蒸汽和冷凝水系统手册-第14章冷凝水回收.pdf

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1、14.1.1 冷凝水回收简介 章节14.1 第14章 冷凝水回收 蒸汽和冷凝水系统手册 1 4 . 1 冷凝水回收简介 959冷凝水回收简介 14.1.2 章节14.1 第14章 冷凝水回收 蒸汽和冷凝水系统手册 冷凝水不仅含有一定的热量，而且是蒸馏水，很适合用做锅炉给水。高效的蒸汽系统将回收这些冷凝 水到除氧器、锅炉给水箱或用于其它制程。只有冷凝水污染后，水才不能回收到锅炉。即使是污染的冷凝 水，也还可以用于其它加热制程，在排放之前应充分利用其所含有的热量。 冷凝水通过疏水阀从压力相对较高的用汽设备中排出，由于疏水阀出口压力较低，一部分冷凝水 例14.1.1计算闪蒸蒸汽的量 7 bar g热

2、的冷凝水含有721kJ/kg的热量，排放至大气环境中时(0 bar g)，每千克水只能含有419kJ的 热量，多余的热量为721-419=302kJ，这部分热量就会闪蒸成蒸汽，其数量由多余的热量占低压下蒸发 焓 的百分比所决定。在该例中，大气压下的蒸发焓为2258kJ/kg。 因此，在此例中，闪蒸蒸汽所占的百分比为 = 302 100% 2258 闪蒸蒸汽的量为 = 13.4% 就会闪蒸成闪蒸蒸汽（又称二次蒸汽）。闪蒸蒸汽的比例由蒸汽和冷凝水中所含有的热量决定，一般闪蒸 蒸汽的质量占高压冷凝水的10%15%（2.2节），但是闪蒸蒸汽的体积会很大，7 bar g的冷凝水排至大 气压下，其中13%

3、会闪蒸成蒸汽，其占有的空间比冷凝水大200倍，这样疏水阀后的管道口径就需要比阀 前的管道大。 关于闪蒸蒸汽我们已在2.2节什么是蒸汽？中做了较深入的阐述。除计算方法，还可以通过常用一个简 单的曲线图（见图14.13）来确定闪蒸蒸汽的比例。 1 kg 蒸汽 冷凝 1 kg 冷凝水 图14.1.1 1kg的蒸汽完全冷凝成1kg的冷凝水 蒸汽 全热量 加热过程 中潜热释放 显热 冷凝水 图14.1.2 向加热制程释放出潜热后，蒸汽变成了冷凝水其中包含一部分显热 疏水阀前压力 = 4 bar g 闪蒸蒸汽压力 = 0 bar g 闪蒸蒸汽百分比 = 10% 冷凝水回收简介 使用蒸汽主要有两个目的： 产

4、生电能，例如电站或热电联产； 为加热和制程系统提供热量。 1kg的蒸汽完全冷凝后，就会在同样的温度和压力下产生1kg的冷凝水（见图14.1.1），高效的蒸汽系 统将会重新利用这些冷凝水，如果不回收再利用这些冷凝水，即不能节约成本，同时也影响环境，整个系 统缺乏技术含量。 饱和蒸汽用于加热后，释放出潜热（蒸发 焓），这是蒸汽中所蕴含的绝大部分能量。而剩余在冷凝水 中的一部分热量称作显热（水焓），见图14.1.2。 例:使用图14.1.3得出闪蒸蒸汽的比例。 96014.1.3 冷凝水回收简介 章节14.1 第14章 冷凝水回收 蒸汽和冷凝水系统手册 闪蒸蒸汽压力 bar g 疏水阀前蒸汽压力 (

5、bar) 闪蒸蒸汽所占的比例 (%) 大气压力 图14.1.3 闪蒸蒸汽闪蒸数量图 闪蒸蒸汽的量是确定疏水阀出口管道的最重要因素。 水在锅炉中被加热后产生的蒸汽称为直接蒸汽，和闪蒸蒸汽相比仅在来源上有一些区分，不管是锅炉 产生的直接蒸汽，还是自然闪蒸的闪蒸蒸汽，相同压力下都含有相同的潜热。闪蒸蒸汽的热量最多可以占 整个冷凝水所含热量的一半，如果将冷凝水和闪蒸蒸汽直接排放，则意味着需要更多的补给水、燃料和运 行成本。 这节将会着重介绍两方面：冷凝水的管理和闪蒸蒸汽的回收。同时涉及到一些相关问题，并提供一些 实际的解决方案。 注：术语疏水装置是常指蒸汽系统中用于排除冷凝水的装置，可能是蒸汽疏水阀、

6、疏水阀泵或泵阀组 合，疏水阀排放冷凝水的能力依赖于其前后压差。疏水阀泵或泵阀组合的排水量和其运行时的压力差没有 关系（但受压力等级限制）。 冷凝水回收 高效的冷凝水回收系统，可以收集蒸汽设备的冷凝水，返回锅炉给水系统，在短期内就能得到回报， 图14.1.4是一个简单的冷凝水系统，冷凝水回收到锅炉给水箱。 961冷凝水回收简介 14.1.4 章节14.1 第14章 冷凝水回收 蒸汽和冷凝水系统手册 蒸汽 蒸汽 蒸锅 蒸锅 制程 容器 空间加热 系统 冷凝水 冷凝水 加热槽 加热槽 蒸汽 锅炉 给水泵 给水箱 补给水 图14.1.4 典型的蒸汽和冷凝水回收系统 为什么要回收冷凝水 节约成本 冷凝水

7、是有价值的资源，即使是回收一部分也会有经济效益，仅一个疏水阀排出的冷凝水也值得回收。 如果冷凝水不能回收，就要向锅炉增加冷态补给水，需增加水处理费用、水费和燃料费用。 排放限制 坏公共排水管道，所以高于此温度的冷凝水排放前必须降温冷却，这样就会增加费用，大多数国家都有类 似的限制，如不符合规定则需要支付排放费甚至会遭到罚款。 使锅炉出力最大 低温的锅炉给水将会减少锅炉蒸汽的产出，给水温度越低，就越需要更多的热量加热给水，所以用于 产生蒸汽的热量就相应减少了。 锅炉给水的质量 水意味着排污减少，所以能量损失也会减少。 冷凝水回收的好处: 减少了水费； 减少了水排放费用和可能存在的冷凝水的冷却费用

8、； 减少了燃料消耗； 锅炉可以产生更多的蒸汽； 减少了锅炉排污，因而也降低了能量损失； 减少了水处理费用。 例如在英国，法律规定超过43的冷凝水不能排放到公共排水系统，因为这会对环境造成破坏，损 冷凝水是蒸馏水，几乎不包含任何溶解固形物（TDS），锅炉需要排污以减少TDS，回收较多的冷凝 图14.1.5显示了1kg蒸汽和冷凝水在相同的压力下所包含的热量对比情况。蕴含在冷凝水中热量的百分 比从1 bar g下的18%升至14 bar g下的30%，这清楚的说明冷凝水是非常值得回收的资源。 96214.1.5 冷凝水回收简介 章节14.1 第14章 冷凝水回收 蒸汽和冷凝水系统手册 比 焓 (kJ

9、/kg) 压力 (bar g) 冷凝水中总热量 蒸汽中总热量 图 14.1.5 相同压力下饱和蒸汽和冷凝水所含的热量 下面的例子说明了冷凝水回收所带来的经济效益。 例 14.1.2 锅炉: 10000kg/h每天工作24h, 7天/周和50周/a (8400h/a)。 未净化的水费为0.61/m 3 ，排放费用为0.45/m 3 。 锅炉效率为85%，使用天然气为0.01/kWh (0.77/GJ)。 注： = 英镑 未经净化的补给水约为10，而冷凝水的排放温度为90。 式中: Q = 热量 (kJ)； m = 质量 (kg)； c p = 比热 (kJ/(kg)； T = 温升 ()。 1

10、kg x 4.19 kJ/(kg) x 80= 335 kJ/kg 那么一年就是10000 kg/h x 335 kJ/kg x 8 400 h/a = 28 140 GJ/a 如果锅炉的平均效率为85%, 需要加热补给水的热量为: 确定一年内冷凝水回收的价值 第2部分 - 确定水的费用 如果没有冷凝水回收则每年需要补充的水量为 公式2.1.4 28140GJ/a 0.85 = 33106GJ/a 8400h x 10000kg/h 1000kg/m 3 = 84000 m 3 /a 燃料费用2.77/GJ，则冷凝水中所含的热量价值为： 年燃料费用=331.6GJ/a2.77/GJ=91704

11、 如果水的费用为0.61/m 3 ，则一年的水费为： 84000m 3 /年0.61/m 3 =51240 第1部分 - 确定燃料费用 利用公式2.1.4计算1 kg冷态补给水温升80所需要的热量。 963冷凝水回收简介 14.1.6 章节14.1 第14章 冷凝水回收 蒸汽和冷凝水系统手册 式中： X = 回收的冷凝水的百分比（1-100）； A = 1 GJ的燃料费用； 如果是天然气则0.01/kWh (1 kWh = 3.6 MJ) 1 GJ热量的成本 = 0.01 1000 = 2.77 3.6MJ 节约燃料 = 91 704 节约水 = 51 240 节约排放费用 = 37 800

12、公式14.1.1 表14.1.1例14.1.2中回收的冷凝水价值 由此可见，即使我们回收1%的冷凝水节省也很大。 例 14.1.3 如果决定投资50000，回收80%的冷凝水，蒸发量为5000kg/h，节约量和投资回收期为： 节约 = 180744 80 5000 100 10000 节约 = 72297/a 投资回收期 = 50000 72297/a 投资回收期 = 0.69年 (36周) 这可能会因地区差异而有很大变化，但却是成本分析时应该考虑的。很明显，当为某一特定项目评估冷凝 水管理系统时，应该包括节约的这部分费用。 关于TDS控制和水处理已在第3章中讨论过了。 例14.1.2 和 1

13、4.1.3 说明了冷凝水回收的大致计算程序，最后转变成货币价值。 公式14.1.1可用于计算每年节省的燃料费用 同样, 油的燃烧热值为42 MJ/l, 费用0.15/l 1 GJ热量的成本 = 0.15 1000 = 3.57 42MJ B = 每千克的锅炉给水加热到冷凝水温度后所需要的热量(kJ/kg)，(由公式2.1.4确定 (Q = mc p T)； C = 平均蒸发量 (kg/h)； D = 每年运行的小时数 (h/a)； E = 锅炉效率 (%)。 第3部分 - 确定排放费用 如果排放费用为0.45/m 3 ，每年排放量为84000m 3 ，则每年的排放费用为： 84000m 3 /

14、年0.45/m 3 =37800 第4部分 - 冷凝水的总价值 见表14.1.1： 该计算还不包括TDS控制而减少的锅炉排污所节约的费用，否则将进一步降低水费和化学水处理费用， 燃料节省/年 = XABCD E10 6 96414.1.7 冷凝水回收简介 章节14.1 第14章 冷凝水回收 蒸汽和冷凝水系统手册 节约的水费由公式14.1.2确定： 公式14.1.2 节约的排放费用由公式14.1.3确定: 公式14.1.3 公式14.1.1 式中: X = 期望得到的冷凝水回收率 = 35%； X = 1 GJ 热量的成本 = 0.011 1000 = 3.055； 3.6MJ X =回收的冷凝

15、水的百分量比（1-100）； C =平均蒸发量 (kg/h)； D =每年运行的小时数(h/a) 。 例 14.1.4 B=每千克的锅炉给水加热到冷凝水温度后所需要的热量(kJ/kg)； 由公式2.1.4确定 (Q = m c p T) Q = m x cp x DT Q = 1 x 4.19 x (95 - 10) Q = 356.15 kJ/kg B = 2.1.4中的Q = 356.15kJ/kg； C = 平均蒸发量 = 15 000 kg/h； D = 每年工作的小时数 = 8 000 h； E = 锅炉效率 = 80%。 将数值用到公式14.1.1 节约的燃料费用/年 = 353.

16、055356.15150008000 8010 6 节约的燃料费用/年 = 57122 第2部分 - 确定水费和排放费用 利用公式14.1.2计算每年节约的水费 公式14.1.2 一个耗资70000的冷凝水管理项目，希望回收35%的冷凝水，锅炉的平均蒸发量为15000kg/h，设 备每年工作8000h，燃料为天然气，费用为0.011/kWh，锅炉效率约为80%，锅炉补给水为10，冷 凝水回收管道保温良好，保证到达锅炉房后冷凝水温度为95。水费为为0.70/m 3 ，总的排放费用为 0.45/m 3 。 燃料节省/年 = XABCD E10 6 节约的水费/年 = XCD 水费/m 3 10 5

17、 （ 节约的排放费用/年 = XCD 处理排放的费用/m 3 10 5 （ 节约的水费/年 = XCD 水费/m 3 10 5 （ 请确定投资回收期？ 第1部分 - 确定节省的燃料费用 利用公式 14.1.1 965冷凝水回收简介 14.1.8 章节14.1 第14章 冷凝水回收 蒸汽和冷凝水系统手册 （ （ 代入数值 节约的水费/年 = 35150008000 0.70/m 3 10 5 节约的水费/年 =29400 利用公式14.1.2计算每年节省的排放费用： 节约的排放费用/年 = 35150008000 0.45/m 3 10 5 节约的排放费用/年 = 18900 等式14.1.3

18、第3部分 - 确定投资回收期 代入数值: 节约的水费和排放费用/年 = 29400 +18900 节约的水费和排放费用/年 = 48300 （ 总节约 = 燃料费用水费和排放费 总节约 = 57122 +48300 总节约 = 105422/年 投资回收期（年） = 项目费用 年节约费用 投资回收期（年） = 70000 105442 投资回收期（年） = 0.66年（35周） 节约的排放费用/年 = XCD 处理排放的费用/m 3 10 5 96614.1.9 冷凝水回收简介 章节14.1 第14章 冷凝水回收 蒸汽和冷凝水系统手册 Questions 1. When 10 kg of st

19、eam condenses at 0 bar g, how much condensate is produced? a| 10 kg b| 1.5 kg c| 10% of the mass of the steam d| 10% of the volume of the steam 2. 10 kg of steam condenses at 14 bar g. What proportion of the total heat in the steam is held in the condensate? a| 5% b| 10% c| 20% d| 30% 3. A boiler pr

20、oduces 1000 kg/h of steam at 7 bar g, but none of the condensate is recovered. Approximately at what rate is energy being wasted? (Steam tables are required). a| 20 kW b| 40 kW c| 200 kW d| 1000 kW 4. If, in Question 3, it is proposed that 50% of the wasted condensate is to be returned to the boiler

21、 feedtank at 90C, and the fuel cost is 3/GJ, the cold water make- up temperature is 15C, the water make-up temperature is 15C, and the water/ effluent costs are 0.8/m, what are the potential total annual condensate savings if the boiler steams at 85% efficiency for 4 000 hours per year? a| 1500 b| 2

22、218 c| 10100 d| 500 5. If in Question 4, the cost of this project were 2 000, what would be the simple payback term? a| 3 weeks b| 33 weeks c| 18 months d| 47 weeks 1: a, 2: d, 3: c, 4: b, 5: d Answers冷凝水回收简介 14.1.10 章节14.1 第14章 冷凝水回收 蒸汽和冷凝水系统手册14.2.1 冷凝水回收管道的布置 章节14.2 第14章 冷凝水回收 蒸汽和冷凝水系统手册 1 4 . 2

23、冷凝水回收管道的布置 967冷凝水回收管道的布置 14.2.2 章节14.2 第14章 冷凝水回收 蒸汽和冷凝水系统手册 图14.2.1 蒸汽主管的疏水进入公共回收管 蒸汽主管 蒸汽流向 疏水阀排放管 至疏水阀的 排水管 公共回收管 冷凝水流向 冷凝水管道类型 冷凝水管道依据以下介质确定口径 至疏水阀的排水管 冷凝水 疏水阀排放管 闪蒸蒸汽 公共回收管 闪蒸蒸汽 泵后回收管 冷凝水 冷凝水回收管道的布置 冷凝水回收管道没有固定的模式，主要取决于工作压力、疏水阀的特性、冷凝水回收主管和设备的相 对位置、冷凝水回收管的压力，所以最好首先考虑好需要达到什么目的，然后再设计满足实际要求的最佳 布置方式

24、。 主要目标是: 设备中不能积聚冷凝水，除非设备设计上允许这样，一般情况下设备设计是不允许积水的，如果积水 就会降低性能，腐蚀管道、配件和设备。 蒸汽主管中更不能允许积水，因为冷凝水在高速流动的蒸汽携带下会导致管道水锤现象。 根据其自然特性，冷凝水管道系统主要分成4种，这4种管道系统可见图14.2.1。 至疏水阀的排水管 在这类管道中，冷凝水和不凝结性气体从用汽设备的出口排向疏水阀。如果排水管口径正确，设 备的压力和疏水阀内的压力相同，冷凝水不会闪蒸成蒸汽。冷凝水在重力作用下沿管道流动，所以疏 疏水阀的形式（热动力、热静力和机械式）可能会影响管道的布置。 热静力式疏水阀 热静力式疏水阀排放的冷

25、凝水温度低于饱和温度，这会使疏水阀前冷凝水管积水，甚至经常会使前端 设备积水。 在有些应用中低于饱和温度排水有很大的优势，这样疏水阀后的排放管中就会产生更少的闪蒸蒸汽。 冷凝水回收主管水流也比较平和。如果冷凝水直排大气，使用热静力式疏水阀可以比机械式疏水阀少浪费 热量，因为这样可以利用水中的部分显热，例如蒸汽管线伴热的应用。 除非有很长或足够大的冷却段，否则热静力式疏水阀不能用于蒸汽主管疏水或换热器疏水。而实际上 增加冷却段往往是不切实际的，如例14.2.1所示。 水阀应安装在设备出口的下端，疏水阀的排放管应在疏水阀的下端（2.10节中油罐加热盘管除外）。 96814.2.3 冷凝水回收管道的

26、布置 章节14.2 第14章 冷凝水回收 蒸汽和冷凝水系统手册 公式2.8.1 例 14.2.1 查水蒸汽表3 bar g: 饱和温度 = 144 疏水阀的排放温度 = 144 - 13 = 131 蒸发焓 (h fg ) = 2 133.24 kJ/kg 可以根据公式2.8.1热负荷计算蒸汽的流量： 式中: Q = 平均换热量 (kW)； m = 平均二次侧流量 (kg/s)； c p = 二次侧流体的比热容 (kJ/(kgK)或 (kJ/(kg) 水为4.19； T = 二次侧流体的温升 (K 或 )。 T为13。 Q = 0.0141 kg/s4.19 kJ/kg13 Q = 0.768

27、 kW 管道表面的热量散失量可用公式2.5.3计算 公式2.5.3 不会使换热器积水，可通过下式2.6.5计算需要散失的热量。 这些热量在阀前冷凝水排放管中散失。 排水管中冷凝水的平均温度 = 144 + 131 = 137.5 2 式中: = 单位时间内换热量（W(J/s)）； U = 换热系数（W/(m 2 K)至W/(m 2 )）； A = 换热面积（m 2 ）； T = 两种介质温差（K或）。 注: 如果T为平均温差 ( TLM 或 TAM)，则Q为平均换热量传递量 (Q M ) 公式2.5.3中 T是冷凝水温度和环境温度的差值 = 137.5 - 15 = 122.5 Q 公式2.6

28、.5 c T p Q = m Q = UA T 一个30 kW的空气加热器装有DN15的热静力式疏水阀，低于饱和温度13排放冷凝水，工作压力为 3 bar g，环境温度为15，阀前排水管的热量损失为20W/(m 2 )。请确定疏水阀前15mm冷凝水排放管 的长度。 由于疏水阀在131下排水，而换热器的出口为饱和水，需通过排放管向环境散发热量降温，这样才 蒸汽流量 (kg/h) = 负荷 kW3600 运行负荷下的h fg 蒸汽流量 (kg/h) = 热负荷 kW3600 (s/h) 运行负荷下的h fg (kJ/kg) 蒸汽流量 (kg/h) = 303600 2133.24 蒸汽流量 (kg

29、/h) = 50.6 kg/h (= 0.0141 kg/s) 969冷凝水回收管道的布置 14.2.4 章节14.2 第14章 冷凝水回收 蒸汽和冷凝水系统手册 图14.2.2 排水管要尽可能短 根据公式2.5.3: 0.768 x 10 3 W = 20 W/m 2 x A x 122.5 所以, A= 0.313 m 2 所需管道的每米的表面积可由表2.10.3查出。 表2.10.3每米长度管道的公称表面积 公称公径(mm) 15 20 25 32 40 50 65 80 100 表面积 (m 2 /m) 0.067 0.085 0.106 0.134 0.152 0.189 0.239

30、 0.279 0.358 这样的管道长度(4.7m)在现场应用中是不切实际的，有两种选择，一种就是增加管道直径，这是不切实 际；另一种就是安装合适的疏水阀，如浮球 - 热静力式疏水阀，它能在饱和温度排水，无需冷却段。 如果需要使用热静力式疏水阀，从加热器出口到热静力式疏水阀的管道一般不超过2m，因此需要计算 管道口径。管道上的散热损失不变，总散热面积也不变，但随管道口径增加每米长度的表面积可以增加。 根据2.10.3可以得出管道的最小口径为50mm，同样这也不切合实际。 简单而又便宜的方法就是选择正确的疏水阀，比起选择了错误的疏水阀，然后又采用了得不偿失的补 救措施要明智得多。 热动力式疏水阀

31、 这种疏水阀是间歇性排放，关闭时积聚冷凝水。但这种疏水阀结构非常坚固结实，抗冰冻，热损失小。 这种疏水阀不适合排放冷凝水至满溢管内，在本章后面内容将会介绍。 机械式疏水阀 机械式疏水阀可连续排水，例如浮球-热静力式疏水阀，而且还可以排除空气，一般是最好的选择。 大多数浮球式疏水阀有两种基本流向布置，冷凝水经疏水阀水平或垂直流动。部分倒吊桶式疏水阀的进 口位于阀底部，而出口位于阀顶部。很明显，疏水阀的连接形式将会影响冷凝水管道的布置。 排水管道应尽可能短，不应长于2m。如果从设备到疏水阀的排水管道较长，将会充满蒸汽阻止冷凝 水到达疏水阀，这称为蒸汽汽锁。为避免出现这种情况，排水管越短越好（见图1

32、4.2.2），但是在有些场 合会不可避免的使用长的排水管，这时可以使用带破蒸汽汽锁装置的浮球式疏水阀。如果可能还是要尽量 选择合适的管道长度，避免汽锁发生。 Q = 0.768 kW U = 20 W/(m 2 ) 15mm 管的表面积 = 0.067 m 2 /m 例 14.2.1排水管的最小长度为 = 4.7 m 0.313 m 2 0.067 m 2 /m 因此，排水管长度为 = 需要的表面积/长度 = 0.313 m 2 2 m 需要的表面积/长度 = 0.157m 2 /m 97014.2.5 冷凝水回收管道的布置 章节14.2 第14章 冷凝水回收 蒸汽和冷凝水系统手册 蒸汽 空气

33、加热器组 10 D D 沿流动方向 具有一定的坡度 图14.2.3 蒸汽设备疏水的理想布置 蒸汽 D d2 d 冷凝水 蒸汽主管直径 D 集水槽直径 d1 集水槽深度 d2 100 mm以内 d1 = D 最小 d2 = 100 mm 125 mm 200 mm d1 = 100 mm 最小 d2 = 150 mm 250 mm以上 d1 = D/2 最小 d2 = D 图14.2.4 蒸汽主管疏水的理想布置 蒸汽主管 冷凝水 蒸汽主管 集水槽 过滤器 浮球 疏水阀 止回阀 双视镜 用汽设备和蒸汽主管的疏水管道布置不同，下面将详细说明。 用汽设备的出口至疏水阀的垂直管道长度一般为10倍的管道直

34、径，如果疏水阀选型且安装正确，可避 免设备底部积水引发的腐蚀和水锤现象。同时也可以提供一个较小的静压头，在启动阶段蒸汽压力较低时 帮助排出冷凝水，水平排水管道应稍向下倾斜（见图14.2.3）。 如果是蒸汽主管疏水，要像10.3节推荐的那样在管道疏水点处布置一个小的集水槽，在集水槽和疏水阀之 间的排水管，可以水平布置，如果集水槽不够深，疏水阀应安装在集水槽下端一定距离处（见图14.2.4）。 疏水阀排放管 这些管道将输送冷凝水、不凝性气体和闪蒸蒸汽至冷凝水回收系统（见图14.2.5），当冷凝水由疏 水阀前的高压排至低压时，部分会闪蒸成闪蒸蒸汽（闪蒸蒸汽已在14.1节中简单讨论过，2.2节中也有叙

35、 述）。 971冷凝水回收管道的布置 14.2.6 章节14.2 第14章 冷凝水回收 蒸汽和冷凝水系统手册 连续排放的疏水阀 如果由于某种原因，不能采用斜“T”形连接，可使用连续排放的浮球-热静力式疏水阀(见图14.2.7)，这样 满溢管可以更容易吸收来自疏水阀的连续能量。 如果蒸汽和冷凝水主管之间的压差较大，可使用消音器以缓冲流动的冲击，减少冲蚀和噪声。 另一个选择就是使用热静力式疏水阀，在低于饱和温度下排放冷凝水，这样可减少闪蒸蒸气(见图14.2.8)。为 避免蒸汽主管积水，需在主管下部安装集水槽，外加23m的冷却段将冷凝水冷却到排放温度。 如果蒸汽主管有积水的危险则不应该使用热静力式疏

36、水阀。 浮球式 疏水阀 止回阀 截止阀 低压排放管 图14.2.5 疏水阀后排放管道要输送冷凝水、闪蒸蒸汽和其他不凝性气体 图14.2.6 斜“T”形连接 蒸汽主管 冷凝水 斜T 公共回收管 蒸汽 冷凝水 冷凝水 和二次 蒸汽 高压排水管 排放至满溢回收管 我们不建议把疏水阀连接至满溢回收管，尤其是在饱和温度附近喷排的疏水阀（热动力或倒吊桶式疏 水阀）。 满溢的冷凝水回收管，例如泵后的冷凝水管或有向上提升的冷凝水管，这些管道通常和蒸汽主管线平 行布置，因此很多时候错误地把主管疏水简单地接入这些管道。体积很大的闪蒸蒸汽进入到满溢管后，会 携带冷凝水沿管道快速前进，引发水锤现象和噪声，并导致管道机

37、械故障。 公共回收管 当各路的疏水汇集到收集点时，比如开式集水槽，需要使用一根连接各疏水阀的公共管道，参见图 14.2.6/7/8/10，管道口径完全按14.3节所述确定。 喷排式疏水阀 如果使用喷排式疏水阀，（热动力或倒吊桶式疏水阀）则产生的反作用力和速度都会很高，疏水阀之 后的管道和公共管以斜“T”形连接可减少该点的机械力和冲蚀(见图14.2.6)。 疏水阀排放管也应该略向下倾斜，如果是短管，肉眼要能看出倾斜，如果是长管倾斜度约为1:70，即 每7m下降100mm。 97214.2.7 冷凝水回收管道的布置 章节14.2 第14章 冷凝水回收 蒸汽和冷凝水系统手册 温度控制的制程由于采用温

38、度控制阀会对蒸汽产生节流作用，这样就有可能出现系统失流，冷凝 当换热器内的蒸汽压力不足以推动冷凝水时就发生了失流。当设备的负荷变化很大时很容易出现失流 工况。 并不是所有的温控系统都会发生失流，但是冷凝水管道背压会影响疏水阀的疏水，反过来就会影 换热器 满溢公共回收管 蒸汽疏水阀 蒸汽 换热器的温度控制 可能导致排水管内 的压力降低 其它设备排放的冷凝水 提升导致公共回收 管成为满溢管并具 有一定背压 图14.2.9 温控设备的疏水排放至满溢管 消音器 冷凝水 冷凝水满溢管 冷凝水 蒸汽主管 浮球 - 热静力型疏水阀 蒸汽 图14.2.7 疏水阀后的冷凝水通过消音器排放至满溢的冷凝水管道 消音

39、器 冷凝水 冷凝水满溢管 压力平衡式 热静力式疏水阀 蒸汽 带冷却段的热静力疏水阀 图14.2.8 压力平衡式疏水阀前面要有冷却段 蒸汽主管 水停止流动，疏水阀无法进行疏水的现象，失流问题已在13章中详细解释过了。 响制程的热量传递（见图14.2.9）。 所以冷凝水排放管应该像图14.2.10那样布置，这样冷凝水就不会充满整个管道。 冷凝水 温控设备的疏水 通过疏水阀排至满溢管 973冷凝水回收管道的布置 14.2.8 章节14.2 第14章 冷凝水回收 蒸汽和冷凝水系统手册 因为机械泵根据需要开关，泵后的回收管道水流是间歇性的，泵的排放速度比冷凝水进入泵的速度要 高。因此泵的排放速度而非冷凝

40、水进入泵的速度将决定泵后管道的尺寸。 换热器 非满溢公共回收管 蒸汽疏水阀 冷凝水向下排入开式水箱 Slope 1:70 图14.2.10 采用下降的公共管冷凝水可自由排放 换热器的温度控制可 能导致排水管内压力 降低 蒸汽 其它设备排放的冷凝水 向下排放的公共回 收管可使冷凝自由 排放 破真空器 不同压力下的冷凝水排放管 只要满足如下条件，来自多个温控设备的冷凝水可以接到同一根公共回收管道上。 设计上沿流动方向向收集点有一定的倾斜度； 口径选择合适，可满足满负荷时闪蒸蒸汽的需要。 连接来自不同压力下的疏水阀排放管到公共管上的理念有时会引起误解。 如果连接支管和公共管口径选择正确，每个疏水阀的

41、下游压力实际上是一样的，但如果选型偏小，冷凝 水和闪蒸蒸汽的流动将会受到限制，增加的流动阻力形成额外的背压，进而疏水阀的疏水就会受到限制。 冷凝水管道系统的每一部分在确定口径时，都要考虑出现有一定流速的闪蒸蒸汽，高压疏水阀 凝水回收管道的口径确定将进一步详述。 泵后回收管 冷凝水回收系统中，闪蒸蒸汽可以通过集水槽排至大气（见图14.2.11），剩下热的冷凝水可以泵送 到合适的集水箱，如锅炉给水箱。水泵后面的冷凝水回收管道充满100以下的冷凝水，所以不会生成闪 蒸蒸汽。 排空 蒸汽 蒸汽 蒸汽 MFP 冷凝水泵向 锅炉房 冷凝水 高位冷凝 水管道 图14.2.11 从开式集水箱回收冷凝水 的疏水

42、不应该影响到低压疏水阀的疏水，所以管道口径要正确，沿流动方向有一定倾斜度，14.3节中冷 关于如何泵送冷凝水将在14.4节从开式集水箱泵送冷凝水中作详细讨论。 97414.2.9 冷凝水回收管道的布置 章节14.2 第14章 冷凝水回收 蒸汽和冷凝水系统手册 Questions 1. How many different basic types of condensate lines are there? a| One b| Two c| Three d| Four 2. Why are thermostatic traps not recommended for draining steam

43、 mains? a| They tend to waterlog the drain line b| They tend to waterlog the process c| Long drain lines are necessary to cool the condensate d| All of the above 3. When might a thermostatic trap be used to drain a steam main? a| When it is fitted to a correctly sized drain pocket b| When the differ

44、ence in pressure between the steam and condensate is high c| When it is fitted with a cooling leg and draining into a flooded main d| Never 4. When are thermodynamic traps not recommended for draining steam mains? a| They are not intended to drain steam mains b| When draining into flooded condensate

45、 lines c| When fitted outside and there is a danger of freezing d| When fitted to large drain pockets 5. What will a trap discharge line normally carry that a drain line does not? a| The weight of the trap b| Live steam c| A mixture of live steam and condensate d| A mixture of flash steam and conden

46、sate 6. Upon which criterion is a pump discharge line sized? a| The condensate discharge rate from the pump b| The pump filling rate c| The size of the pump outlet d| The height of the process above the top of the pump Answers 1: d, 2: d, 3: c, 4: b, 5: d, 6: a冷凝水回收管道的布置 14.2.10 章节14.2 第14章 冷凝水回收 蒸汽

47、和冷凝水系统手册14.3.1 冷凝水回收管道口径的确定 章节14.3 第14章 冷凝水回收 蒸汽和冷凝水系统手册 1 4 . 3 冷凝水回收管道口径的确定 975冷凝水回收管道口径的确定 14.3.2 章节14.3 第14章 冷凝水回收 蒸汽和冷凝水系统手册 冷凝水回收管道口径的确定 关于4种主要冷凝水管道在14.2节中已提到了，见表14.3.1： 表14.3.1 图14.3.1 疏水阀前的排水管道口径不能按照设备连接口确定 设备 设备 DN20 出口 DN20 出口 20 mm 管道 25 mm 管道 DN25 疏水阀 冷凝水管道类型 冷凝水管道口径按照如下介质确定口径 疏水阀前排水管 冷凝

48、水 疏水阀后排放管 闪蒸蒸汽 公共回收管 闪蒸蒸汽 泵后回收管 冷凝水 确定冷凝水的管道口径要考虑到: 压力 - 所连接管道的压差可能会加速流动，或导致部分冷凝水闪蒸成蒸汽。 冷凝水量 - 需要处理的冷凝水量。 工况 - 冷凝水和闪蒸蒸汽的相对数量，哪个占主导？ 除了泵后冷凝水回收管将在14.4节中讨论后，本节将介绍前三种冷凝水回收管道及其口径的确定。 确定设备到疏水阀的冷凝水管道口径 该冷凝水管道口径不应按照设备出口连接口径确定，设备可在不同的压力和流量下工作，尤其是温控 设备，但是一旦疏水阀选型正确的话，应按疏水阀的口径来确定管道口径(见图14.3.1)。 由于这段管道前后没有压降所以没有

49、闪蒸蒸汽产生，仅按输送冷凝水来选择管道即可，当确定管道口 径时，需考虑如下问题： 全负荷时设备的冷凝水量。 设备启动时的冷凝水负荷。 设备启动时，冷凝水量可能会达到运行负荷的3倍之多，这是由蒸汽和设备及产品的较大温差引起的。 这时排水管、疏水阀和阀后排放管内都可能会有空气进入。 疏水阀的口径确定一般需考虑以上两个变量，但一般的原则是： 对于蒸汽主管，按主管输送蒸汽量的1%来确定每一只疏水阀的口径，每隔50m布置一个疏水点，并 做好保温。 对于大多数管道疏水阀，在额定工作压差下按照运行负荷冷凝水量的2倍确定其口径，这样疏水阀就可 以排除起机时的冷凝水。 蒸汽压力不变的制程上，例如压制机、烫衣机、

50、空气加热器、辐射加热板和沸腾锅，疏水阀按照运行 负荷冷凝水量的2倍确定其口径。 在温度控制的应用中，蒸汽压力、设备的停机、设定的温度和疏水阀的安装位置都要认真考虑，疏水 阀口径都要满足全负荷和最低负荷的工况条件，如果这些工况条件不知道，就要按照运行压差和运行 负荷冷凝水量的3倍来确定疏水阀的口径，既可以在起机时又可以在最低负荷时排除冷凝水。 疏水阀口径选好后，其前面的排水管口径按该口径选择。 在实际应用中，如果疏水阀前的排水管短于10m，其口径可以和疏水阀的口径相同，短于10m的排水管 可以通过附录14.3.1进行核对，所选择的管道在最大流量时，其压损不超过200Pa/m, 流速不超过1.5m

51、/s， 表14.3.2是附录14.3.1的一部分。 对于较长的排水管（大于10m），最大流量时的压损不超过100pa/m，流速不超过1m/s。 97614.3.3 冷凝水回收管道口径的确定 章节14.3 第14章 冷凝水回收 蒸汽和冷凝水系统手册 流量 流量 kg/h 管道口径 15 mm 20 mm 25 mm 32 mm 40 mm 50 mm 65 mm 80 mm 100 mm Pa/m mbar/m 0.15 m/s 0.15 m/s 0.3 m/s 90.0 0.900 173 403 745 1627 2488 4716 9612 14940 30240 92.5 0.925 1

52、76 407 756 1652 2524 4788 9756 15156 30672 95.0 0.950 176 414 767 1678 2560 4860 9900 15372 31104 97.5 0.975 180 421 778 1699 2596 4932 10044 15552 31500 1.0 m/s 100.0 1.000 184 425 788 1724 2632 5004 10152 15768 31932 120.0 1.200 202 472 871 1897 2898 5508 11196 17352 35100 140.0 1.400 220 511 943

53、2059 3143 5976 12132 18792 38160 160.0 1.600 234 547 1015 2210 3373 6408 12996 20160 40680 180.0 1.800 252 583 1080 2354 3589 6804 13824 21420 43200 200.0 2.000 266 619 1141 2488 3780 7200 14580 22644 45720 220.0 2.200 281 652 1202 2617 3996 7560 15336 23760 47880 240.0 2.400 288 680 1256 2740 4176

54、7920 16056 24876 50400 1.5 m/s 260.0 2.600 306 713 1310 2855 4356 8244 16740 25920 52200 280.0 2.800 317 742 1364 2970 4536 8568 17388 26928 54360 300.0 3.000 331 767 1415 3078 4680 8892 18000 27900 56160 例 14.3.1 某用汽设备，蒸汽压力恒定，满负荷时冷凝水为470kg/h，设备到疏水阀之间的管道长度为2m。 请确定管道口径。 按运行负荷的2倍确定启动负荷 = 470kg/h x 2 =

55、 940kg/h。 由于管道长度短于10m，最大允许压降为200Pa/m。 使用表14.3.2，由200Pa/m 可以查得口径25mm的管道的流量为1141kg/h，能满足启动负荷940kg/s。 由管径25mm查得流量为940kg/h时的压损为140Pa/m。 确定疏水阀后排放管道的口径 疏水阀后的下游管道输送的是相同的压力和温度下为冷凝水和闪蒸蒸汽，这就要提到两相流，水和蒸 汽的混合物的特性与形成混合物的两者的比例有关，来看下面的例子： 例 14.3.2 某设备使用蒸汽的压力恒定为4 bar g， 安装机械式疏水阀，冷凝水在饱和温度下排放，冷凝水背压为 0.5 bar g，请确定冷凝水排放

56、管内闪蒸蒸汽和水的质量比、体积比。 第1部分 - 确定水和蒸汽的质量比 4.0 bar g 时 = 640.7 kJ/kg 0.5 bar g 时 = 464.1 kJ/kg h fg = 2225.6 kJ/kg 公式2.2.5可确定闪蒸蒸汽的比例： 表14.3.2钢管内水流量 公式2.2.5 式中: P 1 = 初始压力； P 2 = 最终压力； h f = 液体比 焓 (kJ/kg)； h fg = 蒸发比 焓 (kJ/kg)。 闪蒸蒸汽的比例 = P 1 压力下的h f -P 2 压力下的h f P 2 压力下的h fg 977冷凝水回收管道口径的确定 14.3.4 章节14.3 第1

57、4章 冷凝水回收 蒸汽和冷凝水系统手册 蒸汽: 由蒸汽表, 0.5 bar g下蒸汽的比容为 = 1.15m 3 /kg 则蒸汽体积为0.079kg x 1.15m 3 /kg = 0.091m 3 蒸汽和冷凝水的混合体积为: 0.001m 3 (水) + 0.091m 3 (蒸汽) = 0.092m 体积比例 (%): 由此可见，疏水阀后的排放管内是汽水两相流，蒸汽比水占用的空间要大得多，需要按照合理的蒸汽 流速来确定管径，而不是按照体积很小的冷凝水来确定，如果管径偏小的话就会增加闪蒸蒸汽的流速，背 压增加，导致水锤现象，降低疏水阀的排量，使制程积水。 蒸汽管道按照所允许的最大流速来确定口径

58、，干的饱和蒸汽流速不应超过40m/s，湿蒸汽流速应更低 一些（15到20m/s），否则湿蒸汽可能会冲蚀、损坏管道附件和阀门。 疏水阀后的排放管为输送湿蒸汽的管道，应按较低的流速来确定管道口径。 由于是汽液两相流，所以很难确定冷凝水排放管道的口径，在实际应用中，确定管道内流体的确切工 况是不可能的，一般也没有这个必要。 虽然闪蒸蒸汽的量（见图14.3.2）和经过疏水阀的前后压差有关，但也会受其它因素影响。 很明显，如果7.9%的冷凝水闪蒸成蒸汽，则剩下100-7.9 = 92.1%的冷凝水。 第2部分 - 确定水和蒸汽的体积 假设4 bar g下，饱和温度的冷凝水为1kg，闪蒸蒸汽为0.079k

59、g，剩下的冷凝水质量为0.921kg 水: 0.5 bar g下饱和水的密度为950kg/m 3 闪蒸蒸汽比例 = x = 7.9% (640.7 - 464.1) 2225.6 0.921 kg水所占有的体积 = = 0.001 m 3 0.921 950 100 1 水的体积比例 = x = 1% 100 1 0.001 0.092 蒸汽体积比例 = x = 99% 100 1 0.091 0.092 闪蒸蒸汽压力 疏水阀前压力 (bar) kg 闪蒸蒸汽/kg冷凝水 大气压 图14.3.2 单位质量冷凝水中闪蒸蒸汽比例 97814.3.5 冷凝水回收管道口径的确定 章节14.3 第14章

60、 冷凝水回收 蒸汽和冷凝水系统手册 影响管道内汽液两相流的因素 如果疏水阀上游的冷凝水温度低于饱和温度（例如热静力式疏水阀），阀后闪蒸蒸汽的数量将会减少， 这样所需要的管径将会减小。 如果疏水阀后排放管有一定倾斜度将会影响到冷凝水的流动，但需要多大的倾斜度呢？又如何确定 呢？ 较长的管道，由于热量损失部分闪蒸蒸汽可能会冷凝，从而减少蒸汽的体积和速度，可能需要的管径 也会减小，但要减小多少呢？ 如果阀后排放管提升至架空的回收管道，提升管有时会充满冷的冷凝水，有时疏水阀来的闪蒸蒸汽会 蒸发掉部分或全部的冷凝水，提升的这段排放管是按闪蒸蒸汽还是冷凝水的流速来确定呢？ 大多数制程为运行需要，一般都低于

61、满负荷运行，相应的闪蒸蒸汽也会减少，所以就出现了这样的问 题：需要按满负荷工况确定口径吗？设备是否一直在低负荷下运行？ 在温控设备上，经过疏水阀的前后压差取决于热负荷的变化，这将会影响到管道内产生的闪蒸蒸汽的 量。 关于疏水阀排放管的建议 由于会涉及到多个变量，对于管道口径进行精确计算比较复杂，即使计算出来其结果也可能是不准确 的。经验表明，疏水阀后的排放管按照闪蒸蒸汽的流速1520m/s来确定口径就可以。 下面是一些建议： 1.如果疏水阀后的排放管沿流动方向倾斜，直接排放大气或排放到开式集水箱中，管道为非满溢管， 闪蒸蒸汽不受冷凝水阻碍(见图14.3.3)。推荐最小倾斜度为1:70（每10m

62、下降150mm），简单目测即可确 认管道是否倾斜，倾斜度是否足够大。 排室口 制程 二次蒸汽容易通过 冷凝水容易通过 1:70 坡度 = 每10m长度落差为150mm 冷凝水泵 开式集水链 被泵送的 冷凝水 图14.3.3 排放管道的倾斜度应为 1:70 蒸汽 2.如果不能避免的话，非泵送的提升管管道(见图14.3.4)要尽可能短，并要安装止回阀防止冷凝水倒 流至疏水阀，提升排放管必须和架空的冷凝水回收管顶部相连，防止回收管内的冷凝水倒流，便于排出闪 蒸蒸汽。 979冷凝水回收管道口径的确定 14.3.6 章节14.3 第14章 冷凝水回收 蒸汽和冷凝水系统手册 排放口 制程 二次蒸汽必须 穿

63、越冷凝水 1:70 坡度 = 每10m长度 落差为150mm 冷凝水泵 开式 集水罐 被泵送的 冷凝水 图14.3.4 提升管道要尽可能短、并要连接到回收管的顶部 蒸汽 非泵送的提升管 疏水 其它设备排放的冷凝水 上升管道的口径应稍大些，这样闪蒸蒸汽的速度就会低些，减少了水锤现象的危险和蒸汽携带冷凝水 进入上升管而引起的噪声。 注意: 只有保证制程的蒸汽压力高于疏水阀后的冷凝水背压时，冷凝水才能经上升管道排出，否则制程 设备就会积水，除非使用疏水阀泵或泵阀组合才能克服背压，正常排水。 3. 公共回收管也应该有一定倾斜且为非满溢管（见图14.3.4，为避免较长的管道内存在闪蒸蒸汽，从 疏水阀来的

64、较热的冷凝水应排至开式集水箱中（或合适的闪蒸罐），然后通过温度较低的满溢管泵送至最 终目的地。冷凝水泵将在14.4节中作详细讨论。 冷凝水管道选型图 冷凝水管道选型图(见图14.3.5)可以用来确定任何一种冷凝水管道的口径，包括： 不含闪蒸蒸汽的冷凝水管道； 包含汽水两相流的管道，根据疏水阀两侧的压力来确定。 图14.3.5说明: 根据管道口径和闪蒸蒸汽的比例，可接受的闪蒸蒸汽速度为1520m/s。 冷凝水温度可能会低于饱和蒸汽温度，例如使用热静力式疏水阀。 一般按照满负荷来确定阀后冷凝水排放管的口径，无需考虑起动负荷或需排除不凝结性气体的因素。 也可以用来估算泵后冷凝水（温度低于100）管道

65、的口径。这在14.4节将会做进一步讨论。 98014.3.7 冷凝水回收管道口径的确定 章节14.3 第14章 冷凝水回收 蒸汽和冷凝水系统手册 图14.3.5 冷凝水管道选型图 使用冷凝水管道选型图 (附录14.2) 先找到蒸汽压力点，作水平线和冷凝水背压线相交（图14.3.5下部）从该点引垂线和冷凝水流量线相 交。如果疏水阀后排放管为下降管即非满溢管，则选择交点以下较小的口径；如果为提升管即满溢管则选 择交点以上较大的口径。 注意：所使用的疏水阀的口径可能和阀后的排放管口径不一样，这是很正常的现象，但是一旦疏水阀 选型正确，不管疏水阀后的排放管道口径是多少，该疏水站的一些附件如截止阀、过滤器、疏水阀感应腔 和止回阀等口径应和疏水阀一致。 981冷凝水回收管道口径的确定 14.3.8 章节14.3 第14章 冷凝水回收 蒸汽和冷凝水系统手册 图14.3.6 疏水阀后排放管为非满溢管 高压蒸汽 6 bar g 管壳式换热器 浮球疏水阀组 选择合适的排放管道 利用图14.3.5确定排放管 的口径25mm 低压蒸汽 1.7