凝结水回收系统设计中的问题分析及对策

刘昌魁 王光华 林丽红

摘 要：在工业企业中，对蒸汽产生的凝结水进行回收，是一种非常重要的节能措施。但在实际工程设计中存在割裂系统、设备选型和系统不匹配等诸多问题，造成凝结水回收系统不能完全发挥作用，经济效益和社会效益大打折扣。本文基于调查研究的基础上，创新地提出了凝结水回收系统应包括收集储存输送、处理和利用等三个部分，对目前凝结水回收系统的设计工作中经常出现的问题进行了分析，有针对性地从工艺安全、就地利用、梯级利用、统筹规划、负荷平衡等方面提出了应对策略。

关键词：凝结水；回收系统；设计；问题分析；对策

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.01.012

0 引言

在工业生产中，蒸汽作为一种重要的能源，有着非常广泛的应用。蒸汽在相变时可以放出巨大的潜热，用来加热物料，促进物料的化学反应或物理变化；也可以利用蒸汽的压力能，推动汽轮机或其他动力设备做功。在释放出潜热后，蒸汽由汽态转化为液态，这些液态的水就是蒸汽凝结水，一般简称为凝结水。凝结水具有一定的显热，特别是温度较高的凝结水，其蕴含的热能是相当大的[1]，如120℃的凝结水，和25℃的常温水相比较，大约7t的凝结水和1t低压蒸汽的可利用的热能相当，所以对凝结水的回收利用具有必要性。随着节能减排意识的逐渐深入，现在项目建设中，大多会设计凝结水回收系统作为一种节能措施。但由于目前凝结水系统的设计中涉及到工艺、热工、暖通、制冷、给排水、水处理等多个专业，运用到工程热力学、流体力学和传热学等多方面的知识，尚未形成设计规范和统一的技术要求，往往各做各的，无法统筹考虑，产生了凝结水高质低用、管道“水击”、闪蒸汽无法利用、系统憋压等诸多问题，致使凝结水回收系统无法有效地发挥作用。

1 凝结水回收系统的界定

根据一般系统论创始人贝塔朗菲的定义，系统是“相互联系相互作用的诸元素的综合体”[2]。作为一个系统，凝结水回收系统应包括诸多功能单元，可以从两个层次来描述：从狭义上，是指凝结水的收集、储存和加压输送，这也是目前大多数文献和从业者对此的理解；从广义的角度，凝结水回收系统应包括收集储存输送、处理和利用，即除了狭义上的范围，还应包括凝结水的处理和利用单元。因为凝结水回收来是为了利用的，但往往由于回收的凝结水达不到利用的水质标准，需要进行深一步的净化处理，这样回收→处理→利用，就组成了一个有机的系统。

2 目前设计中存在的问题

2.1 只注重设备，不关心系统

对于凝结水回收系统，有些设计师在设计时往往会片面地注重设备的配置和功能，却几乎很少关注相对应的系统，不深入研究上游的用汽设备和下游用水点的工作特点，造成设备和系统不匹配，整个凝结水系统运行不良，进而影响设备的运行效果。如某工艺装置有多台用汽设备，即多个凝结水疏水点，操作压力差别较大，却要求进入同一回收管路，造成低压凝结水无法汇入总管。还有的回收点有大量闪蒸汽，需要外送到其他用汽设备，但设计时没有考虑，只能直接外排到大气中，造成资源的浪费和环境的污染。还有的没有考虑凝结水回收设备的背压，造成疏水阀工作背压过高，排水不畅，影响上游的用汽设备的加热效果[3]。需要把用汽设备、疏水阀（或调节阀）、凝结水管线和回收设备等作为一个整体，统筹考虑，详细计算出各种工况和运行状态，方可选出合适的回收设备。

2.2 设备选型和系统工作特性不匹配

传统的凝结水设备选型往往是不考虑凝结水的温度，均采用开式回收系统[4]，对于高温凝结水系统，造成闪蒸汽或挥发汽散逸到大气中，既造成了热能的浪费，还造成一定的热污染，厂区到处冒汽，和目前 “清洁生产”的导向背道而驰。而且还会造成凝结水的水质降低，无法直接利用。还有的项目中，采用动力机械泵对凝结水进行加压，但提供的作为动力介质的蒸汽或压缩空气压力较低，根本不能提供足够的扬程，造成凝结水无法输送。随着技术的发展，目前大多选用闭式回收设备，该设备无乏汽排放，避免了以上问题。但并非所有的回收系统都可以采用闭式回收设备，对于压力非常低的凝结水，是无法使用的。因为闭式凝结水回收罐内有一定的压力，即使采取控制压力的措施，也可能会影响提高疏水阀的工作背压，进而影响上游用汽设备的连续疏水，甚至会影响工艺设备的运行效果。

2.3 凝结水输送压力不平衡

对于大型石化、化工等企业，设计单位往往采用集中式凝结水回收系统，这样可以降低运行费用，提高管理水平。但也有一定的弊端，因为各工艺装置的用汽压力不同，外送的凝结水压力也往往有较大区别，且并不是外送压力高的位于凝结水回收主管的远端、压力低的位于近端，在实际运行中往往会出现水力不平衡的问题，造成压力低的凝结水无法进入回收主管。有些设计单位就硬性规定所有凝结水回收点出界区压力一致，这个压力值一般是按照最不利的情况来考虑的，但这样就产生另一种情况：回收设备中的凝结水泵大多数选的扬程较高，造成初投资的增加，且实际运行中大多在低效率区间工作，如果不采取电机变频调速或调节阀控制，还可能会造成电机过载。

2.4 凝结水回收管道设计问题

高温凝结水在输送过程中，各点的运行压力应从输送管道的末端计算，而不是从起点计算。工作点压力：P=Ps+Pe+gh+

Ps：管道的阻力，包括局部阻力和沿程阻力。

Pe：末端接受设备的工作压力。

h：该点到管道末端的高差，如果末端标高低于该点，则h值为正，否则为负。

ρ：凝结水的密度。

ν：流体速度。

对于高温凝结水（>100℃），在输送过程中，当某点的工作压力低于该凝结水温度对应的饱和压力时，凝结水就会在管道内闪蒸，一部分是液体，一部分是汽体，形成了汽液两相流。在某些凝结水回收系统设计中，没有考虑高温凝结水的两相流，设计的管道管径过小，致使凝结水无法顺利流通；还有管道设计的弯头过多，在弯头处容易形成“水击”现场，造成管道震动和异响，严重的还会损坏法兰间的垫片，造成泄露，进而造成更大的破坏和损失。

2.5 利用方式不合理

目前存在诸多凝结水利用方式，但大多存在着弊端，只考虑利用水，没有考虑利用热，其实对于凝结水来说，热能的利用价值要高于水的回收利用价值。

3 凝结水回收系统设计的应对策略

3.1 优先就地利用

凝结水回收作为一项节能措施，应优先考虑就地利用。凝结水蕴含着大量的热能，也是品质相对较高的工业水，且大多数工艺装置需要蒸汽、除盐水或除氧水、工业水等，如能用凝结水代替部分负荷，可以减少新鲜蒸汽或水的制备和输送费用，将是一举多得。各装置产生的凝结水尽量在本单元内利用，可以根据工艺设备需求副产闪蒸汽用于物料加热，以及设备、管道和仪表伴热等，水质较好的凝结水也可代替除盐水或除氧水供工艺设备使用。确实无法利用的或不能完全利用的，再考虑外送。就地利用可以降低输送管道、设备的投资，节省运行费用，同时也方便维护和管理。

3.2 保证工艺安全

工艺装置的运行安全是凝结水回收系统设计的首要原则，不应本末倒置，为了节能措施影响工艺装置的安全稳定运行。对于利用凝结水作为热源或水源的装置，应设有备用应急措施，以防凝结水无法供应，启动备用方案，不影响工艺装置的连续运行。有些工艺设备的疏水压力较低，就要采取措施控制凝结水回收罐内的操作压力，不得“憋压”，影响工艺设备的连续疏水。凝结水回收系统管道设计时，要进行水力计算，防止某个支路的凝结水无法进入主管道。同时要考虑电动凝结水泵的防汽蚀措施，可以采用引射增压的方式，提高设备的NPSHa（有效汽蚀余量），使NPSHa和凝结水泵的NPSHr（必需汽蚀余量）的差值大于设计规定值。

3.3 余热梯级利用

对于高温凝结水来说，如果直接回收，在输送过程存在汽液两相流、水击等问题，在后端的净化处理和利用上也存在着问题，需要把温度降低到一定的范围内。

可以采用多级闪蒸，并通过蒸汽喷射器、水汽引射器、溴化锂制冷机、吸收式热泵、换热器等设备，结合其他用汽设备的工艺需求，把凝结水温度逐级降低，做到高质高用、低质低用。如对于170℃的凝结水，可以采用如下流程：高温凝结水先输送到一级闪蒸罐，产生0.4MpaG的饱和蒸汽，输送到低压蒸汽管道；一级闪蒸罐内的中温凝结水输送到二级闪蒸罐，闪蒸压力为0.05-0.1MpaG，由于压力较低，不方便利用，这部分闪蒸汽可以通过蒸汽喷射器增压后，再输送到低压蒸汽管道；二级闪蒸罐内的低温凝结水流入凝结水罐，会同其他低温凝结水，通过凝结水泵加压，输送到余热回收单元，热回收设备可以是溴化锂制冷机、吸收式热泵或换热器等，降到设计温度以下，进入凝结水精处理装置，经过除油除铁除盐等过程净化处理，检测达到高压或中压锅炉补给水水质要求，可以输送到除氧器或其他用水设备，代替除盐水，可以提高水的循环利用率，减少除盐水站的设计负荷和投资规模，更重要的是，把热能基本上全部利用，提高了能源的利用效率，真正起到节能减排的效果。

3.4 厂区统筹规划

蒸汽系统在工业中起着重要的作用，在炼油、石化等企业中的消耗量是仅次于电能，在部分行业中蒸汽甚至能占到公用工程总消耗量的40%及以上。把蒸汽系统和凝结水回收系统规划设计好，对于企业节能减排、降耗增效，起着至关重要的作用[5]。在设计时，工艺、热工、暖通、水处理等各专业要加强沟通，厂区统筹规划，做好物料平衡和热平衡。对于各工艺装置要统计好最小、操作、最大负荷，工作运行情况，并结合总图布置，规划出最佳的凝结水管道走向、管径、运行压力、运行温度、凝结水站布置位置等，做好凝结水回收设备、处理设备和余热利用设备的选型，从源头抓起，避免前期考虑不周，后期改动较大，造成系统水力失调，运行费用较高，经济效益大打折扣。

3.5 冷热负荷平衡

在部分项目中，为了方便凝结水的输送，需要对凝结水进行降温。由于大多石化、化工等行业的企业热负荷多，冷负荷少，在传统的设计方案中，有些就采用空冷器，或循环水冷却，这部分热能白白浪费掉，还需要多消耗电费，后一种方式还增加了冷却水站的负荷。建议在设计中，可以结合暖通等专业的意见，用凝结水作为热源，通过热水型溴化锂制冷机制备工艺或建筑空调用冷冻水；对于需要外购蒸汽的企业，可以采用二类吸收式热泵，提取凝结水的热能，制出压力为0.3～0.5MpaG的低压蒸汽，代替部分新鲜蒸汽，以减少外购蒸汽的消耗量，降低企业运行成本[6]。尽量不要用循环冷却水、空冷器来冷却降温，以提高能源的利用率。

4 结论

在工业企业的凝结水回收系统设计中，要在保证工艺安全的基础上，因地制宜，各专业充分沟通，统筹规划，充分利用新技术、新设备，把凝结水的热能和水资源充分利用，节能减排，降耗增效，一套设计合理、运行稳定的凝结水回收系统，可以有效降低企业的运行成本，增强企业的盈利能力，提高企业的竞争力；同时减少了燃料的消耗，降低了CO2、SO2和粉尘的排放，提高了水资源的利用效率，具有良好的社会效益，维持社会可持续发展，发展循环经济，造福社会，泽被后生。

参考文献：

[1]寇超美，雒小坤，雒新峰.生产用汽凝水回收存在问题及解决方法[J].西安航空技术高等专科学校学报，2012（03）：66-67.

[2]于玉林.基于系统论：对"审计免疫系统"的认识[J]. 会计之友，2010（25）：9-13.

[3]钟新庆，曹忠信，戴志轩.冶炼厂储槽蒸汽加热系统疏水问题研究[J].通用机械，2013（04）：68-71.

[4]郑海莼.凝结水回收系统的分析比较[J].煤气与热力，2002（03）：285-286.

[5]杨浩.热力系统凝结水回收系统工艺[J].城市建设理论研究（电子版），2011（06）.

[6]史路.大型石化企业蒸汽动力系统的优化策略[J].能源工程，2015（01）：64-68.

作者简介：刘昌魁（1976-），男，硕士，副总工程师，主要从事研究工业企业蒸汽系统节能、高温凝结水回收和处理系统、工业换热和冷却系统，承担济南市科技计划项目（企业自主创先类，编号201201134）一项，授权发明专利一项，实用新型专利八项。