量新蒸汽进入凝结水汇集管后,Pe就会升高。
一方面汇集罐的排汽增大,另一方面未失效疏水阀的前后压差减小,凝结水通过量也随之减少(与压差的平方根成正比)。
某些设备的工艺加热将因此受到影响,为维持工艺加热正常进行,受影响的设备也要打开疏水阀的旁通阀排出凝结水。
由此,更多的新蒸汽直通进入凝结水汇集管,形成恶性循环。
个别疏水阀严重漏汽引起的后果与堵塞后开旁通阀是一样的。
在这种情况下,凝结水输送装置难以工作,或最后不能工作。
如旬阳卷烟厂、川橡集团、兴贸玉米公司等使用进口凝结水回收装置、国内引进的回收装置,最后都不能工作而闲置一边,系统最终都不能紧闭而成为开式系统。
请注意,上述恶性循环的形成直接与疏水阀相关。
也即疏水阀在发挥系统所需要的阻汽排水功能的同时,还存在难以克服的影响系统紧闭的诸多负面影响。
发达国家使用疏水阀情况如何?
事实上,发达国家保证疏水阀较高的在线合格率也非易事。
世界著名疏水阀生产厂家——日本藤原(TLV)株式会社曾历时三年,对本国内1763家企业的54.86万只疏水阀进行过一次大规模调查,其中动作正常(即漏汽率≤%)的占82.4%;
喷放的占8%;
严重漏汽的占6.7%;
堵塞的占2.9%。
失效总比例达17.6%。
这就是说,差不多每4.7只疏水阀就有一只失效。
其中喷放和严重漏汽的合计占14.7%,计81000只之多,平均每个企业占45.74只,即每6.8只疏水阀就有一只处于严重漏汽状态!
这一权威调查说明,就是发达国家也难保证每个在线疏水阀都符合系统高效能工作的要求。
请不要忘记日本是特别精于管理的国家。
发达国家的较高热能利用率主要是由极高的节能意识和极严格的技术管理给以保证的。
对疏水阀采取勤检查、勤监测、勤维修、勤拆换的严格管理手段来保证较高的在线完好率,以尽可能降低疏水阀的负面影响。
此外没有别的高明办法。
这就是说,发达国家的当前供热系统技术仍然是一门依赖管理的技术。
疏水阀的负面影响是依赖管理来应对的。
显然,我国的管理水平与发达国家有相当的差距,这就是我国的不少企业采用了发达国家的供热系统技术,却不能达到相同用能水平的原因。
必须指出,疏水阀的发明和应用,使用热设备凝结水的排放,从不控制到人工手动控制,到由疏水阀自动控制,在供热系统技术领域是具有里程碑意义的事件,应予高度评价。
但是,技术在不断进步,了解现有技术的不足,探索新的研究方向,提出新的技术方案,是技术进步的必由之路。
因此,全面认识疏水阀、正确评价疏水阀是十分必要的。
提高供热系统效能的工作是相当困难的。
因此国内外的研究工作都十分活跃的。
发达国家于上个世纪70年代初基本形成了“热源用热设备疏水阀集水罐凝结水输送机械热源”的系统紧闭系统模式。
当前发达国家的供热系统都采用这种模式。
如第三讲所述,影响系统紧闭的关键环节是疏水阀。
因此,开发研究高性能、长寿命疏水阀就成为发达国家提高供热系统热效率主要研究方向。
在倒吊桶式、热动式、自由浮球式众多形式的疏水阀后,上世纪八十年代日本又发明了所谓ufo(即所谓“飞碟式”)疏水阀。
虽然如此,由于疏水阀单一的阻汽排水功能所决定,其不利系统紧闭的负面影响并不能消除,使用疏水阀的系统构成真正能够长期稳定运行的紧闭供热系统,实际上是非常困难的。
除本讲上面提到的发达国家引进的供热系统技术外,我们还介绍其他一些已经应用于工程实践的系统形式。
⒈引进先进生产工艺装备,同时引进大用汽量仪表控制系统
如引进德国、瑞士等国的大型纸机,蒸汽用量很大,疏水阀无法在这些大用汽量系统上应用,国外改而采用汽水分离容器,以自动控制方式保持容器内的水位,按水位高低限自动排放凝结水的方式替代疏水阀。
其后,凝结水以高温电动泵输送。
这种系统形式除电气仪表控制系统环节多、较复杂、投资大、维修工作量大且费用高等问题,不适宜于一般企业应用外,还有烘缸中积水,疏水不畅,凝结水泵输送容易失效、维修工作量大,现场环境状况差等问题存在。
此类引进技术虽属于不使用疏水阀的技术,但不宜于一般企业应用。
本讲座不作介绍。
⒉国内自行研究凝结水输送机械
国内不
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