蒸汽配送和利用
1. 简介..........................................................................................................................................1
1.1 蒸汽的用途........................................................................................................................1
1.2 什么是蒸汽?......................................................................................................................3
1.3 蒸汽的质量........................................................................................................................7
2. 蒸汽分配系统........................................................................................................................8
2.1 什么是蒸汽配送系统?.....................................................................................................8
2.2 管道..................................................................................................................................10
2.3 排水点...............................................................................................................................16
2.4 支管..................................................................................................................................17
2.5 粗滤器................................................................................................................................19
2.6 精滤器...............................................................................................................................24
2.7 液体分离器......................................................................................................................25
2.8 蒸汽疏水阀......................................................................................................................28
2.9 排气..................................................................................................................................37
2.10 凝结水回收....................................................................................................................41
2.11 蒸汽管道和热工艺设备的保温.................................................................................44
3. 蒸汽分配系统的评估........................................................................................................48
3.1 评估蒸汽疏水阀..............................................................................................................48
3.2 评估没有保温的表面热损............................................................................................50
3.3 评估回收凝结水收益.....................................................................................................53
4. 提高能源效率的可能性...................................................................................................55
5. 方案清单...............................................................................................................................65
6. 工作表...................................................................................................................................66
7. 参考资料...............................................................................................................................67
1. 简介
本章介绍什么是蒸汽、蒸汽的性质以及为什么要使用蒸汽。
1.1 蒸汽的用途
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热能设备: 蒸汽配送和利用
自从蒸汽机车诞生和工业革命以后，蒸汽1的利用已经经历了很长的时间。如今，蒸汽已成为现代技术的一个不可分割的重要组成部分。没有蒸汽，食品、纺织、化学、医药、电力、供热和运输工业都不会存在或以现在的状态存在。蒸汽提供了一个将总量可控的能量从高效、经济地产生蒸汽的中央自动化锅炉间输送到使用点的办法。因此，当蒸汽在整个工厂内流通，它就可以被等同于能量运输和供应的载体。
由于很多原因，蒸汽是应用最广泛的传输热能的商品之一。蒸汽广泛用于产生机械动力、空间加热以及工艺应用等领域，在整个工业中的应用都很广泛。使用蒸汽的原因有：
.. 蒸汽能够高效而经济地产生
.. 蒸汽的分配很容易，成本效率也很高
.. 蒸汽易于控制
.. 蒸汽能够很容易地将能量传输给工艺
.. 现代蒸汽站很容易管理
.. 蒸汽的使用很灵活
蒸汽的替代物有水和高温油等热流体。各种方法都有自己的优点和缺点，见表1。
表 1.各种热载体与蒸汽的比较Error! Bookmark not defined.
蒸汽
热水
高温油
热容量高
潜热约为2 100 kJ/kg
热容量中等
比热4.19 kJ/kg°C
热容量低
比热通常为1.69-2.93 kJ/kg°C
成本低
需要一些水处理成本
成本低
只需要偶尔进行处理
成本高
传热系数高
传热系数中等
传热系数较低
要获得高温必须达到高压
要获得高温需要达到高压
要获得高温只需要低压
不需要循环泵
使用小管道
需要循环泵
使用大管道
需要循环泵
使用更大的管道
易于控制
用双通阀即可控制
控制较复杂 -
可能需要使用三通阀或差压阀
控制较复杂 -
可能需要使用三通阀或差压阀
通过减压阀容易实现温度下降
温度下降较难
温度下降较难
需要蒸汽疏水阀
不需要蒸汽疏水阀
不需要蒸汽疏水阀
需要处理冷凝水
无冷凝水需要处理
无冷凝水需要处理
可获得扩容蒸汽
无扩容蒸汽
无扩容蒸汽
必须进行锅炉排污
不需要进行锅炉排污
不需要进行锅炉排污
需要进行水处理
以防治腐蚀
腐蚀较少
腐蚀可以忽略不计
需要大量的管道
通常需要寻找存储介质、焊接接头和法兰接头
非常需要寻找存储介质、焊接接头和法兰接头
1 本节摘自 1.1 蒸汽 – 能源流体，资料来源：Spirax Sarco网上学习中心, Block 1, “简介”.
-- 2---热能设备: 蒸汽配送和利用
蒸汽 热水 高温油
无火险
无火险
有火险
系统非常灵活
系统灵活性次之
系统不灵活
1.2什么是蒸汽？
要更好的理解蒸汽的性质，可以通过理解物质的总体分子和原子结构，并将此知识用于理解冰、水和蒸汽的结构。2
分子是体现任何元素或化合物所有化学性质的最小单元。分子甚至是由更小的称为“原子”的微粒构成的，它决定了该物质的基本元素，如氢和氧。原子以特定的结构组合成为化合物。比如其中一种化合物以化学式H2O表示，它的一个分子由两个氢原子和一个氧原子构成。地球上水非常丰富的原因是氢和氧属于宇宙中最丰富的元素之列。碳也是一种相当丰富的元素，它是所有有机物的重要成分。
大部分矿物质可以以三种物态(固态、液态和气态)存在，物态也称为物相。以H2O为例，冰、水和蒸汽就是H2O的固相、液相和气相。
目前人们还没有完全了解冰、水和蒸汽的分子结构，但容易理解的是水分子是被电荷(称为氢键)束缚在一起的。分子的激发度决定物质物态(或物相)。
1.2.1三态点
一种物质的三种物态只能在一定的温度和压力下才能平衡共存，这就称为该物质的三态点。H2O的三态点，即冰、水和蒸汽三种物相平衡共存的状态，出现在273.16 K的温度和0.006112巴的绝对压力下。这个压力非常接近理想真空。如果在此温度下压力进一步降低，冰就会直接升华为水蒸汽，而不会经过融化这一步。
冰
在冰中，分子以一种规则的点阵式结构结合在一起，只能进行振动。在固相下，分子在点阵中的运动仅限于在有限的空间内振动，分子之间的距离小于一个分子的直径。热量的持续增加导致分子的振动加剧，到一定程度后，一些分子就会脱离它们周围的分子，这时固态就开始融化成液态(在一定的压力下，这一过程总是保持0°C的温度)。打破点阵键从而产生相变而不会提高冰的温度的热量，叫做融化焓或融化热。这一相变现象是可逆的，当同样总量的热被释放到环境中时，就会发生凝固现象。大部分物质从固相变化成液相时气密度都会降低。但是，H2O是一个例外，在融化过程中它的密度会升高，这就是冰会漂浮在水面上的原因。
水
2 本节摘自2.2 什么是蒸汽?，资料来源：Spirax Sarco 学习中心, Block 2, “蒸汽工程学原理和热传递”.
www.spiraxsarco.com--3--
热能设备: 蒸汽配送和利用
在液相下，分子可以自由移动，但由于分子间的互相吸引，分子间距仍然小于一个分子的直径，分子碰撞频繁发生。如果热量继续增加，将会加速分子的激发和碰撞，提高液体的温度，直到达到它的沸点温度。
水蒸汽
当温度升高，水将要达到其沸腾状态时，一些分子获得足够的动能，达到一定的速度，使它们可以瞬间从液体中逃逸到液面上方的空间。进一步加热会使分子进一步激发，含有足够的能量、能够脱离液体的分子数量增加。当水被加热到沸点时，蒸汽泡在水中产生，然后上升并突破水面。考虑液体和蒸汽的分子结构，不难理解蒸汽的密度要比水的密度小得多，因为蒸汽分子互相之间的距离非常远。因此，水面正上方的空间就会充满密度较低的蒸汽分子。
当离开液面的分子数量大于重新进入液体的分子数量，水就处在自由蒸发状态。这是水就达到了沸点，或“饱和温度”，因为这时水含有的热量已经达到了饱和状态。如果气压保持一定，继续增加热量不会使水温继续升高，而是使水变成饱和蒸汽。在统一系统内，沸水和饱和蒸汽的温度是相同的，但蒸汽中单位质量所含有的热能却比水高的多。
在标准大气压下，水的饱和温度是100°C。但是，如果压力升高，则可以增加更多的热量，使水的温度升高，而不改变其物相。因此，提高压力能够有效地提高水的焓和饱和温度。饱和温度和压力的关系可用“蒸汽饱和曲线”表示(图1)。
图 1: 蒸汽饱和曲线
(Spirax Sarco)
水和蒸汽可以在此曲线上的任何压力下共存，两者都处在饱和温度。高于此曲线的状态下的蒸汽叫做过热蒸汽：
.. 高于饱和温度的温度叫做蒸汽的饱和度
.. 低于此曲线的状态下的水叫做次饱和水。
如果蒸汽从锅炉能够以其产生的速率流出锅炉，那么进一步加热只会提高其产生率。如果蒸汽被限制流出锅炉，而热量输入率维持不变，那么流入锅炉的能量就会大于流出锅
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热能设备: 蒸汽配送和利用
炉的能量。这部分多余的能量会提高锅炉的压力，从而使饱和温度升高，因为饱和蒸汽的温度随其压力变化而变化。
1.2.2焓
水的焓、液体焓或显热(hf)
焓是指将水的温度从参考点0°C升高到当前温度所需要的热能。在0°C的参考状态下，水的焓被设定为0。所有其他状态下的焓也就能够参照这个容易接受的参考状态下的焓来确定。焓这个概念曾经还用过另外一个名称“显热”，因为加入水中的热量造成了水的温度变化。不过，目前公认的名称是液体焓或水的焓。在标准大气压(0 bar g)下，水的沸点是100°C，而将1kg水从0°C加热到沸点温度100°C需要419 kJ的热量。从这些数据可以得出，水的比热容(CP)为4.19 kJ/kg °C，可用于0°C到100°C的大部分计算。
蒸发焓或潜热(hfg)
蒸发焓是指在水的沸点温度下将液态水变成气态的蒸汽所需的热量总量。这一过程不涉及到蒸汽和水混合物的温度变化，所有的能量都用于将液态(水)变成气态(饱和蒸汽)。以前的叫法“潜热”是根据尽管热量在增加，但温度却没有变化这一事实来发明的。但是，目前人们所接受的名称是“蒸发焓”。和冰变水的物相变化一样，蒸发过程也是可逆的。当蒸汽遇到任何温度较低的表面时，与产生蒸汽所需的热量等量的热量就会在冷凝过程中重新释放到周围的环境中。如果用于加热，这部分热量可以视为蒸汽热量的有用部分，因为这部分热量是在蒸汽冷凝为水的过程中能够释放的那部分热量。
饱和蒸汽焓，或饱和蒸汽的总热量
饱和蒸汽焓是指饱和蒸汽中的总热量，它不过是水的焓和蒸发焓的总和。
