蒸汽输送系统

2024-11-03

蒸汽输送系统（精选7篇）

蒸汽输送系统篇1

0 引言

在洁净流体输送过程中除工艺物料外,涉及最多的是水(纯水、注射用水、WFI)、纯蒸汽和工艺用气(压缩空气、N2、真空等)的输送。如何保障这些公用系统的密闭性、完整性,防止外界对洁净流体的污染,是设计者首先应考虑的问题。

现依据ASME BPE标准中SD-4章节对这几种系统的描述进行解读,以供读者参考使用。

1 水系统概述

USP等级的注射用水(WFI)、USP等级的纯化水(PW)和高纯水(HPW)都应设计成环路的循环系统形式,而不是非循环、有死端、带分支的系统形式。设计成环路形式可以满足在循环系统中的流体始终处于完全的湍流状态,防止流体在任何分支管路中停滞。

1.1 水系统的制备

凡与工艺物料、供水及过程冷凝水接触的表面均需采用316或316L不锈钢材质制造。凡与工艺物料、供水及过程冷凝水连接的端口均需采用卫生级设计的管件。所有管件密封都要遵循这一原则,以避免死角和裂缝产生。系统应该可以完全排净,不允许存在易产生清洗、除污或钝化的溶液积液的区域,也不允许存在润洗过程中不易冲洗的地方。

1.2制药用水的分配系统

1.2.1 制药用水系统的使用点设计

使用点(POU,Point of Use)被定义为在一个制药用水环路中适合于过程用水或取样的位置。

典型的使用点由以下要素组成:(1)与制药用水环路在使用点相连接的管道。(2)POU阀、设备以及其他组件,如图1所示(注:为了便于查询,图1在ASME BPE原文中的编号为SD-4.1.2.1-1)。

1.2.2 使用点组件的关键设计准则

使用点组件的关键设计准则有:

(1) 所有使用点组件需要通过POU阀门且具有完全的排净能力。

(2)组件设计要有利于CIP、SIP以及洁净气体吹扫功能。

(3) 使用点上的阀门尽可能采用焊接形式与水分配环路连接,设计时做到L/D≤2,如图1中(a)和(c)所示。

(4)在系统设计中,为了消除死角,取样阀是首选,且也是必须安装的。

(5)如有需要,取样阀可安装在主环路上。

(6)若用于生产过程的制药用水需要验证是否满足药典标准时,需要安装取样阀。

(7)POU组件中提供洁净公用工程(蒸汽或洁净气体)的任何阀门,必须遵循L/D≤2的原则,如图1中(a)、(c)所示。

(8)从POU阀门到工艺设备间的管道要求最短,如图1中(a)、(b)所示。

(9)如果系统不能完全排空,POU主阀要有合适的端口以利于系统的清洗,保持洁净状态。

(10)当采用换热器作为使用点降温装置时,如图1中(c)所示,设计需要遵循系统设计SD-3.6章节中热交换设备的描述。

(11)在软管、排水阀以及其他排放设备中需要采用物理隔断,以避免流体倒吸至POU组件中,如图1中(d)、(e)所示。

(12)为了避免流体倒吸至POU组件中,物理隔断距离H至少为软管、排水阀以及其他排放设备内径的2倍,当排放软管、阀门或其他部件的内径≤12.7 mm时,隔断距离至少为25.4 mm。

(13)为了便于操作后水的自排净,管道及其他管道组件最小直径要求为19.05 mm。

(14)POU组件必须按系统设计的SD-2.4.3要求做到可排净。

(15) 如果需要限制水的流量,POU组件可能会安装文丘里管或孔板。在使用位置上,要增加一个额外的排放组件以确保系统的全排净。

(16)当制药水系统采用316L或其他合金钢材料时,表面抛光需要Ra≤0.6μm,内表面可能需要电抛。所有内表面需要酸洗钝化。

(17)当制药水系统采用聚合物材料时,表面抛光需要Ra≤0.6μm。

2 洁净/纯蒸汽系统

本描述在洁净和纯蒸汽系统中均适用。

2.1 洁净/纯蒸汽系统的制备

凡与洁净/纯蒸汽系统及过程冷凝水接触的表面均需采用316或316L不锈钢材质,焊接区应采用316L不锈钢或用户指定的材料。凡与洁净/纯蒸汽系统及过程冷凝水连接的端口需要采用卫生级管件设计。所有管件密封都要遵循这一原则,以避免死角和裂缝产生。系统应该是可以完全排净的,不允许存在易产生清洗、除污或是钝化的溶液积液的区域,也不允许存在润洗过程中不易冲洗的地方。

2.2 洁净/纯蒸汽分配系统设计准则

典型洁净蒸汽系统轴测图如图2所示,蒸汽使用点设计如图3所示(注:为了便于查询,图2、图3在ASMEBPE原文中的编号分别为SD-4.2.2.1、SD-4.2.2-2)。洁净/纯蒸汽分配系统的设计准则有:

(1)在启动和正常操作的过程中,分配系统要有能去除空气的装置。在空气容易聚集的地方需要增加排气孔,例如在蒸汽室的末端安装此类装置。

(2)水平分配管路在沿蒸汽流动方向要有一定的坡度。如有必要,可通过垂直提升以增加管路的高度,如图2所示。

(3)对管路的线性膨胀要有充足的应对,并且要防止分配管路下沉,从而避免管路的排水能力降低。

(4)分配系统不能直接与非洁净蒸汽系统(例如工厂蒸汽系统)相连。

(5)蒸汽分配系统上的冷凝水收集单元应和分配线路有相同的尺寸,最大为101.6 mm,如果是152.4 mm或更大的分配线路,冷凝水收集单元可以是小一级或两级管道尺寸。这些收集单元需要安装在管线底部。在分支处和疏水点之间,可以对管道进行缩径处理。

(6)至少每隔30.8 m安装一个收集单元,在上游蒸汽隔断控制阀、垂直提升管道的底部以及其他的低点位置均要安装收集单元装置。

(7)冷凝水可以自由进入蒸汽疏水阀,并通过疏水阀排出。高点设计、直接耦合、冷凝水回收系统应该避免进入冷凝水,如图3所示。

(8)分配管路系统的所有组件应尽可能做到自排净。

(9)通过管路分布设计及使用疏水阀去除冷凝水,可以避免死角的产生。

(10) 管路分支和使用点需要从蒸汽主管道上方引出,这样可避免过多的冷凝水的产生,如图3所示。

(11)洁净/纯蒸汽的取样点需要设置在系统中收集有代表性样品的位置上,例如发生器出口、分配总管末端、典型的使用点、高压蒸汽灭菌器或SIP站。

2.3 洁净/纯蒸汽阀

本部分概括了阀门对纯蒸汽系统部分的隔断、调节和控制作用,其适用于连续的蒸汽灭菌。

(1)蒸汽阀门必须要有排水能力,并且达到最小的积液量要求。

(2) 球阀在连续蒸汽灭菌过程中的截断作用是工业标准所接受的。在清洁程度和可维护方面,应采用三片式球阀替代一片式球阀,球阀内径必须要与管道内径相一致。

(3)在用户指定的压力和温度下,所有元件设备可以适应连续蒸汽灭菌需求。

(4) 带有警报连接的次级密封杆件对蒸汽系统是非必要的。

(5)蒸汽阀门要便于维护。

3 工艺气体系统

3.1 工艺气体分配系统

工艺气体分配系统指的是从气源主体(包括压缩机)到用户确定的使用点(POU)之间的延伸部分。质量保证人员必须证明系统满足21CFR211 D部分。

3.2 工艺气体分配系统设计准则

工艺气体分配系统的设计准则有:

(1)工艺气体输送和分配系统的安装要合理选择管道材料。所有供应的元件在安装和使用之前必须不含油雾、碳氢化合物和微粒。

(2)用户必须详述制造所采用的材料。采用铜做材料时,应选用硬铜,并且按NFPA99第5章的标准进行安装。洁净房间或区域采用铜为材料时,用户必须确认所有洁净、无菌的试剂均要和铜及用到的所有材料相匹配。当采用不锈钢管道时,应选择316L或304L,连接处要求采用轨道焊接方法。在洁净区内部,管道材料选择316L或304L不锈钢的管子和管件。用户和制造厂需要统一所有连接方式、检测水平以及安装前所有连接的可接受标准。

(3)在工艺气体分配系统的源头或是边界处,压力接头可能会用在截断阀、调节阀、流量控制阀以及其他设备系统中。

(4)气体产生系统既不需要设计为洁净的,也不需要钝化或者安装后进行化学处理。其有关坡度、高点排放以及低点排放在这些系统是不需要的。

(5)气体分配系统不应该含有非挥发性的杂质。系统设计需要保证气体在输送过程中始终保持洁净。

(6)选择预过滤和终端系统过滤是非常重要的,最终使用点的气体纯度要与工艺要求相一致。

(7)气体系统检测和取样必须遵守21CFR211和ICH Q7准则。

4 结语

遵循质量源于设计的原则,在洁净流体输送系统设计中通过采用“使用点”的概念做到无死角,关键区域做到L/D≤2,保证清洗过程干净,合理配置排尽点,排气点做到全排尽,这样才能使流体的闭合系统成为密闭性高、完整性好的一个系统,从而有效地防止外界对系统的污染,确保系统内洁净流体的质量。

蒸汽长距离输送的分析篇2

1.1概述。

工业企业用汽由蒸汽锅炉、余热锅炉或其它蒸汽发生设备产生的蒸汽通过蒸汽管网送至工业企业的各个生产装置或生活用汽设备, 用以加热工艺介质, 生产成品或半成品, 驱动各类压缩机和离心泵用的工业透平, 或作为工艺原料参与化学反应, 吹扫, 抽真空和采暖等。

1.2工业用汽参数等级。

工业企业用蒸汽均为过热蒸汽, 其有三个压力等级:

1) 高压及超高压级。压力范围一般为6.74~13.7Mpa, 相应的过热温度为441~530℃。常用于大型石油化工装置, 驱动各类压缩机或发电机。

2) 中压及次高压级。压力范围3.67~6.73Mpa, 相应过热温度为350~485℃。主要用作驱动各类压缩机、泵、风机、发电机用中压蒸汽透平、参与化学反应、加热及其它用途的汽源。

3) 低压及次中压级。压力范围一般为0.35~2.5Mpa, 相应的温度范围为200~400℃。该级蒸汽在大型企业置于第三级母管, 中型企业置于第二级母管, 小型企业可置于一级母管。其汽源来自中压蒸汽透平的抽排汽, 低压或次中压锅炉产汽。

二、蒸汽输送管道

2.1蒸汽管道的水力计算。

管道水力计算的任务是按照给定的管道布置、管径、介质流量及其参数来计算管道的压降, 或确定管道内任一截面上的介质状态以及管道的通流能力。

因管线布置未知, 我们假定用户用汽参数为0.35Mpa和0.5Mpa两种压力, 两种压力的蒸汽用量均为20t/h。假定蒸汽出厂参数为电厂汽机中排抽汽, 抽汽参数为P=0.85Mpa, 抽汽温度为330℃。并假定蒸汽输送距离为5km。

由于我们假定的用户蒸汽使用参数均属低压等级, 因此该两类用户蒸汽管线的敷设采用单管形式, 压力损失按照用户参数为0.5Mpa考虑。出厂参数为0.85Mpa, 所以管线沿程允许压降为0.35Mpa。根据DL/T 5054-1996《火力发电厂汽水管道设计技术规定》计算管道压降时, 宜考虑一定的富裕量, 其数值取计算压降的10%, 故该管线允许压降应为0.35a X0.9=0.315Mpa, 根据管线长度5Km, 计算管线沿程比摩阻为:52.5Pa/m (已考虑局部阻力当量长度, 按管道粗糙度0.2计算) 。

蒸汽压力为0.85Mpa, 温度为:330℃时, 密度为:3.03kg/m3

蒸汽压力为0.5Mpa, 温度为:280℃时, 密度为:1.986kg/m3

取用计算蒸汽平均密度为: (3.03+1.986) /2=2.508 kg/m3

根据以上用汽量, 及允许沿程比摩阻我们确定蒸汽输送管径为:D426X7, 此时蒸汽流速为:33.2m/s;比摩阻为:54.8Pa/m。

蒸汽输送至用户时蒸汽压力及温度能够满足用户需求。

那么如果我们将蒸汽输送距离加长至10km

故该管线计算压降应为0.175X0.9=0.1575Mpa, 计算管线沿程比摩阻为:13.125Pa/m。

此时末端蒸汽参数为:0.5Mpa, 温度为:230℃, 密度为:2.198 kg/m3

取用计算蒸汽平均密度为: (3.03+2.198) /2=2.614 kg/m3

根据以上参数计算确定管径为:

D529X7此时蒸汽流速为:20.4m/s;比摩阻为:16.3Pa/m。

这样也能满足用户对蒸汽参数的需求。

2.2蒸汽喷射器。

蒸汽喷射器 (也称蒸汽喷射热泵, thermocompressor) , 广泛应用于纺织、造纸、石油、热电等以蒸汽作为动力的工业中, 主要用来提高低压蒸汽压力。该类企业利用高压蒸汽节流的可用能将生产过程中产生的低压蒸汽的压力提高, 回收高温凝结水的闪蒸蒸汽等, 从而将不同等级压力的蒸汽综合利用, 达到显著的节能效果。

三、结论

由于进行经济技术分析的条件不全, 在此我们不做对电厂盈亏的经济技术分析, 但根据管网水力计算, 仅从蒸汽品质的下降及管径投资的增加上来说, 蒸汽管线敷设距离宜控制在4Km~6Km之间, 这样能保证蒸汽管线敷设的经济性。当然, 如果不具备近距离敷设条件, 我们也可以进行长距离输送蒸汽, 这需要进行多方案论证比较, 选择经济技术性较好的方案。

参考文献

蒸汽系统节能途径篇3

1 按照需求加热

储存热水将会造成很大的热量损失。因此用板式换热器替换容积式换热器将是一个很好的选择, 板式换热器是根据需求用蒸汽加热水。板式换热器反应很灵敏, 其紧凑的结构设计确保其热量损失远低于相同功能的容积式换热器。

2 冷凝水回收

冷凝水所含能量达到蒸汽总能量的20%。回收冷凝水供给锅炉水箱可利用其所含一半能量, 剩余能量可通过闪蒸罐回收, 当然也可以使用闭式冷凝水回收系统来回收冷凝水。冷凝水回收系统还可以节约水费、水处理费以及水排放费。

3 安装自动锅炉排污装置

所有的蒸汽锅炉都需要排污。排污主要是通过排除足够污水以控制TDS (总溶解性固体) 在允许范围内。过度排污不但会造成能源的浪费, 同时也会造成水处理和化学试剂的浪费。自动T D S排污控制系统随时监测炉水中的T D S值, 在需要排污的时候打开排污阀。

4 关注贮水罐

加热热水产生蒸汽需要的燃料更少。利用回收的冷凝水每提高供水6℃则可节约1%的燃料。理想状态下, 给水温度应保持在90℃。

5 良好习惯

监测目标系统 (M&T) 可以帮助管理人员监视每台设备的运行情况。根据实践, 在很多地方正确的M&T设计可以节能10%, 平均来说可以节能5%。

6 联系斯派莎克

蒸汽输送系统篇4

蒸汽管道作为稠油热采工艺中注汽系统的主要设备之一 ,是影响井口干度的主要因素,也是降低能量利用率的重要因素。饱和蒸汽在输汽管线中流动时,不断地同周围环境、分支管路之间进行热量交换和质量交换,导致蒸汽的流量、压力、热焓和蒸汽干度逐渐变化,引起输汽管路内各处的注汽压差和蒸汽干度不同 ,进而使热采井口处蒸汽压力和蒸汽干度发生变化。本计算方法通过计算蒸汽压力、热损失等一系列参数,进而分析管路中蒸汽干度变化情况。

影响管道保温效果的因素很多,主要有:保温材料的导热系数,保温层表面散热系数,管道所处环境常年平均气温及常年平均风速、管道架空的高度系数、保温层厚度及施工质量等。一般来说,在同样热损失的情况下,导热系数及保温层表面散热系数愈大,保温层厚度愈厚。所处环境常年平均气温越低、常年平均风速愈大、室外管道架得愈高,所需的保温层厚度就愈厚。如果管道是深埋于地下的那么热损失就和土壤的温度和导热系数有关。以下就是针对管道深埋于土壤中进行的热损失计算及其温度场进行分析。

本计算方案所采用的所有原始数据均来自辽宁石油化工大学课题研究小组在辽河油田锦州采油厂8号站所做的锅炉出口蒸汽干度实验所得。该课题组已成功的研发了锅炉蒸汽干度采集系统,并且已经长期在辽河油田锦州采油厂的多台锅炉上实施了检测。

1 物理数学模型建立

1.1 物理与数学模型

蒸汽管道输送情况受诸多因素的影响,为了问题的简化,对蒸汽管道内的汽液两相流做出以下假设[1,2,3]:①管道的横截面积A不变;②混合物在水平管道中是一维稳态流动;③在理想情况下,蒸汽和水均匀混合,流速相同,可以把汽水混合物看成是均匀流体;

在蒸汽管道内,取任意截面进行分析,建立数学模型如下:

1)管道热损失的传热过程及计算

供热介质的热量通过管道内表面向管道外表面传递,然后再从保温结构的内表面传到外表面;从保温结构的外表面向保温结构的空气传递。传热方式先是导热、对流。

$Q = \frac{2 π l (\bar{t_{m}} - t_{0})}{\frac{1}{λ_{u s}} \ln \frac{d_{u s}}{d_{u s}} + \frac{1}{λ_{土}} \ln \frac{4 Η}{d_{m p}}} (1)$

式中 Q——单位质量的蒸汽向环境的散热量,J/kg;

$\bar{t_{m}}$ ——蒸汽的平均温度,℃;

t0——环境温度,℃;

λus——保温层的导热系数,W/(m·K);

dus——保温结构的外经,m;

dmp——蒸汽管道的外经,m;

λ土——土壤的导热系数,W/(m·K);

H——管道的埋地深度,m。

2)求出管道内水蒸气的干度

湿蒸汽是干饱和蒸汽和饱和水的混合物, 干饱和蒸汽的质量与湿蒸汽质量的比值定义为蒸汽干度。对蒸汽的热力过程存在一点、两线、三区、五态:一点是临界点;两线为饱和液体线和饱和蒸汽线;三区为未饱和液体(过冷液体)区、湿蒸汽区、过热蒸汽区;五态为未饱和液体(过冷液体)状态、饱和液体状态、湿饱和蒸汽状态、干饱和蒸汽状态和过热蒸汽状态。

把整个系统看作与外界达到良好绝缘,根据能量守恒:

h1-Q=h2 (2)

式中 h1——锅炉出口的蒸汽焓值,kJ/kg;

h2——蒸汽对环境散热之后的焓值,kJ/kg。

蒸汽的干度 $χ = \frac{h_{2} - h^{'}}{h^{″} - h^{'}} (3)$

式中 h′——饱和水的焓值,kJ/kg;

h″——保护水蒸汽的焓值,kJ/kg。

1.2 参数确定

1)压降计算[2]

根据各国研究学者所提出了各种计算方法,总的来说,摩擦阻力除了与管道尺寸,流速有关以外,还与水蒸气的干度有关。可以把汽水混合物看成是均匀流体,写成单相流体的摩擦阻力计算公式的形式,然后在用实验数据加以修正。可得到以下公式:

$Δ p_{m} = φ λ \frac{l}{d} \frac{ω_{0}^{2}}{2} ρ^{'} [1 + χ (\frac{ρ^{'}}{ρ^{″}} - 1)] (4)$

式中 φ——实际情况下摩擦阻力损失校正系数。

$φ = 1 + \frac{χ (1 - χ) (\frac{1000}{ρ^{″} ω_{0}} - 1) \frac{ρ^{'}}{ρ^{″}}}{1 + (1 - χ) (\frac{ρ^{'}}{ρ^{″}} - 1)} (5)$

摩擦阻力损失校正系数φ是通过实验得出来的,表示实际情况和理想情况的差别。经实验证明,φ与工作压力、水蒸气干度χ、质量流速ρω有关。对于受热管而言,管内水不断汽化,各个管截面的汽水混合物的流速也随之而变化,使用起来不方便。因此人们采用质量流速ρω来表示管内工质流量。定义为:单位截面上在单位时间内流过工质的质量。

式中 ω0——循环流速,m/s;

ρ′——饱和水的密度,kg/m3;

ρ″——饱和水蒸气密度,kg/m3;

λ —— 管段摩擦阻力系数。

因为锅炉蒸发管内的工质流动的雷诺数很大,基本上都处在阻力平方区范围,计算公式如下:

$λ = \frac{1}{4 [\lg (3700 \frac{d_{1}}{k})]^{2}} = 0.057 (6)$

式中 k——管内壁绝对粗糙度,mm;

d1——管子内径,m。

汽水两相流体流动的局部阻力损失的计算与摩擦阻力类似,先按照理想的情况写成均匀流体的局部阻力计算公式,然后用实验数据加以修正。计算公式如下:

$Δ p_{j b} = Σ \frac{ω_{0}^{2} ρ^{'}}{2} [1 + χ (\frac{ρ^{'}}{ρ^{″}} - 1)] (7)$

式中 ξ——两相流体局部阻力系数。

2 计算过程及算例

2.1 计算过程

主要计算过程由以下及部分组成

①根据基础数据;

②根据基础数据计算压降,绝热层表面温度及其它物性参数;

③计算保温层散热系数;

④计算水蒸气对环境的散热量;

⑤计算未知点处水蒸气的压力及其焓值。

⑥计算水蒸气的干度。

2.2 计算数据及求解过程

以下是计算距离地面200 m处管道内蒸汽干度的方法。

蒸汽管道外经dmp为89 mm,内径d163 mm,壁厚为26 mm,外侧包有厚度δ为50 mm的硅酸铝保温层,其导热系数λus为0.085 W/(m·K),垂直安置在地下,周围土壤温度t0为27℃的空气中,管内蒸汽温度tm为320.77℃,出口压力p出为11.4 MPa,出口干度χ为58.25%,介质的流量Ws为10.7 t/h。

$\begin{array}{l} V_{s} = \frac{W_{s}}{ρ} = 160 m^{3} / h = 0.04 m^{3} / s \\ ω_{0} = \frac{V_{s}}{A} = 11.7 m / s \\ ρ^{″} ω_{0} = 66.66 k g / m^{3} \times 11.7 m / s = 779.9 k g / (m^{2} \cdot s) \end{array}$

Δp总=Δpm+Δpjb=1.3+0.086=1.386 MPa

距离地面200 m处的蒸汽压力为10.014 MPa,相应的温度为311℃。蒸汽的平均温度 $\bar{t_{m}}$ 为315.88℃,保温层的外径dus为0.189 m,绝热体导热系数λus=0.085 W/(m·K),土壤的导热系数λ土=0.87 W/(m·K)。

单位质量的热损失 Q=39.87 kJ/kg

h1=h′+χ(h″-h′)=2 144.82 kJ/kg

h2=2350.82-25.88=2104.41 kJ/kg

蒸汽的干度 $χ = \frac{h_{2} - h^{'}}{h^{″} - h^{'}} = 52.85 %$

3 用有限元的方法分析蒸汽管道的温度场

本文应用有限单元思想,使用ANSYS,通过计算机仿真,模拟了蒸汽管道及其保温层的温度场变化情况。通过ANSYS进一步分析了本文所提出的蒸汽干度计算方法的可行性。在图2中,因为管道是轴对称的所以只对其截面进行分析。其中的黑线表示蒸汽管道和保温层的分割线,保温层和土壤的分割线。

4 结论

(1)在注汽锅炉正常运行过程中,可以看出给水流量、蒸汽压力、锅炉热效率、饱和水焓、汽化潜热、给水焓和环境温度的扰动都将引起蒸汽干度的波动。

(2)考虑了传输过程中导热系数的变化,增加了模型的可靠性。对于不同的保温材料,管道热损失也不一样。因此,为了计算更加符合实际情况,需适当的调节参数。

(3)通过此项算法结果证明,蒸汽管道中的热损失、蒸汽干度损失是客观存在的。为了取得较高的经济效益,尽量减少热损失和蒸汽干度损失,选择导热系数小的保温材料和控制好蒸汽的流量和压力。

参考文献

(1)武占.油田注汽锅炉(M).乌鲁木齐:新疆大学出版社,1997.

(2)苏宾.管道绝热的材料装置方法和计算(M).北京:冶金工业出版社,1967.

(3)冯青,李世武,张丽.工程热力学(M).西北工业大学出版社,2006.

(4)杨世铭,陶文铨.传热学(M).北京:高等教育出版社,1980.

(5)瓦格纳,克鲁泽.水和蒸汽的性质(M).北京:科学出版社,1997.

(6)冯俊凯,沈幼庭.锅炉原理及计算(M).北京:科学出版社,1992.

(7)尚思贤,过洪波,任印堂.提高蒸汽分配系统中蒸汽干度的研究(J).特种油气藏,1998,5(1):33-36.

(8)杨方,韩玉生.测量和控制蒸汽干度的方法(J).国外石油机械,1998,5(1):63-67.

蒸汽发电系统的优化篇5

该项目以DCS系统为基础,结合DEH(汽轮机数字电液控制系统)和TSI(汽轮机安全监视系统)。其中DEH贯穿机组开机、并网、负荷控制投抽汽、停机整个过程,是系统的关键环节;TSI是轴系检测系统;DCS则是连接DEH和TSI系统的纽带,提供机组的人机操作平台。各个控制系统之间相互关联,结构如图1所示。

1.1 优化DEH控制系统

1.1.1 消除干扰

DEH系统,是以32位微处理器为核心的模块化计算机控制装置,根据用户运行参数、条件组态,通过输入输出接口,接受、输出模拟量、开关量信号进行控制。调节器接收转速传感器输入的转速信号,压力传感器输入的抽汽压力信号,功率传感器输入的电功率信号以及过程、辅助控制等回路输入的控制信号,运算后输出标准电流信号给电液转换器,电液转换器输出与电流信号相对应的油压信号。该油压信号经液压伺服机构放大后,控制油动机活塞移动。这一控制过程时常会出现“干扰”信号,采取信号导线扭绞、屏蔽、接地、平衡、滤波、隔离等方法加以消除或避免。

1.1.2 添加机组自动启动顺序功能

对DEH系统添加机组的自动启动顺序(见图2)。该顺序逻辑使机组完成从零转速到额定转速完整的系统启动过程。采用这一功能,机组启动升速率和暖机转速的保持时间取决于机组停机时间的长短,大于40h是冷态启动,低于20h是热态启动。在执行顺序自动启动过程中,可以随时暂停进程。

1.1.3 添加机组抽汽/功率联调控制

抽汽/功率联调控制如图3所示,即以操作员设定压力作为给定,以实际抽汽压力作为反馈,通过PID调节器控制抽汽压力,其输出与功率调节器的输出一同送到前置解耦运算逻辑进行解耦运算,实现热电联调与静态自整。

功率功能则是采用闭环控制,根据运行人员设定的目标值及变化率,并综合各功率限制条件及频差修正,形成功率定值,以机组实际电功率作为反馈,通过PID调节器对机组功率进行闭环调节。当机组运行于抽汽工况时,该回路与抽汽控制回路一起牵连运算,实现热电联调及静态自整。

1.2 优化TSI系统

TSI系统完成整个控制系统的轴系检测,测量8个轴振动、2个轴位移、2个胀差、2个转速信号,并且提供轴系参数的报警、停机以及零转速信号。轴系振动测量系统的噪声是无法避免的,它可以歪曲数据,妨碍从数据中提取机器状态信息。优化过程中,采用电路方法,运用3500系统的组态软件的滤波功能,使噪声降低到最小程度。这一方法具有以下特点:低通滤波可以滤去传感器频率周围的高频成分,其低通截止频率为传感器相应频率的1/3;高通滤波可以滤去加速度信号积分和二次积分,积分会产生低频噪声;带通滤波可以从振动信号中分离特定的频率成分;带阻滤波从振动信号中滤去某一频率成分。

2 软测量技术应用

软测量就是选择与被估计变量相关的一组可测变量,构造某种以可测变量为输入、被估计变量为输出的数学模型,用计算机软件实现重要过程变量的估计。收集现行的25MW发电机系统运行过程数据,引入BP网络,并对工业过程的操作数据进行处理,从中提取系统的特征,对数据采用回归分析法,完善模型,得出待测变量的估算值。

软测量模型结构如图4所示,X为被估计变量集;d1为不可测扰动;d2为可测扰动;i为对象的控制输入;u为对象可测输出变量;X1为可能有的离线分析计算值或大采样间隔的测量值;X2为最优估计值。

2.1 BP网络

基本的BP网络是一个三层感知器模型,由输入层、隐含层和输出层组成,如图5所示,它能够使网络的输出逼近目标值。

图中每个节点均为一个神经元,输入层神经的输入值即为其输出值,其余神经元的输入值由该节点所有输入和阈值的加权和组成(其中阈值的加权值令为1),即

式中,xi为所有节点的输入及阈值;wij为从i节点到j节点的权值。

相应地该节点的输出值一般采用:Oj=f(netj),其中,f(x)=[1+exp(-x)]-1。

网络输入、输出节点的确定也属于网络拓扑结构的确定,一般根据具体问题来解决。隐节点的确定一般要多次试探,比较以确定其具体个数。

2.2 基于回归分析建模

软测量建模具体实施办法是采用经典的回归分析法。以最小二乘法原理为基础的一元和多元线性回归技术目前已相当成熟,常用于线性模型的拟合。蒸汽汽轮发电机机组中,测得的轴系位移、振动与蒸汽流量、压力、温度和止推瓦温度等,存在一定关系:

式中,为待估测变量的期望值;x1…xP为相对应时间的温度、压力、流量以及轴系等的测量值。

由汽轮机的工作原理决定,当调节门开大后,流入喷嘴室蒸汽面积的汽量增多,喷嘴室内的蒸汽压力升高,流入汽轮机的蒸汽流量增多,汽轮机的功率增大。在发电机组正常运行时,蒸汽流量、压力以及轴位移和止推瓦温度存在一定的相互关系。合适建立模型的过程数据为蒸汽流量、压力以及轴位移和止推瓦温。取蒸汽流量、压力、温度、轴位移作为辅助变量,以推导推力瓦块的估测值。取参数列表4组数据,分别对应以上参数,得到检测止推瓦温的数学模型:

式中,x1为汽轮机进汽流量;x2为汽轮机进汽压力;x3为汽轮机蒸汽温度;x4为汽轮机轴位移;y为推力瓦温度。

2.3 软测量模型校正

由于装置操作条件及原料性质都会随时间而变化,软测量模型只适用于一定的操作范围,因此需要不定期地对模型进行修正,以适应工况的变化。本项目中,由模型得出止推瓦温度估算值,通过DCS系统的历史数据采集功能,将该值作成历史趋势在画面上进行显示,以此来比较与实际测量值的相互误差。软测量历史趋势如图6所示。

参考文献

[1]韩忠旭,周传心.燃煤发热量软测量技术及其在超临界机组控制系统中的应用[J].中国电机工程学报.,2008

浅谈工厂蒸汽系统节能篇6

1 减温减压节能

蒸汽输送的原则是高压过热输送, 低压饱和使用, 在各用汽点设减压及减温站。高压输送蒸汽管道口径小, 散热损失小, 节省管道及保温费用, 末端减压过程提高蒸汽干度的过程, 通过减压可在用汽点得到更干燥的蒸汽。输送过热蒸汽可减少输送过程中的凝结水, 减少水击的发生。热用户时采用低压饱和蒸汽热效率会更高, 因为随着蒸汽压力的降低, 蒸汽的汽化热值升高, 低压蒸汽热值更高, 低压流速低, 噪音小, 故工厂蒸汽入户必须设减压减温装置。

1.1 减压阀的形式、原理及优缺点

蒸汽减压阀的形式:自作用式 (直接自作用式、波纹管自作用式) , 先导式 (先导薄膜式, 先导活塞式) , 气动式。

自作用减压阀, 寿命长, 结实, 易于安装, 维护简单, 承压承温高, 可适应蒸汽品质较差的场合。在蒸汽如今压力波动较大的场合也可以使用, 造价较高。

直接作用式减压阀利用弹簧挤压膜片, 利用膜片的自恢复性能调节压力。波纹管自作用式所需的下游压力可以通过一个简单运动的调节器增加或减少作用在驱动器隔膜上的弹簧力设定。下游压力通过管道作用于隔膜的另一面, 以相对于设定的弹簧力。下游压力的任何变化直接作用于阀门的开闭。

先导隔膜式减压阀减压比高, 较稳定, 需要在蒸汽品质较好的环境, 耐温度较低, 体积较大。

气动减压阀控制精确, 适用于很高压力的应用, 能适应很高的流量, 很好的调节比, 比较复杂。工作原理利用压力传感器感受下游压力, 通过气动调节阀调节阀门开度, 进而控制蒸汽压力。

1.2 减温装置的形式、原理及优缺点

使用端低压饱和蒸汽的焓值较高, 与饱和蒸汽相比, 过热蒸汽部分所含的热量很小, 使用过热蒸汽会由于其低的传热系统而降低效率, 换热器的换热面积会加大到非常不经济的程度, 极大降低了换热效率。过热蒸汽温度对阀门及用气设备产生应力变化, 超过150度以上, 阀门的耐压均有较大程度降低。高压蒸汽减压也产生过热度, 所以需要减温。

减温器有管束式减温器、水浴式减温器、机械喷雾式、水喷射式, 文丘里式、复合蒸汽雾化式。

文丘里式减温器利用管道对过热蒸汽节流, 过热蒸汽在冷却水喷入点产生高速流动和湍流, 使冷却水和过热蒸汽充分混合以提高减温过程的效率。操作简单, 无运动部件, 有较大的蒸汽压力降, 减温器后吸收段距离较长, 冷却水量需要保持一个最低值, 否则容易失效。

水喷射式减温器主体为轴向喷射嘴及混合器。冷却水雾喷入过热蒸汽, 冷却水量由控制阀的位置控制, 特点操作简单, 蒸汽压力降小, 吸收距离短, 费用较低, 适用于较稳定的蒸汽负荷参数。

机械喷雾式减温器主体为一个或多个机械喷嘴, 喷嘴将很细的冷却水雾喷入过热蒸汽, 水转化为蒸汽, 蒸汽的过热度随之下降。操作简单, 蒸汽压力降较小, 吸收距离较长, 费用较低, 适用于温度的蒸汽负荷参数。

蒸汽减温水量的计算, 基于热量平衡的方法, 可得出减温水量的值, 即蒸汽释放的热量=减温水吸收的热量。

2 蒸汽输水节能

蒸汽疏水阀就是能将凝结水及空气瓦斯气排出蒸汽系统, 却将蒸汽保留的一个自动装置。疏水阀应在启动阶段排除加热空间中的空气, 排除凝结水, 若排水不畅易造成管道及设备腐蚀及水锤。热静力疏水阀可以做到定温排放, 提高系统热效率, 增加可靠性, 节约能源, 运行良好的疏水阀可保证蒸汽节能, 通常一个系统的改造中, 疏水阀的费用占7%~10%, 而其对整个系统的节能效果达到40%以上的贡献。

浮球式疏水阀排量大, 是换热器等加热设备的理想选择, 不受压力波动的影响, 可自由排放空气, 缺点易冻, 须选择坚硬的浮球, 否则易受水锤破坏。主要应用在换热器、蒸汽支管末端、换热器, 蒸锅等工艺设备。

倒吊桶疏水阀, 优点结构简单, 使用寿命长, 防水锤效果较好, 进口家装止回阀, 可用于过热蒸汽。缺点排气孔小, 排空气性能差, 经常出现气堵, 压力波动易失去水封, 造成蒸汽泄露, 小负荷下, 易微量泄漏蒸汽。应用于石油、化工、印染、造纸、制药等工业蒸汽加热设备和蒸汽管网的阻汽排水。

热动力式疏水阀, 原理简单, 部件少, 价格低廉, 阀前无冷凝水。缺点, 用二次蒸汽密封, 能源效率低, 使用寿命短, 在寒冷条件下易失效。在压力为17kg以下的蒸汽主管和伴热管上有限制的使用, 因使用受限制较多, 效果较差, 重要场合不推荐使用。

热静力疏水阀排空气性能最好, 可兼具蒸汽排气阀使用, 定温排放, 能源效率最佳, 是蒸汽节能主要使用产品, 体积较小, 可任意位置安装, 在寒冷条件不易冻坏, 可依据工作压力变化自动调节排水温度, 具有防水锤功能, 过热条件亦可输水。缺点, 阀前有积水, 要求较高条件下需加冷却段, 流量较小, 适用于蒸汽主管线、蒸汽伴热管网、仪表伴热和小型加热设备的阻汽排水, 使用范围很广。

3 冷凝水回收节能

冷凝水是有价值的资源, 含有高热量, 锅炉给水采用冷凝水, 可减少锅炉排放污染, 降低水处理费用。另超过43度的冷凝水不能排放到公共排水系统, 高温水破坏环境, 损坏排数管道。锅炉给水温度越高, 锅炉效率越高, 回收的凝结水的显热占蒸汽总热量的25%的能量, 保留在凝结水中。锅炉给水采用凝结水, 可减少总的可溶固体含量, 从而提高蒸汽的质量, 通过提高给水温度, 最大程度的减小氧含量, 因此可以减小对整个系统腐蚀之危险。

凝结水是一种高温水, 当蒸汽释放其潜热转变为凝结水状态, 大约还有25%总量保留在凝结水中。如果把凝结水排放掉, 所失去的热必须通过燃烧更多的燃料加热低温的补水来弥补。没升高6度水温, 锅炉燃料可节省1%。

凝结水是理想的锅炉补充用水, 因为它是已经被处理过。回收凝结水可以大幅度的减少锅炉的排污次数, 节省燃料, 节省化学处理, 以及水的用量。水中溶解的空气量取决于水的温度, 温度越高, 空气含量越低。如果不回收凝结水, 给水的温度将会比较低, 当给水在锅炉中加热时, 不溶解的空气将从给水中跑出来, 这些空气将于蒸汽一起被输送进管道, 并占具蒸汽的空间。空气是一种差的传热体, 它会延长升温时间, 降低工作效率, 1mm厚的空气膜的热阻与1720mm厚的铁板的热阻相同。空气中含有的氧气和二氧化碳会造成管道的腐蚀。

蒸汽系统冷凝水回收有三种方式。通过重力回收凝结水, 这是最好的回收凝结水的方法, 在这种系统中, 凝结水通过适当地安排凝结水管子并依靠重力流回锅炉。凝结水管道安装设计没有任何升高点。通过压力回收凝结水是利用疏水阀中的蒸汽压力来回收的。凝结水管道被提升到高于锅炉给水箱的高度, 因而疏水阀中的蒸汽压力必须能够克服静态压头和凝结水管道的摩擦阻力。在冷启动时, 凝结水量最高、蒸汽压力低, 不能够回收凝结水, 将造成启动延迟以及水锤的可能性。通过利用凝结水回收装置回收蒸汽凝结水, 凝结水通过重力方式排放到一个通大气的凝结水收集箱里, 在那里一个回收泵将凝结水送回到锅炉房中。

摘要：从工厂蒸汽入口减温减压、蒸汽疏水、凝结水回收等方面阐述工厂蒸汽系统节能措施。

关键词：蒸汽,节能,减温加压,疏水,凝结水回收

参考文献

[1]机械工业部.GB50041-2008锅炉房设计规范[M].北京:中国计划出版社, 2008.

蒸汽喷射抽真空系统故障排查篇7

1 工作原理

蒸汽喷射真空泵利用流体流动时的静压能与动能相互转换的气体动力学原理来形成真空。具有一定压力的水蒸汽通过拉瓦尔喷嘴喉径时达到声速, 到喷嘴的扩散部时, 静压能全部转化为动能, 达到超声速, 同时喷嘴出口处形成真空, 被抽气体在压差的作用下, 被抽入吸入室, 和以超声速的蒸汽一边混合一边进入文丘里管, 然后以亚声速从文丘里的扩散管排出, 同时混合的气体速度逐渐降低, 压力随之升高, 而后从排出口排出。如果将几个喷射泵串联起来使用, 泵与泵中间加入冷凝器使蒸汽冷凝, 便可得到更高的真空度。整台蒸汽喷射真空泵由若干级泵体与冷凝器两大部分组成。各级泵体均由喷嘴、入室及扩压器组成, 喷嘴可以是单只, 也可以是多只, 喷嘴一般采用不锈钢材料, 吸入室和扩压器等其它部件可采用不锈钢、铸铁及碳钢等材料[2]。 (如图、图2)

2 影响真空的因素分析

2.1 蒸汽品质:

抽真空用的蒸汽是要求有一定压力和过热度的, 蒸汽压力偏低及压力波动均对真空泵的能力有较大影响, 因此蒸汽压力不应低于要求的工作压力, 但所用真空泵结构设计已定型, 过多提高蒸汽压力并不会增加抽气量及真空度。在抽真空过程中如果压力不够, 就不足以形成高速射流, 破坏抽真空过程。在抽真空过程中会出现压力温度的变化, 如果过热度不够会引发蒸汽的相变, 影响抽真空的作用。

2.2 冷却器换热效果的影响:

如果冷却器换热效果不够好, 就会导致部分蒸汽无法冷凝, 致使该冷凝器中的气体总量增加, 变相增加下一级抽子的负荷, 当超出设计能力时, 抽真空就会出现问题, 冷却水温度、流量以及冷却器结垢都直接影响冷却器换热效果。

2.3 系统密封性:

抽真空系统法兰, 导淋阀, 放空阀的气密性都会影响到抽真空系统的整体性能, 另外被抽真空系统的气密性对抽真空系统的影响也是比较明显的。

2.4 喷嘴的问题:

喷嘴的安装质量以及堵塞情况都将直接影响到抽真空效果, 存在的问题有:喷嘴装错、装歪、堵塞、损坏、腐蚀和泄漏, 不管采取何种预防措施, 喷嘴的堵塞在所难免。一方面由于安装蒸汽管道时, 管道中残存的铁屑及焊渣会堵塞喷嘴;另一方面, 真空泵系统停用时, 蒸汽管道易生锈, 锈斑在使用时掉落堵塞喷嘴[3]。

2.5 大气腿的重要性:

大气腿如果出现漏气或水封不好将直接影响到抽真空效果。

3 实际使用中的问题:

蒸汽喷射抽真空在乙二醇装置中主要用于真空塔抽真空;透平抽真空, 在实际应用中蒸汽喷射抽真空系统出现过多次波动或抽不下来真空的现象, 每次出现的问题都不尽相同, 对此做如下分析总结:

3.1 开车过程中真空抽不下来:

3.1.1 被抽真空系统泄露:

在一次大修后的开车过程中, 真空总抽不下来, 最小化系统后, 发现抽真空系统能力没有问题, 分析是由于被抽真空系统泄漏引起的抽真空抽不下来, 随对被抽真空系统进行气密试验, 发现产品泵机封、部分管线法兰泄漏及塔顶压力表膜片导淋泄漏, 在解决这些问题后, 真空系统很快恢复正常;

3.1.2 蒸汽喷嘴堵塞:

2015年大修结束的开车过程中, 最终浓缩塔出现真空抽不下来的情况, 最小化系统后发现抽真空系统抽真空能力有问题, 随即对该抽真空系统进行气密试验未发现问题, 最后通过对抽真空系统解体发现二级抽子处有胶块阻挡, 后来分析认为是大修拆除卡子时遗漏在系统中的胶块;

3.2 正常生产中真空波动:

3.2.1 凝液罐压力、液位:

现场后部三个抽真空系统的一、二级换热器凝液均排到C-6861罐, 二级换热器和C-6861废气均排至废气总管, 由于C-6861没有连续的废气排入, 在系统遭遇波动时, 该罐内部压力P1就会出现变化, 当罐内压力P1与二级冷却器压力P3差值达到一定值时, L3就会接近H, 当L3等于H时, 就会导致一二级换热器串气, 破坏一级换热器内的压力, 最终使得一级换热器内压力与废气总管压力一致, 二级抽真空失去其作用, 一级抽子也不能达到其设计值;而C-6861罐的液位L1控制过低将会直接导致L3等于H, 使得一二级换热器串气, 影响真空。

3.2.2 蒸汽质量:

2016年的临时停车检修过程中, 后部真空出现波动, 因处在停车过程中, 中压蒸汽用户用量较小, 后部抽真空系统又处于接近中压蒸汽官网末端, 分析认为中压蒸汽流动性较差, 经现场检查及分析认为是中压蒸汽过热度问题, 之后通过提高中压蒸汽温度, 真空恢复稳定。 (图3)

3.2.3 废气排气不畅:

这种现象多发生在入冬季节, 因末级换热器排气排入废气总管, 而排废气管线在设计中没有伴热线, 在入冬温度零下后, 排气管线易形成冻堵现象, 直接造成末级换热器排气不畅, 导致末级换热器压力偏高, 破坏真空;

3.2.4 内部构件损坏:

2014年透平抽真空系统出现问题, 在经过反复检查后未查出其它问题, 最终在解体过程中发现喷嘴处金属出现磨损, 导致结构数据发生变化, 直接影响到抽真空效果, 后经更换备件投用恢复正常。

4 结语

通过以上的总结分析, 在真空系统出现问题时应采取的排查步骤为:

(1) 出现问题前做过什么:特别是对蒸汽管道、冷却水、抽真空系统以及被抽真空系统的构件做过什么, 往往一个使用正常的设备, 在经过一些操作后出现问题, 那么就有很大的可能是这些操作导致的;

(2) 确认压力表没有问题:通过对现场和DCS压力的核对, 排除掉DCS压力错误显示的问题;

(3) 确认末级排废气是否通畅:尤其是冬季注意下游关系是否有温度, 如有异常及时将末级换热器直排大气;

(4) 检查流程是否有误:所有阀门是否在其该在的位置上, 包括导淋、放空阀;