蒸汽蓄热器技术

1 蒸汽蓄热器的分类及其在蒸汽供热系统中的安装位置 (1)
2 蒸汽蓄热器的结构及工作原理 (2)
2.1蒸汽蓄热器的结构 (2)
2.2蒸汽蓄热器的工作原理 (4)
3 蒸汽蓄热器的适用范围 (5)
4 装用蒸汽蓄热器的基本技术要求 (6)
4.1已知条件 (6)
4.2 热工计算 (6)
5 蓄热器应用举例及效益浅析 (7)
5.1 应用举例1 (7)
5.2 效益浅析 (7)
5.3 工艺改造 (8)
5.4 经济效益 (9)
5.5 应用实例2 (9)
引言
本世纪初，美国人发明了蓄热器。

1930年由瑞典的卢兹博士完成蓄热器技术，后来经日本人的研究开发，蓄热器的技术已日趋成熟。

蓄热器是一种有效的节能装置，在保证热用户汽压和流量的前提下，平衡汽源、供汽量和波动的汽负荷，使锅炉在一个连续稳定的状态下运行，从而实现最高的热效率，最经济的运行。

蓄热器分为变压式和定压式两种，变压式蓄热器又称蒸汽蓄热器。

蒸汽是一种可同时满足多种热用户对供热介质参数的不同要求、适应多种热负荷的不同变化规律的热媒。

在现代化工业园区中，它不仅仅可用于采暖用户，更重要的是还要满足不同的工艺、不同的产品、不同的蒸汽参数、不同的用汽规律的生产用户的供热要求。

不同热用户的生产热负荷取决于各自的生产工艺、原料、产量和用汽设备的性能参数等。

有一些用户的用汽量波动幅度很大，其峰值的出现没有确定的规律，甚至启动和停机都有随机性；有一些用户对用汽参数要求非常严格，参数出限将影响到产品质量，造成重大经济损失。

因此在有多个生产热用户的复杂蒸汽供热系统中，保证蒸汽流量和用汽参数是一个关系到生产部门和供热行业的经济利益、服务质量和企业形象的重要问题。

蒸汽供热系统中，可采用以下办法来保证用户的用汽要求：
1．利用锅炉自身的蓄热量产生自蒸发蒸汽以适应高峰负荷；
2．适当调整锅炉燃烧控制装置，改变燃烧工况以适应高峰负荷；
3．加装蒸汽蓄热器。

利用锅壳式锅炉水容量大的特点，借助其蓄热量以应付短时间高峰负荷和借助锅炉自控装置调整以应付较平缓的高峰负荷是可行的，但都要求运行操作人员具有较高水平的操作技能，并需要经常关注供汽情况以便及时处理可能出现的突发情况，综合比较，安装蒸汽蓄热器是最有效、合理的方法。

1 蒸汽蓄热器的分类及其在蒸汽供热系统中的安装位置
蒸汽蓄热器是蓄积蒸汽的压力容器，用于调节和平衡热源供汽与用户用汽之间的矛盾。

蒸汽供热系统中，根据安装位置的不同，可将蒸汽蓄热器分为集中蓄热器和局部蓄热器。

集中蓄热器安装在热源或热网干线上，用来稳定运行工况下锅筒的压力和供汽压力。

对于用户负荷随时间波动较大的热网系统，用蒸汽蓄热器可调节供热系统负荷的波动。

一方面，使锅炉始终在最佳工况条件下稳定运行，蒸汽出力和压力保持不变，使其热效率趋近热平衡试验效率；另一方面，相当于增加了热源的容量和提高了调节能力，当部分用户用汽量
波动时，减小对其他用户的影响。

从而获得节能、生产和环保等方面的综合经济效益。

由于集中蓄热器可调节的用户的范围大，当用户负荷不稳定时，不能满足个别用户的用汽参数。

局部蓄热器直接安装在支线上、一个或几个用户处。

对某些对供汽压力要求严格的用户，可采用这种蓄热器，该用户热负荷的波动依靠局部蓄热器的调节能力来补偿，不受其他用汽用户的干扰。

局部蓄热器的调节范围较小，但对稳定一些重要用户或特殊用户的用汽要求有较好的效果。

2 蒸汽蓄热器的结构及工作原理
2.1蒸汽蓄热器的结构
常用的蒸汽蓄热器结构及接管如图1所示。

它是钢制圆筒形压力容器，外壁敷涂保温材料，外壳1内装有蒸汽分配管4和喷嘴5，在通常状况下，蓄热器内汽水共存。

其下部储存的高压饱和水最多可占其总容积90％，水面上为饱和蒸汽。

筒体上部有蒸汽人口、蒸汽出口，为使蓄热器在供热系统中自动地发挥调节、稳定蒸汽量和供热量的作用，在蓄热器进、出汽管上还分别装设压力调节阀2和逆止阀3。

2.1.1蓄热器本体
蒸汽蓄热器有卧式和立式两种。

由蓄热器壳体、内部充热装置、顶部汽水分离器、固定支座和活动支座、水位计、压力表、安全阀、温度计等安全附件及外部保温层等几部份组成。

容器设有蒸汽进出口、补水、放水、排污、放气等接管。

内部充热装置和顶部集汽包是蓄热器的重要组成部分。

蓄热器内部装有充蒸汽的分配总管和支管及卢兹式喷射器(由炉水循环套管和蒸汽
喷嘴组成)。

卢兹式喷射器(如图3所示)：蒸汽从蒸汽喷嘴的孔向斜上方喷出，依靠循环筒，一面使水循环，一面加热水。

此喷射器的汽水混合效果好，使蓄热器有上下水温均匀快、振动小、噪音小等优点。

蓄热器顶部均匀布置汽水分离器。

汽水分离器采用波形板汽水分离器结构型式，组装和维修方便，较好地改善了出口蒸汽的品质和沿设备长度方向上表面蒸汽分配的均匀性。

图l 蒸汽蓄热器 1蓄热器；2自动控制阀；3逆止阀；4蒸汽分配管；5喷嘴
1锅炉；2 高压分汽缸；7汽水分离器；10水位计；11压力计；
图2变压式蓄热器系统
1．汽支管；2．炉水循环套管；3．蒸汽喷嘴
图3 卢兹式喷射器
2.1.2 蒸汽进出口自动调节阀作用
蓄热器高压侧蒸汽由V1阀控制，v】阀具体调节锅炉蒸汽量与流量蓄热器蒸汽量的功能，v2阀是蓄热器的蒸汽输出阀，是高性能的减压阀，具有满足用户对蒸汽流量的变化要求，并要保持一定的输出压力。

2.2蒸汽蓄热器的工作原理
蓄热器的工作原理是利用水的蓄热功能，将热能以饱和水的形式储存起来。

当用汽量小于产汽量时，将锅炉富裕的蒸汽送入蓄热器，利用蓄热器里的水与其进行混合式传热，吸收蒸汽潜热，将水加热并使蒸汽凝结成水，使蓄热器里水的焓值升高到与引入蒸汽压力相应的饱和水焓值。

此时蓄热器中的水位也由于蒸汽的凝结而升高，这样就进行了所谓蓄热器的充热过程。

当用汽量突然增加或产汽量减少，蒸汽量不足，用户继续用汽时，蓄热器中的压力就下降。

蓄热器中水原有焓值比降压后相应的饱和水焓值大，因而部分水闪蒸转换为蒸汽以弥补用汽的不足，这时，蓄热器中水位开始降低并进行放热过程(向外供汽)。

局部蓄热器相当于在热网局部设置了调峰锅炉或在用户人口处设置了
压力自平衡装置。

当其他用户用汽状况变化的时候，依靠局部蓄热器保证与局部蓄热器相关用户的用汽要求。

蒸汽蓄热器的工作过程分为蓄热过程、放热过程以及热平衡过程。

蓄热器连接方式分为串联和并联。

不同连接方式的蓄热器工作原理不同。

2.2.1串联蓄热器的工作原理
串联蓄热器工作时(见图4)，从热源(上游)来的蒸汽全部通过蓄热器，经蓄热器内的蒸汽分配管和喷嘴凝结于水中。

蓄热器始终处于工作过程，上述蓄热、放热和热平衡过程都是动态进行的。

当用户用汽时，蓄热器内闪蒸产生蒸汽供给用户。

当热源供汽量大于用户用汽量时，蓄热器进汽速率大于排汽速率，蓄热量增加，蓄热器处于蓄热过程；当热源供汽量小于用户用汽量时，蓄热器进汽速率小于排汽速率，蓄热量减少，蓄热器处于放热过程；当热源供汽量恰好等于用户用汽量时，蓄热器进汽速率等于排汽速率，蓄热器处于动平衡状态。

串联系统可以稳定锅炉的运行压力，当锅炉生产的负荷变化较大时，减小对下游热用户的用汽产生影响；当下游部分用户负荷变化时，减小对其他用户用汽的影响。

此外，由于经过蒸汽蓄热器后释放的蒸汽均为饱和蒸汽，串联蓄热器适合用于用户需要饱和蒸汽的场合。

2.2.2并联蓄热器的工作过程
并联蓄热器工作时(见图5)，其工作过程可分为：蓄热过程、放热过程以
及热平衡过程。

当用户用汽量小于上游供汽能力时，多余的蒸汽便流人蓄热器，蓄热器内的温度、压力、水位同时升高，蓄热器处于蓄热过程；当用户用汽量大于上游的供汽能力时，蓄热器排汽管中压力下降，此时因水温高于降压后的压力所对应的饱和温度，蓄热器内的高压饱和水迅速汽化产生闪蒸送往用户，蓄热器处于放热过程；上游供汽量与用户用汽量平衡时，蓄热器既不进汽也不供汽，液面上的闪蒸与凝结处于动平衡过程。

并联蓄热器可用于用户要求过热蒸汽或饱和蒸汽的场合。

图4蓄热器串联系统图5 蓄热器并联系统
1蓄热器；2锅炉1蓄热器；2锅炉
3 蒸汽蓄热器的适用范围
蒸汽蓄热器广泛应用于石油、化工、纺织、酿造、卷烟、造纸、食品加工、火力发电及供热等众多行业。

具体来讲主要用在以下四种场合:
(1) 热源间断供热或供热量波动较大的供热系统。

在汽源供汽不连续或流量波动大的供热系统,装用蒸汽蓄热器后可以实
现连续供汽。

诸如转炉炼钢系统中的汽化冷却装置的供热。

(2) 热负荷波动大而频繁的供热系统。

主要目的是稳定供汽锅炉的供汽压力,从而提高供汽品质和锅炉热效率。

如啤酒生产中酿造车间的用汽及其他部分行业的用汽。

(3) 瞬时热耗极大的供热系统。

对于瞬时耗汽量极大的供热系统,可采用容量小的锅炉配以足够容量的
蒸汽蓄热器,就可节省初次投资, 保证供汽。

(4) 需要储存热能供随时应用的场合。

蒸汽蓄热器作为一种热力设备,它可以随时把暂时用不完的多余蒸汽储
存起来,当热用户遇到正常供汽中断时,可供紧急用汽(如火力发电厂机组故障) 时立即启动蒸汽蓄热器供汽给汽轮发电机组运行。

4 装用蒸汽蓄热器的基本技术要求
2×#5t／h转炉余热锅炉蒸汽蓄热器的应用及热工计算炼钢厂的转炉生产呈周期性，因此排出的烟气余热也是间断的，周期性的，使转炉余热锅炉只能间断地产生蒸汽。

为使这间断汽变为连续的、稳定的汽源进入烧结余热发电机组的低压补汽母管用于发电，在系统中增设蓄热器来解决这一问题。

蒸汽蓄热器的蓄热和放热是依靠其工作压力的变化而进行的,当蓄热器
的容积一定时,蓄热量由容器内的最高压力(蓄热过程终止时的压力) 和放热压力(放热过程终止时的压力) 之差决定。

该压差称为蓄热器的压力变化范围,压力变化范围越大,蓄热量也越大。

因此从经济效益的角度考虑,供汽系统设置蒸汽蓄热器必须具备以下条件:
4.1已知条件
(1) 用汽负荷频繁波动,这种波动具有一定的周期性或呈现最大负荷与
最小负荷交替出现的状况。

(2) 汽源压力必须高于部分或全部用汽设备所需的压力,这种压差越大,蓄存一定蒸汽量的蒸汽蓄热器的容积就越小。

(3) 汽源的供汽能力必须略大于一昼夜的平均用汽负荷。

(4) 具有装设蒸汽蓄热器的场地。

(5)转炉吨位：45 t／h；
(6)转炉座数及吹炼制度：二座、二吹一或二吹二；
(7)转炉冶炼周期：30 min；
(8)纯吹氧时间：12 m-m；
(9)锅筒蒸汽压力：1．96 MPa；
(10)外部蒸汽管网压力：1．0 h )a；
(11)蒸汽蓄热器的最大蓄热能力Gx为4600kg蒸汽。

4.2 热工计算
锅筒设计压力为1．96 MPa(表压)，外部蒸汽管网的压力为1．0 MPa(表压)，设蒸汽蓄热器前后管道及附件的压力损失各为0．05 MPa，则蒸汽蓄热器的充热和放热压力为：．
a．充热压力：P1=1．96—0．05=1．9lMPa。

b．放热压力：P2=1．0+0．05=1．05MPao
4．3 装用蒸汽蓄热器的效果
(1)综合效果
一提高汽轮机的热经济性和安全性；
一提高锅炉的供汽能力；
一延长锅炉寿命；
一减少大气污染。

(2)节煤效益
每一周期回收蒸汽4．6 t，每年按运行260天计算，则每年回收蒸汽57408 t。

提高运行操作水平和技能；加强对锅炉及辅助设备的维护、维修和保养；设计时要适当加大引风机的风量和全压储备；要尽可能选用和设计煤质相近的燃煤。

5 蓄热器应用举例及效益浅析
5.1 应用举例1
以某啤酒厂为例,该厂有三台4t/ h 的快装锅炉,由于生产的发展,高峰用汽量为15t/ h ,低峰用汽量为8t/ h ,显然三台4t/ h 锅炉满足不了生产的需要。

于是,在供汽系统中配置了一台100m3 的蒸汽蓄热器而不增设锅炉(一台4t/ h) ,解决了生产用汽量的需要。

现在只用目前的三台锅炉就可满足生产用汽,锅炉运行工况稳定,热效率提高了1115 % ,供汽量充足,保证了生产的需要。

锅炉压力与供汽压力平衡,波动范围为±011MPa ,一台100m3 蒸汽蓄热器的制造成本比一台4t/ h 锅炉少,且节省燃煤(假定一台4t/ h 锅炉每小时耗煤以1t 计算,每天按两班运行, 一年运行按330 天计算, 则一年耗煤5280t) ;另外,由于热效率提高了1115 % ,三台4t/ h锅炉年节省燃煤182116t ,若每吨燃煤按200 元计,则每年节约燃煤费用36143 万元。

5.2 效益浅析
结合该啤酒厂装用蒸汽蓄热器的实例以及蒸汽蓄热器的工作原理分析
得出如下结论:
(1) 节省燃料。

在热负荷波动剧烈且频繁的供热系统中,装用蒸汽蓄热器后可以消除由于波动负荷对锅炉运行产生的各种不利影响,使锅炉能在较好
的工况下运行,提高了锅炉的运行热效率,节省了燃料。

(2) 增大锅炉供汽能力,节省建设投资。

在供热系统中装用蒸汽蓄热器配合锅炉供汽后,通过蒸汽蓄热器放热可满足高峰负荷的需要,相应地可减少所需的锅炉容量,特别在高峰持续时间较短的条件下,减少锅炉的容量最多。

在一般情况下,如高峰负荷超过锅炉的总容量,采用蒸汽蓄热器来平衡高峰负荷时的供汽,所需要的投资少,且维修费用小。

(3) 减少锅炉故障。

装用蒸汽蓄热器后,锅炉热负荷稳定,就可避免因供汽锅炉的燃烧工况随剧烈波动的热负荷而多变。

如赶火时炉膛内燃烧强烈,使炉壁温度过热;压火时,炉膛内燃烧缓慢,炉壁温度下降,这样反复赶火、压火,易使炉墙砌体开裂,炉管弯曲变形或水冷壁上结渣。

如果炉内燃尽不够,火焰延伸,可导致过热器或对流管束的金属超温,造成故障。

(4) 保持供汽压力稳定,可提高产品的产量和质量。

例如啤酒生产过程中,啤酒在煮沸时,如蒸汽压力不足,煮沸强度不够,煮沸不彻底,可导致煮沸时
间延长,啤酒颜色加深。

瓶装啤酒在杀菌机中,若蒸汽压力不足,将导致杀菌不彻底,杀菌时间延长,啤酒有老化味。

(5) 有利于保护环境。

锅炉配用蒸汽蓄热器后燃烧工况稳定,容易实现最佳工况燃烧,废气中氧化物减少,含尘量低,有利于保护环境。

(6) 减轻司炉的劳动强度。

装用蒸汽蓄热器后使锅炉能稳定运行,这样就解除了司炉原来须经常调节燃烧的紧张劳动。

(7) 具有应急的蒸汽储备。

在供热系统中装用蒸汽蓄热器后,如锅炉机组在运行中突然发生故障进行抢修或临时停电,蒸汽蓄热器能继续供汽一段时间,这样可以减少或避免生产上的损失。

表4 预运行、清洗过程的运行时间、运行流量
项目运行流量阳床运行阴床运行
/ t·h - 1 时间/ min 时间/ min 预运行150 5 15
清洗30 ,85 20 ,5 20 ,10
再生一台阴床可回收的水量为:150 ×15 ÷60 + 30 ×20 ÷60 + 85 ×10 ÷60 =61167t 。

5.3 工艺改造
针对以上分析,我们进行了工艺改造,安装了200m3 回收水箱、回收水泵等设备。

工艺过程由DCS 系统进行自动控制,改造后的流程简图如图3所示。

图3 改造后的流程简图
5.4 经济效益
回收水系统投用以后,在目前的外供水量下,每天需2 台阳床、2 台阴床并联运行,平均需要再生3台床,每天可以节水130t 左右,这部分回收水经中和后由回收水泵直接送至循环水场使用。

该系统自投用以来,平均每月节水在3800～4200t 。

济南地区工业用水资源价格为118 元/ t ,送至厂区约2 元/ t ,污水排放费015 元/ t ,每月可节约资金10000 元左右,同时回收水作为循环水的补充水后还可节约部分循环水的加药费。

本项目总共投资20 万元,仅20 个月即可收回全部投资。

5.5 应用实例2
廊坊开发区热力中心以生产蒸汽为主，为70多个生产或采暖用户提供蒸汽。

冬季供汽包括采暖用户用汽和生产用户用汽，采暖用户占总用户数的80％。

有些生产用户由于生产工艺的要求，对所提供蒸汽的压力和流量有非常严格的限制，否则将会严重影响生产及产品质量，给用户和供热企业造成重大的经济损失。

所以如何保证该类单位用汽成为热力中心的一个重要问题。

冬季蒸汽管道中蒸汽流量大，当个别用户用汽量突然增加时，分配到采暖用户的汽量减少，对生产用户不会造成太大的影响。

夏季只有生产用户用汽，管道中的蒸汽流量远小于冬季，供汽管线上其它用户用汽量如果突然增加，而锅炉又不能瞬时调整蒸发量来弥补蒸汽负荷的变化，就会使整个供汽管线中蒸汽压力突然下降，发生事故。

例如某用汽单位，生产工艺流程对入口蒸汽的温度和压力有非常严格的要求，其生产线一旦启动，进口蒸汽压力不能低于0．8MPa，入口温度波动范围在±2~C内，蒸汽压力和温度的波动将导致其生产线在4秒钟)内全部自动停止运行，生产线上设备重新处理到启动状态，所有产品重新进行加工，造成重大损失。

基于上述问题，2000年廊坊开发区热力中心在锅炉房主蒸汽管道出口安装了一台容积为300m 的集中蓄热器。

该蓄热器的安装，减少了锅炉的频繁调度，使锅炉始终在最佳工况条件下稳定运行，改善了蒸汽供热系统的运行效果，获得了一定的经济效益。

但是由于该蓄热器只能调节热源负荷，不能满足用户对蒸汽的特殊要求，问题并没有从根本上得到解决。

2004
年，该用汽单位扩大生产规模，进一步提高了对蒸汽用量和压力的要求。

针对这个问题，借鉴以往众多蓄热器的控制方案，结合用汽单位的实际情况，热力中心在该用汽单位蒸汽引入口安装了一台容积为60m 局部蓄热器，有效的保证了用户用汽，取得了预期的效果。

10。