变压式蒸汽蓄热器在热力系统中的节能效果

上海重型机器厂有限公司 翟道和 孙洪艳

1 变压式蒸汽蓄热器热力原理

变压式蒸汽蓄热器是蓄热器系列的一种，是上世纪七十年代发展起来的新型、高效、储能—节能设备。

所谓变压式蒸汽蓄热器就是依靠容器内饱和水压力的升降变化，使容器内饱和水焓值相应地变化，从而蓄存或释放热能（蒸汽）的设备。也就是说，利用水的液—汽态转换特性，将蒸汽的热能储存于蓄热器筒体内的水中，使之成为具有一定压力的饱和水，水的焓值提高到与容器内压力相对应的饱和水焓值（蓄热），蓄热终止时，蓄热器内最高压力即为变压范围的上限压力（P1）这一过程称之为蓄热过程；当蓄热器压力下降时，饱和水成为过热水，迅速沸腾而蒸发，由液态变为汽态即为饱和蒸汽，送往用汽单元。此时，水温下降、水位下降、水的焓值降低压力下降，即为变压范围的下限压力（P2），这一过程称之为放热过程。

可见，蒸汽蓄热器是以水为载热体，间接蓄储蒸汽的蓄热装置。而容器中的水既是蒸汽和水进行热交换的传热介质，又是蓄存热能的载热体。

这是因为水的蓄热能力远比蒸汽为大的缘故。在一定的压力下，1千克蒸汽的热焓虽比同一压力同一重量的水大，但是水的重度比蒸汽却大得多，所以单位容积水的热容量比蒸汽要大得多。

为便于对比说明，兹将绝对压力为0.49MPa时干饱和蒸汽和水的热力计算列成表1。

根据水的物理特性可知，饱和水的焓随着压力的提高而减少，因此在充热和放热的压差相等的条件下，水的蓄热能力随放热压力的提高而降低。

表1 热力计算结果

蒸汽蓄热器的蓄热量和充热、放热的压差成正比。在相同压差下，蓄热量随着放热压力的提高而降低。即放热压力越低，单位蓄热量越大。

图1表示了充热压力、放热压力、蒸汽发生量三者之间的关系。

图1 充热压力、放热压力、蒸汽发生量关系图

可以看到，充热压力越高、放热压力越低、单位容积所产生的蒸汽量就越大。设定充热和放热压力，通过图1就可以获得单位容积蓄热器所能产生的蒸汽量，从而可知所需蓄热器的容积。

由于变压式蒸汽蓄热器特别适用于蓄—放 蒸汽量较小、汽量变化频繁的场合，比较接近工矿企业用汽量的变化规律和统计规律。因此，变压式卧式蒸汽蓄热器（见图2）使用得尤为广泛。

尽管这种蓄热器占地面积较大，但由于其具有蒸发面积大、高度低、安装检修方便等突出的优点，一般只要场地面积允许，通常都尽可能采用卧式蓄热器。

图2 变压式蒸汽蓄热器（卧式）

2 变压式蒸汽蓄热器的选择

2.1 用汽负荷工况

上海重型机器厂真空脱气装置用蒸汽喷射泵抽真空是一个周期性间断峰谷用汽的工艺过程（如图3示）。

图3 用汽负荷变化曲线

从图中可以看到真空装置用汽负荷极不均衡，峰谷波动很大，迫使供汽锅炉的负荷也处于峰谷波动。由于锅炉的蓄热量有限，供汽压力总是随着用汽峰谷的波动而时降时升，导致锅炉的燃烧工况很难稳定，特别是燃料不能完全、充分燃烧，锅炉运行效率下降，且直接影响真空工艺产品的产量和质量。

因此，在热力系统中设置变压式蒸汽蓄热器可以发挥变压式蒸汽蓄热器消除供汽锅炉负荷的峰谷波动，稳定锅炉燃烧工况、稳定供汽压力、提高锅炉运行效率的技术优势，达到节能的效果。

2.2 热力系统简述

我厂蒸汽站现有燃煤蒸汽锅炉5台，其中4台10t/h，1台20t/h，总装机容量为60t/h。锅炉设计压力2.5MPa，目前工作压力为1.6～1.8 MPa，工作温度为204.3～209.8℃。蒸汽站热力系统:5台锅炉的蒸汽管分别接入高压分汽缸；由高压分汽缸分5路对外供汽：A1及A2管Φ219×7送往新真空泵及老真空泵，B管Φ219×7接至第二高压分汽缸（再分四路对外供蒸汽），C管Φ89×4.5送往CO2站；自用蒸汽管Φ57×3.5。

高压蒸汽蓄热器投运前的锅炉运行情况：40t/h容量处于开炉状态，20t/h容量处于备用状态。2007年耗烟煤量10596t，2008年耗烟煤13948t。

前述，我厂真空脱气装置采用蒸汽喷射泵抽真空，这是周期性间断高峰用汽。目前供汽压力＞1.2MPa，平均用汽量12～15t/h，瞬间负荷变动很大，达2～38.4t/h，这是造成锅炉运行效率低的主要根源，因此采用蒸汽蓄热器平衡热力系统的负荷波动是有效的节能措施。

2.3 确定蒸汽蓄热器参数

蒸汽蓄热器具有均衡波动负荷，减少锅炉运行台数的作用和功能。根据我厂热力系统运行状况，决定采用变压式蒸汽蓄热器串联于高压分汽缸与真空泵之间，即锅炉高压蒸汽通过蓄热器供应真空泵，达到目前减少锅炉开炉容量、停运一台锅炉、也就是以30t/h容量运行、保证锅炉燃烧工况和供汽负荷稳定的目的。当真空泵用汽量小时，将锅炉产生的多余的蒸汽储存于蒸汽蓄热器中；当蒸汽喷射真空泵高峰用汽时，蓄热器进行放热，补充锅炉供汽不足。

蒸汽蓄热器参数的确定：

1）蓄热器充热压力和放热压力

蓄热器充热压力P1:

锅炉设计压力2.5MPa。目前锅炉运行压力为1.6～1.8 MPa。为了提高蓄热器热力效果，蓄热器的充热压力P1定为2.2 MPa。

蓄热器放热压力P2：

蒸汽喷射泵设计用汽压力为0.9～1.2 MPa，蓄热器放热压力P2定为1.2 MPa。

因此，蓄热器工作压力为2.2 MPa～1.2 MPa。

2）单位水容积蓄热容量

根据充热压力P1为2.2 MPa和放热压力P2为1.2 MPa，确定单位水容积的蓄热容量g0为50kg汽/m3水。

3）蓄热器的蓄热容量

装设蓄热器后，目标停运一台10t/h锅炉。蒸汽喷射真空泵的每个操作周期用汽时间为20～30分钟，并考虑二台真空泵同时用汽的高峰负荷，蓄热器的蓄热容量G0=12000kg。

4）蓄热器容积

150m3，二台。

5）热态运行模式

二台150m3蒸汽蓄热器并联运行。

6）蒸汽蓄热器热力系统

根据我厂蒸汽站目前供汽热力系统运行状况，采用将二台蒸汽蓄热器并联运行后设计的热力系统。

3 蒸汽蓄热器节能效果分析和节能量核算

3.1 节能效果预期分析

1）根据2008年8月工锅所的对我厂五台锅炉热效率测定报告：1993年安装的上海四方锅炉厂三台10t/h锅炉和2006年安装的10t/h和20t/h锅炉各一台的测定，平均热效率为～81.33%，前后二者热效率差3.68%。停运一台10 t/h锅炉后，可全部采用高效率锅炉运行。

2）锅炉散热损失q5：1.7%，停运一台锅炉后，可减少～1.7%散热损失。

3）理论和经验表明，锅炉在额定负荷稳定燃烧时效率最高，在超负荷和低负荷运行时热效率均要降低，在波动负荷运行时热效率一般降低～5%。

4）蒸汽喷射真空泵用汽急骤变化，用汽阀门打开，瞬间即达最大用汽量；汽阀关闭，用汽为零。锅炉燃烧工况来不及同步调整，造成目前大量向空排放，浪费蒸汽。

综合上述分析，节煤量10%在技术上是可期的。

3.2 竣工后节能量核算

两台150m3高压蒸汽蓄热器2010年6月竣工，调试后投入试运行。直至目前，运行基本正常可靠。同时也积累了一些对节能量核算有一定价值的数据资料。

1）从运行工况来看，蒸汽蓄热器投运后，基本改变了真空脱气用蒸汽峰谷波动变化极大的状态。无论是蒸汽流量还是蒸汽压力都从原来的峰谷巨变趋于平衡（如图4示）。可见采用蒸汽蓄热器平衡负荷波动是有效的节能措施。

图4 蓄热器运行工况曲线图

2）蒸汽锅炉生产的蒸汽约60%～70%用于真空脱气装置。

高压蒸汽蓄热器投运前，由于缺少调控手段，锅炉机组开机、停机频繁，不利于节能。高压蒸汽蓄热器投运后，锅炉机组频繁地开炉、停炉、闷炉的作业状况得到了根本的改善。可见锅炉机组平稳运行同样有利于节能。

2010年11月上海应用技术学院热工实验检测中心对蒸汽蓄热器节能项目进行节能量审核。

高压蒸汽蓄热器所产生蒸汽主要供炼钢真空工艺使用。所以节能量计算以上重厂高压蒸汽蓄热器安装前、后两年同期两个月的脱气钢产量与脱气吨钢煤耗量的数值为依据进行计算。

计算公式为：

节能量=（改造前吨钢脱气煤耗-改造后吨钢脱气煤耗）×改造前钢产量

吨钢脱气煤耗量=（煤耗量÷脱气钢产量）×折标数

改造前、后节能量计算结果列成表2。

改造前的真空脱气钢产量为71393t/a。

节 能 量 =（0.11625tce/t-0.09095tce/t）×71393t/a=1806.24tce/a

通过对蒸汽蓄热器投运前后的节能预期分析和节能核算，可以看到：节能预期是科学的，节能审核是实事求是的。

表2 改造前、后各二个月的耗能计算结果

4 结论

在热力系统中设置蒸汽蓄热器，可以消除供汽锅炉负荷的较大波动，稳定供汽压力，提高锅炉的运行热效率，使锅炉连续地按满负荷或某一稳定的负荷运行。即当外界用汽负荷低，锅炉供汽有多余时，就将热能储蓄于蓄热装置；在发生高峰负荷锅炉供汽不足时，蓄热装置就释放出所蓄热能以补不足。这样就使锅炉负荷不必跟随用汽负荷的波动而变动，在稳定的燃烧工况下达到较佳的运行热效率。

可见在热力系统中采用蓄热器节能是一项值得推广的实用技术，且具有很强的复制性。投资回收期也不长，约1.38年。