蒸汽蓄热器技术在烟草行业中的应用

(云南省节能监察中心，昆明 650041)

0 引 言

蒸汽蓄热器技术最早起源于美国，从第一台蒸汽蓄热器诞生至今已有140多年的历史。40年代我国东三省就有应用，80年代以后在我国部分省份开始运用，该技术被原国家经贸委列为重点推广的节能技术，列入了《中国节能技术政策大纲》。目前蒸汽蓄热器技术已十分成熟，是消除或缓解蒸汽系统负荷波动的最有效措施。对稳定供汽压力和生产，提高锅炉的运行热效率，节约能源，起到十分明显的作用，在化工、烟草、钢铁、造纸、食品、制药等多个行业广泛应用。

云南省节能中心从1985年开始引进蒸汽蓄热器技术，已在省内外设计、制造、推广应用了40多台(套)，涉及化工、烟草、钢铁、造纸、食品等行业，从50～135 m3形成了系列化容积，取得了良好的节能及经济效益。在30多年的蓄热器技术应用实践过程中，进行了深入研究，理论与实践结合，对内部导流、喷头、喷嘴重新进行了设计，完成了充热循环系统的技术创新，研发出了“导流筒充热喷头装置”专有技术。

1 蒸汽蓄热器的概念及工作原理

实现储存蒸汽的独立装置现常用有两种，变压式蓄汽器和变压式蒸汽蓄热器，变压式蓄汽器也叫干汽包，属于干式定容蓄热器，它直接储存蒸汽，不仅能储存饱和蒸汽，也能储存过热蒸汽，但由于蒸汽比容较大，如果需要储存的蒸汽量很多时，所需容积较大。变压式蒸汽蓄热器简称蒸汽蓄热器，属于湿式定容变压式蓄热器，它以水为载体，将蒸汽的热能蓄存在高压饱和水中，利用饱和水降压后发生闪蒸的原理产生蒸汽，故只能提供饱和蒸汽。在相同容积下，变压式蒸汽蓄热器是变压式蓄汽器蓄热量的数十倍或近百倍，目前，主要应用的是变压式蒸汽蓄热器。

蓄热器正常运行时，充水系数为0.80～0.9，蓄热器内的水处于相应压力下的饱和温度，当锅炉供汽量大于用汽量时，多余蒸汽充入饱和水中，蓄热器压力、温度、液位上升实现充热过程，充热终止时蓄热器内的最高压力称为充热压力(P1)。当锅炉供汽量小于用汽量时，用汽压力降低，蓄热器压力随之降低，饱和水变为过热水，闪蒸产生蒸汽，以补充锅炉供汽的不足，蓄热器压力、温度、液位下降，实现放热过程。放热终止时的最低压力称为放热压力(P2)。容积一定的蓄热器内所产生的蓄热量取决于蓄热器筒体内充热压力和放热压力的差值，这种差值称作蓄热器的变压范围。

2 蒸汽蓄热器主要作用及适用范围

蒸汽蓄热器在供热系统中，是一个热能的储存与释放装置。主要用于调节在一定的蒸汽负荷周期内供气量和耗气量之间的不平衡，发挥在供热过程中的平衡调节作用，起到“削峰填谷”的作用，消除用汽负荷波动对供汽锅炉运行的不利影响，稳定供汽锅炉的燃烧工况，使锅炉在相对稳定的负荷下运行，从而保证供汽压力和供汽品质，提高锅炉运行热效率，节约燃料。

蒸汽蓄热器适用于所有蒸汽热力系统，对于用汽负荷波动较大、或瞬时耗气量极大的蒸汽热力系统，其技术经济性尤佳；对于间断供汽的汽源(如转炉炼钢余热蒸汽)，通过蒸汽蓄热器可以实现余热回收并连续供汽；还可应用于需要贮存蒸汽随时需用的场合。

3 蒸汽蓄热器系统构成

蒸汽蓄热器系统主要由汽源、蓄热器本体、连接管路及附件、自动控制系统等构成。蓄热器本体作为压力容器由筒体、充热装置、放热装置、附属装置等组成。自动控制系统由现场仪表、调节阀等器件组成。蓄热器筒体分为卧式与立式之分，卧式蓄热器筒体蒸发面积大、高度低、安装检修方便，故被广泛地采用。筒体内件由蒸汽分配管、充汽管、充汽喷头、导流筒、汽水分离装置等构成。设备管口依据工艺要求设计，一般有蒸汽进口和出口、加水口、排污口、蒸汽放散口、安全阀口能及其它安全和控制、监测口等。安全和监测附件有安全阀、压力计、温度计、液位计等。

4 蒸汽蓄热器技术在某烟草企业中的应用

4.1 企业生产用汽状况及存在问题

云南某烟叶复烤厂生产规模为2×12 000 kg打叶复烤生产线，年产烤烟约60万担，生产及生活用汽由2台35 t/h，1.57 MPa饱和蒸汽锅炉供给，一用一备。打叶复烤烤季为每年8月份到第二年的2至3月份，无真空回潮机时打叶复烤车间生产稳定，供汽量一般在9 t/h左右，用汽负荷基本稳定。烟包回潮车间目前共有两台真空回潮机，型号为：WZ178K80喷射式真空回潮机，额定生产能力6 000 kg/h，饱和蒸汽平均耗量2 000 kg/h，蒸汽压力0.8～1.0 MPa。两台真空回潮机的运行，原则上为交替运行，但实际生产中并未完全执行。正常情况下，锅炉平均负荷约14 t/h，其中打叶复烤车间用汽量约9 t/h；根据锅炉历史记录，真空回潮机同时运行时，锅炉最大负荷超过22 t/h。真空回潮机为间断运行方式，单台从进料到出料(运行周期)时间为12～18分钟，其中抽真空时间约为6分钟，抽真空时蒸汽压力下降0.2～0.4 MPa；蒸湿过程约3分钟，而蒸湿过程蒸汽压力下降较大，约0.3～0.6 MPa。

由于真空回潮机的间断性用汽，造成正常生产时供用汽系统负荷大幅波动。另外打叶复烤车间两班倒，每天早上系统重新开车时，工人习惯将所有用汽设备先手动排水、暖机升温，也造成蒸汽负荷的较大波动，对热力系统产生较大冲击。这时司炉工只有靠锅炉赶火，短时间增加负荷来解决。负荷波动大、运行不稳定、能源消耗高，造成司炉人员劳动强度大，锅炉使用寿命也受到影响，必然带来增加锅炉运行成本和劳动强度等一系列问题。同时导致生产不稳定，并可能影响产品质量。

4.2 蒸汽蓄热器系统连接方式及应用原理

蒸汽蓄热器在蒸汽供热系统中的功能和作用，决定其联接方式。该企业的锅炉为饱和蒸汽锅炉，采用蒸汽蓄热器技术主要是为了解决锅炉负荷的较大波动，蓄热器直接补偿，所以，蒸汽蓄热器系统与锅炉采用并连连接方式。连接方式如图1所示。

图1 锅炉与蓄热器并联流程示意图

当锅炉供汽量大于用汽量时，富余蒸汽自动充入蒸汽蓄热器，对蓄热器进行充热，充热过程使蓄热器内压力、温度和水位上升。蓄热器的最大充热压力(最高工作压力)按锅炉额定压力进行设计，蓄热器达到此充热压力时，为蓄热器最大有效容积，此时的充水系数为最大值(一般不超过90%)；当用汽侧蒸汽负荷增大时，锅炉供汽量小于用用汽量时，蒸汽蓄热器内压力下降，闪蒸出蒸汽以补充锅炉供汽的不足。放热压力越低，充热压力与放热压力的压差越大，蓄热量相对越大，反之则越小。所以，在满足工艺用汽压力的前提下，应尽可能调低放热压力；当锅炉供汽量等于用汽量时，锅炉所产生的蒸汽直接供给用户，蓄热器处于平衡状态。

4.3 蒸汽蓄热器系统设计

4.3.1 工艺设计

系统工艺流程、外形尺寸、管口配置，内件数量及布置等由云南节能中心进行设计。

蓄热器系统工艺流程设计和蓄热器外形尺寸设计，是蓄热器设计的基础。合理的工艺流程和蓄热器外形尺寸设计，能够保证蓄热器蓄热功能，实现最佳技术经济性。

充热装置的设计是蓄热器设计的关键。蒸汽充入水中时，蒸汽从汽态变成液态，比容急剧减小。充热装置的优化设计，首先是安全保障，消除由于介质发生相变带来的动力学影响，避免充热过程发生振动和噪声，同时对蓄热器内介质充分充热，保证蓄热器内温度场均匀，实现安全稳定运行。

4.3.2 设备的结构设计

筒体结构、管口补强、人孔、安全部件等由具有D1、D2级以上压力容器设计、制造许可证的专业制造厂进行设计，并由该厂负责整个设备的制造。

4.4 蒸汽蓄热器容积设计

蓄热器容积根据蒸汽热力系统所需的蒸汽补偿量(蓄热器蓄热量)确定，影响蓄热器蓄热量的因素较多，首先是充热压力(P1)和放热压力(P2)，其决定了(饱和水的)单位蓄热量，其次需考虑蒸汽波动周期以及周期内峰谷平衡，同时还应考虑蓄热器制造的技术经济性。

4.4.1 蒸汽蓄热器工作压力

一定容积条件下，蒸汽蓄热器的蓄热量和充热放热的压差成正比，扩大充热和放热的压差(ΔP=P1-P2)可以增加蓄热量。在相同的压差下，蓄热量随着放热压力的提高而降低。放热压力越低，单位蓄热量越大。但充热压力受到供汽锅炉工作压力和饱和水比热容的限制，当充热压力达到一定程度后，进一步提高充热压力时，蓄热量的增加并不明显。

图2是放热压力与单位饱和水蒸发量(即单位蓄热量)关系图，当放热压力超过1.5 MPa以后，曲线趋于平缓，放热压力越低则产生的蒸汽量越多。

图2 放热压力和单位饱和水蒸发量关系图

工程实际中，充热压力和放热压力取决于汽源和蒸汽用户。通常以汽源(如锅炉)的最高工

作压力和蒸汽用户的最低工作压力确定蓄热器的充、放热压力，最大限度扩大充热和放热的压差，提高单位蓄热量。

该企业锅炉额定压力1.57 MPa，复烤线入机蒸汽压力0.6 MPa，真空回潮机入机压力不低于0.8 MPa。根据锅炉状况和运行情况，考虑一定的裕量和管损，充热压力P1和放热压力P2分别取1.4、1.0 MPa。

4.4.2 蒸汽蓄热器蓄热量及容积计算

为提高蒸汽蓄热器的技术经济性，蓄热量需根据蒸汽负荷的波动情况确定，统筹考虑峰谷平衡和一定周期(如一个班次)的负荷。

图3为该厂某中班(14∶05至22∶45)时段正常生产的锅炉负荷(瞬时流量)曲线。根据负荷波动情况，我们将其分为A-B、B-C、C-D、D-E、E-F、F-G六个时段，其中：A-B、F-G段分别为生产准备阶段和结束清理阶段。图中，蒸汽平均流量按瞬时值平均(13.39 t/h)，时段平均按积分平均(累计平均)。其中17∶00和19∶59前后，锅炉负荷波动最为剧烈，最大波动量从9.33 t/h增至21.73 t/h，时间仅为6分钟。通过调研，其原因是两台真空回潮机先后投运。

图3 典型锅炉负荷曲线(瞬时流量及分段平均)

经过近一个月的现场调研，真空回潮机运行时，锅炉负荷曲线相似；真空回潮机停运时，锅炉负荷的波动频率和剧烈程度(波动量)相对较低，尖峰负荷不超过17 t/h。

图4是按锅炉累计负荷(流量)和运行时间计算平均流量以及与划分的各时段平均流量变化情况。

(1)按瞬时平均考查所需蓄热量

图4 典型锅炉负荷曲线(累计平均与分段平均)

根据该班锅炉运行记录，班平均流量13.39 t/h，除生产准备和结束清理时段，B-C、C-D、D-E、F-G时段平流量均高于整班平均流量，仅E-F段(13.31 t/h)略低。所以，应以一个班次正常生产的时段作为一个周期考虑蓄热器的蓄热量，即3.67t(-3.81+0.139),见表1。

表1 按瞬时流量分段平均与同期平均流量之差

注：(1)“—”表示积分段平均流量大于日平均流量；

(2)A-B、G-H分别为生产准备和(班)结束清理阶段。

(2)按累计平均流量考查所需蓄热量

按累计平均流量核算，班平均流量13.69 t/h，各段累计平均与班平均之差后的累计流量见表2，相应B-C、D-E、F-G段的累计量约2.77 t。考虑E-F段，蓄热器所需蓄热量为2.11 t(-2.77+0.659)。

表2 按累计分段平均与周期平均流量之差

注：“—”表示积分段平均流量大于日平均流量。

以上看出，瞬时流量可以明显反映出蒸汽负荷的波动剧烈程度(如图3所示)。按瞬时流量和累计流量计算出的所需蓄热量，存在较大差异，其主要原因是由于锅炉瞬时流量未实现连续记录，数据离散性大。实际上，我们通过对多班次的瞬时流量进行考查计算，同样的两台真空回潮机运行，有的计算结果仅约1.84 t的蓄热量。按累计流量考查时，正常情况下，所需蓄热量约为2.63～2.91 t。考虑波峰时段负荷冲击和生产负荷的不平衡特点，综合瞬时平均与累计平均，所需蓄热量按两者平均值2.89 t进行设计计算。

(3)蓄热器容积计算

蓄热器容积根据所需蓄热量和单位饱和水蓄热量、充水系数计算。单位饱和水蓄热量取决于充热压力(P1)和放热压力(P2)。根据该厂锅炉实际运行情况，P1、P2分别取1.4 MPa和1.0 MPa，则，单位饱和水蓄热量约为25.4 kg汽/m3水，充水系数取0.85，蓄热器容积为：

蓄热器的结构须有合理的长径比，综合考虑制造等技术经济性，蓄热器容积确定为135 m3，尺寸：Φ3400×15632(mm)。

4.5 蒸汽蓄热器自控系统设计

蓄热器自控系统的设计是要求在保障可靠性的前提下，同时满足经济性、实用性和易用性。自动控制系统的设计采用分散采集，集中控制的原则，即蓄热器系统的工艺过程信号通过现场安装的检测仪表将4～20 mA信号送入安装在锅炉控制室内的DCS控制系统，经过控制器的比较运算，输出控制信号控制工艺管道上的阀门开度或电动阀的开关状态，使被控参数满足工艺要求。在蓄热器现场将安装温度、压力显示和液位调节系统，远传显示蓄热器的温度、压力、液位并通过液位信号控制排水调节阀，使蓄热器的水位保持在设定范围内。为保证蓄热器的运行安全，还应设置压力报警及高、低水位报警，整个自控系统全自动运行。

另外，蓄热器作为能源动力系统中一个缓冲环节，除了要控制好常态压力和常态水位，做好应对负荷急剧变化的准备预案外，还可以与锅炉燃烧控制系统密切配合，组成一个联动的多回路复合控制系统，采用优化调度算法，根据炉膛燃烧状况，以允许的速率释放蒸汽或贮存蒸汽，在负荷急剧变化时，既维持用户蒸汽压力恒定，又保证燃烧工况的平缓变化，最大程度地支持节能减排。在这样的解决思路下，可以同锅炉DCS系统厂家共同制定出蓄热器的优化控制方案。

4.6 蒸汽蓄热器工程分项实施说明

(1)安装基础和筒体支座

蓄热器运行时内盛有蓄热介质(饱和水)，重量较大，必须有足够坚固的基础。蓄热器基础需根据载荷，由具备相应土建设计、施工资质的单位进行设计和建设，避免不规则沉降，保障蓄热器纵-横水平要求。另外，在设计和安装蓄热器支座时必须考虑到蓄热器内蓄热介质温度变化所引起的筒体热胀或冷缩，支座必须考虑能吸收不同方向的伸缩。为此，蓄热器除有固定支座外，还必须考虑允许它向不同方向自由伸缩的活动支座。

(2)操作平台

可根据要求，设置简易平台或整体性平台。平台采用钢架结构，可根据现场制作安装。

(3)连接

蓄热器的连接管选用GB/T 3086的无缝钢管；法兰、密封垫等管道附件执行HG 20593标准；蓄热嚣充、放热接口采用煨弯弯头，管道及附件均需保温，并适当提高保温等级。

(4)运输

135 m3蓄热器属于超高、超宽、超重的货物，可采用大型平板运输车进行运输，运输前需到运管部门提前办理相关手续。

5 蒸汽蓄热器工程设计应注意的问题

蒸汽蓄热器不是“标准”设备，压力等级、蓄热量、充热放热压力需根据企业实际情况确定。作为蒸汽的“储存”设备，其输出的蒸汽必须保证相应的品质，以满足用户要求，在保障安全和用户蒸汽品质要求的前提下，提高蓄热器制造的技术经济性。

5.1 校核保证蒸汽质量的条件

蒸汽蓄热器输出的蒸汽均为饱和蒸汽。对于蒸汽质量(含水率)，则必须由蓄热器内部设计来进行保证。而蒸汽质量的最大影响因素是蒸汽蒸发空间高度。

(1)蒸发空间高度

根据对蓄热器技术研究和长期工程实践，蒸汽蒸发空间高度与蒸汽湿度的关系如图5所示。

图5 蒸汽湿度与蒸汽空间高度之关系图

当蒸汽空间高度低于0.5 m时，随着蒸发空间高度的减小，蒸汽湿度快速增加。而当蒸汽空间高度高于0.5 m时，随着蒸发空间高度的增加，蒸汽湿度的下降已不明显。因此，一般可将蒸汽空间高度控制在0.5 m即可。

(2)液面蒸发负荷

单位面积水面在单位时间内蒸发蒸汽量称为液面蒸发负荷。液面蒸发负荷应控制在合适的范围，其值与蓄热器内压力(充热压力)有关，如图6所示。

图6 蓄热器液面蒸发允许负荷图

对于卧式蓄热器，蒸发面积较大，正常情况下液面蒸发负荷基本不会超出图6的允许负荷。对于球形、立式等蒸发面积较小的蒸汽蓄热器，则需按放热压力进行液面蒸发负荷校核。

(3)蒸汽空间容积负荷

蒸汽空间容积负荷按下式计算：

式中,Rv为容积蒸发强度，m3/(h·m3)；D为蒸发量(kg/h)；V为饱和蒸汽比容(m3/kg)；Vg为蒸发空间容积(m3)。

计算结果满足表3，说明蒸汽空间容积负荷合理。

5.2 蓄热器内部装置设计

(1)充热装置

蓄热器喷嘴数量的配置是否合适，对其是否能正常运行至关重要。 蓄热器工程设计中，不能认为蓄热器容积确定后，设备的工艺设计就完成了，还必须进行确定喷嘴数量的设计。首先确定最大充汽量。根据最佳充汽流速确定所需喷嘴面积。根据每个喷嘴的截面积计算所需喷嘴量。一般每组充汽管设两个喷头，根据喷嘴量计算出所需喷头数量，即可计算出充汽管的组数。进行充汽管布置设计。若布置受限，可对喷嘴面积-亦即喷孔尺寸重新设计，一般是需要增大喷孔直径。

表3 蓄热器压力与允许容积负荷

(2)均汽板设计

均汽板的设置，是为了使蓄热汽的蒸发蒸汽能够按层流方式均匀地向上流动，进入均汽板上部空间后，再折流至蒸汽出口，这样会同时具备较好的水分离作用。蒸汽穿过均汽板的速度要低于其进入出口管道的流速。均汽板的长度不得低于直管段的三分之二。

设计人员应对设备制造图认真检查，切不可忽略这类看似简单的细节。

5.3 设备制造的技术经济性

蒸汽蓄热器的造价一般可以认为正比于其容积V与设计压力P的乘积，单位V×P的造价低限为50 m3，小于50 m3时单位容积的造价较快上升。受制造条件和运输条件的影响，一般单台蓄热器的容积不宜大于150 m3。

6 结束语

该企业使用蒸汽蓄热器技术后有效地缓解用汽负荷的剧烈波动对锅炉供热系统所产生的冲击，不仅提高了锅炉的运行热效率，降低燃料消耗，而且由于蒸汽品质的提高稳定了生产过程，避免由于蒸汽负荷的剧烈波动对生产和设备所带来的不利影响，有效保证了烟叶质量。锅炉运行稳定，减少了锅炉发生故障的频率，延长了锅炉使用的寿命，降低了锅炉操控难度，减轻了司炉工的劳动强度，还使得锅炉燃烧后废气中氮氧化物等有害物质减少，烟气含尘量降低，有利于当前生态环境的保护和绿色发展的需要。在目前能源紧张时期，蒸汽蓄热器技术已日益显出其重要性，其在众多领域中有广泛推广应用的前途。