工业换热设备节能降耗技术研究

孟亚惠，马晓飞

(甘肃省特种设备检验检测研究院，国家节能换热换热设备质检中心，甘肃 兰州 730050)

工业换热设备作为能量系统中使用最广泛的单元设备之一，中国在用工业换热设备将近60万台，其中石油、化工、冶金、电力四大行业在用换热设备就达20 万台左右，年回收热量(主要是二次能源)折合标准煤约5.7 亿t，但长期以来工业换热设备的节能是高耗能特种设备节能工作中的一块“硬骨头”，节能监管工作并未取得有效发展。工业换热设备运行的高效性、合理性和可靠性直接影响产品的质量、数量和经济成本以及能源的消耗量。

近十几年来，锅炉能效评价方面出台了GB/T10184-2015 《电站锅炉性能试验规程》、GB/T10180-2003 《工业锅炉热工性能试验规程》、TSG G00 03-2010《工业锅炉能效测试与评价规则》、TSG G0002-2010《锅炉节能技术监督管理规程》等相关标准。然而，同样属于高耗能特种设备的换热压力容器能效评价标准仅有《TSGR0010-2019 热交换器能效测试与评价规则》，且仅针对为板式热交换器。为了加强对高耗能工业换热设备的管理，规范工业换热设备的设计、制造和使用管理工作，全面提高工业换热设备的能效水平，满足《特种设备安全法》和《高耗能特种设备节能监督管理办法（国家质量监督检验检疫总局令第116 号）》关于“节能环保”的工作原则，研究工业换热设备节能降耗技术就显得尤为重要。

1 能效评价指标

热交换器能效评价指标众多，其中大多数指标以热交换器的热工性能为基础，只有少数指标考虑热交换器的经济性能。从热力学角度出发，可分为热力学第一定律的评价指标、热力学第二定律的评价指标和热经济学评价指标三类，见表1。

其中，张延丰等人[1]提出了一种能效评价指标EEI(=k/△pn,总传热系数k 与压力梯度△p)，该指标反映了热交换器的固有能效属性，代表热交换器消耗单位折合流动压降获得的传热系数。当温差与流体流量相同时，对于相同换热面积和相同流体流动长度的热交换器而言，能效指标EEI 越大，消耗单位折合泵功获得的热流量越大。通过大量实验数据得到了我国板式热交换器能效指标k/△p0.31与总体能效分布f(x)=N(191.2,22.12)，据此可对我国板式热交换器进行定量能效评价与能效水平划分。该方法已被纳入NB/T 47004.1-2017《板式热交换器第1 部分：可拆卸板式热交换器》和TSG R0010-2019《热交换器能效测试与评价规则》，为划分板式热交换器能效水平提供了依据。

2 设计与选型节能

2.1 设计节能

工业换热设备的设计应充分考虑节能降耗原则：（1）充分考虑换热设备的经济性，合理选材，合理确定结构尺寸；（2）优化设计，提高换热效率，满足能效要求；（3）对有保温或者保冷要求的换热设备，要在设计文件中提出有效的保温或者保冷措施；（4）同时满足换热设备允许压力降和传热系数的要求；（5）换热设备在设计上尽量选用高效传热元件来强化传热；（6）设计时，宜采用以减小流体流动阻力、减少传热死区、减少管子的诱导震动，强化热交换器换热能力，提高换热设备使用寿命。

表1 不同性能指标对比[2]

2.2 选型节能

所选择的换热设备应满足以下特点：具有较高的传热系数、较低的压力降、重量轻且能承受操作压力、有可靠的使用寿命、产品质量好、操作安全可靠、所使用的材料与过程流体相容；设计计算方便、制造简单、安装容易、易于维护和维修。

基本的选择标准如下：（1）换热设备需要能够抗工作环境和介质腐蚀，并且具有合理的抗结垢性能；（2）换热设备容易清理，对于易腐蚀、强振动等破坏的元件应便于更换；（3）换热设备应具有经济性，选用时应综合考虑热交换器的设计成本、制造成本、安装费用、维护费用等，应使换热设备尽可能地经济。

换热设备的选型应考虑下列因素：（1）合理选择型式及基本参数，满足传热、安全可靠性及能效要求；（2）考虑经济性，合理选材；（3）满足热交换器安装、操作、维修等要求。

3 制造与安装节能

3.1 制造节能

（1）属于高耗能特种设备的热交换器应进行产品能效测试（适用于批量制造的热交换器），同型号的只进行一次定型产品能效测试；

（2）能效测试符合相关要求时，热交换器监督检验机构出具合格的监督检验报告，合格的定型产品能效测试报告作为热交换器出厂的资料。

3.2 安装节能

（1）工业换热设备安装时，应按照相应安全技术规范、标准或者出厂文件的要求配备、安装辅机设备和能效监控装置、能源计量器具等；

（2）工业换热设备的安装、改造、维修，不得降低产品及其系统的原有能效指标；

（3）工业换热设备及其附属设备和热力管道的保温应符合GB151 的要求；

(4) 新安装工业换热设备的辅机应选用符合最新国家标准或行业标准要求的高效节能产品。

4 改造节能

工业换热设备的节能改造应执行相关法律、法规、标准、规范的要求，其附属设备和热力管道的保温应符合GB/T 4272 的要求，应采用蓄热式、预热式、余热节能器、污水回收和冷凝水回收利用等技术提高节能效果。

5 管理节能

工业换热设备使用单位应借助现场测试得到热交换器的污垢热阻，根据热交换器的结垢情况进行清洗以维持热交换器的换热性能。

5.1 经济运行

1）使用单位应定期维护能效监控装置、能源计量器具，并记录相关经济运行数据；

2）使用单位应当建立健全经济运行、能效计量监控与统计、能效考核等节能监管制度和岗位责任制度；

3）使用单位应当开展节能教育和培训，不断提高作业人员的节能意识和操作水平，确保热交换器安全、经济运行；

4）使用单位应定期检查换热设备及管道附件的绝热层是否完好，如发现有破损、脱落等情况，应及时进行维护，必要时委托第三方检测机构对换热设备的保温效果进行测试评价；

5）非工艺要求，如果换热设备保温表面温度超过50℃或保冷表明出现冷凝水时，使用单位应委托第三方检测机构对换热设备的保温保冷效果进行测试评价，并根据测试评价结果进行整改；

6）应监视换热设备的振动和噪音，防止流体诱发振动引起的失效；

7）对涂敷防腐层的换热设备，在操作运行或吹扫时，应严格控制温度，防止防腐涂层损坏失效。

5.2 介质流向节能

1）蒸发或汽化的流体和冷凝液化的流体，宜走壳程，水蒸汽及热载体宜走管程，以提高传热效率和减少压力损失；

2）易结垢的流体、高温介质宜走管程，但易结垢的流体应避免走U 型管；有沉淀物或夹杂物的介质、大流量的气体宜走壳程；

3）具有腐蚀的流体宜走管程。如果是具有腐蚀性的流体走壳程，则壳程必须使用耐腐蚀材料制造；若腐蚀性流体走管程时，则管程要采用耐腐蚀材料。

5.3 维护节能

1）工业换热设备宜在工艺设计文件规定的负荷下运行，运行期间应监测、记录换热设备的运行参数，评定换热设备的工艺性能和结垢程度；

2）当传热与阻力降偏离设计值过大，或不能满足工艺系统要求时，使用单位应根据介质特性和换热设备的结构，选择有效的方法进行清洗污垢，恢复换热设备的工艺性能；

3）使用单位发现换热设备传热效果不良时，应自行或委托第三方现场测试得到换热设备的污垢热阻，根据换热设备的结垢情况进行清洗以维持换热设备的换热性能。

6 节能降耗技术方面存在的问题

1）节能降耗技术尚在起步阶段。由于历史原因，我国对高耗能特种设备能效的监管逐渐弱化，甚至取消。没有建立有效的市场准入与退出机制，更无法对高耗能特种设备实施设计、制造、安装、维修、改造、使用、检验检测全过程的节能监管。在大力提倡节能减排的历史背景下，重新修订的《节约能源法》和《特种设备安全监察条例》明确要求对高耗能特种设备实行节能监管。高耗能特种设备节能监管体系的建立刚刚起步，必须加快推进，才能促进节能降耗技术的发展；

2）节能法规标准不完善。目前高耗能特种设备节能法规标准体系建设尚处于起步阶段。工业换热设备现有标准侧重安全性能，无节能技术规范；

3）企业节能意识不强。由于我国能源价格偏低，能源消费成本占生产总成本的比重较小，作为节能主体的压力容器生产和使用企业普遍缺乏节能动力，对节能重要性缺乏足够的认识，节能优先的方针没有落到实处。设计、制造、使用单位节能意识亟待提高，节能方面投入严重不足；

4）节能服务机构培育发展不足。特种设备节能服务市场尚未形成，对节能服务机构鼓励培育不够，促进节能服务机构发展的政策体系不完善，社会和使用单位对节能服务认识不足，现有节能服务机构起点低、底子薄、能力弱，节能服务领域和范围还比较窄，难以满足市场对特种设备节能咨询、设计、评估、检测、审计、认证等服务的需要；

5）节能监管技术支撑条件不足。工业换热设备节能必须依靠技术进步，需要技术机构的技术支撑。但目前检验检测机构的人员技术素质、设备条件等难以完全适应节能技术推广工作的开展，制约了高耗能特种设备节能技术工作的推进。